SARS-CoV-2 奧密克戎變異株的研究進(jìn)展

劉 宏凌子旭張 凈李思雨白天科李 劍

(1.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院,石家莊 050000;2.河北醫(yī)科大學(xué)臨床學(xué)院,石家莊 050031;3.河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,石家莊 050017)

2021 年11 月26 日世界衛(wèi)生組織(WHO)將新型嚴(yán)重急性呼吸道綜合征冠狀病毒(SARS-CoV-2)變異株B.1.1.529 命名為奧密克戎(Omicron)—一種需要高度關(guān)注的變異株(variant of concern,VOC)[1-2]。 不論是病毒感染或疫苗接種產(chǎn)生抗體的主要靶標(biāo)都是SARS-CoV-2 的刺突(spike,S)蛋白[3],在S 蛋白上有5 個(gè)突變位點(diǎn)的德?tīng)査?Delta)突變株已經(jīng)造成了全球范圍的傳播[4],而奧密克戎株在S 蛋白上的突變位點(diǎn)高達(dá)30 余個(gè)[5],因此奧密克戎變異株的出現(xiàn),在世界范圍內(nèi)按下了“緊急按鈕”,許多國(guó)家都頒布了旅行限制令,以防止奧密克戎株的迅速蔓延。

計(jì)算機(jī)分析表明,奧密克戎株的感染性可能比原病毒高10 倍以上,大約是德?tīng)査甑? 倍。 根據(jù)NICD ( southAfrica’snationalinstitutefor communicable diseases)的數(shù)據(jù),德?tīng)査晔悄戏?月、9 月和10 月的主要流行毒株。 序列分析顯示德?tīng)査暝?1 月僅占23%(72/312),而73%(228/312)是奧密克戎株。 從11 月30 日到12 月3 日,南非確診的奧密克戎變異株感染病例從4373 例增加到16055 例[6]。 這些數(shù)據(jù)表明,奧密克戎株已經(jīng)成為南非的主要流行毒株,并在南非引發(fā)新一波疫情。 在其他國(guó)家,奧密克戎毒株也展現(xiàn)了更快、更廣的傳播特點(diǎn)。 截至2021 年1 月20 日,全球共有百余個(gè)國(guó)家報(bào)道了超過(guò)190000 例奧密克戎確診病例[7]。 奧密克戎變異株正在逐漸取代德?tīng)査?成為多數(shù)國(guó)家的主要流行毒株[8]。 本文將分析奧密克戎變異株的傳染性、疫苗策略和血清中和抗體活性等特點(diǎn),以期為今后新冠疫情的防控工作提供參考依據(jù)。

1 奧密克戎變異株的進(jìn)化來(lái)源及傳染性

新冠病毒變異株奧密克戎(B.1.1.529)最早于2021 年11 月初在非洲博茨瓦納的一名實(shí)驗(yàn)室確診病例中發(fā)現(xiàn)[1],在2021 年11 月24 日于南非等地報(bào)道,僅僅2 d 該毒株就被世界衛(wèi)生組織判定為“需要高度關(guān)注的變異株(VOC)”。 截至2021 年12 月22日,全球110 個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)感染奧密克戎變異株的確診病例[2],且該變異株的傳染速度明顯快于德?tīng)査局闧9-10]。 在南非出現(xiàn)奧密克戎變異株的地區(qū),SARS-CoV-2 檢測(cè)呈陽(yáng)性的病例相對(duì)增加,為此當(dāng)?shù)亓餍胁W(xué)家正著力研究其混雜因素。 目前,與南非旅行史有關(guān)的奧密克戎株陽(yáng)性病例幾乎遍布全球,但在美國(guó)[11]或歐洲[12]的個(gè)別病例卻沒(méi)有南非的旅行史。

在病毒的生物學(xué)特征中,我們對(duì)可以促進(jìn)其增殖的特征知之甚少。 研究發(fā)現(xiàn),SARS-CoV-2 奧密克戎變異株具備32 個(gè)位點(diǎn)的基因突變,這些基因突變會(huì)導(dǎo)致病毒刺突的氨基酸序列發(fā)生變化,其中有15個(gè)突變位點(diǎn)位于受體結(jié)合域(receptor-binding domain,RBD),而RBD 正是ACE-2 受體介導(dǎo)的病毒-細(xì)胞相互作用的關(guān)鍵位置[13-14]。 由于自然選擇,病毒通過(guò)突變來(lái)增強(qiáng)ACE2-RBD 親和力,或通過(guò)突變逃避抗體,進(jìn)而增強(qiáng)其在RBD 的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)[15]。據(jù)報(bào)道,人們已經(jīng)試圖通過(guò)奧密克戎變異株刺突的基因序列推斷病毒的傳播速率。 有數(shù)據(jù)顯示,有一組突變出現(xiàn)在S1-S2 弗林蛋白酶切割位點(diǎn),這可能會(huì)增強(qiáng)病毒的傳染性。 此外,RBD 中的突變組合將導(dǎo)致奧密克戎變異株與人類ACE2 產(chǎn)生高度親和力[10]。 今后這些假設(shè)仍需要體外研究的佐證。 如果奧密克戎株具備高感染性的特點(diǎn),它將有可能取代德?tīng)査瓿蔀橹饕牧餍凶儺愔辍?/p>

