Jak SARS-CoV-2 zmieni się w przyszłości?

Pewien Brytyjczyk walczył z COVID-19 przez trzy miesiące. Jego układ odpornościowy już w momencie infekcji SARS-CoV-2 był osłabiony, bo mężczyzna był w trakcie chemioterapii. Miał on mniejszą liczbę typowych mechanizmów ochronnych przed patogenami, dlatego SARS-CoV-2 rozprzestrzenił się w jego organizmie w niekontrolowany sposób. Brytyjczykowi podano osocze ozdrowieńców, czyli płynną cześć krwi osób, które przeszły COVID-19. W trakcie 101 dni leczenia mężczyzny, lekarze ze szpitala Addenbrookes w Cambridge w Wielkiej Brytanii pobrali 23 próbki wymazu. Każda z nich była wysłana do pobliskiego laboratorium w celu analizy. Kiedy wirusolodzy przyjrzeli się materiałowi genetycznemu wirusa, byli zaskoczeni - SARS-CoV-2 dosłownie ewoluował na ich oczach. 

- W tym czasie zaobserwowaliśmy niezwykłe zmiany w wirusie. Widzieliśmy mutacje, które zdawały się sugerować, że wirus wykazywał oznaki adaptacji, aby uniknąć przeciwciał w leczeniu osoczem ozdrowieńców. Po raz pierwszy widzieliśmy, że coś takiego dzieje się u człowieka w czasie rzeczywistym - powiedział Ravinda Gupta, mikrobiolog kliniczny z Uniwersytetu w Cambridge.

Prawie rok od rozpoczęcia pandemii COVID-19, kwestia mutacji SARS-CoV-2 jest bardzo ważna. Pojawiają się nowe warianty zdolne do szybszego rozprzestrzeniania się koronawirusa, więc pytania o to, czy nowo zatwierdzone szczepionki będą chronić także przed nimi, są zasadne. Jak dotąd nie ma wielu dowodów na to, że opracowane szczepionki są mniej skuteczne na nowe mutacje SARS-CoV-2. Nie ma co jednak się łudzić - kiedyś pojawi się wariant koronawirusa, przed którym nie będziemy umieli się chronić. I cała "zabawa" z procesem produkcyjnym szczepionek zacznie się od nowa.

Wśród mutacji, które zidentyfikował zespół Gupty, była delecja dwóch aminokwasów - znanych jako H69 i V70 - w białku szczytowym SARS-CoV-2. Białko to odgrywa kluczową rolę w zdolności koronawirusa do infekowania komórek. Kapsyd wirusa (część, w której jest ukryty materiał genetyczny) jest pełen wystających na zewnątrz kolców, dzięki czemu oglądany przez mikroskop elektronowy, wygląda jak korona - stąd nazwa całej rodziny koronawirusów.

- Przeprowadziliśmy kilka eksperymentów infekcyjnych z wykorzystaniem sztucznych wirusów i okazało się, że delecja H69/V70 zwiększa zakaźność dwukrotnie. Chcieliśmy zobaczyć, co dzieje się na całym świecie i natknęliśmy się na tę dużą, rozszerzającą się grupę delecji H69/V70 sekwencji w Wielkiej Brytanii. Kiedy przyjrzeliśmy się bliżej, odkryliśmy, że był tam nowy wariant powodujący dużą epidemię - dodał Gupta.

Kiedy naukowcy dokonali tego odkrycia na początku grudnia 2020 r., eksperci chorób zakaźnych w innych miejscach Wielkiej Brytanii starali się zrozumieć, skąd tak szybko rosnąca liczba przypadków w Londynie i południowo-wschodniej Anglii pomimo krajowego lockdownu. Zaczęli oni zauważać coś dziwnego w wynikach testów na COVID-19.

Głównym narzędziem diagnostycznym dla COVID-19 są testy łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR), które szukają śladów materiału genetycznego wirusa w próbkach. Aby potwierdzić infekcję, test ten jest ukierunkowany na trzy części wirusa - jeden z tych celów coraz częściej dawał wynik negatywny w próbkach z obszarów Anglii, w których liczba przypadków gwałtownie rosła, podczas gdy dwa pozostałe cele w testach nadal działały.

Fragment wirusa, na który ukierunkowana była nieczuła część testu PCR, to zmutowana sekwencja białka szczytowego wykryta przez zespół Gupty (delecje H69/V70). To było potwierdzenie, że istniejące testy PCR czasami nie wykrywają wirusa, mimo aktywnej infekcji.

