Учёные могут спрогнозировать, как пандемия будет разворачиваться в следующие несколько месяцев

0 3


			Учёные могут спрогнозировать, как пандемия будет разворачиваться в следующие несколько месяцев
Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников.

Учёные могут спрогнозировать, как пандемия будет разворачиваться в следующие несколько месяцев

Быстрое распространение новых вариантов SARS-CoV-2 представляет собой тенденцию, позволяющую не только понять, как вирус адаптируется, но и спрогнозировать, как пандемия будет разворачиваться в следующие несколько месяцев, пишет научный журнал Nature.

 

Исследуя «дорожные карты»

 

Когда в начале 2020 года весь мир только познакомился с новым коронавирусом, Джесси Блум, эволюционный биолог и вирусолог из Центра исследований рака Фреда Хатчинсона в Сиэтле, штат Вашингтон, уже заглядывал в будущее SARS-CoV-2.

 

Как и многие ведущие специалисты по вирусам, он предсказывал, что новый патоген, скорее всего, станет эндемическим — пятый коронавирус навсегда поселится в человеческой популяции наряду с четырьмя сезонными собратьями, которые вызывают относительно легкие простуды и циркулируют среди людей десятилетиями и даже более.

 

Джесси Блум убежден, что эти сезонные коронавирусы — потенциальная «дорожная карта», с помощью которой легко вычислить, как может развиваться SARS-CoV-2 и, соответственно, ход пандемии. Но, как ни странно, очень мало сведений о том, каким образом и за счет чего известные коронавирусы продолжают процветать в популяции.

 

Один из наиболее изученных примеров — сезонный коронавирус 229E — неоднократно заражает людей на протяжении всей их жизни. При этом до сих пор неясно, являются ли эти повторные инфекции результатом угасания иммунных ответов у хозяев или же постоянно идущие изменения в вирусе помогают ему уклоняться от иммунитета. Чтобы выяснить это, Блум исследовал образцы крови людей, которые подвергались воздействию 229E давным-давно, и проверил их на наличие антител против различных версий вируса начиная с 1980-х годов.

 

Образцы крови 1980-х годов содержали высокие уровни блокирующих инфекцию антител против версии 229E 1984 года. Но у них было гораздо меньше возможностей нейтрализовать версию вируса 1990-х годов. Еще менее эффективны они были против вариантов 229E из 2000-х и 2010-х. То же самое справедливо и для образцов крови 1990-х годов: у людей был иммунитет к вирусам недавнего прошлого, но не к вирусам будущего, что свидетельствует о том, что вирус эволюционировал в сторону ускользания от иммунитета.

 

Джесси Блум:

 

Теперь, когда у нас было два года, чтобы увидеть, как развивается SARS-CoV-2, я думаю, что параллели с 229E очевидны.

 

Такие варианты, как «дельта» и «омикрон», несут мутации, которые снижают эффективность антител, вырабатываемых против предыдущих версий SARS-CoV-2. И силы, движущие этим «антигенным изменением», вероятно, только возрастут, поскольку большая часть населения планеты приобретает иммунитет к вирусу посредством инфекции, вакцинации или того и другого сразу.

 

То, как SARS-CoV-2 будет развиваться в течение следующих нескольких месяцев, определит, как будет выглядеть конец этого глобального кризиса — превратится ли вирус в легкую простуду или во что-то более серьезное, как, например, грипп или что-либо похуже. Невиданный доселе масштаб вакцинации (свыше 8 млрд доз) меняет эволюционный ландшафт, и неизвестно, как вирус будет справляться с этим препятствием на своем пути. А по мере того, как страны снимают ограничения по контролю за распространением вируса, для SARS-CoV-2 расширяются возможности совершить значительный эволюционный скачок.

