超強變異株如何在新冠感染者體內“孕育”？《自然》長文揭秘 - 趣味新聞網

本文轉載自公眾號“Nature Portfolio”

原文作者：Ewen Callaway

*原文發錶於 2022 年 6 月 15 日

病毒學傢 Sissy Sonnleitner 追蹤著奧地利東提洛爾地區幾乎每一位 COVID-19 患者。因此，當她發現當地一名女子連續幾個月檢測呈陽性時，Sonnleitner 下定決心一定要搞清楚怎麼迴事。

這名 60 多歲的女子在 2020 年末感染瞭新冠病毒（SARS-CoV-2），在那之前，她一直在吃免疫抑製劑治療淋巴瘤。 她的新冠感染一共持續瞭 7 個多月，癥狀相對較輕，包括疲勞和咳嗽。

一次7個月長的新冠病毒感染在刺突蛋白上積纍的突變。插圖：Nik Spencer/Nature來源：參考文獻1

Sonnleitner 就職於奧地利 Außervillgraten 的一個微生物學實驗室，她的同事收集瞭該女性的 20 多個病毒樣本，並通過基因測序發現這些病毒齣現瞭約 22 個突變（見“追蹤刺突蛋白的演化”）。 其中約一半的突變能在幾個月後傳遍全球的 Omicron 中再次看到 ——Omicron 是攜帶大量突變的新冠病毒變異株[1]。“當 Omicron 被發現時，我們都很驚訝，” Sonnleitner 說，“因為我們已經在我們的變異株中看到過這些突變瞭。”

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Omicron 並非源於這名女性感染者 ——她貌似從未將感染傳給過其他人。雖然還未發現與個體病例的確定性關聯，但對於Omicron 等掀起全球疫情的變異株來說， 像她這樣的慢性感染者很可能是一個主要起源。 英國劍橋大學病毒學傢 Ravindra Gupta 說：“我想任何人都不會懷疑，這就是新變異株的一個來源。”

研究人員想知道新冠病毒是如何通過演化變得更容易人際傳播，更容易免疫逃逸，或是變得更嚴重或更不嚴重。這些特性中的一些或是全部或許是在一次慢性感染期間齣現的。南非非洲健康研究所的病毒學傢 Alex Sigal 說：“我們還不太清楚哪些演化會齣現在一個人體內，哪些不會。”

利用這些信息來預判下一個緻命毒株的齣現甚至追溯 Omicron 等變異株的起源，這種可能性微乎其微。不過，病毒學傢還是希望通過提高對病毒演化的理解，預測未來變異株的可能性質，並找到治療慢性感染的最佳方法。Sigal 說：“這個問題很重要，因為誰都不想再看到另一個很難對付的變異株。”

緻命競爭

2019 年末至今， 科研人員已經對從人體內采集的逾 1100 萬個新冠病毒樣本的基因組完成瞭測序 ，並在這些測序結果的基礎上繪製齣瞭一顆“枝繁葉茂”的演化樹，記錄瞭新冠病毒橫掃地球過程中的一步步變化—— 新冠病毒在人際傳播的過程中平均每個月隻增加幾個穩定的突變。

加拿大不列顛哥倫比亞大學的演化生物學傢 Sarah Otto 說：“但這隻是整個演化故事的一部分。”每個人的感染自成一個宇宙，當感染從一個細胞傳到另一個細胞時，新的突變就會産生。大部分這些突變對病毒沒有影響，許多突變還對病毒不利。但有部分突變會讓病毒比宿主體內的其他突變版本更有優勢，使其傳播力增強，或是對免疫屏障有一定的抵抗力。 傳染性和免疫逃逸這兩個特性是新冠病毒自 2019 年齣現以來的主要演化方嚮。

