SARS-CoV-2與COVID-19的研究進(jìn)展

陳 楠，陶志敏

1. 江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院（江蘇鎮(zhèn)江 212013）

2. 江蘇省檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇鎮(zhèn)江 212013）

冠狀病毒在系統(tǒng)分類上屬于套式病毒目（nidovirales）冠狀病毒科（coronaviridae）冠狀病毒屬（coronavirus）[1]。不同類型的冠狀病毒在導(dǎo)致疾病的嚴(yán)重程度和傳播范圍上存在明顯差異?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)可以感染人類的冠狀病毒7種，其中以HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63和HCoVHKU1常見，可導(dǎo)致免疫功能正常的宿主產(chǎn)生普通感冒的癥狀[2-3]，其余3種包括SARS-CoV[4]、MERS-CoV[5]及2019年新出現(xiàn)的SARS-CoV-2，可引起致命的呼吸道疾病[6]。SARS-CoV-2屬于β冠狀病毒，有包膜，顆粒呈圓形或橢圓形，常為多形性，直徑60 ～140 nm，基因組為不分節(jié)段的單股正鏈RNA即ss(+)RNA[7]。COVID-19是一種傳染性較強(qiáng)的急性呼吸系統(tǒng)疾病，在世界范圍內(nèi)快速傳播，對(duì)全球公共衛(wèi)生安全造成巨大威脅[8]，本文旨在從SARS-CoV-2的基因組結(jié)構(gòu)和生命周期，以及其所引起的COVID-19的流行病學(xué)、發(fā)病機(jī)制、診斷、治療和預(yù)防等方面進(jìn)行綜述。

1 基因組結(jié)構(gòu)

Lu等對(duì)COVID-19患者（常見呼吸系統(tǒng)病原體陰性）的肺泡灌洗液進(jìn)行二代測序獲得SARSCoV-2基因組序列，比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2基因組與2018年在中國舟山采集的兩種蝙蝠SARS樣冠狀病毒（bat-SL-CoVZC45和bat-SLCoVZXC21）基因組同源性高達(dá)88%，與SARSCoV和MERS-CoV基因組的同源性分別為79%和50%[9]。作為一種新型的β冠狀病毒，SARSCoV-2與其他β冠狀病毒基因組構(gòu)成一致，基因組全長約30 kb，包含5’和3’非翻譯區(qū)（UTR）、6個(gè)功能性開放閱讀框（ORFs）以及8 個(gè)散在分布于結(jié)構(gòu)基因之間的非結(jié)構(gòu)ORFs（圖1），各基因功能見表1[10]。6 個(gè)功能性開放閱讀框基因順序?yàn)椋?’→3’）復(fù)制酶（ORF1a/ORF1b）、刺突蛋白（spike，S）、包膜糖蛋白（envelope，E）、膜糖蛋白（membrane，M）、核衣殼蛋白（nucleocapsid，N）。SARS-CoV-2與SARS-CoV結(jié)構(gòu)蛋白E、M和N的氨基酸同源性高達(dá)90%以上，而S蛋白的同源性較低。另外，SARS-CoV-2大部分非結(jié)構(gòu)蛋白與SARS-CoV的氨基酸同源性達(dá)85%以上[11]。

圖1 SARS-CoV-2基因組結(jié)構(gòu)Figure 1. Genomic structure of SARS-CoV-2

表1 SARS-CoV-2基因功能Table 1. Gene function of SARS-CoV-2

2 生命周期

SARS-CoV-2的生命周期始于S蛋白與病毒受體ACE2的結(jié)合，隨后S蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，促進(jìn)病毒包膜蛋白與細(xì)胞膜的融合并通過內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[12-14]。進(jìn)入細(xì)胞后，病毒脫殼釋放基因組ss(+)RNA到宿主細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，ss(+)RNA可直接作為信使RNA（messenger RNA，mRNA）利用宿主細(xì)胞的核糖體翻譯產(chǎn)生病毒復(fù)制酶多聚蛋白，包括蛋白酶3CLpro和PLpro及RNA依賴的RNA聚合酶（RdRp）[15]。其中，RdRp負(fù)責(zé)合成全長的單負(fù)鏈RNA即ss(-)RNA，并以此為模板合成更多的ss(+)RNA作為新合成病毒的遺傳物質(zhì)[16]。同時(shí)，RdRp通過不連續(xù)轉(zhuǎn)錄機(jī)制產(chǎn)生一系列亞基因組（sub-genomic，sg）mRNA，并翻譯成一系列病毒蛋白[17-18]。病毒蛋白和ss(+)RNA隨后通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間隔室（ER-Golgi intermediate compartment，ERGIC）裝配生成新的冠狀病毒顆粒并分泌至細(xì)胞外[19]，最終完成其生命周期（圖2）。

