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(gè)多月的時(shí)間里，就憑借其傳播力更強(qiáng)、傳播速度更快及傳播更加隱蔽的特性，迅速取代德?tīng)査蔀槭澜缰饕餍卸局辍?/span>由于奧密克戎的基因突變數(shù)量比德?tīng)査?倍以上，綜合傳染性是德?tīng)査?倍以上，奧密克戎對(duì)現(xiàn)有技術(shù)路線的疫苗普遍具有強(qiáng)大的免疫逃逸能力，即使接種加強(qiáng)針或新冠康復(fù)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(fù)人群的免疫保護(hù)效果(盡管疫苗仍有預(yù)防重癥、減少死亡等的重要作用)。本期曉平點(diǎn)評(píng)專(zhuān)欄，倪曉平教授綜合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)分析Omicron變異株在受體結(jié)合方式、進(jìn)入細(xì)胞途徑等方面的改變闡述Omicron變異株為什么會(huì)進(jìn)化出快速傳播與免疫逃逸。Omicron變異株為什么會(huì)進(jìn)化出快速傳播與免疫逃逸？
2021年初，全球第一個(gè)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(gè)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(guó)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(wàn)人，超過(guò)2020年全年的COVID-19報(bào)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(gè)月后，《自然》和《細(xì)胞》等雜志報(bào)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(gè)基因組共有51個(gè)突變，刺突蛋白（spike蛋白，S蛋白）有30多個(gè)（其他VOCs只有9～12個(gè)）突變點(diǎn)位，包括30個(gè)氨基酸替換、3個(gè)缺失和1個(gè)插入，其中受體結(jié)合區(qū)域（Receptor binding domain，RBD）有15個(gè)前所未有的突變，對(duì)病毒的傳染性，以及對(duì)疫苗和治療性抗體的保護(hù)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(fù)制能力、發(fā)病機(jī)制，并迅速在全球范圍內(nèi)蔓延，替代Delta變異株成為當(dāng)前大流行的主流毒株。綜合相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(lèi)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）作為其進(jìn)入細(xì)胞的受體，但相對(duì)于其他變異株，與ACE2的結(jié)合強(qiáng)度增加了2.5倍，這主要是得益于Omicron 的RBD在表面具有更強(qiáng)的正靜電電位，有利于S蛋白插入帶負(fù)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(guó)北卡羅來(lái)納州Duke人類(lèi)疫苗研究所結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Acharya教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，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(gè)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(gè)單元，向外延伸就像抓取物品的指尖一樣，用來(lái)抓取并將病毒固定在ACE2的細(xì)胞上（見(jiàn)附圖1）。Delta以及其他變異株采用伸出多個(gè)手指抓取ACE2。而Omicron卻進(jìn)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(gè)手指來(lái)抓住ACE2，以確保S蛋白總是指向感染細(xì)胞的方向。同時(shí)，Omicron隱藏了受抗體會(huì)攻擊的S蛋白，從而躲避了免疫系統(tǒng)的攻擊。這樣一來(lái)，受到中和抗體（nAbs）攻擊的大部分觸角被隱藏起來(lái)了，而帶有正電的“一指禪”又可以更高效、更準(zhǔn)確抓住負(fù)電特性的ACE2。附圖1. SARS-CoV-2刺突蛋白三個(gè)手指狀觸角。
二、進(jìn)入細(xì)胞的途徑發(fā)生了改變與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(jìn)入細(xì)胞。SARS-CoV-2進(jìn)入細(xì)胞都是從抓住ACE2開(kāi)始的，在經(jīng)典的進(jìn)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(lèi)細(xì)胞融合并立即釋放核酸來(lái)制造子代病毒。但是Omicron可能會(huì)通過(guò)細(xì)胞膜內(nèi)的核內(nèi)體（endosome）走后門(mén)進(jìn)入細(xì)胞。通過(guò)這條特殊路徑，Omicron利用另一種蛋白酶--組織蛋白酶L（cathepsin L）來(lái)剪掉S蛋白，將病毒核酸傾倒入細(xì)胞內(nèi)。2022年2月1日《自然》雜志分別報(bào)道了兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果，Omicron并沒(méi)有有效地利用TMPRSS2途徑，而是更多地依賴(lài)組織蛋白酶L進(jìn)入細(xì)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(xì)胞，通過(guò)質(zhì)膜途徑進(jìn)入宿主細(xì)胞，肺上皮細(xì)胞是TMPRSS2高表達(dá)的細(xì)胞，病毒先與ACE2結(jié)合，再與TMPRSS2結(jié)合，在S蛋白處進(jìn)行剪切。接下來(lái)，S蛋白錨定在細(xì)胞膜上，介導(dǎo)病毒膜與細(xì)胞膜的融合。最后，細(xì)胞膜上形成一個(gè)孔，病毒基因組被釋放到細(xì)胞中（見(jiàn)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(dá)的上呼吸道上皮細(xì)胞，通過(guò)核內(nèi)體途徑進(jìn)入宿主細(xì)胞內(nèi)。病毒首先與ACE2結(jié)合，病毒-- ACE2復(fù)合體通過(guò)內(nèi)吞作用進(jìn)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(gè)孔，并釋放基因組進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)（見(jiàn)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Omicron不能在2型人類(lèi)肺泡細(xì)胞（alveolar type 2 cells）進(jìn)行高效復(fù)制，卻在人原代氣道培養(yǎng)系（human primary airway cultures）和原代人鼻上皮細(xì)胞中快速?gòu)?fù)制。實(shí)驗(yàn)證明Omicron在許多細(xì)胞系中表現(xiàn)出復(fù)制能力的減弱。例如，在共同表達(dá)人ACE2和TMPRSS2蛋白酶的Vero E6細(xì)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(jiàn)附圖3）。附圖3. 不同變異株在Vero-ACE2-TMPRSS2 (VAT)細(xì)胞系3d后空斑形成。
