严重急性呼吸综合征冠状病毒2 Omicron变异株研究进展

2021年11月24日南非首次向世界卫生组织(World Health Organization, WHO)报告了新型冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)新变异株B.1.1.529。11月26日，基于南非、博茨瓦纳流行病学数据与刺突蛋白存在的大量突变可能会引起免疫逃逸与更强的传染性的判断，WHO将其列为受关注变种(variant of concern, VOC)，其成为继阿尔法(Alpha)、贝塔(Beta)、伽马(Gamma)、德尔塔(Delta)变异株后第5个VOC，并将B.1.1.529变异株正式命名为奥密克戎(Omicron)[1]。截至2022年1月18日，Omicron变异株已经在147个国家被检测到[2]，并已取代Delta变异株成为全球主要流行的变异株。我国也相继在香港、天津、广州等地检测出Omicron变异株感染的输入病例[3]。本文将从Omicron变异株的基本特征、检测、致病性、传染性、免疫逃逸等方面进行综述。

Omicron变异株包含大约50个突变位点，其中仅刺突蛋白(S蛋白)就携带至少30个非同义突变、6个缺失和3个插入突变(如69—70氨基酸位点缺失, T95I, G142D/143—145氨基酸位点缺失, K417N, T478K, N501Y, N655Y, N679K和P681H位点突变)[4-5]。科学家从南非一名感染者身上分离到活的Omicron变异株，观察到其仍需要识别宿主细胞表面血管紧张素转化酶2蛋白(angiotensin converting enzyme 2, ACE2)来完成感染[6]。Omicron变异株在新冠病毒识别宿主细胞表面ACE2的重要区域-S蛋白结构域的细胞受体结合区(receptor binding domain，RBD)有约15个突变，而席卷全球的Delta变异株在RBD区域仅有2个突变[7]。

Omicron变异株的源头及进化相关问题困扰着科学家。虽然该变异株首次发现是在南非和博茨瓦纳，但是荷兰国家公共卫生及环境研究院披露，在南非报告Omicron变异株一周前就已在荷兰境内检测出该毒株[8]，所以现在还不能认定这次疫情的起源在非洲。根据系统进化树的分析，Omicron变异株似乎与其他毒株呈现一种平行进化的关系，很难确定与之关系最近的新冠病毒毒株[9]。针对此问题，目前科学家提出了3种可能的解释：①Omicron变异株在病毒监测盲区中完成了传播和进化；②Omicron变异株在慢性感染的新冠病人体内不断突变进化[10]；③Omicron变异株存在于动物体内，近期获得了传人的能力[11]。

病毒变异株的检测可通过全基因组测序或S基因的测序确定，还可以通过实时荧光定量聚合酶链式反应(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction, RT-qPCR)检测变异株特异性位点，同时结合其他位点的检测结果来进行快速诊断，如Alpha流行株的69—70氨基酸位点的缺失可有助于其快速筛选。全基因检测不仅可以确定变异株以及所有突变位点，还可以提供分子流行病学的信息。S基因测序也可用于诊断突变株，成本较全基因测序低，但获得的信息量较少[12]。RT-qPCR是目前各国使用最广泛的检测方法，常用基因检测靶点有开放阅读框1ab(open reading frame 1ab, ORF1ab)基因、核壳蛋白(nucleoprotein，N)基因、刺突蛋白(spike protein, S)基因、包膜蛋白(envelope gene，E)基因、RNA依赖性RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase, RdRp)基因[13-14]。根据上传的基因组，Omicron变异株被分为BA.1、BA.2、BA.3三种亚型(https://github.com/cov-lineages/pango-designation/issues/367)。其中，BA.1、BA.3亚型具有与Alpha变异株相同的69—70氨基酸位点缺失突变，从而导致出现S基因靶标失效(S-gene target failure, SGTF)的情况，而Delta变异株却不存在SGTF。因此，可通过是否存在SGTF，对Omicron变异株进行初步筛选。Erster等[15]成功通过检测SGTF和N基因对Omicron变异株进行鉴定。然而，BA.2亚型不存在69—70氨基酸位点缺失突变，SGTF不适用于该变异亚型的检测。此外，还可根据Omicron变异株的其他特异性突变位点进行检测，各国诊断检测公司均在加紧对原有检测方法的验证，以研发针对新变异株的特异性诊断试剂盒。

