Các biến thể SARS-CoV-2 thay đổi cục diện đại dịch

Từ tháng 5/2020, một nhóm chuyên gia về tiến hóa virus tại Đại học Sydney đã dự báo SARS-CoV-2 có thể phát triển một số khả năng trốn tránh hệ miễn dịch của người, và theo thời gian sẽ thích nghi lâu dài với con người bằng cách giảm độc lực nhưng khả năng lây nhiễm ít thay đổi. Tiếc là thực tế hiện nay chỉ khớp với vế đầu: SARS-CoV-2 đã tiến hóa để tránh kháng thể tốt hơn, nhưng nó lại trở nên độc hại hơn, dễ lây hơn, khiến nhiều người mắc bệnh hơn. Điều đó đã gây ra ảnh hưởng to lớn đến diễn biến của đại dịch.

Bốn biến thể đáng quan tâm, trong đó nổi bật nhất gần đây là Delta, khác biệt nhiều so với virus xuất hiện ở Vũ Hán, đã khiến các chính phủ phải đẩy mạnh hơn nữa chương trình tiêm chủng cũng như kéo dài các biện pháp y tế công cộng như đeo khẩu trang, giãn cách. Và kế hoạch đạt miễn dịch cộng đồng – khiến cho virus biến mất – dần trở nên bất khả thi.Tỉ lệ miễn dịch hiện tại đã khởi động một cuộc cạnh tranh tiến hóa, khiến virus chọn lọc các biến thể mới thích nghi hơn nữa. Nhưng việc dự báo tương lai của đại dịch vẫn rất khó khăn, vì virus đột biến ngẫu nhiên không thể đoán định.

Nhìn về lịch sử của đại dịch cúm 1918, các nhà khoa học có cơ sở để lo ngại rằng chúng ta có thể đối mặt với tình huống SARS-CoV-2 đạt khả năng lây lan cao hơn và độc lực mạnh hơn nữa. Hiện nay đã có hai triệu bộ gene SARS-CoV-2 được giải trình tự và công bố, vẽ ra một bức tranh chi tiết về sự tiến hóa của virus. Chỉ cần một đột biến rất nhỏ trên gene đã tạo ra biến thể mới, và cây tiến hóa của SARS-CoV-2 phân nhánh vô cùng phức tạp. Và thông tin về virus này có những điểm trùng lặp với một số dịch bệnh trong quá khứ.

Phần lớn các đột biến không đem lại lợi ích gì cho virus, nên các nhà khoa học không thể tốn nhiều nguồn lực để theo dõi hết tất cả các đột biến. Cách hữu hiệu nhất vẫn là theo dõi biến thể nào đang lây lan và chiếm ưu thế trong thế giới thực, phân lập, nuôi cấy chúng và thí nghiệm trên động vật để giải thích tính trội của biến thể. Đột biến D614G đã làm tăng khả năng lây nhiễm thêm một chút, lan rộng toàn cầu, và trở thành tiền thân của tất cả các biến thể sau này. Cuối năm 2020, biến thể Alpha lần đầu được phát hiện tại Anh có khả năng lây nhiễm cao hơn 50%. Delta được phát hiện lần đầu tại Ấn Độ có khả năng lây nhiễm cao hơn Alpha 40-60% và trở thành biến thể chiếm ưu thế toàn cầu.

Nhưng cũng có một vấn đề là, không phải lúc nào mô hình nuôi cấy tế bào hoặc thí nghiệm động vật cũng giúp phát hiện các biến thể đáng lo ngại. Không ai thấy điều gì bất thường của biến thể Alpha nếu chỉ dựa vào dữ liệu thí nghiệm. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu thêm ở mức độ phân tử xem điều gì đã đem lại lợi thế cho Alpha và Delta. Các nhà khoa học vẫn đang lý giải cơ chế khiến Alpha lây lan với mật độ virus tối thiểu thấp hơn nhiều so với chủng cũ. Còn Delta khiến tải lượng virus trong cơ thể cao đáng kinh ngạc, gấp hơn 1000 lần biến thể gốc, theo một nghiên cứu tại Trung Quốc. Nhờ vậy, Delta đạt được khả năng lây nhiễm hiệu quả và nhanh hơn. Nghiên cứu tại Scotland phát hiện Delta khiến bệnh nặng hơn, tăng nguy cơ nhập viên gấp đôi so với Alpha. Điều này có những nét tương đồng với Đại dịch cúm 1918-1919 - có diễn tiến theo chiều hướng ngày càng nghiêm trọng: tại Đan Mạch, tử vong trong đợt bùng phát thứ hai cao gấp 6 lần đợt đầu.

