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长期感染者可能是COVID-19新变异品种的贡献者

已有 2623 次阅读 2022-6-16 10:42 |系统分类:海外观察

病毒学家Sissy Sonnleitner跟踪奥地利东部蒂罗尔地区的几乎每一个COVID-19病例。当那里的一名女性连续数月检测呈阳性时,Sonnleitner决定弄清到底是怎么回事。

2020年底感染SARS-CoV-2之前,这名60多岁的女子一直在服用免疫抑制药物来治疗淋巴瘤复发。她的COVID-19感染持续了7个多月,导致疲劳和咳嗽等相对轻微的症状。

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Sonnleitner在奥地利的Außervillgraten的一家微生物研究所工作,她和同事们在一段时间内从这名妇女身上收集了20多个病毒样本,并通过基因测序发现,它已经发现了大约22个突变。其中大约一半会在几个月后在全球激增的严重突变的SARS-CoV-2奥密克戎变体中再次出现。Sonnleitner:“奥密克戎被发现时,我们感到非常惊讶。我们的变体中已经有了这些突变。

奥密克戎病毒传播并不是由这名女子的感染引起的,她的感染似乎没有传染给任何人。尽管与个别病例没有明确的联系,但像她这样的慢性感染是导致全球COVID-19激增的奥密克戎和其他变体的主要来源。英国剑桥大学的病毒学家Ravindra Gupta:“我不认为任何人会有任何疑问,这些是新变体的来源。

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研究人员希望了解病毒是如何进化出更容易在人与人之间传播的能力,从而逃避免疫反应,或变得更严重或不严重。这些品质的一部分或全部可能是在慢性感染过程中形成的。南非德班非洲卫生研究所的病毒学家Alex Sigal:“我们不太明白在单个个体中什么可以进化,什么不能。

这些知识能够帮助预测下一个致命毒株,甚至追踪像奥密克戎这样的变种,找到它们的起源,这种可能性微乎其微。尽管如此,病毒学家希望通过提高他们对病毒进化的理解,他们将能够预测未来的变异可能是什么样子的,并可能找到治疗慢性感染的更好方法。西格尔说:“这是一个非常重要的问题,因为我们不想要另一个我们无法处理的变体。

一、致命的竞争

2019年底以来,科学家已经对取自人类的1100多万份SARS-CoV-2样本进行了基因组测序。这些努力绘制了一幅广度惊人的进化树,展示了病毒在地球上行进期间的变化,在从一个人转移到另一个人的过程中,每个月只获得几个稳定的突变。

但这只是进化故事的一部分,加拿大温哥华英属哥伦比亚大学的进化生物学家萨拉·奥托(Sarah Otto)说。对病毒来说,每个感染都是一个世界,当感染从一个细胞扩散到另一个细胞时,新突变就会出现。这些变化中的大多数对病毒来说并不重要,其中许多会对病毒造成伤害。但有些可能会让它比那个人体内的其他版本的病毒有一点优势,增强它的传播能力或提供对免疫防御的一些抵抗力。自2019年首次出现以来,两个突出特征传染性和逃避免疫SARS-CoV-2的主要进化方式。

大部分急性SARS-CoV-2感染中,通常会持续一到两周,然后被免疫系统清除,具有有利突变的病毒几乎没有时间胜过那些缺乏突变的病毒。因此,具有这种优势的病毒传播给另一个人的几率很小。研究表明,只需要几种病毒颗粒——甚至可能只有一种——就可以引发新的感染。华盛顿州西雅图弗雷德·哈钦森癌症中心的进化生物学家杰西·布鲁姆说:“当有人走过并吸入你打喷嚏时,这些病毒中的哪一种恰好存在于你打喷嚏时喷出的气溶胶滴中,这在很大程度上是一个运气问题。”“所以,在病人身上出现的大多数有益突变都消失了,然后进化必须重新开始。

这种传播瓶颈SARS-CoV-2在全球平均每个月大约发生两次突变的原因。但极少数持续数周至数月的慢性感染中,具有有利突变的病毒有时间战胜其他病毒。注意这些长期感染者是那些免疫功能缺陷,或者长期服用免疫抑制剂的人。) 

