SARS-CoV-2与COVID-19的研究进展

更新时间:2021年06月24日阅读量:442下载量:125下载手机版

作者: 陈楠 1, 2 陶志敏 1, 2

作者单位: 1. 江苏大学医学院(江苏镇江 212013) 2. 江苏省检验医学重点实验室(江苏镇江 212013)

关键词: 新型冠状病毒 新型冠状病毒肺炎 基因组 生命周期 治疗 预防

DOI:10.12173/j.issn.1004-5511.202012022

引用格式:陈楠, 陶志敏. SARS-CoV-2 与COVID-19 的研究进展[J]. 医学新知, 2021, 31(3): 215-223. DOI: 10.12173/j.issn.1004-5511.202012022.

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摘要|Abstract

COVID-19的流行对全球公众健康构成了重大威胁。本文通过对SARS-CoV-2的基因组结构和生命周期,以及该病毒引起的COVID-19在流行病学、发病机制、诊断、治疗和预防等方面进行系统性阐述和探讨,旨在为SARS-CoV-2及COVID-19的后续研究提供线索。

全文|Full-text

冠状病毒在系统分类上属于套式病毒目(nidovirales)冠状病毒科(coronaviridae)冠状病毒属(coronavirus)[1]。不同类型的冠状病毒在导致疾病的严重程度和传播范围上存在明显差异。现已发现可以感染人类的冠状病毒7种,其中以HCoV-229E、HCoV-OC43、HCoV-NL63和HCoV-HKU1常见,可导致免疫功能正常的宿主产生普通感冒的症状[2-3],其余3种包括SARS-CoV[4]、MERS-CoV[5]及2019年新出现的SARS-CoV-2,可引起致命的呼吸道疾病[6]。SARS-CoV-2属于β冠状病毒,有包膜,颗粒呈圆形或椭圆形,常为多形性,直径60~140 nm,基因组为不分节段的单股正链RNA即ss(+)RNA[7]。COVID-19是一种传染性较强的急性呼吸系统疾病,在世界范围内快速传播,对全球公共卫生安全造成巨大威胁[8],本文旨在从SARS-CoV-2的基因组结构和生命周期,以及其所引起的COVID-19的流行病学、发病机制、诊断、治疗和预防等方面进行综述。

1 基因组结构

Lu等对COVID-19患者(常见呼吸系统病原体阴性)的肺泡灌洗液进行二代测序获得SARS-CoV-2基因组序列,比对分析发现SARS-CoV-2基因组与2018年在中国舟山采集的两种蝙蝠SARS样冠状病毒(bat-SL-CoVZC45和bat-SL-CoVZXC21)基因组同源性高达88%,与SARS-CoV和MERS-CoV基因组的同源性分别为79%和50%[9]。作为一种新型的β冠状病毒,SARS-CoV-2与其他β冠状病毒基因组构成一致,基因组全长约30 kb,包含5’和3’非翻译区(UTR)、6个功能性开放阅读框(ORFs)以及8 个散在分布于结构基因之间的非结构ORFs(图1),各基因功能见表1[10]。6 个功能性开放阅读框基因顺序为(5’→3’)复制酶(ORF1a/ORF1b)、刺突蛋白(spike,S)、包膜糖蛋白(envelope,E)、膜糖蛋白(membrane,M)、核衣壳蛋白(nucleocapsid,N)。SARS-CoV-2与SARS-CoV结构蛋白E、M和N的氨基酸同源性高达90%以上,而S蛋白的同源性较低。另外,SARS-CoV-2大部分非结构蛋白与SARS-CoV的氨基酸同源性达85%以上[11]。

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图1  SARS-CoV-2基因组结构
Figure 1. Genomic structure of SARS-CoV-2

表1  SARS-CoV-2基因功能
Table 1. Gene function of SARS-CoV-2

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2 生命周期

SARS-CoV-2的生命周期始于S蛋白与病毒受体ACE2的结合,随后S蛋白构象发生变化,促进病毒包膜蛋白与细胞膜的融合并通过内吞途径进入细胞内[12-14]。进入细胞后,病毒脱壳释放基因组ss(+)RNA到宿主细胞的细胞质,ss(+)RNA可直接作为信使RNA(messenger RNA,mRNA)利用宿主细胞的核糖体翻译产生病毒复制酶多聚蛋白,包括蛋白酶3CLpro和PLpro及RNA依赖的RNA聚合酶(RdRp)[15]。其中,RdRp负责合成全长的单负链RNA即ss(-)RNA,并以此为模板合成更多的ss(+)RNA作为新合成病毒的遗传物质[16]。同时,RdRp通过不连续转录机制产生一系列亚基因组(sub-genomic,sg)mRNA,并翻译成一系列病毒蛋白[17-18]。病毒蛋白和ss(+)RNA随后通过内质网-高尔基体中间隔室(ER-Golgi intermediate compartment,ERGIC)装配生成新的冠状病毒颗粒并分泌至细胞外[19],最终完成其生命周期(图2)。

