Вирусолог Сисси Зоннлейтнер отслеживает почти каждый случай заболевания COVID-19 в суровом восточном Тироле в Австрии. Поэтому, когда у одной женщины там в течение нескольких месяцев подряд сохранялся положительный тест, Зоннлейтнер была полна решимости выяснить, в чем дело.
Перед тем как заразиться вирусом SARS-CoV-2 в конце 2020 года, женщина, которой было за 60, принимала иммуносупрессивные препараты для лечения рецидива лимфомы. Инфекция COVID-19 сохранялась более семи месяцев, вызывая относительно легкие симптомы, включая утомляемость и кашель.
Зоннлейтнер, работающая в микробиологическом центре в Ауссервильгратене (Австрия), и ее коллеги отобрали у женщины более двух десятков образцов вируса и с помощью генетического секвенирования обнаружили, что он приобрел около 22 мутаций. Примерно половина из них была обнаружена в сильно мутировавшем варианте Омикрон, который распространился по всему миру несколько месяцев спустя. "Когда был обнаружен Омикрон, мы были очень удивлены", - говорит Зоннляйтнер. "У нас уже были эти мутации в нашем варианте".
Омикрон не возник в результате инфекции у этой женщины, которая, похоже, ни на кого не распространилась. И хотя точной связи с отдельными случаями не установлено, хронические инфекции, подобные этой, являются ведущими кандидатами на происхождение Омикрона и других вариантов, которые вызвали рост COVID-19 во всем мире. "Я думаю, что ни у кого не может быть сомнений в том, что это источник новых вариантов", - говорит Равиндра Гупта, вирусолог из Кембриджского университета.
Исследователи хотят понять, как вирус может развивать способность легче распространяться от человека к человеку, уклоняться от иммунного ответа, становиться более или менее тяжелым. Некоторые или все эти качества могут быть выработаны в ходе хронической инфекции. "Мы не совсем понимаем, что может развиться в одном человеке, а что нет", - говорит Алекс Сигал, вирусолог из Африканского научно-исследовательского института здравоохранения в Дурбане, Южная Африка.
Шансы на то, что эти знания помогут предсказать следующий смертоносный штамм или даже отследить происхождение таких вариантов, как Омикрон, невелики. Тем не менее, вирусологи надеются, что, улучшив понимание эволюции вирусов, они смогут предвидеть, как могут выглядеть будущие варианты, и, возможно, найти лучшие способы лечения хронических инфекций.
"Это очень важная проблема, поскольку мы не хотим получить еще один вариант, с которым мы не сможем справиться", - говорит Сигал.
Смертельная конкуренция
С конца 2019 года ученые секвенировали геномы более 11 миллионов образцов SARS-CoV-2, взятых у людей. Эти усилия позволили составить эволюционное древо, которое поражает своей широтой и показывает, как вирус менялся во время своего шествия по планете, получая всего пару стабильных мутаций в месяц при переходе от человека к человеку.
"Но это только одна часть эволюционной истории, - говорит Сара Отто, эволюционный биолог из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, Канада. Инфекция каждого человека - это своя собственная вселенная, в которой возникают новые мутации по мере распространения инфекции от клетки к клетке. Большинство из этих изменений не будут иметь значения для вируса, а многие принесут ему вред. Но некоторые могут дать ему небольшое преимущество перед другими версиями вируса в организме человека, повышая его способность к распространению или обеспечивая определенную устойчивость к иммунной защите. Эти две черты - инфекционность и уклонение от иммунитета - являются основными путями эволюции SARS-CoV-2 с момента его появления в 2019 году.
При острых инфекциях SARS-CoV-2, которые обычно длятся неделю или две, прежде чем иммунная система избавляется от них, версии вируса с выгодными мутациями имеют мало времени, чтобы победить те, у которых они отсутствуют. Поэтому вероятность того, что вирус с таким преимуществом передастся другому человеку, невелика. Исследования показывают, что для зарождения новой инфекции требуется всего несколько вирусных частиц - возможно, даже всего одна. "Какой из этих вирусов окажется в аэрозольной капле, которую вы выдыхаете, когда кто-то проходит мимо и вдыхает воздух, - это в основном вопрос удачи", - говорит Джесси Блум, эволюционный биолог из Онкологического центра Фреда Хатчинсона в Сиэтле, штат Вашингтон. "Таким образом, большинство полезных мутаций, возникших у пациента, теряются, и эволюции приходится начинать все сначала".
