長期感染武漢肺炎，一個人體內的病毒演化生死鬥 原載於泛科學
COVID-19（武漢肺炎、新冠肺炎）全球廣傳一年下來，已經有很多億人得疫。多數人感染不久之後，便順利消滅入侵的 SARS二世冠狀病毒（SARS-CoV-2），少數人拖比較久，甚至持續數個月。 一位長期感染的英國病人，提供病毒演化的寶貴線索。
圖／Alamy
免疫力低落，長期感染的患者
追蹤病毒如何演化，兼具學術與應用價值。一位長期感染的患者，體內病毒衍生出豐富的遺傳多樣性，彼此競爭激烈，還受到抗體療法影響。此一罕見病例，讓我們見識到病毒演化與適應的可能性。
這位住在英國的先生，2012 年診斷出淋巴瘤，經歷化療，有缺乏 B細胞、T細胞等免疫缺陷的狀況，瘟疫肆虐下可謂高風險人士。2020 年夏天他感染 SARS二世冠狀病毒，由於多重器官衰竭在第 102 天去世。[1]
他一開始感染的病毒應該只有一個來源，除了相當常見，S蛋白質（spike protein）上的 D614G 突變之外（Spike(D614G)），沒有特別值得一提的特徵。
＊遺傳變異的表示法為：蛋白質名稱(原本的氨基酸、突變位置、改變後的氨基酸)。如 Spike(D614G) 意思是 Spike 蛋白質上，第 614 個氨基酸，從天門冬胺酸（aspartic acid，D）變成甘胺酸（glycine，G）。
他在不同日期的 Ct值介於 16 到 34，一直到去世時體內仍有病毒。比較 23 個時間點，採檢口鼻獲得樣本的遺傳定序，讓我們有機會追蹤同一個人長期感染下，病毒演化的寶貴資訊。
不同遺傳特徵的病毒們，在不同日期的比例變化。起伏相當劇烈。圖／[參考資料1]
今天完全執政，十幾天後一席不剩
第一個明顯的遺傳變異，是出現在 ORF7a 蛋白質上的 T39I 突變（ORF7a(T39I)）。它占樣本中所有病毒的比例逐漸增加，第 37 天突破 60%，隨後降低到 40%，第 45 天又衝上 79% 的巔峰，接著逐漸減少，第 55 天跌落到 30%，第 66 天趨近於零。
患者從第 41 天、第 54 天起，兩度連續 10 天接受瑞德西韋治療，是影響病毒演化的一項因素；但是病毒的演化，不見得都和瑞德西韋有關。
第一次使用瑞德西韋之前幾天，已經有幾個突變出現，接著不同變異有升有降。最大幅度的變化是位於 NSP2 蛋白質的 I513T（NSP2(I513T)）及 RdRp 蛋白質的 V157L（RdRp(V157L)），它們在第 54 天時幾乎不存在，接下來電梯向上，第 66 天時直逼 100%，徹底取代之前的 ORF7a(T39I)。
這幾天發生的一個插曲是，位於 S蛋白質上的 N501Y，也在這位患者體內誕生。它在世界各地屢屢獨立出現，包括知名的英國、南非、巴西新型病毒皆有配備。紀錄如此輝煌的它，第 55 天時存在感還有 33%，但是不敵 NSP2(I513T) 和 RdRp(V157L) 的組合，10 天後慘遭完全淘汰。
然而，NSP2(I513T) 和 RdRp(V157L) 組合也無法長期執政，第 66 天攀上 100% 的頂點後，第 82 天又跌到幾近不存。這群病毒間的競爭實在激烈！之所以如此，應該和血漿抗體療法有關。
病毒 S蛋白質上的不同遺傳變異，在不同日期的比例變化。在血漿抗體療法過後，位於 S蛋白質上的各種遺傳變異，突變數量和佔整體比例都迅速增加。圖／[參考資料1]
改變局勢的外來抗體
人感染病毒後，會產生對抗病毒的抗體；這些抗體不只一種款式，針對病毒的不同目標攻擊，被稱為多株抗體。康復後一段時間，多株抗體仍然存在血漿中；將這些抗體抽血取出，給予正在感染的患者，可能有治療的作用。
這位英國先生在第 63 和 65 天，各進行過一次血漿抗體療法，結果劇烈地影響病毒生態。NSP2(I513T) 與 RdRp(V157L) 組合不敵外來抗體攻擊，存在感扶搖直下，取而代之的新貴，是 S蛋白質上兩處突變的新組合。
