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今日果·昨日因（来自《Nature》的实锤）
跟踪新冠病毒在持续感染病例体内的演化过程，有助于理解Omicron以及其他VOC的起源。科学家们将如何应对这些知识？
——请再品鉴：
《今日果·昨日因》这个系列，之前已经写过三个版本。在搬运《Nature》版之前，还是简单回顾一下咱们自己的版本呗。
第一版请见：《今日果·昨日因》，太长不看版总结：
从2020年底直到现在，每一款拿到专属希腊字母称号的VOC和VUI，以及其他每一款有威胁但没能拿到专属称号的屁民变异株（比如C.1.2或者B.1.630这类），它们全部都是在各自的直接祖先过气6个月到16个月之后，突然冒头的，毫无预兆； 这些VOC/VUI或者屁民强者，全都没有经过部分流感专家心心念念的“抗原漂变”（antigenic drift），而是采用一种“偶发快速突变”（episodic accelerated mutation），或者又叫“跃迁演化”（saltation）的模式，迅速突变出全身上下的阴间变异，然后一面世就大杀四方、一桶浆糊； 而那些不走“偶发快速突变”模式，反而老老实实搞抗原漂变的分支，哪怕手气绝佳，逐渐累积出10%甚至20%的相对增长优势（比如AY.4.2），也难逃背景板的宿命，被层出不绝的阴间变异株拍死在沙滩上； 所有这些发生“偶发快速突变”的阴间变异株，它们的练功房大概率是免疫缺陷病例（而小概率是动物宿主）。只要上一波爆发时，这些特殊宿主被种下了恶因，那么6个月到16个月之后，就必然会有恶果萌芽而出； 很可惜，只凭打疫苗，还没法打断这种“今日果昨日因”模式的恶性循环。
第二版请见：《今日果，昨日因（掉书袋版）》，太长不看版总结：
之所以新冠病毒的变异株迭代，不走流感病毒那种抗原漂变为主（抗原转移为辅）的常规模式，而是改走更少见也更飘忽不定的跃迁演化模式，原因之一在于基因瓶颈； 抗原漂变的变异模式必须依靠连续的跨宿主传播实现，而新冠病毒跨宿主传播的瓶颈很窄，于是抗原漂变的变异模式（相对于跃迁演化模式）更不容易累积出优势突变组合； 所以后果就是，那些呼哧呼哧通过抗原漂变逐渐累积优势变异的分支，每隔几个月到半年左右，就会被突然不知道从哪个嘎达里冒出来的阴间变异株迅速拍死在沙滩上，成为被人遗忘的背景板（比如AY.4.2那种的）……
第三版请见：《今日果·昨日因（重制版）》，太长不看版总结：
这一版算是前面两版的重新表述~ 接下来，针对大佬Bedford老师的疑虑，引用了其他一些大佬的观点，说明了新冠病毒之所以和流感病毒不一样，喜欢走跃迁演化的模式实现流行株频繁交替，根本原因在于新冠病毒更容易形成长期持续感染，并且组织嗜性更广，于是可以利用宿主体内不同的器官/组织来同时发生演化，平行演化出多种不同的变异株。
——请品鉴：
真·大佬，剑桥Ravi Gupta老师，早在2021年1月初就预见了这一悲观前景……（另外，正好，下面的Nature文章也会提到Ravi老师）
引子部分：病毒学家Sissy Sonnleitner老师追踪了奥地利东蒂罗尔地区几乎所有的新冠病例。因此，当她发现当地某妇女连续几个月检测结果呈阳性时，Sonnleitner老师决心弄清楚到底发生了什么。
在2020年底感染新冠之前，这位60多岁的女性一直在服用免疫抑制药物来治疗淋巴瘤复发。新冠病毒在她体内持续感染了七个多月，但只导致了轻微的症状，包括疲劳和咳嗽等。
Sonnleitner老师效力于位于奥地利Außervillgraten的一家微生物学机构，她的同事们先后从这名妇女身上收集到了超过20份病毒样本。测序结果发现，病毒已经在她体内累积出了大约 22 个突变（下文详述），这22个突变当中的一半左右，以后都将再次现身于几个月之后才会冒头的Omicron身上。 对此，Sonnleitner老师表示：“当Omicron出现时，我们感到非常吃惊：“我们发现的变异株也有这些突变。”
——请再品鉴：
