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奥密克戎（Omicron）作为新冠病毒的新型变异株，2021年11月被世界卫生组织正式命名，在短短一个多月的时间里，就凭借其传播力更强、传播速度更快及传播更加隐蔽的特性，迅速取代德尔塔成为世界主要流行毒株。由于奥密克戎的基因突变数量比德尔塔多1倍以上，综合传染性是德尔塔2倍以上，奥密克戎对现有技术路线的疫苗普遍具有强大的免疫逃逸能力，即使接种加强针或新冠康复人群都难以避免再次感染奥密克戎，因此大大削弱了疫苗接种或新冠康复人群的免疫保护效果(尽管疫苗仍有预防重症、减少死亡等的重要作用)。本期晓平点评专栏，倪晓平教授综合相关文献报道，通过分析Omicron变异株在受体结合方式、进入细胞途径等方面的改变阐述Omicron变异株为什么会进化出快速传播与免疫逃逸。Omicron变异株为什么会进化出快速传播与免疫逃逸？ 2021年初，全球第一个受到关切的变异株（variant of concern，VOC）是Alpha变异株（B.1.1.7），并迅速成为全球流行的主流毒株。几个月后，2021年夏天，Delta变异株（B.1.617.2）出现并替代Alpha株，成为大多数国家流行株。Alpha变异株的传播速度比原始株提高35%～100%，感染者病毒载量较高。随后Delta变异株替代了Alpha，其传播率又高出55%，并具有部分逃脱中和抗体作用的能力。2021年11月南非首次发现 Omicron变异株，并迅速席卷全球，短短10周内感染了约9000万人，超过2020年全年的COVID-19报告病例数，其传播速度比原始株提高10倍。2021年11月24日，Omicron变异株的氨基酸序列首次公布。不到一个月后，《自然》和《细胞》等杂志报道了一系列有关该VOC株的快速传播与免疫逃逸的特征。与原始株相比，Omicron整个基因组共有51个突变，刺突蛋白（spike蛋白，S蛋白）有30多个（其他VOCs只有9～12个）突变点位，包括30个氨基酸替换、3个缺失和1个插入，其中受体结合区域（Receptor binding domain，RBD）有15个前所未有的突变，对病毒的传染性，以及对疫苗和治疗性抗体的保护作用产生重大影响，再感染（re-infection）和疫苗突破（vaccine breakthroughs），甚至影响了病毒的复制能力、发病机制，并迅速在全球范围内蔓延，替代Delta变异株成为当前大流行的主流毒株。综合相关文献报道，Omicron变异株出现以下改变。Omicron 的S蛋白继续使用人类血管紧张素转化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）作为其进入细胞的受体，但相对于其他变异株，与ACE2的结合强度增加了2.5倍，这主要是得益于Omicron 的RBD在表面具有更强的正静电电位，有利于S蛋白插入带负电荷的ACE2中。Omicron S蛋白与ACE2的结合方式也发生了改变。美国北卡罗来纳州Duke人类疫苗研究所结构生物学家Acharya教授领衔的研究团队，采用低温电子显微镜（cryo–electron microscopy）观察发现，Omicron S蛋白的结构完全不同于所有其他的变异株。SARS-CoV-2 S蛋白是由三个相同的片段组成，如同带有关节的手指状触角，这些片段结合在一起成为一个单元，向外延伸就像抓取物品的指尖一样，用来抓取并将病毒固定在ACE2的细胞上（见附图1）。Delta以及其他变异株采用伸出多个手指抓取ACE2。而Omicron却进化出“一指禅”的功能，继续保持可弯曲的触角，如同弹簧一般，只伸出一个手指来抓住ACE2，以确保S蛋白总是指向感染细胞的方向。同时，Omicron隐藏了受抗体会攻击的S蛋白，从而躲避了免疫系统的攻击。这样一来，受到中和抗体（nAbs）攻击的大部分触角被隐藏起来了，而带有正电的“一指禅”又可以更高效、更准确抓住负电特性的ACE2。
附图1. SARS-CoV-2刺突蛋白三个手指状触角。 与SARS-CoV-2的原始株和其他变异株有所不同，Omicron使用了不同的蛋白酶进入细胞。SARS-CoV-2进入细胞都是从抓住ACE2开始的，在经典的进入途径中，跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）剪断了S蛋白，允许病毒与人类细胞融合并立即释放核酸来制造子代病毒。但是Omicron可能会通过细胞膜内的核内体（endosome）走后门进入细胞。通过这条特殊路径，Omicron利用另一种蛋白酶--组织蛋白酶L（cathepsin L）来剪掉S蛋白，将病毒核酸倾倒入细胞内。2022年2月1日《自然》杂志分别报道了两个研究团队的结果，Omicron并没有有效地利用TMPRSS2途径，而是更多地依赖组织蛋白酶L进入细胞。