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Nature:生物技术里的“福尔摩斯”

”看病“神探

一种用来推测微生物间关系的强大技术也逐渐将其触角伸向了每一个市民,开始介入罪案调查工作。不过法庭在采信相关证据时还是谨慎为好。

麻醉师Juan Maeso居住在西班牙海滨小镇巴伦西亚(Valencia),他在那过着非常体面的生活。不过Maeso有一个不为人知的小秘密。差不多快10年了,在他工作的两家医院里,Maeso总是“克扣”病人的吗啡给自己注射,而且他给自己扎完之后连针头都不换,就直接再扎到病人的身上。

终于在2007年,Maeso因为让至少275名患者染上丙型肝炎(hepatitis C)而被判有罪,其中有4名患者还因此不治身亡。Maeso被判需入狱服刑1933年,不过按照西拔牙的法律,他最多只需要坐20年牢。

到今天,Maeso还在坚持上诉,声称自己无罪,他认为那些患者是自己染上丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)的。不过在去年才被完整披露的一份科学证据向世人展示的却是另外一种样子。这份科学调查是由西班牙巴伦西亚大学(University of Valencia)的Fernando González-Candelas等人完成的,他们使用种系发生技术(phylogenetic forensics)对将近4200条病毒基因组序列进行了分析和归类,希望能够推测出这些患者体内HCV病毒的感染历程和先后顺序。

这种种系发生技术结合了经典的进化生物学技术(evolutionary-biology)和最前沿的基因组测序技术(sequencing technology),堪称古典与现代的完美结合,已经被越来越多地应用到民事与刑事案件的调查工作当中,以及生物反恐防护工作当中。比如在这个月发表的一篇论文里就介绍了科学家们如何利用这项技术查出了一批含有炭疽的海洛因的可能来源,这批毒品自2009年以来在欧洲已经导致多名用户死亡。

比利时Leuven大学(University of Leuven in Belgium)的进化遗传学家Anne-Mieke Vandamme也是这方面的专家,他自2002年以来已经接手过19起相关的案件,其中大部分都是作为辩护方身份出现的,她认为这种科技与法律的交融会产生很多问题。据她介绍,DNA证据是非常确凿的证据,全世界都在使用,但是这种种系发生证据可就没那么肯定了,“你永远都无法用这些证据证明某人有罪。” Vandamme评价道。

除了上述这个问题之外,还存在社会方面的考虑。很多患者权益组织都认为,这种在案件调查过程中追踪病原体来源的做法会让艾滋病等疾病处于更加难堪的境地。随着测序技术以及序列分析技术不断取得新的进展,这种种系发生探案技术也在不断地走向成熟,Vandamme带领的一个课题组正在尝试制定一份种系发生探案技术指南,以及如何将证据提交给法庭的指南,据她介绍,她们希望律师、法官以及检控官对这项技术的利与弊都有一个非常清楚的了解。

共性因素

Maeso的罪行之所以会曝光是因为西班牙公用事业公司(Spanish utility companies)的医生们注意到,在他们的员工当中出现了大量的HCV集中感染的情况。其中一位名叫Manuel Beltran的医生通过对这些员工的病例进行调查之后发现,这些被感染的员工在几个月之前全都在巴伦西亚的Casa de Salud医院(Hospital Casa de Salud in Valencia)接受过小手术。

于是Beltran医生与巴伦西亚当地的卫生部门取得了联系,最终启动了一场大规模的调查活动,对两家医院一共超过6.6万份病例进行了彻查。结果发现焦点全都汇聚到Maeso一人的身上。不过检控官还需要更多、更可靠的证据。

于是他们启用了种系发生学技术。HCV、HIV、以及流感病毒等病毒都属于RNA病毒,它们的突变速度非常快。科学家们通过对取自不同患者体内的病毒进行全基因组测序,然后再对这些基因组进行比对,找出其中的差异,这样就可以绘制出病毒的进化树,找出病毒的源头。据英国牛津大学(University of Oxford, UK)专门研究进化问题和感染性疾病问题的Oliver Pybus介绍,他们干的就是研究病毒谱系(virus genealogy)的工作。

