新型冠状病毒变异株对新型冠状病毒疾病诊治及防疫的影响分析

张 珂，沈 洁（综述），胡丽华（审校）

1.上海奥普生物医药股份有限公司，上海 201201；2.同济大学附属同济医院《外科研究与新技术》编辑部，上海 200065

自2021年7月20日南京禄口国际机场员工发现9例新冠阳性病例起，短短一周之内，我国多个地区发现了关联病例，中高风险区域数量激增，造成本次疫情加剧的罪魁祸首正是肆虐全球的变异株Delta。我国的国内疫情控制非常稳定，境外输入病例的防控体系也相当完善，Delta之前流行的多个变异株均未在我国造成传播。但是，新突变株Delta相比较早出现的突变株具有更强的快速扩散能力，导致包括中国在内的多个国家和地区疫情出现反弹。由于全球范围内防疫死角的存在，新冠病毒仍有继续突变的可能，未来可能产生更具威胁的新变种。本文将从病毒变异的生物学角度探讨新冠变异对检测、治疗、疫苗等方面的影响，以及如何应对病毒不断变异的挑战。

1 新冠病毒的变异

病毒的变异本质上属于“物种进化”的自然现象。所有生物的基因组都是DNA或者RNA中的一种，二者统称为核酸，由基本组成单位A/T/G/C 4种核苷酸有序地排列组合而成，即遗传密码。遗传密码在自我复制过程中，会发生小概率的抄写错误，比如由原来的A变成了G，只是多数变异对于个体而言是不利的，会被自然选择淘汰，少数变异会增强个体的环境适应能力，逐代传递并扩散开来，推动物种的进化。

新型冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）为单股正链RNA病毒，编码的蛋白主要有刺突蛋白（S）、核壳蛋白（N）、包膜蛋白（E）、基质蛋白（M）、以及多种辅助蛋白［1］。相比DNA病毒，RNA病毒变异速度更快，其根本原因是RNA病毒复制所依赖的RNA聚合酶复制纠错功能有限，只要有足够的时间，便会产生危害性更强的变异株［2］。这也正是同属RNA病毒的流感病毒和艾滋病毒难以控制的重要原因，大量的变异株型和未知的新变种，彼此之间的差异越来越大，导致疫苗或药物很难对所有株型均有效［3］。新冠病毒的变异也在时时刻刻地发生着，其中少数的变异会增强病毒的传播力、致病力，导致大面积的扩散，形成了诸如Delta等变异株。

新冠病毒的变异有不同的命名和分类方式，最常用的有以下3种：第1种是Pangolin分型法，分析变异的进化谱系，以英文字母和数字为变异株和子代变异株命名，比如A.1.1.1；第2种是以爆发地命名的方式，比如英国株、南非株、印度株等，但这种命名方式容易造成地域歧视，因此被WHO等组织呼吁避免使用；第3种，WHO分类法，选取重点变异株，以希腊字母依次命名，比如Delta等。WHO还会根据变异株的危险级别将变异株分为关切变异株（variants of concern，VOC）和关注变异株（variants of interest，VOI），其中VOC严重级别更高，是需要各国重点防范的株型。每种变异株的基因组中都具有一个或者几个典型的位点变异，最终导致所编码的蛋白质的基本构成组份氨基酸发生改变，比如“E484K”，指编码蛋白的第484位氨基酸由E（谷氨酸）变成了K（赖氨酸）。氨基酸的变异，改变了蛋白质的组成，甚至蛋白的构象、功能也发生巨大的改变。比如S基因的变异，改变了病毒刺突S蛋白，N501Y可以使刺突蛋白更好地与细胞相结合［4］，E484K有助于病毒逃脱抗体的捕获［5］。