圖2 SARS-CoV-2生命周期示意圖Figure 2. The life cycle of SARS-CoV-2

3 發(fā)病機(jī)制

SARS-CoV-2進(jìn)入機(jī)體后，通過S蛋白與呼吸道上皮細(xì)胞的ACE2受體結(jié)合，開始大量復(fù)制并向下呼吸道遷移感染進(jìn)入肺泡細(xì)胞。SARSCoV-2快速持續(xù)復(fù)制導(dǎo)致肺泡細(xì)胞死亡可引起強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)[20-21]。當(dāng)Ⅱ型肺泡細(xì)胞死亡時(shí)釋放特異性炎癥介質(zhì)，刺激免疫細(xì)胞激活，免疫細(xì)胞分泌大量白細(xì)胞介素1（IL-1）、白細(xì)胞介素6（IL-6）和腫瘤壞死因子（TNF-α）等促炎因子，導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴或細(xì)胞因子釋放綜合征[22-24]，細(xì)胞因子與補(bǔ)體和凝血系統(tǒng)相互作用，誘發(fā)彌散性血管內(nèi)凝血（disseminated intravascular coagulation，DIC）、急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）或多臟器衰竭（mul-tiple organ failure，MOF），是COVID-19患者死亡的主要原因[25-27]。為減輕細(xì)胞因子風(fēng)暴，有研究提出使用IL-6受體拮抗劑治療患者[28]，但最新研究發(fā)現(xiàn)COVID-19患者外周血IL-6濃度顯著低于CAR-T細(xì)胞因子風(fēng)暴綜合征和ARDS患者的IL-6濃度，研究質(zhì)疑了SARS-CoV-2感染導(dǎo)致的IL-6上升引發(fā)的病理生理反應(yīng)和器官損傷[29]，一定程度挑戰(zhàn)了抗IL-6治療能逆轉(zhuǎn)COVID-19疾病進(jìn)展的觀點(diǎn)。此外，細(xì)胞因子還會(huì)趨化中性粒細(xì)胞進(jìn)入病毒感染部位，中性粒細(xì)胞通過分泌活性氧和蛋白酶殺死病毒，這兩種物質(zhì)同時(shí)也會(huì)破壞負(fù)責(zé)氣體交換的肺泡細(xì)胞，引起肺實(shí)變，進(jìn)一步加重肺損傷[30-31]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)水平，IL-1、IL-6和TNF-α等細(xì)胞因子到達(dá)下丘腦，使體溫升高并引起發(fā)熱癥狀[32]。若出現(xiàn)嚴(yán)重的全身炎癥反應(yīng)綜合征（SIRS），則會(huì)導(dǎo)致敗血癥性休克[33]。