Это "узкое место передачи" является причиной того, что SARS-CoV-2 набирает в среднем около двух мутаций в месяц по всему миру. Но при хронических инфекциях, которые длятся от нескольких недель до нескольких месяцев, вирусы с выгодными мутациями успевают обогнать другие.
По сравнению с острыми случаями, эти длительные инфекции также дают время для развития гораздо большего вирусного разнообразия. А благодаря процессу рекомбинации, который может перемешивать геномы частиц SARS-CoV-2, мутации, полезные в одной части тела, например, в верхних дыхательных путях, могут проявиться в вирусах с другими полезными свойствами, говорит Эндрю Рамбо, эволюционный биолог из Эдинбургского университета, Великобритания. "Если в результате получится более приспособленный вирус, он может внезапно выстрелить".
В результате хронических инфекций в глобальном масштабе "у этого вируса есть возможность эволюционировать не просто в одном направлении, а буквально в тысячах, может быть, десятках тысяч направлений в течение нескольких месяцев", - говорит Отто.
Нацеливание спайка
Нет двух одинаковых хронических инфекций. Но в десятках случаев исследователи начали выявлять общие признаки длительной инфекции. Одним из самых поразительных, говорит Отто, является большое количество аминокислотных изменений, которые накапливаются в белке шипа вируса, который помогает ему инфицировать клетки и является основной мишенью для иммунного ответа организма.
Многие из этих мутаций связаны с теми областями белка спайка, которые являются мишенью для антител, например, его домен связывания рецепторов (RBD) и N-концевой домен, которые участвуют в распознавании и инфицировании клеток хозяина. Это имеет смысл, говорит Даррен Мартин, эволюционный вирусолог из Кейптаунского университета в Южной Африке. Если иммунная система человека не в состоянии полностью очистить организм от инфекции, то выжившие вирусы, скорее всего, несут в себе ослабляющие иммунитет мутации, которые помогли им пережить атаку. Одно из исследований , еще не прошедшее экспертную оценку, показало, что наиболее распространенная мутация при хронических инфекциях происходит в позиции в RBD белка спайка под названием E484. Изменения в этом месте могут препятствовать присоединению к вирусу некоторых мощных антител, блокирующих инфекцию.
Некоторые мутации сами по себе работают не очень хорошо. В прошлом году Гупта и его коллеги описали 102-дневную инфекцию у мужчины 70 лет с ослабленной иммунной системой, который в конечном итоге умер от инфекции. После того, как врачи лечили его реконвалесцентной плазмой - содержащей антитела донорской крови людей, выздоровевших от COVID-19 - команда Гупты обнаружила, что в дыхательных путях мужчины процветали вирусы с парой мутаций белка спайка.
Частицы SARS-CoV-2 (зеленые) в инфицированных обонятельных эпителиальных клетках. Фото: NIAID/NIH/SPL
Одна из мутаций, названная D796H, обеспечивала устойчивость к антителам - но это преимущество досталось вирусу дорогой ценой. Когда исследователи создали нереплицирующийся "псевдотип вируса", несущий мутацию D796H, и измерили, насколько хорошо он может заражать клетки в лаборатории, они обнаружили, что только эта мутация делает псевдотип вируса значительно менее контагиозным. Но когда псевдотип вируса также содержал вторую мутацию, обнаруженную у того же человека - двухаминокислотную делецию в сайтах 69 и 70 - инфекционность восстанавливалась почти полностью. Такие компенсаторные мутации, которые имеют больше времени для возникновения при хронических инфекциях, позволяют вирусу совершать эволюционные скачки, говорит Гупта. "Вирусам трудно сделать это, когда они очень быстро переходят от одного хозяина к другому".
