新冠病毒在體內的傳播機制和疫苗最新進展
圖 1. 冠狀病毒結構
2020 年石正麗教授在 Nature 發表的論文 A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin 就揭示了 2019-nCoV 與 SARS-CoV 兩個冠狀病毒的相似性。文中表明，2019-nCoV 與 SARS-CoV 基因組同源性高達 79.5%。
國際委員會冠狀病毒科研究組 (CSG) 認為2019-nCoV與 SARS-CoV 形成了姐妹分支， 后將其命名為 SARS-CoV-2。
Delta 毒株突變
Delta 毒株目前是全球流行的主要新冠病毒變異株。SARS-CoV-2 表面布滿凸起的 S 蛋白可分為三部分，頂部的受體結合域 (RBD)、S1 亞基和 S2 亞基。S1 亞基與 RBD 相連，負責與宿主細胞膜上的受體 ACE2 結合，S2 亞基幫助 S 蛋白與受體的結合。Delta 變種僅在 RBD 中就發生 3 處突變：L452R、P681R 和 T478K 突變，這使 S 蛋白與細胞膜上 ACE 受體的結合能力明顯提高。
Lambda 毒株突變
除了德爾塔，拉姆達也開始“發力”了，據全球共享流感數據倡議組織 (GISAID) 的數據顯示，美國有 1000+ 例由“拉姆達”毒株引起的新冠肺炎病例。Lambda 變異株是 S 蛋白上發生了 6 個單氨基酸突變 (G75V、T76I、L452Q、F490S、D614G 和 T859N)，N 端結構域 (NTD) 存在一段由連續的 7 個氨基酸缺失形成的突變 (RSYLTPGD246-253N)。F490S 突變缺失會幫助病毒獲得體液免疫抗性，L452Q 突變會對疫苗誘導血清中和抗體產生抗性。
新冠病毒是怎樣在宿主中肆意橫行的呢？簡單點說，就是入侵 (病毒受體結合) → 進攻 (釋放自己基因組) → 發揚壯大 (不斷合成并排除異己) → 再進攻。
圖 2. 新冠病毒在體內的傳播機制[2]
■ 病毒入侵
如果說 S 蛋白是新冠病毒打開宿主細胞“城門”的鑰匙，那么 ACE2 受體就是那把鎖。S 蛋白一旦與 ACE2 結合，宿主細胞表面的其他蛋白質立刻啟動病毒和細胞膜的合并。在這個過程中，TMPRSS2 (一種絲氨酸蛋白酶)可協同內體組織蛋白酶 CatB/L 激活 SARS-CoV-2 入侵細胞。隨著“城門”的打開，病毒基因組一擁而入到宿主細胞內 (Stage 1)。
■ 成功進攻
看過歷史劇的就知道，野蠻的入侵者打入城門之后，第一件事情就是屠害城中百姓。新冠毒株就有這樣的操作：病毒基因組被釋放到宿主細胞質后，會被翻譯成病毒復制酶蛋白，這些蛋白最后被切割成單獨的非結構蛋白質 (NSPs)。NSPs 能迅速抑制宿主細胞信使 RNA 的轉譯，它們會招募其他蛋白來系統地切割所有沒有病毒標簽的細胞 mRNA。
■ 排除異己
Nsp1 阻斷了核糖體的進入通道，使得宿主的 mRNA 無法進一步合成自身蛋白質，最后導致細胞中的整體蛋白質翻譯減少了 70%。此外，一般情況下，被病毒感染的細胞會釋放干擾素等提醒免疫系統。但 SARS-Cov-2 為了防止被感染細胞“告密”，還會阻止細胞 mRNA 脫離細胞核。
■ 修建避風港
除了以上機制，在細胞內部 SARS-CoV-2 將細長的內質網 (ER) 轉化為雙膜囊泡 (DMV)，這些雙膜囊泡可能為病毒 RNA 的復制和翻譯提供了一個安全的場所，使其免受宿主細胞中先天免疫傳感器的影響。
■ 離開前的“埋伏”
離開細胞時，SARS-CoV-2 還會留一招讓自己變得更容易傳播。SARS-CoV-2 的 S1 和 S2 之間有 5 個氨基酸 (其他冠狀病毒中只有一個)，這對病毒入侵肺部細胞至關重要。Furin 蛋白酶可以識別并剪切這段氨基酸，暴露出 S 蛋白上的開放結構域。經過Furin 切割過的 S 蛋白，二次結合 ACE2 的能力會更強，進而更加容易傳播。
這波看下來，這個病毒，從入侵到離開，步步為營，效率之高，速度之快，這起止是毒王，簡直是病毒屆的卷王。
■ 疫苗是否還有用？“加強針”到底是怎么一回事？
我國目前受新冠影響較大的省份，感染病例多為 Delta 毒株，下面內容以針對 Delta 展開。
目前報道的確診病例中，接種過新冠疫苗的不在少數，疫苗的有效性受到高度關注。我國疾控中心研究人員表示：現有的疫苗對新冠德爾塔 (Delta) 變異毒株的效力有所下降，但是仍然有保護作用，下圖 3 為現有疫苗。
圖 3. 現有疫苗類型
此外，關于加強針的“說法”愈演愈烈，什么是加強針？第一種：在現有疫苗基礎上，再次接種，進而穩固免疫效應。第二種：針對德爾塔毒株的其他疫苗的研發。
■ 再來一針老疫苗！
第三針的臨床數據來了 (科興疫苗之加強針)，7 月 25 日，在健康科學預印本論文平臺 Medrxiv 上傳了多家單位聯合開展的關于接種第 3 劑科興新冠疫苗的免疫原性和安全性臨床研究論文，題為 Immunogenicity and safety of a third dose, and immune persistence of CoronaVac vaccine in healthy adults aged 18-59 years: interim results from a double-blind, randomized, placebo-controlled phase 2 clinical trial (未經同行評審)。
研究結果顯示，在接種第 2 劑和第 3 劑 CoronaVac (科興；3 μg) 后的第 28 天，接種者血清中抗體陽性率均高于 90.0%，并且沒有嚴重不良反應。
此外，研究表明，接種 2 針后，雖然中和抗體水平在 6 個月后會顯著下降，但由于兩劑疫苗接種產生了良好的免疫記憶，在接種第三劑后能夠迅速誘導強烈的免疫反應：接種第三劑后 28 天中和抗體滴度比第二劑后 28 天中和抗體滴度增加了 3-5 倍。
■ 針對 COVID-19 的蛋白質亞單位疫苗 (三劑疫苗)
關于蛋白質亞單位疫苗 ZF2001 (COVID-19 的蛋白質亞單位疫苗)，一二期實驗數據已經表明其良好的耐受性和免疫原性 (PMID: 33773111)；三期臨床試驗對于 ZF2001 進一步的有效性的評估正在進行中 (NCT04646590; 25 μg; 三劑量)。同時，今年 7 月 16 號，中科院微生物研究所戴連攀教授在 bioRxiv 上發表最新實驗結果：Neutralization of recombinant RBD-subunit vaccine ZF2001-elicited antisera to SARS-CoV-2 variants including Delta。對 28 例接種者血清樣本的研究顯示，在完整接種三針后，按 0、1、4-6 月接種三劑 ZF2001 疫苗志愿者的血清樣本顯示針對 Delta 變體的中和抗體不會下降。(如圖 5 所示)
