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《微生物所高福院士研究团队联合开发刺激广谱免疫反应的新冠病毒三聚体疫苗》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2023-10-25

  • 近日，中国科学院微生物研究所高福院士研究团队联合中国科学院北京生命科学研究院徐坤助理研究员、中国科学院微生物所齐建勋研究员、南方科技大学王培毅教授、中国疾病预防控制中心武桂珍研究员，在PLOS Pathogens杂志在线发表论文，题为Broad protective RBD heterotrimer vaccines neutralize SARS-CoV-2 including Omicron sub-variants XBB/BQ.1.1/BF.7提出了一种新型的多价疫苗设计思路，开发了单分子三聚体的三价新冠疫苗，能够诱导强烈的保护性广谱免疫反应，对于开发新一代新冠疫苗具有重要的理论意义和应用前景。

    　　前期，高福院士团队领导设计了β冠状病毒高免疫原性的串联重复受体结合结构域（RBD）二聚体蛋白（Dai,2020），并基于该设计理念开发了新冠疫苗ZF2001。为应对新冠病毒变异株的流行，团队将免疫原进一步改造，设计了嵌合RBD异型二聚体蛋白(Xu,2022)，以诱导广谱免疫反应，目前开发的疫苗已经进入了临床实验。

    　　在该研究中，高福院士联合团队进一步探索了RBD三聚体的设计策略，将三个相同或三个不同新冠毒株的RBD串联，设计了原型（Prototype）新冠RBD同型三聚体（PPP）、Prototype-Delta-BA.1（PDO）和Delta-BA.2-BA.5（DBA2BA5）RBD异型三聚体进行概念验证，获得了高纯度和结构稳定的免疫原蛋白，然后通过生物化学实验和冷冻电镜结构生物学方法证明其抗原表位完全展示（图1）。最后，通过动物免疫实验证明RBD异型三聚体可诱导对多种新冠变异株广谱的中和抗体反应及强烈的T细胞免疫，通过新冠病毒攻毒实验证明其对多种毒株（Delta、Omicron BA.1、BA.2和BA.4）均具有保护作用，可以降低肺与鼻组织的病毒载量（图2）。

    　中国科学院微生物研究所特别研究助理张艳芳、中国科学院大学存济医学院博士生康新锐、南方科技大学博士后刘升、中国科学院微生物所特别研究助理韩普、中国疾病预防控制中心副研究员雷雯雯和徐珂为文章共同第一作者。中国科学院微生物研究所高福院士，中国科学院北京生命科学研究院徐坤助理研究员，中国科学院微生物所齐建勋研究员，南方科技大学王培毅教授，中国疾病预防控制中心武桂珍研究员为该文章的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的经费支持。

    　　论文链接：https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1011659

  • 原文来源：http://www.im.cas.cn/xwzx2018/kyjz/202310/t20231024_6905499.html
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  • 《Cell：高福等研究团队开发出一种针对β冠状病毒的通用疫苗设计策略》
    • 来源专题：中国科学院病毒学领域知识资源中心
    • 编译者：malili
    • 发布时间：2020-07-09