Wraz z tą zmianą genetyczną, naukowcy znaleźli również 16 innych mutacji, które zmieniły kodowane przez nie białka wirusowe, w tym kilka na białku szczytowym. To, co odkryli, to nowa linia SARS-CoV-2, która w stosunkowo krótkim czasie zyskała wiele mutacji. Oznaczyli ją jako B117 i określili jako "brytyjski" wariant koronawirusa  (znany również jako VOC 202012/01). W połowie stycznia rozprzestrzenił się on na terenie Wielkiej Brytanii i 50 innych krajów.

Pojawienie się B117 - który jest o 50-75 proc. bardziej zakaźny niż pierwotny SARS-CoV-2 - wraz z innymi wykrywanymi obecnie wariantami, takimi jak południowoafrykański i brazylijski, rzuciło światło na sposób, w jaki patogen mutuje w miarę postępu pandemii. Wywołało to również obawy o to, jak koronawirus może się zmieniać w przyszłości, gdy będziemy próbować walczyć z nim za pomocą szczepionek.

- Dla mnie wydaje się to być spojrzeniem w przyszłość, w której będziemy brać udział w wyścigu zbrojeń z tym wirusem, tak, jak to ma miejsce w przypadku grypy sezonowej. Każdego roku szczepionka przeciw grypie musi być aktualizowana, ponieważ wirus grypy mutuje i dostosowuje się, aby uniknąć odporności już obecnej w populacji. Jeśli SARS-CoV-2 wykazuje podobne zdolności, może to oznaczać, że będziemy musieli przyjąć podobną taktykę, aby trzymać go na dystans, regularnie aktualizując szczepionki - powiedział Michael Worobey, biolog ewolucji wirusów z Uniwersytetu Arizony.

Wiele osób uważa, że firmy farmaceutyczne już teraz powinny aktualizować swoje szczepionki, aby celować w zmutowane wersje białka szczytowego SARS-CoV-2. Ale czy wzorce mutacji, które naukowcy obserwują w koronawirusie na całym świecie, mogą być wskazówką, w jaki sposób wirus będzie ewoluował?

- Trudno jest spekulować, ale interesujące jest to, że nagle pojawia się wiele mutacji, które mogą być związane z ucieczką lub rozpoznawaniem przez układ odpornościowy - mówi Brendan Larsen, doktorant pracujący z Worobeyem. 

Niedawno zidentyfikował on nowy wariant COVID-19 krążący w Arizonie, który posiada delecję H69/V70 widoczną w kilku innych wersjach wirusa. Chociaż nadal rozprzestrzenia się on na stosunkowo niskim poziomie w tym stanie oraz w innych stanach USA, sugeruje to, że ta konkretna mutacja powtarza się niezależnie na całym świecie.

To powtarzające się występowanie tych samych mutacji w różnych wariantach dostarcza pewnych wskazówek na temat tego, jak SARS-CoV-2 ewoluuje, ponieważ wirus rozprzestrzenił się wśród milionów ludzi i może być narażony na podobne naciski ewolucyjne, które powodują, że zmienia się w określony sposób.

- Same w sobie mają prawdopodobnie niewielki wpływ na pandemię. Ale razem wszystkie te różne mutacje mogą utrudniać układowi odpornościowemu rozpoznawanie wirusa - wyjaśnił Larsen.

To może następnie prowadzić do większej liczby pacjentów chorujących na COVID-19 dwa, a nawet więcej razy. Może także oznaczać, że opracowane szczepionki będą musiały zostać zmodyfikowane.

Naukowcy z Illinois zidentyfikowali również niedawno inny wariant SARS-CoV-2, nazwany 20C-US, który ma szereg unikalnych i specyficznych mutacji mogących zmienić zdolność wirusa do replikacji wewnątrz ludzkich komórek. Ma on również mutację w pewnym konkretnym miejscu niedaleko białka szczytowego, która prawdopodobnie była kluczowa w umożliwieniu wirusowi przeskoczenia między gatunkami (na ludzi) pod koniec 2019 roku.

Rejon ten, znany jako miejsce rozszczepienia furyny, pozwolił wirusowi na przechwycenie ważnego enzymu, który działa w ludzkim organizmie. Enzym ten rozcina białko szczytowe, powodując jego otwarcie i ujawnienie ukrytych sekwencji, które pomagają mu mocniej związać się z komórkami m.in. w ludzkich drogach oddechowych. Mutacja w pobliżu tego miejsca może jeszcze bardziej zmienić zachowanie koronawirusa.