 

Ученые отслеживают эффекты мутаций в вариантах, которые возникли до сих пор, и пристально следят за новыми в надежде, что SARS-CoV-2 в конечном итоге будет развиваться более предсказуемо и станет похож на другие респираторные вирусы. Но когда произойдет этот сдвиг и на какую инфекцию будет похож SARS-CoV-2, по-прежнему никому не ясно.

 

На раннем плато

 

Ученые, отслеживающие эволюцию SARS-CoV-2, обращают внимание на две значимые категории изменений вируса. Одни изменения делают его более заразным или передаваемым, например, за счет более быстрой репликации, что облегчает его распространение при кашле, чихании, разговоре. Другие позволяют ему преодолевать иммунный ответ хозяина.

 

Первая и самая большая выгода, которую получает новый вирус, будет, как правило, обеспечиваться за счет повышения инфекционности, или трансмиссивности.

 

Трансмиссивность (transmissibility), или контагиозность, или заразность, — это вероятность заражения при контакте между инфицированным и неинфицированным.

 

Вирулентность (virulence) — это способность патогена причинять вред хозяину: вызывать тяжелую болезнь или приводить к летальному исходу.

 

Профессор Венди Барклай, вирусолог из Имперского колледжа Лондона:

 

Я была абсолютно уверена, что этот новый едва появившийся коронавирус будет «осмысленно» адаптироваться к людям — и это, конечно, будет означать повышенную трансмиссивность.

 

Секвенирование генома SARS-CoV-2 в начале пандемии показало, что вирус диверсифицируется и приобретает около двух однобуквенных мутаций в месяц. Такая скорость изменений примерно вдвое меньше, чем у гриппа, и на четверть меньше, чем у ВИЧ, благодаря корректирующему ошибки ферменту, которым обладают коронавирусы, что, к слову, является редкостью среди других РНК-вирусов. Но немногие из этих ранних изменений, казалось, как-либо повлияли на поведение SARS-CoV-2 или продемонстрировали, что именно они предпочтительны для естественного отбора.

 

Ранняя мутация под названием D614G в гене, кодирующем спайковый белок вируса, отвечающий за распознавание и проникновение в клетки-хозяева, по-видимому, дала небольшое повышение трансмиссивности. Но это достижение было отнюдь не похоже на те скачки в трансмиссивности, которые исследователи наблюдали позже в вариантах «альфа» и «дельта».

 

Профессор Сара Отто, биолог-эволюционист из Университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада) видит эволюцию вируса как передвижение по ландшафту, где большая высота означает улучшенную передачу. По ее мнению, когда SARS-CoV-2 начал распространяться среди людей, он, казалось, находился на «плато пригодности», окруженный «ландшафтом» многих возможных эволюционных исходов. В любом конкретном случае инфекции, вероятно, были тысячи вирусных частиц, каждая из которых имела уникальные однобуквенные мутации, но Сара Отто подозревает, что лишь немногие из них, если таковые вообще имелись, сделали вирус более заразным. Большинство изменений, вероятно, снижали трансмиссивность.

 

Сара Отто:

 

Если вирус на нашем эволюционном ландшафте «забрался» на достаточно высокий уровень, любая одноэтапная мутация ни к чему не приведет. Для достижения более высоких пиков потребуется сочетание нескольких мутаций, чтобы добиться более значительного увеличения его способности к распространению.

 

Достигая новых высот

 

В конце 2020-го — начале 2021 года исследователи из Великобритании обнаружили вариант под названием B.1.1.7 с многочисленными мутациями в шиповом белке. «Это было немного необычно, казалось, что он возник из ниоткуда», —  говорит профессор Франсуа Баллу, генетик из Университетского колледжа Лондона.

 

Этот вариант, названный «альфой», распространялся как минимум на 50 % быстрее, чем ранее циркулировавшие линии. Представители органов здравоохранения Великобритании связали это качество с загадочным ростом заболеваемости в юго-восточной Англии во время национальной изоляции в ноябре 2020 года. Примерно в то же время охотники за вирусами в Южной Африке связали другой вариант B.1.351, теперь известный как «бета», со второй волной инфекции. Вскоре после этого в штате Амазонас в Бразилии был обнаружен вариант с высокой степенью передачи, получивший наименование «гамма».

