因“异”生变②|自然选择下衍生的病毒和治疗药物研发挑战

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所属分类:鲷鱼杂谈

【编者按】

新冠病毒席卷全球一年多,人类依旧行走在未知“水域”。

今年4月,德尔塔(Delta)变异毒株(以下简称“Delta变异株”)以惊人的传播力,在印度引发第二轮疫情大暴发,并扰乱美国、英国、以色列等多国疫情应对进程。

Delta变异株被认为是迄今发现的传染性最强的新冠病毒,美国联邦疾病防治中心(CDC)甚至警告,应把它当成新病毒来看待。7月末,南京禄口机场、郑州等地陆续遭Delta变异株“破防”,感染者迅速蔓延至国内十多个省份。

当人们把回归正常生活的期待押在“疫苗”身上时,Delta变异株的“免疫逃逸”再次触发人类的紧张情绪。是什么让变异病毒更具传染性?疫苗研发将如何因“异”而变?我们又该建立一个怎样的防控体系?

带着这些疑问,澎湃新闻()采访来自传染病学、免疫学、病理学、公共安全等多领域的多位权威专家学者,试图进一步走近变异病毒的世界。

“从来没想到它来得这么迅猛,对我们打击如此之重。”印度新德里穆尔昌德医院一名急诊室主任曾对媒体这样表示。当地时间5月1日8时,在过去24小时内,印度单日新增确诊病例首次超过40万例——打破印度自疫情暴发以来单日最高新增纪录,也再次刷新全球单日单个国家新增病例数的纪录。当时全面击溃印度防疫网的,正是狡猾的Delta变异株。

在中国,最早遭遇Delta变异株入侵的是广东省广州、深圳两地。据国家卫健委公布的信息,自5月21日以来,广东省发生三起不同疫情,均与境外输入相关。其中,2起疫情为德尔塔变异毒株、1起为阿尔法变异毒株。

7月底,Delta变异株再次由境外输入“破防”江苏南京禄口机场,传播链随即蔓延至十多个省份;此后在河南郑州发生的疫情,也被证实是Delta变异株。截至8月8日22时30分,此轮疫情已经有17个省份报告现有本土确诊病例或无症状感染者,全国现有高风险地区15个,中风险区201个。

Delta变异株为何如此迅猛?

根据进化的基本原理,所有病毒都会随着时间的推移而进化,变异毒株是病毒自我复制过程中发生突变的结果。这意味着,复制越多、感染人数越多,发生突变的机率和出现变异的数量越大。

长期从事冠状病毒疫苗研发、结构生物学专家王年爽向澎湃新闻()表示,新冠病毒刚好结合ACE2(宿主细胞表面的受体)的能力较强,加上还有其它一些特征的加持,如潜伏期长,无症状感染较多,体现的症状不明显且致死率不是特别高,导致了它能够在人群中快速传播而很难被发现。新冠病毒也会继续朝着增加传播能力和对人体的适应能力这样的方向,持续产生新的变异株。

“病毒始终在变,但何种变异被固定下来并占据优势,是自然选择的结果。”上海市重大传染病和生物安全研究院副院长、复旦大学医学分子病毒学卫健委和教育部重点实验室常务副主任谢幼华向澎湃新闻指出,病毒的生存本能是不断复制,这个过程中不可避免会发生复制的错误。“可以将病毒复制后的群体想象为病毒的社会,存在几十亿、上百亿个极其相似,又不完全相同的病毒,就像我们人类一样,有不同的民族,不同的性格,不同的喜好和生活习惯。当外界环境发生改变,个别或者一些病毒可能更能适应,就会成为新的主流。”

备受关注的四种变异毒株

认识Delta变异株之前,需先了解其所属的“B.1.617”突变株系。

2020年10月初,“B.1.617”突变株系基因组信息首次被上传到全球新冠基因组序列库,最初被称为“双重突变株”,因为一开始外界发现它的刺突细胞上有2个突变——L452R及E484Q。后来发现短鲷是否耐药,其突变远不止2个。此后,根据突变差异,进而分化为三个突变株或亚支,分别是B.1.617.1(Kappa变异株),B.1.617.2(Delta变异株)与B.1.617.3。

新冠原始病毒最关键的生物学特征之一,是位于病毒表面的刺突糖蛋白(spike glycoprotein),简称为“S蛋白”,看起来像一个个突起的“皇冠”。它容易亲和宿主细胞表面的受体“ACE2”,引发感染,是介导病毒入侵人体细胞的重要组成部分,也是使得人体内产生保护性抗体“中和抗体(NAbs)”的主要诱因。