与急性病例相比,这些长期感染也为更多的病毒多样性发展留出了时间。英国爱丁堡大学进化生物学家安德鲁·兰博特表示,通过一种名为重组的过程,可以将SARS-CoV-2颗粒的基因组重组在一起,对人体某个部位(如上呼吸道)有益的突变,可能会出现在具有其他有用特性的病毒中。如果结果是一种更适合的病毒,它可能会突然起飞。

奥托说,由于全球范围内的慢性感染,这种病毒不仅有机会在一种方式、一个方向上进化,而且在几个月内可以进化数千种,甚至数万种方向

二、针对高峰

没有两种慢性感染是完全相同的。但在几十个病例报告中,研究人员已经开始识别长期感染的共同特征。奥托说,其中最引人注目的是病毒刺突蛋白中积累的大量氨基酸变化,这有助于病毒感染细胞,是人体免疫反应的主要目标。

许多这些突变映射到抗体靶向的突刺区域,如其受体结合域(RBD)N端域,这些区域参与识别和感染宿主细胞。南非开普敦大学的进化病毒学家达伦·马丁说,这是有道理的。如果一个人的免疫系统不能完全清除感染病毒,存活下来的病毒很可能会产生规避免疫力的突变,从而帮助它们在被免疫攻击中存活下来。一项尚未经过同行评议的研究发现,慢性感染中最常见的突变位于刺突蛋白的RBD中名为E484的位置。这个部位的变化可以阻止一些有效的阻断感染的抗体附着在病毒上。

有些突变本身并不能很好地发挥作用。去年,古普塔和他的团队描述了一名70多岁的男子感染了102天,他的免疫系统受损,最终死于感染。在医生用康复血浆(COVID-19中康复的人捐献的血液中含有抗体的部分)治疗他之后,古普塔的团队发现,带有一对刺突蛋白突变的病毒在这名男子的呼吸道中大量繁殖。

其中一种名为D796H的突变赋予了抗体耐药性,但这种好处是以病毒为代价的。当研究人员设计了一种非复制的假型病毒来携带D796H突变,并在实验室中测量它感染细胞的程度时,他们发现单是这种突变就显著降低了假型病毒的传染性。但是,当假型病毒还含有在同一个人身上发现的第二种突变时——6970位点的两个氨基酸缺失——传染性几乎完全恢复了。古普塔说,这种代偿突变在慢性感染中有更多的时间出现,让病毒实现进化飞跃。当病毒在宿主之间快速跳跃时,它们很难做到这一点。

在某些情况下,突变只有在事后才有意义。2020年底,马萨诸塞州波士顿布莱根妇女医院的医学科学家乔纳森·(Jonathan Li)和他的同事发布了第一份关于慢性SARS-CoV-2感染的详细报告:一名患有罕见自身免疫性疾病的45岁男子最终死亡。这种病毒出现了与抗体耐药性相关的突变,包括E484K,以及另一种名为N501Y的突刺突变,实验室研究表明,这种突变提高了病毒与宿主细胞受体结合的能力,可能会提高传染性。

N501Y变化的重要性在三个快速增长的世系中被检测到,后来被命名为AlphaBetaGamma变种(VOCs)奥密克戎携带这种突变,以及在该男子感染中发现的其他几种突变。他真的是未来的先兆,李说。

三、寻求病毒变种的起源

阿尔法变异株2020年底在英国发现的,是第一个疑似从慢性感染中出现的SARS-CoV-2变种。但兰博特说,这并不是唯一可能的解释。该变异可能出现在一个地区——可能在英国以外——几乎没有能力对SARS-CoV-2进行基因组监测。另外,阿尔法也可能是在动物宿主中进化而来的(该变体的N501Y突变使其能够感染小鼠、大鼠和水貂)

然而,一个偶然的发现表明,慢性感染是阿尔法病毒最有可能的来源。兰博特和爱丁堡大学的进化生物学家维里蒂·希尔在3月份的一份预印本报告中报道了在英国测序数据中发现的阿尔法的中间版本7。该序列于20207月从英格兰东南部的一名患者身上采集,两个月后阿尔法在同一地区首次被检测到。