质膜途径（plasma membrane entry route）：SASR-CoV-2 原始株或包括Delta在内的之前变异株主要感染肺上皮细胞，通过质膜途径进入宿主细胞，肺上皮细胞是TMPRSS2高表达的细胞，病毒先与ACE2结合，再与TMPRSS2结合，在S蛋白处进行剪切。接下来，S蛋白锚定在细胞膜上，介导病毒膜与细胞膜的融合。最后，细胞膜上形成一个孔，病毒基因组被释放到细胞中（见图2）。核内体途径（endosomal entry route）：现有研究发现，Omicron变异株主要感染TMPRSS2低表达的上呼吸道上皮细胞，通过核内体途径进入宿主细胞内。病毒首先与ACE2结合，病毒-- ACE2复合体通过内吞作用进入核内体，在核内体中S蛋白被组织蛋白酶L（Cathepsin L）切割，然后病毒和核内体膜融合在一起形成一个孔，并释放基因组进入细胞内（见附图2）。
附图2. SARS-CoV-2质膜途径（左侧）与核内体途径（右侧）示意图 体外实验发现，Omicron不能在2型人类肺泡细胞（alveolar type 2 cells）进行高效复制，却在人原代气道培养系（human primary airway cultures）和原代人鼻上皮细胞中快速复制。实验证明Omicron在许多细胞系中表现出复制能力的减弱。例如，在共同表达人ACE2和TMPRSS2蛋白酶的Vero E6细胞系中，Delta和Omicron病原体都形成了空斑，但Omicron的空斑的数量明显要少得多（见附图3）。
附图3. 不同变异株在Vero-ACE2-TMPRSS2 (VAT)细胞系3d后空斑形成。 但是，荷兰鹿特丹Erasmus医学中心的病毒学家Haagmans并不这样认为，他认为Omicron还是走经典路径进入细胞，但是使用另一种蛋白酶，而不是TMPRSS2蛋白酶。但是这些未知的蛋白酶并不在肺细胞上。Omicron的细胞趋向性和蛋白酶使用情况发生了改变，这可能是其传染性更高，而致病性下降的重要原因。因此，病毒攻击的靶器官发生了改变，由下呼吸道，甚至肺泡细胞，改为上呼吸道，因为那里ACE2--组织蛋白酶L高度表达。上呼吸道同时表达ACE2和TMPRSS2的细胞数量，相对于下呼吸道的比例要少得多，而适合于Omicron进入细胞的核内体通道（endosomal pathway）却无处不在，在鼻腔中ACE2和核内体组织蛋白酶L同时表达的细胞数量，是ACE2--TMPRSS2同时表达的细胞数量的7倍。由此可见，人体的上呼吸道为Omicron感染提供了更多数量的细胞，这使得Omicron能够更多、更容易地感染上呼吸道细胞，导致人群暴露于较低剂量即可实现感染传播的可能性。这也是解释为什么Omicron变异株的传播速度要远胜过Delta株的原因所在（见附图4）。
附图4. SARS-CoV-2变异株进入细胞方式示意图。Omicron可以分别利用TMPRSS2+和TMPRSS2-细胞，但Delta株只能利用TMPRSS2+进入细胞。 随着Omicron在全球范围内的流行，很快就发现这种变异株可以躲避抗体和免疫细胞的攻击，但是未接种疫苗的人群仍然是最有可能被感染的。2022年1月8日，美国CDC的数据显示，在Omicron高峰期，各人群的感染率为：3230.1人感染/10万名未接种疫苗，1467.31人突破性感染（breakthrough infections）/10万接种疫苗，1053.6人的感染/10万加强接种。但是，2021年8月28日Delta流行期间，各人群的感染率则是：699.12人感染/10万未接种疫苗，140.8人感染/10万接种疫苗。疫苗接种人群中，Omicron的突破性感染人数是Delta的10倍。Omicron是如何免疫逃逸？多项研究表明，S蛋白某些原本被抗体锁定的抗原位点被替换、缺失或被隐藏起来了。Omicron如此狡猾可能还有其他原因：首先，该变异株S蛋白具有隐藏功能，保护其在抓住ACE2的同时又不被抗体的攻击。Acharya等发现，Omicron的一个常见的抗体连接位点N-端结构域（N-terminal domain）因突变过多，而不被nAbs识别实现了免疫逃逸。Omicron的另一种逃避策略是，Omicron擅长在细胞间传播，这样一来宿主的免疫系统就不能发挥作用，像以往那样在细胞外捕捉到它。Omicron的细胞间传播能力几乎是早期病毒的5倍。纽约大学的研究人员发现，Omicron RBD的电荷可能会排斥抗体。该团队测试了一些单克隆抗体，这些抗体取自大流行早期COVID-19康复者，这些抗体表面如同Omicron S蛋白，都带有正电荷，导致因力场（force field）作用使抗体无法结合到S蛋白上。全程SARS-CoV-2疫苗接种产生的nAbs可以较好地中和原始株，但是无法有效中和Omicron变异株。现有证据表明，疫苗的加强接种（booster vaccination）可以产生较高保护效价，无论是同源疫苗，还是异源疫苗产生的nAbs均可有效中和Omicron变异株（见附图5）。
