与病毒赛跑——揭示新冠的免疫逃逸和变异规律
面对新冠病毒变异，疫苗的有效率会下降吗？最近发表在《新英格兰医学杂志》上的一篇文章中，美国辉瑞公司和德克萨斯大学的科研人员一起做了一个研究，他们把在美国流行的新冠病毒（属于野生种系）与南非病毒的变异种系进行比较。同样接种辉瑞公司生产的mRNA疫苗，观察感染不同种系病毒的病人血清中抗体的抗病毒效力。结果发现，在感染南非病毒变异株的病人体内，疫苗的有效力降低了2/3。
表1
研究人员利用20份血清样本进行了50%蚀斑减少中和试验（plaque reduction neutralization testing, PRNT50），分析抗体对机体的保护能力，也就是抗病毒能力。如表1所示，对于野生型病毒株（wide-type, WT），疫苗的抑制作用在临床上可以达到95%的有效率；体外试验也发现，非常低的滴度就可以抑制住这种病毒，平均中和效价为502。
而对于南非变异病毒株（B.1.351-Spike），平均中和效价下降到184，疫苗有效率下降了2/3（有效率为36.65%）。之前跟大家介绍过，国外有五种已经批准或者待批准的有效疫苗，其中最后三种疫苗都有证据显示对在美国和英国流行的病毒有良好的抑制作用。但是对于在南非和巴西的变异病毒株，抑制作用降低了一半以上，也就是说原来95%的有效率现在降到了接近50%。所以说变异的病毒对疫苗有免疫逃逸作用。
图1
图1中黑色的代表野生型病毒株，红色的代表南非的变异病毒株，同样的抗体滴度下，对两种病毒株的抑制作用有显著性差异（P＜0.001）。疫苗诱导的抗体对南非变异病毒株的抵抗力降低了2/3。
研究方法
研究人员从15名接种辉瑞mRNA疫苗（BNT162b2）的参与者中提取20个血清样本，这些参与者分别接受两针30 μg BNT162b2注射（间隔3周），随后在第2周或第4周时从他们体内提取血清，按1:40比例稀释后做体外试验。
如果疫苗诱导出的抗体能够抑制50%以上的病毒蚀斑（plaque）则为有效，如果低于50%的抑制就是无效。比较发现，疫苗抑制野生型病毒株的有效率接近100%，抑制南非的变异病毒株则降低了2/3的有效率。
图2
科学家研究发现，南非的变异病毒株主要的变异部位在病毒S蛋白（也叫棘突蛋白），S蛋白可以结合人体上皮细胞表面的ACE受体，然后进入细胞。它是一个关键的结合蛋白， 有三个亚单位，分别为S1、RBD(receptor binding domain)和S2（图2）。图2中最下边一行红色的是南非的变异病毒株，可以看到它有8个氨基酸发生变异，导致病毒对疫苗的免疫逃逸作用。如果S1、RBD、S2三个亚单位中只有一个或两个发生变异，并不能有效降低疫苗的抗病毒能力，但当这三个亚单位上都出现变异时，变异病毒对疫苗的逃逸作用是非常明显的（P＜0.001）。
另外一个启示，也是让我们有点细思极恐的是，这个病毒的模型是怎么建立起来的？科学家搞清楚野生病毒的基因序列后，利用基因工程的方法人工改变病毒基因位点，使之变异。变异的模板或标准就是南非变异病毒株，所以科学家是非常有本事的，他们可以制造出来具有高传播力、高传染性的病毒，当然这是一个题外话。但是我们要知道在病毒的改造方面有非常严格的规定。
图3
其实病毒一直在变异，根据WHO的报道，研究人员搜集了2020年2月份到5月份的10000多个新冠病毒基因序列。和最初出现在武汉的病毒株进行比较发现，这10000多个新冠病毒出现了5775个基因变异，而且形成了6个有意义的分支及14个亚支。这说明新冠病毒一直在不停的变异。
图4
新冠病毒长什么样？图4是通过电子显微镜，加上色彩展示的真正的新冠病毒。从左上角的图像中可以隐隐约约地看到病毒的表面有一些分支，这就是S蛋白。我们为什么叫它冠状病毒？就是它有像皇冠一样的分支，左下角的图像也可以明显看到病毒的皇冠。右下角是世界卫生组织公布的新冠病毒的模式图，在包膜外可以看到突出来的S蛋白。
