弧前演化

地下水是水文循环的重要组成部分，广泛用于饮用水、工农业活动以及战略储备。然而，人类活动的加剧（如水利工程建设、地下水过度开采、农药和生活污水排放）以及天然劣质地下水在大型流域中的广泛分布，导致地下水环境恶化。因此，水资源的合理管理和水环境的有效保护至关重要，基于地下水流系统（GFS）理论，全面理解地下水流模式（即更新速率、流径及演化趋势）有助于准确评估水文通量和预测污染物分布。汉江平原是长江流经三峡后第一个接收沉积物的大型河湖盆地。复杂的沉积环境、地下水-地表水强烈相互作用以及人为改造自然环境的共同作用，形成了汉江平原独特的GFS格局。了解汉江平原地下水循环演化及其控制机制，对于促进GFS的实际应用和该地区地下水资源保护具有高度紧迫性和挑战性。基于此，在本研究中，来自中国地质大学（武汉）的研究团队在汉江平原腹地和过渡区进行了相关研究，旨在：（1）基于沉积物粒度特征、粘土孔隙水稳定同位素和古气候指标重建汉江平原第四纪含水层系统的沉积环境；（2）深入理解末次盛冰期（LGM）以来沉积环境驱动的GFS演化模式。作者于2015年和2017年在汉江平原腹地和过渡区钻了两个钻孔G01和G05，深度分别为200 m和185 m。从钻孔中收集沉积物样品，分析其粒度分布，地球化学和矿物成分。并从钻孔G01和G05中分别采集了19个和17个粘土样品，利用全自动真空冷凝抽提系统（LI-2100，北京理加联合科技有限公司）提取粘土孔隙水，并进一步分析其δ18O。江汉平原第四纪沉积相、河系和主要钻孔分布。【结果】G01（a）和G05（b）钻孔孔隙水δ18O、沉积物OSL年龄、粘土矿物和地球化学指标的垂向分布以及第四纪古气候演化阶段。古气候阶段G01和G05钻孔孔隙水δ18O值、 粘土矿物和沉积物地球化学指标。【结论】基于水文地质条件、粒度分布特征、沉积物年代学、古气候指标和现存地下水年龄等综合分析，阐明了江汉平原沉积环境驱动的GFS演化模式。该研究的主要发现总结如下：在江汉平原第四纪含水层沉积环境的演化历史中，沉积相主要为河流相、湖泊相和河湖相，由中深层含水层的粗粒相过渡到浅层含水层的细粒相。这意味着水动力条件逐渐减弱并趋于稳定。此外，湖泊相沉积层厚度向平原腹地方向增加。自LGM以来，江汉平原气候演化和沉积相之间具有一定的耦合关系。沉积环境从LGM期间深下切侵蚀环境转变为末次冰消期（LDP）快速冲填粗粒沉积物的河流相环境，然后转变为全新世暖期（HWP）具有细粒沉积物的稳定湖泊相环境。这些变化与长江水位的波动密切相关。基于江汉平原现存地下水年龄的分布，自LGM以来，GFS的演化模式可分为三个阶段。阶段I（22-13 ka B.P.），长江水位急剧下降造成的强水势差增加了地下水的驱动力，极大促进了该阶段区域GFS充分发展，其环流深度达到第四纪底部。随着阶段II地下水驱动力的快速削弱（13-9 ka B.P.），区域GFS再循环深度下降至深层含水层上部，而阶段I的区域GFS逐渐深埋于盆地中。作为阶段III（9 ka B.P.至今）稳定在低水位地下水驱动力，阶段I和阶段II的区域GFS保存在盆地深处，被认为是一个停滞系统（地下水年龄在10 -20 ka之间）。此外，区域GFS（地下水年龄为4-10 ka）和中间GFS（地下水年龄为1-6 ka）共同被认为是稳定体系。随着微地形的充分发育，垂直于河流方向的浅层地下水流形成了活跃的局部GFS（地下水年龄 100 a）。

