Към края на миналата година лекарите в Нелсън Мандела бей, град в източната част на Южна Африка с около един милион души население, започват да откриват нещо тревожно. Градът е бил поразен от мощна вълна от случаи на Covid-19 през юни и юли, болниците са били претоварени и това довело до хиляди смъртни случаи. Тази вълна тъкмо започвала да отшумява, когато в южното полукълбо започнала да настъпва пролетта. Но от ноември [тоест в началото на тамошната пролет] болниците в града и околните провинции отново започнали да се пълнят с пациенти, болни от Covid-19 – този път два пъти по-бързо, отколкото по време на първата вълна.
За да разберат на какво се дължи рязкото нарастване на новите случаи, лекарите се обърнали за помощ към Тулио де Оливейра, генетик и биоинформатик от университета в Квазулу-Натал в Дърбан, който ръководи национална мрежа от лаборатории за секвентиране [установяване на генетичния код на вирусите, бел. пр.]. Екипът му започнал да обединява геномите на коронавируса, причинил инфекцията на всеки пациент. В продължение на месеци тези изследователи периодично извършвали подобна работа по геномно наблюдение, за да следят десетките различни щамове на SARS-CoV-2, които циркулират из страната, в търсене на проблематични мутации в протеина на вируса. Осем месеца след пандемията, в 99 процента от над 1500-те изследвани генома, те открили само една такава мутация. Де Оливейра тъкмо подготвял тези констатации за представяне в научно списание.
Но на първи декември се върнали първите резултати от Нелсън Мандела бей.
Във всяка от 16-те проби, събрани от 15 клиники в града, вирусите притежавали почти идентично съзвездие от мутации, за разлика от онези, която дотогава били наблюдавани в Южна Африка. И осем от тези мутации били в протеините на вирусните шипове. „Буквално в деня, в който се канех да напиша: ‚Геномът на шиповете в Южна Африка е много стабилен‘,“ казва де Оливейра в интервю за WIRED, „видях този нов кластър и си помислих „Оха, но той се е променил‘.“
Той се качил горе, в офиса на Салим Абдул Карим – главния епидемиолог на Южна Африка, за да му съобщи новината. Няколко дни по-късно те предупредили Световната здравна организация. Вече нащрек, учените от Обединеното кралство скоро открили една от тези мутации, която се разпространявала в югоизточната част на Великобритания. Няколко седмици по-късно, подобен клъстер [набор] от генетични промени се появил и сред хората, пристигащи от Бразилия. Но в нито един от случаите не ставало дума за разпространение на само един нов вид. Анализите на глобалните бази данни за генома на коронавируса показват, че това всъщност са три различни версии на вируса – три отдалечено свързани клона от родословното дърво на SARS-CoV-2, които са придобили едни и същи мутации, въпреки че са се появили на три различни континента.
Този модел е нещото, което учените наричат „конвергентна еволюция“ и това е признак, че занапред ни очакват проблеми.
Всички вируси мутират. В края на краищата те са само автономни частици, съставени от протеинови капсули, самовъзпроизвеждащи се редици от генетичен код, оборудвани с несъвършени вътрешни механизми за проверка на процедурите при възпроизвеждането. При достатъчно голям брой копия непременно ще има „грешки“. Коронавирусите всъщност правят по-малко грешки от повечето останали вируси. Сегашният например, SARS-CoV-2, се развива със скорост от около 1100 промени годишно, за дадено географско място – или около едно заместване на всеки 11 дни.
Предсказуемото темпо, с което генетичните градивни елементи на коронавируса се променят, може да бъде открито чрез геномно секвентиране, което позволява на учените да идентифицират новите щамове и да ги следват, когато се разпространяват или изчезват сред дадена група население. През по-голямата част от 2020 г. тези случайни промени не са оказвали особено влияние върху начина, по който се държи вирусът. Но наскоро три важни мутации започнаха да се проявяват сами или в комбинация помежду си. И навсякъде, където го правят, тези версии на вируса обикновено надделяват бързо над другите циркулиращи щамове.
