石正丽重磅综述 | 从溯源到治疗,全面综述新冠病毒特征

  • 时间:
  • 浏览:0
  • 来源:上海冰澄公益

    2019年末,一场由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引发的感染性肺炎(COVID-19)在全球开始蔓延。无论是感染者数量还是疫区的空间范围,COVID-19都已压倒性地超过SARS和MERS疫情。新冠肺炎疫情的持续爆发,对全球公共卫生构成严重威胁。


    2020年10月6日,石正丽团队在Nature reviews microbiology杂志发表了一篇名为“Characteristics of SARS-CoV-2 and COVID-19”的综述,文章高度详细概括了COVID-19病原体SARS-Cov-2的病毒学特征,并且比较了SARS-CoV-2与人类已知病毒间的差异;此外,本章总结了目前已知的COVID-19的临床、流行病学和病理学特征,以及目前SARS-CoV-2感染的动物模型和治疗方法研究进展;并且详细讨论了SARS-CoV-2的潜在野生动物宿主和人畜共患来源




    过去十个月COVID-19事件回顾


    在过去的十个月时间中,全世界已有超过3000万的人感染SARS-CoV-2。


    图1 COVID-19发生时间轴


    SARS-CoV-2特征、受体结合与感染机制


    冠状病毒分为四类,即:Alpha-, Beta-, Gamma-,Delta病毒,其中,Beta病毒包括MERS-CoV, SARS-CoV以及COVID-2019的病原体SARS-CoV-2。作为一种新型β冠状病毒,SARS-CoV-2与SARS-CoV有79%的基因组序列相似。六个功能开放阅读框架(ORFs)从5′至3′排列为:复制酶(ORF1a/ORF1b)、Spike(S)、包膜(E)、膜(M)和核衣壳(N)。此外,七个公认的ORFs编码的附件蛋白散布在结构基因之间。


    对整个基因组进行的系统发育分析显示,SARS-CoV-2与在蝙蝠体内发现的SARS-CoV和SARS相关冠状病毒(SARSr-CoVs)一起归在β冠状病毒的亚属Sarbecovirus中。为评估不同SARS-CoV-2毒株的遗传变异,我国国家生物信息中心对全球检测到的SARS-CoV-2基因组序列进行了比对,共鉴定出15018个突变,包括14824个单核苷酸多态性(BIGD)


    SARS-CoV-2的另一个特殊基因组特征是在S蛋白的S1和S2亚基的连接处插入四个氨基酸残基(PRRA),可产生多碱性裂解位点(RRAR),被成对碱性氨基酸蛋白酶(Furin)及其他蛋白酶有效裂解。一项结构研究表明,Furin裂解位点可降低SARS-CoV-2 S蛋白的稳定性,有利于RBD与受体结合。与SARS-CoV相比,SARS-CoV-2的传播能力更高是否与其获得Furin裂解位点相关还有待证实。


    图2 SARS-CoV-2的S蛋白(刺突蛋白)与相关冠状病毒的关键区别


    SARS-CoV-2与SARS-CoV使用相同的受体,即血管紧张素转换酶2(ACE2)。除了人类的ACE2 (hACE2),SARS-CoV-2还能识别来自猪、雪貂、恒河猴、果子狸、穿山甲的ACE2。SARS-CoV-2受体在多物种的广泛存在意味着它可能有广泛的宿主范围,不同动物对ACE2使用效率的差异可能表明它们对SARS-CoV-2感染的敏感性不同。结构和生化分析发现,SARS-CoV-2的S1 - C末端的RBD,在病毒进入中起关键作用,是中和抗体的靶点,RBM介导病毒与ACE2受体的接触。生化数据证实,与SARS-CoV相比,SARS-CoV-2的RBD结构特征增强了其与hACE2的结合。