В некоторых случаях мутации приобретали смысл только с опозданием. В конце 2020 года Джонатан Ли, врач-ученый из больницы Бригама в Бостоне, штат Массачусетс, и его коллеги опубликовали первый подробный отчет о хронической инфекции SARS-CoV-2: в конечном итоге смертельный случай у 45-летнего мужчины, страдавшего редким аутоиммунным заболеванием. В вирусе развились мутации, связанные с устойчивостью к антителам, включая E484K, и еще одна мутация под названием N501Y, которая, по данным лабораторных исследований, улучшает способность вируса связываться с рецепторами клетки-хозяина, потенциально повышая инфекционность.
Значение изменения N501Y стало очевидным, когда оно было обнаружено в трио быстрорастущих линий, названных впоследствии Альфа, Бета и Гамма - вариантами вызывающими опасения(ВВО). Омикрон несет эту мутацию, а также несколько других, выявленных при заражении мужчины. "Он действительно был предвестником того, что должно было произойти", - говорит Ли.
В поисках происхождения вариантов
Альфа, выявленный в Великобритании в конце 2020 года, стал первым вариантом SARS-CoV-2, предположительно возникшим в результате хронической инфекции. Но это не единственное возможное объяснение, говорит Рамбо. Этот вариант мог возникнуть в регионе - вероятно, за пределами Соединенного Королевства, - который не имел достаточных возможностей для проведения геномного мониторинга SARS-CoV-2. В качестве альтернативы, Альфа могла развиться в животном резервуаре (мутация N501Y этого варианта позволяет ему заражать мышей, крыс и норок).
Тем не менее, случайное открытие говорит о том, что наиболее вероятным источником Альфы была хроническая инфекция. Рамбо и Верити Хилл, эволюционный биолог из Эдинбургского университета, сообщили в мартовском препринте об обнаружении промежуточной версии Альфы в данных секвенирования Великобритании. Сиквенс был получен от человека в юго-восточной Англии в июле 2020 года, за два месяца до того, как Альфа была впервые обнаружена в том же регионе.
Вирус приобрел мутацию N501Y, а также несколько других отличительных признаков Альфы, но у него отсутствовал полный набор изменений. "Он накапливал эти мутации. Вероятно, он был не очень хорош в распространении", - говорит Хилл. По ее мнению, только после того, как промежуточный вариант Альфа приобрел дополнительные мутации, он смог распространиться.
Комбинации мутаций наблюдаются и в Омикроне. Этот вариант, включающий несколько сублиний с большим количеством перекрывающихся мутаций, полон генетических изменений, связанных как с иммунным ускользанием, так и с инфекционностью, которые были замечены ранее. Но Мартин обратил внимание на то, что подвариант BA.1, который вызвал волны Омикрона в большинстве стран, содержит набор из 13 мутаций шипа, которые ученые редко видели по отдельности, а тем более все вместе в одном вирусе.
Мартин и его коллеги предполагают, что среди этого уникального набора мутаций есть такие, которые помогли компенсировать эволюционные издержки, связанные с мутациями, ускорившими распространение Омикрона. "Эти компромиссы требуют длительного времени для их разрешения, и для этого, по моему мнению, необходимы хронические инфекции", - говорит Мартин. Они могут быть как у людей, так и у животных, добавляет он.
Другая особенность Омикрона - снижение тяжести заболевания - также может быть результатом хронической инфекции. Лабораторные исследования показали, что относительная мягкость Омикрона может быть результатом того, что он предпочитает инфицировать клетки верхних дыхательных путей, а не клетки легких. Вероятно, этот вариант произошел от штамма, который хорошо инфицировал как верхние, так и нижние дыхательные пути. Гупта подозревает, что переход Омикрона, вероятно, зависел от скоординированной эволюции, которая происходит, когда вирус проводит месяцы в организме одного человека. Но пока неясно, какие эволюционные силы способствовали такому изменению, добавляет он.
Быть начеку
Хронические инфекции могут быть лучшим объяснением того, как развивались такие варианты, как Омикрон и Альфа. Но не вполне понятно, как одна из определяющих характеристик большинства вариантов - их способность распространяться между людьми как лесной пожар - могла развиться у одного человека. "Это настоящая загадка", - говорит Блум. "Когда что-то не подвергается отбору, вы часто теряете это. Во время хронической инфекции отбор на трансмиссивность больше не ведется".
