Analysis of human coronaviruses circulation

S. B. Yatsyshina; Яцышина С. Б.; M. V. Mamoshina; Мамошина М. В.; O. Yu. Shipulina; Шипулина О. Ю.; A. T. Podkolzin; Подколзин А. Т.; V. G. Akimkin; Акимкин В. Г.

doi:10.36233/0507-4088-2020-65-5-3

Анализ циркуляции коронавирусов человека

Авторы: Яцышина С.Б.¹, Мамошина М.В.¹, Шипулина О.Ю.¹, Подколзин А.Т.¹, Акимкин В.Г.¹
Учреждения:
1. ФБУН «Центральный научно-исследовательский институт эпидемиологии» Роспотребнадзора
Выпуск: Том 65, № 5 (2020)
Страницы: 267-276
Раздел: ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Дата подачи: 14.11.2020
Дата принятия к публикации: 14.11.2020
Дата публикации: 14.11.2020
URL: https://virusjour.crie.ru/jour/article/view/436
DOI: https://doi.org/10.36233/0507-4088-2020-65-5-3
ID: 436

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Введение. Появление в конце 2019 г. нового коронавируса SARS-CoV-2, ставшего причиной пандемии, породило массу вопросов относительно эпидемиологии нового заболевания COVID-19 и известных ранее инфекций, вызываемых коронавирусами, которым по причине более лёгкого течения заболеваний уделяли мало внимания.

Цель данной работы – многолетнее ретроспективное исследование распространённости и особенностей циркуляции эпидемических коронавирусов человека в Москве при проведении рутинного скрининга.

Материал и методы. Методом полимеразной цепной реакции с детекцией в режиме реального времени исследовали на РНК эпидемических коронавирусов человека (HCoVs) мазки из носо- и ротоглотки 16 511 больных острой респираторной инфекцией (ОРИ) в возрасте от 1 мес до 95 лет (58,3% составили дети), собранные с января 2016 г. по март 2020 г., и мазки 505 условно-здоровых детей, собранные в 2008, 2010 и 2011 гг.

Результаты. HCoVs обнаруживали у 2,6–6,1% обследованных больных в год, статистически значимо чаще у взрослых по сравнению с детьми, без различий по полу. На пике заболеваемости в декабре 2019 г. HCoVs обнаружены у 13,7% обследованных, что в 2 раза выше среднемноголетнего уровня данного месяца. У больных ОРИ детей до 6 лет HCoVs выявляли статистически значимо чаще, чем у здоровых (3,7 vs 0,7%, p = 0,008).

Заключение. HCoVs циркулируют ежегодно, демонстрируя в Московском регионе зимне- весеннюю сезонность с пиком в декабре. За годы наблюдения эпидемическая активность HCoVs росла до максимальных значений в декабре 2019 г. – феврале 2020 г., снизившись в марте до среднемноголетнего уровня. На фоне растущего количества случаев завоза SARS-CoV-2 в Москву в марте 2020 г. частота выявления HCoVs резко понизилась, что, по-видимому, отражает наличие конкуренции между разными коронавирусами и подтверждает специфичность выявления HCoVs использованным в данной работе диагностическим набором.

Ключевые слова

коронавирусы, полимеразная цепная реакция, сезонность, эпидемическая активность

Полный текст

Введение

Коронавирусы, как возбудители инфекций животных и человека, широко распространены в природе. Они относятся к семейству Coronaviridae, подсемейству Orthocoronavirinae, в котором выделяют 4 рода: Alphacoronavirus, Betacoronavirus, Deltacoronavirus и Gammacoronavirus [1]. Представители родов Gammacoronavirus и Deltacoronavirus инфицируют преимущественно птиц. Вирусы родов Alphacoronavirus и Betacoronavirus обнаруживают у млекопитающих.

Коронавирусы человека (HCoV), циркулирующие ежегодно в популяции людей, т. е. эпидемические коронавирусы, вызывают острые респираторные инфекции (ОРИ) [2], затрагивающие, как правило, верхние дыхательные пути [36]. В редких случаях они ассоциируются с поражением нижних дыхательных путей [7], описаны случаи выделения коронавирусов человека от больных пневмонией [8].

Среди эпидемических коронавирусов человека (HCoVs) в настоящее время выделяют 4 вида.

Human coronavirus 229E (род Alphacoronavirus подрод Duvinacovirus) и Betacoronavirus 1 (ранее назывался HCoV-OC43; род Betacoronavirus подрод Embecovirus) известны с середины 1960-х гг. Human coronavirus NL63 (род Alphacoronavirus, подрод Setracovirus) и Human coronavirus HKU1 (род Betacoronavirus подрод Embecovirus) были открыты в 2004 и 2005 гг. соответственно.