目前，关于Omicron变异株引起疾病的严重程度并未有定论。研究结论倾向于Omicron变异株引起重症的概率较为低，症状以流涕、头痛、疲劳等类流感表现为主[16-17]。南非最新研究发现，2021年10月份和11月份诊断的感染Omicron变异株的患者住院率较其他变异株下降约80%[18]；丹麦的一项研究针对同期Delta变异株感染的19 137名患者与Omicron变异株感染的785名患者，从住院率以及重症率等方面进行比较，感染Delta变异株导致的住院率与重症率分别为1.5%和0.11%，而感染Omircon变异株则分别为1.2%和0.13%[19]；Goga等[20]针对在接种Ad26.COV2.S疫苗的医务工作者中发生新冠变异毒株(包括Beta、Delta和Omicron变异株)感染的情况进行了分析。在感染Omicron变异株期间，住院患者中普通病房护理、高级护理和重症监护的比例分别为91%、6%、3%；在Delta变异株感染期间，该比例分别为89%、4%、7%；而在Beta变异株感染期间，此比例分别为78%、7%、16% (P < 0.001)。该项研究还发现，与感染Beta与Delta变异株平均5~6天的住院时间相比，感染Omicron变异株的患者平均住院时间缩短为3天(P < 0.001)[20]。来自香港大学的研究团队在体外实验中发现，Omicron变异株虽然在人类支气管的复制速度较Delta变异株或最初的新冠病毒毒株快70倍左右，但在人类肺组织却慢10倍，Omicron变异株在肺组织中复制速度减慢似乎可以解释目前观察到的该毒株致病性并不强的临床表现[21]。值得注意的是，在南非儿童感染Omicron变异株住院率上升约20%，超过前3波疫情的病例数，最新的一项来自南非茨瓦内地区的研究显示，所有患儿及大多数患儿父母均未接种过疫苗，0~4岁儿童占比最高(62%)，其症状包括发热(47%)、咳嗽(40%)、呕吐(24%)、呼吸困难(23%)、腹泻(20%)和惊厥(20%)。患儿住院时间较短，平均为3.2天，92%的住院患儿需要普通病房护理，7名患儿(6%)接受了通气治疗，4名患儿死亡，均与其伴有复杂的合并症有关[22]。

目前，关于Omicron变异株致病性的研究尚处于初级阶段，不管对于儿童还是成年人，受病例数以及人口特征如年龄(Omicron确诊患者的年龄大多低于40岁)、合并症、社会经济水平、疫苗接种情况及国家医疗卫生系统水平等多种因素的影响，关于Omicron变异株致病性强弱的判断还需要大型病例队列研究。

不论是基于实际的临床观察还是研究人员对其突变位点的分析，Omicron变异株较于之前流行的毒株，毋庸置疑，拥有强大的传染性。

Del等[23]推测，Omicron变异株的传染性约是Delta变异株的2~3倍。南非国家传染病研究所2021年12月17日发布的新冠病毒基因检测周报显示，南非10月份的测序数据还以Delta变异株占据主导地位(80%)，而11月份和12月份的检测数据显示，Omicron变异株已取代Delta变异株成为主要流行毒株，比例分别为81%和95%[24]。根据美国疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)统计，Omicron变异株在不到3周的时间流行率占比从0.7%飙升至73.2%，成为美国最主要的新冠病毒变异株[25]。