表1列举了VOC级别的几个重点毒株的变异信息及危害性变化的初步研究数据［6-9］。低一级的VOI级别毒株未详述，包括Epsilon（B.1.427，B.1.429）、Zeta（P.2）、Eta（B.1.525）、Theta（P.3）、Iota（B.1.526）、Kappa（B.1.617.1）等株型。虽然表1中的数据多来自尚不充分的评估实验，但不难看出4个重要的VOC变异株，在传播力、住院率、致死率几个方面都造成了更严重的危害。目前，新冠病毒的变异只有一年多的时间，大部分变异株都是“点变异”，属于小幅度变异，尚未达到像流感病毒一样大幅变异的程度。但我们仍然需要慎重对待，认真分析病毒变异对新冠诊断、治疗、疫苗及防疫对策的影响。

表1 重点变异株信息汇总Tab.1 Summary of typical SARS-CoV-2 variants

2 变异株对新冠诊治的影响

2.1 对病原体检测的影响

病原体筛查是及时发现阳性病例尤其是无症状病例的重要手段，按方法学分，主要有抗体检测、抗原检测和核酸检测三大类［10］。抗体检测和抗原检测，有时也合并称为免疫法检测，免疫法可以借助胶体金层析试纸条等载体实现简便又快速的检测，在临床上有一定的需求，但抗体检测法常存在交叉反应且有一定的时间滞后性，抗原检测法的突出缺点是灵敏度较低。相比之下，核酸检测法，也称分子诊断，由于核心技术PCR具有灵敏度高、特异度好、不受抗菌药物影响等优点，在临床检验中受到广泛的重视，逐步成为新冠病毒筛查首推的确诊方法。新冠变异株的出现带来一个疑问：现有的检测产品是否仍然有效？以下从检测原理的角度分析变异对这三类检测产品的不同影响。

抗体检测类产品中最重要的核心组份是根据新冠基因人工表达的病毒蛋白（抗原），可以跟阳性患者血液中的新冠特异性抗体相结合，达到检测的目的。目前市面上的抗体检测产品，多使用人工表达的新冠S蛋白，如果变异株的S蛋白存在关键位点的变异，刺激宿主所产生的抗体有可能无法被检测产品中的抗原所捕捉，最终导致假阴性的严重后果。因此，变异株对检测抗体的产品可能存在重大的影响，产品的生产商，应针对各重点变异株的变异位点进行分析，如果变异位点恰好位于产品所采用的蛋白分子中，考虑到氨基酸变异可能导致蛋白整体构象的变化，无论变异位点位于分子中哪个位置，都需要使用变异株确诊患者的血液样本进行有效性确认，并及时向用户公布复核报告。

检测抗原的产品中的核心组份是使用新冠病毒蛋白（抗原）人工诱导生产的抗体，分单抗和多抗两种，两者都可以跟阳性患者呼吸道样本中的病毒蛋白相结合。如果产品采用的是单抗，识别位点相对单一，跟前述检测抗体的产品相似，关键位点的变异可能带来严重影响；如果产品采用的是多抗，识别的位点可能是蛋白分子的多个区段，个别位点变异造成颠覆性影响的概率较低。目前的新冠抗原检测产品大多检测相对保守的N蛋白，而不是频繁变异的S蛋白，从这个角度分析，受病毒变异的影响程度较低，但该类产品往往采用单抗，比多抗更容易受变异的影响，两方面因素都需要考虑。无论产品检测哪个蛋白，采用单抗还是多抗，最终都需要生产方使用变异确诊患者的临床样本进行产品有效性确认，并及时向用户公布复核报告。

核酸检测类产品的核心组分是与新冠基因匹配的小片段引物，厂家可以通过软件来分析变异的位点是否位于引物的匹配区域。另外，核酸检测产品往往采用2～3套引物组，检测新冠病毒的多个不同基因，其中一套引物成功扩增，就会报告阳性结果（至少是阳性疑似），出现各套引物组恰好全部碰上变异的概率很低，因此，核酸检测类产品受病毒变异的影响不大。但生产商仍应及时向用户公布对变异株的复核报告，打消用户的顾虑，并及时修正或更换受突变影响的引物序列。