Вирионы коронавирусов представляют собой частицы размером 120 нм, сферической формы, содержащие нуклеокапсид (геномную РНК, связанную с нуклеопротеином (N)) спиральной формы, покрытый липидной мембраной со встроенными белками: гликопротеином (spike, S), формирующим булавовидные отростки, гемагглютинин-эстеразой (HE), мембранным протеином (М) и малым мембранным протеином оболочки (E) [9]. Проникновение в клетки слизистых оболочек происходит посредством связывания гликопротеина S со специфичными рецепторами, причём коронавирусы животных и разные виды HCoVs используют для этого различные рецепторы [10].

Геном коронавирусов, самый протяжённый среди всех РНК-содержащих вирусов, представлен однонитевой линейной молекулой РНК положительной полярности размером 27–32 тыс. нуклеотидов.

В результате рекомбинации РНК коронавирусов разных видов могут появляться новые варианты, приобретающие нехарактерный тканевый тропизм, более высокую вирулентность и способность преодолевать межвидовой барьер [11][12][13]. Подобные рекомбинационные события между геномами коронавирусов летучих мышей и других животных, закреплённые естественным отбором, способствовали появлению в популяции людей высоковирулентных для человека коронавирусов: SARS-CoV, возбудителя тяжёлого острого респираторного синдрома (ТОРС) [14][15], MERS-CoV, возбудителя ближневосточного респираторного синдрома [16], и SARSCoV-2, возбудителя COVID-19 [17], в 2002, 2012 и 2019 гг. соответственно.

HCoVs, по-видимому, также возникли в результате рекомбинационных событий с участием разных видов коронавирусов млекопитающих [18][19], с которыми они имеют общего предка, существовавшего миллионы лет назад [20].

Сведения об эпидемиологии инфекции, вызванной HCoVs, отрывочны: полученные в разные годы в отдельных группах пациентов, они не позволяют однозначно судить о сезонности коронавирусной инфекции и распространённости HCoVs в различных возрастных группах больных ОРИ. Разные исследователи сообщают о зимних, весенних или летних подъёмах заболеваемости [21–27].

Долгосрочные исследования циркуляции коронавирусов человека в России не проводили.

Целью данной работы стало многолетнее ретроспективное исследование распространённости эпидемических коронавирусов человека в Москве при проведении рутинного скрининга методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) с детекцией в режиме реального времени.

Материал и методы

Исследовали мазки из носо- и ротоглотки 16 511 пациентов с симптомами ОРИ, собранные с января 2016 г. по март 2020 г. в процессе рутинного скрининга по определению этиологии ОРИ в Москве. Известно о возрасте 16 385 человек, о поле 16 404 обследованных. Возраст больных варьировал от 1 мес до 95 лет, 58,3% обследованных составили дети в возрасте от 1 мес до 18 лет.

В анализ также включены результаты исследования мазков из носо- и ротоглотки, собранных в 2008, 2010 и 2011 гг. у 505 условно-здоровых детей без признаков респираторной инфекции на момент обследования в возрасте от 1 мес до 18 лет (56,2% младше 6 лет) [28].

РНК HCoVs обнаруживали с дифференциацией по родам: Alphacoronavirus (HCoV NL63 и HCoV 229E) и Betacoronavirus (HCoV HKUI, HCoV ОC43) методом ПЦР с детекцией в режиме реального времени с помощью набора реагентов «АмплиСенс ОРВИ-скрин-FL» (ФБУН ЦНИИЭ Роспотребнадзора) по инструкции производителя на приборах для ПЦР с детекцией в режиме реального времени: RotorGene 6000 (Corbett Research, Австралия), Rotor-Gene Q (QIAGEN GmbH, Германия), ДТ-96 (ООО «НПО ДНК-Технология», Россия).

Мазок из носо- и ротоглотки брали согласно методическим рекомендациям «Лабораторная диагностика гриппа и других ОРВИ методом полимеразной цепной реакции» МР 3.1.0117-17 и клиническим рекомендациям «Лабораторная диагностика гриппа и других ОРВИ методом полимеразной цепной реакции» (2016 г.)¹, объединяя в пробирке с 0,5 мл транспортной среды, и хранили до исследования при температуре от +4 до +8 °С не более 3 сут.

Статистический анализ включал проверку распределений на нормальность и расчёт критерия χ²Пирсона с использованием программы SPSS Statistics v. 18, 95% доверительный интервал (ДИ) вычисляли по методу Вальда [29].

Результаты

HCoVs обнаруживались ежегодно, демонстрируя экспоненциальную динамику увеличения к 2020 г. доли положительных находок с 2,6 до 6,1% числа обследованных больных. Вирусы, относящиеся к роду Alphacoronavirus (Alpha HCoV), ежегодно встречались в 1,5–3 раза чаще, чем Betacoronavirus (Beta-HCoV) (рис. 1).

