嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 Omicron變異株研究進展

郭藝飛, 張繼明,2,3

1. 復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院感染科，上海市傳染病與生物安全應(yīng)急響應(yīng)重點實驗室，國家傳染病醫(yī)學(xué)中心，上海 200040； 2. 上海市重大傳染病和生物安全研究院，上海 200032； 3. 復(fù)旦大學(xué)附屬靜安區(qū)中心醫(yī)院感染科，上海 200040

2021年11月24日南非首次向世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)報告了新型冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)新變異株B.1.1.529。11月26日，基于南非、博茨瓦納流行病學(xué)數(shù)據(jù)與刺突蛋白存在的大量突變可能會引起免疫逃逸與更強的傳染性的判斷，WHO將其列為受關(guān)注變種(variant of concern, VOC)，其成為繼阿爾法(Alpha)、貝塔(Beta)、伽馬(Gamma)、德爾塔(Delta)變異株后第5個VOC，并將 B.1.1.529 變異株正式命名為奧密克戎(Omicron)[1]。截至2022年1月18日，Omicron變異株已經(jīng)在147個國家被檢測到[2]，并已取代Delta變異株成為全球主要流行的變異株。我國也相繼在香港、天津、廣州等地檢測出Omicron變異株感染的輸入病例[3]。本文將從Omicron變異株的基本特征、檢測、致病性、傳染性、免疫逃逸等方面進行綜述。

1 Omicron變異株的生物學(xué)特性

1.1 Omicron變異株的基本特征

Omicron變異株包含大約50個突變位點，其中僅刺突蛋白(S蛋白)就攜帶至少30個非同義突變、6個缺失和3個插入突變(如69—70氨基酸位點缺失, T95I, G142D/143—145氨基酸位點缺失, K417N, T478K, N501Y, N655Y, N679K和P681H位點突變)[4-5]?？茖W(xué)家從南非一名感染者身上分離到活的Omicron變異株，觀察到其仍需要識別宿主細(xì)胞表面血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2 蛋白(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)來完成感染[6]。Omicron變異株在新冠病毒識別宿主細(xì)胞表面ACE2的重要區(qū)域-S蛋白結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞受體結(jié)合區(qū)(receptor binding domain，RBD)有約15個突變，而席卷全球的Delta變異株在RBD區(qū)域僅有2個突變[7]。

Omicron變異株的源頭及進化相關(guān)問題困擾著科學(xué)家。雖然該變異株首次發(fā)現(xiàn)是在南非和博茨瓦納，但是荷蘭國家公共衛(wèi)生及環(huán)境研究院披露，在南非報告Omicron變異株一周前就已在荷蘭境內(nèi)檢測出該毒株[8]，所以現(xiàn)在還不能認(rèn)定這次疫情的起源在非洲。根據(jù)系統(tǒng)進化樹的分析，Omicron變異株似乎與其他毒株呈現(xiàn)一種平行進化的關(guān)系，很難確定與之關(guān)系最近的新冠病毒毒株[9]。針對此問題，目前科學(xué)家提出了3種可能的解釋：①Omicron變異株在病毒監(jiān)測盲區(qū)中完成了傳播和進化；②Omicron變異株在慢性感染的新冠病人體內(nèi)不斷突變進化[10]；③Omicron變異株存在于動物體內(nèi)，近期獲得了傳人的能力[11]。

1.2 Omicron變異株的檢測

病毒變異株的檢測可通過全基因組測序或S基因的測序確定，還可以通過實時熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR)檢測變異株特異性位點，同時結(jié)合其他位點的檢測結(jié)果來進行快速診斷，如Alpha流行株的69—70氨基酸位點的缺失可有助于其快速篩選。全基因檢測不僅可以確定變異株以及所有突變位點，還可以提供分子流行病學(xué)的信息。S基因測序也可用于診斷突變株，成本較全基因測序低，但獲得的信息量較少[12]。RT-qPCR是目前各國使用最廣泛的檢測方法，常用基因檢測靶點有開放閱讀框1ab(open reading frame 1ab, ORF1ab)基因、核殼蛋白(nucleoprotein，N)基因、刺突蛋白(spike protein, S)基因、包膜蛋白( envelope gene，E)基因、RNA依賴性RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)基因[13-14]。根據(jù)上傳的基因組，Omicron變異株被分為BA.1、BA.2、BA.3三種亞型(https://github.com/cov-lineages/pango-designation/issues/367)。其中，BA.1、BA.3亞型具有與Alpha變異株相同的69—70氨基酸位點缺失突變，從而導(dǎo)致出現(xiàn)S基因靶標(biāo)失效 (S-gene target failure, SGTF)的情況，而Delta變異株卻不存在SGTF。因此，可通過是否存在SGTF，對Omicron變異株進行初步篩選。Erster等[15]成功通過檢測SGTF和N基因?qū)micron變異株進行鑒定。然而，BA.2亞型不存在69—70氨基酸位點缺失突變，SGTF不適用于該變異亞型的檢測。此外，還可根據(jù)Omicron變異株的其他特異性突變位點進行檢測，各國診斷檢測公司均在加緊對原有檢測方法的驗證，以研發(fā)針對新變異株的特異性診斷試劑盒。

