知識背景：

2021年11月9日，南非首次從病例樣本中檢測到一種新冠病毒B.1.1.529變異株。短短2周時間，該變異株即成為南非豪登省的絕對優(yōu)勢變異株，增長迅猛。11月26日，WHO將其定義為第五種“關(guān)切變異株”（ VOC），取名 奧米克戎（奧密克戎），其刺突蛋白中攜帶了超過30個突變，現(xiàn)在正以迅猛的速度在國際上傳播。

圖1 刺突蛋白德爾塔和奧米克戎的變異結(jié)構(gòu)比較

令人恐懼的是，即使已經(jīng)接種第二針疫苗，但各地仍有多例感染病例出現(xiàn)，這表明奧米克戎很可能對接種疫苗產(chǎn)生的抗體有明顯的逃避作用，那為什么衛(wèi)健委一再宣傳接種第三針的必要性？奧米克戎又為什么令人聞風(fēng)喪膽？它和之前的毒株相比又有什么不同？

你問我答：

自從奧米克戎出現(xiàn)以來，曾因為高傳染率和 HIV 的產(chǎn)生背景引起一陣恐慌，但隨著人們對它的研究，發(fā)現(xiàn)奧米克戎具有上呼吸道感染、病情較輕、感染年輕化等特征。來自英國劍橋大學(xué)的研究人員決心研究奧米克戎的相關(guān)發(fā)病機制，了解為什么這個變種會突然間爆發(fā)出來？為什么感染特征與之前毒株不相一致？

猜想可能與奧米克戎上的S蛋白突變引起致病機制的改變有關(guān)，因為奧米克戎在n端結(jié)構(gòu)域和受體結(jié)合域上存在20多個取代基，在S2中也有6個獨特的突變，這些取代基和突變很有可能會影響奧米克戎的致病機制。

首先我們要知道新冠病毒的進入細胞途徑主要有兩種，一種是病毒通過胞吞方式進入細胞——病毒以網(wǎng)格蛋白依賴性方式與ACE2（血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2）結(jié)合并內(nèi)在化，通過胞吞進入細胞，再通過蛋白酶(例如Furin蛋白酶)介導(dǎo)S蛋白激活促進膜融合，使得病毒的RNA被釋放到細胞質(zhì)中，從而引發(fā)宿主細胞感染；另外一種是病毒通過與細胞膜直接融合進入宿主細胞——胞膜融合方式也需要病毒表面S蛋白與細胞上ACE2受體相結(jié)合，而這種進入方式需要輔助結(jié)合因子的參與，目前已知關(guān)系最為密切的是TMPRSS2（跨膜絲氨酸蛋白酶），它能夠協(xié)同激活S蛋白，通過促進胞膜融合使得病毒進入宿主細胞。

圖2 SARS CoV-2已知的兩種細胞進入途徑

與之前的毒株相比，奧米克戎進入細胞方式的不同在于選擇更多以胞吞方式進入細胞，而這種改變歸因于TMPRSS2對奧米克戎作用減弱，而奧米克戎對ACE2親和力升高，所以奧米克戎對高表達TMPRSS2的下呼吸道的感染率下降，而低表達TMPRSS2的上呼吸道感染多見。

通過建立類器官模型（下呼吸道、膽囊）和使用常用細胞系作為研究對象，研究人員發(fā)現(xiàn)在高表達TMPRSS2的細胞中，奧米克戎檢出率較低，而在高表達ACE2的細胞中，奧米克戎的檢出率與其他毒株沒有明顯的差異。這意味著這意味著奧米克戎和德爾塔對低表達TMPRSS2的上呼吸道的易感性相似，而對于高表達TMPRSS2的細胞群易感性出現(xiàn)差異，提示TMPRSS2可能在奧米克戎中作為輔助結(jié)合因子的作用變得相當有限，最可能的解釋是奧米克戎缺乏多堿基切割位點，使其沒有在生產(chǎn)細胞中被切割，而是被TMPRSS2或核內(nèi)體中的組織蛋白酶在靶細胞表面切割，通過降低刺突切割效率，損害TMPRSS2介導(dǎo)的胞膜融合路徑來促進胞吞作用，此外還可能與諸多累積的基本氨基酸突變，導(dǎo)致S蛋白總電荷的增加，使S蛋白對低pH誘導(dǎo)的構(gòu)象改變更加敏感，有利于利用上氣道低pH環(huán)境通過胞吞進入宿主細胞。

