新冠病毒变异株新进展及其对疫苗免疫保护作用的影响

王彩红，王 蓉，周玉霞，姚晓文，于晓辉，张久聪，3

（1. 中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院消化内科，甘肃 兰州 730050；2. 甘肃中医药大学第一临床医学院2020 级硕士研究生，甘肃 兰州 730030；3.武汉火神山医院感染六科，湖北 武汉 430050）

严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease-19，COVID-19）严重威胁着人类生命健康以及社会经济发展。在无特殊药物治疗的情况下，疫苗成为遏制全球疫情大流行最有效的手段。迄今为止提出的322 种候选疫苗中，99 种正在进行临床试验，25种已达到Ⅲ期疗效研究，18 种已获得批准，这些疫苗尤其是辉瑞-BNT162b2、Moderna-BNT162b2、牛津阿斯-AZD-1222、强生Ad26.COV2-S、Novavax NVX-CoV2373 为战胜疫情带来了曙光［1］。然而，随着新冠病毒在世界范围内的不断传播，病毒基因组发生突变，形成多种变异株。其中，阿尔法（Alpha）、贝塔（Beta）、伽马（Gamma）、德尔塔（Delta）、奥密克戎（Omicron）变异株表现出更高的传染性，且对疫苗和中和抗体的抵抗力更高，对COVID-19 的预防和治疗带来新的挑战。目前，变异株对已获批疫苗有效性的影响已成为全球讨论的热点。本文就上述新冠病毒变异株新进展及其对疫苗免疫保护作用的影响作简要综述。

1 SARS-CoV-2 的结构特点

SARS-CoV-2 是一种具有包膜的单链RNA 病毒，属于β 冠状病毒科。其基因组大小约为29.9 kB，与SARS-CoV 具有约78%的序列同源性［2］。基因组RNA 有两个主要的开放阅读框（open reading frame，ORF）ORF1a 和ORF1b，其中，三分之二的基因组翻译为pp1a 和pp1b 蛋白。三分之一的基因组具有重叠的ORF，编码4 种主要结构蛋白，包括刺突蛋白（spike protein，S 蛋白）、核衣壳蛋白（nucleocapsid protein，N 蛋白）、膜蛋白（membrane protein，M 蛋白）和包膜蛋白（envelope protein，E 蛋白）以及一些辅助蛋白等。S 蛋白是由S1 亚基中的信号肽（signal peptide，SP）、受体结合域（receptor-binding domain，RBD）、融合肽（fusion peptide，FP）、S2 亚基等组成的一类跨膜蛋白，是病毒侵入宿主细胞的门户。其中，S 蛋白S1 亚基的N端结构域有助于病毒的附着，S2 亚基介导病毒在C端结构域处的膜整合［3］。在S1 和S2 亚基的裂解上有一个富含氨基酸的碱性呋喃裂解位点（S2'），在病毒内吞过程中充当融合肽，是SARS-CoV-2 的一个可识别特征，使其在起源上与其他病毒不同。

由于SARS-CoV-2 与SARS 在受体结合区（receptor binding domain, RBD）上的显著相似性，使得这两种病毒都表现出与人类宿主细胞受体（human angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）相似的结合机制，但S2'位点的显著特征使SARS-CoV-2 的致病性和传播能力增强［4］。E 蛋白与M 蛋白和N 蛋白一起促进病毒样颗粒的形成，S 蛋白RBD 能与细胞表面的ACE2 结合，成为疫苗设计的核心靶点［5］。

2 疫苗免疫保护的相关性

疫苗是一种对特定传染病提供获得性免疫的生物制剂，通过激活带有特定致病微生物、其毒素或表面蛋白之一特异性受体的淋巴细胞来实现免疫。接种疫苗可诱导体液和细胞反应来发挥作用。目前，COVID-19 疫苗的保护机制尚不完全清楚。但普遍认为疫苗诱导的针对SARS-CoV-2 S 蛋白RBD 的中和抗体是一种重要的保护机制。

一项动物研究表明针对S 蛋白的中和抗体可提供近乎完全的保护以防止再次感染［6］。 最近的建模研究表明，中和抗体水平可以高度预测对感染或严重疾病的保护［7］。第二项建模研究表明，中和抗体水平与几种COVID-19 疫苗试验报告的效力之间存在密切相关性［8］。 第三项功效试验研究表明，结合抗体和中和抗体滴度都与保护作用相关［9］。

