הבנת המוטציה והאבולוציה של וירוסים (כגון SARS-CoV-2) היא חיונית לניהול ותגובה יעילים של בריאות הציבור. מודלים אפידמיולוגיים מסורתיים מניחים לעתים קרובות שההעברה והפתוגניות של ויראליות נשארות קבועות במהלך העברת המחלה, תוך התעלמות מהעובדה שווירוסים מתפתחים ללא הרף באמצעות ברירה טבעית ומוטציות אקראיות. פישוט זה מגביל את הדיוק של מודלים אלה בחיזוי מגמות מגיפה, במיוחד כאשר מתמודדים עם וירוסים המשתנים במהירות.
כדי להתגבר על מגבלות אלו, קבוצתו של פרופ' ג'יאן לו באוניברסיטת פקין פיתחה מודל חישובי חדש בשם SIRSVIDE (רגישים-נגועים-מתאוששים-רגישים-וריאציות-התפרקות חיסונית-בריחה חיסונית). מודל SIRSVIDE לא רק משלב עקרונות בסיסיים של אפידמיולוגיה אלא גם משלב תכונות מפתח של מוטציה ואבולוציה ויראלית. על ידי הדמיית הדינמיקה של אוכלוסיות רגישות (S), נגועים (I), שהחלימו (R) והתהליך של אנשים שחזרו להיות רגישים (S), תוך החדרת אלמנטים כמו וריאציה ויראלית (V), ריקבון חיסוני (ID), והבריחה החיסונית (IE), המודל יכול ללכוד גם דינמיקה אבולוציונית לטווח קצר וגם לטווח ארוך של וירוסים. הוא מתייחס לא רק לאבולוציה של זנים בודדים אלא גם ליחסים התחרותיים בין זנים שונים, ומספק מסגרת אוניברסלית לחקר אפידמיולוגיה ויראלית ודינמיקה אבולוציונית.
סימולציות בתנאים ספציפיים (שיעור מוטציות גבוה μ= 10-8אוכלוסיית מארחים גדולה נ = 109) הראה שאוכלוסיות ויראליות עוברות איטרציות מתמשכות של שושלת ומתפתחות לקראת העברה מוגברת, בריחה חיסונית משופרת ופתוגניות מופחתת, המלווה בתנודות משמעותיות לטווח קצר בתכונות ויראליות. המחקר מצא שאוכלוסיות מארחות גדולות ושיעורי מוטציות גבוהים הם גורמי מפתח המובילים למגמות אבולוציוניות ייחודיות אלו.
למרות מגמות אבולוציוניות ארוכות טווח אלו, האקראיות המובנית של אבולוציה ויראלית מובילה בהכרח לתנודות קצרות טווח בתכונות ויראליות. סימולציות תחת פרמטרים שונים הראו שלחלק ניכר (27.12%-37.59%) מהזנים הנפוצים יש גם יכולת העברה וגם פתוגניות גבוהות יותר בהשוואה לזני אבותיהם. זה מצביע על כך שוריאנטים חדשים עם יכולת העברה ופתוגניות משופרים בו זמנית עשויים להופיע בטווח הקצר של מגיפה. יתרה מכך, ככל שמספר הזיהומים או שיעור המוטציות יורד, אי הוודאות בכיוון האבולוציוני לטווח הקצר של הנגיפים עולה עוד יותר.
השערת "החלפה בין ארסיות להעברה" הקלאסית שהוצעה על ידי אנדרסן ומיי ב-1982 מציעה כי ישנו פשרות בין העברה לפתוגניות באבולוציה הוויראלית. עם זאת, נתיבי ההעברה והמנגנונים הפתוגניים של וירוסים מגוונים, וההעברה והפתוגניות לא תמיד קשורות באופן קפדני. מודל SIRSVIDE מספק מסגרת אנליטית דינמית השוקלת באופן מקיף גורמים כגון דינמיקה רגישה-נגועה-החלמה-רגישה, ריקבון חיסוני, בריחה חיסונית ומוטציה ויראלית, המאפשרת ניתוח מעמיק של ההשפעה של שינויי פרמטרים שונים על דינמיקה אבולוציונית ויראלית. זה עוזר לנו להבין כיצד וירוסים מאזנים את ההעברה והפתוגניות תחת לחצים מרובים של בחירה כדי למצוא את אסטרטגיית ההסתגלות האופטימלית.
לסיכום, מודל SIRSVIDE שפותח על ידי קבוצתו של פרופ' ג'יאן לו מספק מסגרת מקיפה לחקר אפידמיולוגיה ויראלית ודינמיקה אבולוציונית. תוצאות הסימולציה מגלות כי בתנאים ספציפיים, אוכלוסיות ויראליות נוטות להתפתח לקראת העברה מוגברת, בריחה חיסונית משופרת ופתוגניות מופחתת, כאשר אוכלוסיות מארחות רגישות גדולות ושיעורי מוטציות גבוהים הם גורמי מפתח המניעים מגמה אבולוציונית זו. יחד עם זאת, האקראיות הטבועה באבולוציה הוויראלית מובילה לתנודות קצרות טווח בתכונות ויראליות. ממצאים אלה עולים בקנה אחד עם העדויות האבולוציוניות של SARS-CoV-2 ומספקים תובנות חדשות לבחינת הדפוסים האבולוציוניים הפוטנציאליים של וירוסים אחרים, שיש לה משמעות רבה להנחיית מדיניות בריאות הציבור.