显然Omicron并非起源于这名病例体内，并且这名病例似乎也没能把病毒传播给其他任何人。不过，尽管现在还没建立起Omicron与某个具体病例之间的明确联系，但大佬们普遍相信，类似这名病例这样的持续感染者，可能是 催生Omicron和其他导致全球感染数激增的VOC的头号嫌疑犯。正如剑桥大学病毒学家Ravindra Gupta断定：“我认为任何人都不会怀疑，这（持续感染病例）就是新变异株的起源。”
研究人员想了解新冠病毒到底是怎样进化得更容易发生宿主间传播、怎么不断获得免疫逃逸能力，以及毒力怎么变高或变低。这些病毒学特征当中的一部分（甚至全部）可能正是在持续感染过程中形成的。对此，南非德班非洲健康研究所的病毒学家Alex Sigal老师表示：“我们现在还不太了解病毒可以在单宿主体内发生哪些演化，或者没法发生哪些演化。”
上述知识可能不太有助于预测下一个高致病性株型，也不太有助于追踪Omicron或者其他变异株的起源。尽管如此，病毒学家还是希望可以通过提高对病毒演化的认识，来预测未来的变异株将有可能是什么样的造型——甚至还有可能找到治疗这些持续感染的好方法。“这是一个非常重要的问题，因为我们实在不想看到另外一个令我们感到束手无策的阴间变异株。”Sigal 老师说。
“但以上只是整个演化故事的一小部分，”加拿大UBC的演化生物学家Sarah Otto老师说。每个人的感染事件都将构筑成一个自己的演化世界，随着感染链从一个细胞传播到另一个细胞，新的突变会不断出现。这些变异的绝大多数都对病毒无关紧要，还有另外很多变异反而会对病毒造成伤害。但在宿主体内演化过程当中，某些病毒始终有很小的可能性获得相对于其他病毒更有竞争优势的变异，比如有些可以传播能力，或者另外有些可以提供对抗宿主免疫系统的能力。总之，自2019年首次冒头以来，获取上述两方面的增益——即传染性和免疫逃逸能力——是新冠病毒演化最主要的方向。
新冠病毒的急性感染期通常会持续一到两周，然后病毒就会被免疫系统清除。在这个短短的窗口期之内，那些侥幸获得有利突变的病毒版本，几乎没有足够的时间去淘汰那些没能获得有利突变的病毒版本。因此，具有上述优势突变的病毒版本传播到下一个宿主的可能性并不大。研究表明，新冠病毒的续发感染，只需要几个病毒颗粒——甚至可能只需要一个就能实现。对此，哈金森研究所的演化生物学家Jesse Bloom老师表示：“当有人经过并吸气时，你打喷嚏喷出的那些飞沫携带了哪个病毒版本，这在很大程度上取决于运气。”……因此，病毒在上一代感染者身上随机获得的大部分增益突变都将会在跨宿主传播过程中丢失，然后病毒就必须在下一代感染者身上从头开始新的演化。”
上述这种“传播瓶颈”，就是为什么新冠病毒的常规变异速率会被锁死在全球平均每个月只出现两个突变的范围内。然而，在持续数周至数月之久的持续感染过程中，那些随机获出优势增益突变的病毒版本，将会有大把的时间去战胜宿主体内其他病毒版本。
与急性感染者相比，这些持续感染者还给了病毒充足的时间去演化得更加多样化。爱丁堡大学演化生物学家Andrew Rambaut老师表示。并且，通过一种被称为重组的过程，新冠病毒颗粒的基因组有可能重新组合在一起，那些随机获得了某种增益突变的病毒版本（例如可以更有效感染上呼吸道），将有可能跟那些获得了其他某种增益突变的病毒版本发生强强联合。“如果重组的结果是适应性更优秀的病毒株型，那么它就完全可能击败体内其他版本。”
Otto老师继续说，由于持续感染现象的存在，在全球范围内，“新冠病毒不仅有机会以一种方式、朝着一个方向演化，而是在几个月的时间跨度内，朝着数千个甚至数万个方向演化”。第三部分：瞄准刺突蛋白
每一个持续感染事件都各不相同，但在累积了数十份病例报告后，研究人员开始慢慢发现某些长期感染的常见特征。Otto老师说，其中最引人注目特征的之一，是病毒的刺突蛋白通常会积累大量的氨基酸变异，这些变异要么有助于提高细胞层面感染效率，要么主要针对人体免疫反应。
上述许多突变都发生在刺突蛋白当中被人类中和抗体直接靶向的区域，例如受体结合结构域（RBD）或者N端结构域（NTD），这些区域的功能包括识别和感染宿主细胞。南非开普敦大学的演化病毒学家Darren Martin表示，这种突变模式是理所当然的，如果宿主的免疫系统不足以完全清除感染，那么幸存的病毒就可能会被选出免疫逃逸突变，这些突变有助于它们在免疫系统的围剿中继续幸存下来。比如，某预印本显示，持续感染中最频发的突变位于刺突蛋白RBD结构域的E484位点。这一位点的变异可以防止一些中和抗体附着在病毒上。
