儿童新冠病毒Omicron 株感染的临床表现与生物学基础

徐言文 王 群 项琳娟 黄丽素,2

1.上海交通大学医学院附属新华医院 新华儿童医院感染科（上海 200092）；2.浙江大学医学院附属儿童医院 国家儿童健康与疾病临床医学研究中心（浙江杭州 310052）

近两年来，新型冠状病毒病（corona virus disease 2019，COVID-19）的病原体——严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)不断突变，产生许多变异株，阿尔法、贝塔、伽马、德尔塔(Delta)和奥密克戎（Omicron）陆续被世界卫生组织列为关切变异株，Omicron 是SARS-CoV-2 目前突变最多的变异株，刺突蛋白的高度突变使其在传染性、传播特征、免疫逃逸能力上发生显著变化[1]。截至2022 年6 月3日，全球COVID-19确诊病例累计超过5.3亿例。在大流行早期儿童感染率不到2%，明显低于成人[2]，Omicron 流行以来儿童病例增加尤为显著。据美国儿科学会数据，在2022 年1 月27 日至2022 年2 月3日，儿童病例占每周病例的25%之多[3]，血清抗体检测显示儿童感染比例甚至超过了成人[4]。南非、英国、新加坡等多国也都观察到了Omicron 带来的儿童感染潮，我国今年的儿童感染比例也逐渐增加。Omicron 不仅造成儿童感染病例众多，还带来儿童患者临床表型的变化。

1 病毒亲和力增强与受体结合结构域突变

刺突蛋白是SARS-CoV-2 进入宿主细胞的重要结构。SARS-CoV-2 感染细胞的首要关键步骤是识别，即利用刺突蛋白S 1 亚基的受体结合结构域（receptor binding domain，RBD）结合宿主细胞表面的受体血管紧张素转化酶2（angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）受体[5]，因此RBD-ACE2复合物的结合亲和力是决定SARS-CoV-2 传染性的主要因素之一。Omicron 的RBD-ACE 2 复合物结合亲和力大小在不同研究测定的结果差异较大，约为野生型的2.4～9倍不等[6-7]。Omicron有60个插入、替换和缺失，刺突蛋白上就含有超过30 个位点的突变，其中15 个位于RBD，远多于Delta 的RBD 中的4 个突变。部分突变与先前VOC中的重要突变重叠，如K417N、N501Y、T478K等。既往研究证实，单个突变如N 501 Y 可以增强与ACE 2 的结合亲和力而有助于感染宿主细胞[8]，K417N则对结合力有减弱作用[9]。但突变与突变之间存在“补偿机制”，借助冷冻电镜结构分析进一步发现，S 477 N、T 478 K、Q 493 R 等多个氨基酸取代与ACE 2 建立了新的氢键或盐桥，可以补偿K417N、E484A等对相互作用力的削弱作用，因此整体而言，Omicron 的RBD 与ACE 2 受体之间的亲和力有所增强，使得更多的刺突蛋白处于稳定的开放构象[10]，后者有利于宿主受体结合以及病毒的进入，造成了传播速度的加快和人际传播力的增强，也导致Omicron的代际间距，即一代病例感染与二代病例之间的时间间隔更短。

2 潜伏期的缩短与亚谱系的传播特征

Omicron 的潜伏期短。原始病毒的潜伏期为1～14天，而Omicron的中位潜伏期约为3～4天[11]，是原始病毒株的一半。潜伏期是指从病毒侵入机体到机体出现反应或开始呈现症状的时间，其长短与宿主免疫系统有关。Omicron刺突蛋白的开放构象使得RBD更容易暴露于宿主免疫系统，免疫系统能更快速有效的回应[10]。平均基本再生数（R 0）指在自然条件下（没有任何干预措施、全部为易感人群的环境中）一个指示病例的平均感染人数；而有效再生数（Rt）是指在具有一定免疫力或采取一定防控措施的人群中、在疾病流行的某一时间节点，一个指示病例的平均感染人数。R0和Rt越大，代表传播力越强。原始病毒株的R0为2.5，Delta的R0略低于7[12]，而Omicron 的R 0 约为9.5。Rt 值除与病毒本身特性有关外，还因地域、人群免疫水平、防疫措施等外界因素差异而不同，因此在不同国家的研究里范围从0.88至9.4不等，平均值为3.4[13]。