Naukowcy przekonują, że 20C-US rozprzestrzenia się szybko po Stanach Zjednoczonych od czerwca i wkrótce może stać się dominującym wariantem COVID-19 w USA. Na początku stycznia w Kalifornii pojawił się jeszcze inny, blisko spokrewniony wariant, nazwany CAL.20C. Na początku lutego zgłoszono ponad 1000 przypadków tego wariantu, a w Los Angeles stanowi on od 1/4 do 1/3 wszystkich infekcji SARS-CoV-2. Istnieją również doniesienia, że wariant ten zaraża osoby, które w ubiegłym roku przeszły już COVID-19. Jedna z mutacji przenoszonych przez CAL.20C - zwana L452R - znajduje się w białku szczytowym i została powiązana ze zmniejszoną wrażliwością na przeciwciała, co sugeruje, że może być w stanie omijać część układu odpornościowego.

Naukowcy z Uniwersytetu Manitoba w Winnipeg w Kanadzie zidentyfikowali również dwa nowe warianty, które rozprzestrzeniają się na całym świecie i są związane z "wysokim wskaźnikiem śmiertelności". Jeden z nich ma mutację o nazwie V1176F w białku szczytowym, która występuje obok innej mutacji o nazwie D614G.

Pierwsza litera w nazwach tych mutacji oznacza aminokwas, który został zastąpiony, liczba oznacza jego lokalizację w białku, a ostatnia litera to nowy aminokwas, który pojawił się w tym miejscu. Sama mutacja D614G pojawiła się stosunkowo wcześnie podczas pandemii w Europie i spowodowała dramatyczny wzrost ilości wirusa wydalanego przez zainfekowanych pacjentów, umożliwiając szybkie rozprzestrzenianie się patogenu. Dodanie mutacji V1176F może jeszcze bardziej zmienić to zachowanie, a pojawienie się jej w kilku krajach niezależnie sugeruje, że daje wirusowi przewagę.

Inny wariant, który został niedawno zidentyfikowany, pojawił się w Australii i niesie mutację S477N, która wydaje się zwiększać zdolność wirusa do wiązania się z ludzkimi komórkami. Naukowcy ostrzegają, że te dwie nowe mutacje "mogą stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego w przyszłości", jeśli będą się nadal rozprzestrzeniać i zapewniać wirusowi przewagę ewolucyjną. Dodają, że SARS-CoV-2 wydaje się "ewoluować nielosowo".

Z kolei brytyjscy uczeni zauważyli ostatnio mutację oznaczoną jako E484K, która zmniejsza wrażliwość wirusa na przeciwciała w południowoafrykańskich i brazylijskich wariantach - pojawiła się w niektórych próbkach brytyjskiego wariantu B117. Budzi to obawy, że szybciej rozprzestrzeniający się wariant brytyjski może teraz również nabyć pewną zdolność "ucieczki" przed układami odpornościowymi osób zaszczepionych lub już zakażonych.

Inny niepokojący wariant, którego krążenie stwierdzono w Nowym Jorku w lutym 2021 roku, również zaniepokoił naukowców. Wariant oznaczony jako B1.526 jest coraz liczniejszy i w połowie lutego stanowił 12,3 proc. analizowanych wirusów. Zawiera on dwie kluczowe mutacje - E484K i N501Y - które zaobserwowano również w niepokojących wariantach z Brazylii i RPA. Te oznaki adaptacji wirusa nie są całkowicie zaskakujące dla naukowców. W przypadku większości patogenów chorobotwórczych, stosowanie leczenia i szczepionek powoduje, że ewoluują one w sposoby umożliwiające ich unikanie, by mogły dalej się rozprzestrzeniać. Te, które rozwijają odporność na leczenie lub mogą ukryć się przed układem odpornościowym, przetrwają dłużej, aby się replikować i w ten sposób rozprzestrzeniać swój materiał genetyczny.

Mogą oczywiście istnieć inne wersje SARS-CoV-2 krążące w populacjach, których standardowo dostępne metody PCR nie są w stanie wychwycić. Jednym z powodów, dla których Wielka Brytania w pierwszej kolejności wykryła wariant B117, jest wiodąca na świecie konfiguracja testów i sekwencjonowania.

- Jeśli nowe warianty pojawią się w kraju, w którym nie ma zbyt wielu możliwości sekwencjonowania genomu, może to być prawdziwy problem - wyjaśnił Larson.

Jedna z grup chińskich naukowców wykorzystała sztuczne wirusy do zbadania mutacji w białku szczytowym, które mogłyby doprowadzić do uodpornienia się SARS-CoV-2 na przeciwciała pobrane od pacjentów, którzy przeszli już COVID-19. Znaleźli pięć mutacji, które to umożliwiły, a jedna z nich - N234Q - dramatycznie zwiększyła poziom odporności na przeciwciała. Na szczęście, jeszcze nie zaobserwowano jej w żadnym z wariantów krążących po świecie. Te badania dają nadzieję na przyszłość, ponieważ identyfikacja tych zmian może być przydatna przy opracowywaniu przyszłych szczepionek.