鉴于我国主要使用核酸检测法进行筛查，综合评判变异株对病原体检测造成的风险较小，较易分析掌控。

2.2 对疫苗的影响

新冠疫苗主要分为以下几种：灭活疫苗、mRNA疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒载体疫苗［11］。灭活疫苗是将病毒灭活后，注入体内，失活的病毒组份依然具有抗原性，能够诱导宿主免疫系统产生对该抗原蛋白的免疫应答，以达到预防和治疗疾病的目的，这类疫苗的优点是工艺成熟、不良反应小、无需超低温冷藏。其余几种疫苗，都是通过基因工程手段，将编码病毒蛋白的序列，以核酸或者蛋白的形式注入体内，诱导产生特异性的抗体，这类疫苗可以快速设计开发，但工艺较新，对于可能带来的副作用，缺乏足够的经验可参考。目前国内使用的疫苗有国药的2款灭活疫苗、科兴的灭活疫苗、康希诺的腺病毒疫苗和安徽智飞的重组蛋白疫苗等，国际上应用较广的，还有Moderna的mRNA疫苗、Pfizer/BioNTech的mRNA疫苗、Oxford/AstraZeneca的腺病毒疫苗、俄罗斯Sputnik V腺病毒疫苗、Johnson&Johnson的腺病毒疫苗、Novavax的重组蛋白疫苗等。

现有的疫苗对变异株的有效性，需要从原理解析和实测评价两个角度进行综合判断。

从疫苗诱导人体免疫的原理进行分析：RNA疫苗、重组蛋白疫苗、腺病毒载体疫苗，这几种基因工程疫苗，主要以S蛋白为靶点设计开发，在人体内表达的抗原相对单一，一旦变异株的S蛋白核心位点发生变异，可能无法被疫苗诱导人体产生的抗体识别，造成免疫逃逸。对于基因工程疫苗，设计开发时选取的基因片段越短，受变异株影响的可能性越大。而灭活疫苗使用灭活的病毒，组分不但有暴露在外的S蛋白，还有各种原本包裹在病毒颗粒内部的蛋白分子释放出来，这些蛋白分子都具有抗原性，相比基因工程类疫苗，理论上可以诱发人体产生更多种类的抗体，从这个角度分析，变异株对灭活疫苗的影响较小，但是在人体遇到病毒侵染时，能够起作用的主要还是其中一部分可以封闭S蛋白的抗体，因此S蛋白的变异仍可能影响灭活疫苗的效力。综上所述，变异株，尤其是S蛋白发生变异的株型，可能会逃脱疫苗免疫，降低疫苗的有效性。

疫苗刺激人体免疫的过程是非常复杂的，一方面人体产生的抗体是复杂的多抗，另一方面，不同个体的免疫应答水平也有很大的差异，这两个原因决定了仅通过简单的原理分析，不足以作出可靠的评价，因此，针对变异株的疫苗有效性临床试验格外重要。目前能查到的相关数据非常有限，一方面疫苗应用时间太短，临床试验数据量很少，另一方面，不同机构对同一疫苗公布的有效性评估结果差别很大，可信度打折扣，原因跟试验选择的测试群体所在环境的感染概率不同、试验所处时期的流行株型不同等等诸多方面的差异有关。因此，对疫苗保护力的准确评价，需要基于客观全面的临床试验和长时间的有效性追踪调查结果。表2汇总了各典型变异株对几种主要的基因工程疫苗有效性影响的研究结果［12-19］。需要特别指出，由于研究的不充分，部分数据仅为实验室评价或小量临床评价的结果。虽然表中数据彼此之间有出入，但基本可以确定变异株的确造成了基因工程类疫苗保护效力的降低。对于国内用的最多的灭活疫苗，还没有相关研究的公开报道，主要原因是每次变异株大流行在我国都得到了有效的控制，国内缺少开展疫苗有效性研究的感染群体。但科兴公司和钟南山院士均公开表示灭活疫苗对变异株依然有效，尤其是预防重症和死亡。

表2 变异株对基因工程疫苗有效率的影响Tab.2 Impacts of SARS-CoV-2 variants on the efficacy of genetically engineered vaccines