В циркуляции HCoVs наблюдалась выраженная зимне-весенняя сезонность (рис. 2). Подъём заболеваемости, вызванной HCoVs, отмечался с ноября по май, когда они выявлялись более чем у 3% обследованных с ОРИ; пик приходился на декабрь–февраль (7,4–5,5%). В летние месяцы доля инфицированных HCoVs не превышала 0,5% (см. рис. 2). Частота обнаружения Alpha-HCoV ежемесячно была в несколько раз выше, чем Beta-HCoV.

С ноября 2019 г. по февраль 2020 г. отмечено превышение эпидемической активности HCoVs: увеличение частоты выявления в 2 раза относительно среднемноголетнего уровня (СМУ) для каждого месяца наблюдения. На пике подъёма в декабре 2019 г. (рис. 3) частота выявления HCoVs составила 13,7% (СМУ 7,0%), в январе–феврале – 8% (СМУ 3,1 и 4,2 %), а в марте резко снизилась до 4,1% (СМУ 4,2%).

Представляет интерес вопрос распространённости инфекции у больных разного пола и возраста.

Суммарная доля коронавирусной инфекции среди больных ОРИ женщин оказалась выше, чем мужчин (4,6 vs 3,7; p = 0,013), однако в разные годы эти показатели варьировали (табл. 1), что не позволяет сделать вывод о наличии статистически значимых различий распространённости HCoVs у лиц разного пола.

Распространённость коронавирусной инфекции у больных ОРИ разного возраста отражена в табл. 2. Чёткий возрастной пик отсутствует, однако в целом HCoVs статистически чаще выявлялись у взрослых, чем у детей (5,43%; 95% ДИ 4,92–6,0 vs 3,19%; 95% ДИ 2,86–3,56; p < 0,01) (рис. 4).

При обследовании группы детей без симптомов ОРИ HCoVs были обнаружены в 12 (2,1%; 95% ДИ 1,23– 4,11%) из 505 случаев, положительные результаты встречались во все сезоны, однако более половины из них (7 случаев) были выявлены весной.

У условно-здоровых детей в возрасте до 6 лет HCoVs выявлялись статистически значимо реже, чем у детей того же возраста с симптомами ОРИ (0,7% vs 3,7%; p = 0,008). Распространённость HCoVs у больных ОРИ старше 6 лет и условно-здоровых того же возраста не имела статистически значимых различий: 66 (2,4%) из 2803 vs 10 (4,5%) из 221 (р = 0,047).

Таблица 1. Частота выявления коронавирусов у больных острыми респираторными инфекциями разного пола
Table 1. Coronavirus detection frequency in female and male patients with acute respiratory infection

Примечание. * Здесь и в табл. 2: ДИ – доверительный интервал.
Note. * Here and in table 2: CI – confidence interval.

Таблица 2. Распространённость коронавирусов в разных возрастных группах больных острыми респираторными инфекциями
Table 2. Coronavirus prevalence in different age groups of patients with acute respiratory infection

Рис. 1. Распространённость эпидемических коронавирусов в динамике за 5 лет.

По оси абсцисс – годы наблюдения (с января 2016 г. по март 2020 г.); по оси ординат слева – абсолютное число обследованных и положительных случаев, справа – доля положительных случаев.

Fig. 1. Prevalence of epidemic-prone coronaviruses over 5 years.

The horizontal line – years of observation (from January 2016 to March 2020); the vertical line, on the left – the absolute number of the observed and positive cases; on the right – the proportion of positive cases.

Рис. 2. Сезонная распространённость эпидемических коронавирусов за 5 лет наблюдения (с января 2016 г. по март 2020 г.).

По оси абсцисс – месяцы наблюдения. По оси ординат слева – совокупное абсолютное число обследованных и положительных случаев, справа – доля положительных случаев помесячно за весь период наблюдения.

Fig. 2. Seasonal prevalence of epidemic-prone coronaviruses over 5 years of observation (from January 2016 to March 2020).

The horizontal line – months of observation. The vertical line, on the left – the total absolute number of the observed and positive cases; on the right – the proportion of positive cases per month for the entire observation period.

Рис. 3. Распространённость эпидемических коронавирусов с сентября 2019 г. по март 2020 г.

Fig. 3. Prevalence of epidemic-prone coronaviruses from September 2019 to March 2020.

Рис. 4. Распространённость эпидемических коронавирусов у детей и взрослых. Вертикальная шкала – доля положительных случаев.

Fig. 4. Prevalence of epidemic-prone coronaviruses in children and adults. The vertical line – the proportion of positive cases.

