Возникновение и распространение COVID-19
В декабре 2019 г. в Китайской Народной Республике (КНР) в провинции Хубэй появились случаи пневмонии неизвестной этиологии. Почти все первые случаи заболевания были обнаружены у людей, работающих на рынке или посещающих рынок морепродуктов в городе Ухань. В январе 2020 г. у больных пневмонией выявили новый коронавирус [1]. В феврале 2020 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) дала новой болезни название COVID-19, а Международный комитет по таксономии вирусов (ICTV) дал вирусу название SARS-CoV-2.
К 15 февраля 2020 г. число людей с диагнозом COVID-19 в Китае превысило 50 тыс., в то время как в других странах наблюдались немногочисленные (меньше 50, за исключением Сингапура и круизного судна «Diamond Princess») случаи заболевания [2]. Несмотря на принятые карантинные меры, заболевание стремительно распространилось. 11 марта 2020 г. ВОЗ объявила вспышку заболевания пандемией [3]; к этому времени вирус распространился на 114 стран, число диагностированных больных достигло 118 тыс., а число умерших — 4 тыс. [4]. К моменту написания этой статьи, 16 апреля 2020 г., пандемия охватила 213 стран; в мире насчитывается более 2 млн заболевших и более 134 тыс. умерших от COVID-19 [5]. Во многих странах число заболевших и умерших растет экспоненциально. Текущую статистику можно посмотреть на сайте ВОЗ (https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/situation-reports/), на российском сайте (https://www.coronavirus-monitor.ru) и на веб-агрегаторе, поддерживаемом Университетом Джонса Хопкинса, США (https://gisanddata.maps.arcgis.com/apps/opsdashboard/index.html#/bda7594740fd40299423467b48e9ecf6).
На середину апреля помимо КНР наибольшее количество случаев пришлось на США, Италию, Испанию, Германию, Францию и Великобританию.В то время как в КНР на этот момент эпидемия была взята под контроль и выявлялось менее 100 новых больных в день, центр пандемии переместился в США и Европу, где ежедневно суммарно диагностировались десятки тысяч новых заболевших каждый день. В Российской Федерации по состоянию на 16 апреля 2020 г. насчитывалось более 24 000 заболевших и более 200 умерших [5].
Репродуктивное число (число вторичных случаев заражения, вызванных одним инфицированным человеком, R0) для COVID-19 оценивается как 2,2 (95% доверительный интервал от 1,4 до 3,9) [6]. Для сравнения, сезонный грипп имеет, как правило, репродуктивное число около 1,3 [7].
COVID-19 передается воздушно-капельным, воздушно-пылевым и контактно-бытовым способами. Показано, что инфекция может передаваться в том числе от бессимптомных носителей и зараженных людей уже в инкубационном периоде их заболевания и даже в течение нескольких дней после клинического выздоровления [8—10]. Вне организма человека вирус SARS-CoV-2 может сохранять способность к заражению до 3 дней на поверхностях, сделанных из пластика и нержавеющей стали, до 24 ч — на картоне и до 4 ч — на медьсодержащих поверхностях [11].
Вирус SARS-CoV-2
Впервые геном вируса был секвенирован в КНР и выложен в Genbank 10 января 2020 г. [12]. Первые 10 секвенированных геномов оказались одинаковыми на 99,98%, что говорит об одном исходном источнике эпидемии. Последовательность SARS-CoV-2 на 96% оказалась идентичной таковой для вируса летучих мышей CoV RaTG13, на 92% идентичной таковой для вируса яванского панголина Pangolin-CoV [13], на 79% — вируса SARS-CoV и на 50% — MERS-CoV. Сейчас предполагается, что именно летучие мыши являются природным резервуаром вируса, но, по всей видимости, существует промежуточный хозяин, который в настоящее время не выявлен; на подозрении — панголины, кошки и собаки. Филогенетический анализ геномов изолятов вируса в сравнении с геномными последовательностями более 1000 природных штаммов и сконструированными лабораторными штаммами подтверждает, что вирус SARS-CoV-2 имеет естественное природное происхождение [14—16].