 

Эти три «вызывающих беспокойство варианта» (по классификации ВОЗ) имеют общие мутации, особенно в ключевых областях белка-шипа, участвующего в распознавании рецепторов ACE2 клетки-хозяина, которые вирус использует для проникновения. Они также несли мутации, похожие или идентичные тем, которые были обнаружены в SARS-CoV-2 у людей с ослабленной иммунной системой, у которых COVID-19 протекал месяцами.

 

Это заставило исследователей предположить, что длительные инфекции позволяют вирусу «исследовать» различные комбинации мутаций, чтобы «найти» самые успешные. Типичные инфекции, продолжающиеся несколько дней, предлагают для этих целей куда меньше возможностей. Случаи суперраспространителей, заражающих большое количество людей, также могут объяснить, почему одни варианты процветали, а другие исчезли.

 

Каким бы ни было их происхождение, все три варианта казались более заразными, чем вытесняемые ими штаммы. Но «бета» и «гамма» также содержали мутации, которые снижали эффективность блокирующих инфекцию нейтрализующих антител, полученных при предыдущей инфекции или вакцинации. Это повысило вероятность того, что вирус начнет вести себя так, как предсказывали исследования, проведенные Джесси Блумом с коронавирусом 229E.

 

Эти три варианта распространились по всему миру, в частности «альфа» (что вызвало новые волны COVID-19), она стала доминировать в Европе, Северной Америке, на Ближнем Востоке и за его пределами. Многие исследователи ожидали, что именно потомок «альфы», который, казалось, был самым заразным из группы, унаследует дополнительные мутации, например, помогающие ускользанию от иммунных ответов, чтобы сделать его еще более успешным. Но тут, по словам Пола Бениаса, вирусолога из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке, на поле вышел новый игрок — «дельта».

 

Дилемма «дельты»

 

Вариант «дельта» был обнаружен в индийском штате Махараштра во время волны COVID-19, обрушившейся на страну весной 2021 года, и исследователи до сих пор оценивают роль «дельты» в пандемии. Вариант стремительно распространился в Великобритании, и эпидемиологи определили, что он был примерно на 60 % более заразным, чем «альфа», и в разы заразнее, чем первые циркулирующие штаммы SARS-CoV-2.

 

Венди Барклай:

 

«Дельта» — это своего рода супер-«альфа». Я думаю, что вирус все еще ищет решения для адаптации к человеческому организму.

 

Исследования показывают, что «дельта» значительно улучшила свою «физическую форму», отточив способность инфицировать клетки и распространяться в человеческой популяции. По сравнению с другими вариантами, включая «альфу», «дельта» размножается быстрее и на более высоких уровнях дыхательных путей инфицированных людей, потенциально опережая первоначальный иммунный ответ.

 

Тем не менее исследователи ожидают, что таких достижений у SARS-CoV-2 станет меньше. Ученые измеряют присущую вирусу способность распространяться в иммунологически наивной популяции (невакцинированной и ранее не подвергавшейся воздействию вируса) числом, называемым R0, которое представляет собой среднее количество людей, инфицированных зараженным человеком. С начала пандемии эта цифра выросла в 3 раза.

 

Джесси Блум:

 

В какой-то момент повышение трансмиссивности прекратится, вирус просто не может постоянно развиваться в сторону улучшения передаваемости. R0 у «дельты» выше, чем у сезонных коронавирусов и гриппа, но все же ниже, чем у полиомиелита или кори.