基于海洋放射性核素时空演化体系的海洋核安全评估技术林武辉1,5，杜金秋2，拓飞3，曹少飞4，张翊邦5，祁第1，陈立奇1，余克服5（1. 集美大学港口与海岸工程学院 极地与海洋研究院，厦门 361021；2. 国家海洋环境监测中心，大连 116023； 3.中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所，北京 100088；4. 中国辐射防护研究院，太原 030006；5. 广西大学 海洋学院，南宁530004）摘要：本文指出全面构建海洋中放射性核素本底基线的时空演化体系是海洋核安全评估的基石，提出本底基线法、活度限值法和剂量限值法三种海洋核安全评估技术，并应用于福岛核事故后污染最严重的核心海区——港口区，定量剖析港口区的海洋核污染历史与现状，有利于评估过去12年以来日本福岛核电站修复进程中相关修复措施的有效性。之后，本文指出在利用海洋数字孪生技术的基础上，针对上述三种海洋核安全评估技术对应提出从寻找人类核活动历史的可靠“档案馆”、健全海洋放射性核素的基准/标准限值和探索长期低剂量生物辐射效应与风险三个角度展望未来海洋核安全评估技术需求与发展方向，以期为国内外新形势下我国海洋核安全评估与管理提供一定借鉴。核安全是核能发展与核技术利用的生命线。自1984年成立国家核安全局以来，我国已经形成法律、条例、部门规章、标准、导则等不同层次的核安全制度体系[1]，以保护人类和环境免受电离辐射危害。核安全和深海安全是总体国家安全观的有机组成，二十大报告中也明确指出“强化……核、太空、海洋等安全保障体系建设”。在加快建设海洋强国战略背景下，海洋核安全也应该是国家安全保障体系的重要环节。1. 新形势下的海洋核安全需求海洋占地球表面积约71%，占地球总水量约97%，是地球气候的重要调节器，也为人类生存和发展提供了重要的资源和生态服务功能[2]。然而，20世纪人类大气核试验产生69%的人工放射性核素137Cs（780 PBq）直接沉降进入海洋[3]，部分沉降进入陆地环境中的人工放射性核素通过河流仍在持续不断输入海洋[4, 5]；福岛核事故泄漏的放射性核素总量的80%最终进入太平洋[6]；过去60多年来，英国和法国的乏燃料后处理厂也一直向北大西洋和北冰洋排放137Cs、129I、236U等人工放射性核素[7-13]。日本在2023年8月24日已经启动福岛核污水排海计划，预计持续30年[14, 15]。海洋数值模拟显示，福岛核污水将通过海洋环流逐步迁移扩散至全球海域，未来也将进入我国海域[16, 17]。此外，在复杂的国际形势下，我国周边海域日益频繁的核动力航母和核潜艇活动也有可能增加海洋核污染风险。2023年修订通过的《中华人民共和国海洋环境保护法》中首次新增“加强海洋辐射环境监测”。因此，海洋核安全具有重要的研究意义和强烈的社会需求。2. 全面构建海洋中放射性核素本底基线的时空演化体系天然放射性核素（比如宇生放射性核素14C、原生放射性核素238U等）通过河流、大气沉降和地下水等自然过程，持续不断地进入海洋；核电站、乏燃料后处理厂、核医学等活动以及日本福岛核事故所产生的人工放射性核素也持续排入海洋[18]。当今海洋存在几十种天然和人工放射性核素，不同核素活度水平从104 Bq/m3到10-5 Bq/m3[19]，相差9个数量级。海洋中同一种放射性核素也存在一定的时空分布特征。比如，自20世纪60年代美苏停止大气核试验以来，我国海水中人工放射性核素90Sr随着时间总体呈现指数下降趋势[4]。空间上海洋中人工放射性核素存在“双峰型”纬向分布特征，即南北半球40°—60°的纬度带存在全球落下灰（Global fallout）活度高值[20]。由于切尔诺贝利核事故和英法乏燃料后处理厂运行的影响，北欧海域中90Sr、137Cs、129I、239+240Pu等人工放射性核素均显著高于其它海域[21-23]。海水中90Sr和137Cs的活度随深度增加，总体活度呈现下降趋势，而海水中239+240Pu却经常出现次表层峰值现象[24]。精准甄别海洋中人为新增放射性核素的种类与含量不仅是异常辐射信号判别与不同人类核活动溯源技术的前提，也是海洋核安全评估的核心。