病毒进化建模:一个新的sirside框架及其在SARS-CoV-2动力学中的应用

北京大学的研究人员开发了一种名为sirside(易感-感染-恢复-易感-变异-免疫衰减-免疫逃逸)的新型计算模型来模拟病毒种群的传播和进化动力学。模拟结果表明，在大易感宿主群体和高突变率的特定条件下，病毒群体倾向于向传播性增强、免疫逃逸能力增强、致病性降低的方向进化，并伴有病毒性状的显著短期波动。这些发现为SARS-CoV-2和其他病毒的进化模式提供了新的见解，对指导公共卫生决策具有重要意义。

　　

了解病毒(如SARS-CoV-2)的突变和进化对有效的公共卫生管理和应对至关重要。传统的流行病学模型往往假设病毒的传播力和致病性在疾病传播过程中保持不变，忽略了病毒通过自然选择和随机突变不断进化的事实。这种简化限制了这些模型预测流行病趋势的准确性，特别是在面对快速变异的病毒时。

为了克服这些限制，北京大学陆建教授的团队开发了一种新的计算模型sirside(易感-感染-恢复-易感-变异-免疫衰减-免疫逃逸)。SIRSVIDE模型不仅结合了流行病学的基本原理，而且整合了病毒突变和进化的关键特征。通过模拟易感群体(S)、感染群体(I)、恢复群体(R)和个体再次易感群体(S)的动态，同时引入病毒变异(V)、免疫衰变(ID)和免疫逃逸(IE)等因素，该模型可以捕捉病毒的短期和长期进化动态。它不仅考虑了单个毒株的进化，而且考虑了不同毒株之间的竞争关系，为研究病毒流行病学和进化动力学提供了一个通用的框架。

在特定条件下(高突变率μ= 10-8，大宿主群体N = 109)的模拟表明，病毒群体经历连续的谱系迭代，并朝着传播性增强、免疫逃逸增强和致病性降低的方向进化，同时伴随着病毒性状的显著短期波动。研究发现，大量宿主种群和高突变率是导致这些独特进化趋势的关键因素。

尽管有这些长期的进化趋势，但病毒进化固有的随机性不可避免地导致病毒性状的短期波动。各种参数下的模拟结果表明，相当一部分流行菌株(27.12% ~ 37.59%)的传播力和致病性均高于其祖先菌株。这表明，在流行病的短期内可能出现传播性和致病性同时增强的新变异。此外，随着感染次数或突变率的降低，病毒短期进化方向的不确定性进一步增加。

Andersen & May在1982年提出了经典的“传播-毒力权衡”假说，认为在病毒进化过程中存在着传播性和致病性之间的权衡。然而，病毒的传播途径和致病机制是多种多样的，传播力和致病性并不总是严格耦合的。sirside模型提供了一个综合考虑易感-感染-恢复-易感动力学、免疫衰减、免疫逃逸、病毒突变等因素的动态分析框架，能够深入分析不同参数变化对病毒进化动力学的影响。这有助于我们理解病毒如何在多重选择压力下平衡传播性和致病性，从而找到最佳的适应策略。

总之，陆坚教授团队开发的SIRSVIDE模型为研究病毒流行病学和进化动力学提供了一个全面的框架。模拟结果表明，在特定条件下，病毒种群倾向于向传播性增强、免疫逃逸增强和致病性降低的方向进化，而大的易感宿主种群和高突变率是推动这一进化趋势的关键因素。同时，病毒进化固有的随机性导致病毒性状的短期波动。这些发现与SARS-CoV-2的进化证据一致，为探索其他病毒的潜在进化模式提供了新的见解，对指导公共卫生决策具有重要意义。

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参见文章:

病毒进化建模:一个新的sirside框架及其在SARS-CoV-2动力学中的应用

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杂志

hLife

文章标题

病毒进化建模:一个新的sirside框架及其在SARS-CoV-2动力学中的应用

文章发表日期

26 - 3月- 2024