科学家们借助这种种系发生研究工作就可以预测出两种,或者更多种感染微生物之间的相关性有多大,以及它们彼此之间是一种什么样的关系。检控官们已经在法庭上使用过这项技术,比如Richard Schmidt跨国感染案件。Schmidt于1998年被美国路易斯安那法院判处二级谋杀罪。因为他给他的前女友注射了含有HIV和HCV病毒的血液,却骗他前女友说给她注射的只是维生素B12。检控官们还在2001年时使用这种技术追查了涉及美国多家媒体和多名政客的炭疽孢子邮件的来源。他们还在几年前用这种技术调查过多起强奸案和儿童性虐待案,因为这些案件都涉及性传播疾病。

不过Vandamme认为,这种种系发生证据与我们所熟知的DNA证据完全不同,DNA证据能够确凿地证明某人无罪或者有罪。种系发生证据却只能够作为旁证,即证明A体内的病毒很有可能来自B,但是不能肯定地说A体内的病毒100%来自于B。比如在Maeso一案中,检控官们就使用种系发生证据为流行病学调查结论提供了佐证。

González-Candelas等人根据HCV基因组中高变区(highly variable region)的变异模式将这些患者体内的病毒分为了好几类,即进化树上的几个树杈,根据这株进化树就可以看出这些病毒之间的演化关系。科学家们经过分析之后认为,这321名患者中每人体内平均有11条病毒序列来自Maeso,而42名对照患者(即当地的其他HCV感染者)与本案(即Maeso)没有联系。科研人员最终为本案提交的进化树案卷长达11米。

科研人员们还根据这些序列信息为每一位受害者算出了一个似然比(likelihood ratios),即被Maeso,以及之前被Maeso感染过的患者感染的几率除以正常情况下被感染的几率的比值。由于被感染者的人数非常多,而且彼此之间具有非常明显的种系发生关系,所以最终得出的似然比也相当高,大多数人的似然比都超过了105,最高的一位达到了6.6*1095,这也从一个侧面说明这种分析技术相当可靠。

在这次巴伦西亚事件中还有另外一件事情比较引人注目,那就是使用了“分子时钟(molecular clock)”技术,可以计算出每一位患者都是在什么时候被病毒感染的。科学家们对每一位患者体内的病毒多样性(genetic diversity)进行了分析,然后根据HCV病毒的突变率(mutation rate)估算出患者被感染的时间。其中大约有2/3的患者被感染的时间都与他们到巴伦西亚医院就诊的时间相吻合,这也从另外一个侧面表明Maeso就是病毒的源头。

不过在法庭上如何呈现这些证据也是有讲究的。González-Candelas和他的同事Andrés Moya就事先给法官和律师们上了两天的课,让他们对这些技术,以及科技名词等先有一个大致的了解,然后才开始了为期3周的科技证言陈述。

难点之一就是让法官和律师们了解这种种系发生证据与他们熟悉的DNA证据是不一样的。法官们必须了解这种种系发生分析非常的麻烦,由于HCV病毒的突变速度非常快,所以患者感染病毒的时间越长,那么他体内病毒的多样性程度就越复杂。

如果这名患者再感染其他人,那么此时他体内的任何一种新变异病毒都有可能传递给别人,法医们不可能,也没必要对所有的病毒样本进行分析,所以就有可能遗漏某些重要的关联,同时也有可能得到错误的关系结论。据Vandamme 介绍,他们不可能对两名‘嫌疑人’体内所有的病毒一一进行比对,他们都不会对同一名患者体内的不同病毒进行这样的比对。即便这些人体内的病毒高度相关,他们也可以绘制出好几种不同的进化树,这完全取决于他们在什么时候采集病毒样本,以及这些病毒在感染过程当中有多少病毒进入了被感染者体内。

在Maeso的这个案子中,他与大部分被感染者的关联系数都非常强。不过科学分析也排除了他与47名感染者存在相互感染关系的可能性,因此这47人提出的获得经济补偿的要求也没能得到法庭的支持。“我们的分析对所有人都是公平的。” González-Candelas说道。