Вирус SARS-CoV-2 относится к царству Riboviria, отряду Nidovirales, подотряду Cornidovirineae, семейству Coronaviridae, подсемейству Orthocoronavirinae, роду Betacoronavirus, подроду Sarbecovirus, виду SARS-coronavirus [17]. К тому же роду, подроду и виду относятся вирусы SARS-CoV и MERS-CoV, вызывающие тяжелый острый респираторный синдром (Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS) и ближневосточный респираторный синдром (Middle East Respiratory Syndrome, MERS). Коронавирусы имеют геном в виде одноцепочечной плюс-РНК величиной от 26 до 32 Кб [15, 16] и подразделяются на 4 рода: α, β, γ и δ [17]. Из них α- и β-коронавирусы в основном являются патогенами млекопитающих, а вирусы γ- и δ- поражают млекопитающих и птиц. SARS-CoV-2 относится к группе β-коронавирусов. Вирус SARS-CoV-2 — седьмой из известных коронавирусов, которые могут вызывать заболевания человека. Из них вирусы α-CoVs HCoV-229E, HCoV-NL63, β-CoVs HCoV-HKU1 и HCoV-OC43 обладают, как правило, низкой патогенностью и вызывают в основном легкие или средней тяжести респираторные заболевания, сходные с гриппом, хотя иногда могут вызывать и тяжелые пневмонии. К роду β-коронавирусов также относят вирусы SARS-CoV-1 и MERS-CoV. Вирус SARS-CoV-1 вызвал вспышку атипичной пневмонии в 2002—2003 гг. [18], а вирус MERS-CoV вызвал вспышку ближневосточного респираторного синдрома в 2012 г. и последующих годах [19].
Для проникновения в клетки человека SARS-CoV-2 использует тот же рецептор, что и SARS-CoV-1, а именно — ангиотензин-превращающий фермент 2 (ACE2). Слияние мембран клетки и вируса проходит при участии клеточной сериновой протеазы TMPRSS2 [20].
In vitro вирусные частицы SARS-CoV-2 могут проникать в те же клеточные культуры, что и SARS-CoV-1, например, культуры клеток человека HEK-293T, клеток зеленой мартышки Vero Е6 и Vero CCL81, клеток собаки MDCKII, клеток аденокарциномы человека (A549) и клеток печени (HUH7.0)[20]. В исследованиях вирусной репликации и цитотоксичности ряд клеточных линий был инокулирован вирусом с высокой множественностью и был изучен через 24 ч после этого. Никакого цитопатического эффекта не наблюдалось, за исключением клеток Vero, в которых титры вируса достигали >107 PFU через 24 ч после инфицирования. В противоположность этому клетки HUH7.0 и HEK-293T продемонстрировали только небольшой уровень репликации, а клетки A549 вообще не инфицировались вирусом.
При наблюдении бляшки были более различимы и видимы на культуре Vero E6. Через два дня после инфицирования, при более сильном разведении клетки VeroE6, производили отдельно различимые бляшки, хорошо видимые при окрашивании нейтральным красным. В противоположность этому на клетках Vero CCL81 получались менее прозрачные бляшки, более различимые при окрашивании нейтральным красным через 3 дня после заражения [20].
Для in vivo исследований SARS-Cov-2 возможно применение таких животных, как резус-макаки и трансгенная (гуманизированная) линия лабораторной мыши hACE2. Однако как у макак, так и у мышей не развивается тяжелая респираторная форма инфекции [21]. Показано, что SARS-CoV-2 может реплицироваться в верхних дыхательных путях хорьков и домашних кошек. При этом кошки способны заражать других кошек. В то же время собаки, свиньи, курицы и утки мало восприимчивы к заражению [22].