 

Ни один из известных человечеству вирусов не делает таких скачков инфекционности, как SARS-CoV-2 за последние два года, и ученые ожидают, что вирус в конечном итоге начнет вести себя соответствующим образом. Тревор Бедфорд, эволюционный биолог из Института Фреда Хатчинсона, говорит, что вирус должен уравновешивать свою способность воспроизводиться в больших количествах в дыхательных путях с необходимостью поддерживать здоровье носителей на достаточном уровне, чтобы заразить новых хозяев.

 

Эндрю Рамбо, эволюционный биолог из Эдинбургского университета в Великобритании:

 

Не в интересах вируса уложить кого-то в постель и заставить заболеть так сильно, чтобы инфицированный не имел возможности столкнуться с рядом других людей. Он должен быть заинтересован в полезной для себя эволюции в дыхательных путях людей, а это означает поддержание инфекции в течение более длительного периода времени и увеличение числа новых хозяев, подверженных воздействию вируса. В конечном итоге придется искать компромисс между тем, сколько вируса клетки могут воспроизвести, и тем, как быстро активируется иммунная система.

 

Если бы вирус эволюционировал таким образом, он становился бы для нас менее опасным. Но не все ученые так считают.

 

Франсуа Баллу:

 

Да, у вирусологов есть своего рода аксиома, что нечто легко передающееся становится менее опасным. Но я не разделяю такую точку зрения. Варианты, включая «альфу», «бету» и «дельту», связаны с повышенным уровнем госпитализаций и смертности — возможно, потому что они достигают таких высоких уровней размножения в дыхательных путях людей. Утверждение, что вирусы эволюционируют, чтобы стать более мягкими, в некотором роде миф. Реальность намного сложнее.

 

Возвышение «омикрона»

 

На «дельту» и ее потомков сейчас приходится подавляющее большинство случаев COVID-19 во всем мире. Исследователи предполагали, что линии «дельты» в конечном итоге вытеснят все другие варианты. Но «омикрон» опроверг все прогнозы.

 

«Многие из нас ожидали, что следующий странный вариант будет порождением «дельты», но «омикрон» спутал все карты», — говорит Арис Кацуракис, специалист по вирусной эволюции из Оксфордского университета. Команды из Ботсваны и Южной Африки определили этот вариант в конце ноября — хотя исследователи говорят, что он вряд ли возник в какой-либо из этих стран, — а официальные лица здравоохранения связали его с сильной вспышкой в провинции Гаутенг в ЮАР. «Омикрон» содержит более 30 изменений в шипе, многие из которых есть и в других вариантах, вызывающих беспокойство, и ученые всего мира работают над тем, чтобы оценить угрозу, которую он представляет.

 

Том Венселерс, специалист по эволюционной биологии и биоинформатике из Левенского католического университета в Бельгии:

 

Быстрый рост числа случаев «омикрона» в Южной Африке предполагает, что новый вариант имеет значительные преимущества по сравнению с «дельтой». «Омикрон» несет в себе некоторые мутации, связанные с инфекционностью «дельты». Но если бы повышенная инфекционность была единственной причиной его быстрого роста, это привело бы R0 к заоблачным значениям. Есть подозрения, что рост распространения «омикрона» может быть во многом связан с его способностью инфицировать людей, невосприимчивых к «дельте» после вакцинации или перенесенной инфекции.

 

Сара Коби, эволюционный биолог из Чикагского университета в Иллинойсе:

 

Представление ученых об «омикроне» все еще остается размытым, и пройдут месяцы, прежде чем они смогут полностью оценить его свойства. Но если этот вариант распространяется отчасти из-за своей способности обходить иммунитет, то это полностью согласуется с теоретическими предсказаниями относительно вероятного развития SARS-CoV-2.

 

По мере того как рост эффективности передачи SARS-CoV-2 начнет замедляться, вирусу придется поддерживать жизнеспособность, преодолевая иммунные реакции. Например, если мутация или набор мутаций снизят вдвое способность вакцины блокировать передачу, это может значительно увеличить количество доступных хозяев в популяции. Трудно представить, что любое увеличение инфекционности в будущем может дать такой же импульс.