S蛋白質可分為 S1、S2 兩部分，新組合為 S1 的缺失 ΔH69/ΔV70（Spike(Δ69/Δ70)）以及 S2 的 D796H（Spike(D796H)）。血漿療法過後，這組搭擋的存在感持續攀升，第 82 天時達到 80%，隨後卻迅速下跌，第 93 天跌到未滿 1%。
患者感染超過 90 天後，愈來愈多不同型號的病毒衍生而出，起落相當劇烈而迅速。久病未癒之下，患者在第 93 天接受第三次瑞德西韋，第 95 天第三次血漿療法；在此之後，原本瀕臨淘汰的 spike(D796H, Δ69/Δ70) 再次偉大。
不論病毒生死鬥曾經多麼激烈，都在宿主於第 102 天死亡後愕然而止。表面上看是一位患者的身體，被病毒盤據一百多天；但是連日取樣告訴我們： 病毒同類間的競爭極為劇烈，可能今天完全執政，十幾天後就一席不剩。
這起實例表示，一款病毒在同一個人體內發展一百天，可以衍生出十分多樣的變化，也有機會累積很多突變。不同遺傳變異的起起伏伏，也許取決於運氣，也可能競爭力確實有別。
患者體內的病毒，各款衍生型號間的親戚關係。圖／[參考資料1]
專門適應抗體的突變組合
最可能有影響的，是 S蛋白質上 D796H 及 ΔH69/ΔV70 兩處變異。第 63 和 95 天兩波血漿抗體療法後，這對組合 spike(D796H, Δ69/Δ70) 的存在感皆迅速上升，令人懷疑它們更能應付抗體。
兩個突變造成什麼影響呢？體外測試發現，只有 D796H 會使感染力下降，ΔH69/ΔV70 單獨存在則能讓感染力提高 2 倍；兩者同時存在的話，感染力維持原狀。因此這款病毒的感染力可謂一增一減，整體並無增強。
以血漿中的多株抗體測試抵抗力，結果一如預期。兩者一起，或是只有 D796H 存在，都能明顯增進對付抗體的能力。僅有 ΔH69/ΔV70 時，抵抗力卻缺乏影響。
探討分子演化時必需具備的基本觀念是，遺傳改變的結果，往往不是直接的進化或退化，而是不同遺傳變異的組合，在特定情境下導致有利或有害的影響。
這兒看來就是這樣。當抗體來襲時，只有 D796H 的病毒有抵抗力，但是感染力不佳；僅有 ΔH69/ΔV70 的病毒強化感染力，卻會被抗體屠殺。兩者必需一起作用，才能在抗體造成的逆境之下，創造對同類的相對優勢，成為贏家。
然而，沒有抗體的時候，spike(D796H, Δ69/Δ70) 組合似乎毫無優勢，甚至成為被淘汰的魯蛇，原因不明。不過它面對抗體的優勢或許相當明顯，才能在跌落至未滿 1% 的苟延殘喘下，再度強勢崛起。
冰島在疫情初期，多款遺傳不同的病毒分別入侵，比例隨之高低起伏。英國先生只有一個人，體內病毒卻衍生出遺傳有別的許多型號，可謂一人一世界。圖／Spread of SARS-CoV-2 in the Icelandic Population
類似模式，重複出現
由於感染人數眾多，多款遺傳有別的病毒，可能同時在同一地區流傳，彼此間有競爭關係，追蹤不同時間的取樣，可以見到不同遺傳型號的波動起伏。
上述狀況，卻具體而微地發生在一位英國病人的體內；這和他原本免疫力低落，無法自製抗體，壓制病毒有關。 除了這位先生，至今還觀察到其他 4 位免疫力低落的長期感染者（平均 115 天）。這些長期感染的罕見病例，帶來認識病毒演化的珍貴線索。[2]
英國先生之外，另一位感染 74 天後去世的免疫缺失病患，感染期間病毒也陸續出現新的遺傳變異；表示同一個人體內發展出共存的多款病毒，並非個案。[3]
每一處出現突變的機率，通常沒有太大差異；是否能夠留下，發展如何，則受到天擇影響。 突變單獨出現，和組合存在的效果有時候不一樣，S蛋白質上的 D796H 與 ΔH69/ΔV70 就是如此。
另外多次重複誕生，有助於對付抗體的突變 E484K，似乎也需要 N501Y 同時存在，才能維持感染力。根據這些觀察推論： 某些突變之間有關聯性，當一個突變誕生後，另一個特定突變出現而留存的機率將會大增。