Эпидемиология и факторы риска
По результатам исследований китайских ученых, большинство заболевших, 87%, были в возрасте 30—79 лет, 1% — менее 9 лет, 1% — 10—19 лет и 3% — старше 80 лет [23, 24]. Оценка коэффициента летальности (case-fatality rate; доля умерших, деленная на общее число заболевших) заболевания варьирует от 1 до 7% [24, 25] в зависимости от поло-возрастного состава населения, стратегий тестирования, диагностики, лечения, бюрократических особенностей здравоохранения в конкретной стране и загруженности систем здравоохранения. 3 марта 2020 г. ВОЗ оценила летальность как 3,4% [26]. Однако результаты наблюдений за экипажем и пассажирами круизного лайнера «Diamond Princess», на котором из 712 заболевших умерло 11 человек [5], приводят к оценке коэффициента летальности в 1,5% (95% доверительный интервал от 0,6 до 2,4%).
Уже многие исследования показали, что течение заболевания и смертность сильно зависят от возраста больного и наличия других заболеваний. У детей пока зарегистрированы единичные случаи летального исхода. В группе до 30 лет смертность составляет около 0,2%; после 40 лет риск увеличивается в 3—4 раза с каждой дополнительной декадой, достигая примерно 8% у заболевших возраста 70—79 лет и 15—20% после 80 лет [23—25].
В группу высокого риска кроме пожилых людей входят также люди с хроническими заболеваниями. Показано, что артериальная гипертензия, болезни сердца, диабет и ожирение с индексом массы тела выше 40 ухудшают прогноз [24, 27].
В то же время тяжелое течение с летальным исходом наблюдается и у лиц среднего (от 30 лет) возраста без сопутствующих заболеваний; возможно, данные лица имеют неизвестные на данный момент факторы риска, например, неблагоприятный генотип.
В настоящее время недостаточно данных о протекании COVID-19 у беременных женщин и влиянии заболевания на развитие плода и новорожденных. Предварительные данные на маленьких выборках не показали более тяжелое протекание болезни во время беременности. У большинства беременных женщин [28] и новорожденных [29—32] течение болезни было легким или средним. Пока нет сведений о влиянии COVID-19 на развитие плода в I и II триместрах беременности.
Клиническое течение
Инкубационный период COVID-19 составляет от 2 до 14 дней со средним сроком появления симптомов около 5 дней [6]. Описаны случаи наступления заболевания с инкубационным периодом более 14 дней [23], но они единичны, и возможно, в этих случаях имелись повторные не отслеженные контакты с вирусоносителями.
Клиническая картина заболевания варьирует от бессимптомных случаев до тяжелых, требующих больничного и реанимационного лечения. Характерными клиническими симптомами COVID-19 являются: повышение температуры тела, сухой кашель, одышка, миалгии и утомляемость. Другие симптомы включают головную боль, спутанность сознания, боль в грудине и диарею [33]. В более тяжелых случаях развивается двусторонняя пневмония, острый респираторный дистресс-синдром (ОРДС), полиорганная недостаточность и сепсис [34]. По тяжести течения формы заболевания классифицируются на легкие, среднетяжелые и крайне тяжелые [35].
Большинство клинических случаев (81%) COVID-19 классифицируются как легкие и средние. У 14% пациентов заболевание протекает в тяжелой форме с наличием одышки, частотой дыхания ≥30/мин, насыщением крови кислородом ≤93%, наличием инфильтратов в легких >50% в течение 24—48 ч. Около 5% переносят заболевание в крайне тяжелой форме. У них наблюдаются развитие дыхательной недостаточности, септический шок, недостаточность других органов [23, 24].
После выписки некоторые пациенты по-прежнему являются вирусоносителями, что подтверждается положительными результатами лабораторных тестов. Более того, у некоторых пациентов наблюдается рецидив заболевания [36]. Таким образом, по крайней мере у части заболевших иммунный ответ не развивается в достаточной для элиминации вируса мере. Это может означать, что для определенной группы людей вакцинация может быть неэффективной.
Диагностика
По клиническим симптомам COVID-19 невозможно отличить от других острых респираторных инфекций, в частности, от простуды и других ОРВИ. Ключевым фактором в дифференциальной диагностике является сбор эпидемиологических данных — история путешествий, контакты больного, др. Окончательный диагноз ставится по результатам лабораторных тестов, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР), серологические тесты и инструментальная диагностика (компьютерная томография).