附图5. 加强接种可以产生较高的nAbs水平 最近，以色列在Omicron变异株的流行地区，针对未感染的60岁以上老年人群、并在4个月前已经完成第3针疫苗加强接种的人群实施第4针BNT162b2 mRNA加强接种。结果显示，在第4针接种后7d～30d观察期内，与对照组（接种第3针BNT162b2疫苗人群）比较，接种第4针老年人群可以降低感染（45%）、发病（55%）、因新冠住院（68%）、重症（62%）和新冠致死率（74%）。越来越多证据表明，气溶胶传播已经成为SARS-CoV-2传播最重要的感染途径，而Omicron进入人体的靶细胞发生了改变，利用的蛋白酶也不同于经典感染途径，更方便了变异株进入宿主细胞。目前，我国60岁以上人群完成全程接种率为81.9%，完成加强接种率为62%左右，而第4针的加强接种尚未正式推进。根据当前Omicron流行特点，老年人群又是感染Omicron变异株的“脆弱人群”，因此，应该提高60岁以上人群的加强接种率，同时应积极推进第4针疫苗加强接种工作。关于Omicron唯一的好消息是，比Delta变异株所导致的临床症状似乎要轻些。但是，却换来了更令人担忧的事，Omicron S蛋白介导感染途径扩展了对不同种类动物表达ACE2细胞的感染，现已证明SARSCoV-2进化改变其宿主适应性的范围，导致在小鼠、雪貂或水貂中复制增强。最近，美国的研究已经证实，白尾鹿可作为SARSCoV-2的宿主，这突显了病毒未来可能出现人畜共存的问题，从而大大增加根除SARS-CoV-2的难度。这种反向人畜共患病的风险，主要与Omicron进入细胞利用ACE2--组织蛋白酶L有关，这类组织蛋白酶在哺乳类动物、禽类中普遍存在。主要参考文献 1. 倪晓平, 倪凯文, 索继江, 等. SARS-CoV-2 经气溶胶传播的新证据[J]. 中华医院感染学杂志,2022,32(9) .doi:10.11816/cn.ni.2022-220116. 2. Chu H, Yuen KY. Pathogenicity of SARS-CoV-2 Omicron[J]. Clin Transl Med，2022；12(5):e880. doi:10.1002/ctm2.880. 3. Fan Y, Li X, Zhang L, Wan S, Zhang L, Zhou F. SARS-CoV-2 Omicron variant: recent progress and future perspectives[J]. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):141. Published 2022 Apr 28. doi:10.1038/s41392-022-00997-x. 4. Dejnirattisai W, Huo J, Zhou D, et al. SARS-CoV-2 Omicron-B.1.1.529 leads to widespread escape from neutralizing antibody responses[J]. Cell. 2022;185(3):467-484.e15. doi:10.1016/j.cell.2021.12.046. 5. Magen O, Waxman JG, Makov-Assif M, et al. Fourth Dose of BNT162b2 mRNA Covid-19 Vaccine in a Nationwide Setting[J]. N Engl J Med. 2022;386(17):1603-1614. doi:10.1056/NEJMoa2201688. 6. Lamers MM, Mykytyn AZ, Breugem TI，et al. SARS-CoV-2 Omicron efficiently infects human airway, but not alveolar epithelium[J]. BioRxiv. doi: https:///10.1101/2022.01.19.476898. 7. Peacock TP, Brown JC, Zhou J, et al. The SARS-CoV-2 variant, Omicron, shows rapid replication in human primary nasal epithelial cultures and efficiently uses the endosomal route of entry[J]. BioRxiv. doi: https:///10.1101/2021.12.31.474653. 
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