还有一些突变，如果单打独斗的话，并不能很好地发挥作用。比如，去年Ravi Gupta老师团队跟进了一例持续感染102天的70多岁男性患者。这位患者的免疫系统受损，并最终死于新冠感染。在医生使用恢复期血浆对他进行治疗后，Gupta老师发现，患者气道中开始大量繁殖一种拥有刺突蛋白双突变的变异株。
上述双突变之一，即D796H，可以带来免疫逃逸的增益，但这种增益是有代价的。当Gupta老师他们设计出一种带了刺突蛋白D796H突变的假病毒模型来测量细胞感染效率时，他们发现这一突变将导致假病毒模型感染效率大幅跳水。但是，当假病毒模型同时带有这位患者身上发现的双突变时——上述第二个突变是69/70缺失突变——假病毒模型的感染效率却几乎完全恢复如初。对此，Gupta老师认为，这种补偿性的双突变模式，只有在持续感染时间足够长时才容易出现，将使病毒能够实现跃迁式的演化。“而当病毒不得不快速转换宿主时，它们就很难做到这一点。”
有些时候，研究人员甚至没法及时意识到某些突变的增益效果。 比如2020 年底，麻省某医院的Jonathan新冠病毒持续感染的详细病例报告：一名45 岁的患者患有某种罕见的自身免疫性疾病，在感染新冠病毒后最终病毒。病毒在患者体内产生了一些免疫逃逸型突变，包括E484K和N501Y——试验结果表明，后者可以提高病毒与宿主细胞受体结合的效率，因此可能会提高细胞感染效率。
结果…后来N501Y连续现身于Alpha、Beta和Gamma三大VOC。再后来的Omicron也携带这一突变（以及麻省这位患者体内发现的其他几种突变）。 对此，Li老师表示，“这位患者真可以称得上是一个提前出现的预兆。”第四部分，探寻变异株的源头：Alpha于2020 年底在英国被发现，是第一个疑似来自持续感染的新冠病毒变异株（拍老师的画外音：并不是）。但持续感染这并不是Alpha冒头的唯一解释，Rambaut老师表示。Alpha也有可能在英国之外某个地方出现，然后该地区可能没有能力对病毒演化进行测序监测；或者说，Alpha还可能在动物宿主中演化成形（Alpha的N501Y突变使其能够感染小鼠、大鼠和水貂）。（拍老师的画外音：之前中科院陈洛南老师就发文主张Alpha起源和跨物种感染回传有关……见下图）
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然而，后来某个偶然发现表明，Alpha起源可能性最高的假说，归根结底还是持续感染。根据Rambaut老师以及爱丁堡大学的演化生物学家Verity Hill老师在3月份的某预印本，他们在英国测序数据当中成功发现了中间版本的 Alpha。该序列是在2020年7月从英格兰东南部的某患者处收集到的，比Alpha在同一地区首次正式现身要早两个月。
这个中间版本的Alpha已经获得了N501Y以及Alpha的其他几个特征定义突变，但它仍然没能搜集齐全整套关键突变。Hill老师表示：“它当时正在积累这些突变。可能传播效率还略显垃圾”。她推论道，Alpha的这个中间版本获得了进一步的关键突变之后，它才真正拥有了一飞冲天的本事。
Omicron也有这种突变之间相互合纵连横的情况。Omicron，包括BA.1到BA.5等几种子毒株，可以说塞满了之前已经屡次冒头的突变，这些突变有的擅长免疫逃逸，有的则擅长提高感染效率。但让Martin老师最感到惊讶的是，当初席卷全球的BA.1子毒株，其刺突蛋白包含了整整13个罕见突变，老师们之前很少发现这些突变单独冒头，更不用说在同一个病毒里面集体现身了。
