新冠病毒變異株新進(jìn)展及其對(duì)疫苗免疫保護(hù)作用的影響

王彩紅，王 蓉，周玉霞，姚曉文，于曉輝，張久聰，3

（1. 中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院消化內(nèi)科，甘肅 蘭州 730050；2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院2020 級(jí)碩士研究生，甘肅 蘭州 730030；3.武漢火神山醫(yī)院感染六科，湖北 武漢 430050）

嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合征冠狀病毒2（SARS-CoV-2）引起的新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease-19，COVID-19）嚴(yán)重威脅著人類生命健康以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在無特殊藥物治療的情況下，疫苗成為遏制全球疫情大流行最有效的手段。迄今為止提出的322 種候選疫苗中，99 種正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，25種已達(dá)到Ⅲ期療效研究，18 種已獲得批準(zhǔn)，這些疫苗尤其是輝瑞-BNT162b2、Moderna-BNT162b2、牛津阿斯-AZD-1222、強(qiáng)生Ad26.COV2-S、Novavax NVX-CoV2373 為戰(zhàn)勝疫情帶來了曙光［1］。然而，隨著新冠病毒在世界范圍內(nèi)的不斷傳播，病毒基因組發(fā)生突變，形成多種變異株。其中，阿爾法（Alpha）、貝塔（Beta）、伽馬（Gamma）、德爾塔（Delta）、奧密克戎（Omicron）變異株表現(xiàn)出更高的傳染性，且對(duì)疫苗和中和抗體的抵抗力更高，對(duì)COVID-19 的預(yù)防和治療帶來新的挑戰(zhàn)。目前，變異株對(duì)已獲批疫苗有效性的影響已成為全球討論的熱點(diǎn)。本文就上述新冠病毒變異株新進(jìn)展及其對(duì)疫苗免疫保護(hù)作用的影響作簡(jiǎn)要綜述。

1 SARS-CoV-2 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

SARS-CoV-2 是一種具有包膜的單鏈RNA 病毒，屬于β 冠狀病毒科。其基因組大小約為29.9 kB，與SARS-CoV 具有約78%的序列同源性［2］?；蚪MRNA 有兩個(gè)主要的開放閱讀框（open reading frame，ORF）ORF1a 和ORF1b，其中，三分之二的基因組翻譯為pp1a 和pp1b 蛋白。三分之一的基因組具有重疊的ORF，編碼4 種主要結(jié)構(gòu)蛋白，包括刺突蛋白（spike protein，S 蛋白）、核衣殼蛋白（nucleocapsid protein，N 蛋白）、膜蛋白（membrane protein，M 蛋白）和包膜蛋白（envelope protein，E 蛋白）以及一些輔助蛋白等。S 蛋白是由S1 亞基中的信號(hào)肽（signal peptide，SP）、受體結(jié)合域（receptor-binding domain，RBD）、融合肽（fusion peptide，F(xiàn)P）、S2 亞基等組成的一類跨膜蛋白，是病毒侵入宿主細(xì)胞的門戶。其中，S 蛋白S1 亞基的N端結(jié)構(gòu)域有助于病毒的附著，S2 亞基介導(dǎo)病毒在C端結(jié)構(gòu)域處的膜整合［3］。在S1 和S2 亞基的裂解上有一個(gè)富含氨基酸的堿性呋喃裂解位點(diǎn)（S2'），在病毒內(nèi)吞過程中充當(dāng)融合肽，是SARS-CoV-2 的一個(gè)可識(shí)別特征，使其在起源上與其他病毒不同。

由于SARS-CoV-2 與SARS 在受體結(jié)合區(qū)（receptor binding domain, RBD）上的顯著相似性，使得這兩種病毒都表現(xiàn)出與人類宿主細(xì)胞受體（human angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）相似的結(jié)合機(jī)制，但S2'位點(diǎn)的顯著特征使SARS-CoV-2 的致病性和傳播能力增強(qiáng)［4］。E 蛋白與M 蛋白和N 蛋白一起促進(jìn)病毒樣顆粒的形成，S 蛋白R(shí)BD 能與細(xì)胞表面的ACE2 結(jié)合，成為疫苗設(shè)計(jì)的核心靶點(diǎn)［5］。