该病毒已经获得了N501Y突变,以及阿尔法病毒的其他几个特征,但它缺乏全套的变化。它在积累这些突变。它的传播可能有点垃圾,希尔说。她认为,只有阿尔法中间基因获得了进一步的突变,它才有能力起飞。

奥密克戎中也可以看到突变的组合。这种变种包括几个亚系,有许多重叠的突变,充满了以前发现的与免疫逃逸和传染性有关的基因变化。但马丁注意到的是,在大多数国家掀起奥密克戎浪潮的BA.1亚型病毒有13个突增突变,科学家们很少单独看到这些突变,更不用说在一种病毒中同时出现了。

马丁和他的同事假设,在这组独特的突变中,有一些有助于抵消加速奥密克戎传播的突变所带来的进化代价。这些权衡需要很长时间才能解决,在我看来,这些需要慢性感染,马丁说。他补充说,这些可能存在于人类或动物身上。

奥密克戎的另一个特点——疾病的严重程度降低——也可能是慢性感染的产物。实验室研究表明,奥密克戎病毒的相对温和可能是因为它更喜欢感染上呼吸道的细胞,而不是肺部的细胞。这种变异可能是由一种能熟练地感染上下呼吸道的菌株进化而来的。古普塔怀疑,奥密克戎的转变可能取决于病毒在一个人体内停留数月时发生的那种协调进化。但他补充说,推动这种转变的进化力量尚不清楚。

四、值得注意的问题 

慢性感染可能是对奥密克戎阿尔法等变异如何进化的最好解释。但大多数变异的决定性特征之一——它们在人与人之间迅速传播的能力——是如何在单个个体中进化出来的,目前还不清楚。这是一个真正的谜,布鲁姆说。当一些东西没有被选择时,你经常会失去它。在慢性感染期间,不再有传染性选择。

一种可能的解释是,帮助SARS-CoV-2感染一个人的呼吸道、肺部和其他器官的相同分子机制,对使该病毒传播给其他人也很重要。马丁说:“当它在你体内传播时,就像从一个人传到另一个人一样,需要同样的传播动力。

但是,仅仅保留传播能力的病毒与奥密克戎或阿尔法等能导致全球病例激增的病毒是有区别的。兰博特说,传染性的大幅提高或感染之前免疫人群的能力可能是将危险的挥发性有机化合物区别开来的原因。并不是所有的慢性感染都会产生挥发性有机化合物。这将是百万分之一。

这意味着监控不太可能在变异出现的时候发现它。在今年5月的一份预印本中,研究人员发现,一种奥密克戎毒株在一名免疫功能低下的人的慢性感染过程中出现了其他突刺突变,并表明它已经传播给了同一家医院以及当地社区的数人。但这种感染的广泛传播似乎极为罕见。2月一份记录了27名慢性感染者的预印本报告称,没有证据表明任何人将病毒传播给了其他人。以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的进化病毒学家阿迪·斯特恩(Adi Stern)是这项研究的负责人,他说,如果慢性感染中很少出现挥发性有机化合物,那么在不降低全球整体感染率的情况下,就很难预防它们。

然而,迫切需要了解导致慢性感染的病毒因素。西格尔说:“我们需要超越病例报告,了解病毒在这段时间内实际上在进化什么。

西格尔和他的团队正在跟踪免疫系统可能严重受损的晚期艾滋病毒感染者,以确定与慢性SARS-CoV-2感染相关的因素。艾滋病病毒会感染CD4+ T细胞,这种细胞也会支持产生对抗SARS-CoV-2等病毒的抗体。在未发表的研究中,Sigal和他的同事发现,CD4+ T细胞水平低与慢性SARS-CoV-2感染的风险有关,而且许多病例都是轻微的,很少或没有呼吸道症状。

奥托说,鉴于艾滋病毒感染者的绝对数量全球近4000万人以及大多数人已经感染SARS-CoV-2的可能性,似乎一些持续感染病例正在促进新变种的出现。从奥卡姆剃刀的角度来看,我们知道这应该是一个来源。