3 不同COVID-19 变异株对疫苗的影响

在COVID-19 大流行早期，由于感染病毒的人数较少，“突变”变体病毒的数量也很少。后期，随着感染人数的增多，导致了多种SARS-CoV-2 变体的演变，出现多种变异株。但目前报道最多的是关于5 种关注变异株：即B.1.1.7、B.1.351、P.1、B.1.617.2、B.1.1.529 变异株，其传染性增强、毒力增加以及对疫苗和中和抗体的抵抗力更高，引起了人们对COVID-19 预防和治疗的担忧。WHO 将上述变异株采用拉丁字母进行命名，分别为Alpha、Beta、Gamma、Delta、Omicron 变异株［10］。与武汉参考菌株相比，这些变异株的S 蛋白主要发生了变化，S蛋白的快速进化和高频率突变可能会改变中和抗体表位的氨基酸序列，继而降低其对中和抗体的敏感性，进一步影响中和抗体和疫苗的有效性。

3.1 Alpha（B.1.1.7）变异株

B.1.1.7 变异株于2020 年9 月首次在英国发现，后在全球范围内迅速蔓延，其传染性较D614G 变异株高70%。B.1.1.7 变异株S 蛋白中有8 个突变（Δ 69-70 缺失、Δ144 缺失、N501Y、A570D、P681H、T716I、S982A、D1118H），可能改变了SARS-CoV-2的传播和感染能力［11］。因此，目前可用的COVID-19 疫苗可能对B.1.1.7 谱系无效。

Xie 等［12］通过对20 例参与者接种辉瑞疫苗BNT162b2 免疫产生的血清进行检测，发现携带B.1.1.7、B.1.351 变异株共享突变N501Y 的病毒和未携带突变株的N501 病毒具有相当的中和活性。Muik 等［13］研究同样表明接种辉瑞疫苗BNT162b2产生的免疫血清对武汉参考毒株和B.1.1.7 谱系假病毒的中和效力总体上基本保持不变。Wu 等［14］研究结果显示，接种Moderna 疫苗mRNA-1273 免疫产生的血清对B.1.351 变异株和P.1 变异株的中和滴度下降，但仍有一定程度的中和能力，而对B.1.1.7 变异株中和滴度无显著降低。

Emary 等［15］研究表明接种牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 免疫产生的血清对B.1.1.7 谱系中和抗体滴度较低，但对B.1.1.7 变异株的有效率为70. 4%。动物研究表明［16］接种牛津-阿斯利康疫苗AZD1222针对B.1.1.7 变异株的中和滴度无降低或仅略低，而对B.1.351 变异株的中和抗体滴度降低了9 倍。Sadoff 等［17］研究表明接种强生疫苗Ad26.COV2-S 免疫产生的血清能够在体外中和B.1.1.7 变异株，但效率低于武汉参考菌株。Novavax 公司在一项Ⅲ期临床试验中证明COVID-19 疫苗NVX-CoV2373 对B.1.1.7 变异株有效率为85%、对原始毒株的有效率为96%、而对B.1.351 的有效率不到50%［18］。目前来看，辉瑞、牛津-阿斯利康和Novavax 疫苗对B.1.1.7 变异株均显示出一定的保护作用。

3.2 Beta（B.1.351）变异株

B.1.351 变异株于2020 年5 月首次在南非发现，与之前的流行菌株相比其传播性增加了约25%。此外，有合并症的年轻人更容易感染这种变异株，且比其他变异株更易引起严重疾病。B.1.351 变异株S 蛋白中有9 个突变（L18F、D80A、D215G、R246I、K417N、E484K、N501Y、D614G 和A701V）。基于S 蛋白的RBD 上有3 个突变（N501Y、K417N和E484K）。其中，E484K 位点位于RBM 中并直接接触特定的ACE2 残基，降低了对恢复期血清的中和敏感性。