„Това предполага, че тези мутации имат предимства“, казва Стивън Голдщайн, еволюционен вирусолог, който изучава коронавирусите в университета в Юта. „Всеки вариант на SARS-CoV-2 в известен смисъл ‚иска‘ да бъде по-преносим. Така че фактът, че толкова много от тях придобиват именно тези мутации, води до заключението, че от това може да има реална полза [за вируса]. Тези различни линии по същество стигат до едно и също решение на проблема как да се взаимодейства по-ефективно с човешкия рецептор, ACE2.“
Като всеки вирусолог, Голдщайн се колебае при „очовечаването“ на своите субекти. Вирусите нямат мечти и желания. Те са интелигентни микромашини, програмирани да правят колкото се може повече копия от себе си. Но един от начините да се прави това е чрез увеличаване на шансовете им да нахлуват в нови приемници. SARS-CoV-2 прави това, като насочва масива от протеинови шипове, които покриват външната му част към протеин, наречен ACE2, който се намира по външната страна на някои човешки клетки. Шипът е инкрустиран в захари, които маскират вируса от човешката имунна система, с изключение на самия му връх, известен като рецепторна свързваща област или накратко RBD. Тази изложена част е онази, която се фиксира върху ACE2, променяйки формата на рецептора – като специален ключ, който пренарежда пластинките в секретна ключалка – и позволява на вируса да влезе в клетката и да започне да се размножава.
Мутациите, които създават толкова грижи на учените, се появяват именно в тази нищожно малка изложена част на вирусния шип. И сега изследователите се надпреварват да разберат по какъв точно начин всяка от тази мутации предоставя на SARS-CoV-2 възможности за нови трикове.
Да вземем например N501Y – мутация, която се среща и при трите варианта, която замества 501-ата аминокиселина на коронавируса, аспарагин, с друга, наречена тирозин. Проучванията върху клетки и животински модели показват, че промяната прави по-лесно за SARS-CoV-2 да се захване за ACE2, което е една от хипотезите защо вариантът в този момент е доста убедително свързан с повишена заразност. Досега най-доброто доказателство за това идва от Обединеното кралство, където се правят повече геномни секвентирания от която и да е друга държава по света. Учените там изчисляват, че британският вариант, известен като B.1.1.7, е между 30 и 50 процента по-заразен от другите циркулиращи щамове.
В Ирландия той е станал доминираща версия само в хода на няколко седмици и оттогава насам се е разпространил в повече от 60 страни, включително и в САЩ. Към средата на януари в САЩ са били открити 293 случая с варианта, идещ от Обединеното кралство, според данни на Центровете за контрол и превенция на заболяванията в САЩ. Агенцията изчислява, че най-късно до март тази версия на вируса ще стане доминираща в САЩ.
Бразилският вариант, наричан още P1, и южноафриканският, понякога наричан B.1.351, също имат обща втора и трета мутация: K417T и E484K. В този момент учените знаят повече за последната от тях. Тя променя аминокиселина, която е била заредена отрицателно, с такава, която е заредена положително. При вариантите без такава мутация този участък от RBD се намира срещу отрицателно заредения участък на ACE2, така че те се отблъскват. Но мутацията E484K обръща този заряд, което кара двете противостоящи области да се сцепляват плътно.
По същото време в Минесота е било съобщено за първия случай на бразилския вариант в САЩ, но досега там няма случаи на южноафрикански вариант.
Учени от Центъра за изследване на рака Фред Хътчинсън са открили, че E484K може да бъде най-важната промяна, когато става въпрос за повишаване на способността на вируса да избягва човешката имунна защита. В лабораторни експерименти те са наблюдавали, че антителата в кръвта на пациенти, вече прекарали Covid-19, са 10 пъти по-малко ефективни при неутрализиране на вариантите, притежаващи мутация E484K. В отделно проучване някои от колегите на де Оливейра са тествали кръвта на пациенти с Covid-19, които са се разболели по време на първата вълна в Южна Африка, и са установили, че 90% от тях имат намален имунитет срещу новия вариант, съдържащ E484K. В почти половината от пробите новият вариант напълно избягва съществуващите антитела. Друго проучване на южноафрикански колега, този път използващ жив вирус, е открило подобни резултати. (Всички тези данни се споделят като предварителни – досега нито един от резултатите не е бил проверяван и потвърден от други изследователски екипи, както е обичайно в наши дни.)
„Всички доказателства водят в една и съща посока“, казва де Оливейра. „Имаме вирус, който се неутрализира много по-слабо от оздравяващата плазма.“ Все още е твърде рано да се каже какво означава това в реалния свят. Истинските повторни инфекции са известни като много трудни за диагностициране. Учените трябва да разполагат с проби, взети и от първия, и от втория пристъп на заболяването, а след това да сравнят генетичните сигнатури, за да определят дали за всяка от инфекциите е отговорен различен вирусен вариант. Де Оливейра казва, че в момента неговата група е заета именно с такъв процес и вече са открили много случаи, които изглеждат като реално повторно заразяване с южноафриканския вариант. Тези данни все още не са публикувани. И докато не разполагат с повече данни, те не могат да кажат със сигурност дали B.1.351 причинява повече повторни инфекции в сравнение с предишните версии на вируса, което би било знак, че достигането до фаза на стаден имунитет може би е много по-далеч, отколкото се смяташе досега.