圖 5. 接種三劑 ZF2001 疫苗志愿者的血清樣本的中和抗體變化[4]
■ 新進展——單克隆抗體 2B11
除了“加強針”，國藥集團關于德爾塔變異株的研究有了新進展，7 月 27 日，發表在 Cell Discov 的 Screening of potent neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 using convalescent patients-derived phage-display libraries 一文表明，從 COVID-19 恢復期患者體內分離出了十種 nAb。如圖 6a 所示，其中抗體 2B11 對 WT SARS-CoV-2 和 B.1.1.7 變體有很高的靶向性，IC50 值均在納摩爾級別。
2B11-RBD 復合物的晶體結構表明 2B11 的表位與 ACE2 結合位點高度重疊(圖 6b)。同時，在AdV5-hACE2 轉導小鼠模型中，與對照組相比，2B11 使用能顯著降低病毒感染引起的肺部損傷。
圖 6. 2B11對WT SARS-CoV-2 和 B.1.1.7 變體的有效性[5]
a. 2B11抑制WT SARS-CoV-2 和 B.1.1.7 變體的 IC50 值. b. 2B11-RBD晶體結構分析. c. 肺部組織免疫組化
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抗體抑制劑 |
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能夠阻斷 Spike 蛋白與 ACE2 的相互作用，具有抗 SARS-CoV-2 活性。 |
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Anti-SARS-CoV-2 Spike mAb (CR3022) 人源的單克隆抗體 IgG1，可以和 SARS-CoV/SARS-CoV-2 Spike 蛋白 (S1) 結合。 |
| 其他抑制劑 |
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對 SARS-CoV 和 MERS-CoV 的 EC50 值為 74 nM，可用于 2019-nCoV (COVID-19) 研究。 |
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有效抑制 SARS-CoV-2 (COVID-19) 感染 (EC50=1.13 μM)。也可用于瘧疾的研究。 |
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TMPRSS2 的抑制劑，具有抗 SARS-CoV-2 活性。也是一種絲氨酸蛋白酶 (serine protease) 抑制劑。 |
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重組蛋白 |
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HEK293 細胞表達的重組人源 S1 蛋白。 |
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S Protein RBD Protein, His (HEK293-expressed) 在 HEK293 細胞中產生的帶 His 標簽的重組 2019-nCov 的 S 蛋白受體結合區域 (RBD)。 |
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大腸桿菌中表達，N 端帶有一個 His 標簽的 3C-like Proteinase 蛋白。 |
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參考文獻
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1. Peng Zhou, Xing-Lou Yang, Xian-Guang Wang, et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature. 2020 Mar;579(7798):270-273.
2. Andrew G Harrison,Tao Lin, Penghua Wang, et al. Mechanisms of SARS-CoV-2 Transmission and Pathogenesis. Trends Immunol. 2020 Dec;41(12):1100-1115.
3. Hongxing Pan, et al. Immunogenicity and safety of a third dose, and immune persistence of CoronaVac vaccine in healthy adults aged 18-59 years: interim results from a double-blind, randomized, placebo-controlled phase 2 clinical trial. medRxiv and bioRxiv
4. Shilong Yang, Yan Li, Lianpan Dai, et al. Safety and immunogenicity of a recombinant tandem-repeat dimeric RBD-based protein subunit vaccine (ZF2001) against COVID-19 in adults: two randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 1 and 2 trials. Lancet Infect Dis. 2021 Aug;21(8):1107-1119.
5. Yongbing Pan, Jianhui Du, Jia Liu, Hai Wu, et al, Screening of potent neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 using convalescent patients-derived phage-display libraries. Cell Discov. 2021 Jul 27;7(1):57.