    研究表明,宿主蛋白酶参与S蛋白的裂解并激活SARS-CoV-2的进入,包括跨膜蛋白酶丝氨酸蛋白酶2 (TMPRSS2)、组织蛋白酶L和Furin。单细胞RNA测序数据显示TMPRSS2在多个组织和身体部位高表达,并与ACE2在鼻上皮细胞、肺和支气管分支共表达,这解释了部分SARS-CoV-2的组织趋向性。对SARS-CoV-2 S蛋白的冷冻电镜结构分析显示,其RBD主要处于裂解状态,SARS-CoV-2 S蛋白的裂解构象可能不利于受体结合,但有助于免疫逃避。


    用于研究SARS-CoV-2感染发病机制的动物模型有非人类灵长类动物(恒河猴、食蟹猴、噬猴和非洲绿猴)、小鼠、雪貂。在非人灵长类动物模型中,大多数物种表现出与COVID-19患者相似的临床特征。动物模型为理解SARS-CoV-2感染的发病机制和SARS-CoV-2的传播动力学提供了重要信息,对评估抗病毒药物和疫苗的疗效也很重要。


    图3 SARS-CoV-2、SARS-CoVs和其他β冠状病毒全长基因组序列系统发育树


    SARS-CoV-2的动物宿主研究


    蝙蝠是β冠状病毒的重要天然宿主,目前已知的与SARS-CoV-2最近的亲属是一种蝙蝠冠状病毒,名为RaTG13,在中国云南省的一种中菊头蝠中检测到,其全长基因组序列与SARS-CoV-2有96.2%相似。另一种最近在云南马来菊头蝠体内采集的相关冠状病毒RmYN02,在整个基因组中与SARS-CoV-2有93.3%的相似性。不同蝙蝠冠状病毒与SARS-CoV-2的高度相关性显示蝙蝠很可能是SARS-CoV-2的宿主。然而,基于目前的发现,SARS-CoV-2与相关蝙蝠冠状病毒之间的差异可能代表超过20年的序列进化,提示这些蝙蝠冠状病毒只能被视为SARS-CoV-2可能的进化前体,而不能被视为SARS-CoV-2的直接来源


    除蝙蝠之外,穿山甲是另一种可能与SARS-CoV-2有关的野生动物宿主。在2017年至2019年从东南亚走私到中国南方的马来亚穿山甲组织中发现了多种SARS-CoV-2相关病毒。不同研究组从广东海关截获的走私穿山甲中分离测序冠状病毒,发现病毒株序列一致性达99.8%。并且它们与SARS-CoV-2序列相似性达92.4%,并且他们的RBD与SARS-CoV-2高度相似,这些病毒RBD的一部分RBM与SARS-CoV-2仅有一个氨基酸差异。


    与健康的蝙蝠携带冠状病毒不同,受冠状病毒感染的穿山甲表现出临床症状和组织病理学变化,包括间质性肺炎和炎症细胞浸润,表明穿山甲不太可能是这些冠状病毒的宿主,可能是病毒在从自然宿主溢出后而被感染,即可能是病毒到人体的中间宿主,但现有的数据也不足以解释穿山甲是SARS-CoV-2的中间宿主。


    此外,也有研究证实猫狗有感染SARS-Cov-2的现象,但目前尚不确定SARS-CoV-2从猫传播给人的可能性


    COVID-19的诊断,临床及流行病学特征


    早期诊断对控制COVID-19的传播至关重要。SARS-CoV-2的核酸检测是金标准。许多针对ORF1b(包括RdRp)、N、E或S基因的病毒核酸检测试剂盒已经商业化,检测时间从几分钟到几小时不等。虽然SARS-CoV-2已从各种呼吸道来源的样本中检测到,包括咽喉拭子、唾液、鼻咽拭子、痰和支气管液,但病毒载量在下呼吸道样本中较高。此外,也有数据显示即使呼吸道样本为阴性,在肠道或血液样本中也发现了病毒核酸。因此,需要采用多种检测方法确认COVID-19的诊断。


    目前的数据显示,所有年龄段的人口都易受SARS-CoV-2感染,感染的平均年龄在50岁左右。一般来说,老年男性(大于60岁)合并其他疾病的患者更容易发展为重症甚至死亡。而大多数年轻人和儿童只有轻度症状或无症状。孕妇患病的风险并不高。然而,有证据表明SARS-CoV-2有从受感染的母亲经胎盘传播给新生儿的风险。


