|
奧密克戎（Omicron）作為新冠病毒的新型變異株，2021年11月被世界衛(wèi)生組織正式命名,，在短短一個多月的時間里,，就憑借其傳播力更強、傳播速度更快及傳播更加隱蔽的特性,，迅速取代德爾塔成為世界主要流行毒株,。由于奧密克戎的基因突變數(shù)量比德爾塔多1倍以上，綜合傳染性是德爾塔2倍以上,，奧密克戎對現(xiàn)有技術(shù)路線的疫苗普遍具有強大的免疫逃逸能力,，即使接種加強針或新冠康復人群都難以避免再次感染奧密克戎，因此大大削弱了疫苗接種或新冠康復人群的免疫保護效果(盡管疫苗仍有預防重癥,、減少死亡等的重要作用),。本期曉平點評專欄，倪曉平教授綜合相關(guān)文獻報道,，通過分析Omicron變異株在受體結(jié)合方式,、進入細胞途徑等方面的改變闡述Omicron變異株為什么會進化出快速傳播與免疫逃逸。Omicron變異株為什么會進化出快速傳播與免疫逃逸,？ 2021年初,，全球第一個受到關(guān)切的變異株（variant of concern，VOC）是Alpha變異株（B.1.1.7）,，并迅速成為全球流行的主流毒株,。幾個月后，2021年夏天，Delta變異株（B.1.617.2）出現(xiàn)并替代Alpha株,，成為大多數(shù)國家流行株,。Alpha變異株的傳播速度比原始株提高35%～100%，感染者病毒載量較高,。隨后Delta變異株替代了Alpha,，其傳播率又高出55%，并具有部分逃脫中和抗體作用的能力,。2021年11月南非首次發(fā)現(xiàn) Omicron變異株,，并迅速席卷全球，短短10周內(nèi)感染了約9000萬人,，超過2020年全年的COVID-19報告病例數(shù),，其傳播速度比原始株提高10倍。2021年11月24日,，Omicron變異株的氨基酸序列首次公布,。不到一個月后，《自然》和《細胞》等雜志報道了一系列有關(guān)該VOC株的快速傳播與免疫逃逸的特征,。與原始株相比,，Omicron整個基因組共有51個突變，刺突蛋白（spike蛋白,，S蛋白）有30多個（其他VOCs只有9～12個）突變點位,，包括30個氨基酸替換、3個缺失和1個插入,，其中受體結(jié)合區(qū)域（Receptor binding domain,，RBD）有15個前所未有的突變，對病毒的傳染性,，以及對疫苗和治療性抗體的保護作用產(chǎn)生重大影響,，再感染（re-infection）和疫苗突破（vaccine breakthroughs），甚至影響了病毒的復制能力,、發(fā)病機制，并迅速在全球范圍內(nèi)蔓延,，替代Delta變異株成為當前大流行的主流毒株,。綜合相關(guān)文獻報道，Omicron變異株出現(xiàn)以下改變,。一,、與ACE2受體結(jié)合方式發(fā)生了改變Omicron 的S蛋白繼續(xù)使用人類血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）作為其進入細胞的受體,，但相對于其他變異株,，與ACE2的結(jié)合強度增加了2.5倍，這主要是得益于Omicron 的RBD在表面具有更強的正靜電電位，有利于S蛋白插入帶負電荷的ACE2中,。Omicron S蛋白與ACE2的結(jié)合方式也發(fā)生了改變,。美國北卡羅來納州Duke人類疫苗研究所結(jié)構(gòu)生物學家Acharya教授領銜的研究團隊，采用低溫電子顯微鏡（cryo–electron microscopy）觀察發(fā)現(xiàn),，Omicron S蛋白的結(jié)構(gòu)完全不同于所有其他的變異株,。SARS-CoV-2 S蛋白是由三個相同的片段組成，如同帶有關(guān)節(jié)的手指狀觸角,，這些片段結(jié)合在一起成為一個單元,，向外延伸就像抓取物品的指尖一樣，用來抓取并將病毒固定在ACE2的細胞上（見附圖1）,。Delta以及其他變異株采用伸出多個手指抓取ACE2,。而Omicron卻進化出“一指禪”的功能，繼續(xù)保持可彎曲的觸角,，如同彈簧一般,，只伸出一個手指來抓住ACE2，以確保S蛋白總是指向感染細胞的方向,。同時,，Omicron隱藏了受抗體會攻擊的S蛋白，從而躲避了免疫系統(tǒng)的攻擊,。這樣一來,，受到中和抗體（nAbs）攻擊的大部分觸角被隱藏起來了，而帶有正電的“一指禪”又可以更高效,、更準確抓住負電特性的ACE2,。
