2024年3月27日，beat365官方网站陸劍課題組在hLife在線發表題為Modeling viral evolution: A novel SIRSVIDE framework with application to SARS-CoV-2 dynamics的論文，研發了一種名為SIRSVIDE（Susceptible-Infected-Recovered-Susceptible-Variation-Immune Decay-Immune Escape）的新型計算模型，用于模拟病毒種群的傳播和進化動态。

了解病毒（如SARS-CoV-2）的變異和進化趨勢對于公共衛生管理和應對至關重要。傳統的傳染病模型往往假設病毒的傳染力和緻病性在疾病傳播過程中是恒定的，忽視了病毒通過自然選擇和随機突變不斷進化的真實情況。這種簡化的假設限制了模型預測疫情發展的準确性，尤其是在面對具有快速變異能力的病毒時。近年來，随着新冠病毒等病毒疫情的暴發，科學界開始發展考慮病毒變異的模型。然而，這些新模型大多仍存在局限性。一些模型雖然考慮了病毒變異，但沒有很好地結合傳統傳染病模型的精細構架；另一些模型雖然考慮了單一毒株的變異，但沒有考慮到多個毒株之間的相互競争、共存及演化關系。這些局限性使得現有模型難以全面模拟病毒的進化動态和路徑。

SIRSVIDE模型不僅融合了傳染病學的基本原理，還集成了病毒變異和演化特征。該模型通過模拟易感人群（Susceptible，S），感染者（Infected，I），康複者（Recovered，R）以及重新變為易感人群的動态過程（Susceptible，S），并引入了病毒變異（Variation，V），免疫衰減（Immune decay，ID），免疫逃逸（Immune escape，IE）等元素；不僅考慮了單個毒株的演化動态，還納入了不同毒株間的競争關系。SIRSVIDE模型突破了傳統模型的局限，為病毒流行病學和進化動态的研究提供了通用的框架。

模拟結果發現，在大規模宿主人群和高突變率等特定條件下，病毒種群會發生持續的譜系疊代，并朝着傳播力增強、免疫逃逸能力增強和緻病力降低的方向進化，同時伴随病毒性狀的顯著短期波動（圖1）。該研究發現，大規模宿主人群和高突變率是導緻這些獨特進化趨勢出現的關鍵因素。

圖1 單次模拟中病毒譜系疊代（A）、系統發育樹（B）、傳播力（C）、緻病力（D）、免疫逃逸能力（E）和種群多樣性（F）随時間的變化

盡管存在這些長期進化趨勢，但病毒進化固有的随機性不可避免地導緻病毒性狀的短期波動。多種參數下的模拟結果顯示，有相當一部分（27.12%~37.59%）的流行毒株相對于其祖先株同時具有更高的傳播力和緻病力（圖2）。這表明在疫情短期内出現的新變異株具有同時增強傳播力和緻病力的可能性。而且随着感染人數的降低或者突變率的降低，病毒短期内演化方向不确定性進一步增加。

圖2 不同參數設置下模拟産生的流行毒株傳播力（β）和緻病力（α） 相對于其祖先株的變化

Andersen & May于1982年提出假說認為，病毒在進化過程中存在傳播性和緻病性的權衡（trade-off）。該假說假設了病毒内在傳播性與宿主緻死性之間存在直接偶聯，認為高緻病性可以通過增加病毒載量來提高傳播性，但代價是宿主死亡率升高而縮短傳播時間;反之，低緻病性雖然可以延長宿主存活期從而有利于病毒傳播，但病毒載量和傳播效率可能受限。然而，病毒的傳播途徑和緻病機制千差萬别，傳播性與緻病性并非總是嚴格偶聯。事實上，當前對于病毒種群傳播力、免疫逃逸能力和緻病力之間的關系以及這些性狀的進化趨勢仍存在很大的争議。SIRSVIDE模型則提供了一個動态的分析框架，通過綜合易感-感染-恢複-易感動力學、免疫衰減、免疫逃逸及病毒變異等多方面因素，能夠深入解析不同參數變化對病毒進化動态的影響，有助于理解病毒如何在多重選擇壓力下權衡傳播力與緻病性，找到最佳的适應策略。

綜上所述，本研究開發的SIRSVIDE模型為解析病毒的流行病學和進化動态提供了全面的框架。模拟結果揭示了在特定條件下病毒種群會朝着傳播力增強、免疫逃逸能力增強和緻病力降低的方向進化，大規模易感宿主種群和高突變率是導緻這一進化趨勢的關鍵因素。同時，病毒進化固有的随機性導緻了短期内病毒性狀的波動。這些發現與新冠病毒自暴發以來所表現的進化特征基本吻合，也為探索其他病毒的潛在進化規律提供了新思路。

陸劍教授為該研究的通訊作者，生科院博士生靳垲淳為第一作者，生科院博士後唐小鹿、醫科院病原所錢朝晖研究員和吳志強研究員、廣州醫科大學楊子峰教授、澳門科技大學韓子天教授和錢濤教授也為該工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國博士後科學基金、beat365官方网站啟東創新基金、澳門科學技術發展基金等的資助。

文章鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949928324000221