目前发现的主要两种突变,都出现在新冠病毒的突刺糖蛋白上。第一种是变异株改变病毒突刺的“结合受体”,让病毒更容易进入细胞。第二种是“舍弃”两个氨基酸H69/V70,有研究数据表明,这有助于提高感染性,削弱抗体对病毒的攻击效率。

Delta是B.1.617.2.变异株的名称,第一个病例于2020年12月在印度被发现后,迅速席卷了该国和英国、德国、荷兰等多地,并登陆美国,成为当地主导的病毒株。经基因测序后发现,Delta变种在编码刺突蛋白的基因上发生如“L452R”等关键突变。L452R在美国加州的变种中也曾出现,其令病毒传播及复制的能力增加。

2021年6月下旬,印度将Delta变异株的亚变体“Delta +”纳入关注列表。Delta +是Delta变异株的基础上,额外出现了一个突变——K417N,可以使病毒贴附在受感染的细胞上。

截至目前,世界卫生组织(WHO)共命名追踪11种新型变异株, 将其中的4种列为“受关注的对象”(Variant of Concern)——最早发现于英国的Alpha(B.1.1.7)、发现于南非的Beta(B.1.351)、发现于巴西的Gamma(P.1),及发现于印度的Delta(B.1.617.2)。

Alpha、Beta和Gamma变异毒株共享一种被称为“ N501Y ”的刺突蛋白基因。这种突变被认为可以强化病毒对细胞的感染力,也使病毒更容易传播。

Alpha变种最早于2020年11月在英国被检测发现,至12月中旬开始大量传播并引爆英国疫情,今年4月又在美国成为占据主导地位的变异病毒。有数据显示,Alpha变种的传播性比新冠病毒原始毒株高50%,但尚无证据表明其致病性增强。

Beta变种最早于2020年5月在南非发现,此后输出到不少国家,但未在各国成为主要病毒株。有专家指出,从一些研究数据看,Beta变种是对疫苗免疫逃逸最严重一支,但其传播力不强,暂时未出现全球性影响。同样传播力不强的,还有最早发现于巴西的Gamma变种,其也存在一定的对疫苗免疫逃逸情况,但Gamma变种的传播也主要停留在南美。

综合对比之下,Delta变异株以其突出的传染性和免疫逃逸情况短鲷是否耐药,被WHO称为“传播最快和最有适应性的”病毒。

英国公共卫生部(PHE) 在对相关病例数据的持续追踪后发现,Delta的传播力比Alpha株高51%-67%。美国CDC的一份内部文件指出,早期的原始新冠病毒毒株传染性接近普通感冒,其感染者可能传染2到3人。但目前,Delta传染性感染能力——基本传染数R0(在没有措施的情况下,一个患者在感染周期内能够传染的平均人数)已达到8至9人,是原始毒株R0的4倍多,超过SARS、埃博拉、西班牙流感和天花病毒,达到类似于水痘的传染性水平。同时,在疫苗接种率低的地方,确诊病例和传播率最为严重,几乎所有的住院和死亡病例都是在未接种疫苗的人群中发生的。

“病毒载量”针对体内病毒颗粒的密度,是衡量传染性的一个重要指标。广东省疾控中心的一项对比研究结果显示:感染Delta毒株的人体内病毒载量是感染原始株的1260倍。研究者认为,高数量的病毒颗粒和短潜伏期的结合,可以解释Delta变异株的高传播性。

英国最近的一项研究还表明,儿童和50岁以下的成年人感染Delta变异株的可能性是2.5倍。这表示,Delta正向年轻群体“下手”。同样值得关注的是,当地时间6月18日,《今日印度》报道称,印度泰米尔纳德邦钦奈动物园中有9只狮子感染Delta变异毒株。这意味着,连动物也会“中招”。

【对话专家】

是什么让变异病毒更具传染性?它们的传播性和致病性怎么样?……澎湃新闻对话中国科学院院士、上海市免疫治疗创新研究院创始院长、上海交通大学医学院教授董晨;上海市重大传染病和生物安全研究院副院长,复旦大学医学分子病毒学卫健委和教育部重点实验室常务副主任谢幼华;长期做免疫学相关研究,现于药企从事肿瘤免疫药物研发的遗传学博士周叶斌,以及长期从事冠状病毒疫苗研发的结构生物学专家王年爽,听他们讲述这个来势汹汹的“入侵者”,以及目前在治疗新冠肺炎药物研发中又有哪些进展和难点。

自然选择下衍生出来的病毒

澎湃新闻:从原始新冠病毒到delta变异毒株,是什么让变异病毒更具传染性?