1.3 Omicron變異株的致病性

目前，關(guān)于Omicron變異株引起疾病的嚴(yán)重程度并未有定論。研究結(jié)論傾向于Omicron變異株引起重癥的概率較為低，癥狀以流涕、頭痛、疲勞等類流感表現(xiàn)為主[16-17]。南非最新研究發(fā)現(xiàn)，2021年10月份和11月份診斷的感染Omicron變異株的患者住院率較其他變異株下降約80%[18]；丹麥的一項研究針對同期Delta變異株感染的19 137名患者與Omicron變異株感染的785名患者，從住院率以及重癥率等方面進行比較，感染Delta變異株導(dǎo)致的住院率與重癥率分別為1.5%和0.11%，而感染Omircon變異株則分別為1.2%和0.13%[19]；Goga等[20]針對在接種Ad26.COV2.S疫苗的醫(yī)務(wù)工作者中發(fā)生新冠變異毒株(包括Beta、Delta和Omicron變異株)感染的情況進行了分析。在感染Omicron變異株期間，住院患者中普通病房護理、高級護理和重癥監(jiān)護的比例分別為91%、6%、3%；在Delta變異株感染期間，該比例分別為89%、4%、7%；而在Beta變異株感染期間，此比例分別為78%、7%、16% (P< 0.001)。該項研究還發(fā)現(xiàn)，與感染Beta與Delta變異株平均5～6天的住院時間相比，感染Omicron變異株的患者平均住院時間縮短為3天(P<0.001)[20]。來自香港大學(xué)的研究團隊在體外實驗中發(fā)現(xiàn)，Omicron變異株雖然在人類支氣管的復(fù)制速度較Delta變異株或最初的新冠病毒毒株快70倍左右，但在人類肺組織卻慢10倍，Omicron變異株在肺組織中復(fù)制速度減慢似乎可以解釋目前觀察到的該毒株致病性并不強的臨床表現(xiàn)[21]。值得注意的是，在南非兒童感染Omicron變異株住院率上升約20%，超過前3波疫情的病例數(shù)，最新的一項來自南非茨瓦內(nèi)地區(qū)的研究顯示，所有患兒及大多數(shù)患兒父母均未接種過疫苗，0～4歲兒童占比最高(62%)，其癥狀包括發(fā)熱(47%)、咳嗽(40%)、嘔吐(24%)、呼吸困難(23%)、腹瀉(20%)和驚厥(20%)?；純鹤≡簳r間較短，平均為3.2天，92%的住院患兒需要普通病房護理，7名患兒(6%)接受了通氣治療，4名患兒死亡，均與其伴有復(fù)雜的合并癥有關(guān)[22]。

目前，關(guān)于Omicron變異株致病性的研究尚處于初級階段，不管對于兒童還是成年人，受病例數(shù)以及人口特征如年齡(Omicron確診患者的年齡大多低于40歲)、合并癥、社會經(jīng)濟水平、疫苗接種情況及國家醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)水平等多種因素的影響，關(guān)于Omicron變異株致病性強弱的判斷還需要大型病例隊列研究。

1.4 Omicron變異株的傳染性

不論是基于實際的臨床觀察還是研究人員對其突變位點的分析，Omicron變異株較于之前流行的毒株，毋庸置疑，擁有強大的傳染性。

Del等[23]推測，Omicron變異株的傳染性約是Delta變異株的2～3倍。南非國家傳染病研究所2021年12月17日發(fā)布的新冠病毒基因檢測周報顯示，南非10月份的測序數(shù)據(jù)還以Delta變異株占據(jù)主導(dǎo)地位(80%)，而11月份和12月份的檢測數(shù)據(jù)顯示，Omicron變異株已取代Delta變異株成為主要流行毒株，比例分別為81%和95%[24]。根據(jù)美國疾病控制與預(yù)防中心(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)統(tǒng)計，Omicron變異株在不到3周的時間流行率占比從0.7%飆升至73.2%，成為美國最主要的新冠病毒變異株[25]。