附圖1. SARS-CoV-2刺突蛋白三個手指狀觸角。 與SARS-CoV-2的原始株和其他變異株有所不同,，Omicron使用了不同的蛋白酶進入細胞。SARS-CoV-2進入細胞都是從抓住ACE2開始的,，在經(jīng)典的進入途徑中,，跨膜絲氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）剪斷了S蛋白，允許病毒與人類細胞融合并立即釋放核酸來制造子代病毒,。但是Omicron可能會通過細胞膜內(nèi)的核內(nèi)體（endosome）走后門進入細胞,。通過這條特殊路徑，Omicron利用另一種蛋白酶--組織蛋白酶L（cathepsin L）來剪掉S蛋白,，將病毒核酸傾倒入細胞內(nèi),。2022年2月1日《自然》雜志分別報道了兩個研究團隊的結(jié)果，Omicron并沒有有效地利用TMPRSS2途徑,，而是更多地依賴組織蛋白酶L進入細胞,。質(zhì)膜途徑（plasma membrane entry route）：SASR-CoV-2 原始株或包括Delta在內(nèi)的之前變異株主要感染肺上皮細胞,，通過質(zhì)膜途徑進入宿主細胞，肺上皮細胞是TMPRSS2高表達的細胞,，病毒先與ACE2結(jié)合,，再與TMPRSS2結(jié)合，在S蛋白處進行剪切,。接下來,，S蛋白錨定在細胞膜上，介導病毒膜與細胞膜的融合,。最后,，細胞膜上形成一個孔，病毒基因組被釋放到細胞中（見圖2）,。核內(nèi)體途徑（endosomal entry route）：現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),，Omicron變異株主要感染TMPRSS2低表達的上呼吸道上皮細胞，通過核內(nèi)體途徑進入宿主細胞內(nèi),。病毒首先與ACE2結(jié)合,，病毒-- ACE2復合體通過內(nèi)吞作用進入核內(nèi)體，在核內(nèi)體中S蛋白被組織蛋白酶L（Cathepsin L）切割,，然后病毒和核內(nèi)體膜融合在一起形成一個孔,，并釋放基因組進入細胞內(nèi)（見附圖2）。
附圖2. SARS-CoV-2質(zhì)膜途徑（左側(cè)）與核內(nèi)體途徑（右側(cè)）示意圖 體外實驗發(fā)現(xiàn),，Omicron不能在2型人類肺泡細胞（alveolar type 2 cells）進行高效復制,，卻在人原代氣道培養(yǎng)系（human primary airway cultures）和原代人鼻上皮細胞中快速復制。實驗證明Omicron在許多細胞系中表現(xiàn)出復制能力的減弱,。例如,，在共同表達人ACE2和TMPRSS2蛋白酶的Vero E6細胞系中，Delta和Omicron病原體都形成了空斑,，但Omicron的空斑的數(shù)量明顯要少得多（見附圖3）,。
附圖3. 不同變異株在Vero-ACE2-TMPRSS2 (VAT)細胞系3d后空斑形成。 但是,，荷蘭鹿特丹Erasmus醫(yī)學中心的病毒學家Haagmans并不這樣認為,，他認為Omicron還是走經(jīng)典路徑進入細胞，但是使用另一種蛋白酶,，而不是TMPRSS2蛋白酶,。但是這些未知的蛋白酶并不在肺細胞上。Omicron的細胞趨向性和蛋白酶使用情況發(fā)生了改變,，這可能是其傳染性更高，而致病性下降的重要原因,。因此,，病毒攻擊的靶器官發(fā)生了改變,，由下呼吸道，甚至肺泡細胞,，改為上呼吸道,，因為那里ACE2--組織蛋白酶L高度表達。上呼吸道同時表達ACE2和TMPRSS2的細胞數(shù)量,，相對于下呼吸道的比例要少得多,，而適合于Omicron進入細胞的核內(nèi)體通道（endosomal pathway）卻無處不在，在鼻腔中ACE2和核內(nèi)體組織蛋白酶L同時表達的細胞數(shù)量,，是ACE2--TMPRSS2同時表達的細胞數(shù)量的7倍,。由此可見，人體的上呼吸道為Omicron感染提供了更多數(shù)量的細胞,，這使得Omicron能夠更多,、更容易地感染上呼吸道細胞，導致人群暴露于較低劑量即可實現(xiàn)感染傳播的可能性,。這也是解釋為什么Omicron變異株的傳播速度要遠勝過Delta株的原因所在（見附圖4）,。