截至目前，尚未查询到有报道称某一款主流疫苗对某一种变异株是完全无效的。世卫组织和各国防疫机构均呼吁，当下防疫形势严峻，通过疫苗注射形成群体免疫，仍然是阻断病毒传播和继续变异的有效手段。在疫苗使用过程中，需要及时监控对变异毒株的保护效力，同时也要加速开发针对新变种的疫苗。

2.3 对治疗的影响

目前，化学药、生物制品药物（抗体/多肽/干细胞等）、中药，均有用于新冠治疗的报道，按药物作用原理可以分为阻止病毒进入宿主细胞（如氯喹、抗体类等）、抑制病毒RNA复制（如法匹拉韦、瑞德西韦等）、阻断病毒蛋白生成（如洛匹那韦等）、增强人体免疫系统（如中药类、干细胞治疗）等几个途径［20］。很多药物的有效性都得到了肯定，但研究并不充分，目前还没有公认的新冠特效药。临床实践过程中，联合使用3种或3种以上抗病毒药物的混合治疗策略，即鸡尾酒疗法，逐步得到了认可和推广［21-22］。这种方法最初用于艾滋病的治疗，后来被推广用于治疗其他多种顽固病毒。美国前总统特朗普便是采用了鸡尾酒疗法，从新冠确诊到康复出院仅用了1周时间。

病毒变异对药效的影响评价非常复杂，无法通过变异位点进行简单的理论分析。新冠病毒的变异，尤其是S蛋白的关键位点变异，可能会对那些针对S蛋白开发的靶向药物的疗效产生影响，对于其他作用原理与变异位点无关的药物，理论上没有影响。然而，病毒的变异，不单单只是特定位点的序列改变，还可能造成宿主体内病毒载量增加、免疫功能下降等未知的变化［23］，因此，病毒变异对药效的影响，必须通过严谨的临床对比实验才能证实。

前文提到疫苗接种激发人体产生的多抗，提高了对变异株的兼容性，这些已存在的抗体除了可以在病毒入侵的第一时间有效地封闭病毒，对后续的用药治疗也能起到积极作用；鸡尾酒法多药混合治疗策略的应用，也使得单一位点的变异很难逃避多种药物的不同治疗途径，充分保障了对变异株的治疗效果。这两个因素让我们对变异株的治疗更加有信心。目前，还没有资料表明当下使用的主要药物对某一种变异株均无效。

3 如何应对新冠病毒变异

新冠病毒在“传播力”和“致死率”两方面达到了“完美”的平衡，相比同类的SARS和MERS，新冠的传播力更强，但在宿主体内大量增殖造成的伤害却更小［24］，两方面原因使得新冠病毒可以在短时间内将大量病患变成稳定的传播源，而且不少病例没有明显病症，难以察觉，甚至可以逃脱灵敏度极高的核酸检测，加剧了防控的难度。

面对如此“完美”的病毒，早在2020年初，新冠疫情发生的最早期，专家就曾警告，疫情防控需要世界各国的共同努力，尽快扑灭疫情，不能给病毒留下变异的时间，但是因为文化差异、经济利益、政治考量等多方面因素，使得“全球围堵，消灭病毒”的契机一再被错过。在全球互联的时代，中国无法独善其身，我们不得不面对Delta乃至未来更多更可怕的新变异株的威胁，思考应对策略。

3.1 持续坚持必要的防控力度

国务院《关于做好新冠肺炎疫情常态化防控工作的指导意见》强调“我国新冠肺炎疫情防控向好态势进一步巩固，防控工作已从应急状态转为常态化”，但仍要“坚持预防为主”。公共卫生干预是阻断呼吸道病原体传播的经济且有效的手段。“勤洗手”、“佩戴口罩”，不仅可以降低新冠病毒的传播，同时也能阻断流感病毒、普通感冒病毒等几十种呼吸道病原体的传播。过去一年多的经验表明，各种呼吸道传染病的病例数都有大幅度的减少，极大地减轻了社会医疗负担。另外，一旦发现阳性病例，应快速挖掘密接圈，及时隔离，第一时间围堵病毒，避免造成大规模的扩散。