过去十多年来，作者和团队已经围绕海洋中多种介质（海水、沉积物、生物、悬浮颗粒物、大气等）的210Po[25]、210Pb[25]、234Th[26]、238U[27]、226Ra[27]、228Ra[28]、228Th[28]、232Th[27]、40K[27]、90Sr[4]、137Cs[29]、239,240Pu[29]、14C[29]、3H[15]等十多种天然和人工放射性核素，从放射性核素的源汇过程及其物理—海洋生物地球化学调控机制的角度长期开展海洋与核技术的多学科交叉研究，初步构建海洋放射性核素本底基线的时空演化体系。针对海洋中放射性核素的时空演化历史数据，国际上IAEA与日本筑波大学已经建立Marine Radioactivity Information System (MARIS)[30, 31]与Historical Artificial Radionuclides in the Marine Environment (HAM-Global 2021)[32-34]两个数据库。然而，MARIS和HAM数据库中我国辽阔海域放射性核素的历史资料数据却极度缺乏。我国海洋放射性核素监测工作始于20世纪60年代的大规模大气核爆。在20世纪60~90年代期间，卫生部门李树庆、中国科学院海洋研究所李培泉和原国家海洋局第三海洋研究所蔡福龙等人开展海洋中放射性核素研究[35-37]；唐森铭和商照荣重点对20世纪中后期我国海域放射性调查进行总结[38]。我国历次海洋污染基线调查积累了部分海洋放射性监测数据。滨海核电站建设和运行过程中也持续开展海洋放射性监测。虽然我国生态环境部门、自然资源部门、卫生系统、中国科学院与高校系统、地方政府部门和核电公司等不同机构基于业务管理和科研的需求已经积累一些海洋放射性监测的历史数据，但数据零散分布于多个不同管辖部门，不仅缺乏统一的全国性海洋放射性核素监测数据库，而且缺乏基于时空演化视角的系统分析，不利于数据挖掘、解译、利用和管理。总之，全面构建海洋放射性核素本底基线的时空演化体系则是海洋核安全评估的基石。中国近海放射性核素本底基线的时空演化体系构建将有助于科学评价我国滨海核电和其它滨海核设施的影响[4]。开阔大洋放射性核素本底基线的时空演化体系构建可以用于评价其它国家人类核活动（核电站事故、核试验、核材料的海洋倾倒、核潜艇与核动力航母活动等）的影响，并对我国海域的潜在影响进行预报与预警评估，也是我国维护国家安全和人民生命健康、深度参与全球海洋治理、构建海洋命运共同体的重要体现。因此，全面构建海洋中放射性核素本底基线的时空演化体系对于海洋核安全具有重要意义。3. 海洋核安全评估技术活度与剂量是定量表征放射性核素的独特物理量，不同于元素和同位素的常见表征方式。在海洋核安全评估中，活度浓度和剂量率是重要的定量参数，对应常见单位为Bq/m3（或者Bq/kg）和Gy/h（或者Sv/h）。为此，本文总结提出本底基线法、活度限值法和剂量限值法开展海洋核安全评估。3.1 本底基线法自20世纪中叶以来，人类在核能发展与核技术利用的进程中已经产生大量的人工放射性核素[20]。其释放进入地球环境中的长半衰期人工放射性核素（比如239,240Pu、137Cs等）甚至被视为定义“人类世”（继全新世后，人类活动作为重要地质营力所主导的地质新时代）的重要代用指标[20, 29]。全面构建海洋中放射性核素本底的时空演化体系，准确掌握海洋中人工放射性核素的历史本底基线水平，是进一步精准甄别人为新增放射性核素和开展海洋核安全评估的前提。短半衰期的人工放射性核素（比如131I、134Cs、106Ru、110mAg等）通常不存在于天然环境本底之中，其定性或者定量的异常检出可以直接指示短期内人为新增的海洋核污染源（比如核事故、核潜艇活动等）。中长半衰期的人工放射性核素（比如90Sr、137Cs、239,240Pu、129I等）则需要考虑人类核活动的历史排放而残留的本底基线的时空演化特征后，借鉴人为新增信号和本底噪声处理技术，开展人为新增海洋核污染源的定量甄别。