2 奧密克戎變異株的檢測(cè)方法

在檢測(cè)新冠病毒的過(guò)程中,除了使用Thermo Fischer TaqPath 時(shí)觀測(cè)到的一個(gè)特異性S 基因靶向失效(specific S-gene target failure,SGTF) 外[16],Real-time PCR 測(cè)試(NAAT 測(cè)試)的結(jié)果并沒(méi)有受到奧密克戎基因變異的影響[17],這是由于新變異株與先前檢測(cè)的阿爾法(Alpha)變異株一樣具有病毒刺突基因序列69～70 位點(diǎn)的基因缺失[18]。 所以這也提示了針對(duì)SARS-CoV-2 的檢測(cè)至少需要測(cè)試兩個(gè)不同的基因組區(qū)域,以防止由于其中一個(gè)目標(biāo)區(qū)域發(fā)生變異而導(dǎo)致的假陰性結(jié)果。

變異篩選是檢測(cè)和防止一種新的VOC 擴(kuò)散的最快方法。 所以與檢測(cè)阿爾法變異株類似,目前SGTF 可以作為疑似奧密克戎變異株感染的檢測(cè)指標(biāo)[16]。 根據(jù)這些病毒之間刺突基因序列的差異,有針對(duì)性地檢測(cè)某變異株特異性的突變序列,可以揭示德?tīng)査驃W密克戎變異株的存在[19]。 截至目前,人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于一些突變株的特異性檢測(cè),例如檢測(cè)E484K/Q、L452R、N501Y 等,從而可以快速完成對(duì)奧密克戎株的篩選。 此外,對(duì)所有可疑感染者進(jìn)行病毒全基因測(cè)序,對(duì)于在全球范圍監(jiān)測(cè)這一新變種至關(guān)重要。 該工作是通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)(如GISAID)上收集、比對(duì)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的[20]。 這種監(jiān)測(cè)還可能觀察到新出現(xiàn)的病毒進(jìn)化株或亞系。

在檢測(cè)新冠病毒抗原時(shí),為了避免因刺突蛋白變異而導(dǎo)致的假陰性結(jié)果,多數(shù)實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)展基于核衣殼(nucleocapsid,N)抗原的快速試驗(yàn)。 需要注意的是,人們已經(jīng)在奧密克戎株核衣殼序列上檢測(cè)到了一些突變位點(diǎn),而目前尚不清楚這些突變是否會(huì)對(duì)快速檢測(cè)新冠病毒造成影響。 總體而言,抗原試驗(yàn)不如Real-time PCR 試驗(yàn)敏感[21]。 通常,在高度懷疑感染的情況下,抗原試驗(yàn)的陰性結(jié)果必須通過(guò)Real-time PCR 試驗(yàn)再次確認(rèn)。 所以在疑似奧密克戎變異株感染時(shí)(如根據(jù)旅行史或接觸史)建議首選Real-time PCR 檢測(cè)。

3 預(yù)防奧密克戎的疫苗策略與血清中和抗體活性分析

3.1 疫苗策略

疫苗接種已被證明是預(yù)防和控制新冠病毒感染的最有效手段。 目前已經(jīng)有四種疫苗,即病毒滅活疫苗、病毒載體疫苗、DNA/RNA 疫苗和蛋白疫苗[22]。 這些疫苗主要針對(duì)刺突蛋白[23]。 然而奧密克戎變異株出現(xiàn)的32 個(gè)氨基酸的變化,包括3 個(gè)小的基因缺失和1 個(gè)小的基因插入,可能會(huì)極大地提高其逃避當(dāng)前疫苗的能力。