 

По словам Адама Кухарски, эпидемиолога из Лондонской школы гигиены и тропической медицины, этот эволюционный путь к уклонению от иммунитета и уход от повышения инфекционности распространен среди известных респираторных вирусов, таких как грипп. «Самый простой способ для вируса вызвать новые эпидемии — это со временем ускользнуть от иммунитета. Нечто подобное мы видим и с сезонными коронавирусами».

 

Лабораторные эксперименты и секвенирование циркулирующих вариантов выявили множество мутаций в шиповом белке, которые ослабляют эффективность нейтрализующих антител, вызванных инфекцией и вакцинацией. Варианты, несущие эти же мутации, такие как «бета», снижают эффективность вакцин. Но они не устраняют защиту полностью, особенно от тяжелого течения болезни.

 

По сравнению с другими вариантами «омикрон» содержит намного больше этих мутаций, особенно в области шипа. Предварительные исследования показывают, что эти мутации могут сделать некоторые части спайкового белка неузнаваемыми для антител, вырабатываемых как ответ на вакцины и предшествующие инфекции, вызванные другими вариантами SARS-CoV-2. Но полностью оценивать эффекты этих мутаций пока слишком рано.

 

Джейсон Маклеллан, структурный биолог из Техасского университета в Остине:

 

Развитие с целью уклонения от иммунных ответов, таких как антитела, также может повлечь за собой некоторые эволюционные издержки. Мутация в спайке, которая ускользает от антител, может снизить способность вируса распознавать клетки-хозяева и связываться с ними. Рецептор-связывающая область белка-шипа — основная мишень для нейтрализующих антител — относительно мала. Этот участок не мог бы выдержать такие большие изменения и при этом исправно выполнять свои функции, основная из которых — присоединение к рецепторам ACE2 клетки-хозяина.

 

Также возможно, что появление различных версий спайка — через заражение разными вариантами вируса, обновления вакцины или и то, и другое, — может в конечном итоге создать стену иммунитета, которую SARS-CoV-2 будет трудно пробить. Мутации, которые преодолевают реакцию иммунитета некоторых людей, вряд ли будут препятствовать формированию иммунного ответа всей популяции, а опосредованный Т-клеточный иммунитет, еще одно звено иммунного ответа, кажется более устойчивым к изменениям в вирусном геноме.

 

Подобные ограничения могут замедлить уклонение SARS-CoV-2 от иммунитета, но вряд ли остановят его, говорит Джесси Блум. «Есть явные доказательства того, что некоторые мутации, связанные с уклонением от антител, не несут больших эволюционных затрат», — соглашается с ним Джейсон Маклеллан.

 

Переходный период?

 

Развитие SARS-CoV-2 в сторону уклонения от иммунитета имеет значение для его перехода в эндемический вирус. При таком раскладе не будет стабильного исходного уровня инфицирования. Вместо этого вирус может вызывать эпидемические вспышки разного масштаба, как грипп и большинство других распространенных респираторных инфекций.

 

Эндрю Рамбо:

 

Чтобы предсказать, как будут выглядеть эти вспышки, ученые изучают, насколько быстро популяция становится восприимчивой к инфекции, и происходит ли это в основном из-за вирусной эволюции, ослабления иммунных реакций или рождения детей без иммунитета к вирусу. «Я считаю, что небольшие изменения, которые открывают возможность повторного заражения определенной части населения, ранее подвергавшегося заражению, могут быть наиболее вероятной эволюционной траекторией.

 

Джесси Блум:

 

Самым позитивным для нас — но скорее всего наименее вероятным — будущим для SARS-CoV-2 был бы путь, повторяющий путь кори. Инфекция или вакцинация обеспечивают пожизненную защиту, и вирус циркулирует в основном за счет новорожденных. «Даже такой вирус, как корь, который, по сути, не имеет способности развиваться, чтобы избежать иммунитета, все еще существует.