但是，荷蘭鹿特丹Erasmus醫(yī)學(xué)中心的病毒學(xué)家Haagmans并不這樣認(rèn)為，他認(rèn)為Omicron還是走經(jīng)典路徑進(jìn)入細(xì)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(xì)胞上。Omicron的細(xì)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(xì)胞，改為上呼吸道，因?yàn)槟抢顰CE2--組織蛋白酶L高度表達(dá)。上呼吸道同時(shí)表達(dá)ACE2和TMPRSS2的細(xì)胞數(shù)量，相對(duì)于下呼吸道的比例要少得多，而適合于Omicron進(jìn)入細(xì)胞的核內(nèi)體通道（endosomal pathway）卻無(wú)處不在，在鼻腔中ACE2和核內(nèi)體組織蛋白酶L同時(shí)表達(dá)的細(xì)胞數(shù)量，是ACE2--TMPRSS2同時(shí)表達(dá)的細(xì)胞數(shù)量的7倍。由此可見(jiàn)，人體的上呼吸道為Omicron感染提供了更多數(shù)量的細(xì)胞，這使得Omicron能夠更多、更容易地感染上呼吸道細(xì)胞，導(dǎo)致人群暴露于較低劑量即可實(shí)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(yuǎn)勝過(guò)Delta株的原因所在（見(jiàn)附圖4）。附圖4. SARS-CoV-2變異株進(jìn)入細(xì)胞方式示意圖。Omicron可以分別利用TMPRSS2+和TMPRSS2-細(xì)胞，但Delta株只能利用TMPRSS2+進(jìn)入細(xì)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(xì)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(guó)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(wàn)名未接種疫苗，1467.31人突破性感染（breakthrough infections）/10萬(wàn)接種疫苗，1053.6人的感染/10萬(wàn)加強(qiáng)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(wàn)未接種疫苗，140.8人感染/10萬(wàn)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(xiàng)研究表明，S蛋白某些原本被抗體鎖定的抗原位點(diǎn)被替換、缺失或被隱藏起來(lái)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(hù)其在抓住ACE2的同時(shí)又不被抗體的攻擊。Acharya等發(fā)現(xiàn)，Omicron的一個(gè)常見(jiàn)的抗體連接位點(diǎn)N-端結(jié)構(gòu)域（N-terminal domain）因突變過(guò)多，而不被nAbs識(shí)別實(shí)現(xiàn)了免疫逃逸。Omicron的另一種逃避策略是，Omicron擅長(zhǎng)在細(xì)胞間傳播，這樣一來(lái)宿主的免疫系統(tǒng)就不能發(fā)揮作用，像以往那樣在細(xì)胞外捕捉到它。Omicron的細(xì)胞間傳播能力幾乎是早期病毒的5倍。紐約大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，Omicron RBD的電荷可能會(huì)排斥抗體。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了一些單克隆抗體，這些抗體取自大流行早期COVID-19康復(fù)者，這些抗體表面如同Omicron S蛋白，都帶有正電荷，導(dǎo)致因力場(chǎng)（force field）作用使抗體無(wú)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(wú)法有效中和Omicron變異株?，F(xiàn)有證據(jù)表明，疫苗的加強(qiáng)接種（booster vaccination）可以產(chǎn)生較高保護(hù)效價(jià)，無(wú)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(jiàn)附圖5）。附圖5. 加強(qiáng)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(duì)未感染的60歲以上老年人群、并在4個(gè)月前已經(jīng)完成第3針疫苗加強(qiáng)接種的人群實(shí)施第4針BNT162b2 mRNA加強(qiáng)接種。結(jié)果顯示，在第4針接種后7d～30d觀察期內(nèi)，與對(duì)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)?。?5%）、因新冠住院（68%）、重癥（62%）和新冠致死率（74%）。越來(lái)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(jìn)入人體的靶細(xì)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(jìn)入宿主細(xì)胞。目前，我國(guó)60歲以上人群完成全程接種率為81.9%，完成加強(qiáng)接種率為62%左右，而第4針的加強(qiáng)接種尚未正式推進(jìn)。根據(jù)當(dāng)前Omicron流行特點(diǎn)，老年人群又是感染Omicron變異株的“脆弱人群”，因此，應(yīng)該提高60歲以上人群的加強(qiáng)接種率，同時(shí)應(yīng)積極推進(jìn)第4針疫苗加強(qiáng)接種工作。關(guān)于Omicron唯一的好消息是，比Delta變異株所導(dǎo)致的臨床癥狀似乎要輕些。但是，卻換來(lái)了更令人擔(dān)憂的事，Omicron S蛋白介導(dǎo)感染途徑擴(kuò)展了對(duì)不同種類(lèi)動(dòng)物表達(dá)ACE2細(xì)胞的感染，現(xiàn)已證明SARSCoV-2進(jìn)化改變其宿主適應(yīng)性的范圍，導(dǎo)致在小鼠、雪貂或水貂中復(fù)制增強(qiáng)。最近，美國(guó)的研究已經(jīng)證實(shí)，白尾鹿可作為SARSCoV-2的宿主，這突顯了病毒未來(lái)可能出現(xiàn)人畜共存的問(wèn)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(fēng)險(xiǎn)，主要與Omicron進(jìn)入細(xì)胞利用ACE2--組織蛋白酶L有關(guān)，這類(lèi)組織蛋白酶在哺乳類(lèi)動(dòng)物、禽類(lèi)中普遍存在。主要參考文獻(xiàn)
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