Martin老师团队提出了这样一个假说，即BA.1的这一大堆独门突变组合当中，有一些突变的作用在于抵消另外某些突变可能给基因组带来的适应性损失，使得后者可以全力发挥提升传染性的增益。“这些不同突变之间的复杂权衡关系需要花费很长的演化时间才能建立，在我看来，这意味着持续感染现象必不可少，”Martin老师表示。他还补充道，这种持续感染既有可能发生在人类，也有可能发生在某种动物宿主。第五部分：展望未来持续感染事件可能是Omicron和Alpha这里VOC诞生的最佳解释。但目前尚不清楚，通过单个宿主体内的持续感染如何获得VOC们的一大特点——它们像野火一样的宿主间传播能力。“这是一个真正的谜，”Bloom老师说。“当某一特性没有受到持续的正向选择压时，病原体通常就会逐渐损失这一特性。而在单宿主体内持续感染的状态下，病毒显然没有受到跨宿主传播方面的选择压。”
对于Bloom老师的这个疑问，一种可能的假说是，提高新冠病毒在人体呼吸道、肺部和其他某些器官感染效率的分子机制，对于提升病毒宿主间传播效率刚好也很重要。“正如Martin老师所说：“新冠病毒在宿主体内不同组织器官间发生蔓延时的传播机制，可能刚好跟在不同宿主间蔓延的机制相同。”
但Alpha跟Omicron这类VOC的本事，显然不止是“可以蔓延”，而是“可以制造全球范围内的大爆发”。让这类VOC得以脱颖而出的关键属性，可能是大幅提升的传染性，也可能是足以造成大量重复感染的免疫逃逸能力。对此，Rambaut老师表示，显然不是每一起持续感染都能制造出一款VOC，持续感染事件成功催生出VOC，只是百万分之一级别的小概率事件。
这就意味着，常规的监测机制不太可能在持续感染者体内及时检测到正在闭关修炼的阴间变异株。在5月份的某预印本中，研究人员发现某位感染Omicron的免疫缺陷病例，在持续感染过程中催生了额外的刺突蛋白突变，并且把发生过额外突变的Omicron传染给了同一家医院以及当地社区的其他续发病例。但总的来说，这类续发感染事件似乎很罕见。2月份有篇关于27名持续感染者的案例报告预印本表示，没有发现这27名病例发生续发传播的证据。这篇预印本的主要作者，以色列特拉维夫大学演化病毒学家Adi Stern老师表示，如果单次持续感染事件催生出VOC的几率很低，那么预防这一现象持续上演的唯一办法，就是降低全球各地的总体感染规模。
Sigal老师则表示，“我们不光是需要看到case report，而是迫切需要了解导致持续感染事件的病毒学因素，需要了解病毒在持续感染过程中实际发生的演化情况。”
Sigal老师团队正在某些出现了严重免疫缺陷的晚期HIV感染者，以某些可能导致新冠病毒持续感染的相关因素。HIV会CD4+ T细胞，而CD4+细胞的功能则包括对新冠病毒中和抗体提供支持。在Sigal老师某还未发表的研究中，他们发现，CD4+ T细胞水平降低，可能和新冠病毒持续感染事件有相关性。并且，在这种情况下，许多新冠感染者都是几乎不出现呼吸道症状的轻症病例。
鉴于HIV感染者的绝对数量（全球近 4000 万），同时也因为其中大多数人可能都已经感染新冠病毒，一些持续感染病例有可能正在催生全新的变异株。Otto老师表示。“从奥卡姆剃刀的角度考虑，我们知道这种情况正在上演。”
持续感染事件可能是Omicron和Alpha这里VOC诞生的最佳解释。但目前尚不清楚，通过单个宿主体内的持续感染如何获得VOC们的一大特点——它们像野火一样的宿主间传播能力。“这是一个真正的谜，”Bloom老师说。“当某一特性没有受到持续的正向选择压时，病原体通常就会逐渐损失这一特性。而在单宿主体内持续感染的状态下，病毒显然没有受到跨宿主传播方面的选择压。”
并且，免疫系统受损的感染者可能并不是阴间变异的唯一潜在来源。研究记录显示，具有健康免疫系统的的新冠感染症照样有可能发生长达数周的持续感染。Martin老师表示，从自然选择的角度来看，与持续一周的急性感染相比，持续三周的慢性感染显然将给病毒演化提供成倍的机会。
Hill老师则表示：“与免疫缺陷感染者相比，免疫系统相对健康的感染者可能为病毒演化提供更强大的选择压力。但是如何识别易发生持续感染的人群，或者这类人群有没有什么特征症状，这些都是悬而未决的问题。“Hill老师继续表示：“我怀疑持续感染现象可能比我们意识到的要普遍得多。”