 

Более вероятной, но все же относительно обнадеживающей параллелью для SARS-CoV-2 является респираторно-синцитиальный вирус (RSV). Большинство людей заражаются в первые два года жизни. RSV является основной причиной госпитализации младенцев, но большинство случаев в детстве протекает в легкой форме. Ослабление иммунитета и вирусная эволюция вместе позволяют новым штаммам RSV распространяться по планете каждый год, заражая взрослых в больших количествах, но с легкими симптомами из-за воздействия в детстве. Если SARS-CoV-2 пойдет по этому пути — с помощью вакцин, обеспечивающих надежную защиту от тяжелых заболеваний, — то, по словам Эндрю Рамбо, «он станет, по сути, детским вирусом».

 

Эволюционная траектория гриппа предлагает другой сценарий, по сути даже два. Вирус гриппа А, который ежегодно вызывает глобальные сезонные эпидемии, характеризуется быстрой эволюцией и распространением новых вариантов, способных преодолевать иммунитет, вызванный прошлыми штаммами. Результатом являются сезонные эпидемии в основном среди взрослых, у которых тем не менее все еще могут развиваться серьезные симптомы. Прививки от гриппа снижают тяжесть заболевания и замедляют передачу, но быстрое развитие гриппа А означает, что вакцины не всегда хорошо подходят для циркулирующих штаммов.

 

Однако если SARS-CoV-2 будет эволюционировать так, чтобы ускользать от иммунитета более вяло, он может стать похожим на грипп B. Более низкая скорость изменения этого вируса по сравнению с гриппом A означает, что его передача в значительной степени обусловлена инфекциями у детей, имеющих меньшую иммунную защиту по сравнению со взрослыми.

 

То, насколько быстро SARS-CoV-2 будет развиваться в сторону обхода иммунитета, также определит, нужно ли обновлять вакцины и как часто это потребуется делать. По словам Тревора Бедфорда, в какой-то момент, причем не столь отдаленный, понадобится обновить используемые препараты. Его команда обнаружила признаки того, что SARS-CoV-2 развивается намного быстрее, чем сезонные коронавирусы, и даже опережает грипп A (основная циркулирующая форма H3N2).

 

Бедфорд ожидает, что SARS-CoV-2 в конечном итоге замедлится до более устойчивого состояния. Но в какой точке это произойдет? Понадобится ли обновлять вакцины раз в год или в два либо каждые пять лет, ученые ответить не берутся.

 

Хотя другие респираторные вирусы, включая сезонные коронавирусы, предлагают несколько потенциальных вариантов будущего для SARS-CoV-2, эволюция вируса может пойти в совершенно другом направлении. Стремительное распространение варианта «дельта» и лавинообразный рост случаев «омикрона» создают благоприятную почву, чтобы SARS-CoV-2 совершил неожиданные дополнительные эволюционные скачки. Например, документ, подготовленный научно-консультативной группой правительства Великобритании еще в июле, рассматривал вероятность и риски того, что SARS-CoV-2 может стать более серьезным или избежать действия нынешних вакцин путем рекомбинации с другими коронавирусами. Продолжающаяся циркуляция в резервуарах животных (опубликованы исследования об обнаружении вируса в популяциях норки и белохвостых оленей) создает больше возможностей для неожиданных изменений, таких как уклонение от иммунитета или усиление тяжести заболевания.

 

Но пока будущее SARS-CoV-2 все еще в значительной степени находится в руках человека. Вакцинация как можно большего числа людей, пока препараты сохраняют эффективность, может помешать вирусу произвести структурные изменения, которые вызовут новые волны. По прошествии двух лет пандемии этот вирус все еще не зафиксирован, и его эволюция может преподнести какие угодно сюрпризы.

 

Источник: medvestnik.by

Оставьте ответ

Ваш электронный адрес не будет опубликован.