Весной прошлого года, когда на мир обрушилась пандемия COVID-19, решение задачи казалось простым: на данный момент всех разогнать по домам, быстро сделать вакцину, всех привить и тем самым завершить пандемию — лучше к осени, но так уж и быть — пусть будет к зиме. Однако прошло больше года, человечество коллекционирует вакцины, но становится понятно, что до конца пандемии еще очень далеко. И коллективный иммунитет оказался фикцией, несмотря на десятки процентов вакцинированных в отдельных странах мира.
Причиной несоответствия реальности ожиданиям оказалась способность вируса меняться. Мы давно и успешно победили «уханьский» вариант SARS-CoV-2, с которого начиналась вся история. Но на смену ему пришел дельта-вариант, который тоже продолжает меняться — и совершенно непонятно, к чему нас все это приведет.
MedAboutMe разбирался, как и с какой скоростью мутирует коронавирус SARS-CoV-2, а также есть ли способ остановить пандемию?
Принципы эволюции вирусов
Российские ученые из РосНИПЧИ «Микроб» в своей статье, опубликованной в 2020 году в журнале «Проблемы особо опасных инфекций», указывали, что коронавирус SARS-CoV-2 скорее всего займет свое место в списке распространенных возбудителей ОРВИ. Это приведет к снижению его вирулентных свойств, так как обычно эволюция вируса направлена на отбор таких вариантов, которые легче распространяются от человека к человеку.
При этом штаммы, которые вызывают тяжелое течение болезни с необходимостью госпитализации, эволюции не выгодны. Люди с тяжелыми формами заболевания быстрее привлекают внимание врачей и оказываются изолированы в больнице, что снижает вероятность дальнейшего распространения инфекции.
Эти прогнозы ученых пока еще сохраняют свою актуальность. Правда, история с коронавирусом оказалась чуть сложнее прописных эпидемиологических истин, к которым она наверняка в итоге придет, но более извилистым путем, чем казалось сначала.
Скорость мутаций коронавируса
Сегодня известно, что все мутации SARS-CoV-2 являются результатом двух основных механизмов:
- спонтанной замены / делеции (утраты) нуклеотидов,
- рекомбинации РНК (то есть, мутация, возникающая из-за разрыва и соединения разных молекул РНК).
Геном SARS-CoV-2 состоит из 30 тысяч нуклеотидных оснований. Эксперты предлагают считать, что скорость возникновения мутаций определяется вероятностью замены любого из этих оснований на другое при репликации (воспроизведении) генома в процессе размножения вируса. За 1 цикл репликации возьмем период времени от момента прикрепления вируса к стенке заражаемой им клетки и до момента высвобождения синтезированных в этой клетке вирусных частиц.
Португальские ученые из National Institute of Health Doutor Ricardo Jorge (INSA) в своей работе за 2021 год определили скорость изменения генома вируса как 3,7 мутации на 1 млн нуклеотидов за 1 цикл репликации для исходного «уханьского» варианта SARS-CoV-2. Интересно, что вариант вируса с мутацией D614G, распространившийся по всему миру, имеет не такую высокую скорость изменения генома: 2,9 мутации на 1 млн нуклеотидов за 1 цикл.
Мутация D614G — это первое крупное изменение генома коронавируса, которое дало ему явные преимущества и позволило быстро распространиться по всему миру, считают ученые из США, опубликовавшие статью в апреле 2021 года в журнале Science.
Название мутации расшифровывается очень просто: это замена аспартата на глицин в 614 позиции S-белка. Данная мутация повысила шансы вируса на эффективное взаимодействие с ACE2-рецепторами и, соответственно, на его способность заражать клетки человека. Она сделала его более заразным и повысила устойчивость вируса к холоду. Однако эта же мутация увеличила уязвимость вируса перед антителами.
Итак, пусть будет примерно 3 мутации на миллион нуклеотидов. Умножая эту цифру на 30 тысяч нуклеотидов, получаем 0,1 мутации на 1 цикл репликации вируса. По расчетам ученых, пиковый период заражения длится 5-7 дней, за это время происходит 3-7 циклов репликации. За 5 циклов репликации произойдет 0,5 мутации. То есть, на каждую пару зараженных людей приходится 1 новая мутация вируса.
И это мы говорили только об одной линии вирусных частиц. Общее же их количество за время болезни, по данным ученых из США и Израиля (июнь 2021 года), составляет от 300 тысяч до 300 млн. То есть, общее число мутаций составит приблизительно от 100 тысяч до 100 млн. Учитывая, что код РНК вируса состоит всего из 4 букв, возможно около 100 тысяч одиночных мутаций. А это значит, что во время болезни каждого отдельного человека может появиться любая из возможных одиночных мутаций генома вируса.
На этом месте становится понятно, что известные нам варианты вируса — это ничтожно малая часть вероятных изменений. Где же все остальные?
В большинстве случаев мутации либо не приводят к значимым последствиям, либо являются вредными для самого вируса. Далеко не все варианты с мутациями способны заражать других людей, поэтому практически все изменения вируса, возникшие в организме одного человека, будут утрачены с его выздоровлением. А так как промежуток времени между заражениями довольно мал (вирус слишком быстро распространяется между людьми), шансы на то, что в организме зараженного человека появится вирус с реально эффективной мутацией — невелики.
Но все эти ограничения становятся не так уже действенны в глобальных масштабах, когда болеет огромное количество людей.
Скорость мутаций и вакцинация
В июле 2020 года международная группа ученых из Африки, Италии и США обнародовала результаты анализа 48,6 тысячи полных геномов коронавируса SARS-CoV-2, доступных на тот момент по всему миру. Оказалось, что средняя частота мутаций по сравнению с эталонным «уханьским» вирусом составляет 7,23 мутации на образец, максимум — 15 мутаций на образец.
А в августе 2021 года ученые из University of Maryland опубликовали статью, в которой доказывали, что рост числа вакцинированных людей приводит к снижению частоты мутаций дельта-варианта SARS-CoV-2. Исследователи сравнивали долю полностью привитого населения и частоту точечных мутаций (то есть, замены одного нуклеотида другим) для 20 стран в период с 20 июня по 3 июля 2021 года.
Оказалось, что по мере роста доли вакцинированных граждан частота мутаций коронавируса снижается в 16 из 20 стран. Исключениями стали Австралия, Япония, Швейцария и США из-за особенностей стратегии противостояния вирусу.
Ученые приходят к выводу, что страны с более высоким уровнем вакцинации генерируют меньше мутаций, чем страны, где охват вакцинацией населения меньше.
Но тут есть важный момент, который надо учитывать: заразность вируса растет по мере того, как он распространяется среди привитого населения. Постепенно формируется такой вариант вируса, который становится доминирующим, что и произошло с дельта-вариантом в США, Великобритании и других странах.
То есть, задержка массовой вакцинации приводит к увеличению вирулентных мутаций и уменьшению шансов достижения коллективного иммунитета в глобальных масштабах.
Как снизить риски появления самого смертоносного варианта коронавируса?
Чтобы нивелировать этот негативный эффект, ученые выделяют две основных задачи:
- Всеобщая вакцинация по всему миру, что позволит свести к минимуму появление новых мутаций, которые могут оказаться смертельными.
- Активное использование средств профилактики — масок, социального дистанцирования — чтобы снизить риски распространения вируса среди населения, в том числе и среди вакцинированных людей.
- Массовый «геномный надзор» — контроль за появлением новых вариантов вируса по всему миру.