一種人工智能(AI)模型已經(jīng)對(duì)SARS-CoV-2 進(jìn)行過(guò)數(shù)萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[24],該模型顯示奧密克戎株的傳染性可能是原始病毒的十倍以上,或者是德?tīng)査儺愔甑膬杀蹲笥摇?研究者通過(guò)對(duì)132 個(gè)抗體-RBD 復(fù)合物的三維(3D)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,揭示了奧密克戎逃避當(dāng)前疫苗免疫的可能性是德?tīng)査儺愔甑膬杀丁?因此,美國(guó)食品和藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)的Eli Lilly 公司單克隆抗體(monoclonal antibody,MAb)的作用效果可能會(huì)嚴(yán)重受損。 奧密克戎株也可能降低Celltrion 和Rockefeller 大學(xué)單克隆抗體的效力。 然而,它對(duì)Regeneron 單克隆抗體“雞尾酒”的影響甚微[24]。

由于現(xiàn)在已證實(shí)疫苗誘導(dǎo)的抗病毒免疫會(huì)隨時(shí)間的推移逐漸下降[25],因此無(wú)論正在流行哪種變異株,目前最重要的是進(jìn)行加強(qiáng)免疫接種,以應(yīng)對(duì)持續(xù)存在且可能倍速增加的病例[26]。 因?yàn)榘被岚l(fā)生改變的位點(diǎn)已經(jīng)涵蓋了參與免疫逃逸的位置,如E484(E484A 代表奧密克戎變異株,E484K 代表貝塔和伽馬變異株),所以?shī)W密克戎變異株潛在的免疫逃逸現(xiàn)象,可能與該變異株的刺突序列突變頻率較高有關(guān)[27]。 到目前為止,人們尚未對(duì)奧密克戎株刺突序列中所有突變位點(diǎn)的組合或協(xié)同作用進(jìn)行研究,所以這些突變對(duì)免疫逃逸的影響仍有待確定。 多數(shù)制藥公司已經(jīng)開(kāi)始評(píng)估疫苗對(duì)這種新變種的效力(如莫德納、輝瑞和阿斯利康),其中一些公司的實(shí)驗(yàn)室表示,他們可以根據(jù)需要調(diào)整疫苗設(shè)計(jì)方案。

另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是,異種疫苗能否對(duì)新變種產(chǎn)生有效的保護(hù)力。 所以,對(duì)感染不同SARS-CoV-2變異株的患者,以及接種不同疫苗(包括異源疫苗)人群的血清進(jìn)行體外中和試驗(yàn)時(shí),必須同時(shí)檢測(cè)奧密克戎變異株。 由于細(xì)胞免疫直接針對(duì)不同的病毒刺突表位,所以我們可以認(rèn)為病毒進(jìn)化對(duì)細(xì)胞免疫的影響可能不如體液免疫那么大。 目前有目共睹的是COVID-19 疫苗能降低感染率,并且對(duì)預(yù)防重癥COVID-19 有很好的效果。

2022 年4 月26 日,中國(guó)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局正式批準(zhǔn)了科興控股生物、國(guó)藥集團(tuán)中國(guó)生物基于奧密克戎變異株研制的新冠病毒滅活疫苗進(jìn)入臨床研究,用以評(píng)價(jià)新冠病毒變異株疫苗在各類人群中的安全性和免疫原性[28]。 2022 年5 月1 日下午,由國(guó)藥集團(tuán)中國(guó)生物北京生物制品研究所研發(fā)的奧密克戎變異株新冠病毒滅活疫苗臨床研究,正式在浙江省杭州市完成第一劑接種,這也是全球首支針對(duì)奧密克戎變異株進(jìn)入臨床試驗(yàn)的新冠病毒滅活疫苗[29]。

3.2 血清中和抗體活性分析

目前有5 種需要高度關(guān)注的新冠病毒變異株(Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron),另外還有2種待觀察的變異株(Lambda,Mu)。 人類對(duì)新冠病毒的免疫反應(yīng)因人而異[30]。 王佑春團(tuán)隊(duì)利用假病毒技術(shù),設(shè)計(jì)構(gòu)建了SARS-CoV-2 變異株奧密克戎的假病毒,對(duì)28 份恢復(fù)期患者的血清樣品進(jìn)行了中和抗體檢測(cè),并與其他VOCs(Alpha、 Beta、Gamma、Delta)和VOIs(Lambda,Mu)毒株進(jìn)行了比較[31],結(jié)果表明這些恢復(fù)期血清對(duì)奧密克戎株的平均中和活性ED50 降低約8.4 倍,而對(duì)其他VOCs 和VOIs假病毒的中和活性僅降低約1.2～4.5 倍。 而且血清中和抗體水平不同,對(duì)奧密克戎株的中和活性降低倍數(shù)也不同。 這一體外假病毒研究結(jié)果表明奧密克戎株能顯著逃逸新冠病毒既往感染引起的免疫保護(hù),逃逸效果遠(yuǎn)超其它VOC 和VOI 變異株。