2 疫苗免疫保護(hù)的相關(guān)性

疫苗是一種對(duì)特定傳染病提供獲得性免疫的生物制劑，通過激活帶有特定致病微生物、其毒素或表面蛋白之一特異性受體的淋巴細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)免疫。接種疫苗可誘導(dǎo)體液和細(xì)胞反應(yīng)來發(fā)揮作用。目前，COVID-19 疫苗的保護(hù)機(jī)制尚不完全清楚。但普遍認(rèn)為疫苗誘導(dǎo)的針對(duì)SARS-CoV-2 S 蛋白R(shí)BD 的中和抗體是一種重要的保護(hù)機(jī)制。

一項(xiàng)動(dòng)物研究表明針對(duì)S 蛋白的中和抗體可提供近乎完全的保護(hù)以防止再次感染［6］。 最近的建模研究表明，中和抗體水平可以高度預(yù)測(cè)對(duì)感染或嚴(yán)重疾病的保護(hù)［7］。第二項(xiàng)建模研究表明，中和抗體水平與幾種COVID-19 疫苗試驗(yàn)報(bào)告的效力之間存在密切相關(guān)性［8］。 第三項(xiàng)功效試驗(yàn)研究表明，結(jié)合抗體和中和抗體滴度都與保護(hù)作用相關(guān)［9］。

3 不同COVID-19 變異株對(duì)疫苗的影響

在COVID-19 大流行早期，由于感染病毒的人數(shù)較少，“突變”變體病毒的數(shù)量也很少。后期，隨著感染人數(shù)的增多，導(dǎo)致了多種SARS-CoV-2 變體的演變，出現(xiàn)多種變異株。但目前報(bào)道最多的是關(guān)于5 種關(guān)注變異株：即B.1.1.7、B.1.351、P.1、B.1.617.2、B.1.1.529 變異株，其傳染性增強(qiáng)、毒力增加以及對(duì)疫苗和中和抗體的抵抗力更高，引起了人們對(duì)COVID-19 預(yù)防和治療的擔(dān)憂。WHO 將上述變異株采用拉丁字母進(jìn)行命名，分別為Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron 變異株［10］。與武漢參考菌株相比，這些變異株的S 蛋白主要發(fā)生了變化，S蛋白的快速進(jìn)化和高頻率突變可能會(huì)改變中和抗體表位的氨基酸序列，繼而降低其對(duì)中和抗體的敏感性，進(jìn)一步影響中和抗體和疫苗的有效性。

3.1 Alpha（B.1.1.7）變異株

B.1.1.7 變異株于2020 年9 月首次在英國發(fā)現(xiàn)，后在全球范圍內(nèi)迅速蔓延，其傳染性較D614G 變異株高70%。B.1.1.7 變異株S 蛋白中有8 個(gè)突變（Δ 69-70 缺失、Δ144 缺失、N501Y、A570D、P681H、T716I、S982A、D1118H），可能改變了SARS-CoV-2的傳播和感染能力［11］。因此，目前可用的COVID-19 疫苗可能對(duì)B.1.1.7 譜系無效。

Xie 等［12］通過對(duì)20 例參與者接種輝瑞疫苗BNT162b2 免疫產(chǎn)生的血清進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)攜帶B.1.1.7、B.1.351 變異株共享突變N501Y 的病毒和未攜帶突變株的N501 病毒具有相當(dāng)?shù)闹泻突钚浴uik 等［13］研究同樣表明接種輝瑞疫苗BNT162b2產(chǎn)生的免疫血清對(duì)武漢參考毒株和B.1.1.7 譜系假病毒的中和效力總體上基本保持不變。Wu 等［14］研究結(jié)果顯示，接種Moderna 疫苗mRNA-1273 免疫產(chǎn)生的血清對(duì)B.1.351 變異株和P.1 變異株的中和滴度下降，但仍有一定程度的中和能力，而對(duì)B.1.1.7 變異株中和滴度無顯著降低。

