南非突变株发生免疫逃逸，抗体药物或失效，新冠疫苗还有用吗？

本文作者：z_popeye

上个月，英国出现新冠病毒变异株的新闻吸引了全世界的关注，但几乎在同一时间，另一种被命名为 501.V2 的变异新冠病毒在南非悄然出现，传播异常迅猛。

随后，南非疫情迅速发展，目前已经成为非洲疫情最严重的国家。牛津大学医学教授、英国政府疫苗工作小组顾问贝尔表示，目前的疫苗对英国变异病毒有效，但对于南非变异病毒是否有效仍然存疑。

501.V2 正在给全球疫情带来更严峻的挑战。

传染力提高，新变体带来第二波疫情

501.V2 的所有突变中，有 3 个发生在刺突蛋白 RBD 区域（受体结合域）的突变至关重要，分别是：N501Y，E484K 和 K417N。除此之外，501.V2 在刺突蛋白的 NTD 区域（N 端结构域）也存在 L18F、D80A、D215G 等突变。

这些突变意味着什么？

我们首先来看「老朋友」N501Y。

N501Y 突变在英国变异株 B.1.1.7 中也有出现。（点击阅读此前文章《让 40 国对英禁航的变异新冠病毒，会对中国造成影响吗？》）不过，现有研究已经证明，南非变异株 501.V2 与英国变异株 B.1.1.7 并不同源。

N501 突变可以降低 RBD 关键残基的极性，从而提高新冠病毒与人体细胞表面 ACE2 受体的亲和力。也就是从理论上讲，N501Y 突变可能导致病毒更具感染力，使得新毒株更容易传播。 

图源：参考资料 1

根据英国卫生部专家组的模型分析，以 N501Y 为主要突变的 B.1.1.7 传染力提高 71%（95% 置信区间：67%～75%），R 值（未明确是 R0 或 Rt）绝对增长 0.39～0.93，也就是一个感染者较之前会多传染给大约 0.4～0.9 个周围的人。

而在南非，501Y.V2 最早于 2020 年 8 月在纳尔逊-曼德拉湾被发现，三个月后，它已然成为南非疫情中的主要流行毒株。

2020 年 12 月 18 日，南非卫生部部长姆赫兹宣布南非进入第二波疫情，而迅速抢占优势地位的 501Y.V2 ，正是「导致第二波疫情的主要原因」。

突变株出现免疫逃逸

复习了 N501Y，我们再来看 E484K。

同样发生在刺突蛋白的 RBD 区域，E484K 突变也有一定可能性改变病毒感染力。但 E484K 突变最备受关注的一点在于，它的出现可能会增加新冠病毒免疫逃逸的风险。

左图：不同突变对单克隆抗体或康复者血清的抵抗作用；右图：不同突变对单克隆抗体或康复者血清的中和作用（图源：参考文献 6）

2020 年 12 月 28 日，意大利托斯卡纳生命科学基金会免疫学家 Rino Rappuoli 等在 bioRxiv 上发表论文。为了筛选出能逃避既往感染产生抗体的病毒突变，研究人员尝试在一位新冠肺炎康复者的高中和水平血清中培养新冠病毒。

90 天内，培养的病毒出现了包括 E484K 在内的 3 个突变，同时不再对这名康复者的血清有反应。

虽然后续研究证明，这一毒株仍然可以被其他康复者的恢复期血清中和，但研究人员认为，E484K 突变、或其他一些 NTD 突变可能会使既往感染产生的抗体不再识别病毒，从而帮助病毒逃脱已建立的免疫应答。

这也意味着，那些已经被新冠病毒感染过的人，康复后仍可能被有 E484K 突变的新毒株再次感染。

1 月 19 日，南非针对 501Y.V2 召开线上学术会议。南非著名流行病学家 Salim Abdool Karim 在会上介绍了目前的研究结果：E484K 突变减弱了 9 份（共 11 份）康复者血清样本的抗体结合能力，而部分血清样本的中和能力甚至降低了 10 倍以上。也就是说，需要 10 倍以上的血清才能完全中和同样的病毒量。

另一份来自南非国家传染病研究所的研究发现，44 份康复者血清样本中，90% 以上出现了免疫反应减弱的情况，而其中的 21 份（48%）完全失去对 501.V2 的中和能力。只有 3 份来自重症康复者的血清样本仍保持了较强的中和能力，这是因为重症患者康复后，血清内中和抗体的浓度较高。