導(dǎo)致人類SARS-CoV-2發(fā)病的臨床特征包括炎癥和血栓形成，但這些過程背后的具體機(jī)制尚不清楚。為了找到SARS-CoV-2致病的關(guān)鍵分子通路，Aid等通過SARS-CoV-2感染恒河猴動(dòng)物模型并對(duì)其肺泡灌洗液和外周血進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，同時(shí)對(duì)血清進(jìn)行蛋白組學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2感染后肺部巨噬細(xì)胞浸潤，補(bǔ)體和血小板廣泛激活，炎癥相關(guān)細(xì)胞因子和干擾素基因ISG上調(diào)，以及血管內(nèi)皮損傷和血栓形成。IFN-α作為促炎性細(xì)胞因子，在活化巨噬細(xì)胞和補(bǔ)體活化觸發(fā)內(nèi)皮損傷和血栓形成中起著關(guān)鍵作用，炎癥途徑和血栓形成途徑的相互作用會(huì)加劇SARS-CoV-2所導(dǎo)致的血管損傷[34]。Zhang等對(duì)659例重癥和534例輕癥或無癥狀COVID-19患者的血樣本進(jìn)行全基因組測序或全外顯子組測序，檢測是否存在控制I型干擾素信號(hào)的TLR3和IRF7相關(guān)基因缺失，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3.5%重癥COVID-19患者有先天性免疫問題，而先天I型干擾素相關(guān)基因缺陷可能導(dǎo)致SARS-CoV-2感染者發(fā)展成為重癥COVID-19患者[35]。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)約10%的重癥COVID-19患者體內(nèi)存在針對(duì)I型IFN的自身中和性抗體，強(qiáng)調(diào)I型IFN在針對(duì)SARS-CoV-2的保護(hù)性免疫中的關(guān)鍵作用[36]。此外，Banerjee等研究發(fā)現(xiàn)，SARS-CoV-2的NSP16與宿主細(xì)胞mRNA的U1和U2 snRNA識(shí)別域結(jié)合，抑制mRNA的剪切；NSP1與核糖體RNA 18S亞基結(jié)合，阻斷宿主mRNA進(jìn)入核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯；NSP8和NSP9可與宿主7SL RNA信號(hào)識(shí)別顆粒結(jié)合，從而干擾宿主蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜。這些病毒蛋白對(duì)宿主細(xì)胞干擾使宿主不能合成干擾素，阻斷宿主細(xì)胞對(duì)病毒的抑制作用[37]。因此，研究SARS-CoV-2致病的關(guān)鍵分子通路及其拮抗宿主免疫防御的機(jī)制可為SARS-CoV-2感染的治療提供靶點(diǎn)。

4 流行病學(xué)

SARS-CoV-2的傳播途徑主要包括飛沫傳播、接觸傳播和氣溶膠傳播三種途徑[38]，糞-口途徑傳播尚待進(jìn)一步明確[39]。與之前認(rèn)為的飛沫傳播是主要方式不同，Prather等研究指出，氣溶膠傳播可能是SARS-CoV-2傳播的主要傳播方式[40]，因此預(yù)防策略除社交疏離外更應(yīng)強(qiáng)調(diào)佩戴口罩和保持室內(nèi)通風(fēng)的重要性?；诹餍胁W(xué)調(diào)查研究，SARS-CoV-2潛伏期為2 ～14天，中位潛伏時(shí)間為5.7天[41]，因此一般隔離時(shí)間為14天。潛伏期的長短與個(gè)人體質(zhì)、飲食作息、周圍環(huán)境等有一定關(guān)系。感染者在潛伏期雖無明顯癥狀甚至無癥狀但仍具有傳染性，是疫情防控的潛在危險(xiǎn)因素[45]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，人群對(duì)SARS-CoV-2普遍易感，其中68歲以上老年人以及有基礎(chǔ)疾病者感染后病情較重[46-47]，嚴(yán)重者可導(dǎo)致死亡，故此類人群應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。SARS-CoV-2等冠狀病毒，可在空氣中存活3小時(shí)，在塑料和不銹鋼等物體表面存活長達(dá)2 ～3天，均對(duì)熱敏感，56℃ 30分鐘、乙醚、75%乙醇（酒精）、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效滅活病毒[42]。目前至少有60個(gè)國家發(fā)現(xiàn)變異新冠病毒株，其中最常見的D614G突變，使SARS-CoV-2的感染能力提升，但除了傳播性和感染性增加外，研究人員發(fā)現(xiàn)與野生型SARS-CoV-2相比，D614G毒株并未顯著增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的病情，而且突變也未影響到體外的中和效果[43-44]。

5 診斷、預(yù)后與轉(zhuǎn)歸

早期診斷是控制SARS-CoV-2傳播的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。COVID-19的實(shí)驗(yàn)室診斷主要包括核酸檢測、血清學(xué)檢測、病毒培養(yǎng)和基因測序等，其中核酸檢測是診斷的金標(biāo)準(zhǔn)。每種檢測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，除實(shí)驗(yàn)室檢測方法外還需結(jié)合流行病學(xué)史、臨床癥狀及肺部影像學(xué)進(jìn)行綜合判斷[48-49]。