Những bằng chứng rõ ràng đó cho thấy rằng, niềm tin đang tồn tại phổ biến về việc virus có xu hướng giảm độc lực để có thể chung sống lâu dài trong vật chủ và tiếp tục lây lan dường như là quá ngây thơ. Trong quá khứ, hai ví dụ đối lập về virus myxoma và virus gây bệnh xuất huyết thỏ, lần lượt được con người chủ động lây truyền trong quần thể thỏ châu Âu để kiểm soát sự sinh sôi của chúng hoặc đang tàn phá hệ sinh thái và nông nghiệp Úc cho thấy điều đó. Ban đầu, virus myxoma tiêu diệt hơn 99% số thỏ nhiễm bệnh, nhưng rồi độc lực dần dần kém đi, có thể vì chúng đã tiêu diệt gần hết vật chủ trước khi kịp lây lan tiếp, và thỏ cũng trải qua tiến hóa và chọn lọc để ít mẫn cảm với virus hơn. Ngược lại, theo thời gian, virus bệnh xuất huyết ngày càng khiến thỏ chết nhiều hơn, có thể vì virus nhờ ruồi ăn xác thỏ làm trung gian truyền bệnh, và càng nhiều thỏ chết thì bệnh càng lây lan.

Vì thế giả thuyết cho rằng virus sẽ giảm độc lực mới có khả năng lây lan tiếp, có thể không phải lúc nào cũng đúng. SARS-CoV-2 có thể lây lan từ sớm ngay từ lúc còn đang nhân lên ở đường hô hấp trên (vật chủ còn chưa có triệu chứng hoặc bệnh nhẹ), trước khi xâm nhiễm xuống đường hô hấp dưới để gây bệnh nặng hơn.

Điều đáng lo hơn cả khả năng lây lan và độc lực của virus chính là chúng có thể tiến hóa để tránh được hệ miễn dịch của cơ thể sau hồi phục hoặc nhờ vaccine. Một số biến thể đã thay đổi cả bề mặt protein gai khiến kháng thể khó nhận diện hơn.

Các nhà sinh học tiến hóa tại Đại học Cambridge và nhóm Đại học Duke đã cùng nhau lập một bản đồ kháng nguyên đối với SARS-CoV-2. Trên bản đồ, vị trí của Alpha tương đối gần với biến thể gốc từ Vũ Hán, nghĩa là kháng thể đặc hiệu của biến thể gốc cũng có thể giúp vô hiệu hóa Alpha (mặc dù có giảm hơn so với Vũ Hán). Nhưng Delta trôi xa hơn, nghĩa là virus có thể lây sang nhưng người được tiêm chủng dễ hơn. Biến thể Beta, xuất hiện lần đầu tại Nam Phi, trở nên xa cách nhất so với người anh em gốc ở Vũ Hán, có khả năng tránh né hệ miễn dịch tốt hơn nhưng may mắn là không có được khả năng lây lan hiệu quả như Delta.

Đây là điều rất đáng lưu ý vì các vaccine hiện nay đều được thiết kế dựa trên biến thể gốc Vũ Hán, cơ thể người sinh ra kháng thể đặc hiệu cho biến thể này.

Mặc dù không thể dự báo chính xác mức độ lây lan, độc lực và khả năng né tránh miễn dịch của SARS-CoV-2 sẽ phát triển thế nào, nhưng chúng ta có thể biết trước một số chiều hướng rõ ràng về đại dịch. Một là miễn dịch đang được phát triển nhanh chóng trên toàn cầu, giúp giảm khả năng mắc bệnh và cản trở sự nhân lên của virus ngay cả khi mắc bệnh. Nghĩa là có ít đột biến hơn nếu càng nhiều người được tiêm chủng. Nhưng nếu có bất kì biến thể nào thoát được miễn dịch thì nó sẽ mang đặc tính ưu việt hơn các biến thể trước đó.