圖3 各種細胞復(fù)制率差異比較

黑色（武漢毒株）；橙色（德爾塔）；灰色（奧米克戎）

圖4 下氣道類器官亮場圖像

圖5 膽管細胞類器官亮場圖像

圖6 類器官入口檢測感染示意圖

奧米克戎對ACE2受體的親和力增強約3倍，這可能是相對于其他毒株更加易感染的一個因素。研究人員利用生物層干涉法測定了人ACE2受體與奧米克戎毒株、武漢毒株和德爾塔毒株親和力的差異，結(jié)果奧米克戎的對ACE2的結(jié)合親和力增強約3倍。為什么會這樣呢？因為已突變的氨基酸能夠與ACE2上的殘基結(jié)合引入額外的靜電相互作用，也有的突變氨基酸能夠與ACE2形成氫鍵，所以雖然也有突變氨基酸會抑制ACE2結(jié)合，但總體上突變的受體結(jié)合域上的氨基酸增加了奧米克戎對ACE2的親和力。

圖7 刺突蛋白德爾塔和奧米克戎的變異結(jié)構(gòu)

圖8 人ACE2與SARS-CoV-2 VOC結(jié)合的動力學(xué)分析

降低對TMPRSS2的依賴性，不僅意味著好發(fā)感染的部位發(fā)生了改變，而且還意味著毒株致病力的下降。奧米克戎更加傾向于感染上呼吸道，而不是下呼吸道，這使得奧米克戎更加類似于常見的上呼吸道病毒感染性疾病——病毒性感冒，對于重要臟器侵襲的減少是奧米克戎重癥患者少的主要原因。除此之外，奧米克戎的致病力也有所下降，研究人員在半固態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)培養(yǎng)被毒株感染的細胞，結(jié)果顯示與德爾塔相比，奧米克戎的斑塊尺寸更小，較小的病灶可以歸因于病毒進入細胞方式的改變。在體內(nèi)較小的病灶可能意味著良好的預(yù)后，這幫助解釋了為什么奧米克戎的重癥患者很少。

圖9 德爾塔和奧米克戎活病毒形成的感染灶

圖10 培養(yǎng)德爾塔和奧米克戎感染灶大小和數(shù)目差異

奧米克戎對接種疫苗產(chǎn)生的多克隆中和抗體表現(xiàn)出免疫逃避作用，意味著病毒受體結(jié)合域中I-IV類抗原區(qū)域很可能發(fā)生了突變。研究人員驗證了臨床常用治療性單克隆抗體對于治療奧米克戎的有效性，結(jié)果這些單抗對德爾塔有不錯的作用，但對奧米克戎，無論是單獨或聯(lián)合使用單抗，都完全喪失了抗體對奧米克戎的中和作用。

這可能是由于突變的氨基酸阻礙了單抗與奧米克戎的結(jié)合所致的，理論上奧米克戎中突變的氨基酸（K417N, E484A, S477N和Q493R）可以排除與單抗（REGN10933）的結(jié)合，而突變的G446S則與單抗（REGN10987）的結(jié)合相沖突，因此奧米克戎 受體結(jié)合域和S三聚體的結(jié)合減弱以及抗體中和作用損失一致。此外，有研究表明病毒表面S蛋白若出現(xiàn)K417N、E484A或N501Y突變，很可能提示病毒免疫逃逸能力增強，奧米克戎剛剛出現(xiàn)的時候之所以被預(yù)測具有高致病性和高感染率，就是因為在奧米克戎上檢測到這三種氨基酸突變的存在。

不過奧米克戎對于RNA聚合酶抑制藥物還是無能為力的，相關(guān)藥物能通過抑制RNA聚合酶阻止病毒逆轉(zhuǎn)錄和自我復(fù)制的過程，讓病毒難以自我復(fù)制和繁殖，面對德爾塔和奧米克戎都有不錯的抗病毒活性。

