SARS-CoV-2奧密克戎變異毒株的出現(xiàn)是一個(gè)緊迫的全球健康問題。研究者的統(tǒng)計(jì)模型表明，奧密克戎變異毒株在包括南非在內(nèi)的幾個(gè)國家的傳播速度比Delta變異毒株更快。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，奧密克戎變異毒株的融合率低于Delta變異毒株，也低于SARS-CoV-2的祖先毒株。盡管Delta的S蛋白被有效地切割成兩個(gè)亞基，這有助于細(xì)胞與細(xì)胞的融合，但是與Delta變異毒株、祖先SARS-CoV-2祖先毒株的S蛋白相比，奧密克戎變異毒株S蛋白的切割效率較低。此外，在倉鼠模型中，與Delta變異毒株和祖先SARS-CoV-2祖先毒株相比，奧密克戎變異毒株肺部傳染性降低，致病性降低。我們的多維度研究揭示了Omicron在人類人口中快速增長、融合能力較低、致病性減弱的病毒學(xué)特征。
奧密克戎變異毒株流行動態(tài)
在南非，2021年11月，新冠肺炎病例數(shù)量和奧密克戎變異毒株（Omicron）的頻率迅速增加（圖1）。為了估計(jì)在南非包括奧密克戎變異毒株在內(nèi)的SARS-CoV-2譜系的相對有效繁殖數(shù)量，我們構(gòu)建了一個(gè)貝葉斯統(tǒng)計(jì)模型，該模型代表了病毒譜系頻率的動態(tài)。我們的統(tǒng)計(jì)分析表明，奧密克戎變異毒株（Omicron）在南非的有效繁殖數(shù)量是Delta的3.31倍（95%可信區(qū)間：2.95–3.72；圖1b）。此外，與南非的結(jié)果相似（圖1b），奧密克戎變異毒株（Omicron）的有效繁殖數(shù)量大于Delta變異毒株在其他六個(gè)國家（澳大利亞、丹麥、德國、以色列、英國和美國）（圖1c）。截至2022年1月7日，約100個(gè)國家報(bào)告了超過20萬個(gè)奧密克戎序列。這些結(jié)果表明，奧密克戎變異毒株（Omicron）的傳播速度極快，可能在不久的將來在全球范圍內(nèi)超過Delta變異毒株。
奧密克戎變異毒株（Omicron）體外病毒學(xué)特征
為了闡明Omicron的病毒學(xué)特征，我們獲得了Omicron分離株（菌株TY38-873）。將攜帶D614G的早期大流行B.1.1分離株（菌株TKYE610670）和Delta分離株（B.1.617.2譜系，菌株TKYTK1734）用作對照。盡管Omicron在VeroE6/TMPRSS2和原代人鼻上皮細(xì)胞中的生長與Delta相當(dāng)，但Omicron的復(fù)制性低于Delta在Vero、Calu-3、A549-ACE2和HeLa-ACE2/TMPRSS2細(xì)胞中的復(fù)制性（圖2a）。Omicron和其他分離株在A549-ACE2細(xì)胞中復(fù)制，但在A549細(xì)胞中沒有復(fù)制（圖2a），表明Omicron使用ACE2分子作為感染的受體。盡管Omicron和Delta在VeroE6/TMPRSS2細(xì)胞中的生長動力學(xué)是可比的（圖2a），感染細(xì)胞的形態(tài)非常不同：Delta形成了比B.1.1病毒更大的合胞體，而Omicron只形成了弱合胞體（圖2b）。免疫熒光測定進(jìn)一步表明，感染Delta的VeroE6/TMPRSS2細(xì)胞表現(xiàn)出比B.1.1感染細(xì)胞更大的多核合胞體，而感染Omicron的細(xì)胞則沒有（圖2c）。此外，感染Omicron的VeroE6/TMPRSS2細(xì)胞中的斑塊大小顯著小于感染Delta（3.06倍）或B.1.1病毒（2.08倍）的細(xì)胞（圖2d）。這些數(shù)據(jù)表明，Omicron比Delta和早期流行的SARS-CoV-2更不易融合。