ПЦР-диагностика
Диагностика основана на амплификации (размножении) специфичных участков генома вируса методом ПЦР с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) [37, 38]. Основным биоматериалом для этого исследования является мазок из носоглотки и/или ротоглотки. ПЦР-диагностика в настоящее время используется для многих инфекционных заболеваний. Ее преимущества заключаются в возможности быстрой разработки и производства теста сразу, как только становится известна геномная последовательность вируса, а также в очень высокой чувствительности (вплоть до всего 10 молекул РНК в пробе) и специфичности тестов. Тестирование SARS-CoV-2 производят на гены N, S [39], ORF1ab, E и их комбинации. Например, Китайский центр по контролю и предотвращению заболеваний рекомендует использование праймеров к генам ORF1ab и N. Тест считается положительным, если определяются оба участка генома [40]. Ряд российских производителей зарегистрировал свои тест-системы в конце марта и уже наладил их производство.
Серологические тесты
С помощью серологических тестов можно выявить наличие специфических антител к вирусу или наличие антигена в организме. При этом чаще всего применяется комбинированное тестирование крови на IgM- и IgG-антитела к вирусу. Тестирование на иммуноглобулины M позволяет определить факт недавнего заражения вирусом, а тестирование на иммуноглобулины G выявляет либо позднюю стадию инфекции, либо иммунный ответ после выздоровления. Тест на антитела весьма полезен при оценке иммунного статуса популяции и может позволить индивидуальный выход из карантина, а также нужен для оценки иммунного статуса после вакцинации. Минимальное время тестирования составляет 15 мин, а итоговые чувствительность и специфичность во время испытаний составили 88,66 и 90,63% соответственно [41].
Иммуноферментный тест на антиген вируса, особенно его экспресс-версия, помогают выявить коронавирусную этиологию в острой фазе инфекции. Но точная информация об этих тестах, их чувствительности и специфичности на момент написания статьи была недоступна. Что касается возможности дифференциации различных коронавирусов человека с помощью серологических тестов, то этих данных в опубликованной литературе пока нет.
Другие тесты
В настоящее время разрабатываются тесты, основанные на методе CRISPR, например, SHERLOCK и DETECTR. Тесты основаны на способности системы CRISPR узнавать специфические геномные участки и вырезать их.
Метод SHERLOCK (Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing) основан на использовании Cas13 для детекции РНК вируса в концентрации от 10—100 молекул РНК на микролитр. Визуализация результатов производится с помощью индикаторной тест-полоски, в течение часа. Метод DETECTR использует Cas12 для детекции кДНК и является более быстрым в исполнении (около 30 мин), но менее чувствительным, определяя наличие вирусного генома в пробе с исходной концентрацией 70—300 молекул РНК вируса на микролитр. На момент написания статьи оба теста проходили клинические испытания [42].
Также разработаны быстрые тесты на основе как простой ПЦР, так и изотермической ПЦР, в том числе — картриджные, для полевого применения. Однако их чувствительность может быть меньше, чем у стандартных ПЦР-тестов. Время анализа для этих тестов составляет около 30 мин, что приемлемо для тестирования пассажиров в аэропортах.
Томографическое обследование
Для диагностики пневмонии, вызванной COVID-19, также используют компьютерную томографию [43]. При пневмонии, вызванной коронавирусом, выявляют двусторонние инфильтраты в виде «матового стекла» или консолидации, имеющие преимущественное распространение в нижних и средних зонах легких [44].
Лечение
На данный момент отсутствует какая-либо специфическая противовирусная терапия для лечения COVID-19. Легкие случаи не требуют специального лечения. При развитии дыхательной недостаточности и пневмонии больного госпитализируют и оказывают симптоматическую терапию. В тяжелых случаях лечение направлено на поддержание функций жизненно важных органов. При присоединении вторичных бактериальных инфекций могут быть назначены антибиотики [33]. Основным симптоматическим лечением в тяжелых случаях является кислородная терапия. На фоне вирусной инфекции у тяжелых больных может развиться ОРДС. Таких больных переводят на механическую вентиляцию легких (аппарат ИВЛ), а в более тяжелых случаях применяется экстракорпоральная мембранная оксигенация. При тяжелой форме заболевания медиана от первых симптомов до развития одышки составляет 5 дней, до госпитализации — 7 дней и до развития ОРДС — 8 дней [37].
