病毒学家 Sissy Sonnleitner 追踪了奥地利崎岖的东蒂罗尔地区几乎每一例 COVID-19 病例。因此，当那里的一名妇女持续数月检测呈阳性时，Sonnleitner 决心弄清楚发生了什么。
在 2020 年底感染 SARS-CoV-2 之前，这位 60 多岁的妇女一直在服用免疫抑制药物来治疗淋巴瘤复发。COVID-19 感染持续了七个多月，引起了相对轻微的症状，包括疲劳和咳嗽。
Sonnleitner 在奥地利 Außervillgraten 的一家微生物学机构工作，她和她的同事随着时间的推移从这位妇女身上采集了 20 多个病毒样本，并通过基因测序发现该病毒已积累了约 22 个突变（见“追踪刺突蛋白的演变”）。其中大约一半会在数月后在全球范围内激增的高度突变的 SARS-CoV-2 奥密克戎变异株中再次出现。“当发现奥密克戎时，我们感到非常惊讶，”Sonnleitner 说。“我们的变异株中已经存在这些突变。”
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致谢：Ewen Callaway 在《自然》杂志第 606 卷（2022 年 6 月）发表的“长达数月的 COVID 感染可能如何播下危险的新变异株的种子”
奥密克戎并非源于这位妇女的感染，她的感染似乎也没有传播给任何人。尽管尚未确定与个别病例的明确联系，但像她这样的慢性感染是导致奥密克戎和其他推动全球 COVID-19 激增的变异株起源的主要候选因素。“我认为，任何人都不应该怀疑这些是新变异株的来源，”英国剑桥大学病毒学家 Ravindra Gupta 说。
研究人员希望了解病毒如何进化出更容易在人与人之间传播、逃避免疫反应或变得更严重或更轻的能力。其中一些或全部特性可能在慢性感染过程中形成。“我们不太了解在个体中会进化出什么——以及什么不会，”南非德班非洲健康研究所病毒学家 Alex Sigal 说。
这种知识不太可能有助于预测下一种致命毒株，甚至追踪奥密克戎等变异株的起源。不过，病毒学家希望，通过提高他们对病毒进化的理解，他们将能够预测未来变异株可能是什么样子，并可能找到更好的方法来治疗慢性感染。“鉴于我们不希望出现另一种我们无法控制的变异株，这是一个非常重要的问题，”Sigal 说。
致命的竞争
自 2019 年底以来，科学家们已经对从人类身上采集的超过 1100 万个 SARS-CoV-2 样本进行了基因组测序。这些努力绘制了一棵进化树，其广度令人瞩目，显示了病毒在全球蔓延过程中如何发生变化，平均每月仅获得几个稳定的突变，因为它从一个人传播到另一个人。
“但这只是进化故事的一部分，”加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的进化生物学家 Sarah Otto 说。每个人的感染都是一个独立的宇宙，当感染从细胞传播到细胞时，新的突变就会产生。大多数这些变化对病毒来说无关紧要，许多变化会对病毒造成损害。但有些变化可能会使病毒在感染者的体内相对于其他版本的病毒略有优势，增强其传播能力或提供对免疫防御的某些抵抗力。这两个特性——传染性和免疫逃逸——是 SARS-CoV-2 自 2019 年首次出现以来进化的主要方式。
在急性 SARS-CoV-2 感染中，通常持续一两周，然后被免疫系统清除，具有有利突变的病毒版本几乎没有时间战胜那些缺乏有利突变的病毒。因此，具有这种优势的病毒传播给另一个个体的几率很小。研究表明，只需要少量病毒颗粒——甚至可能只有一个——就可以引发新的感染。“在某人走过并吸入时，你打喷嚏喷出的气溶胶液滴中恰好有哪些病毒，这很大程度上取决于运气，”华盛顿州西雅图弗雷德·哈钦森癌症中心进化生物学家 Jesse Bloom 说。“因此，患者体内产生的大多数有益突变都会丢失，然后进化必须重新开始。”
这种“传播瓶颈”是 SARS-CoV-2 全球平均每月获得约两个突变的原因。但在持续数周至数月的慢性感染中，具有有利突变的病毒有时间战胜其他病毒。