此外，核素活度比值（比如134Cs/137Cs、90Sr/137Cs等）和原子比值（比如129I/127I、240Pu/239Pu等）也常作为核素特征指纹，指示判别不同人类核活动源项。3.2 活度限值法不同放射性核素存在不同程度的放射毒性，比如极毒组的239Pu、高毒组的90Sr、中毒组的137Cs、低毒组的3H等。在海洋核安全评估过程中，法律法规和标准规程等对海洋中不同毒性的放射性核素活度限值做出一些规定[39, 40]。比如，福岛核事故后日本政府规定海产品中134+137Cs的活度限值为100 Bq/kg[12]。我国的海水水质标准(GB3097-1997)和食品中放射性物质限制浓度标准(GB14882-94)分别规定了海水和海产品中部分放射性核素的活度限值。我国海洋沉积物尚没有相应放射性核素标准限值规定。鉴于部分地区经常采用海砂作为建筑材料，我们可以参考建筑材料放射性核素限量(GB6566-2010)的部分放射性核素的活度限值标准，评估海洋沉积物中的放射性核素。值得注意的是，国际上不同组织机构（国际原子能机构、世界卫生组织、国际粮农组织）和地区（中国、欧盟、美国、日本等）基于科学认识、国情现状和社会发展需求等综合因素，对相同介质中的同种放射性核素活度限值的规定经常存在一定差异[19, 40]。3.3 剂量限值法处于不稳定状态的放射性核素发生衰变并发射不同能量的α、β、γ粒子。活度可以衡量单位时间内放射性核素发射的粒子数，剂量则更精细刻画不同类型的粒子所产生的能量沉积和危害。比如，我国的电离辐射防护与辐射源安全基本标准(GB18871-2002)中规定公众的年有效剂量为1 mSv。针对海洋生物，欧盟开发的ERICA软件推荐10 μGy/h的剂量率限值作为筛选阈值（screening level）[41]。IAEA、ICRP、美国和加拿大等也推荐不同的剂量率限值（40~400 μGy/h）用以评估放射性核素对海洋生物的影响[42]。截至目前，我国法规标准尚未涉及放射性核素对海洋生物的剂量限值规定。4. 日本福岛核电站港口区的海洋核安全评估日本福岛核事故已经泄漏大量人工放射性核素进入海洋[6]，福岛核污染水也已经启动排入太平洋[14]。这些放射性核素可能通过海洋水文动力驱动下的“随波逐流”和海洋生物洄游驱动下的“搭乘便车”等过程进入我国海域[12]。作为福岛核污水排海的利益攸关方，我国公众和政府始终高度关注由此引发的海洋核安全问题。距离福岛第一核电站最近的港口区（图1a，1 km范围内）是日本福岛核事故后污染最严重的海域。港口区属于日本领海，其它国家都无法进行采样而获取相关数据。港口区的海洋核污染历史与现状不仅是世界了解福岛核事故后海洋核污染的重要窗口，而且直接反映日本福岛核电站修复进程与修复措施的有效性。本文聚焦福岛核事故后污染最严重的海区——港口区，系统汇总IAEA的MARIS数据库、日本东电公司（TEPCO）、日本经济产业省（METI）和日本原子能规制委员会（NRA）等多方的大量数据，全面构建福岛核事故前后海水中137Cs的历史活度曲线（图1b），利用本底基线法、活度限值法和剂量限值法，联合开展海洋核安全评估。本底基线法显示，福岛核事故后日本福岛附近海域的海水137Cs活度从1.3 Bq/m3骤升至1.9×1012 Bq/m3（图1b中红色箭头）。截至2023年9月的最新数据，港口区海水中137Cs活度为5.1×103 Bq/m3，仍然比2011~2015年期间我国海域的海水中137Cs平均活度（1.05 Bq/m3）高3个数量级。值得警惕的是，2016年以来福岛港口区海水中137Cs活度并没有显著下降趋势，甚至出现多次周期性异常升高事件。活度限值法显示，2016~2023年期间港口区海水中137Cs平均活度（6943 Bq/m3）高于我国海水水质标准(GB3097-1997)中海水137Cs活度限值（700 Bq/m3）。