免疫系统受损的人并不是变异的唯一潜在来源。研究人员记录了在免疫系统健康的人体内持续数周的SARS-CoV-2感染。马丁说,从自然选择的角度来看,与持续一周的急性感染相比,即使是相对较短的三周感染也为病毒提供了成倍的进化机会。

希尔说,与免疫反应受损的人相比,免疫系统相对健康的人也可能为病毒提供更大的选择压力。但是,如何识别易受这种感染的人,以及他们的症状可能是什么,是一个悬而未决的问题。希尔说:“我怀疑它们比我们意识到的要普遍得多。

去年,巴西里约热内卢奥斯瓦尔多克鲁兹研究所的病毒学家贡萨洛·贝罗和他的同事们发现了在巴西亚马孙州传播的几种SARS-CoV-2毒株。它们携带了伽玛变异中发现的一些但不是全部突变,正是伽玛变异导致了2021年该地区的第二波凶猛疫情。但每一种类伽马菌株也有自己独特的突变:贝罗说,有证据表明伽马可能不是从单一的慢性感染进化而来,而是从涉及相对健康的人的中等长度感染的传播链进化而来。

贝罗认为,这种传播链可能促进了奥密克戎谱系的多样性。也许这些人是挥发性有机化合物起源的一些步骤发生的地方,他说。希尔补充说,如果健康人的慢性感染是挥发性有机化合物的一个可能来源,那么提高全球疫苗接种率可能有助于防止新出现的有机化合物。当你受到这些无法控制的巨大感染波时,你就是在为下一波播下种子。

在慢性感染期间服用的抗病毒药物和其他治疗也可能在病毒的进化中发挥作用。科学家正在寻找的一个特征是对Paxlovid (nirmatrelvir-ritonavir)molnupiravirCOVID-19药物的耐药性。(对抗病毒药物瑞德西韦的耐药性已经在慢性感染中有记录13)古普塔说,这些药物会影响高度保守的病毒蛋白——对这些蛋白的耐药性屏障很高——但是慢性感染特征的进化飞跃可能会为病毒争取时间来找到绕过这一障碍的方法。

在未发表的实验室实验中,纽约市哥伦比亚大学病毒学家David Ho领导的团队发现,SARS-CoV-2可以通过多种途径产生Paxlovid抗性。其中一些涉及获得补偿性突变,使病毒能够克服Paxlovid抗性的代价,使它们能够茁壮成长,至少在实验室中是这样。何(他自己也经历过这样的反弹)说,这种突变不太可能是Paxlovid治疗后反复出现SARS-CoV-2症状的传闻背后的原因。但是,如果治疗慢性感染的疗程延长(通常为5),耐药性就很有可能出现。

此外,还迫切需要找到治疗慢性感染的有效方法,特别是在免疫系统受损的人群中,他们对疫苗的反应并不总是很强。大多数获批的单克隆抗体药物对奥密克戎及其分支药物无效,研究人员在预印本中已经表明,当这些疗法被用于治疗慢性感染时,它们可能会产生耐药性。

马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学布隆伯格公共卫生学院的微生物学家Arturo Casadevall说,康复期的血浆应该比单克隆抗体疗法产生更高的进化障碍。含有大量不同抗体的血浆已被证明对治疗COVID-19有效,一些医生现在将其用于免疫系统受损的人15

西格尔指出,针对艾滋病毒的抗逆转录病毒药物也可以帮助感染这种病毒的人清除慢性SARS-CoV-2感染,但坚持服药可能是一个挑战。

去年10月,英国临床医生报告了一个病例,在接受COVID-19疫苗后,一个人的慢性感染得到清除。对于Sonnleitner和她的同事研究的这位奥地利妇女来说,在她7个月的感染结束后还接种了疫苗。但不可能知道疫苗是不是帮助她康复的原因。

然而,这种结果对于慢性感染患者来说是罕见的;许多报道都以死亡告终。斯特恩说:“这些案例确实令人心碎。斯特恩说,随着世界许多地方试图摆脱大流行,一些健康的人对轻微奥密克戎感染耸耸肩,我们必须做更多的工作来保护那些最容易感染慢性SARS-CoV-2的人。这对他们来说是危险的,对我们整个社会也是危险的。

How months-long COVID infections could seed dangerous new variants (nature.com)



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