Omicron变异株在刺突蛋白有高达30个突变位点，大多数突变是该毒株独有的突变，少数突变在其他变异株中发现，并被证实与其传染性和免疫逃逸有关。2021年12月2日美国CDC更新的简报将其中的4个突变(N501Y，H655Y，N679K，P681H/R)列为可能有助于病毒传播的关键位点[26]。其中：N501Y突变是Alpha(B.1.1.7)、Beta(B.1.351)、Gamma(P.1)变异株所共有的突变，通过增强刺突蛋白与ACE2受体结合的亲和力，提高在人体上呼吸道的病毒复制能力，进而促进病毒的传播[27]；P681H/R突变分别位于Alpha变异株和Delta变异株的弗林(Furin)蛋白酶酶切位点上，Furin蛋白酶的作用是将刺突蛋白切割成S1和S2亚单位，S1亚单位负责结合ACE2受体，而S2亚单位将刺突蛋白锚定在细胞膜上并介导膜融合，该突变可以增强刺突蛋白的裂解，进而促进病毒入侵宿主细胞[28-29]；H655Y和N679K位于Furin蛋白酶酶切位点附近，推测其可能会增强Omicron变异株的传染性。Omicron变异株大部分突变位点的作用及影响尚不清楚，这些突变位点的组合将如何影响其传染性还须进一步研究。

南非的早期报告称，60%~70%感染Omicron变异株的患者既往发生过新冠病毒的感染[30]，提示Omicron变异株有可能会突破自然免疫或者疫苗诱导免疫构建的保护屏障。

刺突蛋白尤其是RBD结构域是新冠疫苗以及单克隆抗体研发的主要靶点，在Omicron变异株疫情爆发早期，研究人员通过分析该毒株测序序列并运用模型预测的方法，提出该毒株很有可能会导致疫苗失去保护效果、单克隆抗体治疗失效的担忧。依据已知刺突蛋白突变位点作用的研究，猜测Omicron变异株与其他变异株所共有的H69/V70氨基酸位点缺失以及T478K和E484A突变，可增强中和抗体抗性，并与免疫逃逸有关[31]。Chen等[32]通过基于分子的数据驱动分析发现，Omicron变异株可以显著改变132种已知的RBD-抗体复合物的结合模式，推测Omicron变异株逃逸疫苗免疫保护的可能性为Delta变异株的2倍左右，其又根据人工智能预测模型得出单克隆抗体疗效均会受到影响的推断，其中礼来制药研发的单克隆抗体受到的影响可能最大[32]。

越来越多的实验证实，该毒株在对单克隆抗体、疫苗、康复者血清的影响上存在着不同程度的免疫逃逸[33-35]。Xie等[36]在新冠肺炎康复者或者接种疫苗的人群中筛选出247种中和抗体，发现Omicron变异株可以逃逸其中85%以上的抗体。他们还发现，该毒株可以完全抵抗礼来制药公司的LY-CoV555/LY-CoV016鸡尾酒疗法、再生元公司的REGN-COV2鸡尾酒疗法、阿斯利康公司的AZD1061/AZD8895鸡尾酒疗法以及腾盛博药公司的BRII-196等单克隆抗体的中和作用。而葛兰素史克公司的VIR7831单克隆抗体以及我国自主研发的DXP-604单克隆抗体仍然对Omicron变异株有活性，但疗效有所降低。靶向刺突蛋白高度保守表位的索托维单抗(sotrovimab)可能是目前最有效的单克隆抗体类药物。上述结论与美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)发布的结果一致[37]。

牛津大学研究团队在《柳叶刀》杂志上发表了关于Omicron变异株对疫苗效果影响的研究，研究纳入人群为接种过2针辉瑞公司的BNT162b2疫苗或者2针阿斯利康公司的ChAdOx1-nCoV-19疫苗且未感染过新冠病毒的成年人，发现在接种第2针阿斯利康公司的ChAdOx1-nCoV-19疫苗28天后，大多数疫苗接种者血清中对于Omicron变异株的中和抗体滴度水平下降至可检测阈值以下, 接种2针辉瑞公司BNT162b2疫苗的中和抗体滴度水平同样显著下降，几何平均滴度从1 358(Delta变异株)降至54(Omicron变异株)[38]。来自香港的研究团队与英国研究团队得出的结论一致，他们发现辉瑞公司的BNT162b2疫苗诱导产生的中和抗体滴度，较于原始病毒，Omicron变异株HKU691和HKU344-R346K分别降至2.37%和2.80%[39]。