董晨:Delta病毒,是继Alpha、 Beta、Gamma之后的第四个主要的变种体,物理性更趋稳定,对高温这样的外界环境因素更不敏感。这也体现了病毒的特性:和人互相适应,互相选择,最大限度地存活下来。

但Delta还是属于冠状病毒,是新冠病毒的一种,有很多基础属性是相通的。从病毒动态学上看,它最大特点就是传播率很高,学界一般认为,是刺突糖蛋白结合的位点RBD出现了很多突变,使得Delta变异株的刺突蛋白跟受体ACE2的结合力更强,导致致病率高。但另一方面,重症率和死亡率现在也降低了,这是多方面的结果,可能是病毒本身的变化,也可能是广泛接种疫苗的结果。从现在的趋势来看,未来病毒有进一步变异的可能性。

谢幼华:在选择压力之下,比较适应的变异病毒就会被筛选出来,Delta可能就是这样一种自然选择下衍生出来的病毒。

新冠病毒是一种单链RNA(核糖核酸)病毒,相较于DNA(脱氧核糖核酸)病毒,其更容易发生和积累变异。但病毒也是一种生物体,一些基本结构是不会变的,例如S蛋白的整体空间结构、病毒基因组结构、复制方式等,只会发生微调。至于新冠病毒的可塑性或变异潜能到底有多大,现阶段还很难判断。但从RNA病毒的角度来说,近阶段还是会继续变异的。

实际上,人类现在能够完全消灭的人病原病毒只有天花病毒。天花病毒能被消灭主要是出于以下原因:第一,病毒的宿主单一,只感染人类;第二,病毒感染后是显性症状,基本没有无症状感染,易观察易发现;第三,疫苗能有效预防天花病毒,免疫保护持久。而新冠病毒则不同:第一,目前还不能确定新冠病毒是否会有一些动物宿主;第二,存在很多无症状感染者,且无症状感染者能传播病毒;第三,自然感染本身以及现有疫苗尚不能形成持久的免疫。由于这些原因,所以新冠病毒很难被彻底消灭。

周叶斌:从科学的角度看,我们关注Delta病毒有三个方向上是否有改变。第一点是传播能力的增强,一般认为,原始的病毒株一个人感染之后大概平均下来传染2~3个人,Delta变异株可以传到5~8人,甚至有人认为是8~9人,比原先快好几倍,表现到现实当中就是很多国家疫情的反复和病例快速的增加;第二点是是否出现了免疫逃逸情况,因为目前所有的疫苗都是按照原始的病毒株研发的,那么免疫逃逸就关系到疫苗的保护作用。第三点是疾病严重程度会不会带来新的影响。

Delta变异株的另外一个影响其实也是比较有争议的,就是说它对疫苗的有效性到底有多大的影响。疫苗的有效性,首先表现在对重症病例的保护程度上。其次,对轻症病例的保护和防止感染的有效性上,同时也涉及到阻断传播的能力。

现在比较明确的是,疫苗对防重症依然非常有效,至于防轻症和防感染有研究认为稍有下降,但整体来说有效性还是非常好的。

王年爽:S蛋白位于冠状病毒外膜表面,是决定病毒侵染能力的主要成分。S蛋白上的突变往往直接决定冠状病毒的传播能力和逃逸能力。在S蛋白上最值得关注的一个是受体结合区RBD上的点突变,这样的突变一方面有可能通过突变使结合受体ACE2的能力增强,从而增加传染性,另一方面可以通过RBD表面结构的改变使之前人体建立的靶向该部位的中和抗体失效。Delta变异株在RBD区域有3个突变有可能产生这两方面的作用。S蛋白的其他部位的突变也值得注意,比如Delta变异株在NTD上也有突变,这些突变也进一步赋予了一定的逃逸能力。再值得关注的是就是S蛋白上Furin酶切位点附近的一个P681R的突变,这个突变与Alpha突变株的P681H相似,可以增加Furin酶切的效率,之前的一些证据显示,Furin酶切的效率的提升有助于提升病毒入侵细胞的效率。

当然我们对S蛋白整体结构和功能的认识还不充分,Delta变异株S蛋白上的突变位点共有十多个,很多位点的突变是否具有其他意义,譬如某些突变是否会在病毒侵染的中间过程中发挥作用,还需要进一步的研究来证明。另外S蛋白以外的其他蛋白上的突变会不会对传染能力的提升发挥作用也是值得关注的问题。

免疫逃逸现象让人以为疫苗没有用

澎湃新闻:对于“突破性感染”,也就是免疫逃逸情况的发生,您怎么看?