附圖4. SARS-CoV-2變異株進入細胞方式示意圖。Omicron可以分別利用TMPRSS2+和TMPRSS2-細胞,，但Delta株只能利用TMPRSS2+進入細胞,。 隨著Omicron在全球范圍內(nèi)的流行,，很快就發(fā)現(xiàn)這種變異株可以躲避抗體和免疫細胞的攻擊,，但是未接種疫苗的人群仍然是最有可能被感染的。2022年1月8日,，美國CDC的數(shù)據(jù)顯示,，在Omicron高峰期，各人群的感染率為：3230.1人感染/10萬名未接種疫苗,，1467.31人突破性感染（breakthrough infections）/10萬接種疫苗,，1053.6人的感染/10萬加強接種。但是,，2021年8月28日Delta流行期間,，各人群的感染率則是：699.12人感染/10萬未接種疫苗，140.8人感染/10萬接種疫苗,。疫苗接種人群中,，Omicron的突破性感染人數(shù)是Delta的10倍。Omicron是如何免疫逃逸,？多項研究表明,，S蛋白某些原本被抗體鎖定的抗原位點被替換、缺失或被隱藏起來了,。Omicron如此狡猾可能還有其他原因：首先,，該變異株S蛋白具有隱藏功能,，保護其在抓住ACE2的同時又不被抗體的攻擊。Acharya等發(fā)現(xiàn),，Omicron的一個常見的抗體連接位點N-端結(jié)構(gòu)域（N-terminal domain）因突變過多,，而不被nAbs識別實現(xiàn)了免疫逃逸。Omicron的另一種逃避策略是,，Omicron擅長在細胞間傳播,，這樣一來宿主的免疫系統(tǒng)就不能發(fā)揮作用，像以往那樣在細胞外捕捉到它,。Omicron的細胞間傳播能力幾乎是早期病毒的5倍,。紐約大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，Omicron RBD的電荷可能會排斥抗體,。該團隊測試了一些單克隆抗體,，這些抗體取自大流行早期COVID-19康復者，這些抗體表面如同Omicron S蛋白,，都帶有正電荷,，導致因力場（force field）作用使抗體無法結(jié)合到S蛋白上。全程SARS-CoV-2疫苗接種產(chǎn)生的nAbs可以較好地中和原始株,，但是無法有效中和Omicron變異株?，F(xiàn)有證據(jù)表明，疫苗的加強接種（booster vaccination）可以產(chǎn)生較高保護效價,，無論是同源疫苗,，還是異源疫苗產(chǎn)生的nAbs均可有效中和Omicron變異株（見附圖5）。
附圖5. 加強接種可以產(chǎn)生較高的nAbs水平 最近,，以色列在Omicron變異株的流行地區(qū),，針對未感染的60歲以上老年人群、并在4個月前已經(jīng)完成第3針疫苗加強接種的人群實施第4針BNT162b2 mRNA加強接種,。結(jié)果顯示,，在第4針接種后7d～30d觀察期內(nèi)，與對照組（接種第3針BNT162b2疫苗人群）比較,，接種第4針老年人群可以降低感染（45%）,、發(fā)病（55%）,、因新冠住院（68%）,、重癥（62%）和新冠致死率（74%）。越來越多證據(jù)表明,，氣溶膠傳播已經(jīng)成為SARS-CoV-2傳播最重要的感染途徑,，而Omicron進入人體的靶細胞發(fā)生了改變，利用的蛋白酶也不同于經(jīng)典感染途徑,，更方便了變異株進入宿主細胞,。