新冠病毒的急性感染期通常為一到兩周，之後就會被免疫係統清除。在急性感染期，攜帶有利突變的病毒隻有很短的時間去“乾掉”缺少有利突變的病毒。因此， 有優勢的病毒被傳給另一個人的機會其實並不大。 研究顯示，形成新的傳染隻需要少數幾個病毒顆粒——甚至可能隻要一個病毒顆粒[2]。美國弗雷德·哈欽森癌癥研究中心的演化生物學傢 Jesse Bloom 說：“當彆人經過你身邊並吸入你噴齣的氣溶膠顆粒時，哪些病毒混在其中基本要看運氣。所以， 感染者體內齣現的大部分有利突變最後就這麼消失瞭 ，整個演化過程隻能從頭再來一遍。”

這種“傳播瓶頸”也是為何在全球傳播的新冠病毒平均每個月隻會齣現兩個左右的突變。 但在幾個月不見好的慢性感染中，攜帶優勢突變的病毒就有更多時間打敗競爭者。

與急性感染相比，慢性感染也給瞭病毒更多時間擴大它的多樣性。通過重組這個能打亂新冠病毒顆粒基因組的過程，在體內某個部位有利的突變，比如上呼吸道，就能跑到有其他優勢特性的病毒中，愛丁堡大學演化生物學傢 Andrew Rambaut 說，“ 如果最後得到瞭一個適應力更強的病毒，它幾乎能‘原地齣道’。 ”

Otto 說，在全球範圍內， 慢性感染使這個病毒不僅能以一種方式嚮一個方嚮演化，而是在幾個月內有機會嚮數韆乃至上萬種方嚮演化。

瞄準刺突蛋白

沒有哪兩種慢性感染是完全相同的。但研究人員已經開始在幾十個病例中找到慢性感染的共同特徵瞭。Otto 說， 一個最顯著的特徵是病毒刺突蛋白上大量齣現的氨基酸變化 ——刺突蛋白能幫助病毒感染細胞，也是人體免疫應答的一個主要靶標。

許多這類突變都位於抗體靶嚮的刺突蛋白區域，比如受體結閤結構域（RBD）和 N 端結構域，病毒會利用這些結構域識彆和感染宿主細胞。南非開普敦大學的演化病毒學傢 Darren Martin 認為，這在情理之中。如果一個人的免疫係統無法完全清除感染，活下來的病毒很可能攜帶免疫逃逸突變，能幫它們抵禦免疫係統的攻擊。一項尚未經過同行評議的研究[3]發現， 慢性感染中最常見的突變是位於刺突蛋白 RBD 的 E848 突變。 這個位點的突變能讓一些阻斷感染的強效抗體無法與病毒結閤。

一些突變本身並沒有很大本事。 去年，Gupta 和他的團隊報道瞭一位免疫係統受損的 70 多歲男性經曆的一次 102 天的感染，這名男性最終死於這次感染[4]。在醫生給他使用瞭康復期血漿（COVID-19康復患者捐獻的血液中含有抗體的部分）後，Gupta的團隊發現 這名男性的氣道中仍活躍著攜帶一對刺突蛋白突變的病毒。

受感染的嗅覺上皮細胞內的新冠病毒顆粒（綠色）。來源：NIAID/NIH/SPL

其中一個突變名為 D796H ，能讓病毒抵禦抗體攻擊，但這種效應需要病毒付齣代價。研究團隊讓一個無法復製的“假病毒”攜帶 D796H 突變，並檢測它在實驗室中感染細胞的能力， 他們發現如果這個突變單獨齣現，會大大降低假病毒的傳染性。但如果假病毒還攜帶此人體內發現的另一個突變——位點 69 和 70 的兩個氨基酸缺失——病毒的傳染性幾乎能完全恢復 [4]。這兩個在慢性感染中有更多時間齣現的互補突變，能讓病毒完成演化飛躍，Gupta 說，“那些需要在不同宿主間快速切換的病毒很難完成這個飛躍。”

某些情況下，隻有事後迴看纔能發現一些突變的意義。2020 年末，美國布列根和婦女醫院的醫生-研究員 Jonathan Li 和他的同事發錶瞭 首個新冠病毒慢性感染病例 的詳細報告：一個患有罕見自身免疫疾病的 45 歲男子最終不治而亡的病例[5]。新冠病毒獲得瞭與抗體抗性相關的突變，包括 E484K，以及另一個刺突蛋白突變 N501Y， 實驗室研究顯示這些突變能增強病毒與宿主細胞受體的結閤能力，有望增強其傳染性 [6]。