    • 冠状病毒（CoV）是一组多样化的包膜病毒，可进一步细分为四个属：α-CoV、β-CoV、γ-CoV和δ-CoV。迄今为止，已知有7种CoV可导致人类疾病。其中，两种α-CoV（hCoV-NL63和hCoV-229E）和两种β-CoV（HCoV-OC43和HKU1）仅引起自限性的感冒类疾病。然而，其余三种β-CoV（SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2）则会危及生命。到目前为止，还没有临床上有效的预防或治疗人类高致病性CoV感染的药物，这凸显了疫苗开发的迫切性。 在CoV中，嵌入包膜中的刺突蛋白（S）负责识别宿主细胞受体，以启动病毒进入细胞。S蛋白的受体结合结构域（RBD）是这种受体停靠的必要条件。SARS-CoV和SARS-CoV-2使用相同的功能性宿主细胞受体---人血管紧张素转化酶2（hACE2），而MERS-CoV使用人CD26（也称为人二肽肽酶4，hDPP4）。科学家们之前已揭示了这些CoV识别宿主细胞受体的结构基础。 到目前为止，大多数强效中和单克隆抗体都靶向CoV RBD。因此，RBD是一个有吸引力的疫苗靶点，这是因为它可以将免疫反应集中在受体结合的干扰上。迄今为止，已有报道称，一些基于RBD的疫苗正在研制中，用于对抗MERS-CoV和SARS-CoV。然而，基于RBD的亚单位疫苗可能面临一些重要的挑战，主要来自于它们相对较低的免疫原性，因此它们必须与适当的佐剂组合使用，或者在合适的蛋白序列、片段长度和免疫方案方面对它们进行优化。增强基于RBD的疫苗免疫原性的策略包括增加抗原大小、多聚化或在颗粒中密集显示抗原，然而，这些策略不可避免地引入了外源序列，从而使得它们的临床使用潜力复杂化。 在一项新的研究中，来自中国科学院北京生命科学研究院、中国医学科学院医学实验动物研究所、中国科学院微生物研究所和中国疾病预防控制中心等研究机构的研究人员描述了一种通用的β-CoV免疫原设计，它克服了基于RBD疫苗的免疫原性限制。人们之前已经观察到CoV RBD二聚体，但它们的免疫原性尚未得到测试。他们发现，与传统的RBD单体形式相比，通过二硫键连接的RBD二聚体形式显著增强了抗体反应和中和抗体滴度。在小鼠模型中，它使得这些动物免受MERS-CoV感染，并缓解了肺部损伤。晶体结构显示这种RBD二聚体完全暴露了双受体结合基序（receptor binding motif, RBM），这是中和抗体识别的主要位点。 图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.06.035。 相关研究结果于2020年6月28日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“A universal design of betacoronavirus vaccines against COVID-19, MERS and SARS”。论文通讯作者为中国科学院北京生命科学研究院的戴连攀（Lianpan Dai）、中国医学科学院医学实验动物研究所所长秦川（Chuan Qin）教授、中国科学院微生物研究所研究员严景华（Jinghua Yan）以及中国疾病预防控制中心主任、中国科学院微生物研究所的高福（George F. Gao）院士。 为了提高这种二聚体的稳定性，在不引入任何外源序列的情况下，通过结构引导设计，将这种免疫原进一步设计为串联重复单链二聚体（tandem repeat single chain dimer，串联重复sc-dimer）版本。RBD-sc-二聚体作为二硫键连接的二聚体保留了较高的疫苗效力。接着，这一策略被进一步推广到开发针对另外两种高致病性β-CoV---SARS-CoV-2和SARS-CoV---的疫苗。值得注意的是，与常规的RBD单体相比，RBD-sc-二聚体设计显著提高了免疫原性，中和抗体滴度提高了10～100倍，这表明它作为β-CoV疫苗设计通用策略的可行性。 特别是，两剂量的RBD-sc-二聚体引发的针对SARS-CoV-2感染的中和抗体滴度高达大约4096。对MERS-CoV和SARS-CoV-2的RBD-sc-二聚体进行了进一步开发，以便在GMP级生产中进行中试规模生产。这两者都可以在工业标准的CHO细胞系统中以高产量（g/L水平）进行生产，这表明这种策略具有可扩展性和进一步临床开发的前景，以便控制MERS-CoV和正在进行的COVID-19大流行。 一般而言，目前的候选CoV疫苗可分为两类：（i）基于基因的疫苗，包括DNA/mRNA疫苗、重组疫苗载体和活病毒疫苗，它们在宿主细胞中产生抗原；(ii) 基于蛋白的疫苗，包括灭活全病毒和蛋白亚单位疫苗，它们的抗原在体外制造。