Omicron變異株在刺突蛋白有高達30個突變位點，大多數(shù)突變是該毒株獨有的突變，少數(shù)突變在其他變異株中發(fā)現(xiàn)，并被證實與其傳染性和免疫逃逸有關(guān)。2021年12月2日美國CDC更新的簡報將其中的4個突變(N501Y，H655Y，N679K，P681H/R)列為可能有助于病毒傳播的關(guān)鍵位點[26]。其中：N501Y突變是Alpha(B.1.1.7)、Beta(B.1.351)、Gamma(P.1)變異株所共有的突變，通過增強刺突蛋白與ACE2受體結(jié)合的親和力，提高在人體上呼吸道的病毒復(fù)制能力，進而促進病毒的傳播[27]；P681H/R突變分別位于Alpha變異株和Delta變異株的弗林(Furin)蛋白酶酶切位點上，F(xiàn)urin蛋白酶的作用是將刺突蛋白切割成S1和S2亞單位，S1亞單位負(fù)責(zé)結(jié)合ACE2受體，而S2亞單位將刺突蛋白錨定在細(xì)胞膜上并介導(dǎo)膜融合，該突變可以增強刺突蛋白的裂解，進而促進病毒入侵宿主細(xì)胞[28-29]；H655Y和N679K位于Furin蛋白酶酶切位點附近，推測其可能會增強Omicron變異株的傳染性。Omicron變異株大部分突變位點的作用及影響尚不清楚，這些突變位點的組合將如何影響其傳染性還須進一步研究。

2 Omicron突變株的免疫逃逸

南非的早期報告稱，60%～70%感染Omicron變異株的患者既往發(fā)生過新冠病毒的感染[30]，提示Omicron變異株有可能會突破自然免疫或者疫苗誘導(dǎo)免疫構(gòu)建的保護屏障。

刺突蛋白尤其是RBD結(jié)構(gòu)域是新冠疫苗以及單克隆抗體研發(fā)的主要靶點，在Omicron變異株疫情爆發(fā)早期，研究人員通過分析該毒株測序序列并運用模型預(yù)測的方法，提出該毒株很有可能會導(dǎo)致疫苗失去保護效果、單克隆抗體治療失效的擔(dān)憂。依據(jù)已知刺突蛋白突變位點作用的研究，猜測Omicron變異株與其他變異株所共有的H69/V70氨基酸位點缺失以及T478K和E484A突變，可增強中和抗體抗性，并與免疫逃逸有關(guān)[31]。Chen等[32]通過基于分子的數(shù)據(jù)驅(qū)動分析發(fā)現(xiàn)，Omicron變異株可以顯著改變132種已知的RBD-抗體復(fù)合物的結(jié)合模式，推測Omicron變異株逃逸疫苗免疫保護的可能性為Delta變異株的2倍左右，其又根據(jù)人工智能預(yù)測模型得出單克隆抗體療效均會受到影響的推斷，其中禮來制藥研發(fā)的單克隆抗體受到的影響可能最大[32]。

越來越多的實驗證實，該毒株在對單克隆抗體、疫苗、康復(fù)者血清的影響上存在著不同程度的免疫逃逸[33-35]。謝曉亮團隊[35]在新冠肺炎康復(fù)者或者接種疫苗的人群中篩選出247種中和抗體，發(fā)現(xiàn)Omicron變異株可以逃逸其中85%以上的抗體。他們還發(fā)現(xiàn)，該毒株可以完全抵抗禮來制藥公司的LY-CoV555/LY-CoV016雞尾酒療法、再生元公司的REGN-COV2雞尾酒療法、阿斯利康公司的AZD1061/AZD8895雞尾酒療法以及騰盛博藥公司的BRII-196等單克隆抗體的中和作用。而葛蘭素史克公司的VIR7831單克隆抗體以及我國自主研發(fā)的DXP-604單克隆抗體仍然對Omicron變異株有活性，但療效有所降低。靶向刺突蛋白高度保守表位的索托維單抗(sotrovimab)可能是目前最有效的單克隆抗體類藥物[35]。上述結(jié)論與美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)發(fā)布的結(jié)果一致[36]。

牛津大學(xué)研究團隊在《柳葉刀》雜志上發(fā)表了關(guān)于Omicron變異株對疫苗效果影響的研究，研究納入人群為接種過2針輝瑞公司的BNT162b2疫苗或者2針阿斯利康公司的ChAdOx1-nCoV-19疫苗且未感染過新冠病毒的成年人，發(fā)現(xiàn)在接種第2針阿斯利康公司的ChAdOx1-nCoV-19疫苗28天后，大多數(shù)疫苗接種者血清中對于Omicron變異株的中和抗體滴度水平下降至可檢測閾值以下, 接種2針輝瑞公司BNT162b2疫苗的中和抗體滴度水平同樣顯著下降，幾何平均滴度從1 358(Delta變異株)降至54(Omicron變異株)[37]。來自香港的研究團隊與英國研究團隊得出的結(jié)論一致，他們發(fā)現(xiàn)輝瑞公司的BNT162b2疫苗誘導(dǎo)產(chǎn)生的中和抗體滴度，較于原始病毒，Omicron變異株HKU691和HKU344-R346K分別降至2.37%和2.80%[38]。