當研究人員在後來被命名為需關注變異株（VOC）Alpha、Beta和 Gamma 的三個快速壯大的譜係中都發現瞭 N501Y 突變時，該突變的重要性變得不言而喻。Omicron 也有這個突變，還有幾個也在這名男性感染者體內發現的其他突變。Li 說：“ 這名男子就像是一個先兆 。”

尋找變異株起源

英國 2020 年末發現的 Alpha 是首個疑似源自某次慢性感染的新冠變異株。但 Rambaut 說，但這並非唯一可能的起源。 Alpha 也許來自某個新冠病毒基因組監測能力較弱的地區——可能並不在英國。另一種解釋是 Alpha 或許是在一個動物宿主體內演化而來（Alpha 的 N501Y 突變能讓新冠病毒感染小鼠、大鼠和雪貂）。

一次偶然發現還是將慢性感染歸為 Alpha 最有可能的起源。 Rambaut 和愛丁堡大學生物學傢 Verity Hill 在 3 月的一篇預印本論文中報道瞭英國測序數據中發現的 Alpha 一個中間版本[7]。這個序列是 2020 年 7 月從英格蘭東南部的一名個體采集的，兩個月後 Alpha 在該地區首次被檢測到。

這個病毒已經有瞭 N501Y 突變和其他幾個 Alpha 的標誌性突變，但它還不具備全套突變。Hill 說：“它正在積纍這些突變。它的傳播能力可能還不怎麼樣。”她說， 隻有在這個 Alpha 中間版本獲得更多突變後，它纔可以一鳴驚人。

Omicron 中也能看到各種突變組閤。多個亞型有相同突變的 Omicron 攜帶瞭很多此前從未發現過的、與免疫逃逸和傳染性相關的基因突變。但 Martin 注意到的是， 在大部分國傢引發 Omicron 感染的 BA.1 亞型有 13 個研究人員之前很少單獨看到的刺突蛋白突變 ，這種一次性全部齣現單個病毒中的情況就更難得瞭。

Martin 和他的同事提齣假說[8]，在這個獨一無二的突變組閤中，一些突變能幫助抵消與加快 Omicron 傳播速度的突變相關的演化代價。Martin 說：“ 這種取捨需要很長時間纔能完成，而在我看來，這個過程隻能發生在慢性感染中。 ”他解釋道， 這可以發生在人類或動物中。

Omicron 的另一個特徵——緻病性下降——也可能源於慢性感染。 實驗室研究發現，Omicron 之所以變得相對溫和，可能是它更喜歡感染上呼吸道細胞而不是肺部細胞的結果[9]。Omicron 或許是從一個能熟練感染上呼吸道和下呼吸道的毒株演化而來的。Gupta 猜測 Omicron 的轉變可能離不開協同演化——當一個病毒在一個人體內存在數月時，就會發生這種協同演化。但我們仍不清楚驅動這種轉變的演化動力。

尋尋覓覓

慢性感染可能是對 Omicron 和 Alpha 這類變異株起源的最好解釋。 但大部分變異株的一個典型特徵——極快的人際傳播能力——是如何在一個人的體內完成演化的問題並不清晰。“ 這絕對是個謎 ，”Bloom 說，“如果某個東西沒有受到選擇，它基本就慢慢消失瞭。而慢性感染中根本沒有對傳播力的選擇。”

一個可能解釋是幫助新冠病毒感染氣道、肺等器官的分子機製，對於新冠病毒嚮外傳播也很重要。 Martin 說：“病毒在人體內傳播所需的動力學與病毒嚮外傳播的動力學是相同的。”

但僅僅保留瞭傳播能力的病毒與 Omicron 和 Alpha 這種能在全球暴發的病毒又是兩迴事。Rambaut 說，傳播力增強或是能感染已經免疫的人群，這或許是讓一個 VOC 變得危險的關鍵。“ 不是所有慢性感染都會産生 VOC。這個概率大概為百萬分之一。 ”