В настоящее время проводится большое число клинических испытаний для целого ряда лекарств. Особо интересны испытания лекарств, широко используемых для лечения других заболеваний. Эти лекарства были выбраны из препаратов с потенциальной противовирусной активностью или на основании гипотез о механизме действия вируса. В частности, широко исследуется действие таких препаратов, как фавипиравир (ингибитор вирусных РНК-полимераз, выпускаемый в Японии), ремдесивир (или GS-5743, нуклеотидный аналог, ингибитор вирусной РНК-полимеразы, разработанный компанией Gilead Sciences, США, но пока находящийся на более ранней, по сравнению с другими препаратами, стадии клинических испытаний) [45], комбинация лопинавира и ритонавира (ингибиторы протеаз, используемые при лечении гепатита С и ВИЧ-инфекции) и противомалярийные препараты хлорохин и гидроксихлорохин (повышают эндосомный pH и нарушают терминальное гликозилирование ACE2). Предварительные исследования не подтвердили эффективность лечения лопинавиром и ритонавиром [46]. Эффективность ремдезивира и хлорохина была показана в in vitro экспериментах [47]. Эффективность гидроксихлорохина была показана в предварительных, пока весьма ограниченных клинических испытаниях [48], которые сейчас критикуются за недостоверность. Следует отметить, что гидроксихлорохин может иметь серьезные побочные эффекты и взаимодействовать с другими лекарственными препаратами. В настоящее время ВОЗ инициировала глобальное клиническое исследование данных препаратов под названием Solidarity [49].
Ученые из разных стран занимаются разработками вакцины от заболевания, вызванного SARS-CoV-2. Существует несколько подходов к разработке противовирусных вакцин. В частности, проходят доклинические испытания вакцин на основе ослабленного или инактивированного вируса, вирусных векторов, рекомбинантных мРНК и ДНК и рекомбинантных белков [50]. Начаты клинические испытания I фазы на добровольцах в США вакцины на основе рекомбинантной мРНК (компания Moderna) и в КНР, на основе рекомбинантного живого аденовируса 5-го серотипа (компания CanSino Biologics). В случае успеха на I фазе испытаний, II и III фазы будут проведены в очагах вспышек в США и КНР уже летом. Полные циклы тестирования эффективности и безопасности вакцин займут по меньшей мере год.
Обсуждение
В настоящий момент нет ответов на многие вопросы о заболевании COVID-19 и самом вирусе SARS-CoV-2. Нет точных оценок того, какая доля инфицированных вирусом являются бессимптомными носителями или переносят заболевание в легкой форме, не попадая в официальную статистику. Если эта доля большая и такие люди передают заболевание, то, с одной стороны, инфекцию будет очень трудно остановить принимаемыми в настоящее время карантинными мероприятиями, которые во многих странах опираются на изоляцию симптоматических случаев и их контактов.
С другой стороны, это будет означать, что оценки количества заболевших, нуждающихся в госпитальном лечении, и показатель летальности завышены. По одной из оценок доля бессимптомных носителей может составлять даже до 60% от общего числа инфицированных [51], при этом по крайней мере некоторые асимптоматические зараженные могут инфицировать других людей [10].
Хотя существующие оценки показателя летальности и доли пациентов, нуждающихся в госпитализации и интенсивной терапии, могут быть завышены, понятно, что число больных COVID-19, которые одномоментно нуждаются в госпитализации и реанимационных мероприятиях, в разы превышает показатели «привычных» инфекций, таких как сезонный грипп. Это ясно из того, что системы здравоохранения областей Хубэй и северной Италии, в которых SARS-CoV-2 какое-то время распространялся бесконтрольно, были близки к коллапсу.