    感染最常见的症状是发烧、疲劳和干咳。大多数人在潜伏期14天内出现症状,并且在发病后8天内出现呼吸困难和肺炎。最常见的影像学(CT)表现是毛玻璃样病变。大多数患者也出现明显的淋巴细胞减少,与SARS和MERS患者的情况相似。与非ICU患者相比,ICU患者血浆细胞因子水平较高,提示存在由细胞因子风暴引起的免疫病理过程


    由于2019年12月在武汉发现的早期SARS-CoV-2患者与华南海鲜批发市场有关,该市场曾一度被认为是疫情爆发的源头。后来,与华南海鲜市场无关病例的陆续出现表明该市场并非病毒传播源头。SARS-CoV-2在中国早期的人际传播大多发生在家庭聚集,而在其他国家,大规模疫情也发生在如屠宰场、肉类加工厂等环境中,在一些国家也报告了医院传播的高风险。


    SARS-CoV-2的高传播率可能归因于SARS-CoV-2独特的病毒学特征。有研究证实COVID-19患者感染开始时咽部病毒脱落的风险非常高。由于病毒在轻度症状或无症状期的高传播率,导致无症状感染占有率很高。此外,空气传播途径也增加了人们感染SARS-CoV-2的风险,这些发现解释了COVID-19在全球迅速传播的原因。




    图4 COVID-19的临床特征


    COVID-19的治疗


    迄今为止,还没有普遍证明有效的COVID-19疗法或抗SARS-CoV-2的抗病毒药物,截至2020年10月2日,约有405种针对COVID-19的治疗药物正在研发,近318种用于人体临床试验


    抑制病毒进入

    SARS-CoV-2以ACE2为受体,人蛋白酶为进入的激活剂,随后将病毒膜与细胞膜融合,实现入侵。因此,干扰侵入的药物可能是COVID-19的潜在治疗方法。阿比朵尔是俄罗斯和中国批准用于治疗流感和其他呼吸道病毒感染的药物,临床数据显示其可能对COVID-19治疗有效。甲磺酸卡莫司他在日本被批准用于治疗胰腺炎和术后反流性食管炎。氯喹和羟基氯喹被用于预防和治疗疟疾和自身免疫性疾病。研究表明,它们在体外可以抑制SARS-CoV-2感染,但临床数据不足,可能会增加死亡风险。2020年6月15日,由于临床试验中观察到的副作用,美国食品和药物管理局(FDA)撤销了氯喹和羟氯喹用于治疗COVID-19的紧急使用许可。另一种可能的治疗策略是通过可溶性重组hACE2,以及靶向SARS-CoV-2 S蛋白的特异性单克隆抗体或融合抑制剂阻断S蛋白与ACE2的结合。这些治疗策略的安全性和有效性还有待在未来的临床试验中评估。


    抑制病毒复制

    复制抑制剂包括瑞德西韦(GS-5734)法匹拉韦 (T-705)利巴韦林洛匹那韦和利托那韦。除了能抑制3CLpro的洛匹那韦和利托那韦外,其他三种药物均以RdRp为靶点。FDA已发布瑞德西韦紧急使用授权,用于治疗住院的重症COVID-19患者。它也是欧洲联盟批准的用于治疗需要补充氧的成人和青少年肺炎的第一种选择。日本研发的抗病毒药物法匹拉韦(T-705)已获中国、俄罗斯和印度批准用于COVID-19的治疗。我国的一项临床研究显示,法匹拉韦显著降低了患者胸部症状,缩短了病毒清除的时间。另外,目前还没有有效证据证实洛匹那韦和利托那韦在治疗COVID-19方面有好的临床表现。