蛋白亚单位疫苗在传统上用于疫苗开发，这类疫苗在预防乙型肝炎和带状疱疹等疾病方面具有良好的安全性和有效性。在这项新的研究中，这些研究人员报道了CoV RBD-sc-二聚体作为蛋白亚单位疫苗的设计，代表了CoV疫苗开发的一条有前途的途径。 结构指导下的抗原设计是快速、精确制造疫苗的重要工具。全长S蛋白是作为CoV抗原亚单位疫苗的另一种常见的选择。全长三聚体S蛋白通常具有很高的免疫原性，原因很可能是它具有较大的尺寸（大约600kDa）。它不仅包含RBD，即强效中和抗体的主要靶点，还包含也能诱导中和抗体或保护性抗体的非RBD区域，比如N端结构域。人们之前已报道了一种通过基于结构的抗原设计来让MERS-CoV S蛋白融合前构象保持稳定从而提高基于全长S蛋白的CoV疫苗疗效的通用策略。然而，由于已报道针对CoV免疫反应的抗体依赖性增强（ADE）现象，人们寻求最小化的有效免疫原。另外，CoV S蛋白的RBD已被认为是一个有吸引力的疫苗靶点，这是因为它在免疫聚焦（immune focusing）方面具有优势，但可能需要有效的佐剂和多剂量来产生足够的免疫原性。 这些研究人员将这种二硫键连接的RBD二聚体鉴定为免疫原：与常规的RBD单体相比，它的免疫原性显著提高，这一点通过中和抗体滴度来证实。通过结构引导设计，这种RBD二聚体经过进一步改造后成为串联重复sc-二聚体，这可以成为β-CoV疫苗设计的一种通用策略。事实上，利用RBD-sc-二聚体对小鼠进行两次免疫足以使所有针对MERS、COVID-19和SARS的测试疫苗获得高水平的抗体反应。据此，将采用两剂疫苗接种方案来评估基于RBD-sc-二聚体的CoV疫苗在动物模型和人体中的保护效果。值得注意的是，在三次免疫后， RBD单体的免疫原性与两次接种sc-二聚体疫苗相似。特别是对于SARS-CoV疫苗，RBD-sc-二聚体在三次免疫后仅表现出略高的抗体反应（** P<0.01）和中和抗体滴度（* P<0.05）。 RBD-sc-二聚体免疫原性增强的原因是：(i)抗原分子量从约30kDa翻倍到约60kDa；(ii)双RBM，即这种二聚体双价地发挥作用，这可能使B细胞中的B细胞受体交联，以获得更好的刺激；(iii)RBD的二聚体界面上的非RBM表位可能被阻塞，以进一步提高免疫聚焦；(iv) 优势免疫表位的暴露。 总之，这些研究人员提供了一种通用的策略来设计β-CoV疫苗，并在针对MERS、COVID-19和SARS的疫苗开发中证实了这个概念。由此产生的免疫原可应用于其他表达系统，如酵母、昆虫细胞，也可应用于其他疫苗平台，如DNA、信使RNA和疫苗载体。经过改造的RBD-sc-二聚体不引入任何外源序列，从而突显了这种基于RBD-sc-二聚体的CoV疫苗临床开发的可行性。这项研究中描述的COVID-19和MERS候选疫苗有希望从实验台进一步进展到临床。g/L水平的抗原产量突出了扩大生产能力，以便满足全球的迫切需求，特别是针对大流行性COVID-19的需求。 这项研究存在的局限性 众所周知，CoV RBD是中和抗体干扰病毒受体结合的主要靶点，这些研究人员关注的是基于RBD的疫苗所诱导的体液反应。还应进行扩展研究，比如被动转移实验，以进一步证实这种体液反应是否足以抵御CoV的挑战，尽管他们近期的研究工作通过使用人源单克隆抗体证实了被动保护的存在。另外，虽然在重组蛋白型疫苗的研究中，磷酸盐缓冲液（PBS）和PBS加佐剂都被广泛用作安慰剂，但使用给予无关蛋白加佐剂的对照组将是一种更好的阴性对照选择。（生物谷 Bioon.com）
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  • 《Cell：高福院士团队在新一代新冠肺炎重组蛋白疫苗研究领域取得重要进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-05-09