也就是說， 監測行動可能沒法在變異株一齣現時就立即發現它。 在 5 月發布的一篇預印本論文中，研究人員在一名免疫功能低下患者的慢性感染中，發現瞭一個獲得瞭其他刺突蛋白突變的 Omicron 株，並且有跡象錶明它已經在醫院裏和當地社區發生傳播[10]。不過，這類傳播似乎很少進一步擴大。2 月發布的一項針對 27 名慢性感染者的研究發現，沒有證據錶明他們中的任何人已經將病毒傳給瞭其他人[11]。領導該研究的特拉維夫大學演化病毒學傢 Adi Stern 說， 如果慢性感染産生 VOC 的情況少之有少，我們就很難在不降低全球感染率的同時防止 VOC 的齣現。

話雖如此， 目前還是亟需理解引發慢性感染的病毒因素。 Sigal 說：“我們不能隻研究病例報告，而是要搞清楚這個病毒在這段時間裏發生瞭哪些變化。”

Sigal 和他的團隊正在 通過追蹤艾滋病晚期患者，尋找與新冠病毒慢性感染有關的因素 ，這些患者中有的人免疫係統嚴重受損。艾滋病病毒（HIV）會感染名為 CD4+T 的免疫細胞，該細胞也能幫助産生針對新冠病毒這類病毒的抗體。在一篇尚未發錶的論文中，Sigal 和他的同事發現， CD4+T 細胞水平低與新冠病毒慢性感染風險有關 ，而且許多病例都為輕癥，很少齣現甚至沒有呼吸道癥狀。

Otto 說，全球的 HIV 攜帶者將近有 4000 萬，加上世界上大部分人可能已經感染過新冠病毒，一些長時間不痊愈的感染者確實有“孕育”新變異株的可能。“ 根據奧卡姆剃刀原理，我們知道這就是一個來源。 ”

免疫係統低下人群並不是變異株的唯一潛在來源。研究人員已經報道過發生在免疫係統健康人群中的持續數周的新冠感染。Martin 說，從自然選擇的角度看， 與一周的急性感染期相比，即使是相對較短的三周感染，也能讓新冠病毒的演化機會呈指數級增長。

Hill 說，相比免疫應答受損的人， 免疫係統相對健康的人可能會給病毒更多選擇壓力。 但是，如何找齣容易齣現這類感染的人，以及他們會有哪些癥狀，仍有待研究。Hill 說：“我猜想這些人比我們想象的要多得多。”

去年，巴西 Oswaldo Cruz 研究所的病毒學傢 Gonzalo Bello 和同事鑒定齣多個在巴西亞馬遜州傳播的新冠病毒株[12]。這些毒株攜帶瞭 Gamma 變異株的部分但非全部突變——Gamma 變異株 2021 年曾在該地掀起瞭第二輪嚴重疫情。但這些 Gamma 樣的變異株也有屬於它們自己的獨特突變：Bello 說，這些證據錶明 Gamma 可能不是來自某一次慢性感染，而是來自涉及相對健康人群、感染時間中等的傳播鏈。

Bello 錶示，這類傳播鏈可能是 Omicron 譜係如此多樣化的由來。他說：“也許 VOC 起源的一些步驟就發生在這些個體中。” 如果齣現在健康人群中的慢性感染是 VOC 的一個可能來源，提高全球疫苗接種率或能預防新的 VOC ，Hill 說，“ 放任大規模感染等於是在播種下一個 VOC。 ”

慢性感染期間服用的抗病毒藥物和其他藥物也可能左右著病毒的演化 。科學傢留意的一個特性是對新冠藥物的耐藥性，這些藥物包括 Paxlovid（奈瑪特韋-利托那韋）和 molnupiravir。（慢性感染患者對抗病毒藥物瑞德西韋的耐藥性已有記錄[13]。）這些藥物能影響高度保守的病毒蛋白——因而耐藥壁壘很高——但能在慢性感染中實現演化飛躍的病毒有充足時間找到應對辦法，Gupta 說。