Emary 等［15］研究表明接種牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 免疫產(chǎn)生的血清對(duì)B.1.1.7 譜系中和抗體滴度較低，但對(duì)B.1.1.7 變異株的有效率為70. 4%。動(dòng)物研究表明［16］接種牛津-阿斯利康疫苗AZD1222針對(duì)B.1.1.7 變異株的中和滴度無降低或僅略低，而對(duì)B.1.351 變異株的中和抗體滴度降低了9 倍。Sadoff 等［17］研究表明接種強(qiáng)生疫苗Ad26.COV2-S 免疫產(chǎn)生的血清能夠在體外中和B.1.1.7 變異株，但效率低于武漢參考菌株。Novavax 公司在一項(xiàng)Ⅲ期臨床試驗(yàn)中證明COVID-19 疫苗NVX-CoV2373 對(duì)B.1.1.7 變異株有效率為85%、對(duì)原始毒株的有效率為96%、而對(duì)B.1.351 的有效率不到50%［18］。目前來看，輝瑞、牛津-阿斯利康和Novavax 疫苗對(duì)B.1.1.7 變異株均顯示出一定的保護(hù)作用。

3.2 Beta（B.1.351）變異株

B.1.351 變異株于2020 年5 月首次在南非發(fā)現(xiàn)，與之前的流行菌株相比其傳播性增加了約25%。此外，有合并癥的年輕人更容易感染這種變異株，且比其他變異株更易引起嚴(yán)重疾病。B.1.351 變異株S 蛋白中有9 個(gè)突變（L18F、D80A、D215G、R246I、K417N、E484K、N501Y、D614G 和A701V）。基于S 蛋白的RBD 上有3 個(gè)突變（N501Y、K417N和E484K）。其中，E484K 位點(diǎn)位于RBM 中并直接接觸特定的ACE2 殘基，降低了對(duì)恢復(fù)期血清的中和敏感性。

Wibmer 等［19］利用尖峰假型慢病毒中和試驗(yàn)將B.1.351 變異株的單克隆抗體和恢復(fù)期血清的中和作用與武漢D614G 突變進(jìn)行比較，結(jié)果顯示48%的中和抗體未檢測(cè)到中和活性，在僅含RBD 區(qū)突變（K417N、E484K、N501Y）的嵌和假病毒中有27%的中和抗體未檢測(cè)到中和活性，提示目前基于S 蛋白研發(fā)的疫苗的保護(hù)效果可能存在影響。Liu 等［20］預(yù)印本研究表明K417N 位點(diǎn)雖然不與ACE2 結(jié)合，但它是中和抗體樣E484K 的表位，因此也可能通過K417N 發(fā)生免疫逃逸。B.1.351 變異株中K417N 和E484K 突變顯著影響了來自恢復(fù)期患者的單克隆抗體和免疫血清對(duì)這種變異株的中和作用，與早期感染毒株相比，B.1.351 變異株恢復(fù)者血清的中和效價(jià)平均降低了13.3 倍［21］。Wang 等［22］同時(shí)對(duì)20 例參與者接種Moderna 疫苗mRNA-1273 和輝瑞疫苗BNT162b2 后第8 周的血清檢測(cè)分析，結(jié)果顯示對(duì)含有E484K 和N501Y 突變或K417N、E484K 和N501Y 的三重組合的假病毒的中和活性降低，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)由于B.1.351 變異株中的K417N 和E484K 突變使得單克隆抗體和免疫血清對(duì)這種變體中和活性降低。

強(qiáng)生公司的ENSEMBLE 試驗(yàn)表明［23］，接種單劑Ad26.COV2-S 疫苗后28 d 預(yù)防中度至重度COVID-19 的總體有效率為66%，而在美國對(duì)中度至重度COVID-19 感染的有效率為72%，拉丁美洲為66%，南非（95% 的變異株B.1.351）降低到57%。Novavax 和強(qiáng)生公司［19］在南非進(jìn)行的兩項(xiàng)隨機(jī)安慰劑對(duì)照臨床試驗(yàn)報(bào)告的中期療效顯示NVX-CoV2373 疫苗在預(yù)防輕度、中度和重度B.1.351 變異株感染的COVID-19 中有效率為49%，當(dāng)排除HIV 陽性受試者后，有效率增加到60%。