董晨:新冠是我们人类历史上第一次遇到这么大规模、感染力这么强的病毒。过去疫苗的全球接种率没有现在这么广泛,所以突破性感染的例子不是特别多,但从理论上来说,这也不是太奇怪的现象。事实上,被疫苗诱导出来的免疫力,有些针对的是刺突蛋白。而刺突蛋白在Delta变异株所属的亚型有所变化,所以疫苗对Detla病毒的保护力肯定是会有所下降的。每个人对疫苗的反应是不均一的,当短时间大量病毒来袭,人体也需要一定的时间来应对。

目前看起来,不管哪种疫苗,对降低重病率、降低死亡率还是有效果的,但是对于能不能防止变异株感染,多大程度上能够防止它的感染,还需要进一步的研究和测算。

但有一个比较有意思的问题,发生免疫逃逸情况后,突破的可能是此前感染过其他亚型的活病毒,或者是接种过疫苗的人群。它的免疫保护力有没有因此而改变?对下一个变种的免疫力是不是增强了?我觉得这个也有待观察。

谢幼华:免疫逃逸的情况不算罕见,艾滋病毒就是例子。艾滋疫苗一直做不出来,关键因素就是因为病毒的变异。病毒可能从地球上有生命体开始,就已经存在了。究竟存在多少种病毒,难以统计。有些病毒大家“谈虎色变”,主要是因为它的重症率、致死率比较高。如果能有效防止新冠病毒感染引起的重症,到时候大家可能也就不再担心了。因此,需要更多地研究如何预防和治疗重症。

周叶斌:目前学界普遍认为突破性感染是无可避免的,但占的比例非常低。以mRNA疫苗为例,它的有效性在80%~90%,像美国基本一半人打疫苗一半没打,所有病例里突破性感染只有10%~20%。现在的问题在于当总数非常多的情况下,10%~20%也是非常多的人数。这不是疫苗有效性的问题,而是感染基数的问题。所以突破性感染的总数在增加,不一定是疫苗本身不行了。

如果因为免疫逃逸现象导致很多人以为疫苗没有用,反而给接种疫苗带来了障碍。

澎湃新闻:对于其它几种颇受关注的变异病毒,它们的传播性和致病性怎么样?

董晨:我现在比较关注的病毒是最早在秘鲁发现的Lambda突变株,现在已经在数十个国家广泛传播。学界研究Lambda突变株的进化特征发现,它具有更强的传染性和免疫逃逸。这两点,是能够实现大规模传播的两个重要特征。

谢幼华:随着自然感染和接种疫苗的人越来越多,有些具有免疫逃逸潜能的变异病毒可能会成为优势毒株,例如delta病毒,其复制和感染的速度非常快,因此传播迅速。提前预判未来病毒的变异趋势是一个远大的目标,但实现的难度还是很大的。

周叶斌:除了Delta变异株之外,另外一个我觉得值得关注的是Lambda病毒。因为阿尔法和贝塔,现在基本都被竞争掉了,那么可能我们就不会遇到这个问题了。而Lambda在南美国家,比如说智利、在秘鲁都传播能力很强,可以达到80%-90%。目前我们还不清楚如果它进一步扩散,传播速度是否还会进一步提升。

至于它会在南美保持稳定还是会往外扩散,这个也是值得观察的。葡萄牙是少数Delta与Lambda都有的国家,从目前情况来看Lambda在那里没竞争过Delta,不过还需要继续关注Lambda到底有没有成为下一个引起广泛影响的突变株的可能。一般来说,病毒的内部竞争,和现在国际旅行比较受限有关。哪些国家之间交流比较多,病毒就可能会出现在哪里。像Beta株,在南非占主导,但其实非洲很多国家都没有太多的Beta感染患者。因为南非它跟欧洲联系比较密切一些,跟它周边的很多非洲国家反而关系不是那么紧密。

目前最缺能在早期使用的、口服药物

澎湃新闻:目前也有很多科研团队和医药公司在研发新冠药物,有什么难点?