除高齡、高D-二聚體水平、入院SOFA高評(píng)分外，淋巴細(xì)胞降低、IL-6過度升高以及鐵蛋白過度升高等，這些特征均可幫助臨床醫(yī)生預(yù)判COVID-19患者是否有不良預(yù)后[50]。COVID-19存活病人的中位排毒時(shí)間是20天，但觀察到的最短病毒排毒時(shí)間是8天，最長則是37天[50]。病毒的復(fù)制和排毒時(shí)間與病人的預(yù)后直接相關(guān)，要想改善病人預(yù)后，必須采取及時(shí)有效的抗病毒治療措施。其中，抗病毒藥物和免疫調(diào)節(jié)劑聯(lián)合治療是改善COVID-19重癥患者結(jié)局的重要策略。在感染COVID-19后的6個(gè)月，部分COVID-19存活者會(huì)表現(xiàn)出疲勞或肌無力、睡眠困難、焦慮或抑郁等癥狀。住院期間病情較重的患者肺彌散功能受損較重，胸部影像學(xué)表現(xiàn)異常，是長期康復(fù)干預(yù)的主要目標(biāo)人群[51]。

6 治療與預(yù)防

目前尚無針對(duì)COVID-19的特異性治療或SARS-CoV-2的特效抗病毒藥物[52]。臨床采用非特異支持性護(hù)理以預(yù)防或減輕并發(fā)癥。

6.1 藥物

截至2020年11月24日，全球共有319種COVID-19治療藥物，其中205種正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，這些藥物大致可分為核苷酸類似物或病毒基因組復(fù)制的關(guān)鍵酶抑制劑。其中，瑞德西韋是一種核苷類似物，最初用于治療埃博拉病毒，其結(jié)構(gòu)類似于腺苷，可摻入病毒的新生RNA中，抑制病毒RNA依賴的RNA聚合酶，導(dǎo)致病毒基因組復(fù)制提前終止，進(jìn)而抑制病毒復(fù)制。美國第一例COVID-19患者在住院第7天使用瑞德西韋，無明顯不良反應(yīng)，在第8天病情即出現(xiàn)好轉(zhuǎn)[53]。瑞德西韋目前正在不同國家進(jìn)行多個(gè)臨床試驗(yàn)。2020年10月8日，美國Gilead公司匯總了瑞德西韋治療COVID-19的最新臨床試驗(yàn)結(jié)果并做最終報(bào)告[54]。該研究為隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照試驗(yàn)，共招募1 062名COVID-19住院患者，結(jié)果顯示接受瑞德西韋治療的患者中位康復(fù)時(shí)間為10天，死亡率為11.4%（第29天），接受安慰劑治療的患者中位康復(fù)時(shí)間為15天，死亡率為15.2%（第29天）。該研究結(jié)論為因COVID-19住院并確診下呼吸道感染的成年患者中，在縮短恢復(fù)時(shí)間方面，瑞德西韋優(yōu)于安慰劑，未談及其對(duì)患者死亡率的影響。此外，還有許多其他藥物正在研發(fā)和進(jìn)行臨床試驗(yàn)中，如核苷類似物法維拉韋、病毒蛋白酶抑制劑洛匹那韋和伊佛霉素、病毒融合抑制劑羥氯喹和鹽酸阿比多爾等[55]。但英國RECOVERY研究組最新的臨床研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，羥氯喹對(duì)COVID-19的治療無任何益處[56]。值得一提的是，糖皮質(zhì)激素可能降低COVID-19患者的死亡率和機(jī)械通氣[57]。世界衛(wèi)生組織公布的最新大型臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，瑞德西韋、羥氯喹、洛匹那韋/利托那韋和干擾素對(duì)COVID-19患者幾乎沒有作用。而且大多數(shù)干預(yù)措施的有效性是不確定的，因?yàn)槠駷橹勾蠖鄶?shù)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)的規(guī)模都較小，并有一定的研究局限性。因此，針對(duì)COVID-19的特異性治療或SARS-CoV-2的特效抗病毒藥物的研發(fā)依然任重道遠(yuǎn)。