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图2  SARS-CoV-2生命周期示意图
Figure 2. The life cycle of SARS-CoV-2

3 发病机制

SARS-CoV-2进入机体后,通过S蛋白与呼吸道上皮细胞的ACE2受体结合,开始大量复制并向下呼吸道迁移感染进入肺泡细胞。SARS-CoV-2快速持续复制导致肺泡细胞死亡可引起强烈的免疫反应[20-21]。当Ⅱ型肺泡细胞死亡时释放特异性炎症介质,刺激免疫细胞激活,免疫细胞分泌大量白细胞介素1(IL-1)、白细胞介素6(IL-6)和肿瘤坏死因子(TNF-α)等促炎因子,导致细胞因子风暴或细胞因子释放综合征[22-24],细胞因子与补体和凝血系统相互作用,诱发弥散性血管内凝血(disseminated intravascular coagulation,DIC)、急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)或多脏器衰竭(mul-tiple organ failure,MOF),是COVID-19患者死亡的主要原因[25-27]。为减轻细胞因子风暴,有研究提出使用IL-6受体拮抗剂治疗患者[28],但最新研究发现COVID-19患者外周血IL-6浓度显著低于CAR-T细胞因子风暴综合征和ARDS患者的IL-6浓度,研究质疑了SARS-CoV-2感染导致的IL-6上升引发的病理生理反应和器官损伤[29],一定程度挑战了抗IL-6治疗能逆转COVID-19疾病进展的观点。此外,细胞因子还会趋化中性粒细胞进入病毒感染部位,中性粒细胞通过分泌活性氧和蛋白酶杀死病毒,这两种物质同时也会破坏负责气体交换的肺泡细胞,引起肺实变,进一步加重肺损伤[30-31]。在中枢神经系统水平,IL-1、IL-6和TNF-α等细胞因子到达下丘脑,使体温升高并引起发热症状[32]。若出现严重的全身炎症反应综合征(SIRS),则会导致败血症性休克[33]。

导致人类SARS-CoV-2发病的临床特征包括炎症和血栓形成,但这些过程背后的具体机制尚不清楚。为了找到SARS-CoV-2致病的关键分子通路,Aid等通过SARS-CoV-2感染恒河猴动物模型并对其肺泡灌洗液和外周血进行转录组学分析,同时对血清进行蛋白组学分析后发现,SARS-CoV-2感染后肺部巨噬细胞浸润,补体和血小板广泛激活,炎症相关细胞因子和干扰素基因ISG上调,以及血管内皮损伤和血栓形成。IFN-α作为促炎性细胞因子,在活化巨噬细胞和补体活化触发内皮损伤和血栓形成中起着关键作用,炎症途径和血栓形成途径的相互作用会加剧SARS-CoV-2所导致的血管损伤[34]。Zhang等对659例重症和534例轻症或无症状COVID-19患者的血样本进行全基因组测序或全外显子组测序,检测是否存在控制I型干扰素信号的TLR3和IRF7相关基因缺失,结果发现3.5%重症COVID-19患者有先天性免疫问题,而先天I型干扰素相关基因缺陷可能导致SARS-CoV-2感染者发展成为重症COVID-19患者[35]。该团队还发现约10%的重症COVID-19患者体内存在针对I型IFN的自身中和性抗体,强调I型IFN在针对SARS-CoV-2的保护性免疫中的关键作用[36]。此外,Banerjee等研究发现,SARS-CoV-2的NSP16与宿主细胞mRNA的U1和U2 snRNA识别域结合,抑制mRNA的剪切;NSP1与核糖体RNA 18S亚基结合,阻断宿主mRNA进入核糖体进行蛋白质翻译;NSP8和NSP9可与宿主7SL RNA信号识别颗粒结合,从而干扰宿主蛋白转运至细胞膜。这些病毒蛋白对宿主细胞干扰使宿主不能合成干扰素,阻断宿主细胞对病毒的抑制作用[37]。因此,研究SARS-CoV-2致病的关键分子通路及其拮抗宿主免疫防御的机制可为SARS-CoV-2感染的治疗提供靶点。