但 Salim Abdool Karim 特别指出，目前的研究仅限于抗体结合，T 细胞介导的免疫反应仍对防止再次感染起着重要作用。

疫苗和抗体疗法可能被影响

E484K 突变迅速吸引了全球科学家的关注。病毒变异出现免疫逃逸，现有的疫苗还有效吗？

美国洛克菲勒大学免疫学专家 Michel C. Nussenzweig 收集了 20 名新冠疫苗志愿者的血清样本（其中 14 名接种了 Moderna 疫苗 mRNA-1273，6 名接种了辉瑞疫苗 BNT162b2），并制作了具有 K417N、E484K、N501Y 三个突变的假病毒。

随后，研究人员使用血清样本对假病毒做中和，发现血清中和活性降低了 1 到 3 倍，而这意味着需要 1 到 3 倍的血清才能中和同样多的病毒。

从志愿者体内分离的单克隆抗体，22/84（26%）的抗体结合至少减少了 5 倍；对 17 个强中和活性的抗体做中和，发现其中 9 个抗体对 E484K 的中和活性至少减少 10 倍， 5 个对 K417N 至少减少 10 倍，4 个对 N501Y 至少减少 10 倍。

图源：参考文献 7

面对这样的情况，美国 Fred Hutch 研究所的病毒学家 Trevor Bedford 认为，未来需要密切监测病毒变异的趋势，并及时更新疫苗。

而与辉瑞合作生产 mRNA 疫苗的 BioNTech 也表示，针对英国和南非出现的变异病毒，公司「有能力在 6 周内提供新的疫苗」。

除了疫苗，抗体疗法的效果也可能会受到病毒突变的影响。

一篇于 12 月 1 日发表在预印本 bioRixv 上的论文显示，研究人员尝试筛选出对于再生元双抗联合疗法（REGN10933+REGN10987）和礼来/君实联合开发的单抗疗法（LY-CoV016）不再敏感的突变株。

结果显示，前者筛选出 1 个突变位点 E406W；后者筛选出 3 个突变位点，K417N、N460T、A475V。而其中 K417N 正是 501.V2 中发现的关键突变位点之一。

1 月 4 日一篇发表在 bioRixv 的研究显示，K417N 完全逃逸了 1 类中和抗体：CA1、LyCoV016、CC12.1。E484K 完全逃逸了 2 类中和抗体（BD23、C119、P2B-2F6）。

图源：参考文献 9

也就是说，同时拥有 E484K 和 K417N 两种突变的 501.V2 变体有可能完全逃逸这 3 类中和抗体。

以上这些研究意味着，新冠突变株的出现极有可能对现有单抗疗法的效力产生明显的削弱作用，尤其是对于那些恰好在识别位点发生突变的单抗疗法。而多个抗体的联合疗法或许能更好抵御病毒突变的影响。（审核：gyouza）

致谢：感谢 中国科学院微生物博士 @二手的科学家，中科院上海巴斯德研究所免疫学博士 @最后一次吃糖，北海道大学神经科学硕士、盛诺一家高级医学顾问 庄时利和 对本文做出的贡献

【注】

中国科学院微生物博士 @二手的科学家 审核意见：

新冠疫苗虽然已经陆续在全球迅速推进接种，但战胜一场全球性的流行病，远没有我们想象地那么容易。如果说仅有一个关键位点 N501Y 突变的英国突变株是小试牛刀，具备三个关键位点突变的南非突变株便是更上层楼。而现有新冠疫苗对于南非突变株是否还仍旧高效成了大家十分关心的话题。

上文中的一个非常重要的参考资料中，研究人员用 20 份接种了 mRNA 疫苗（mRNA-1273 或 BNT162b2）的志愿者血清对新冠假病毒突变株进行中和试验。结果显示，血清对 E484K（单突变）、N501Y（单突变）和 K417 : E484K : N501Y（三突变）假病毒突变株中和活性分别下降了 1～3 倍、1.3～2.5（下图 B）倍和 1.1～3 倍。看到这个数据，也许大家对于现有疫苗的有效性丧失了很大信心。毕竟以上两个 mRNA 疫苗代表了目前保护效力最高的新冠疫苗品种。

但是，真相可能还有转机。

在 2021/01/07 的预印本网站上，辉瑞的团队同样用接种了 mRNA 疫苗 BNT162b2 的 20 份志愿者血清对 N501Y 单突变病毒分离株进行了真病毒的中和试验，结果显示，BNT162b2 疫苗所诱导的中和血清对于 N501Y 单突变株依旧有效，甚至部分血清中和效价还有所升高（下图 A）。