Wibmer 等［19］利用尖峰假型慢病毒中和试验将B.1.351 变异株的单克隆抗体和恢复期血清的中和作用与武汉D614G 突变进行比较，结果显示48%的中和抗体未检测到中和活性，在仅含RBD 区突变（K417N、E484K、N501Y）的嵌和假病毒中有27%的中和抗体未检测到中和活性，提示目前基于S 蛋白研发的疫苗的保护效果可能存在影响。Liu 等［20］预印本研究表明K417N 位点虽然不与ACE2 结合，但它是中和抗体样E484K 的表位，因此也可能通过K417N 发生免疫逃逸。B.1.351 变异株中K417N 和E484K 突变显著影响了来自恢复期患者的单克隆抗体和免疫血清对这种变异株的中和作用，与早期感染毒株相比，B.1.351 变异株恢复者血清的中和效价平均降低了13.3 倍［21］。Wang 等［22］同时对20 例参与者接种Moderna 疫苗mRNA-1273 和辉瑞疫苗BNT162b2 后第8 周的血清检测分析，结果显示对含有E484K 和N501Y 突变或K417N、E484K 和N501Y 的三重组合的假病毒的中和活性降低，同时还发现由于B.1.351 变异株中的K417N 和E484K 突变使得单克隆抗体和免疫血清对这种变体中和活性降低。

强生公司的ENSEMBLE 试验表明［23］，接种单剂Ad26.COV2-S 疫苗后28 d 预防中度至重度COVID-19 的总体有效率为66%，而在美国对中度至重度COVID-19 感染的有效率为72%，拉丁美洲为66%，南非（95% 的变异株B.1.351）降低到57%。Novavax 和强生公司［19］在南非进行的两项随机安慰剂对照临床试验报告的中期疗效显示NVX-CoV2373 疫苗在预防轻度、中度和重度B.1.351 变异株感染的COVID-19 中有效率为49%，当排除HIV 阳性受试者后，有效率增加到60%。

3.3 Gamma（P.1）变异株

谱系P.1 是B.1.1.28 变异株的衍生，最初在从巴西亚马逊返回的日本旅行者中报道。B.1.1.28 变异株在S 蛋白中有10 个突变（L18F、T20N、P26S、D138Y、R190S、H655Y、T1027I V1176、K417T、E484K 和N501Y），其中位于S 蛋白RBD 中3 个突变（K417T、E484K 和N501Y），显示出与B.1.351 变异株RBD 惊人的相似，其中，E484K 突变被证明可降低抗体对病毒的中和能力。在玛瑙斯采集的样本报告中显示，P.1 变异株的传染性高出1.4～2.2倍，此外，还发现能够逃避25%～61%的获得性免疫力。完全接种Moderna 疫苗mRNA-1273 和辉瑞疫苗BNT162b2 对P.1 变体的中和作用降低［15］。

3.4 Delta（B.1.617.2）变异株

B.1.617.2 变异株最初于2020 年10 月在印度发现，并导致2021 年4 月印度发生致命性的第二波COVID-19 感染，后迅速蔓延，引起了全球的关注。其传播性较之前的流行菌株增加了97%。B.1.617.2 变异株S 蛋白中3 个关键突变（L452R、T478K 和P681R）降低了再感染的概率，同时也降低了疫苗的有效性。

研究显示［24］，接种辉瑞疫苗BNT162b2 显示出较低的血清中和滴度，但仍能被大多数接种疫苗个体的恢复期血清中和。Wall 等［25］研究表明接种两剂辉瑞疫苗BNT162b2 后，对感染B.1.617.2 变异株的有效率为87.9% ，而对B.1.1.7 谱系变异株的有效性为93.4% ，但并未证明中和作用的降低会导致疫苗对疾病效力的丧失。接种强生疫苗Ad26.COV2-S 对B.1.617.2 变异株的有效率为60%。牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 对B.1.617.2 变异株的有效性为60%～71%，且能够减少严重病例的发生。Sheikh 等［26］研究表明B.1.617.2 变异株主要存在于更年轻的群体中，与感染B.1.1.7 变异株相比，感染B.1.617.2 变异株患者的住院风险大约增加了一倍，尤以合并其他疾病的患者为著，尽管牛津-阿斯利康疫苗AZD1222 和辉瑞疫苗BNT162b2 均能有效降低B.1.617.2 变异株的感染和住院风险，但疫苗的保护水平远不如感染B.1.1.7 变异株。