Изследователи в Бразилия също са открили доказателства за поне едно повторно заразяване с новия щам P1, но данните там са още по-малко. Очакват се някои повторни инфекции, казва Уилям Ханадж, инфекциозен епидемиолог от Школата за обществено здраве в Харвард Т. Х. Чан. Важният въпрос е дали има повече повторни инфекции с новия вариант, отколкото предсказват досегашните модели.
И все пак фактът, че тези тревожни мутации се появяват в един и същ регион на шиповия протеин не е случаен, казва Голдщайн. От всички места в генома на коронавируса, RBD е най-малко стабилното. „Това е така, защото в исторически план то е било подложено на най-голям еволюционен натиск да се променя“, казва той. За някои от нас може и да изглежда, че пандемията Covid-19 протича цяла вечност. Но в еволюционно отношение тя е само миг.
Преди SARS-CoV-2 да премине към хората, той е циркулирал в телата на прилепи в продължение на милиони години. И когато учените са започнали да изследват по-отблизо версията на ACE2, която се среща у прилепите, те са открили изумително разнообразие на гена, който кодира този протеин. Всъщност онова, което те наблюдават, са генетичните белези от една типична еволюционна „надпревара във въоръжаването“. Популациите на прилепите са живели с SARS-CoV-2 достатъчно дълго, за да могат техните ACE2 рецептори да се „научат“ как да се променят – да се преобразяват по форма, така че да станат по-трудни за прихващане от страна на вируса. От своя страна пък SARS-CoV-2 се е развил по такива начини, че да може отново и отново да се вписва в тези нови форми. В крайна сметка един от тези варианти е започнал да прилича в достатъчна степен на човешкия АСЕ2 рецептор, за да може вирусът да направи скок между видовете (най-вероятно при посредничество на междинен животински вид).
Има две основни еволюционни сили, които задвижват диверсификацията на шиповия вирусен протеин: взаимодействието с АСЕ2 и борбата за неутрализиране на антителата у приемника. Що се отнася до човешкото население, то една година разбира се не е достатъчна, за да могат да се появят и да бъдат предадени на следващо поколение някакви нови версии на ACE2. А ACE2 играе ключова роля при регулирането на кръвното налягане, оздравяването на рани и други основни функции на организма, така че всякакви генетични промени, които нарушават способността му да върши тези неща, вероятно няма да се разпространят широко, дори и ако затрудняват старта на коронавирусната инфекция.
Но ако еволюцията на ACE2 рецептора не може да ни спаси в краткосрочен план, тази задача трябва да бъде изпълнявана от имунната система и армиите от клетки, които организират отстраняването на нежелани посетители. Много патогени мутират протеините си, за да избегнат разпознаването от страна на антителата, които обикновено се прихващат към тях, блокирайки навлизането им в клетките. Този процес се нарича антигенен дрейф. Според някои учени именно той е причината за появата на бразилския и южноафриканския варианти.
В проучване, публикувано наскоро и все още не рецензирано от колеги, Теодора Хаджийоану, вирусоложка от университета Рокфелер в Ню Йорк, и нейните колеги описват създаването на псевдо-коронавирус, който носи непроменлива версия на шиповия протеин. Те го отглеждат в присъствието на отделни антитела, които са извлекли от кръвта на хора, получили една от двете разрешени от FDA ваксини Covid-19, онази на Pfizer / BioNTech и другата от Moderna. Някои антитела са стимулирали псевдо-SARS-CoV-2 да придобие мутацията E484K. Други са го подтикнали към K17T или N501Y.
В повторна форма на експеримента, без наличието на антитела, не се е стигнало до някоя от трите разглеждани мутации, подпомагащи скриването на вируса от имунната система. „Тези данни показват, че тези мутации на шиповия протеин са мутации за избягване на антитела“, казва Хаджийоану. „Веднага щом добавите някакво конкретно антитяло, наблюдавате специфични мутации.“
Нейният екип е използвал кръв, дарена от имунизирани хора. Но ваксините не са пуснати в достатъчно широк оборот, за да упражняват значителен еволюционен натиск върху населението. Така че очевидният въпрос тук е: Къде тогава вирусът е срещнал тези антитела?
Голдщайн има по-просто обяснение, което се приема с повече готовност от научната общност. Конвергентната еволюция на по-слабите версии на вируса е може би следствие от множеството лошо управлявани правителствени реакции, при които не са били осигурени достатъчно ресурси за реално смачкване на инфекциозната крива. „Фактът, че през есента загубихме контрол над толкова много места, вероятно е допуснал взривното увеличаване на тази невероятно голяма вирусна популация“, казва Голдщайн. Това е създало възможността да се случат толкова много мутации, а на някои места и подходящите обстоятелства и за доминиращото разпространение на особено коварните сред тях.