值得注意的是，Omicron并非单一毒株，目前已进化出BA.1、BA.2、BA.3、BA.4、BA.5等多个亚型。BA.1曾是全球最流行的变异株，在2021年11月和12月占全球Omicron序列的97%以上，但很快在2022年2 月中旬被BA.2 取代。从突变数量看，BA.1 和BA.2在刺突蛋白上分别有38和31个突变，在RBD中有12个共同突变。Xu等[14]研究表明，BA.2 刺突蛋白与ACE2 的结合力是BA.1的2倍，结构研究表明在BA.2 刺突蛋白的3 个RBD 均处于稳定的开放构象，为传染性与传播能力的增强奠定了基础。代际间距和系列间距分别指原发病例与继发病例之间的感染时间间隔和发病时间间隔。一项香港研究显示，BA.1的中位代际间距和中位系列间距分别为2.38天和3.15天，BA.2的代际间距更短，只有2.17天[15]。另一项研究表明BA.2有更强的传播力，Rt值约为BA.1 的1.4 倍[16]。导致本次中国上海疫情的Omicron株即为BA.2和BA.2.2亚型，自2022年3月1日至6月4日累计阳性感染者已超过60万例。BA.3的传播能力十分有限，病例数极少。携带有L452R、F486V等重要突变的BA.4和BA.5目前在南非等地再次推动当地病例数激增，WHO正密切监测其流行情况。

潜伏期缩短也给快速采取防控措施阻断疫情蔓延带来困难。儿童感染多表现为以家庭和学校为中心的聚集性感染。Omicron 家庭内传播的风险不容小觑，一项瑞典的研究则显示Omicron 的家庭续发率为25.1%，是Delta的1.52倍（95%CI1.41～1.64）[17]。因此必须重视儿童在疾病传播中的重要作用。

3 临床表型与组织嗜性

SARS-CoV-2与ACE2受体结合后，还需要在弗林蛋白酶、Ⅱ型跨膜丝氨酸蛋白酶 (TMPRSS2)或组织蛋白酶L帮助下进入宿主细胞。TMPRSS2和组织蛋白酶L分别介导了两种不同的SARS-CoV-2进入途径，TMPRSS2存在于宿主细胞表面，介导膜融合途径，而存在于胞内的组织蛋白酶L 则介导内吞途径[5]。不同于既往病毒株主要依赖TMPRSS 2 介导的膜融合途径，由于弗林蛋白酶切割位点区域的3个突变（P681H、H655Y、N679K）影响了S1/S2位点切割及膜融合，Omicron更倾向于组织蛋白酶L介导的内吞途径入侵宿主细胞[18]。

TMPRSS 2 表达的组织分布特征有助于解释Omicron感染后的临床特点。TMPRSS2在下呼吸道和胃肠道表达较高，而上呼吸道表达相对较低。Omicron对TMPRSS2的利用低下降低了肺部感染能力，但对内吞途径的偏好使其更容易进入上呼吸道细胞。Hui等[19]发现Omicron 在离体支气管中的增殖速度比Delta和原始株高了近70倍，但在肺组织中复制效率低下。因此，Omicron感染后以上呼吸道症状为主，肺部受累相对较轻。在仓鼠和小鼠动物模型上也都观察到Omicron感染后体重减轻较少，肺部病理炎症反应较轻[20]。与上一个流行株Delta相比，Omicron感染后咽痛、声嘶等急性喉炎病例明显增加[21-22]。特别是5岁以下的幼儿，典型表现为突然发作的犬吠样咳嗽、吸气性喘鸣、声音嘶哑、呼吸急促等，严重时出现呼吸窘迫[23-24]。这可能与Omicron主要影响上呼吸道，而年龄小的儿童上呼吸道狭窄且易塌陷等原因有关。

