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五山生物 | 报道
SARS-CoV-2奥密克戎变异毒株的出现是一个紧迫的全球健康问题。研究者的统计模型表明，奥密克戎变异毒株在包括南非在内的几个国家的传播速度比Delta变异毒株更快。细胞培养实验表明，奥密克戎变异毒株的融合率低于Delta变异毒株，也低于SARS-CoV-2的祖先毒株。尽管Delta的S蛋白被有效地切割成两个亚基，这有助于细胞与细胞的融合，但是与Delta变异毒株、祖先SARS-CoV-2祖先毒株的S蛋白相比，奥密克戎变异毒株S蛋白的切割效率较低。此外，在仓鼠模型中，与Delta变异毒株和祖先SARS-CoV-2祖先毒株相比，奥密克戎变异毒株肺部传染性降低，致病性降低。我们的多维度研究揭示了Omicron在人类人口中快速增长、融合能力较低、致病性减弱的病毒学特征。
奥密克戎变异毒株流行动态
在南非，2021年11月，新冠肺炎病例数量和奥密克戎变异毒株（Omicron）的频率迅速增加（图1）。为了估计在南非包括奥密克戎变异毒株在内的SARS-CoV-2谱系的相对有效繁殖数量，我们构建了一个贝叶斯统计模型，该模型代表了病毒谱系频率的动态。我们的统计分析表明，奥密克戎变异毒株（Omicron）在南非的有效繁殖数量是Delta的3.31倍（95%可信区间：2.95–3.72；图1b）。此外，与南非的结果相似（图1b），奥密克戎变异毒株（Omicron）的有效繁殖数量大于Delta变异毒株在其他六个国家（澳大利亚、丹麦、德国、以色列、英国和美国）（图1c）。截至2022年1月7日，约100个国家报告了超过20万个奥密克戎序列。这些结果表明，奥密克戎变异毒株（Omicron）的传播速度极快，可能在不久的将来在全球范围内超过Delta变异毒株。
奥密克戎变异毒株（Omicron）体外病毒学特征
为了阐明Omicron的病毒学特征，我们获得了Omicron分离株（菌株TY38-873）。将携带D614G的早期大流行B.1.1分离株（菌株TKYE610670）和Delta分离株（B.1.617.2谱系，菌株TKYTK1734）用作对照。尽管Omicron在VeroE6/TMPRSS2和原代人鼻上皮细胞中的生长与Delta相当，但Omicron的复制性低于Delta在Vero、Calu-3、A549-ACE2和HeLa-ACE2/TMPRSS2细胞中的复制性（图2a）。Omicron和其他分离株在A549-ACE2细胞中复制，但在A549细胞中没有复制（图2a），表明Omicron使用ACE2分子作为感染的受体。尽管Omicron和Delta在VeroE6/TMPRSS2细胞中的生长动力学是可比的（图2a），感染细胞的形态非常不同：Delta形成了比B.1.1病毒更大的合胞体，而Omicron只形成了弱合胞体（图2b）。免疫荧光测定进一步表明，感染Delta的VeroE6/TMPRSS2细胞表现出比B.1.1感染细胞更大的多核合胞体，而感染Omicron的细胞则没有（图2c）。此外，感染Omicron的VeroE6/TMPRSS2细胞中的斑块大小显著小于感染Delta（3.06倍）或B.1.1病毒（2.08倍）的细胞（图2d）。这些数据表明，Omicron比Delta和早期流行的SARS-CoV-2更不易融合。
为了直接评估这些变体的S蛋白的融合性，我们进行了基于细胞的融合分析。Omicron S在细胞表面的表达水平低于或与携带D614G的亲本S的表达水平相当，并且Omicron S比Delta S在细胞上的表达更高（图2e，f）。然而，我们的融合试验表明，Omicron S的融合性显著低于Delta S和亲本D614G S（图2g）。此外，将S表达细胞与HEK293-ACE2/TMPRSS2细胞共培养表明，Omicron S仅在低水平上诱导多核合胞体。