还我清白

很多科学家都将帮助嫌疑人洗脱罪名看作是种系发生技术最大的用处。2004年的5月,5名保加利亚护士以及一名巴勒斯坦医生被判处了死刑,因为在他们供职的利比亚al-Fateh医院(al-Fateh Hospital in Benghazi, Libya)里,有426名儿童感染了HIV病毒,他们6人据说与此有关(Nature 430, 277; 2004)。这个Benghazi 6人组(Benghazi six)于1999年被扣留,据称经受了严刑拷打。

幸好后来有种系发生证据表明,这些孩子感染的HIV病毒在这6人到达利比亚之前就已经在当地流行多年了。《自然》(Nature)杂志于2006年在网站上公布了这一消息。据该课题组的成员Pybus介绍,虽然他们的研究成果当时没能改变判决,但是在相当大的程度上还是改善了外交关系。2007年,利比亚当局修改了判决,改判为入狱服刑,后来这6人又被引渡到保加利亚,并且被保加利亚总统赦免。

经历了这些颇具划时代意义的案件之后,种系发生断案技术也开始逐渐发展起来。2010年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的进化生物学家David Hillis等人又第一次用这种技术为病毒传播的走向提供了支持性的证据。

Hillis等人对感染者体内的病毒进行了非常仔细的研究。据他介绍,由于每一名感染者体内都存在多个病毒变异株,而这些感染者作为传染源感染下一个人的时候,只有部分变异株会被传播给其他人。感染完成之后,病毒在被感染者体内会迅速扩增,同时也会快速发生变异。因此感染者体内的某些病毒与被感染者体内的某些病毒之间的关系可能比与感染者体内的其它病毒还要接近。理清这种关系将有助于我们辨认出谁是感染者,谁是被感染者。

最新的测序技术进展也让种系发生分析技术的能力变得越来越强大。英国爱丁堡大学(University of Edinburgh, UK)的Andrew Rambaut也曾经和Pybus一起参与过Benghazi 6人组案件的调查工作,据他介绍,你获得的病毒样本越多,你获得的结果就越完整,越准确。

据Bruce Budowle介绍,自动化的快速测序仪能够给科学家们提供大量的数据和信息,Budowle曾经以科学家的身份为美国联邦调查局(US Federal Bureau of Investigation, FBI)工作了26年,他现在是美国北德克萨斯大学健康科学中心应用遗传学研究所(Institute of Applied Genetics at the University of North Texas Health Science Center in Fort Worth)的所长。

不过这么多的数据也会带来一定的麻烦。据Budowle介绍,这些数据必须先经过处理之后才能供他们使用,如果相应的软件或者算法不合适,没有经过确凿的验证,那么由此得出的结论在法庭上就有可能会被人挑毛病。很多由科研单位开发的、对他们的科研工作有用的软件往往都没有经过这种验证,因为没有必要进行验证,除非有人需要用这些软件来打官司。Budowle指出,他们往往对自己的科学非常着迷,可随后就会跟来一连串的事情,然后你就必须面对这些问题。

Budowle等人当年(2001年)面对炭疽恐怖袭击时就面临了这种处境。他们为了得到炭疽孢子的进化树,必须使用美国北亚利桑那大学(Northern Arizona University in Flagstaff)的微生物学家Paul Keim开发的一种技术,可问题就是该技术并没有经过验证。“该技术告诉我们,有可能发生了什么。并且指向了一种实验室炭疽菌株,而不是在自然界里存在的一种细菌。” Budowle回忆道。

”看病“神探

感染性疾病“神探”。

种系发生分析能够帮助我们了解多个被感染者体内病原微生物彼此之间的关系,当我们怀疑某个人致使其他几人被感染时,这种分析结果可以供法庭参考。

该结论帮助调查人员找到了这个叫做Ames的实验室毒株与炭疽邮件之间的关系。后来又根据Ames变异株锁定了位于美国马里兰州的美军感染性疾病医学研究所(US Army Medical Research Institute of Infectious Diseases at Fort Detrick in Maryland)的微生物学家Bruce Ivins。不过这起案件没能上庭,所以我们都不知道种系发生分析在其中起到了多么重要的作用。不过当FBI在2008年开始对Ivins进行调查之后他自杀了(Nature 454, 672; 2008)。