关于口服抗新冠病毒药物，如吉利德公司的瑞德西韦(remdesivir)、默沙东公司的莫那比拉韦(molnupiravir)、辉瑞公司的利托那韦(nirmatrelvir)，对于Omicron变异株的作用尚没有数据支持，但是科学家推测由于这些抗病毒药物与疫苗或单克隆抗体作用机制不同，其抗病毒活性可能不会受到变异的影响[23]。

接种疫苗加强针被证实可以增强对之前流行的新冠病毒毒株的中和抗体的能力[40-41]。疫苗加强针的接种是否可以扭转2针疫苗后对于Omicron变异株低中和活性的状态，引起了各国科学家极大的兴趣。Doria-Rose等[42]通过体外抗体中和实验证实，接种第2针莫德纳公司的mRNA-1273疫苗4周后，针对Omicron变异株抗体中和能力较D614G变异株降低41~84倍，第3针的加强将Omicron变异株中和抗体滴度提高12.6倍，但是较D614G变异株第3针后的中和抗体滴度降低6.5倍。近期预印本《medRxiv》杂志刊发了关于辉瑞公司的BNT162b2疫苗第3针疫苗的最新研究成果，在接种疫苗超过5个月后体内无法中和Omicron变异株，但是加强针接种后其中和效率提高100倍[43]。张文宏团队在2021年12月23日发表的文章首次展示了中国加强针疫苗针对Omicron变异株效果的数据，该项研究发现在接种2针灭活疫苗的基础上，第3针接种同源(灭活蛋白疫苗)和异源(重组蛋白疫苗)分别可以将人体对于Omicron变异株的中和能力提高8.07倍和15.87倍[44]。

疫苗不仅会诱导以产生中和抗体为主的体液免疫，还会诱导产生细胞免疫。细胞免疫预防新冠病毒感染的作用不强，但交叉反应性T细胞的存在可避免新冠病毒引起的重症感染[45]。Redd等[46]分析了先前确定的52个CD8+T细胞靶向病毒的表位是否在Omicron变异株上发生了突变，发现仅有一个表位包含Omicron变异株的单个突变位点，提示Omicron变异株目前尚未出现CD8+T细胞的免疫逃逸。

针对Omicron变异株的免疫逃逸现象，目前的研究结果喜忧参半：一方面，该毒株极大削弱了现有大部分疫苗和单克隆抗体的中和活性，导致全球发生免疫接种者感染的病例急剧攀升，呈现突破自然感染和疫苗接种构建的免疫屏障的趋势；另一方面，疫苗加强针可以部分提高对该毒株的中和能力而且疫苗诱导的细胞免疫似乎并未受到太大的冲击。

目前，防止Omicron变异株感染人数的急剧攀升是当务之急。虽然初步研究表明该变异株引起的病症较轻，但是香港大学陈志伟教授警告传染性强的病毒可能会导致更为严重的结果[47]。《英国医学杂志》近日发文称，该轮疫情预计会导致英国近16万医务工作者感染，届时将会导致整个医疗系统的崩溃，呼吁要采取更有针对性的措施来减缓Omicron变异株的传播[48]。开展加强针疫苗的接种是目前人们面对Omicron变异株的首选之策，可以为Omicron变异株疫苗和新药的研发赢得宝贵的时间。

Omicron变异株的横空出世给人类现有的防疫策略提出诸多思考：如何对变异株进行监测；如何应对病毒进化出的免疫逃逸能力；如何对后续病毒的变异以及疫情走向进行预测。面对新冠病毒，世界各国都不能独善其身，许多欠发达国家仍然面临着疫苗接种率较低、病毒检测能力较差、医疗水平不足等严峻问题。唯有全人类万众一心，新冠疫情才能最终被控制。