紐約哥倫比亞大學病毒學傢 David Ho 領導的一支團隊在尚未發錶的實驗室研究中發現， 新冠病毒有無數種對 Paxlovid 耐藥的策略。 一些策略需要病毒獲得補償性突變，彌補對 Paxlovid 耐藥的代價，讓它們至少能在實驗室存活下去。這種突變不太可能是我們聽說有人在使用 Paxlovid 後仍反復齣現新冠癥狀的原因，（本人經曆過這種復發的）Ho 說。 但如果這種通常服用五天的藥物為瞭治療慢性感染而延長用藥時間，那麼耐藥性齣現的幾率就很大瞭。

目前還需盡快找到治療慢性感染的有效方法——尤其是針對免疫係統受損的人群，這些人有時候無法對疫苗産生很強的應答。 大部分獲批的單剋隆抗體藥物對 Omicron 及其亞型不夠有效 ，研究人員已經在預印本論文中錶明，將這些藥物用於治療慢性感染時，有時候會齣現耐藥性[14]。

照理說， 康復期血漿能比單剋隆抗體藥物創造一個更高的演化壁壘 ，美國約翰斯·霍普金斯大學布隆博格公共衛生學院微生物學傢 Arturo Casadevall 說。含有大量不同抗體的血漿被證明能有效治療 COVID-19，一些醫生正在讓免疫係統低下患者使用這種血漿[15]。

針對 HIV 的抗逆轉錄病毒藥物也能幫助 HIV 攜帶者清除體內的新冠病毒慢性感染，但對這種藥物的依從性是個挑戰，Sigal 說。

去年 10 月，英國的臨床醫生報道瞭一個病例，一名患者的慢性感染在接種新冠疫苗後突然消失瞭[16]。對於 Sonnleitner 和同事研究的那名奧地利女性來說，長達 7 個月的感染也在接種疫苗後結束瞭。 但我們幾乎不可能知道是否是疫苗幫助她痊愈的。

不過， 這種情況在慢性感染患者中非常罕見，這類患者中有許多人都沒能活下去。 Stern 說：“他們的結局令人心痛。”隨著世界上許多地區開始走齣新冠疫情，一些健康人士更是對 Omicron 的“輕癥”感染毫不在乎，Stern 對此錶示，我們必須采取更多行動來保護那些最容易齣現新冠慢性感染的人。“這種感染對他們來說是危險的，對我們整個社會來說也是嚴重的。”

參考文獻：

1. Sonnleitner, S. T.et al. Nature Commun. 13 , 2560 (2022).

2. Martin, M. A. & Koelle, K.Sci. Transl. Med. 13 , eabh1803 (2021).

3. Wilkinson, S. A. J.et al.Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2022.03.02.22271697 (2022).

4. Kemp, S. A.et al. Nature 592 , 277–282 (2021).

5. Choi, B.et al. N. Engl. J. Med. 383 , 2291–2293 (2020).

6. Tian, F.et al. eLife 10 , e69091 (2021).

7. Hill, V.et al.Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2022.03.08.481609 (2022).

8. Martin, D. P.et al. Mol. Biol. Evol. 39 , msac061 (2022).

9. Meng, B.et al. Nature 603 , 706–714 (2022).

10. Gonzalez-Reiche, A. S. Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2022.05.25.22275533 (2022).

11. Harari, S.et al.Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2022.02.17.22270829 (2022).

12.Graf, T.et al. Virus Evol. 7 , veab091 (2021).

13. Gandhi, S.et al. Nature Commun. 13 , 1547 (2022).

14. Huygens, S.et al.Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2022.04.06.22273503 (2022).

15. Rodionov, R. N.et al. Lancet Microbe 2 , E138 (2021).

16. Bradley, R. E.et al. J. Clin. Immunol. 42 , 32–35 (2022).

原文以How months-long COVID infections could seed dangerous new variants為標題發錶在2022年6月15日《自然》的自然特寫版塊上

nature

doi: 10.1038/d41586-022-01613-2

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