Одно из возможных объяснений заключается в том, что те же молекулярные механизмы, которые помогают SARS-CoV-2 инфицировать дыхательные пути, легкие и другие органы человека, также важны для того, чтобы вирус мог распространяться среди других людей. "Когда вирус находится внутри вас, требуется та же динамика передачи, что и при переходе от одного человека к другому, - говорит Мартин.
Но есть разница между вирусом, который просто сохраняет способность передаваться, и вирусом типа Омикрон или Альфа, который может вызвать глобальный всплеск заболеваемости. Масштабный рост трансмиссивности или способности заражать ранее иммунизированных людей может быть тем, что отличает опасный ВВО, говорит Рамбо. "Дело не в том, что все хронические инфекции будут образовывать ВВО. Это будет один случай на миллион".
Это означает, что наблюдение вряд ли сможет обнаружить вариант в момент его появления. В препринте, опубликованном в мае, исследователи заметили штамм Омикрон, который получил другие мутации спайка в ходе хронической инфекции у человека с ослабленным иммунитетом, и показали, что он распространился среди нескольких человек в той же больнице, а также в местном сообществе. Однако более широкое распространение таких инфекций представляется крайне редким явлением. В февральском препринте, в котором документально описаны 27 пациентов с хроническими инфекциями, нет никаких доказательств того, что кто-либо из них распространил вирус среди других людей. Если ВВО так редко возникают в результате хронических инфекций, то их будет трудно предотвратить, не снизив при этом общий уровень заболеваемости во всем мире, говорит Ади Штерн, эволюционный вирусолог из Тель-Авивского университета в Израиле, возглавлявший исследование.
Тем не менее, существует острая необходимость в понимании вирусных факторов, способствующих развитию хронических инфекций. "Нам нужно выйти за рамки сообщений о конкретных случаях и понять, как на самом деле эволюционирует вирус в течение этого времени", - говорит Сигал.
Сигал и его команда отслеживают людей с ВИЧ на поздних стадиях, чья иммунная система может быть серьезно подорвана, чтобы выявить факторы, связанные с хронической инфекцией SARS-CoV-2. ВИЧ поражает CD4+ T-клетки, которые также поддерживают выработку антител против таких вирусов, как SARS-CoV-2. В еще не опубликованном исследовании Сигал и его коллеги обнаружили, что низкий уровень CD4+ T-клеток связан с риском хронической инфекции SARS-CoV-2, и что многие из этих случаев протекают в легкой форме, с небольшим количеством или отсутствием респираторных симптомов.
Исходя из огромного количества людей, живущих с ВИЧ - почти 40 миллионов человек во всем мире - и вероятности того, что большинство людей уже были инфицированы SARS-CoV-2, кажется вероятным, что некоторые случаи персистирующей инфекции способствуют появлению новых вариантов, говорит Отто. "С позиции бритвы Оккама мы знаем, что это может быть источником".
Люди с ослабленной иммунной системой - не единственный потенциальный источник вариантов. Исследователи зафиксировали случаи инфицирования SARS-CoV-2 у людей со здоровой иммунной системой в течение нескольких недель. С точки зрения естественного отбора, даже относительно короткая трехнедельная инфекция дает вирусу экспоненциально больше возможностей для эволюции по сравнению с острой инфекцией, длящейся неделю, говорит Мартин.
Люди с относительно здоровой иммунной системой также могут оказывать на вирус большее давление отбора, чем люди с ослабленным иммунным ответом, говорит Хилл. Но как выявить людей, восприимчивых к таким инфекциям, и как могут выглядеть их симптомы - вопрос открытый. "Я подозреваю, что они встречаются гораздо чаще, чем мы думаем", - отмечает Хилл.
В прошлом году Гонсало Белло, вирусолог из Института Освальдо Круз в Рио-де-Жанейро, Бразилия, и его коллеги выявили несколько штаммов SARS-CoV-2, циркулирующих в штате Амазонас в Бразилии. Они несли некоторые, но не все, мутации, обнаруженные в варианте Гамма, который вызвал свирепую вторую волну в регионе в 2021 году. Но каждый из штаммов, похожих на Гамму, также имел свои собственные уникальные мутации: по словам Белло, это свидетельствует о том, что Гамма могла развиться не из одной хронической инфекции, а из цепочки инфекций средней продолжительности с участием относительно здоровых людей.