    免疫调节药物

    SARS-CoV-2会引发强烈的免疫反应。因此,抑制过度炎症反应的免疫调节剂可能是COVID-19潜在的辅助治疗方法。最近,有数据表明地塞米松使接受有创机械通气的COVID-19住院患者的死亡率降低了约三分之一,使接受吸氧的患者的死亡率降低了五分之一。但对没有呼吸支持的患者治疗没有明显益处。托珠单抗和sarilumab是两种白细胞介素-6 (IL-6)受体特异性抗体,它们可通过减轻细胞因子风暴来治疗COVID-19重症患者。贝伐珠单抗是一种抗血管内皮生长因子(VEGF)药物,可能减少重症COVID-19患者的肺水肿。依库珠单抗是一种特异性单克隆抗体,目前数据显示它可以降低炎症标志物和C反应蛋白水平,可能成为治疗重症COVID-19的一种选择。有实验表明I型干扰素在COVID-19早期治疗中的潜在有效性。在我国,吸入干扰素-α已被纳入COVID-19的治疗指南。世界各地正在进行临床试验,以评估干扰素单独或与其他药物联合使用的不同疗法的疗效。


    免疫球蛋白治疗

    恢复期血浆治疗是COVID-19的另一种可能的辅助治疗。美国FDA已经为新药物紧急研究申请中COVID-19恢复期血浆的使用提供了指导。然而,血浆治疗可能会引起抗体介导的感染增强、输血相关的急性肺损伤和过敏性输血反应。


    疫苗接种

    疫苗是未来预防和控制COVID-19的长期战略中最有效的方法。许多不同的抗SARS-CoV-2疫苗平台正在开发中,其策略包括重组载体、DNA、脂质纳米颗粒中mRNA、灭活病毒、减毒活病毒和蛋白质亚单元。截至2020年10月2日,已有174种新冠肺炎候选疫苗被报道,51种正在进行人体临床试验


    在武汉对603名成年志愿者进行了由康希诺和中国军事医学科学院研制的表达SARS-CoV-2 S蛋白腺病毒5型载体疫苗的随机双盲II期试验,证实该疫苗是安全的,并且在单次免疫接种后在大多数接种者中诱导了免疫应答。另一种载体疫苗ChAdOx1是由牛津大学以黑猩猩腺病毒为基础研制的。在一项I/II期随机对照试验中,在第二次接种疫苗后,ChAdOx1在所有1077名参与者均诱导抗SARS-CoV-2的中和抗体,同时其安全性也被认可。mRNA-1273,其免疫原性已在一项I期试验中证实。在我国也成功进行了一项涉及320名参与者的I/II期灭活疫苗试验。




    图5 SARS-CoV-2的复制及其潜在治疗靶点


    尽管每周都有大量关于SARS-CoV-2的研究发表,但目前对这种新型冠状病毒的了解只是冰山一角。虽然遗传学证据表明,SARS-CoV-2是一种可能起源于动物的天然病毒,但目前对该病毒首次感染人类的时间和地点还没有结论。


    此外,需要在全球范围内对SARS-CoV-2新病例进行持续的基因组监测。也需要在全世界范围内进行进一步的回顾性调查,涉及到从患者、动物和环境中收集的大量样本。在中国、东南亚和其他地区广泛监测与SARS-CoV-2相关的病毒,以蝙蝠、野生和捕获的穿山甲和其他野生物种为目标,有助于我们更好地了解SARS-CoV-2的人畜共患来源。


    COVID-19已成为本世纪以来对全球健康的最严重威胁。SARS-CoV-2的爆发已经持续了半年多,这种新出现的病毒很有可能与我们长期共存。在等待可以广泛使用的安全疫苗出现之前,保护我们不受SARS-CoV-2感染的最好方法便是个人的预防行为,如保持社会距离和戴口罩,以及采取公共卫生措施,包括积极检测、病例追踪和限制社交聚会。应对这种流行病是一项长期的工作,需要每个人的努力,以及广泛的国际合作。


    参考文献


    Hu, B., Guo, H., Zhou, P. et al. Characteristics of SARS-CoV-2 and COVID-19. Nat Rev Microbiol (2020). https://doi.org/10.1038/s41579-020-00459-7