4 严重程度与合胞体形成

既往病毒株引起的重症COVID-19 患者中，肺组织样本病理切片发现肺上皮融合形成多核巨细胞，又称合胞体。合胞体结构有助于病毒在细胞间传播。TMPRSS2在介导SARS-CoV-2感染细胞与邻近细胞发生膜融合、形成合胞体过程中发挥重要作用[25]，但是由于Omicron对TMPRSS2利用低下，往往通过胞吞而非膜融合进入宿主细胞，因此难以诱导合胞体形成[18]，这使得致病性较轻。一些真实世界研究表明，Omicron 感染的严重程度不如原始毒株和其他变异株。Wolter 等[26]基于南非数据发现，与同时期非S基因靶标失效(S-Gene Target Failure，SGTF)感染者相比，SGTF 感染者住院风险显著降低（aOR 0.2,95%CI0.1～0.3）；与早期Delta 感染者相比，SGTF 感染者转为重症的风险明显降低（aOR 0.3,95%CI0.2～0.5）。据美国CDC监测数据，Omicron 流行期间的标化病死率比Delta 降低了一半。随着Omicron的广泛传播，儿童急诊就诊和住院人数明显增加，但目前初步研究表明，儿童Omicron感染的严重程度也低于Delta。美国一项纳入了79 592例首次感染COVID-19的5岁以下儿童的回顾性研究发现，在感染后3 天的时间窗内，Omicron队列患儿与Delta 队列患儿相比急诊就诊率降低了29%，住院率降低67%，ICU入住率降低68%，机械通气率降低71%[27]。但由于Omicron出现时间相对较迟，存在既往感染和疫苗接种提高人群免疫水平的情况，因此对于其致病性降低程度目前仍存在争议。

合胞体还被认为与COVID-19患者中出现的淋巴细胞减少症有关[28]。但Omicron形成合胞体能力减弱、感染后诱发的炎症反应也较轻，在Wang等[29]对上海Omicron暴发初期（2022年3月7日－3月31日）定点医院收治患儿的研究中，225例患儿有血常规结果，其中37例（16.4%）出现一过性白细胞减少，173 例 (76.9%)白细胞范围在（4～9）×109/L；在187例有C反应蛋白结果的患儿中，178例（95.2%）CRP＜8 mg/L，出现淋巴细胞减少的比例不高。

5 免疫反应与儿童重症和危险因素

儿童COVID-19以无症状感染者和轻症患者为主，疾病严重程度较成人更轻的原因之一在于两者有不同的免疫特征。Loske等[30]收集了从4岁至77岁的儿童和成人SARS-CoV-2感染者及健康对照的鼻拭子，通过单细胞测序揭示了鼻黏膜免疫细胞和上皮细胞中的显著差异，健康成年人的鼻腔样本中很少检测到免疫细胞，但健康儿童中含有以中性粒细胞为主的各种免疫细胞亚群，同时也高表达MDA5、RIG-1、LGP2等模式识别受体，目前认为MDA5和LGP2是诱导IFN-α的关键调节因子[31]。相比成人，儿童上呼吸道黏膜免疫系统处于预先激活的状态，因此可以在SARS-CoV-2感染早期释放干扰素并控制感染。而在成人COVID-19患者中，更强大的适应性免疫反而可能致全身炎症反应失调造成多器官损伤。Weisberg等[32]发现SARS-CoV-2 感染后儿童和成人有不同的抗体反应，儿童的SARS-CoV-2特异性抗体反应主要为抗刺突蛋白IgG抗体，中和活性水平低，严重程度不等的儿童表现出相似的抗体谱；而在成人COVID-19队列中，患有严重呼吸窘迫综合征的患者不仅有白介素-6、C反应蛋白、乳酸脱氢酶等全身炎症反应物的显著升高，SARS-CoV-2特异性抗体也表现出更高的丰度、广度和中和活性。

此外，更少的合并症和高危因素（肥胖、糖尿病和高血压等）也是儿童严重程度较低的原因。但是儿童感染SARS-CoV-2 仍有可能出现重症，表现为呼吸衰竭、心肌炎、休克、急性肾衰竭、凝血功能障碍、神经系统受累（脑炎、脑卒中、脑水肿、格林-巴雷综合征）和多系统器官衰竭等。儿童Omicron感染后嗅觉和味觉丧失并不常见，但各国陆续也有神经系统症状的相关报道，主要表现为抽搐、惊厥，严重者可表现为癫痫持续状态，其他神经系统症状如嗜睡、谵妄等也有报道[33-34]。一项南非研究在125例住院患儿中观察到有19 例（20%）出现无并发症的惊厥，大部分患儿考虑为热性惊厥，但也有部分患儿不符合热性惊厥的定义，不排除潜在脑炎的可能性[35]。其机制目前推测与病毒对神经细胞的直接损伤、血管内皮损伤、过度炎症或自身免疫性损伤、缺氧或过度镇静所致的继发损伤等有关[36]。与儿童重症COVID-19相关的风险因素包括新生儿、早产儿、先天性心肺气道疾病、慢性心肾疾病、营养不良、肥胖、糖尿病、神经发育障碍（脑性瘫痪、21 三体综合征等）、免疫低下（免疫缺陷病、肿瘤、使用免疫抑制剂）、镰刀型细胞贫血症等[37]。

