SARS、MERS、新冠假病毒都给中和了!来自大羊驼的“纳米抗体”

▎药明康德内容团队编辑

今日,《细胞》杂志在线发表了一篇关于新冠抗体研发的重要论文。科学家们在大羊驼(Ilama)体内找到了多种“纳米抗体”(Nanobody),可在体外实验中有效中和SARS、MERS、以及新冠病毒的假病毒(pseudoviruses)。此外,研究人员们还使用冷冻电镜技术,观察到了这些抗体与相应病毒受体结合域相结合时的三维结构,找到了纳米抗体用以中和冠状病毒的保守机制。考虑到纳米抗体的广泛应用前景,这项研究对于中和抗体的研发,有着指导意义。

SARS、MERS、新冠假病毒都给中和了!来自大羊驼的“纳米抗体”

纳米抗体是一类来自骆驼类动物的特殊抗体。与由轻链和重链组成的常规抗体不同,这类抗体只有重链,因此只有单个抗原结合结构域(即重链可变区)。有意思的是,虽然较常规抗体少了轻链可变区,但这种纳米抗体的抗原亲和力和特异性却没有受到影响。相反,它还有分子量低,稳定性高、容易表达、不容易出现空间位阻等优点。在概念上,纳米抗体也早已得到了验证。2019年美国FDA批准的第二款新药,就是一种纳米抗体。

考虑到纳米抗体的种种优势,研究人员们想要了解这种新兴技术能否有效对包括新冠病毒在内的冠状病毒进行中和。研究中,他们对大羊驼进行了免疫接种,使用的是来自SARS病毒和MERS病毒的S蛋白。随后,他们使用噬菌体展示的方法,寻找针对这两类S蛋白的纳米抗体。利用多重序列比对和进化树分析,研究人员们分别找到了5种针对SARS病毒S蛋白的纳米抗体,以及7种针对MERS病毒S蛋白的纳米抗体。其中,大约各有一半对相应的S蛋白具有高亲和力。

SARS、MERS、新冠假病毒都给中和了!来自大羊驼的“纳米抗体”

▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

能够以高亲和力结合S蛋白,不代表这些抗体就有中和能力。为了检验它们的中和能力,科学家们又使用了MERS和SARS病毒的假型慢病毒(避免真病毒带来的感染风险)。研究表明,这些纳米抗体表现出了较好的中和能力。对于MERS假病毒,几款抗体的IC50数值为0.014-2.9 μg/mL。而对于SARS假病毒,抗体的相应数值为0.14-5.5 μg/mL。

为了理解这些纳米抗体如何起效,研究人员们又对病毒的S蛋白做了拆分,检验纳米抗体的结合能力。结果表明这些纳米抗体主要结合的都是S蛋白的受体结合域(RBD),而不是N端结构域(NTD)。

随后,他们利用冷冻电镜技术,获得了一些纳米抗体与病毒的RBD相结合时的高清三维结构。有意思的是,针对MERS病毒和SARS病毒的纳米抗体,背后的结合机制有所不同——前者结合S蛋白后,会在DPP4受体与RBD结合的位点上“横插一杠”,直接阻碍了DPP4受体与MERS病毒的结合;后者的结合位点则不直接影响ACE2受体与SARS病毒的结合。

SARS、MERS、新冠假病毒都给中和了!来自大羊驼的“纳米抗体”

▲针对SARS病毒的纳米抗体,并不直接影响S蛋白与ACE2蛋白的结合(图片来源:参考资料[1])

此外,研究人员们还发现,这两种纳米抗体都可以干扰RBD的形变,让S蛋白提前卡在一个不稳定的构象,并使其无法结合受体,入侵细胞。

SARS病毒纳米抗体的结合表位初看之下出人意料,实则有着一定的生物学意义。科学家们对10种SARS病毒的毒株进行了测序分析,发现纳米抗体结合的表位,其序列有着高度的保守性。在另一些具有类似序列的冠状病毒里,这款纳米抗体同样展现出了对其受体结合域的高度亲和力,表明了它的交叉活性。

最后,研究人员们评估了SARS病毒的纳米抗体能否也对新冠病毒表现出交叉中和活性。尽管该抗体的确能结合新冠病毒的RBD,但由于解离常数过高,它却不能中和新冠病毒的假病毒。为了解决这个问题,研究人员们开发了两种二价的纳米抗体,成功实现了对新冠病毒假病毒的中和,IC50大约为0.2 μg/mL。

在论文的讨论环节,作者们指出他们在大羊驼中分离出了两个具有中和潜力的纳米抗体。其中据他们所知,这也是首次对SARS病毒的纳米抗体进行报道。这些抗体与病毒靶点结合的高清结构,让我们对结合表位,以及抗体的中和机制产生了新的洞见。考虑到纳米抗体的稳定性,它有望被开发成“中和喷雾”,带来全新的治疗方案。

参考资料:

[1] Daniel Wrapp et al., (2020), Structural Basis for Potent Neutralization of Betacoronaviruses by Single-Domain Camelid Antibodies, Cell, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.031

注:本文旨在介绍医药健康研究进展,不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导,请前往正规医院就诊。

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