日本监测数据显示港口区的海洋鱼类通过生物富集吸收海水中高浓度的137Cs，进一步导致部分鱼类体内137Cs（1.8×104 Bq/kg）显著超过日本规定的限值标准（100 Bq/kg）[43]。本文基于港口区的海水中137Cs活度数据，利用欧盟开发的ERICA软件开展海洋鱼类的辐射剂量评估。福岛核事故后海水中137Cs峰值活度（1.9×1012 Bq/m3）可以导致游泳鱼类和底栖鱼类的辐射剂量率为2.9×107 μGy/h和3.1×109 μGy/h，均大大超出欧盟推荐的剂量率筛选阈值（10 μGy/h）。2016~2023年期间港口区海水中137Cs平均活度（6943 Bq/m3）对底栖鱼类产生的剂量率为11.2 μGy/h，也高于欧盟推荐的剂量率筛选阈值（10 μGy/h）。因此，三种海洋核安全评估技术获得的定量评估结果均显示，港口区的海洋核污染仍然较为严重。图1 中国海、日本福岛近海、福岛第一核电站港口区等海区的海水137Cs活度历史曲线。中国海和日本福岛核事故前的福岛近海数据来自MARIS数据库[44]，核事故后的福岛近海数据来自NRA[45]，核事故后的港口区数据来自TEPCO和METI[46, 47]Fig. 1 Historical 137Cs activity in seawater from the China seas, Fukushima offshore, and the port area nearby the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant. The data of the China seas and the Fukushima offshore before the Fukushima Nuclear Accident (FNA) was obtained from the MARIS database[44], the data of the Fukushima offshore after the FNA was provided by the NRA[45], and the data of the port area after the FNA was derived from TEPCO and METI[46, 47]5. 总结及展望新形势下的海洋核安全需求极为迫切。本文指出全面构建海洋中放射性核素本底基线的时空演化体系是海洋核安全研究的基石，提出本底基线法、活度限值法和剂量限值法的三种海洋核安全评估技术，并应用于福岛核事故后污染最严重的核心海区——港口区，定量剖析港口区的海洋核污染历史和现状。然而，面对海洋中核素种类众多、活度差异巨大、时空分布不均、迁移行为各异、生态影响复杂以及危害程度不一等现状难题，海洋核安全的科学评估仍然存在较大挑战性。基于本底基线法、活度限值法和剂量限值法三种海洋核安全评估技术，本文强调融合海洋数字孪生技术，尝试从以下三个角度展望海洋核安全评估技术未来的发展方向（图2）

自新冠病毒奥密克戎变异株出现以来，其子代变异株井喷式涌现，并呈现出“趋同演化”的趋势，大量中和抗体药物和康复者血浆已经“被逃逸”，这给新冠疫情的防控带来了十分严峻的考验。“趋同演化”现象的形成机制以及演化终点亟需深入探究。北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）、北京昌平实验室曹云龙研究员/谢晓亮教授课题组联合中国食品药品检定研究院王佑春课题组于2022年12月19日在《自然》（Nature）杂志在线发表了题为“Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution”的研究论文，系统地探究了新冠病毒受体结合域（RBD）“趋同演化”的机制，并前瞻性地对病毒未来突变演化方向进行了预测，为广谱疫苗和抗体药物的设计与研发提供了宝贵的理论与数据支持。