新冠变异毒株传播速度加快!疫苗还有效吗?

投稿时间:2021-01-02  消息来源:  提交者:洪门小拳

编者按:自12月中旬起,英国、南非和尼日利亚出现了三种重要的新冠变异毒株。截至今日,已有二十多个国家对英国航班和旅客采取停飞、强制隔离等措施,南非的航班也面临着多国的封锁。但是,这三种新毒株的出现,对各国的防疫措施和疫苗开发究竟意味着什么?
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12月14日,英国健康大臣马特・汉考克(Matt Hancock)称英国境内出现了传染率更高的新冠变异毒株B.1.1.7;英国首相鲍里斯・约翰森(Boris Johnson)紧急宣布部分地区进入最高防控级别,全球多国对英国航班也采取了停飞和强制隔离措施。
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12月23日,英国政府宣布发现了另一种新冠变异毒株B1.351(也称为“501Y.V2”),与从南非入境英国的旅客有关。此后的分析发现,B1.351在南非近期新增确诊病例中占比极高,且主要在南非南部和东南部传播。
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12月24日,非洲疾病控制预防中心宣布,尼日利亚出现了第三种新冠变异毒株。尼日利亚是非洲人口最多的国家,其新冠确诊病例在过去的一个月中增加了52%。该毒株与英国、南非的两种毒株有相似之处,但这些相似之处可能是由独立演化产生的。