与急性病例相比，这些长期感染也为更多病毒多样性的发展提供了时间。英国爱丁堡大学进化生物学家 Andrew Rambaut 说，通过一种称为重组的过程，可以将 SARS-CoV-2 颗粒的基因组混合在一起，在身体某个部位（如上呼吸道）有益的突变可能会出现在具有其他有用特性的病毒中。“如果结果是更适应的病毒，它可能会突然爆发。”
Otto 说，由于慢性感染，在全球范围内，“这种病毒不仅有机会朝一个方向进化，而且还可能在数月内朝着数千甚至数万个方向进化”。
靶向刺突蛋白
没有两个慢性感染是相同的。但在数十份病例报告中，研究人员已经开始识别长期感染的常见特征。Otto 说，最引人注目的特征之一是病毒刺突蛋白中积累的大量氨基酸变化，这有助于病毒感染细胞，并且是人体免疫反应的主要靶标。
许多这些突变都映射到刺突蛋白中抗体靶向的区域，例如其受体结合域 (RBD) 和 N 端域，它们参与识别和感染宿主细胞。南非开普敦大学进化病毒学家 Darren Martin 说，这很有道理。如果一个人的免疫系统未能完全清除感染，那么幸存的病毒很可能带有帮助它们在攻击中幸存下来的免疫逃逸突变。一项尚未经过同行评审的研究发现，慢性感染中最常见的突变是刺突蛋白 RBD 中称为 E484 的位置。该位点的变化可以阻止一些有效的感染阻断抗体附着到病毒上。
一些突变单独作用效果不佳。去年，Gupta 和他的团队描述了一名 70 多岁免疫系统受损的男性持续 102 天的感染，该男性最终死于感染。在医生用恢复期血浆（从 COVID-19 康复者捐献的血液中含有抗体的部分）治疗他后，Gupta 的团队发现，带有一对刺突蛋白突变的病毒在该男子的气道中大量繁殖。
这些是在长达七个月的感染期间在 SARS-CoV-2 刺突蛋白中积累的突变。致谢：Nik Spencer/《自然》杂志插图
其中一个突变称为 D796H，赋予了病毒对抗体的抵抗力——但这种益处是以病毒为代价的。当研究人员设计了一种非复制型“假型病毒”来携带 D796H 突变，并测量其在实验室中感染细胞的能力时，他们发现这种突变本身就使假型病毒的传染性显著降低。但是，当假型病毒还包含在同一人身上发现的第二个突变（位点 69 和 70 的两个氨基酸缺失）时，传染性几乎完全恢复。Gupta 说，这种补偿性突变有更多的时间在慢性感染中出现，使病毒能够实现进化飞跃。“当病毒在宿主之间快速跳跃时，它们很难做到这一点。”
在某些情况下，突变只有在事后看来才有意义。2020 年末，马萨诸塞州波士顿布莱根妇女医院的医生科学家 Jonathan Li 和他的同事发布了第一份关于慢性 SARS-CoV-2 感染的详细报告：一名患有罕见自身免疫性疾病的 45 岁男性最终死亡的病例。该病毒产生了与抗体耐药性相关的突变，包括 E484K，以及另一种称为 N501Y 的刺突突变，实验室研究表明，该突变可以提高病毒与宿主细胞受体结合的能力，从而可能提高传染性。
当 N501Y 变化在后来被命名为 Alpha、Beta 和 Gamma 关注变异株 (VOC) 的三个快速增长的谱系中检测到时，其重要性变得显而易见。奥密克戎也带有这种突变，以及在该男子的感染中发现的其他几个突变。“他真的是未来趋势的先兆，”Li 说。
寻找变异株起源
Alpha 于 2020 年底在英国被发现，是第一个被怀疑从慢性感染中出现的 SARS-CoV-2 变异株。但 Rambaut 说，这不是唯一的可能解释。该变异株可能出现在一个地区——可能在英国境外——该地区几乎没有能力对 SARS-CoV-2 进行基因组监测。或者，Alpha 可能是在动物宿主中进化的（该变异株的 N501Y 突变使其能够感染小鼠、大鼠和水貂）。
然而，一次偶然的发现表明，慢性感染是 Alpha 最可能的来源。Rambaut 和爱丁堡大学的进化生物学家 Verity Hill 在 3 月份的一份预印本中报告说，在英国测序数据中发现了一个 Alpha 的中间版本。该序列是从 2020 年 7 月在英格兰东南部的一人身上采集的，比 Alpha 首次在同一地区检测到早两个月。