關(guān)于口服抗新冠病毒藥物，如吉利德公司的瑞德西韋(remdesivir)、默沙東公司的莫那比拉韋(molnupiravir)、輝瑞公司的利托那韋(nirmatrelvir)，對于Omicron變異株的作用尚沒有數(shù)據(jù)支持，但是科學(xué)家推測由于這些抗病毒藥物與疫苗或單克隆抗體作用機制不同，其抗病毒活性可能不會受到變異的影響[23]。

接種疫苗加強針被證實可以增強對之前流行的新冠病毒毒株的中和抗體的能力[39-40]。疫苗加強針的接種是否可以扭轉(zhuǎn)2針疫苗后對于Omicron變異株低中和活性的狀態(tài)，引起了各國科學(xué)家極大的興趣。Doria-Rose等[41]通過體外抗體中和實驗證實，接種第2針莫德納公司的mRNA-1273疫苗4周后，針對Omicron變異株抗體中和能力較D614G變異株降低41～84倍，第3針的加強將Omicron變異株中和抗體滴度提高12.6倍，但是較D614G變異株第3針后的中和抗體滴度降低6.5倍[41]。近期預(yù)印本《medRxiv》雜志刊發(fā)了關(guān)于輝瑞公司的BNT162b2疫苗第3針疫苗的最新研究成果，在接種疫苗超過5個月后體內(nèi)無法中和Omicron變異株，但是加強針接種后其中和效率提高100倍[42]。張文宏團隊在2021年12月23日發(fā)表的文章首次展示了中國加強針疫苗針對Omicron變異株效果的數(shù)據(jù)，該項研究發(fā)現(xiàn)在接種2針滅活疫苗的基礎(chǔ)上，第3針接種同源(滅活蛋白疫苗)和異源(重組蛋白疫苗)分別可以將人體對于Omicron變異株的中和能力提高8.07倍和15.87倍[43]。

疫苗不僅會誘導(dǎo)以產(chǎn)生中和抗體為主的體液免疫，還會誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞免疫。細(xì)胞免疫預(yù)防新冠病毒感染的作用不強，但交叉反應(yīng)性T細(xì)胞的存在可避免新冠病毒引起的重癥感染[44]。Redd等[45]分析了先前確定的52個CD8+T細(xì)胞靶向病毒的表位是否在Omicron變異株上發(fā)生了突變，發(fā)現(xiàn)僅有一個表位包含Omicron變異株的單個突變位點，提示Omicron變異株目前尚未出現(xiàn)CD8+T細(xì)胞的免疫逃逸[45]。

針對Omicron變異株的免疫逃逸現(xiàn)象，目前的研究結(jié)果喜憂參半：一方面，該毒株極大削弱了現(xiàn)有大部分疫苗和單克隆抗體的中和活性，導(dǎo)致全球發(fā)生免疫接種者感染的病例急劇攀升，呈現(xiàn)突破自然感染和疫苗接種構(gòu)建的免疫屏障的趨勢；另一方面，疫苗加強針可以部分提高對該毒株的中和能力而且疫苗誘導(dǎo)的細(xì)胞免疫似乎并未受到太大的沖擊。

3 結(jié)語

目前，防止Omicron變異株感染人數(shù)的急劇攀升是當(dāng)務(wù)之急。雖然初步研究表明該變異株引起的病癥較輕，但是香港大學(xué)陳志偉教授警告?zhèn)魅拘詮姷牟《究赡軙?dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)果[46]?！队t(yī)學(xué)雜志》近日發(fā)文稱，該輪疫情預(yù)計會導(dǎo)致英國近16萬醫(yī)務(wù)工作者感染，屆時將會導(dǎo)致整個醫(yī)療系統(tǒng)的崩潰，呼吁要采取更有針對性的措施來減緩Omicron變異株的傳播[47]。開展加強針疫苗的接種是目前人們面對Omicron變異株的首選之策，可以為Omicron變異株疫苗和新藥的研發(fā)贏得寶貴的時間。

Omicron變異株的橫空出世給人類現(xiàn)有的防疫策略提出諸多思考：如何對變異株進行監(jiān)測；如何應(yīng)對病毒進化出的免疫逃逸能力；如何對后續(xù)病毒的變異以及疫情走向進行預(yù)測。面對新冠病毒，世界各國都不能獨善其身，許多欠發(fā)達國家仍然面臨著疫苗接種率較低、病毒檢測能力較差、醫(yī)療水平不足等嚴(yán)峻問題。唯有全人類萬眾一心，新冠疫情才能最終被控制。