图5
新冠病毒到底有多大呢？图5中间的是脊髓灰质炎病毒（Poliovirus），它的大小是30 nm，疱疹病毒是200 nm，新冠病毒的直径应该在70~100 nm，介于脊髓灰质炎病毒和疱疹病毒之间。新冠病毒一共有3万个碱基，现在能感染人类的一共发现了7种冠状病毒，其中4种是普通的感冒病毒，跟我们人类已经共生存了。另外三种可以导致严重后果的，一个是2003年出现在中国的SARS病毒（SARS-CoV），一个是发生自中东地区的MERS病毒，还有一个就是2019年出现的新冠病毒（SARS-CoV-2）。
SARS-CoV和SARS-CoV-2的基因相差20%（约6000个碱基），研究发现它们的共同祖先可能在上世纪90年代就分开了。按每一代万分之一的变异（3个碱基变异），每3~4天传一代，经过6000~8000天，约20年达到20%的变异，并形成分支。到现在新冠病毒出现关键的S蛋白变异，这种变异是病毒长期进化和自然选择的结果。
人类和大鼠的基因组差异同样也是20%，1亿年前有共同的祖先。也就是说新冠病毒用约20年的时间，完成了我们人类1亿年的进化。
图6
图6展示了病毒的免疫逃逸，它是一个随机自然的过程，在环境的逼迫下，病毒出现了快速的免疫逃逸现象，也就是出现了变异。研究人员使用来自德国新冠病毒病病人的血清抗体的稀释液在培养皿和细胞中培养，监测病毒诱导的细胞病变效应（cytopathic effect, CPE）。结果发现，第一代时蓝色较多，说明抗体可以有效抑制病毒破坏细胞（蓝色表示抑制率大于20%，红色表示抑制率小于20%）；第二代时红色占绝大多数，说明抗体的抑制作用减弱了。进一步研究发现病毒出现了快速的基因变异。
为什么会出现基因变异？实际上，我们所有的生命体都会为了生存和繁殖进行竞争，或者说是为了达到进化的目标。只有拥有充分生存空间和营养资源的生命体才可以存活下来，但是生存空间和营养资源是有限的。能存活下来的最强大的生命体不一定是最能适应环境的。比如我们用诱导出来的抗体或者药物可以消灭99%的病毒，但剩下的那1%或者更少比例的病毒可以逃避攻击，它们就有机会获得更大的空间，更多的营养，可以更好的繁殖。这就是我们所说的免疫逃逸和适者生存。
总结与启示
RNA病毒变异是必然的
单链不稳定
纠错能力差
传代快
进化压力（免疫、药物）逼迫适者生存及逃逸
新冠病毒用20年，走过人类1亿年的进化过程
疫苗效力的降低现象是不奇怪的，要应用现代科技手段与病毒变异赛跑
新冠病毒不断变异，不断逃逸，不断出错及进化，但绝大部分的变异是随机的、无意义的，只有那些增加传播力和毒性的变异才对人类产生危害。
与新冠病毒的赛跑仍然需要依靠科学，用新的科学技术手段，比如mRNA技术快速的生产针对病毒变异后特有S蛋白的疫苗，去诱导机体产生抗体来抵抗病毒。另外还有新药的研发，也是我们对抗病毒的武器。
目前全世界形成了非常好的学术网络，科学家把变异的病毒信息提交到公共平台，所有的学者都可以看到，一旦世界上出现了高传播力、高致死率的病毒变异株，我们可以迅速的测出它的基因序列，公布于众，全世界的生物医药公司、疫苗企业都会快速的跟进，用现代的技术生产出能有效抵抗或有效预防病毒变种的疫苗和新药。病毒变异是必然的，我们要做好与它长期共生存的思想准备，同时相信科学，相信科学家。
参考文献：
１.https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2102017?query=featured_home
２.Bull World Health Organ 2020;98:495-504
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