Thế giới đang ở một thời điểm quan trọng. Với hơn 2 tỉ người đã được tiêm chủng và hàng trăm triệu người hồi phục sau COVID-19, virus sẽ tiến hóa theo chiều hướng trốn thoát hệ miễn dịch hơn là tăng cường khả năng lây nhiễm. H1N1 xuất hiện từ năm 2009 đã có xu hướng tiến hóa như vậy. Trong hai năm đầu tiên, dường như virus trở nên khả năng lây truyền cao hơn, nhưng từ năm 2011 trở đi, chúng chủ yếu phát triển khả năng tránh miễn dịch của người.

Có lẽ SARS-CoV-2 đang gặp khó khăn trong việc tạo dựng lợi thế về khả năng lây nhiễm nhưng nó vẫn còn không gian để đạt được khả năng lây nhiễm lớn hơn. Vì trước đây các nhà khoa học từng biết tới khả năng lây nhiễm cao nhất thuộc về virus sởi, gấp khoảng 3 lần so với biến thể Delta.

Các nhà khoa học cũng chưa hoàn toàn xác định được giới hạn khả năng tránh né miễn dịch của các biến thể tới mức độ nào. Chúng ta vẫn còn chờ xem Beta sẽ tiến hóa tiếp theo hướng nào, và biến thể tiếp theo sẽ còn cách xa chủng gốc Vũ Hán tới bao nhiêu.

Trong tình huống xấu, nhân loại buộc phải cập nhật vaccine liên tục như đối với cúm mùa. Còn nếu diễn biến thuận lợi hơn, vaccine COVID-19 sẽ giống như vaccine sởi, bại liệu, sốt vàng da – vẫn hiệu quả trong cả thập kỉ, kể cả khi xuất hiện một vài trường hợp biến thể né tránh được hệ miễn dịch. Trước đây, các nhà khoa học từng đưa ra báo động cần phải cập nhật vaccine viêm gan B vào những năm 2000 vì xuất hiện một biến thể mới nguy hiểm, nhưng may mắn nó đã không lây lan khắp thế giới và chỉ giới hạn trong những người tiếp xúc gần rồi biến mất. Dường như virus phải đánh đổi giữa khả năng lây truyền và khả năng tránh né hệ miễn dịch, và điều này cũng có thể xảy ra với SARS-CoV-2.

Một số biến thể cúm mùa có thể tái lây nhiễm trên người, nhưng vẫn chưa rõ là do sự suy yếu khả năng miễn dịch qua thời gian hay do virus thay đổi bề mặt để trốn thoát hệ miễn dịch. Một nghiên cứu dựa vào huyết thanh lưu trữ cho biết kháng thể chống lại biến thể cúm ban đầu có thể không còn hiệu quả với virus cúm 10 năm sau. Điều đó là bằng chứng rõ ràng đối với sự tiến hóa của virus, nhưng chúng phải mất khoảng thời gian khá lâu.

Các nhà nghiên cứu SARS-CoV-2 nhận thấy cần đến 20 lần đột biến protein gai thì virus mới hoàn toàn trốn thoát được kháng thể. Có vẻ như trốn thoát được khỏi hệ miễn dịch thực sự rất khó, nhưng dường như virus mới bắt đầu chịu áp lực chọn lọc tự nhiên, và chưa ai có thể dự đoán được điều gì ở phía trước.

Virus luôn có mánh khóe của mình. Họ Coronaviridae rất giỏi trong việc tổ hợp bộ gene từ hai biến thể khác nhau. Ở lợn, sự tái tổ hợp của một chủng coronavirus gây dịch tiêu chảy và một chủng giảm độc lực trong vaccine đã tạo nên chủng PEDV mới độc lực cao hơn.

Một đột biến nguy hại rất hiếm xảy ra, nhưng với hàng triệu người nhiễm bệnh hiện nay thì xác suất hình thành các đột biến như thế đã rất đáng kể.

Đại dịch trải qua 20 tháng qua là lời cảnh báo đừng bao giờ đánh giá thấp sự tiến hóa của virus. Sự khủng hoảng do biến thể Alpha và Delta gây ra nhắc nhở chúng ta luôn phải chuẩn bị phản ứng trước kịch bản khó khăn thách thức hơn.

Sicence, DOI:10.1126/science.abl9960