為了直接評估這些變體的S蛋白的融合性，我們進(jìn)行了基于細(xì)胞的融合分析。Omicron S在細(xì)胞表面的表達(dá)水平低于或與攜帶D614G的親本S的表達(dá)水平相當(dāng)，并且Omicron S比Delta S在細(xì)胞上的表達(dá)更高（圖2e，f）。然而，我們的融合試驗(yàn)表明，Omicron S的融合性顯著低于Delta S和親本D614G S（圖2g）。此外，將S表達(dá)細(xì)胞與HEK293-ACE2/TMPRSS2細(xì)胞共培養(yǎng)表明，Omicron S僅在低水平上誘導(dǎo)多核合胞體。
由于Delta感染形成更大的合胞體，Delta S表現(xiàn)出更高的融合性，并在S1和S2之間進(jìn)行有效切割（以下稱為S1/S2切割），我們假設(shè)Omicron的合胞形成不良和融合性較低可能是由于S切割效率低。與我們之前的研究一致，在表達(dá)S的細(xì)胞中，Delta S的S2亞基裂解水平高于攜帶D614G的親本S（圖2h）。與此形成鮮明對比的是，Omicron S的裂解S2水平顯著低于Delta S（2.5倍）和親本S（2.2倍）（圖2h）。類似地，在Delta感染的VeroE6/TMPRSS2細(xì)胞中觀察到增強(qiáng)的S1/S2切割，而在Omicron感染的細(xì)胞中S切割減弱（圖2i）?？傮w而言，我們的數(shù)據(jù)表明，Omicron S比Delta和早期大流行SARS-CoV-2的S蛋白切割效率更低，融合性更低。
奧密克戎變異毒株（Omicron）體內(nèi)的病毒學(xué)特征
為了研究病毒在體內(nèi)復(fù)制的動力學(xué)和Omicron的致病性，我們使用B.1.1、Delta和Omicron毒株進(jìn)行了倉鼠感染實(shí)驗(yàn)。與我們之前的研究一致，感染B.1.1和Delta的倉鼠體重下降（圖3a）。盡管Omicron感染倉鼠的體重顯著低于未感染倉鼠，但仍顯著高于B.1.1感染和Delta感染倉鼠（圖3a）。然后，我們定量分析了三個(gè)參數(shù)所反映的感染倉鼠的肺功能；即，增強(qiáng)暫停（Penh）和時(shí)間與呼氣峰值跟隨時(shí)間相對于總呼氣時(shí)間的比率（Rpef），這是支氣管收縮或氣道阻塞的替代標(biāo)志；和皮下氧飽和度（SpO2）。如圖3b–d所示，B.1.1感染和Delta感染的倉鼠根據(jù)這三個(gè)參數(shù)表現(xiàn)出呼吸障礙。相比之下，在Omicron感染的倉鼠中，Penh值顯著低于B.1.1感染和Delta感染的倉鼠（圖3b），Rpef值顯著高于其他兩個(gè)感染組（圖3c）。更具體地說，Omicron感染倉鼠的Rpef和SpO2值與未感染倉鼠的值相當(dāng)（圖3c，d）。這些數(shù)據(jù)表明，Omicron的致病性低于B.1.1和Delta病毒。
接下來，我們通過常規(guī)采集感染倉鼠的口腔拭子來評估病毒的產(chǎn)生。如圖3e所示，Omicron感染倉鼠口腔拭子中病毒RNA載量的動態(tài)與B.1.1感染倉鼠和Delta感染倉鼠的動態(tài)顯著不同。B.1.1和Delta的病毒RNA載量達(dá)到峰值，并在1周后相對穩(wěn)定（圖3e）。與此形成鮮明對比的是，Omicron的病毒RNA載量在這一時(shí)期短暫超過B.1.1和Delta，然后迅速下降（圖3e）。聚類分析還表明，Omicron口腔拭子中病毒RNA的動態(tài)與其他兩種病毒的動態(tài)明顯分離。這些數(shù)據(jù)表明，Omicron的口腔病毒排泄動力學(xué)與B.1.1和Delta的不同。