此外,新冠康復(fù)者、接種兩劑新冠疫苗、接種3劑新冠疫苗、新冠康復(fù)者接種兩劑新冠疫苗、新冠康復(fù)者接種3 劑疫苗等人群產(chǎn)生的抗體對(duì)奧密克戎變異株的中和活性可能存在差異。 了解不同群體的血清對(duì)奧密克戎株的中和活性和結(jié)合能力,對(duì)于評(píng)估疫苗對(duì)新冠輕癥患者、重癥患者的保護(hù)水平至關(guān)重要。 Carre?o 等[32]收集了不同免疫狀態(tài)人群的血清85 份,其中包括:新冠康復(fù)者、接種兩劑BNT162b2(輝瑞mRNA 疫苗)、接種兩劑mRNA-1273(莫德納mRNA 疫苗)、接種3 劑BNT162b2(輝瑞mRNA 疫苗)、接種3 劑mRNA-1273(莫德納mRNA 疫苗)、新冠康復(fù)者接種兩劑BNT162b2、新冠康復(fù)者接種兩劑 mRNA-1273、 接受 3 劑BNT162b2 的人群。 通過(guò)體外試驗(yàn)評(píng)估對(duì)野生株、貝塔株(Beta,B.1.351)、奧密克戎株的中和活性和結(jié)合能力差異。 研究發(fā)現(xiàn),新冠康復(fù)者的血清標(biāo)本對(duì)野生株和貝塔株的中和活性普遍較低,對(duì)奧密克戎株的中和活性降低超過(guò)11.1 倍;對(duì)于接種兩劑BNT162b2 和mRNA-1273 疫苗的樣本,對(duì)奧密克戎株的中和活性分別降低了23 倍和42 倍,但大多數(shù)個(gè)體還是保留了低水平但可檢測(cè)到的中和抗體活性;與僅接種兩針疫苗的個(gè)體相比,接種疫苗加強(qiáng)針的個(gè)體血清對(duì)奧密克戎株的中和抗體活性明顯升高。 接種兩針BNT162b2、兩針mRNA-1272 或3針BNT162b2 疫苗的新冠康復(fù)者血清都保持了相對(duì)穩(wěn)定的中和活性。 這些數(shù)據(jù)都證明接種疫苗對(duì)新冠康復(fù)者同樣具有保護(hù)意義。

總體來(lái)講,雖然中和抗體滴度明顯下降,但總抗體滴度水平變化較小,對(duì)奧密克戎株仍有較好的結(jié)合力。 各組人群血清對(duì)奧密克戎變異株的RBD結(jié)合能力下降2.4 倍、NTD 結(jié)合能力下降1.4 倍、S蛋白結(jié)合能力下降5.2 倍。 這進(jìn)一步說(shuō)明新冠變異株逃逸的很可能是中和抗體。 這些數(shù)據(jù)闡釋了新冠康復(fù)者仍需接種疫苗的意義,以及接種第三針(加強(qiáng)針)對(duì)提升中和抗體水平的重要作用。 但由于樣本量有限,疫苗對(duì)變異株的保護(hù)作用究竟如何、能持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間等問(wèn)題還需進(jìn)一步探討。

4 奧密克戎變異株的治療方案

對(duì)流行病學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的回顧性分析表明,奧密克戎突變株可能會(huì)增加原發(fā)感染后再次感染的風(fēng)險(xiǎn)[33]。 這一結(jié)果是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室確認(rèn)的2796982例SARS-CoV-2 感染者中35670 例疑似再感染病例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的[34],它表明奧密克戎變異株具有逃避先前免疫記憶的能力。 因?yàn)樵谘芯科陂g,南非的疫苗接種率非常低,所以該結(jié)果不適用于疫苗研究。 在每個(gè)新的變異體中,都有可能出現(xiàn)COVID-19的嚴(yán)重性增加或減少的情況。 所以,有太多的混雜因素使人們目前無(wú)法將南非的奧密克戎株感染者與其他變異株感染者進(jìn)行比較。 事實(shí)上,COVID-19的嚴(yán)重程度和死亡率在很大程度上取決于疫苗接種率、人口特征(包括年齡、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平或合并癥)、醫(yī)療管理水平以及導(dǎo)致衛(wèi)生系統(tǒng)飽和的同時(shí)病例數(shù)等多種因素[34]。 所以,在深入調(diào)查臨床病例的嚴(yán)重程度時(shí),對(duì)以上這些影響因素進(jìn)行盡可能多的控制是至關(guān)重要的。