研究人员对不同免疫背景人群中分离得到的抗体进行了大规模中和测定和逃逸图谱表征，发现病毒趋同进化产生的变异株几乎逃逸了目前所有中和抗体药物、疫苗接种者或康复者血浆，包括BA.5突破感染者血浆。并且，由于“免疫印迹”现象的存在，奥密克戎亚型变体突破感染后产生的抗体多样性逐渐降低，特别是BA.5突破感染，这提示基于BA.5变异株研发的疫苗加强针不能对新出现变异株产生良好的交叉防感染保护效果。另外，研究者基于抗体的大规模中和测定和逃逸图谱表征的数据建立了一个计算模型，对病毒演化方向进行了合理预测。尽管这些新突变株，特别是其中的XBB、BQ.1.1和CH.1.1等支系具有前所未有的免疫逃逸能力，作者团队此前筛选出的广谱中和抗体药物组合SA55+SA58，特别是SA55，仍然强效中和所有主要突变株和未来短期内可能流行的突变株，且能同时具有治疗和预防作用，是目前唯一已知能够高效中和所有新突变株的、处于临床阶段的药物抗体，相关论文此前于12月初发表于知名生命科学期刊《细胞报道》（Cell Reports）。该抗体具有广谱中和能力强、将很难被未来变异株逃逸、半衰期长等特征，将特别适用于不适合接种疫苗的老年人、免疫缺陷人群等群体的防护。本研究最早于2022年9月16日在线发布于bioRxiv预印本平台，是世界首篇系统性研究新冠病毒“趋同演化”机制，预测病毒进化方向的研究论文，在国际学术界引起了广泛关注。病毒的持续突变演化使得多种较高增长优势的变异株陆续涌现，BA.2.3.20、BA.2.75.2及其支系，乃至最近出现的BQ.1.1和XBB等变异株相比于BA.5都具有更高的增长优势。尽管它们的进化过程各不相同，处于奥密克戎的不同支系，但其受体结合结构域（RBD）上的突变都集中于R346、K356、K444、V445、G446、N450、L452、N460、F486、F490、R493和S494等位点，呈现出“趋同演化”的趋势（图1）。图1 奥密克戎亚型变体RBD蛋白携带的突变中和测定的数据提示“趋同演化”产生的变异株具有极强的逃逸能力，绝大多数中和抗体药物都被以XBB为代表的变异株逃逸（图2），包括此前已初步进入国内市场的阿斯利康公司Evusheld（“恩适得”）预防抗体药物。由于此类新突变株的流行，美国FDA也取消了礼来公司Bebtelovimab（贝特洛韦单抗）的使用授权。唯一的例外是作者团队开发的SA55抗体，它是目前唯一对包括XBB和BQ.1.1等在内的所有突变株仍旧有效的进入临床阶段的抗体药物（图3）。图2 奥密克戎亚型对中和抗体药物的逃逸情况图3 广谱中和抗体SA55和SA58血浆中和数据也显示，XBB，CH.1.1和BQ.1.1.10（或BQ.1.18）等毒株不仅逃逸了三针灭活疫苗接种者的血浆，也几乎完全逃逸奥密克戎BA.1/BA.2/BA.5突破感染者的血浆样本，显示出极大的免疫逃逸能力（图4）。图4 奥密克戎亚型逃逸疫苗接种者与康复者血浆中和为了探究不同奥密克戎变异株呈现“趋同演化”现象的具体机制，团队从BA.1、BA.2或BA.5突破感染康复者体内富集了抗原特异性记忆B细胞，发现其中大部分记忆B细胞交叉结合新冠原始株和奥密克戎变异株，印证了之前作者团队报道的存在于奥密克戎突破感染中的“免疫印迹”现象。基于高通量深度突变扫描技术，团队对不同来源的3051个交叉结合新冠原始株与奥密克戎变异株的抗体进行了突变逃逸图谱测定与聚类分析（图5a），发现奥密克戎特别是BA.5变体突破感染刺激产生的有效中和抗体种类明显减少，产生的主要是E2.2、E3和F1等不竞争ACE2结合表位且中和能力较弱的抗体（图5b-d)。