在病毒学中应用流行病学:来自COVID-19的经验

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在过去的两年里，病毒学研究人员一直试图领先于COVID-19大流行背后的病原体——严重急性呼吸综合征冠状病毒2 (SARS-CoV-2)。为了做到这一点，他们将经典流行病学(即研究病毒在人群中的运动)的数据与遗传流行病学(跟踪新变异的进化)相结合。我们采访了两位研究人员，了解他们如何利用流行病学的见解来回答有关现有病毒和新出现病毒的关键问题。

研究新出现病毒的起源

“每当一种新病毒出现时，你都需要回答一系列问题，”他说马里恩库普曼斯他是伊拉斯谟医学院病毒科学系的负责人。“你需要知道这种病毒是什么，它会导致疾病吗?这种病严重吗?感染的范围有多广——是否在人类和/或动物中发现，在哪些地方发现?”为了解决这个问题，你需要一个精心设计的流行病学研究。这意味着将病毒学实验室工具和血清学与来自患者样本和队列、社区调查和/或动物种群调查的流行病学信息结合起来。“然后你可能会添加基因测序，以真正帮助你重建导致爆发的事件:这种病毒是如何在社区中传播的?这和动物有联系吗?病毒是单次传入还是多次传入?”

库普曼斯教授的一项研究强调了将遗传信息和流行病学信息结合起来的重要性，该研究考察了荷兰养殖水貂在SARS-CoV-2传播中的作用。¹“当大流行开始时，很早就有人提到了一只狗和一些猫的感染，所以我们一群人聚在一起问，我们还应该注意哪些动物?因为如果你有一种全新的疾病，你真的不知道它会在哪里传播，”库普曼斯解释道。由此，他们根据目前已知的病毒用来感染细胞的受体，列出了一些动物物种的候选名单。“水貂榜上有名，因为它们与雪貂有亲缘关系，雪貂被用作实验室中研究病毒活性的模型。”

他们开始通过荷兰的一个农业健康监测项目对水貂进行筛查，很快就报告了COVID-19的第一个证据。“这引发了一系列流行病学研究，以确定感染的范围有多广。一旦我们对水貂病毒的基因组进行测序，我们发现它们与在人类中传播的病毒直接相关。然后我们通过市政卫生服务部门，试图查明农场里的人是否生病了，以及他们的SARS-CoV-2检测是否呈阳性。”他们在水貂中首次报告病例的几周前就在农场发现了病例的证据，但基因测序显示了病毒何时被引入。“这告诉我们，农场的传播已经持续了一段时间，因为传播的病毒有相当大的遗传多样性。”

获得负担得起的基因组学和不同类型的测序仪对这项工作产生了重大影响，同时还出现了用于了解宿主对新病毒反应的新模型和工具。“当然，你有动物模型，但越来越多地使用类器官来研究一些基本特性。我们的实验室和其他实验室现在正在利用动物物种的关键组织开发类器官，以快速筛查可能的病毒易感性或其他特征。我个人也喜欢的一种方法是，用多重抗原血清学来分析宿主对跨物种传入病毒的反应，对此有不同类型的平台正在开发中。替代检测技术也可用，如宏基因组测序和病毒组测序，以表征样本中的任何物质。但是你需要能够决定哪些数据与你的问题相关。因此，对于懂得如何与临床医生和流行病学家合作的生物信息学家的需求正在增加。我们需要这些技能的混合体。”

库普曼斯解释说，病毒流行病学的挑战之一是，它仍然主要是反应性的。“我真的认为我们需要更聪明一些。我们知道有许多不同类型的病原体在传播，那么我们如何能比现在更早地发现潜在的问题呢?我感兴趣的一个问题是，我们是否可以根据现有的病毒监测数据建立警报系统，因此，如果我们在某些地区看到高密度的携带病毒的动物种群，我们可以使用宏基因组学工具箱，弄清楚发生了什么。我认为这是一种智能监控。”

应对不断出现的新型SARS-CoV-2突变体

虽然大多数突变对病毒的特征影响很小，但有些突变可能影响其传播能力、相关疾病的严重程度以及诊断、预防和治疗的效力。下载本白皮书，了解SARS-CoV-2变体如何影响疫苗、抗体药物和诊断试剂的开发。

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利用流行病学了解病毒机制

加里·惠塔克他是一位病毒学家，试图将流行病学纳入病毒功能的机制研究。他的研究主要集中在SARS、中东呼吸综合征(MERS)和猫身上的冠状病毒，但最近他将注意力转向跟踪SARS- cov -2的监测和病毒进化数据，并利用这些数据预测新突变的机制影响。

他的实验室对呋喃蛋白酶裂解位点的重要性特别感兴趣，这是SARS-CoV-2基因组的一个显著特征，被认为是病毒糖蛋白突刺与宿主细胞膜融合的重要过程。²在最近的一篇论文中，惠特克报告说，在2020年底产生Alpha变体的裂解位点突变(导致氨基酸取代P681H)与产生Alpha的弟弟Omicron的突变非常相似，但在疾病严重程度方面有非常不同的结果。^3.