大多数患有COVID-19 的儿童症状较轻且预后良好，极少数可能会出现一种类似于川崎病和中毒性休克综合征的过度炎症反应，称为儿童多系统炎症综合征（multisystem inflammatory syndrome,MIS-C）。MIS-C一般发生在SARS-CoV-2感染后的2～6周，临床表现为持续发热和炎症标志物升高，伴有多器官系统受累，包括心血管、胃肠道、肾脏、血液、皮肤和神经系统等，但不一定表现有COVID-19典型的呼吸道症状。与COVID-19 患儿表现出强烈的Ⅰ型干扰素反应不同，MIS-C患儿中表现出Ⅱ型干扰素依赖和NF-κB依赖、可溶性刺突蛋白水平升高等免疫特征[38]。SARS-CoV-2 的刺突蛋白上存在超抗原序列，超抗原是一类只需极低浓度即可激活大量的T细胞克隆、产生过度免疫应答的物质，由其介导的细胞因子风暴被认为是引起MIS-C的可能机制[39]。但Omicron流行以来，MIS-C的发病率显著下降[40]，原因是否与刺突蛋白中的突变相关仍有待进一步研究。

6 免疫逃逸与疫苗预防

SARS-CoV-2 刺突蛋白的RBD 和N-端结构域均为中和抗体靶点，Omicron 在这两个结构域中的大量突变带来空间位阻效应、抗体-抗原相互作用以及刺突蛋白局部结构的变化，进而影响抗体识别，导致病毒逃避既往感染或疫苗接种诱导的中和抗体作用[41]。现有的灭活疫苗、mRNA 疫苗和腺病毒疫苗的有效性均大大降低。儿童中使用最广泛的是具有很高安全性的灭活疫苗。一项智利队列研究结果显示，科兴生物的灭活疫苗CoronaVac预防3至5岁儿童感染Omicron后出现症状性COVID-19的有效率为38.2%（95%CI：36.5%～39.9%），预防住院的有效率达64.6%（95%CI：49.6%～75.2%），预防ICU入住的有效率为69%（95%CI：18.6%～88.2%）[42]。虽然Omicron刺突蛋白中的突变使得疫苗产生的中和抗体保护效果减弱，但细胞免疫反应的组分（如T淋巴细胞）仍然可以靶向Omicron并发挥作用[43]，使得重症减少。被认为对SARS-Cov-2 原始病毒株最有效的mRNA疫苗，如辉瑞的BNT162b2和莫德纳的mRNA-1273，也在超半数受试者中发现未能对Omicron产生有效的中和效价。

一项在卡塔尔居民中的研究显示，接种两剂辉瑞mRNA 疫苗对于BA.1 亚型感染的保护作用只持续了大约3个月，有效率很快在第 4到6个月从最高的46.6%(95%CI：33.4%～57.2%)下降至10%及以下，但在接种加强针后，有效率迅速回升至59.9%(95%CI：51.2%～67.0%)；对于BA.2亚型情况类似。尽管常规两剂疫苗的保护作用十分有限且会随着时间的推移而减弱，但对COVID-19 住院和死亡的有效率仍维持在70%～80%之间，并在接种加强针后超过90%[44]。

7 小结与展望

与先前VOC相比，Omicron 的生物学特性已经发生较大变化。作为目前突变程度最高的变异株，其刺突蛋白中的大量突变赋予了增强的传染性、传播力、免疫逃逸能力和减弱的毒力。随着Omicron广泛的社区传播，不能忽视大流行对儿童健康的影响。儿童有其独特的生理特点和免疫特点，临床表现以无症状和轻症为主，但有高危因素的患儿仍有进展为重症的风险。Omicron 的持续进化也警醒我们，COVID-19 大流行远未结束，我们对病毒的了解仍十分有限。尽管Omicron 可以逃避疫苗或先前感染后诱导的抗体免疫，但常规两剂疫苗仍能够减少住院、重症及死亡的发生，加强针的接种则能进一步提升保护力。接种疫苗依旧是当下预防感染、减少重症的最有效措施。