The outbreak of SARS-CoV-2 in December 2019 and the ensuing global pandemic raised critical questions about the virus's capacity for rapid adaptation to environmental conditions. In this study, we investigated viral evolution in critically ill patients suffering from severe lung failure. From November 2020 to December 2022, respiratory samples were collected from a total of 41 patients upon admission to the intensive care unit at the University Hospital Regensburg, Germany, and during the course of treatment (median interval: 15 days; range: 6 to 42 days). The samples were analyzed for genomic alterations using next-generation sequencing. Detected changes were correlated with clinical, virological, immunological, and therapeutic parameters using both univariate and multivariate logistic regression analysis.
Seventeen of 41 patients (41%) developed amino acid substitutions in non-structural proteins (nsp) 2, 3, 4, 10, 14, and 15, as well as in open reading frames 3a and 8, and within the spike and nucleocapsid proteins over the course of the study. Notably, 20 of 27 observed changes represented reversions to the Wuhan-1 wild-type genome, including eight at position 323 of the polymerase nsp12. Statistically significant factors associated with the occurrence of mutations included younger age, prolonged stay in the intensive care unit, ECMO and catecholamine treatment, development of thrombosis, extended virus replication period, and infection with the Delta variant (p<0.05). In contrast, treatment with remdesivir was negatively correlated with the emergence of mutations. Epitope mapping revealed that the humoral immune response was unlikely to be the main driver of viral evolution in vivo.
Thus, the likelihood of genomic alterations in severely ill patients increases with both disease severity and duration of virus replication. The frequent observation of reversions to the wildtype genome suggests that the virus preferentially replicates in inflamed and poorly ventilated areas of the lungs – an effect that may be further amplified by the presence of pulmonary embolism. Furthermore, replication appears to be suppressed by the administration of remdesivir. These findings highlight that integrating antiviral strategies into the clinical management of severely ill patients may limit the emergence of potentially novel mutations.

Der Ausbruch von SARS-CoV-2 im Dezember 2019 und die nachfolgende globale Pandemie warfen kritische Fragen auf, inwiefern sich das Virus rasch an Umweltbedingungen anpassen kann. In unserer Studie haben wir die SARS-CoV-2 Evolution in kritisch kranken Patienten mit schwerer Lungeninsuffizienz untersucht. Von November 2020 bis Dezember 2022 wurden von 41 Patienten respiratorische Proben bei Aufnahme in das Universitätsklinikum Regensburg, Deutschland, sowie im Verlauf der Behandlung abgenommen (Intervall im Median 15 Tage, Spannbreite 6 bis 42 Tage) und mittels Next-Generation Sequencing auf Aminosäure-Austausche untersucht. Die nachgewiesenen Veränderungen wurden anschließend mit klinischen, virologischen, immunologischen und therapeutischen Parametern mittels univariater und multivariater logistischer Regressionsanalyse korreliert.
Siebzehn der 41 Patienten (41%) entwickelten über die Dauer der Untersuchung Veränderungen in den Nicht-Strukturproteinen (nsp) 2, 3, 4, 10, 14, und 15, sowie den Open reading frames 3a und 8 und innerhalb der Spike- und Nukleokapsid-Proteine. Bemerkenswerterweise handelte es sich bei 20 der 27 Veränderungen um eine Reversion zum Wuhan-1 Wildtyp-Genom. Acht dieser Rückmutationen traten an Position 323 der Polymerase nsp12 auf. Parameter, die mit dem Auftreten von Mutationen statistisch signifikant korrelierten, waren jüngeres Alter, längerer Aufenthalt auf der Intensivstation, ECMO- und Katecholamin-Behandlung, Auftreten von Thrombosen, längere Virusreplikation und Infektion mit der Delta-Variante (p<0.05). Dagegen war die Behandlung mit Remdesivir mit dem Auftreten von Mutationen negativ korreliert. Ein Epitop-Mapping zeigte, dass die humorale Immunantwort vermutlich nicht der entscheidende Faktor für die virale Evolution in vivo war.
Aminosäure-Austausche im SARS-CoV-2 Genom treten also bei schwer kranken Patienten mit zunehmender Krankheitsschwere und Replikationsdauer des Virus gehäuft auf. Die beobachteten Rückmutationen zum Wildtyp lassen vermuten, dass sich SARS-CoV-2 in entzündeten und minderbelüfteten Lungenabschnitten bevorzugt vermehrt – ein Effekt, der durch das Vorhandensein einer Lungenembolie zusätzlich verstärkt werden könnte. Durch die Gabe von Remdesivir wird das Virus an der Replikation gehindert. Diese Ergebnisse unterstreichen die Rolle der antiviralen Therapie bei der Vorbeugung möglicher Neumutationen in schwer erkrankten Patienten.