Може би учените никога няма да получат достатъчно ясен отговор на въпроса точно къде и при какви условия са се появили тези нови варианти. Но де Оливейра не е сигурен, че този въпрос има толкова голямо значение. „Единственото нещо, което знаем със сигурност е, че ако позволите на вируса да циркулира достатъчно дълго, той ще развие прикриващи мутации“, казва той.
Ето защо много по-належащият въпрос е до каква степен подобни мутации ще повлияят върху усилията да преодолеем пандемията чрез ваксинации.
Поредица от неотдавнашни проучвания дава основания за добри надежди на този фронт. Лабораторните тестове, проведени от учени в BioNTech, показват, че тяхната ваксина би трябвало да функционира също толкова добре срещу B.1.1.7, вариантът от Обединеното кралство.
Екипът на Хаджийоану пък е изследвал по-внимателно B.1.351, южноафриканския вариант. Те са открили, че антителата, взети от хора, ваксинирани с препаратите на Pfizer / BioNTech или на Moderna, са до три пъти по-малко ефективни при неутрализиране на псевдовирусите, носещи мутациите, открити в B.1.351, в сравнение с онези без такива генетични промени в шиповия протеин. Но тъй като тези ваксини имат толкова висока начална ефикасност – над 90 процента – то все още има много място за оптимизъм.
Учените от Moderna и техните партньори от Националния здравен институт публикуваха все още нерецензираните резултати от собствените си лабораторни експерименти, при които е била използвана кръв от хора, ваксинирани с препарата на компанията. Въпреки че антителата от имунизираните хора са отблъсквали добре британския вариант, при южноафриканския вариант е имало проблеми. Срещу този щам неутрализиращата сила на антителата е намалена до шест пъти, въпреки че те все още функционират на нива, за които се смята, че са ефективни.
В изявление за пресата, Стефан Бансел, шефът на Moderna заяви, че е уверен, че ваксината на компанията би трябвало да осигурява достатъчна защита срещу новооткритите варианти, но „е наложително да бъдем също толкова активни, колкото е еволюционното развитие на вируса.“ За тази цел учените на Moderna преустройват последователността на mRNA във ваксината на компанията, за да имитират по-отблизо най-значимите мутации и планират да я тестват в поредица от допълнителни клинични проучвания по-късно тази година.
„В момента няма основания за паника, но трябва да бъдем внимателни. Това е предупреждение“, казва Хаджийоану. „Ако вирусът продължава да натрупва мутации в шиповия си протеин, рискуваме ефикасността на ваксините да намалее допълнително.“
Ваксините са насочени към целия шипов протеин [а не само върха му] и е доказано, че произвеждат много различни антитела, които се свързват с различни части от него. С други думи, загубата на онези, които блокират RBD, не означава край на играта. Има множество вградени запасни варианти. Но всичко това създава повече работа за останалата част от имунната система. Това е като да се опитате да изгоните от дома си нашественик, след като сте оставили отключена входната врата. „Най-важните мишени за антитела се оказват разположени в най-променливите части на шиповия протеин“, казва Голдщайн. „Ето защо сме впримчени в тази еволюционна битка с вируса.“
Дотук добре. Но учени като Ханадж все още се притесняват, че ако правителствата и обществата не положат достатъчно много усилия, за да забавят бързо скоростта на инфекциите, почти сигурно ще се появят и по-опасни мутации. „Фактът, че това се е случило вече на три пъти, означава, че трябва да очакваме да продължава да се случва“, каза той по време на брифинга за пресата от миналата седмица.
Де Оливейра смята, че това вече се случва и то много по-бързо, отколкото ние го осъзнаваме. „Напълно съм убеден, че в момента се появяват десетки, ако не и стотици варианти с подобни мутации“, казва той. Според него единствената причина, поради която учените от Южна Африка и Обединеното кралство са ги открили на първо място, е, че техните правителства инвестират в цялостни мрежи за наблюдение. Ето защо той смята, че отделните държави трябва да премахнат безполезните забрани за пътуване и да започнат вместо това да увеличават броя на тестовете, секвентирането, проследяването на контактите и ускоряването на ваксинациите. Може би ще минат години, преди да сме ваксинирали достатъчно хора, за да ограничим еволюцията на коронавируса. Печеленето на време дотогава означава, че трябва да се прави всичко, което досега се е доказало ефективно за ограничаване на шансовете на вируса за намиране на нови приемници и нови възможности за мутация: социално дистанциране, носене на маски, избягване на струпванията на хора и увеличаване на проветряването. „Важното е да осъзнаем – казва де Оливейра –, че за да избегнем появата на нови варианти в бъдеще, ще трябва да доведем предаването почти до нула.“