该病毒已经获得了 N501Y 突变，以及 Alpha 的其他几个标志，但它缺少全套变化。“它正在积累这些突变。它可能不太擅长传播，”Hill 说。她认为，只有在 Alpha 中间体获得更多突变后，它才具有爆发的能力。
在奥密克戎中也看到了突变的组合。该变异株——包括几个具有许多重叠突变的亚谱系——充满了与免疫逃逸和传染性相关的基因变化，这些变化之前已经被发现。但 Martin 注意到的是，引发大多数国家奥密克戎浪潮的 BA.1 亚变异株拥有一组 13 个刺突突变，科学家们很少单独看到这些突变，更不用说全部集中在一个病毒中。
Martin 和他的同事假设，在这组独特的突变中，有一些突变有助于抵消与加速奥密克戎传播的突变相关的进化成本。“在我看来，这些权衡需要很长时间才能解决，并且需要慢性感染，”Martin 说。他补充说，这些可能发生在人类或动物身上。
奥密克戎的另一个特征——疾病严重程度降低——也可能是慢性感染的产物。实验室研究表明，奥密克戎相对温和可能是因为它倾向于感染上呼吸道细胞，而不是肺部细胞。该变异株可能从一种擅长感染上呼吸道和下呼吸道的毒株进化而来。Gupta 怀疑奥密克戎的这种转变可能取决于病毒在一个人体内停留数月时发生的协调进化。但他补充说，尚不清楚推动这种转变的进化力量是什么。
密切关注
慢性感染可能是解释奥密克戎和 Alpha 等变异株如何进化的最佳解释。但大多数变异株的定义特征之一——它们在人与人之间像野火一样蔓延的能力——如何在个体中进化出来尚不清楚。“这是一个真正的谜，”Bloom 说。“当某些东西不受选择时，你通常会失去它。在慢性感染期间，不再存在对传播性的选择。”
一种可能的解释是，帮助 SARS-CoV-2 感染一个人的气道、肺部和其他器官的相同分子机制对于使病毒传播给他人也很重要。“当它在你体内时和当它从一个人传播到另一个人时，所需的传播动力学是相同的，”Martin 说。
但是，仅仅保留传播能力的病毒与像奥密克戎或 Alpha 这样会导致全球病例激增的病毒之间存在差异。Rambaut 说，传播性的大幅提高或感染以前免疫人群的能力可能是区分危险 VOC 的因素。“并非所有慢性感染都会产生 VOC。这将是百万分之一。”
隔离长期感染者可能不会抑制新的关注变异株。致谢：Ina Fassbender/法新社/盖蒂图片社
这意味着监测不太可能在其出现时检测到变异株。在 5 月份的一份预印本中，研究人员发现了一种奥密克戎毒株，该毒株在免疫功能低下个体的慢性感染期间获得了其他刺突突变，并表明它已传播到同一家医院的几个人以及当地社区。但这种感染的更广泛传播似乎极其罕见。2 月份一份记录了 27 名慢性感染者的预印本报告称，没有证据表明任何人都将病毒传播给了其他人。以色列特拉维夫大学进化病毒学家 Adi Stern 领导了这项研究，他说，如果 VOC 如此罕见地从慢性感染中出现，那么如果不降低全球范围内的总体感染率，将很难预防它们。
然而，迫切需要了解导致慢性感染的病毒因素。“我们需要超越病例报告，了解病毒在这段时间内实际进化了什么，”Sigal 说。
Sigal 和他的团队正在追踪患有晚期 HIV 的人，他们的免疫系统可能严重受损，以识别与慢性 SARS-CoV-2 感染相关的因素。HIV 感染称为 CD4+ T 细胞的免疫细胞，这些细胞也支持产生对抗 SARS-CoV-2 等病毒的抗体。在未发表的研究中，Sigal 和他的同事发现，低水平的 CD4+ T 细胞与慢性 SARS-CoV-2 感染的风险相关，并且许多病例是轻微的，几乎没有或没有呼吸道症状。
Otto 说，根据全球近 4000 万 HIV 感染者的庞大数量，以及大多数人可能已经感染了 SARS-CoV-2 的可能性，持久性感染的一些病例似乎很可能正在导致新变异株的出现。“从奥卡姆剃刀原理来看，我们知道这应该是一个来源。”