4 流行病学

SARS-CoV-2的传播途径主要包括飞沫传播、接触传播和气溶胶传播三种途径[38],粪-口途径传播尚待进一步明确[39]。与之前认为的飞沫传播是主要方式不同,Prather等研究指出,气溶胶传播可能是SARS-CoV-2传播的主要传播方式[40],因此预防策略除社交疏离外更应强调佩戴口罩和保持室内通风的重要性。基于流行病学调查研究,SARS-CoV-2潜伏期为2~14天,中位潜伏时间为5.7天[41],因此一般隔离时间为14天。潜伏期的长短与个人体质、饮食作息、周围环境等有一定关系。感染者在潜伏期虽无明显症状甚至无症状但仍具有传染性,是疫情防控的潜在危险因素[45]。流行病学调查显示,人群对SARS-CoV-2普遍易感,其中68岁以上老年人以及有基础疾病者感染后病情较重[46-47],严重者可导致死亡,故此类人群应进行重点防护。SARS-CoV-2等冠状病毒,可在空气中存活3小时,在塑料和不锈钢等物体表面存活长达2~3天,均对热敏感,56℃ 30分钟、乙醚、75%乙醇(酒精)、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒[42]。目前至少有60个国家发现变异新冠病毒株,其中最常见的D614G突变,使SARS-CoV-2的感染能力提升,但除了传播性和感染性增加外,研究人员发现与野生型SARS-CoV-2相比,D614G毒株并未显著增加实验动物的病情,而且突变也未影响到体外的中和效果[43-44]。

5 诊断、预后与转归

早期诊断是控制SARS-CoV-2传播的关键环节。COVID-19的实验室诊断主要包括核酸检测、血清学检测、病毒培养和基因测序等,其中核酸检测是诊断的金标准。每种检测方法各有优缺点,除实验室检测方法外还需结合流行病学史、临床症状及肺部影像学进行综合判断[48-49]。

除高龄、高D-二聚体水平、入院SOFA高评分外,淋巴细胞降低、IL-6过度升高以及铁蛋白过度升高等,这些特征均可帮助临床医生预判COVID-19患者是否有不良预后[50]。COVID-19存活病人的中位排毒时间是20天,但观察到的最短病毒排毒时间是8天,最长则是37天[50]。病毒的复制和排毒时间与病人的预后直接相关,要想改善病人预后,必须采取及时有效的抗病毒治疗措施。其中,抗病毒药物和免疫调节剂联合治疗是改善COVID-19重症患者结局的重要策略。在感染COVID-19后的6个月,部分COVID-19存活者会表现出疲劳或肌无力、睡眠困难、焦虑或抑郁等症状。住院期间病情较重的患者肺弥散功能受损较重,胸部影像学表现异常,是长期康复干预的主要目标人群[51]。