谢幼华:不光是Delta病毒,对于新冠病毒整体而言,目前还缺乏特效药。现阶段针对新冠病毒的抗病毒药物,大致可分为蛋白类生物药(抗体药物)和化合物类药物,当然还有中药,都有发展前景。

因为S蛋白突变和逃逸的问题,研发抗体从一开始就需要思考,是研发广谱抗体,还是使用“鸡尾酒疗法”。简单来说,鸡尾酒疗法就是将不同抗体混合在一起,针对S蛋白上的多个靶点,增加病毒逃逸的门槛和难度。化合物类药物主要有两类,一类针对病毒靶点,另一类针对细胞蛋白。从抗病毒特异性角度看,针对病毒靶点的药物可能特异性更高一点,副作用小一点。无论哪类,都需要建立在对病毒的感染和复制机制有深入了解的基础上,当然,化合物类药物也存在使用后出现耐药突变(逃逸)的可能,因此新的抗病毒药物研发需要经历一个漫长的周期。

王年爽:整体来说药物研发面临的挑战比较大,主要是因为感染是一个比较快速的过程,作为急性传染病,它发病较快,在病毒快速感染的前期,此时使用抗病毒类的药物有一定的效果,可以阻止病毒的快速扩增;但发展到了后期的重症阶段,人体免疫反应过度激活就会导致较强的炎症反应,此时再去抗病毒的话效果就会比较差。当前的一个可能方向是开发一些对抗人体免疫反应的药物,但这方面开发的难度相对来说也较大,目前还没有特别有效的能对抗重症的药物。

周叶斌:我认为目前最缺能在早期使用的、口服的抗病毒药物。我们现有的药物,比如说有单克隆抗体,在早期使用它可以降低转成重症的风险,降低死亡风险。但单克隆抗体产量很低,用起来不方便,需要静脉注射或者皮下注射。但是就新冠而言,绝大部分人最后都是轻症,要防止从轻症变成重症。如果在早期检测到病毒后就给他服用抗病毒的药,就能早点恢复。现在美国和国内都在进行相关研究,是属于新药物的研发。

董晨:疫苗不能完全代替抗病毒的药物。在免疫逃逸的情况下,如果一些患者出现了重症,从治病救人的角度,还是需要药物的投入使用。

在抗病毒药物里面,总的来说,抗体药物的发展是比较快的。我的同事,清华大学医学院教授张林琦团队做的关于分离新冠患者体内保护性抗体的研究,就是提取分离被感染的康复者的中和抗体,通过基因工程的方式表达,做成抗体药物,主要给免疫力不足的重病患者作为补充使用。

药物研发涉及到很多环节和投入,我比较想说的是两点,一个目前我们能够做新冠研究的实验室,至少是P3实验室,还是比较少的。不仅清华北大,还有上海交大医学院作为全国排名前列的医学院,现在也没有P3实验室,其他地区就更难了。同时,仅有的实验室现在也主要用于疫情相关工作,而不是在做科研,就导致很多人没条件做实验,这是一大挑战。

另一点就是如何产业化。事实上,到临床后期实验,我们能够研究的病人是很少的,所以不得不前往海外做临床试验。但海外临床试验存在一定的风险,这也是一大难点。

澎湃新闻:对新冠病毒还有什么别的治疗方向或者正在做的尝试?

谢幼华:在药物研究方面,随着对病毒感染和复制机制的不断深入了解,未来科研将从最初的“老药新用”,过渡到更有针对性的药物设计上。针对无症状或轻症早期,如果能研发出像针对流感的药物“达菲”一样的紧急治疗药物,就可能尽早阻断重症发展。

王年爽:一个可能的方向是研发广谱疫苗,这样的疫苗对差异度很大的突变株都能产生较好的保护效果。这方面的尝试在流感疫苗的研发中进展较快。冠状病毒S蛋白和流感病毒HA蛋白很像,都像蘑菇一样含有一个帽子和一个柄。流感病毒广谱疫苗的研发思路是诱导出能结合柄部的抗体,有研发阶段的广谱流感疫苗已经进入临床试验。新冠病毒也可以做这方面的尝试,但整体来说难度比较大。主要因为就目前的数据来看,结合S蛋白柄部的抗体中和活性都比较差。希望未来在这一方面会有突破。

周叶斌:无论是Sars、Mers,还是新冠病毒,它们的问题在于能不能完全逃避掉对于刺突蛋白的依赖。如果保持这种依赖性,那么未来不管怎么变异,总体上来说还是会有固定的结构,突变有一定的保守性,否则会结合不到人体细胞。从长远的规划上来看,有科研在做泛冠状病毒的疫苗,针对所有冠状病毒刺突蛋白的疫苗,一个疫苗就有可能一下子可以阻断它们所有传播。

董晨:目前看来,病毒一直在变异,说明用保守蛋白区域制造通用普遍性的疫苗思路还不是那么有效。当务之急还是加紧研发用Delta病毒来源的刺突蛋白作为第三针免疫加强针的手段或靶点。最近我们国家的中药配方也是一种好的尝试。

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