6.2 中和抗體

中和抗體是指具有抗病毒活性的抗體，可識(shí)別病毒表面蛋白，阻斷病毒與細(xì)胞表面的特異性受體結(jié)合。目前已篩選出多種對(duì)SARS-CoV-2有中和活性的抗體，如S309[58]、47D11[59]、P2C-1F11[60]、BD-368-2[61]和 CB6[62]等。 而 中 和 抗體雞尾酒療法療效更好。2020年9月29日，Regeneron 藥劑公司公布了其中和抗體雞尾酒療法REGN-COV2的I/II/III期臨床試驗(yàn)結(jié)果。來自275例SARS-CoV-2感染者的研究結(jié)果顯示，該療法能夠迅速降低患者的病毒載量并緩解相關(guān)癥狀，且對(duì)自身沒有產(chǎn)生有效免疫反應(yīng)的患者效果更加明顯[63]。中和抗體雞尾酒療法是天然免疫反應(yīng)的一種替代治療選擇，除SARS-CoV-2外，在人類免疫缺陷病毒、埃博拉病毒等的治療中都發(fā)揮了巨大的作用。

6.3 疫苗

截至2021年1月21日，全球共有241種SARS-CoV-2疫苗正在研發(fā)中，其中45種正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，10種處于臨床Ⅲ期或已被批準(zhǔn)上市。這些疫苗包括滅活疫苗、減毒活疫苗、亞單位疫苗、DNA疫苗和mRNA疫苗等。部分歐美國家已批準(zhǔn)緊急使用的COVID-19疫苗包括德國BioNTech生物技術(shù)公司與美國輝瑞醫(yī)藥公司聯(lián)合研發(fā)的mRNA疫苗BNT162B2[64]、美國Moderna公司的mRNA-1273[65]以及英國牛津大學(xué)和阿斯利康公司聯(lián)合研發(fā)的重組腺病毒ChAdOx1-S疫苗[66]。其中兩款mRNA 疫苗在Ⅲ期臨床試驗(yàn)中達(dá)到了主要療效的終點(diǎn)要求，保護(hù)效力分別為 94.1%和 95.0%，并且對(duì)不同年齡、性別和種族人群的效力基本一致[64-65]。但目前也有關(guān)于mRNA疫苗在注射后出現(xiàn)過敏反應(yīng)或其他副作用的報(bào)告[67]。而腺病毒載體疫苗ChAdOx1-S的Ⅲ期試驗(yàn)展示了這種新型疫苗具有良好的安全性記錄和療效。當(dāng)進(jìn)行疫苗第二劑接種后14天，總體的疫苗療效能夠達(dá)到70.4%[66]。我國目前進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗(yàn)的COVID-19疫苗有 5 個(gè)，包括滅活疫苗 3 個(gè)，腺病毒載體疫苗 1 個(gè)和蛋白亞單位疫苗 1 個(gè)。這些SARS-CoV-2的候選疫苗均具有良好的耐受性，無嚴(yán)重不良反應(yīng)，并可有效誘導(dǎo)CD4+和CD8+ T細(xì)胞應(yīng)答及中和抗體的產(chǎn)生[68-70]。SARS-CoV-2疫苗的成功研發(fā)將構(gòu)筑人群健康免疫屏障，有效控制和預(yù)防COVID-19的傳播和流行。

7 結(jié)語

COVID-19是21世紀(jì)以來第三種高致病性人類冠狀病毒疾病，其致死率雖然沒有SARS和MERS高，但其高度傳染性已對(duì)全球人類健康和經(jīng)濟(jì)等造成了嚴(yán)重的威脅。雖然全球的科研工作者已進(jìn)行了大量的研究，但SARS-CoV-2的起源和跨物種感染途徑仍不明了。SARS-CoV-2感染的發(fā)病機(jī)制及病毒和宿主相互作用的分子機(jī)制尚不甚清楚。深入研究SARS-CoV-2是制定針對(duì)COVID-19的預(yù)防和治療策略的基礎(chǔ)。