6 治疗与预防

目前尚无针对COVID-19的特异性治疗或SARS-CoV-2的特效抗病毒药物[52]。临床采用非特异支持性护理以预防或减轻并发症。

6.1 药物

截至2020年11月24日,全球共有319种COVID-19治疗药物,其中205种正在进行临床试验,这些药物大致可分为核苷酸类似物或病毒基因组复制的关键酶抑制剂。其中,瑞德西韦是一种核苷类似物,最初用于治疗埃博拉病毒,其结构类似于腺苷,可掺入病毒的新生RNA中,抑制病毒RNA依赖的RNA聚合酶,导致病毒基因组复制提前终止,进而抑制病毒复制。美国第一例COVID-19患者在住院第7天使用瑞德西韦,无明显不良反应,在第8天病情即出现好转[53]。瑞德西韦目前正在不同国家进行多个临床试验。2020年10月8日,美国Gilead公司汇总了瑞德西韦治疗COVID-19的最新临床试验结果并做最终报告[54]。该研究为随机双盲安慰剂对照试验,共招募1 062名COVID-19住院患者,结果显示接受瑞德西韦治疗的患者中位康复时间为10天,死亡率为11.4%(第29天),接受安慰剂治疗的患者中位康复时间为15天,死亡率为15.2%(第29天)。该研究结论为因COVID-19住院并确诊下呼吸道感染的成年患者中,在缩短恢复时间方面,瑞德西韦优于安慰剂,未谈及其对患者死亡率的影响。此外,还有许多其他药物正在研发和进行临床试验中,如核苷类似物法维拉韦、病毒蛋白酶抑制剂洛匹那韦和伊佛霉素、病毒融合抑制剂羟氯喹和盐酸阿比多尔等[55]。但英国RECOVERY研究组最新的临床研究结果发现,羟氯喹对COVID-19的治疗无任何益处[56]。值得一提的是,糖皮质激素可能降低COVID-19患者的死亡率和机械通气[57]。世界卫生组织公布的最新大型临床试验结果显示,瑞德西韦、羟氯喹、洛匹那韦/利托那韦和干扰素对COVID-19患者几乎没有作用。而且大多数干预措施的有效性是不确定的,因为迄今为止大多数随机对照试验的规模都较小,并有一定的研究局限性。因此,针对COVID-19的特异性治疗或SARS-CoV-2的特效抗病毒药物的研发依然任重道远。

6.2 中和抗体

中和抗体是指具有抗病毒活性的抗体,可识别病毒表面蛋白,阻断病毒与细胞表面的特异性受体结合。目前已筛选出多种对SARS-CoV-2有中和活性的抗体,如S309[58]、47D11[59]、P2C-1F11[60]、BD-368-2[61]和CB6[62]等。而中和抗体鸡尾酒疗法疗效更好。2020年9月29日,Regeneron 药剂公司公布了其中和抗体鸡尾酒疗法REGN-COV2的I/II/III期临床试验结果。来自275例SARS-CoV-2感染者的研究结果显示,该疗法能够迅速降低患者的病毒载量并缓解相关症状,且对自身没有产生有效免疫反应的患者效果更加明显[63]。中和抗体鸡尾酒疗法是天然免疫反应的一种替代治疗选择,除SARS-CoV-2外,在人类免疫缺陷病毒、埃博拉病毒等的治疗中都发挥了巨大的作用。

6.3 疫苗

截至2021年1月21日,全球共有241种SARS-CoV-2疫苗正在研发中,其中45种正在进行临床试验,10种处于临床Ⅲ期或已被批准上市。这些疫苗包括灭活疫苗、减毒活疫苗、亚单位疫苗、DNA疫苗和mRNA疫苗等。部分欧美国家已批准紧急使用的COVID-19疫苗包括德国BioNTech生物技术公司与美国辉瑞医药公司联合研发的mRNA疫苗BNT162B2[64]、美国Moderna公司的mRNA-1273[65]以及英国牛津大学和阿斯利康公司联合研发的重组腺病毒ChAdOx1-S疫苗[66]。其中两款mRNA 疫苗在Ⅲ期临床试验中达到了主要疗效的终点要求,保护效力分别为 94.1%和 95.0%,并且对不同年龄、性别和种族人群的效力基本一致[64-65]。但目前也有关于mRNA疫苗在注射后出现过敏反应或其他副作用的报告[67]。而腺病毒载体疫苗ChAdOx1-S的Ⅲ期试验展示了这种新型疫苗具有良好的安全性记录和疗效。当进行疫苗第二剂接种后14天,总体的疫苗疗效能够达到70.4%[66]。我国目前进入Ⅲ期临床试验的COVID-19疫苗有 5 个,包括灭活疫苗 3 个,腺病毒载体疫苗 1 个和蛋白亚单位疫苗 1 个。这些SARS-CoV-2的候选疫苗均具有良好的耐受性,无严重不良反应,并可有效诱导CD4+和CD8+ T细胞应答及中和抗体的产生[68-70]。SARS-CoV-2疫苗的成功研发将构筑人群健康免疫屏障,有效控制和预防COVID-19的传播和流行。

7 结语

COVID-19是21世纪以来第三种高致病性人类冠状病毒疾病,其致死率虽然没有SARS和MERS高,但其高度传染性已对全球人类健康和经济等造成了严重的威胁。虽然全球的科研工作者已进行了大量的研究,但SARS-CoV-2的起源和跨物种感染途径仍不明了。SARS-CoV-2感染的发病机制及病毒和宿主相互作用的分子机制尚不甚清楚。深入研究SARS-CoV-2是制定针对COVID-19的预防和治疗策略的基础。

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