目前,，我國60歲以上人群完成全程接種率為81.9%，完成加強接種率為62%左右,，而第4針的加強接種尚未正式推進。根據(jù)當前Omicron流行特點,，老年人群又是感染Omicron變異株的“脆弱人群”,，因此，應該提高60歲以上人群的加強接種率,，同時應積極推進第4針疫苗加強接種工作,。關(guān)于Omicron唯一的好消息是,，比Delta變異株所導致的臨床癥狀似乎要輕些,。但是，卻換來了更令人擔憂的事,，Omicron S蛋白介導感染途徑擴展了對不同種類動物表達ACE2細胞的感染,，現(xiàn)已證明SARSCoV-2進化改變其宿主適應性的范圍，導致在小鼠,、雪貂或水貂中復制增強,。最近，美國的研究已經(jīng)證實,，白尾鹿可作為SARSCoV-2的宿主,，這突顯了病毒未來可能出現(xiàn)人畜共存的問題，從而大大增加根除SARS-CoV-2的難度,。這種反向人畜共患病的風險,，主要與Omicron進入細胞利用ACE2--組織蛋白酶L有關(guān)，這類組織蛋白酶在哺乳類動物,、禽類中普遍存在,。主要參考文獻 1. 倪曉平, 倪凱文, 索繼江, 等. SARS-CoV-2 經(jīng)氣溶膠傳播的新證據(jù)[J]. 中華醫(yī)院感染學雜志,2022,32(9) .doi:10.11816/cn.ni.2022-220116. 2. Chu H, Yuen KY. Pathogenicity of SARS-CoV-2 Omicron[J]. Clin Transl Med，2022,；12(5):e880. doi:10.1002/ctm2.880. 3. Fan Y, Li X, Zhang L, Wan S, Zhang L, Zhou F. SARS-CoV-2 Omicron variant: recent progress and future perspectives[J]. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):141. Published 2022 Apr 28. doi:10.1038/s41392-022-00997-x. 4. Dejnirattisai W, Huo J, Zhou D, et al. SARS-CoV-2 Omicron-B.1.1.529 leads to widespread escape from neutralizing antibody responses[J]. Cell. 2022;185(3):467-484.e15. doi:10.1016/j.cell.2021.12.046. 5. Magen O, Waxman JG, Makov-Assif M, et al. Fourth Dose of BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine in a Nationwide Setting[J]. N Engl J Med. 2022;386(17):1603-1614. doi:10.1056/NEJMoa2201688. 6. Lamers MM, Mykytyn AZ, Breugem TI,，et al. SARS-CoV-2 Omicron efficiently infects human airway, but not alveolar epithelium[J]. BioRxiv. doi: https:///10.1101/2022.01.19.476898. 7. Peacock TP, Brown JC, Zhou J, et al. The SARS-CoV-2 variant, Omicron, shows rapid replication in human primary nasal epithelial cultures and efficiently uses the endosomal route of entry[J]. BioRxiv. doi: https:///10.1101/2021.12.31.474653. 
|