3.2 提高疫苗接种率，研究疫苗混打的可行性

虽然变异株造成了疫苗保护效力的降低，但疫苗对现有的各种变异株仍有相当的保护力，尤其是防止重症和死亡病例的发生。社会群体免疫力的提升，可以有效的阻断病毒传播。另外，目前的疫苗接种人群主要是18岁以上的成年人，今后应加紧研究青少年甚至婴幼儿疫苗注射的可行性，避免校内集体感染的悲剧发生。

有研究称，疫苗混打，能够提升保护力［25］。理论上分析，混打的确可以让人体获得不同疫苗的免疫特异性，增强对更多变异株的兼容能力。外媒报道，德国总理默克尔已进行了两种疫苗的混合施打，德国、加拿大等多个国家已开始实施疫苗混打。

3.3 密切监控跨物种传播

新冠病毒的动物起源说，一直是溯源的重要思路［26-27］。SARS、MERS，都已被证实起源于动物，偶然的变异使病毒具备了侵染人类的能力［28-29］。虽然新冠病毒的人畜跨物种传播尚未得到充分证实，但大量研究已经表明新冠感染谱扩大到水貂、猫、雪貂等动物［30］。由于不同物种的机体差异很大，病毒很可能在新的宿主体内发生适应性的变异，变成更可怕的新毒株。一旦新冠病毒可以跨物种传播，尤其是可以侵染野生动物时，将会变得极难防控，造成巨大的经济损失。

3.4 研究快速应对未知变异毒株大爆发新技术

2021年7月26日，美国国家过敏和传染病研究所（NIAID）主任Fauci宣布，美国即将启动“原型疫苗（prototype vaccines）”计划。传统疫苗的开发和临床实验需要数年的时间，即便是紧急批准使用的新冠疫苗，也是在疫情爆发一年后才得到使用，不但错过了阻断病毒传播的最佳时机，也造成了大量的死亡病例，惨痛的教训迫使人类思考开发快速疫苗新技术。新冠mRNA疫苗、腺病毒疫苗、蛋白疫苗等基因工程疫苗的成功开发，有力地证明了人类可以通过基因序列分析，快速地设计开发出安全可靠的疫苗。美国的“原型疫苗”计划，便是计划更加深入地研究基因工程疫苗技术，通过分析20个病毒家族的基因序列，研究病毒的分子结构，寻找宿主的应答抗体必须攻击的抗原蛋白关键位点，并找出病毒如何引起身体产生这些抗体的，进而开发出能够应对整个病毒家族的原型疫苗，未来遇到家族中新的病毒种类或者新的变异株出现时，通过修改原型疫苗的序列，可以快速地开发出针对性的疫苗。新冠疫情推动了防疫科技和理念的革命，类似的“前置性”防疫新技术研究受到了关注，当人类未来面对未知病原体危害时，能够快速响应。除了原型疫苗，还可以从原型药物等角度进行思考。

4 结语

新冠疫情在全球范围内的反复，很大程度上是各国防疫政策不一所导致的，人类从中得到了深刻的教训：全球性问题的解决，需要所有国家通力协作。中国政府曾力推全球健康码的实施，但碍于各国社会开发水平不同，对防疫的认知也不同，倡议没有得到广泛的响应。WHO开展的“新冠肺炎疫苗实施计划（COVAX）”，旨在推动各个国家都能公平地分配到疫苗，但这个计划同样没有得到欧美各国的有力支持，相反，很多国家在争取疫苗的过程中，都采取了优先自保的策略，导致防疫压力更大的第三世界国家无法购买到疫苗，疫情进一步加剧，并留给病毒继续变异的机会。面对Delta突变株和潜在的新变种，唯有各国政府配合WHO，制定出切实可行的联防制度，真正清除全球防疫死角，才能有效地压缩新冠病毒持续变异的时间和空间，使疫情得到早日控制，让人类的生活重新回归正常轨道。