Такие цепочки передачи могли внести свой вклад в разнообразие линий Омикрона, предполагает Белло. "Возможно, именно у этих людей происходят некоторые этапы в происхождении ВВО, - говорит он. И если хронические инфекции у здоровых людей являются вероятным источником ВВО, то повышение уровня вакцинации в мире может помочь предотвратить появление новых, добавляет Хилл.
"Когда у вас возникают большие неконтролируемые волны инфекций, вы сеете семена для следующих".
Противовирусные препараты и другие виды лечения, принимаемые во время хронической инфекции, также могут сыграть свою роль в эволюции вируса. Одним из признаков, на который обращают внимание ученые, является устойчивость к препаратам COVID-19, таким как паксловид и молнупиравир. (Устойчивость к противовирусному препарату ремдезивир уже была зафиксирована при хронических инфекциях). Эти препараты воздействуют на высококонсервативные вирусные белки, для которых барьер устойчивости к лекарствам высок, но эволюционные скачки, характерные для хронических инфекций, могут дать вирусу время, чтобы придумать способ их обойти, говорит Гупта.
В ходе неопубликованных лабораторных экспериментов группа под руководством вирусолога Дэвида Хо из Колумбийского университета в Нью-Йорке обнаружила, что SARS-CoV-2 может идти различными путями к устойчивости к паксловиду. Некоторые из них связаны с получением компенсаторных мутаций, которые позволяют вирусу преодолеть издержки устойчивости к паксловиду, что позволяет ему процветать, по крайней мере, в лабораторных условиях. Такие мутации вряд ли стоят за эпизодическими сообщениями о возобновлении симптомов SARS-CoV-2 после лечения паксловидом, говорит Хо (который сам пережил такое возобновление). Но если препарат, который обычно принимается в течение пяти дней, будет применяться в течение более длительного периода времени для лечения хронической инфекции, велика вероятность появления резистентности.
Также необходимо срочно найти эффективные методы лечения хронических инфекций - особенно у людей с нарушениями иммунной системы, которые не всегда хорошо реагируют на вакцины. Большинство утвержденных препаратов моноклональных антител не эффективны против Омикрона и его разновидностей, и исследователи показали, что устойчивость к этим препаратам может возникнуть при их использовании для лечения хронических инфекций.
Конвалесцентная плазма должна создавать более высокий эволюционный барьер, чем терапия моноклональными антителами, считает Артуро Касадевалл, микробиолог из Школы общественного здравоохранения Джона Хопкинса Блумберга в Балтиморе, штат Мэриленд. Плазма, содержащая большое количество разнообразных антител, показала свою эффективность в лечении COVID-19, и некоторые врачи теперь дают ее людям с ослабленной иммунной системой. Антиретровирусные препараты, направленные против ВИЧ, также могут помочь людям, живущим с этим вирусом, избавиться от хронической инфекции SARS-CoV-2, но соблюдение режима приема препаратов может быть сложной задачей, отмечает Сигал.
В октябре прошлого года британские врачи сообщили о случае, когда хроническая инфекция у человека прошла после введения вакцины COVID-19. У австрийской женщины, которую исследовали Зоннлейтнер и ее коллеги, окончание семимесячной инфекции также последовало за вакцинацией. Но невозможно узнать, помогла ли ей выздороветь именно вакцина.
Однако такие исходы редки для людей с хроническими инфекциями; многие сообщения заканчиваются смертью. "Это действительно душераздирающие случаи", - говорит Стерн. Пока во многих частях мира пытаются отойти от пандемии, а некоторые здоровые люди пожимают плечами из-за "легкой" инфекции Омикрона, Стерн говорит, что мы должны сделать больше для защиты тех, кто наиболее подвержен риску хронической инфекции SARS-CoV-2. "Это опасно для них - и это опасно для нас как общества".