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在这些新冠变异毒株的笼罩下,各国政府推进了不同的防疫措施。例如近日,法国政府宣布将动员10万警察和宪兵,在元旦前夕负责“防止地下聚集”、“对参与者罚款”并“标记聚集的组织者”。英国也逐渐将更多地区的防控等级提升至最高级,意图阻止人们出户聚集。
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当前正值许多国家的疫苗注射期,许多人对此表示担忧:这些新的变异毒株究竟意味着什么?它们是否会影响到新冠疫苗的效果呢?
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变异毒株:传播速度加快
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新冠病毒(SARS-CoV-2)属于冠状病毒(coronavirus),与2003年的非典病毒一样是一种RNA病毒。顾名思义,RNA病毒以RNA(核糖核酸)作为遗传物质,由于RNA比DNA具有更多的不稳定性,RNA病毒的突变速率比DNA病毒更快,比人类细胞的突变速度更是快上100万倍。考虑到这一点,新冠病毒出现变异毒株并不奇怪。
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通常情况下,病毒经历的单位点突变不会对其造成任何影响,这些变异因而称为“中性突变”(neutral mutation);时常出现的有害突变(deleterious mutation)甚至会将单个毒株引向演化“死胡同”,致使其灭绝。一般来说,一个新的变异毒株能受到广泛关注,说明其经历了少见的有益突变(beneficial mutation),让这种毒株更适合“生存”。这可以通过多条途径达成:本次英国境内发现的B.1.1.7毒株就表现出了更高的传播率,伦敦新增的确诊病例中,约70%都携带了这种新的变异毒株。
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据英国大型流行病学组织ARTIC Network发表的一篇研究,B.1.1.7毒株的突变位点积累异常之多。如下图所示,相比于大多数变异毒株,该毒株积累了至少23个突变:
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在这篇论文中,研究人员推测,该毒株在经历如此多突变后表现出更高的传播率,说明其很有可能是在慢性感染患者体内,在患者血浆中的抗体和瑞德西韦(remdesivir)等药物提供的演化压力下产生的;换言之,如果感染患者的免疫系统和摄入药物无法完全消灭体内的新冠病毒,自然选择就可能引导病毒演化成更具抵抗力和传染性的毒株。
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无独有偶,南非科学家报告的B1.351毒株和非洲疾控中心报告的变异毒株也表现出了更高的传播率。南非在10月的第一波疫情高峰结束后,就迎来了第二波疫情。第二波疫情迅速扩大;12月初,南非南部和东南部的病例数已重回第一波的水平。在发布会上,南非政府咨询委员会主席萨林・卡林(Salim Karim)表示,主导第二波疫情的毒株,比第一波中的传播速度更快。
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南非四个地区的当日确诊病例数、Re(单个患者的平均传染人数)和每周超量死亡人数。图片来源:Tegally et al。, medRxiv,翻译制图:罗丁豪
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变异毒株:究竟“变”了什么?
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任何病毒都需要在宿主细胞内复制,而新冠病毒的主要宿主细胞是人类细胞。新冠病毒的表面具有突刺蛋白(spike protein,简称S蛋白)。人类细胞表达TMPRSS2酶,能将S蛋白“切开”,露出一段能与人类细胞表面的ACE2受体结合的蛋白。在成功与ACE2受体结合后,新冠病毒就能进入人类细胞。因为新冠病毒S蛋白负责入侵人类细胞的任务,所以在S蛋白序列中发生的任何变化,都有潜力为病毒的传播推波助澜。
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第一个引起广泛关注的新冠病毒突变,早在多个月前就已浮现。这个名为“D614G”的突变,将新冠病毒S蛋白上的第614个氨基酸天冬氨酸(aspartic acid,简称D),变异为谷氨酸(glycine,简称G)。发表在知名期刊上的多篇论文表示,该突变使新冠病毒更容易进入人类细胞,极大地增加了新冠病毒的传播率。
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在英国和南非出现的B.1.1.7、B1.351毒株中,最令人担心的突变也出现在S蛋白上。在病毒学中,与受体结合的病毒蛋白序列称为“受体结合域”(receptor-binding domain,简称RBD);RBD的氨基酸序列决定了病毒入侵细胞的效率,而这2个新毒株则刚好表现出了N501Y突变,即将S蛋白上第501个氨基酸从天冬酰胺(asparagine,简称N)替换成了酪氨酸(tyrosine,简称Y)。N501Y突变能提升RBD与ACE2受体的亲和力(affinity),也就让新冠病毒更容易感染人类细胞。这有可能是B.1.1.7在新冠肺炎患者的呼吸道内表现出异常高水平的原因。
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其次,尼日利亚报告的毒株在S蛋白上有P681H突变,这一突变在B.1.1.7中也存在。P681H突变将S蛋白上的一个脯氨酸(proline,简称P)替换为组氨酸(histidine,简称H),而替换位点刚好处于TMPRSS2酶“切开”S蛋白的位置,因此也有潜力提升病毒的感染能力。然而限于目前极少的数据,科学家还无法作出可靠推断。
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除此之外,英国B.1.1.7毒株在N端结构域(N-Terminal Domain,简称NTD)还含有一个缺失突变Δ69-70(即删除了第69和70个氨基酸)。据ARTIC Network报告,该突变曾出现于7月中,也出现于后来感染丹麦水貂的新冠病毒毒株内。ARTIC Network发表于bioRxiv的预印本研究表示,该缺失突变使病毒能逃逸一些单克隆抗体的中和作用,因此可能影响抗体和疫苗的有效率,但其具体影响尚待分析。
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幸运的是,虽然三种毒株中出现的突变都可能让病毒更容易入侵人类细胞,但尚未有证据表明新出现的毒株会增加重症率。随着各国政府提高防疫能力,加强防疫措施,抓紧注射疫苗,这些病毒或许不会造成严重危害。
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变异毒株:疫苗会无效吗?
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12月2日,英国药监机构(MHRA)批准了辉瑞(Pfizer)/BioNTech生产的新冠病毒mRNA疫苗,使其成为了第一款通过审批的mRNA疫苗。该类疫苗利用载体向人类细胞中直接注射mRNA,细胞则进一步将mRNA翻译成抗原,从而引起免疫反应。辉瑞/BioNTech生产的mRNA疫苗编码的是新冠病毒的S蛋白,因此在理想情况下,注射疫苗后,免疫反应会生产针对S蛋白的抗体,中和入侵人体的新冠病毒。
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几天之后,英国启动了全民接种,美国食品药品监督管理局(FDA)也批准了辉瑞/BioNTech疫苗的紧急使用。今天,国药集团中国生物新冠灭活疫苗也于国内附条件上市;在该疫苗中,新冠病毒由β-丙内酯(β-propiolactone)的水解溶液灭活,灭活后的病毒无法再复制,但表面的S蛋白仍完好无损,因此能与mRNA疫苗一样,诱导人体免疫反应产生针对S蛋白的抗体。
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12月22日,面对世界各地陆续出现的新冠病毒变异毒株,BioNTech的CEO乌尔・萨欣(Uğur Şahin)表示他对辉瑞/BioNTech疫苗很有信心,认为既然“新毒株与此前的毒株序列99%相同”,该疫苗应该能有效抵御新出现的变异毒株。英国健康大臣汉考克也指出,目前的疫苗针对的是病毒S蛋白上的多个位点,因此少数突变“非常、非常不可能让病毒产生免疫逃逸”。
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许多知名科学家赞同萨欣和汉考克的观点。例如牛津大学的演化和传染病学家苏内特拉・古普塔(Sunetra Gupta)教授就表示,目前出现的新冠病毒变异毒株不足为虑。
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但与此同时,一些科学家也表示了担忧。格拉斯哥大学的病毒学家戴维・罗伯逊(David Robertson)教授认为,新冠病毒“大概会(最终演化出)能逃逸疫苗效果的变异毒株”。这就意味着,新冠病毒或许会造成类似流感的情况,每年都需要开发出新的疫苗以抵抗其流行。汉考克也表示,如果新冠病毒演化出了这样的变异毒株,“我们(就需要)修改我们的疫苗,来应对新的毒株。”
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但正如福瑞德・哈金森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的病毒演化学家杰西・布卢姆(Jesse Bloom)博士所说,积累出足够产生疫苗逃逸的突变“不是一朝一夕的事”,需要很多年的时间。因此目前来看,注射疫苗、注意防护和密接溯源,仍然是各国防疫的最佳手段。
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