    • 国际顶尖学术期刊《细胞》报道了中国科学院微生物研究所高福院士团队及合作团队在新冠肺炎疫苗研究领域的重要进展，研究者们开发了针对新冠肺炎流行变异株的嵌合受体结合结构域（RBD）二聚体蛋白疫苗的设计方法，其为两个异源的RBD串联形成，与同源的RBD二聚体相比，嵌合RBD二聚体在动物体内可刺激产生更加广谱的抗体反应及提供更好的保护效果。以此策略设计的prototype-Beta嵌合RBD二聚体蛋白疫苗免疫的小鼠和恒河猴在攻毒实验中显示出对多种变异株的保护效果，设计的Delta-Omicron嵌合RBD二聚体疫苗高效保护小鼠预防Delta和Omicron的感染及引起的肺炎。 新冠病毒表面的刺突（S）蛋白负责病毒的受体识别和膜融合，S蛋白上的RBD是一个重要的疫苗靶点，它激发中和抗体的产生，具有免疫聚焦的优势。前期该团队提出了β冠状病毒S蛋白的RBD二聚体疫苗设计理念，发现将新冠病毒RBD进行串联重复设计成的二聚体抗原免疫小鼠血清的中和抗体滴度高于单体的免疫效果（Dai et al, 2020, Cell）。基于该理念，中国科学院微生物所与智飞生物联合开发了新冠肺炎重组蛋白疫苗ZF2001，该疫苗在I/II期临床试验中显示出良好的安全性和免疫原性（Yang et al, 2021, Lancet Infectious Diseases），III期临床试验结果表明在接种ZF2001三剂次后，该疫苗对18周岁及以上人群预防任何严重程度的新冠肺炎的保护效力为81.43%，其中对于重症及以上病例的保护效力为92.87%。该疫苗于2021年3月获得中国和乌兹别克斯坦批准紧急使用，是全球第一个获批使用的新冠重组蛋白疫苗，之后在印度尼西亚和哥伦比亚也获批进行紧急使用，此外，ZF2001于今年在国内获批附条件上市及作为新冠灭活疫苗的序贯加强针。重组亚单位蛋白疫苗具有产量高、安全性高、易于存储和运输等优势，是预防新冠肺炎的重要选择之一。 目前新冠肺炎疫情形势在全球范围内仍很严峻，新冠病毒变异株不断出现和流行，其中有些会逃逸现有疫苗的抗体免疫反应，引起突破性感染。特别是Delta和Omicron变异株依次席卷全球，成为优势流行毒株，给疫情防控带来了严峻挑战。因此，研发一款对包括Omicron在内的变异株具有广谱预防效果的疫苗十分关键。 研究者们基于已经上市的原型毒株同源RBD二聚体蛋白疫苗（ZF2001）的设计基础，开发了快速适应新冠流行变异株的异源RBD二聚体蛋白疫苗设计方法，以此首先设计了prototype-Beta嵌合蛋白疫苗，在小鼠体内验证了其诱导比prototype和Beta的同源RBD二聚体更加广谱的抗体反应和保护效果，且prototype-Beta嵌合蛋白疫苗免疫恒河猴可提供对多种新冠毒株的保护作用。之后，研究者们设计了Delta-Omicron嵌合蛋白疫苗，与prototype同源RBD二聚体疫苗相比，其免疫小鼠刺激产生更加广谱的抗体反应，对Delta和Omicron变异株的攻毒均表现出更好的保护效果，这些研究数据支持开发适应变异株的多价疫苗以预防流行变异株，该研究在当前Omicron变异株流行的背景下给疫情防控提供极大的支持。 中国科学院北京生命科学研究院及微生物所高福院士、南方科技大学冷冻电镜中心主任王培毅教授、中国科学院微生物所戴连攀研究员、中国医学科学院医学生物学研究所彭小忠研究员和中国疾病预防控制中心生物安全首席专家及病毒病预防控制所BSL-3实验室主任武桂珍研究员作为共同通讯作者。中国科学院北京生命科学研究院助理研究员徐坤、中国科学院微生物所博士研究生高萍、南方科技大学冷冻电镜中心博士后刘升、中国医学科学院医学生物学研究所鲁帅尧教授、中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所副研究员雷雯雯及浙江大学基础医学院博士生郑天依为论文共同第一作者。该项目得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导专项、比尔及梅琳达·盖茨基金会、中国博士后科学基金、中国科学院青年促进会、深圳市科技创新委员会基金、南方科技大学校长卓越博士后等经费支持。
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