На количество заболевших, одновременно нуждающихся в медицинской помощи, влияют вирулентность и скорость распространения инфекции в популяции. Точная оценка эпидемиологических параметров COVID-19 важна для разработки математических моделей, которые применяются экспертами для прогнозирования развития ситуации. Одной из основных задач, решаемых этими моделями, является определение набора карантинных мер. Карантинные меры направлены на подавление или замедление скорости распространения вируса, таким образом оптимизируя возможности здравоохранения и минимизируя смертность и экономический эффект от пандемии [52].В частности, важным целевым параметром является число больных, нуждающихся в госпитализации. Их число не должно превышать число доступных больничных мест в системе здравоохранения.
Достоверное выявление динамики количества инфицированных чрезвычайно важно для принятия правительственных решений и понимания того, насколько принимаемые меры эффективны. В настоящий момент ВОЗ призывает проводить как можно больше тестов на SARS-CoV-2 для контроля за распространением заболевания [53], так как, судя по всему, без этого с пандемией не справиться. Установление точного числа инфицированных чрезвычайно сложно в связи с трудностями тотального и неоднократного скрининга населения. Интересен опыт Нидерландов и Дании, где мониторинг динамики числа инфицированных проводится с помощью определения содержания вирусной РНК в канализации [54]. Однако эффективность и точность этого подхода для борьбы с эпидемией пока неясны.
Нет четкого ответа и на вопрос, насколько устойчив иммунитет к COVID-19. Новостные сайты распространяли информацию о нескольких случаях, когда пациент повторно заболевал COVID-19 [55]. Являются ли эти случаи повторно инфицированными, рецидивом заболевания или ложноположительным результатом тестирования в первый раз, неясно. Однако недавно проведенное исследование на резус-макаках показало, что повторная инфекция маловероятна [56] (следует отметить, что на момент написания этого обзора данная статья появилась в форме репринта и еще не прошла рецензирования).
Остается неясным вопрос о сезонности COVID-19. Есть предположение, что с наступлением лета в северном полушарии репродуктивное число может снизиться, что приведет к замедлению распространения инфекции. Есть также предположение о том, что ввиду изоляции тяжелобольных, наиболее патогенные варианты вируса не будут распространяться и их вытеснят слабо патогенные варианты от бессимптомных больных. Тогда нынешний вирус просто станет очередным коронавирусом, вызывающим обычныеОРВИ. Эти предположения будут проверены природой и самой жизнью в ближайшие 3—4 мес.
Интересно отметить, что дети, хотя и заражаются вирусом, болеют в более легкой форме по сравнению со взрослыми [57]; на данный момент нет данных о смертях детей моложе 10 лет [25]. Предполагают, что дети могут иметь более свежий иммунный ответ на антигенно сходную инфекцию, а также другой уровень ACE2-рецепторов на клетках легких [58]. Эксперименты на модельных животных действительно показали, что удельное количество ACE2-рецепторов играет важную роль в предотвращении развития острой дыхательной недостаточности [59], а уровень ACE2 уменьшается с возрастом [60, 61]. Однако у человека в исследованиях ОРДС изменений активности ACE2 с возрастом не наблюдалось [62]. Применение рекомбинантного ACE2 не было эффективным при лечении ОРДС человека [63].
В дальнейшем важно будет исследовать связь симптоматики и тяжести течения заболевания с различными эпидемиологическими и клиническими факторами риска, вариациями в геномных последовательностях вариантов вируса и особенностями геномов и иммунных систем заболевших.
Благодарности. Авторы выражают благодарность Базыкину Г.А. и Мошковскому С.А. за обсуждение и Аульченко Н.В. за помощь с оформлением статьи.
Финансирование. Работа Ю.С. Аульченко была выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ через ИЦиГ СО РАН (Бюджетный проект 0324-2019-0040-С-01/AAAA-A17-117092070032-4). Работа С.В.Нетёсова была выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ по Программе повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (проект 5-100).
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.