当全世界都在等待疫苗来控制COVID-19的大流行时，加州大学旧金山分校的科学家们已经设计出了一种新的方法来阻止导致这种疾病的SARS-CoV-2病毒的传播。
在加州大学旧金山分校研究生Michael Schoof的带领下，一个研究小组设计了一种完全合成的、可生产的分子，它可以限制关键的SARS-CoV-2机制，使病毒感染我们的细胞。据一篇新论文报道，使用活病毒进行的实验表明，这种分子是迄今为止发现的最有效的SARS-CoV-2抗病毒药物之一。该论文现可在预印本服务器bioRxiv上获得。
在一种被研究人员称为“AeroNabs”的气雾剂中，这些分子可以通过鼻腔喷雾剂或吸入器自行给药。每天使用一次，AeroNabs可以提供强大、可靠的抗SARS-CoV-2保护，直到疫苗出现。该研究团队正在与商业伙伴积极讨论，以加强AeroNabs的生产和临床测试。如果这些测试成功，科学家们的目标是让AeroNabs作为预防和治疗COVID-19的一种廉价的非处方药物广泛使用。
“比可穿戴更为有效形式的个人防护设备,我们认为AeroNabs PPE的分子形式,可以作为一个重要的权宜之计,直到COVID-19疫苗提供更持久的解决方案,”说AeroNabs合作发明者彼得•沃尔特博士,加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授和霍华德·休斯医学研究所研究员。Walter还说，对于那些无法获得或对SARS-CoV-2疫苗没有反应的人来说，AeroNabs可能是对抗COVID-19的一道更持久的防线。
“我们集合了一个令人难以置信的团队，有才华的生物化学家、细胞生物学家、病毒学家和结构生物学家，让这个项目在短短几个月内从开始到结束，”Schoof说，他是沃尔特实验室的成员，也是AeroNabs的共同发明人。
Llama-Inspired设计
尽管完全是在实验室中设计的，但AeroNabs的灵感来自于纳米体，纳米体是一种天然存在于大羊驼、骆驼和相关动物体内的类抗体免疫蛋白。自20世纪80年代末在比利时的一个实验室发现纳米体以来，纳米体的独特特性引起了全世界科学家的兴趣。
“尽管他们功能很像人类的免疫系统中的抗体,nanobodies提供一些独特的优势对SARS-CoV-2有效疗法,”解释合作发明者Aashish Manglik,医学博士,博士,药物化学助理教授经常雇佣nanobodies作为一种工具在研究蛋白质的结构和功能,发送和接收信号穿过细胞膜。
例如，纳米体比人类抗体小一个数量级，这使得它们更容易在实验室中操作和修改。它们的小体积和相对简单的结构也使得它们比其他哺乳动物的抗体稳定得多。此外，与人类抗体不同的是，纳米体可以很容易且廉价地大规模生产:科学家将包含分子蓝图的基因植入大肠杆菌或酵母中，然后将这些微生物转化为高产量的纳米体工厂。几十年来，同样的方法被安全地用于大量生产胰岛素。
但正如曼利克指出的，“纳米体只是我们的起点。虽然它们本身很吸引人，但我们认为可以通过蛋白质工程对它们进行改进。这最终导致了AeroNabs的发展。”
刺突是感染的关键
SARS-CoV-2依赖其所谓的刺突蛋白来感染细胞。这些刺钉钉在病毒表面，在电子显微镜下观察时呈现出冠状外观——因此包括SARS-CoV-2在内的病毒家族被命名为“冠状病毒”。然而，刺突不仅仅是一种装饰——它们是让病毒进入我们细胞的关键。
与可伸缩工具一样，spikes可以从关闭的非活动状态切换到开放的活动状态。当病毒颗粒的大约25个刺突中的任何一个被激活时，这个刺突的3个“受体结合区域”(RBDs)就会暴露出来，并准备与ACE2(一种在人类肺和气道细胞中发现的受体)结合。
通过ACE2受体和spike RBD之间的锁键作用，病毒进入细胞，然后将新宿主转化为冠状病毒制造者。研究人员相信，如果他们能找到阻碍钉子- ace2相互作用的纳米体，他们就能阻止病毒感染细胞。
纳米体使尖峰失效并防止感染
为了找到有效的候选材料，科学家们分析了Manglik实验室中最近开发的超过20亿的合成纳米体库。在连续几轮的测试中，科学家们实施了越来越严格的标准来淘汰弱的或无效的候选者，最终他们得到了21个纳米体，这些纳米体可以阻止一种改性的spike与ACE2相互作用。
进一步的实验，包括使用低温电子显微镜来观察纳米粒子与刺突的界面，表明最有效的纳米粒子通过强烈地将自己直接附着在刺突RBDs上阻断了刺突与ace2的相互作用。这些纳米体的功能有点像一个护套，它覆盖了RBD“密钥”，并防止它被插入到ACE2“锁”中。
有了这些发现，研究人员仍然需要证明这些纳米体可以阻止真正的病毒感染细胞。巴黎巴斯德研究所Marco Vignuzzi博士实验室的病毒学家Veronica Rezelj博士测试了三种最有希望对抗活SARS-CoV-2的纳米体，发现这些纳米体非常有效，即使在极低的剂量下也能预防感染。
然而，这些纳米体中最有效的不仅是RBDs上的护套，而且还像一个分子捕鼠器，可以压制处于关闭、不活跃状态的尖刺，这增加了一层额外的保护，防止尖刺与ace2的相互作用导致感染。
从纳米体到AeroNabs
然后，科学家们通过多种方式将这种具有双重作用的纳米体改造成一种更有效的抗病毒药物。在一组实验中，他们突变了与spike接触的纳米体的每一种氨基酸，以发现两种特定的变化，使效能提高了500倍。
在另一组实验中，他们设计了一个分子链，可以将三个纳米体连接在一起。如上所述，每个spike蛋白都有三个RBDs，其中任何一个RBDs都可以附着在ACE2上，让病毒进入细胞。由研究人员设计的三联纳米体可以确保，如果一个纳米体附着在RBD上，另外两个也会附着在其余的RBD上。他们发现，这种三重纳米体的效力是单纳米体的20万倍。
沃尔特说，当他们利用这两种改变的结果，将三种强大的突变纳米体连接在一起时，结果“超出了图表”。“它非常有效，超出了我们衡量其效力的能力。”
作为气雾剂容易使用吗
这种超超结构的三部分纳米体构成了AeroNabs的基础。
在最后一组实验中，研究人员对由三部分组成的纳米体进行了一系列的压力测试，将它们置于高温下，将它们变成耐储存的粉末，并制造气溶胶。每一个过程都是极具破坏力的大多数蛋白质,但科学家证实,由于nanobodies固有的稳定性,没有损失的抗病毒能力雾化形式,暗示AeroNabs有力SARS-CoV-2抗病毒可以实际管理通过耐储存的吸入器或鼻喷雾剂。
“并非只有我们认为AeroNabs是一项了不起的技术，”曼格利克说。“我们的团队正在与对制造和销售AeroNabs感兴趣的潜在商业伙伴进行讨论，我们希望很快开始人体试验。”如果AeroNabs证明像我们预期的那样有效，它们可能会帮助重塑全球大流行的进程。”