為了進(jìn)一步研究病毒在感染倉鼠體內(nèi)的傳播，使用來自呼吸系統(tǒng)的樣本進(jìn)行了病毒核衣殼蛋白的免疫組化分析。在感染倉鼠的上氣管中，盡管無論接種何種疫苗，上皮細(xì)胞對病毒N蛋白都呈零星陽性，但N蛋白陽性變得無法檢測（圖4a）。此外，測試的所有受感染倉鼠的上氣管中的病毒RNA載量隨著時(shí)間的推移而減少，這表明本研究中使用的所有SARS-CoV-2分離株（包括Omicron）在倉鼠的上呼吸道組織中的生長效率較低。另一方面，在肺部樣本中，B.1.1病毒和Delta感染對SARS-CoV-2 N蛋白表現(xiàn)出強(qiáng)烈的陽性，這與肺門主支氣管的支氣管上皮相似（圖4b）。相比之下，在Omicron感染的倉鼠中，在主支氣管的肺葉部分零星檢測到N陽性細(xì)胞，每個(gè)N陽性細(xì)胞只表現(xiàn)出稀疏的N染色（圖4b）。在B.1.1感染和Delta感染的倉鼠的支氣管和細(xì)支氣管周圍的肺泡間隙中觀察到N蛋白，Delta N從支氣管上皮中消失（圖4b）。在Omicron感染的倉鼠中，在主要支氣管上皮中未觀察到N蛋白陽性，但仍在支氣管和細(xì)支氣管的外圍（圖4b）。B、 1.1和Delta N陽性細(xì)胞顯著分布在肺泡間隙，而在感染Omicron的肺部中僅檢測到稀疏和弱染色的N陽性細(xì)胞簇（圖4b）。B.1.1感染的倉鼠肺泡中零星殘留有N陽性細(xì)胞，而Delta和Omicron感染的樣本中發(fā)現(xiàn)了少量和輕度染色的細(xì)胞（圖4b）。這些數(shù)據(jù)表明，盡管B.1.1病毒和Delta有效地感染支氣管上皮并侵入肺泡腔，但Omicron只感染一部分支氣管上皮細(xì)胞，并較不有效地傳播到相鄰的上皮細(xì)胞?？傮w而言，IHC數(shù)據(jù)表明，Omicron感染從主支氣管向細(xì)支氣管遠(yuǎn)端傳播相對緩慢，這導(dǎo)致感染Omicron的倉鼠肺泡腔中零星分布弱N陽性簇。
接下來，肺被切除，并在不同的時(shí)間點(diǎn)分為兩個(gè)區(qū)域：肺門和肺外周。在肺外周，B.1.1、Delta和Omicron的病毒傳播動力學(xué)表現(xiàn)出相似的模式。另一方面，在肺門中，盡管B.1.1和Delta的病毒RNA載量和病毒滴度值比這些值低約10倍，但對于Omicron，這些值與這些值相當(dāng)，甚至高于這些值（圖4c）。我們的統(tǒng)計(jì)分析表明，Omicron的病毒RNA和病毒滴度的斜率與B.1.1和Delta的斜率顯著不同（圖4c）。這些結(jié)果表明，Omicron在感染急性期的生長動力學(xué)可能與B.1.1和Delta在肺門的生長動力學(xué)不同。為了深入探討這種可能性，我們研究了N蛋白的陽性，特別是在靠近肺門的肺部區(qū)域的細(xì)支氣管。細(xì)支氣管上皮細(xì)胞對病毒N抗原呈相對強(qiáng)烈的陽性（圖4d）。B.1.1感染的倉鼠中N陽性上皮細(xì)胞的數(shù)量減少，而Delta感染的倉鼠大多數(shù)細(xì)支氣管上皮細(xì)胞的N蛋白呈陰性（圖4d）。相反，在Omicron感染的倉鼠中，N陽性上皮細(xì)胞仍然存在（圖4d）。此外，定量分析表明，Omicron感染倉鼠細(xì)支氣管中N陽性細(xì)胞的百分比顯著高于Delta感染倉鼠（圖4d）?？傊@些結(jié)果，即肺門附近細(xì)支氣管中病毒N蛋白的陽性（圖4d），與肺門中的病毒RNA載量和病毒滴度（圖4c）以及口腔拭子中的病毒核糖核酸載量（圖3e）非常一致。