图5 奥密克戎亚型变异株突破感染刺激产生抗体的表位表征基于抗体逃逸图谱、抗体中和活性、RBD突变对于ACE2亲和力变化等数据，团队建立了一个模型，分别计算了BA.2和BA.5突破感染刺激产生抗体的突变逃逸图谱（图6a），结果显示，BA.5突破感染刺激产生抗体的突变逃逸位点显著减少，表明其结合表位多样性明显减少。这提示，免疫印迹现象使得奥密克戎变异株突破感染刺激产生中和抗体表位多样性降低，导致免疫压力集中，从而加速了病毒的趋同进化。在此基础上，研究者基于2022年8—9月真实世界的主流免疫状态，基于计算模型预测了BA.2.75和BA.5的进化趋势（图6b），这在随后趋同进化产生的新毒株中得到验证。图6 免疫印迹效应加速了抗体逃逸突变的趋同进化另外，研究人员基于BA.2.75和BA.5突变株的预测进化趋势，设计了携带不同RBD和NTD预测突变组合的假病毒（图7a），并测定了这些假病毒对不同中和抗体药物和血浆样本的中和情况及ACE2亲和力（图7b-g），结果显示，对BA.5或BA.2.75突变株最少引入5个突变就可以逃逸包括BA.5突破感染者在内的不同免疫状态下的几乎所有血浆样本。并且，合成的假病毒与之后真实世界流行的BQ.1.1支系、CH.1.1支系等高度相似，验证了预测模型的准确性。图7 趋同逃逸突变的累积能够几乎完全逃逸BA.1/BA.2/BA.5突破感染血浆的中和作用本研究揭示了“免疫印迹”造成的奥密克戎突破感染刺激产生抗体表位多样性降低，进而导致免疫压力集中化，促使新冠病毒RBD蛋白发生趋同演化的现象，这些积累趋同进化突变的病毒在获得极强突变逃逸能力的同时，也保持了较高ACE2亲和力。本研究中的预测方法为预测病毒突变演化趋势、开发广谱疫苗和抗体药物提供了参考资料，且具有扩展到其他体系的潜力。同时，研究结果也提示，基于BA.5突变株研发的疫苗对于其他变体的交叉保护效果很可能不够理想，进一步开发设计能够克服免疫印迹、激活广谱中和抗体的新型疫苗至关重要。而以SA55+SA58抗体组合为代表的广谱中和抗体既可以通过鼻喷给药方便快捷地在呼吸道建立短效预防，又可以通过注射实现感染初期的治疗和中长期预防，特别适用于保护高风险的医护人员以及不宜接种疫苗的免疫缺陷人群和老年人。SA55与SA58已经授权给科兴生物进一步开发，初步的单盲随机对照试验显示，喷雾吸入一次提供的即时保护可维持6—12小时，预防感染效率可达到80%以上，且成本较低，方便使用，目前正在进行更严谨的临床试验，预计将来可以大规模推广。北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员，北京大学博士研究生简繁冲、王菁、宋玮良，中国食品药品检定研究院于原玲为Nature论文的共同第一作者。北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员、谢晓亮教授、中国食品药品检定研究院王佑春研究员为Nature论文的共同通讯作者。北京昌平实验室、北京大学生物医学前沿创新中心曹云龙研究员，北京大学博士研究生简繁冲、张志莹、阿依江伊斯马衣，地坛医院郝晓花博士，北京协和医学院鲍琳琳研究员为Cell Reports论文的共同第一作者。北京昌平实验室、北京大学曹云龙研究员、谢晓亮教授、肖俊宇教授，北京协和医学院秦川教授，地坛医院金荣华院长为Cell Reports论文的共同通讯作者，北京大学、昌平实验室、动物所、中检院、科兴公司等单位的相关科研人员为共同作者。本系列研究得到科技部、昌平实验室基金、国家自然科学基金和北京市科技计划支持。参考文献[1] Cao, Y. et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution. Nature (2022).[2] Cao, Y. et al. Omicron escapes the majority of existing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies. Nature (2022).