因此，从以上数据我们至少可以获得一个信息，即不同的实验室使用不同来源的血清，用假病毒或真病毒突变株进行中和试验，可能得到非常不同的结论。我们需要更多、更有说服力的数据来相对准确地回答现有疫苗是否仍旧对南非突变株有效的问题，尤其是用更多的疫苗接种志愿者血清样本直接针对野生型分离突变株的中和试验数据。

此外，大多数人可能还记得，不管是辉瑞的 BNT162b2 还是 Moderna 的 mRNA-1273 新冠疫苗，此前公布的临床数据显示，两个 mRNA 疫苗诱导的血清中和抗体滴度均可达康复者血清的 3～4 倍。即便是对突变株的中和效力有所减弱，也不太会迅速降低至 WHO 推荐的 50% 保护率以下。

因此，针对全球形势依旧严峻的新冠疫情，当务之急依旧是快速扩产和快速推进接种范围。同时，针对新冠突变株，需要加大研究、跟踪、检测以及开始在临床前做好使用突变抗原进行疫苗更新的准备。

 

接种疫苗志愿者中和血清对 N501Y 新冠突变株中和滴度对比数据。黑色为 Moderna 疫苗；红色为辉瑞疫苗（图源：参考资料 10、11）

参考资料：

[10].Xuping Xie, et al., Neutralization of N501Y mutant SARS-CoV-2 by BNT162b2 vaccine-elicited sera. BioRxiv. DOI: 10.1101/2021.01.07.425740.

[11].Zijun Wang, et al., mRNA vaccine-elicited antibodies to SARS-CoV-2 and circulating variants. BioRxiv. DOI: 10.1101/2021.01.15.426911.

中科院上海巴斯德研究所免疫学博士 @最后一次吃糖 审核意见：

目前还未看到评价血清中和能力的金标准，即血清对 N501.V1（英国）、V2（南非）、V3（巴西）真病毒的 PRNT50/80 数据，无法准确评估逃逸能力。

但根据现有证据来看有几点是肯定的：1）N501.V1 的逃逸能力很弱；2）N501.V2 对血清的逃逸能力很强；3）接种 RNA 疫苗的志愿者血清比自然感染患者的血清抵抗毒株突变的能力要强得多；4）即使有毒株逃逸了血清抗体，但记忆 T 细胞仍然是有效的，希望可以尽快大范围接种疫苗。

题图来源：YouTube 视频截图

参考资料：

[1]Starr TN, Greaney AJ,  Bloom JD, et al. Deep Mutational Scanning of SARS-CoV-2 Receptor Binding Domain Reveals Constraints on Folding and ACE2 Binding. Cell. 2020 Sep 3;182(5):1295-1310.e20.

[2]Tegally H, Wilkinson E, Giovanetti M, et al. Emergence and rapid spread of a new severe acute respiratory syndrome-related coronavirus 2 (SARS-CoV-2) lineage with multiple spike mutations in South Africa[J]. medRxiv, 2020.

[3]Could new COVID variants undermine vaccines? Labs scramble to find out. Nature, 07 January 2021

[4]Andreano E, Piccini G, Licastro D, et al. SARS-CoV-2 escape in vitro from a highly neutralizing COVID-19 convalescent plasma[J]. bioRxiv, 2020.

[5]Greaney A J, Loes A N, Crawford K H D, et al. Comprehensive mapping of mutations to the SARS-CoV-2 receptor-binding domain that affect recognition by polyclonal human serum antibodies[J]. bioRxiv, 2020: 2020.12. 31.425021.

[6]Liu Z, VanBlargan L A, Rothlauf P W, et al. Landscape analysis of escape variants identifies SARS-CoV-2 spike mutations that attenuate monoclonal and serum antibody neutralization[J]. Available at SSRN 3725763, 2020.

[7]mRNA vaccine-elicited antibodies to SARS-CoV-2 and circulating variants. Zijun Wang, Michel C. Nussenzweig. doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.15.426911

[8]Tyler N. Starr, et al., Prospective mapping of viral mutations that escape antibodies used to treat COVID-19. BioRxiv. DOI: 10.1101/2020.11.30.405472.

[9]SARS-CoV-2 501Y.V2 escapes neutralization by South African COVID-19 donor plasma. Penny L. Moore. doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.18.427166