免疫系统受损的人并非变异株的唯一潜在来源。研究人员已经记录了健康免疫系统的人持续数周的 SARS-CoV-2 感染。Martin 说，从自然选择的角度来看，即使是相对较短的三周感染也为病毒进化提供了比持续一周的急性感染呈指数级增长的机会。
Hill 说，与免疫反应受损的个体相比，免疫系统相对健康的人也可能为病毒提供更大的选择压力。但是，如何识别容易发生这种感染的人或他们的症状可能是什么样子仍然是一个悬而未决的问题。“我怀疑它们比我们意识到的要常见得多，”Hill 说。
去年，巴西里约热内卢 Oswaldo Cruz 研究所的病毒学家 Gonzalo Bello 和他的同事在巴西 Amazonas 州发现了几种正在传播的 SARS-CoV-2 毒株。这些毒株携带了在 Gamma 变异株中发现的一些突变（但并非全部），Gamma 变异株推动了该地区 2021 年的第二波猛烈疫情。但每个类似 Gamma 的毒株也都有自己独特的突变：Bello 说，这证明 Gamma 可能不是从单一慢性感染进化而来，而是从涉及相对健康人群的中等长度感染的传播链进化而来。
Bello 认为，这种传播链可能促成了奥密克戎谱系的多样性。“也许这些个体是 VOC 起源的某些步骤发生的地方，”他说。Hill 补充说，如果健康人群的慢性感染是 VOC 的一个可能来源，那么提高全球疫苗接种率可能有助于预防新的 VOC 出现。“当你遇到这些大规模不受控制的感染浪潮时，你就是在为下一次浪潮播下种子。”
在慢性感染期间服用的抗病毒药物和其他治疗方法也可能在病毒进化中发挥作用。科学家正在关注的一个特征是对 Paxlovid（奈玛特韦/利托那韦）和莫努匹韦等 COVID-19 药物的耐药性。（在慢性感染中已经记录了对抗病毒药物瑞德西韦的耐药性。）这些药物影响高度保守的病毒蛋白——药物耐药性的屏障很高——但表征慢性感染的进化飞跃可能会为病毒争取时间来找到绕过该屏障的方法，Gupta 说。
在未发表的实验室实验中，纽约市哥伦比亚大学病毒学家 David Ho 领导的一个团队发现，SARS-CoV-2 可以通过多种途径产生 Paxlovid 耐药性。有些途径涉及获得补偿性突变，使病毒能够克服 Paxlovid 耐药性的成本，从而至少在实验室中茁壮成长。Ho 说，这些突变不太可能是 Paxlovid 治疗后 SARS-CoV-2 症状复发的传闻报告背后的原因（Ho 自己也经历过这种反弹）。但是，如果正常情况下服用五天的疗程延长以治疗慢性感染，则很可能会出现耐药性。
迫切需要确定慢性感染的有效治疗方法——特别是对于免疫系统受损的人，他们通常对疫苗没有强烈的反应。大多数已批准的单克隆抗体药物对奥密克戎及其分支无效，研究人员在一份预印本中表明，当使用这些疗法治疗慢性感染时，可能会出现对这些疗法的耐药性。
约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院的微生物学家 Arturo Casadevall 说，恢复期血浆应该比单克隆抗体疗法创造更高的进化屏障。含有高水平多样化抗体的血浆已被证明可有效治疗 COVID-19，一些医生现在正在将其用于免疫系统受损的人。
Sigal 指出，靶向 HIV 的抗逆转录病毒药物也可以帮助 HIV 感染者清除慢性 SARS-CoV-2 感染，但坚持用药可能是一个挑战。
去年 10 月，英国临床医生报告了一个病例，其中一名患者在接种 COVID-19 疫苗后清除了慢性感染。对于 Sonnleitner 和她的同事研究的奥地利妇女，她在接种疫苗后也结束了为期七个月的感染。但不可能知道疫苗是否帮助她康复。
然而，对于慢性感染者来说，这种结果很少见；许多报告都以死亡告终。Stern 说：“这些真的是令人心碎的病例。”随着世界许多地区试图摆脱疫情，一些健康人对“轻微”奥密克戎感染耸耸肩，Stern 说我们必须做更多的事情来保护那些最容易感染慢性 SARS-CoV-2 的人。“这对他们来说是危险的——对我们整个社会来说也是危险的。”
本文经许可转载，并于 2022 年 6 月 15 日首次发表。