惠特克说:“其中一个挑战是跟上突变的步伐，因为关于新兴变体的新数据不仅在预印本服务器上发布或共享，而且越来越多地以原始形式发布在社交媒体上。”“因此，我们有点淹没在数据中，发现很难快速解释它，因为湿实验室科学缓慢、耗时且昂贵。每个人都在谈论严格性和可重复性，但一切都在以令人难以置信的速度推进。”

当惠特克和同事们得到阿尔法的结果时，都是关于新的德尔塔变种的，然后突然奥米克隆出现了。“我们在阿尔法研究的点突变现在又出现在欧米克隆。”

“这不是一个不寻常的情况。由于全球大流行中出现了如此多不同的变体，很难预测哪些变体在功能上是重要的，”惠特克说。

“人们没有意识到的是，SARS-CoV-2有两种截然不同的谱系——A系和B系。武汉最初的疫情源于B系，尽管这两种谱系几乎同时出现，但B系受到了所有的关注，因为它确实在武汉生根，并将大流行传播到意大利和欧洲其他地区。然而，A血统从未消失。它出现在这里和那里的小地方，包括乌干达。”

2021年2月底的一个周六，惠特克晨跑回来，看了看手机，发现一位同事在推特上发布了乌干达的一种新变种，他们的研究预测，这种P681R氨基酸取代物将具有功能。他们利用基因序列创造了变异的合成基因，然后回到乌干达实验室与他们合作进行一些机械实验。“我们发现，如果我们将导致P681R替代的基因突变移植到原始的武汉1号变种中，那么它就失去了这些功能变化。新的突变只在正确的突变背景下起作用。这种病毒必须找到正确的进化路径，才能让这种突变真正起飞。”

这项最新的研究现在以预印本的形式发表，^4＊表明P681R变异出现在乌干达，比其他国家出现的Delta变异(起源于谱系B)早了大约6个月。使Delta病毒表现出这种行为的关键突变——增加传播并导致更严重的疾病——早在乌干达出现了6个月，但在a系中出现。尽管它在乌干达迅速蔓延，但没有产生同样的全球影响。

惠特克说:“这是一个非常有趣的问题:为什么这种关键突变导致了乌干达局部而不是全球的病毒爆发，而当同样的突变发生在三角洲地区时，它就变成了全球性的。”“要么病毒本质上不同，要么涉及不同的环境因素，比如公共卫生干预措施(例如，戴口罩的类型和程度)，公共交通系统是什么样子的，哪些航班被取消了，医院或医疗机构是否发挥了作用，特别是如果你有无症状的人在不同地点之间流动。”

这表明，即使对最有经验的病毒监测团队来说，预测SARS-CoV-2的下一步行动也是具有挑战性的。“很多人都在谈论SARS-CoV-2现在成为一种地方性病毒，但像流感这样的地方性病毒的标志是，当你观察系统发育树时，你会看到它们以循序渐进的方式进化。相反，SARS-CoV-2仍在对其突变空间进行采样，并进行这些进化爆发，然后撤退并尝试替代路线。这种向前发展的势头还没有达到它会成为地方病的阶段。它显然没有在宿主中牢固地建立;它需要时间来适应。”

问题是，我们最终会得到一种病毒还是多种病毒?惠特克认为，德尔塔病毒可能也暂时消失了，但并不是完全消失，所以我们可能最终会得到类似德尔塔病毒和欧米克隆病毒的独立谱系，它们会继续向前发展，就像我们看到的甲型流感和乙型流感一样。

但有一件事是肯定的，如果我们要从COVID-19大流行中寻找积极的一面，它证明了病毒监测的重要性。惠特克指出:“人们一直在进行非常温和、小规模的冠状病毒监测，但现在这一监测完全开放了。”“我们了解病毒进化的能力实际上来自那些花了几十年时间研究艾滋病毒的人。现在这些信息已经转化到这个领域，这绝对是一件好事。”

参考文献

1.吕璐，薛克玛，魏克斯，等。荷兰养殖水貂和相关人群对SARS-CoV-2的适应、传播和传播。Nat Commun．2021; 12(1): 6802。doi:10.1038 / s41467 - 021 - 27096 - 9

2.孔雀TP，金山DH，周杰，等。SARS-CoV-2刺突蛋白中的糠醛裂解位点是雪貂传播所必需的。Nat Microbiol．2021; 6(7): 899 - 909。doi:10.1038 / s41564 - 021 - 00908 - w

3.卢宾斯基B，费尔南德斯MHV，弗雷泽L，等。P681H突变对SARS-CoV-2变体B.1.1.7 (Alpha)峰值蛋白水解激活的功能评估。iScience．2022; 25(1): 103589。doi:10.1016 / j.isci.2021.103589

4.Lubinski B, Frazier LE, Phan MVT, Bugembe DL, Tang T, Daniel S, Cotton M, Jaimes JA, Whittaker GR. SARS-CoV-2 P681R突变介导的刺突蛋白裂解激活:在乌干达发现的感兴趣变异(VOI) a. 23.1中首次出现的案例研究。bioRxiv．2021.06.30.450632;doi:10.1101 / 2021.06.30.450632*预印本。