3.3 Gamma（P.1）變異株

譜系P.1 是B.1.1.28 變異株的衍生，最初在從巴西亞馬遜返回的日本旅行者中報(bào)道。B.1.1.28 變異株在S 蛋白中有10 個(gè)突變（L18F、T20N、P26S、D138Y、R190S、H655Y、T1027I V1176、K417T、E484K 和N501Y），其中位于S 蛋白R(shí)BD 中3 個(gè)突變（K417T、E484K 和N501Y），顯示出與B.1.351 變異株RBD 驚人的相似，其中，E484K 突變被證明可降低抗體對(duì)病毒的中和能力。在瑪瑙斯采集的樣本報(bào)告中顯示，P.1 變異株的傳染性高出1.4～2.2倍，此外，還發(fā)現(xiàn)能夠逃避25%～61%的獲得性免疫力。完全接種Moderna 疫苗mRNA-1273 和輝瑞疫苗BNT162b2 對(duì)P.1 變體的中和作用降低［15］。

3.4 Delta（B.1.617.2）變異株

B.1.617.2 變異株最初于2020 年10 月在印度發(fā)現(xiàn)，并導(dǎo)致2021 年4 月印度發(fā)生致命性的第二波COVID-19 感染，后迅速蔓延，引起了全球的關(guān)注。其傳播性較之前的流行菌株增加了97%。B.1.617.2 變異株S 蛋白中3 個(gè)關(guān)鍵突變（L452R、T478K 和P681R）降低了再感染的概率，同時(shí)也降低了疫苗的有效性。

研究顯示［24］，接種輝瑞疫苗BNT162b2 顯示出較低的血清中和滴度，但仍能被大多數(shù)接種疫苗個(gè)體的恢復(fù)期血清中和。Wall 等［25］研究表明接種兩劑輝瑞疫苗BNT162b2 后，對(duì)感染B.1.617.2 變異株的有效率為87.9% ，而對(duì)B.1.1.7 譜系變異株的有效性為93.4% ，但并未證明中和作用的降低會(huì)導(dǎo)致疫苗對(duì)疾病效力的喪失。接種強(qiáng)生疫苗Ad26.COV2-S 對(duì)B.1.617.2 變異株的有效率為60%。牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 對(duì)B.1.617.2 變異株的有效性為60%～71%，且能夠減少嚴(yán)重病例的發(fā)生。Sheikh 等［26］研究表明B.1.617.2 變異株主要存在于更年輕的群體中，與感染B.1.1.7 變異株相比，感染B.1.617.2 變異株患者的住院風(fēng)險(xiǎn)大約增加了一倍，尤以合并其他疾病的患者為著，盡管牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 和輝瑞疫苗BNT162b2 均能有效降低B.1.617.2 變異株的感染和住院風(fēng)險(xiǎn)，但疫苗的保護(hù)水平遠(yuǎn)不如感染B.1.1.7 變異株。

3.5 Omicron（B.1.1.529）變異株

2021 年11 月9 月，南非首次從病例樣本中檢測(cè)到一種新冠病毒B.1.1.529 變異株。該變異株增長(zhǎng)迅猛，僅在2 周時(shí)間內(nèi)即成為南非豪登省新冠感染病例的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)變異株，目前正在世界各地傳播，是迄今為止出現(xiàn)的突變最嚴(yán)重的變異株［27］。其傳染性比原始毒株高500%。該變異株的基因組有大約50 個(gè)突變，其中包括S 蛋白中的30 多個(gè)突變，與B.1.617.2 和B.1.1.7 變異株有多處重合［28］。此前的研究表明［25］，新冠病毒S 蛋白若出現(xiàn)K417N、E484K或N501Y 突變，提示免疫逃逸能力增強(qiáng)。而B.1.1.529 變異株同時(shí)存在“K417N+E484AK+N501Y”三重突變；此外，還存在其他多個(gè)可能降低部分單克隆抗體中和活性的突變，突變的疊加可能降低部分抗體藥物對(duì)B.1.1.529 變異株的保護(hù)效力，同時(shí)，S 蛋白中諸多位點(diǎn)突變可能會(huì)弱化現(xiàn)有疫苗的效力［29］。