Обсуждение

Полученные данные свидетельствуют о том, что HCoVs циркулируют ежегодно, их активность в Московском регионе повышается в зимне-весенний период с пиком в декабре. Выявленный нами характер сезонности согласуется с данными исследования в Норвегии [30], тогда как в Израиле и Гонконге отмечена весенне-летняя активность [27][31]. По-видимому, это связано с климатическими особенностями регионов, влияющими на циркуляцию HCoVs, как и других респираторных вирусов [32].

Частота выявления HCoVs в нашем исследовании соответствует таковой в других странах [2][27][30][33].

К сожалению, большинство опубликованных исследований касались только детского контингента. В единственном опубликованном исследовании, проведённом в США на выборке больных в возрасте 0–96 лет, средний возраст инфицированных HCoVs составил 22 года [33]. По нашим данным, средний возраст больных, инфицированных HCoVs, – 24 года, медиана – 23 года.

HCoVs обнаружены нами у 2,1% условно-здоровых детей. Сходные с нашими результаты (1,9%) получены исследователями из Словении [25]. В Нидерландах HCoVs выявляли у детей контрольной группы с большей частотой (10%) [30].

В нашем исследовании у детей в возрасте до 6 летс симптоматикой ОРИ статистически значимо чаще обнаруживались HCoVs, чем у здоровых того же возраста, аналогично данным исследователей из Словении [25]. Тогда как среди детей 6–18 лет частота выявления HCoVs у больных и здоровых была практически одинакова, что совпадает с данными норвежских исследователей [30].

Такие возрастные различия, по-видимому, можно объяснить более лёгким и даже бессимптомным течением инфекции у детей старшего возраста вследствие приобретённого анамнестического иммунитета. У больных ОРИ взрослых распространённость коронавирусной инфекции оказалась выше, чем у детей, что может быть связано со снижением анамнестического иммунитета с возрастом.

Оба рода HCoVs демонстрировали одинаковую сезонность циркуляции, но сезонные подъёмы заболеваемости Beta-HCoV не были столь выраженными по сравнению с Alpha-HCoV, а распространённость первого среди детей и взрослых была практически одинаковой.

По данным сероэпидемиологических исследований, IgG к разным видам HCoVs обнаруживаются довольно часто, особенно у взрослых. От 91 до 100% обследованных в США лиц старше 50 лет имели IgG ко всем четырём HCoVs в сыворотке крови и в 8–30% случаев – секретируемые слизистой носоглотки IgA, что свидетельствует о широкой распространённости инфекции и возможности повторного заражения коронавирусами одного и того же вида [34].

Экспериментальным путём показано отсутствие кросс-реактивности нейтрализующих антител к HCoVs разных родов и внутри одного рода BetaHCoV [35][36].

Наши данные о более высокой частоте выявления HCoVs у взрослых, чем у детей, в совокупности с результатами иммунологических исследований зарубежных коллег позволяют предполагать формирование непродолжительной иммунологической защиты после инфицирования и возможность повторных случаев заражения HCoVs разных видов.

Более резкое по сравнению с предыдущими сезонами снижение частоты обнаружения HCoVs в марте 2020 г. на фоне роста случаев завоза SARS-CoV-2 в Москву может быть следствием конкуренции между разными коронавирусами и, бесспорно, подтверждает специфичность выявления РНК HCoVs использованным в данной работе диагностическим набором.

Заключение

Проведённое ретроспективное исследование позволило оценить распространённость и выявить особенности циркуляции HCoVs в Москве за 5 лет (с 2016 по 2020 гг.). Циркуляция HCoVs характеризовалась зимне-весенней сезонностью c преобладанием Alpha-HCoVs, без различий по полу. Распространённость HCoVs варьировала от 2,6 до 6,1% числа обследованных больных в год с превышением в 2 раза СМУ в эпидемическом сезоне 2019–2020 гг. У детей до 6 лет с симптомами ОРИ HCoVs выявлялись статистически значимо чаще, чем у условно-здоровых того же возраста, что свидетельствует о значимости возбудителей для развития инфекции. При инфицировании HCoVs детей старшего возраста, возможно, имеющих защитный анамнестический иммунитет, заболевание, по-видимому, протекает в лёгкой и бессимптомной форме, что может объяснять одинаковую частоту выявления вирусов у лиц с наличием и отсутствием респираторной симптоматики. Обнаруженный нами рост частоты выявления HCoVs у взрослых можно объяснить отсутствием перекрёстной реакции нейтрализующих антител к разным HCoVs и снижением уровня антител с возрастом.

В последние годы эпидемическая активность коронавирусов человека нарастала, достигнув максимума в декабре 2019 г. – феврале 2020 г., что совпало с появлением в Китае нового коронавируса SARS-CoV-2, относящегося к роду Betacoronavirus. Это совпадение могло быть не случайностью, а закономерным отражением активизации эволюционных процессов в популяции коронавирусов млекопитающих, изучение которых заслуживает отдельного внимания.