由于Delta感染形成更大的合胞体，Delta S表现出更高的融合性，并在S1和S2之间进行有效切割（以下称为S1/S2切割），我们假设Omicron的合胞形成不良和融合性较低可能是由于S切割效率低。与我们之前的研究一致，在表达S的细胞中，Delta S的S2亚基裂解水平高于携带D614G的亲本S（图2h）。与此形成鲜明对比的是，Omicron S的裂解S2水平显著低于Delta S（2.5倍）和亲本S（2.2倍）（图2h）。类似地，在Delta感染的VeroE6/TMPRSS2细胞中观察到增强的S1/S2切割，而在Omicron感染的细胞中S切割减弱（图2i）。总体而言，我们的数据表明，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。
奥密克戎变异毒株（Omicron）体内的病毒学特征
为了研究病毒在体内复制的动力学和Omicron的致病性，我们使用B.1.1、Delta和Omicron毒株进行了仓鼠感染实验。与我们之前的研究一致，感染B.1.1和Delta的仓鼠体重下降（图3a）。尽管Omicron感染仓鼠的体重显著低于未感染仓鼠，但仍显著高于B.1.1感染和Delta感染仓鼠（图3a）。然后，我们定量分析了三个参数所反映的感染仓鼠的肺功能；即，增强暂停（Penh）和时间与呼气峰值跟随时间相对于总呼气时间的比率（Rpef），这是支气管收缩或气道阻塞的替代标志；和皮下氧饱和度（SpO2）。如图3b–d所示，B.1.1感染和Delta感染的仓鼠根据这三个参数表现出呼吸障碍。相比之下，在Omicron感染的仓鼠中，Penh值显著低于B.1.1感染和Delta感染的仓鼠（图3b），Rpef值显著高于其他两个感染组（图3c）。更具体地说，Omicron感染仓鼠的Rpef和SpO2值与未感染仓鼠的值相当（图3c，d）。这些数据表明，Omicron的致病性低于B.1.1和Delta病毒。
接下来，我们通过常规采集感染仓鼠的口腔拭子来评估病毒的产生。如图3e所示，Omicron感染仓鼠口腔拭子中病毒RNA载量的动态与B.1.1感染仓鼠和Delta感染仓鼠的动态显著不同。B.1.1和Delta的病毒RNA载量达到峰值，并在1周后相对稳定（图3e）。与此形成鲜明对比的是，Omicron的病毒RNA载量在这一时期短暂超过B.1.1和Delta，然后迅速下降（图3e）。聚类分析还表明，Omicron口腔拭子中病毒RNA的动态与其他两种病毒的动态明显分离。这些数据表明，Omicron的口腔病毒排泄动力学与B.1.1和Delta的不同。
为了进一步研究病毒在感染仓鼠体内的传播，使用来自呼吸系统的样本进行了病毒核衣壳蛋白的免疫组化分析。在感染仓鼠的上气管中，尽管无论接种何种疫苗，上皮细胞对病毒N蛋白都呈零星阳性，但N蛋白阳性变得无法检测（图4a）。此外，测试的所有受感染仓鼠的上气管中的病毒RNA载量随着时间的推移而减少，这表明本研究中使用的所有SARS-CoV-2分离株（包括Omicron）在仓鼠的上呼吸道组织中的生长效率较低。另一方面，在肺部样本中，B.1.1病毒和Delta感染对SARS-CoV-2 N蛋白表现出强烈的阳性，这与肺门主支气管的支气管上皮相似（图4b）。相比之下，在Omicron感染的仓鼠中，在主支气管的肺叶部分零星检测到N阳性细胞，每个N阳性细胞只表现出稀疏的N染色（图4b）。在B.1.1感染和Delta感染的仓鼠的支气管和细支气管周围的肺泡间隙中观察到N蛋白，Delta N从支气管上皮中消失（图4b）。在Omicron感染的仓鼠中，在主要支气管上皮中未观察到N蛋白阳性，但仍在支气管和细支气管的外围（图4b）。