研究表明［30］在接種Moderna 疫苗mRNA-1273、輝瑞疫苗BNT162b2 或強(qiáng)生疫苗Ad26.COV2.S 的初級(jí)疫苗系列后，B.1.1.529 變異株可徹底逃避疫苗誘導(dǎo)的免疫力，并在體外表現(xiàn)出更強(qiáng)的傳染性，從而提高了傳播性增加的可能性。值得注意的是，盡管沒有體液免疫，但B.1.1.529 變異株突破性感染可能由于細(xì)胞免疫和固有免疫而使疫苗接種者的疾病嚴(yán)重程度減弱。 然而，中和抗體仍然是預(yù)防感染的主要相關(guān)性。此外，接種第3 劑基于mRNA 的疫苗可有效地產(chǎn)生針對(duì)B.1.1.529 變異株的強(qiáng)效交叉中和反應(yīng)，可能是通過增加中和抗體的廣度和交叉反應(yīng)性。研究同樣表明［31］接種兩劑輝瑞疫苗BNT162b2 和 Moderna 疫苗 mRNA-1273 后對(duì)B.1.1.529 變異株的中和活性降低了30 倍。在接種第2 劑新冠疫苗后的6 個(gè)月內(nèi)，來自未接種疫苗的受試者的血清均未顯示出針對(duì)B.1.1.529 變異株的中和活性，而恢復(fù)者的接種疫苗的個(gè)體中和活性減少了22 倍，超過一半的受試者保留了中和抗體反應(yīng)，在接種第3 劑加強(qiáng)新冠疫苗后，B.1.1.529 變異株的中和活性降低了14 倍，且超過90%的受試者顯示出對(duì)B.1.1.529 變異株的中和活性增強(qiáng)。因此，接種第3 劑新冠疫苗能夠提供針對(duì)B.1.1.529 變異株的強(qiáng)大中和抗體反應(yīng)。有研究指出，盡管B.1.1.529變異株的突變較多，但依然算不上一種新的亞型，沒有達(dá)到免疫逃逸、疫苗失效的地步，現(xiàn)有新冠疫苗目前來看仍有一定保護(hù)效力［32］。

4 小結(jié)與展望

COVID-19 是由SARS-CoV-2 引起的一種新發(fā)傳染病，嚴(yán)重威脅人類生命健康及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著新冠疫情的持續(xù)，SARS-CoV-2 在傳播中不斷發(fā)生進(jìn)化和變異，形成傳染性增強(qiáng)、毒力增加及對(duì)疫苗和中和抗體的抵抗力更高的變異株。與原始毒株相比，這些變異株S 蛋白的快速進(jìn)化和高頻率突變可能會(huì)改變中和抗體表位的氨基酸序列，繼而降低其對(duì)中和抗體的敏感性，進(jìn)一步影響中和抗體和疫苗的有效性，讓本就不堪重負(fù)的防疫和社會(huì)經(jīng)濟(jì)雪上加霜。多項(xiàng)研究表明，已獲批的疫苗對(duì)變異株依舊存在免疫保護(hù)作用，但也存在一定程度的免疫逃避。此外，接種第3 劑新冠疫苗能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的中和抗體反應(yīng)，可有效地預(yù)防嚴(yán)重病例的發(fā)生。但由于新冠病毒仍在繼續(xù)變異，可能會(huì)導(dǎo)致疫苗失去效力，因此及時(shí)監(jiān)測(cè)并分析變異毒株，以優(yōu)化疫苗的研發(fā)策略顯得至關(guān)重要。

作者貢獻(xiàn)度說明：

王彩紅：參與文章主要的撰寫和修改。王蓉，周玉霞，姚曉文：參與相關(guān)文獻(xiàn)的查閱。張久聰，于曉輝：參與文章的選題和設(shè)計(jì)。

所有作者聲明他們之間沒有任何利益沖突。