3.5 Omicron（B.1.1.529）变异株

2021 年11 月9 月，南非首次从病例样本中检测到一种新冠病毒B.1.1.529 变异株。该变异株增长迅猛，仅在2 周时间内即成为南非豪登省新冠感染病例的绝对优势变异株，目前正在世界各地传播，是迄今为止出现的突变最严重的变异株［27］。其传染性比原始毒株高500%。该变异株的基因组有大约50 个突变，其中包括S 蛋白中的30 多个突变，与B.1.617.2 和B.1.1.7 变异株有多处重合［28］。此前的研究表明［25］，新冠病毒S 蛋白若出现K417N、E484K或N501Y 突变，提示免疫逃逸能力增强。而B.1.1.529 变异株同时存在“K417N+E484AK+N501Y”三重突变；此外，还存在其他多个可能降低部分单克隆抗体中和活性的突变，突变的叠加可能降低部分抗体药物对B.1.1.529 变异株的保护效力，同时，S 蛋白中诸多位点突变可能会弱化现有疫苗的效力［29］。

研究表明［30］在接种Moderna 疫苗mRNA-1273、辉瑞疫苗BNT162b2 或强生疫苗Ad26.COV2.S 的初级疫苗系列后，B.1.1.529 变异株可彻底逃避疫苗诱导的免疫力，并在体外表现出更强的传染性，从而提高了传播性增加的可能性。值得注意的是，尽管没有体液免疫，但B.1.1.529 变异株突破性感染可能由于细胞免疫和固有免疫而使疫苗接种者的疾病严重程度减弱。 然而，中和抗体仍然是预防感染的主要相关性。此外，接种第3 剂基于mRNA 的疫苗可有效地产生针对B.1.1.529 变异株的强效交叉中和反应，可能是通过增加中和抗体的广度和交叉反应性。研究同样表明［31］接种两剂辉瑞疫苗BNT162b2 和 Moderna 疫苗 mRNA-1273 后对B.1.1.529 变异株的中和活性降低了30 倍。在接种第2 剂新冠疫苗后的6 个月内，来自未接种疫苗的受试者的血清均未显示出针对B.1.1.529 变异株的中和活性，而恢复者的接种疫苗的个体中和活性减少了22 倍，超过一半的受试者保留了中和抗体反应，在接种第3 剂加强新冠疫苗后，B.1.1.529 变异株的中和活性降低了14 倍，且超过90%的受试者显示出对B.1.1.529 变异株的中和活性增强。因此，接种第3 剂新冠疫苗能够提供针对B.1.1.529 变异株的强大中和抗体反应。有研究指出，尽管B.1.1.529变异株的突变较多，但依然算不上一种新的亚型，没有达到免疫逃逸、疫苗失效的地步，现有新冠疫苗目前来看仍有一定保护效力［32］。

4 小结与展望

COVID-19 是由SARS-CoV-2 引起的一种新发传染病，严重威胁人类生命健康及社会经济发展。随着新冠疫情的持续，SARS-CoV-2 在传播中不断发生进化和变异，形成传染性增强、毒力增加及对疫苗和中和抗体的抵抗力更高的变异株。与原始毒株相比，这些变异株S 蛋白的快速进化和高频率突变可能会改变中和抗体表位的氨基酸序列，继而降低其对中和抗体的敏感性，进一步影响中和抗体和疫苗的有效性，让本就不堪重负的防疫和社会经济雪上加霜。多项研究表明，已获批的疫苗对变异株依旧存在免疫保护作用，但也存在一定程度的免疫逃避。此外，接种第3 剂新冠疫苗能够产生强大的中和抗体反应，可有效地预防严重病例的发生。但由于新冠病毒仍在继续变异，可能会导致疫苗失去效力，因此及时监测并分析变异毒株，以优化疫苗的研发策略显得至关重要。

作者贡献度说明：

王彩红：参与文章主要的撰写和修改。王蓉，周玉霞，姚晓文：参与相关文献的查阅。张久聪，于晓辉：参与文章的选题和设计。

所有作者声明他们之间没有任何利益冲突。