奧密克戎變異毒株（Omicron）的病理特征
為了進(jìn)一步研究Omicron在肺部的致病性，通過仔細(xì)識別四個(gè)肺葉、主支氣管和肺葉支氣管，并將每個(gè)肺葉與支氣管分支一起切片，對感染倉鼠福爾馬林固定的右肺進(jìn)行了分析（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6）。在B.1.1感染和Delta感染的肺中，炎癥反應(yīng)達(dá)到峰值，發(fā)現(xiàn)II型肺泡肺細(xì)胞增生的炎癥廣泛分布于每個(gè)肺葉（圖5a）。相比之下，Omicron感染在同一時(shí)間點(diǎn)與細(xì)支氣管一起伴有有限的炎性結(jié)節(jié)（圖5a），Omicron感染的肺中II型肺細(xì)胞增生面積的百分比顯著低于其他兩個(gè)感染組（圖5b）。在B.1.1感染的倉鼠中，發(fā)現(xiàn)輕度支氣管炎；觀察到支氣管和細(xì)支氣管破裂；肺泡炎和出血在炎癥高峰時(shí)被識別（圖5b，c）。在Delta感染的倉鼠中，炎癥反應(yīng)比B.1.1病毒感染更突出，如前所示，2觀察到增生的大型II型肺細(xì)胞；在這兩個(gè)感染組中，急性炎癥特征（如支氣管炎或細(xì)支氣管炎和出血）得到解決，并被II型肺細(xì)胞取代（圖5b，c）。這兩個(gè)感染組的觀察結(jié)果與我們之前的報(bào)告一致2。在Omicron感染的倉鼠中，觀察到輕度支氣管炎，肺泡間隔模糊增厚，并觀察到II型肺細(xì)胞的支氣管周圍或細(xì)支氣管周圍結(jié)節(jié)分布（圖5b，c）。值得注意的是，Omicron感染倉鼠的肺部沒有觀察到嚴(yán)重的肺泡炎和出血。結(jié)節(jié)型II型肺細(xì)胞的面積減少（圖5b，c）。肺損傷也通過組織病理學(xué)評分進(jìn)行定量評估。Omicron感染的倉鼠的總分顯著低于B.1.1感染和Delta感染的倉鼠，并且Omicron感染倉鼠的支氣管炎、肺泡炎、II型肺細(xì)胞增生和大型II型肺上皮細(xì)胞增生等各項(xiàng)指標(biāo)顯著低于Delta感染倉鼠（圖5c）。連同時(shí)間過程觀察（圖3a–d），我們的結(jié)果表明，Omicron的致病性相對低于Delta和B.1.1病毒。
英文原文
Suzuki R, Yamasoba D, Kimura I, Wang L, Kishimoto M, Ito J, Morioka Y, Nao N, Nasser H, Uriu K, Kosugi Y, Tsuda M, Orba Y, Sasaki M, Shimizu R, Kawabata R, Yoshimatsu K, Asakura H, Nagashima M, Sadamasu K, Yoshimura K; Genotype to Phenotype Japan (G2P-Japan) Consortium, Sawa H, Ikeda T, Irie T, Matsuno K, Tanaka S, Fukuhara T, Sato K. Attenuated fusogenicity and pathogenicity of SARS-CoV-2 Omicron variant. Nature. 2022 Mar;603(7902):700-705. doi: 10.1038/s41586-022-04462-1. Epub 2022 Feb 1. PMID: 35104835; PMCID: PMC8942852.
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