世界各地不同病毒，S蛋白質關鍵區域出現的突變們。有數個突變，在不同地區獨立出現過。B.1.1.7 首先在英國偵測到、B.1.351 在南非、P.1 在巴西、A.23.1 在烏干達、B.1.525 在奈及利亞、B.1.429 在加州、B.1.526 在紐約。圖／[參考資料2]
實際見到讓病毒加速改變的「總加速師」？
瘟疫蔓延一年後，觀察得到一項發現：許多獨自演化的病毒們，S蛋白質產生類似的變化。類似改變重複出現，揭示病毒適應的可能性，與侷限性。
存在感在 2020 年底迅速增加，而引起注意的三款新型病毒：英國首度發現的 B.1.1.7、南非的 B.1.351、巴西的 P.1，出現時間都在前述 5 位長期感染的患者之後，和他們沒有關係。
三款新型病毒的 S蛋白質也出現多處突變，基因組其餘位置累積的突變數則更多，如 B.1.1.7 和近親相比，便有 17 處新突變。過去一年多來，SARS二世冠狀病毒平均一個月約累積 2 個突變，突然冒出那麼多突變，很不尋常。
三款新型病毒的來歷不明，有人推測，它們是在免疫力低落者的體內，長期感染後，累積許多突變而成。
英國先生體內衍生的眾多型號中，第 93 天時突變數目最多的病毒，累積數量和 B.1.1.7 類似，S蛋白質上也配備 2 處突變（W64G、P330S）。此一觀察，支持新型病毒源自於總加速師的論點。
對這位拓展知識疆域，卻失去生命的英國先生，我們懷念他 QQ
堅強防線中最弱的一環，容易成為對手的突破點，必需特別保護。圖／Wikimedia Commons
保護群體最弱的人，才能保護整體
認識病毒的演化過程，以及潛在的適應方向，有助於藥物、抗體和疫苗的研發。治療和疫苗，人為創造出病毒的逆境，也無可避免地會篩選出抵抗力更強的品系；所幸有些策略，能夠反制抵抗力。
相對地，不必要的拖延或不當措施，例如錯誤使用不佳的疫苗，也會增加病毒適應的機率，必需避免。
長期感染，令病毒有更多機會累積突變，適應各種逆境。因此必需減少長期感染的人數，尤其要盡量避免免疫力低落者感染，想辦法保護他們；萬一感染，也要特別謹慎治療，以免有變強的新型號病毒竄出。
防線即使堅強，最弱的環節卻容易先被突破。保護群體中最弱的人，才能保護整個群體。
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1. Kemp, S. A., Collier, D. A., Datir, R. P., Ferreira, I. A., Gayed, S., Jahun, A., … & Gupta, R. K. (2021). SARS-CoV-2 evolution during treatment of chronic infection. Nature, 1-10.
2. The emerging plasticity of SARS-CoV-2
3. Hensley, M. K., Bain, W. G., Jacobs, J., Nambulli, S., Parikh, U., Cillo, A., … & Haidar, G. (2021). Intractable Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) and Prolonged Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Replication in a Chimeric Antigen Receptor-Modified T-Cell Therapy Recipient: A Case Study. Clinical Infectious Diseases: An Official Publication of the Infectious Diseases Society of America.
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