感染奧密克戎變異株確診病例的治療方案預(yù)計(jì)不會(huì)隨著病毒變異而出現(xiàn)較大改變。 與皮質(zhì)類固醇相關(guān)的氧療可能仍然是主要的治療手段[35]。在最嚴(yán)重的病例中,如IL-6 抑制劑(托西利珠單抗)[36]或JAK 抑制劑(巴利西替尼)[37]等靶向抗炎藥,可能會(huì)發(fā)揮作用。

4.1 單克隆抗體

新冠病毒的單克隆抗體(MAbs)是較有效的抗病毒藥物。 現(xiàn)在一些國(guó)家無(wú)論是在感染前預(yù)防還是感染后治療,尤其是對(duì)于新冠肺炎重癥患者,都推薦使用MAbs。 這些療法中使用的大多數(shù)單克隆抗體,都是針對(duì)SARS-CoV-2 刺突蛋白的RBD,而該蛋白在奧密克戎變異株出現(xiàn)了多處突變。 目前科研人員已經(jīng)探究了每個(gè)單一突變對(duì)單克隆抗體效力的影響,并通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)幾種突變的組合會(huì)使假病毒對(duì)單克隆抗體產(chǎn)生耐藥性[38]。 在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,我們可以通過(guò)抗體的效價(jià)預(yù)測(cè)奧密克戎變異株對(duì)單克隆抗體的敏感性[39]。 針對(duì)奧密克戎單突變體的數(shù)據(jù)初步表明,VIR-7831(索曲單抗)和VIR-7832 可能仍具備抵抗病毒的活性。 此外,目前關(guān)于Casirivimab/Imdevimab 的數(shù)據(jù)鮮有報(bào)道[40];由于人們已經(jīng)證明Bamlanivimab/Etesevimab 對(duì)德?tīng)査戬熜跷41],所以預(yù)計(jì)它們也不會(huì)對(duì)奧密克戎株有明顯效果。 當(dāng)然,這需要結(jié)合變異株的中和試驗(yàn)來(lái)得出結(jié)論。

4.2 直接抗病毒藥物

關(guān)于口服藥抗病毒療法,人們發(fā)現(xiàn)目前有兩種藥物可能對(duì)SARS-CoV-2 發(fā)揮有限的療效,它們是抑制SARS-CoV-2 復(fù)制的核糖核苷類似物[42]和蛋白酶抑制劑[43]。 由于新冠病毒的兩個(gè)非結(jié)構(gòu)基因(NSP14 和NSP5)分別編碼兩種蛋白酶,而基因突變僅會(huì)出現(xiàn)在這些基因的某一個(gè)位點(diǎn),所以這兩種酶不會(huì)同時(shí)受到突變的影響,這在一定程度上保證了作為蛋白酶抑制劑的口服抗病毒藥不易脫靶,但目前這兩種藥物的效力在感染奧密克戎變異株的病例中仍未得到證實(shí)。

5 總結(jié)與展望

SARS-CoV-2 的突變是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,會(huì)導(dǎo)致多種變異株的出現(xiàn)。 高度關(guān)注變異株是造成嚴(yán)重感染背后的原因,這種感染會(huì)隨著新變種奧密克戎的出現(xiàn)而持續(xù)下去。 盡管最新變異株的傳染性、流行率和致病機(jī)制仍不得而知,但涉及這些方面的科研工作仍需持續(xù)跟進(jìn),以獲得有關(guān)奧密克戎變異株的每一個(gè)細(xì)節(jié),從而提出有效的方法來(lái)防止即將到來(lái)的病例數(shù)量激增。 奧密克戎變異株的出現(xiàn)實(shí)際上增強(qiáng)了全球?qū)σ呙缃臃N重要性的認(rèn)知。 因?yàn)椴《緯?huì)在非疫苗接種人群中自由傳播,會(huì)直接導(dǎo)致新冠肺炎重癥及死亡病例數(shù)攀升;其次,病毒的基因變異會(huì)迅速積累起來(lái),從而提升病毒的傳染性和傳播速度,甚至在全球引發(fā)新毒株的致命浪潮。

目前關(guān)于奧密克戎變異株的研究正在繼續(xù)。以往關(guān)于阿爾法和德?tīng)査儺愔甑难芯拷?jīng)驗(yàn)使我們相信,只有長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)密監(jiān)測(cè)才能為我們提供更多關(guān)于這種新變種的信息,例如它引起疾病的傳播特點(diǎn)、疫苗效力和嚴(yán)重性等。 我們已經(jīng)可以肯定,科學(xué)的防疫措施和疫苗接種仍將是遏制新毒株傳播和防止出現(xiàn)新冠肺炎重癥和死亡病例的關(guān)鍵因素。