[3] Cao, Y. et al. BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection. Nature (2022).[4] Cao, Y. et al. Rational identification of potent and broad sarbecovirus-neutralizing antibody cocktails from SARS convalescents. Cell Rep. (2022)专家点评：清华大学医学院祁海教授：这一工作深入探究了构成当前新冠大流行的多个奥密克戎毒株对人类群体免疫的逃逸规律。曹云龙/谢晓亮联合团队发现，多个奥密克戎株亚型在受体结合蛋白上都显现出相同或类似的逃逸突变。这些突变，在保证病毒结合其受体的同时，躲避了之前中和抗体的抑制作用。这说明，人群序贯疫苗接种和自然感染所构建起的群体免疫，的确在阻断并降低既往毒株感染；同时，这种群体免疫的压力，也为未来病毒变异留下了越来越少的潜在逃逸路径。那么，我们是否可以根据已有的群体免疫状态和现有毒株的受体结合蛋白，来预测未来最有可能出现的逃逸突变呢？曹云龙/谢晓亮联合团队利用他们开发的一种高通量深度突变扫描（DMS）方法，分析、鉴定了BA5和BA2可能逃逸群体免疫的突变。非常重要的是，他们预测出来的突变，确实出现在了其它具有流行潜力的毒株上。曹云龙/谢晓亮联合团队这项研究所提供的这种预测能力，可以帮助我们更高效地设计广谱抗新冠疫苗，也会使我们更可能为所有潜在逃逸现有群体免疫的毒株准备好“特效药”。中国科学院生物物理所王祥喜研究员：新冠病毒一直在持续性进化，衍生出多种突变株；然而在奥密克戎出现之后，新冠病毒的演变速度明显加快。近半年来，就有BA.5、BF7、BA.2.75、BQ、XBB等近十种新突变株在一些国家成为主要流行突变株。这些新突变株往往其传染性和抗体逃逸能力都在增强。总体来讲，人类对新冠病毒的研究是被动地跟着病毒跑，一个新突变株出现后再去了解它的病毒特性，去探究新突变株对现有疫苗和药物的影响。如何前瞻性预测病毒演变的方向，提前预判未来一段时间内可能出现的突变株具有重要的战略意义。2022年12月19日，北京大学谢晓亮/曹云龙团队联合中检院王佑春团队在Nature上发表题为“Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent OmicronRBD evolution”的研究论文，这是该团队继新冠中和抗体、新冠疫苗效果评估、追踪新突变株免疫逃逸特性后，又一系统性而创新性工作。该项研究有五点重要发现：1）从庞大的数据库中分析出近期有几十个新突变株其生长优势超越BA.5，且这些突变株有一定的共性，在某些特定位点携带相同或相似的突变，呈现趋同进化规律；2）这些新突变株展示出极强的抗体逃逸特性，基本逃逸国际上已批准上市的抗体药物；3）一个抗体对组合SA55/SA58（也是该团队的研究成果）依然高效中和这些新突变株；最后两点更精彩：4）从原始株感染康复者、BA.1/BA.2/BA.5突破感染者等不同免疫背景分离2000余株抗体，并绘制出不同免疫背景下抗体谱系特征。相对之前的免疫背景，BA.5突破感染者的主要中和抗体类别相对单一，非中和抗体比例提高，更容易滋生病毒变异去逃逸宿主免疫；5）利用高通量酵母展示技术精准绘制出抗体免疫逃逸图谱，与BA.2突破感染的免疫背景相比，BA.5突破感染中和抗体的免疫逃逸位点相对集中且大多出现在近期出现的突变株上。实验数据与真实世界监测结果高度一致。这一研究成果能够实现对未来一段时间内新突变株的精准预测，预先了解这些新突变株的病毒特性能够为科学精准防控留出宝贵的时间窗口。