B、 1.1和Delta N阳性细胞显著分布在肺泡间隙，而在感染Omicron的肺部中仅检测到稀疏和弱染色的N阳性细胞簇（图4b）。B.1.1感染的仓鼠肺泡中零星残留有N阳性细胞，而Delta和Omicron感染的样本中发现了少量和轻度染色的细胞（图4b）。这些数据表明，尽管B.1.1病毒和Delta有效地感染支气管上皮并侵入肺泡腔，但Omicron只感染一部分支气管上皮细胞，并较不有效地传播到相邻的上皮细胞。总体而言，IHC数据表明，Omicron感染从主支气管向细支气管远端传播相对缓慢，这导致感染Omicron的仓鼠肺泡腔中零星分布弱N阳性簇。
接下来，肺被切除，并在不同的时间点分为两个区域：肺门和肺外周。在肺外周，B.1.1、Delta和Omicron的病毒传播动力学表现出相似的模式。另一方面，在肺门中，尽管B.1.1和Delta的病毒RNA载量和病毒滴度值比这些值低约10倍，但对于Omicron，这些值与这些值相当，甚至高于这些值（图4c）。我们的统计分析表明，Omicron的病毒RNA和病毒滴度的斜率与B.1.1和Delta的斜率显著不同（图4c）。这些结果表明，Omicron在感染急性期的生长动力学可能与B.1.1和Delta在肺门的生长动力学不同。为了深入探讨这种可能性，我们研究了N蛋白的阳性，特别是在靠近肺门的肺部区域的细支气管。细支气管上皮细胞对病毒N抗原呈相对强烈的阳性（图4d）。B.1.1感染的仓鼠中N阳性上皮细胞的数量减少，而Delta感染的仓鼠大多数细支气管上皮细胞的N蛋白呈阴性（图4d）。相反，在Omicron感染的仓鼠中，N阳性上皮细胞仍然存在（图4d）。此外，定量分析表明，Omicron感染仓鼠细支气管中N阳性细胞的百分比显著高于Delta感染仓鼠（图4d）。总之，这些结果，即肺门附近细支气管中病毒N蛋白的阳性（图4d），与肺门中的病毒RNA载量和病毒滴度（图4c）以及口腔拭子中的病毒核糖核酸载量（图3e）非常一致。
奥密克戎变异毒株（Omicron）的病理特征
为了进一步研究Omicron在肺部的致病性，通过仔细识别四个肺叶、主支气管和肺叶支气管，并将每个肺叶与支气管分支一起切片，对感染仓鼠福尔马林固定的右肺进行了分析（扩展数据图6）。在B.1.1感染和Delta感染的肺中，炎症反应达到峰值，发现II型肺泡肺细胞增生的炎症广泛分布于每个肺叶（图5a）。相比之下，Omicron感染在同一时间点与细支气管一起伴有有限的炎性结节（图5a），Omicron感染的肺中II型肺细胞增生面积的百分比显著低于其他两个感染组（图5b）。在B.1.1感染的仓鼠中，发现轻度支气管炎；观察到支气管和细支气管破裂；肺泡炎和出血在炎症高峰时被识别（图5b，c）。在Delta感染的仓鼠中，炎症反应比B.1.1病毒感染更突出，如前所示，2观察到增生的大型II型肺细胞；在这两个感染组中，急性炎症特征（如支气管炎或细支气管炎和出血）得到解决，并被II型肺细胞取代（图5b，c）。这两个感染组的观察结果与我们之前的报告一致2。在Omicron感染的仓鼠中，观察到轻度支气管炎，肺泡间隔模糊增厚，并观察到II型肺细胞的支气管周围或细支气管周围结节分布（图5b，c）。值得注意的是，Omicron感染仓鼠的肺部没有观察到严重的肺泡炎和出血。结节型II型肺细胞的面积减少（图5b，c）。肺损伤也通过组织病理学评分进行定量评估。Omicron感染的仓鼠的总分显著低于B.1.1感染和Delta感染的仓鼠，并且Omicron感染仓鼠的支气管炎、肺泡炎、II型肺细胞增生和大型II型肺上皮细胞增生等各项指标显著低于Delta感染仓鼠（图5c）。连同时间过程观察（图3a–d），我们的结果表明，Omicron的致病性相对低于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.