去年，巴西里约热内卢Oswaldo Cruz研究所的病毒学家Gonzalo Bello老师发现了几种在巴西亚马孙州流行的变异株。这些变异株分别携带了Gamma的一部分（但不是全部）突变，而当这些突变组合到一起之后，就推动了该地区2021年凶猛的第二波大爆发。Bello老师因此表示，有证据表明Gamma可能不是在单一的持续感染病例体内修炼成形，而是从涉及了健康人群当中多起持续感染事件的传播链。
Bello老师认为，Gamma起源时的这种涉及多个持续感染病例的传输链，可能也是导致Omicron大家族旗下各变异株相互差异较大的原因。他说：“也许COV修炼成型的某些演化步骤发生在健康人体内，如果是免疫健全人群的持续感染导致了VOC诞生，那么提高全球疫苗接种率就可能有助于防止出现新的VOC。“Hill老师则补充说：“现在所有这些不受控的巨大感染波峰，都是在为下一波全新VOC播撒种子。”（拍老师的画外音：今日果，昨日因；明日果，今日因……）
在持续感染期间服用的抗病毒药物等，可能也会对病毒的演化造成影响。老师们正在密切监视新冠病毒对现有抗病毒药物的耐药性，例如Paxlovid和Molnupiravir（持续感染病例选出针对初代目神药瑞德西韦耐药性的情况已经实锤了…）。这些抗病毒药物的靶点都是一些高度保守的病毒蛋白，所以对于这些蛋白来说，选出耐药性的门槛很高，但Gupta老师表示：“以持续感染为特征的跃迁演化模式可能会为病毒争取到宝贵的演化时间。”
根据哥大病毒学家何大一老师团队某项还未发表的研究结果，至少在体外实验种，新冠病毒可以通过多种方式对抗Paxlovid，其中某些涉及到（上文提到过的）补偿性突变机制，即用额外的突变来抵消获得Paxlovid耐药性所必须牺牲的细胞感染效率。不过何老师表示，这类突变不太可能是现在被媒体炒得火热的Paxlovid复阳现象的原因（虽然何老师自己刚刚经历过服药后复阳……）。但是，不管怎么说，如果这种5天一疗程的抗病毒药物被长期用来治疗持续感染的话，那么耐药性可能很快就会冒头。
现在亟需解决的问题是确定病毒持续感染的有效治疗方法——特别是针对免疫缺陷人群的治疗方案，因为他们往往不会对疫苗产生有效的免疫反应。而绝大多数已获得批文的的单克隆抗体药物又对Omicron及其各子毒株无效——而且某预印本显示，用上述疗法来治疗持续感染的话，可能会出现耐药性。（拍老师的画外音：不是“可能”，是已经出现不少了……）
JHU公卫学院微生物学家Arturo Casadevall老师表示，理论上恢复期血浆应该比单抗的耐药性门槛更高。含有高水平多抗的血浆已被证明可以有效治疗 新冠病毒感染症，现在某些医生已经开始给免疫缺陷病例提供恢复期血浆。
Sigal老师则指出，针对HIV的抗逆转录病毒药物也可以帮助HIV感染者清除体内的新冠病毒持续感染，但这类药物的长期服药依从性又是个挑战。
去年10月，英国曾报告有持续感染病例在接种新冠疫苗后成功清除体内病毒。而本文最开始Sonnleitner老师研究的那位奥地利妇女，她在持续感染7个月之后也接种了疫苗。不过现在并不知道，接种疫苗是否是导致病毒被清除的原因。
然而，靠着打疫苗清除病毒的结果，患有持续感染者来说始终只是罕见的结局。大多数持续感染者的终点都是死亡。“这些案例报告看得让人伤心”，Stern老师表示. 现在全世界不少地方都在尝试假装大流行已经成为过去，很多身体健康的人都对所谓“致病性温和”的Omicron不屑一顾。对此，Stern老师表示：“必须给那些持续感染高风险人群提供更多的保护……不管是对这些高风险人群而言，还是对全人类社会来说，持续感染都非常危险。”
一句话总结：
新冠病毒在传播方面，选择走呼吸道病原体空气传播唯快不破的路线，但在适应性演化方面，则走上了依靠持续感染憋大招实现流行株快速交替的不归路……
正如Hill老师所说：
“现在所有这些不受控的巨大感染波峰，都是在为下一波全新VOC播撒种子。”
今日果，昨日因，
若问今日果，昨日做者是。
——最后，让我们再次膜拜真·大佬：
所以Ravi Gupta老师早在2021年1月份就悟出了这个道理……
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