种系发生分析技术在案件审理工作中另外一个引人关注的话题就是它有可能会给被感染的当事人带来名誉上的问题,尤其是HIV感染者,以及与HIV传播相关的案件对此更加敏感。在好多国家里,都有人被控犯有谋杀罪、谋杀未遂罪以及人身伤害罪,因为他们在不知情,或者未告知对方的情况下将病毒传播给了性伴侣,哪怕最终对方并没有被病毒感染。一些研究人员认为,这种对种系发生分析技术的顾虑和担忧会阻止人们前去进行检查。

由于这个原因,一些从事种系发生分析的科研人员都不再受理案件咨询工作,或者会自己进行筛选,有选择地接一些案子。英国爱丁堡大学的Andrew Leigh Brown是专门研究HIV病毒进化问题的专家,他早在20世纪90年代初就开始从事种系发生办案工作,可以说是这个行里的前辈。不过他现在再也不接案子了。

Leigh Brown在去年5月参与制定了由联合国艾滋病项目组(Joint United Nations Programme on HIV/AIDS)公布的一份政策文件,号召大家不要再对HIV传播案件提起诉讼,除非是有意为之。哪怕是故意传播HIV病毒的案件,在进行种系发生分析时也必须相当谨慎,同时还需要其它参考证据的支持,该文件建议:证据标准一定要非常高。

未来的发展前景及缺陷

Vandamme对于从事种系发生分析工作的科研人员们缺少一份规范性的文件一直都感到很遗憾。她希望她和其他几名专家正在起草的这份规范性文件能够帮助科研人员避免在工作当中发生错误的解读。除了介绍如何在法庭上提供证据之外,Vandamme等人还希望在技术规范上达成一致,比如如何设置对照,应该对基因组中的哪些区域进行分析等等。她指出,这种规范将帮助更多从事种系发生研究的科研人员在上庭时提供更加专业的意见。

科学家们也表示,他们会继续谨慎地挑选合适的案件,为其提供专业的科学意见。“不能仅仅因为我们能够分析病原体之间的这种演化关系,就认为整个社会对这个问题也非常感兴趣。我自己的观点是,我只会在比较明确的犯罪案件,比如强奸案或者故意谋杀案中使用这种技术,我不会为意外的病毒传播等案件提供咨询服务。” Hillis阐明了他自己的观点。

虽然巴伦西亚这个案子距今已经过去好几年了,但是最近公布的调查数据又引起了一场关于种系发生技术优劣问题的大讨论,大家关注的不仅仅是该技术在司法系统里的应用,还关注它在生物防护工作中的应用。González-Candelas为此还于去年的10月受邀到克罗地亚的一个学术会议上作了主题发言,详细地介绍了该技术面临的主要问题和挑战。

那是由美国科学院(US National Academy of Sciences)和英国皇家科学会(UK Royal Society)主办的一个学术研讨会,会议的相关文章还没有发表。但是据Budowle介绍,大家对于数据的获取和使用权限问题有很大的争议,从事生物安全和知识产权等工作的人从安全的角度出发,希望对相关数据能够进行保密处理。

Budowle认为,命悬一线,必须确保结论的正确。种系发生分析结论事关一个人是否被判有罪,被判何种刑罚,甚至会使一个群体都受到影响。在涉及生物武器的案件中,这个结论会给一个国家蒙上阴影,甚至会引起战争。在科学技术日新月异的当下,确保检测手段的准确性万无一失是当前最重要的问题。“我们这个技术还是一个新兴的技术,我们认为我们今天采用的技术在两年之后可能就会被淘汰了。” Budowle这样说道。

原文检索:

Shaoni Bhattacharya. Science in court: Disease detectives. Nature, 27 February 2014; doi:10.1038/506424a

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