圖11 兩種單抗以及聯(lián)合物抗德爾塔和奧米克戎效果滴定

圖12 RNA聚合酶抑制藥物抗德爾塔和奧米克戎的劑量反應(yīng)曲線

當然有必要，接種第三針疫苗能夠有效降低感染患者的易感性和重癥率！為了探究疫苗誘導(dǎo)的多克隆中和抗體能否中和奧米克戎，研究人員將40個接種兩針疫苗的血清樣本與 PV（假型病毒）粒子混合前，進行血清滴定，結(jié)果表明與德爾塔相比，第二劑后奧米克戎的中和作用損失10倍以上，而如果使用第三劑疫苗進行增強的話，對所有變種均能觀察到中和作用顯著增加。

圖13 第2針疫苗后的3個時間點上對PV的中和作用

圖14 第3針疫苗后的3個時間點上對PV的中和作用

①研究發(fā)現(xiàn)第二針疫苗誘導(dǎo)的中和抗體對奧米克戎中和作用有限，而中和作用可以通過接種第三針疫苗大大增強，這對于宣傳第三次疫苗接種工作而言至關(guān)重要，所以看完了快點去打第三針疫苗吧！

②研究發(fā)現(xiàn)臨床常用的單抗對奧米克戎治療效果不佳，但通過RNA聚合酶抑制劑對奧米克戎效果顯著，為臨床藥物治療提供了新的指向。

③研究解釋了奧米克戎在臨床表現(xiàn)上為什么不同于以往毒株，表現(xiàn)為上呼吸道感染、能夠逃避免疫反應(yīng)以及重癥感染少等的原因。

④研究發(fā)現(xiàn)奧米克戎致病機制以往毒株不同，雖然在入侵細胞的時候，依然把ACE2作為重要的受體分子，但不再依賴TMPRSS2作為重要輔助分子且其可能受到ACE2水平不同影響，這意味新冠變異速度非常快，絕對不能掉以輕心。

研究人員從刺突介導(dǎo)的免疫逃避、ACE2結(jié)合的相互作用和決定組織取向的細胞進入途徑等方面探討了奧米克戎的生物學(xué)特性，通過使用類器官模型和多種培養(yǎng)檢驗技術(shù)，揭示了奧米克戎在細胞偏好上的差異，這受到很多限制：首先盡管使用的是原代人體組織，但體外培養(yǎng)系統(tǒng)和人體內(nèi)還是有差異的；其次TMPRRS2的水平可能影響ACE2，特別是TMPRSS2與ACE2的裂解有關(guān)，具體效應(yīng)大小受到ACE2表達的影響；最后特異性蛋白酶抑制劑除了抑制細胞組織蛋白酶外，還可能抑制病毒蛋白酶，這可能影響觀察到的結(jié)果的準確性。雖然存在種種遺憾，但研究也為未來的研究方向指出了道路，奧米克戎剛剛出現(xiàn)的時候，有研究通過檢測病毒表面的氨基酸突變預(yù)測奧米克戎具有高度的傳染性和致病性，但實際表現(xiàn)中盡管奧米克戎具有較高的傳染性，但是致病性并不強，為什么會出現(xiàn)這樣的偏差？原因尚不得而知，可能與氨基酸突變之間的相互作用有關(guān)，這表明僅基于序列對復(fù)制和趨向性的預(yù)測可能具有誤導(dǎo)性，隨著變異的不斷出現(xiàn)，對趨向性變化的詳細分子理解至關(guān)重要。

在本研究中，類器官充當了一個再現(xiàn)原始組織形態(tài)特征的體外培養(yǎng)模型，用于在實驗樣本量不足的情況下，擴增培養(yǎng)以獲取足夠高質(zhì)量樣本的目的，盡管類器官目前相關(guān)技術(shù)還未成熟，相關(guān)標準尚未制定頒布，但是已經(jīng)能夠在科研中逐步應(yīng)用研究，并取得了較好的成果，獲得了世界各地科學(xué)家的認可，相信在不遠的未來，類器官技術(shù)將能夠成為新一代成熟的體外培養(yǎng)模型，更多的造福人類的健康！