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《《自然》：让中和抗体具备疫苗特性？Vir合作揭示“加强版”中和抗体机理》

  • 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：2020-10-24

  • 在对抗新冠病毒感染的研发方面，疫苗和中和抗体的开发是两个重要的方向。如今多款候选新冠疫苗已经进入3期临床试验，针对新冠病毒的中和抗体的3期临床试验也已经展开。通常，我们认为疫苗和中和抗体在保护人们不受新冠病毒感染方面起到不同的作用。疫苗通过激发人体的适应性免疫反应，让人体产生针对新冠病毒的抗体和免疫细胞反应，我们也称之为“主动免疫”。而中和抗体则能够通过与病毒结合，起到阻止它们进入和感染细胞的作用，我们也称之为“被动免疫”。主动免疫产生过程较慢，但是可能更为长久，被动免疫见效更快，但是可能持续时间较短。

    然而近日，Vir Biotechnology公司和洛克菲勒大学的研究人员通过对抗体Fc端的改造，不但让它们能够提供“被动免疫力”，还赋予了它们促进树突状细胞（dendritic cells）成熟和激活CD8阳性T细胞的能力。这让这些抗体有了与疫苗类似的增强主动免疫反应的潜力，从而可能进一步延长对病原体的保护能力。这项研究近日在《自然》以加速预览的形式发表。

    中和抗体的多种功能

    提到中和抗体，我们最熟悉的可能是它的中和功能。中和抗体通过与病毒表面的特异性抗原相结合，防止它们与细胞上表达的受体相结合并且进入细胞。这一功能可以防止病毒感染尚未受到感染的细胞。以针对新冠病毒的中和抗体为例，多款抗体都靶向新冠病毒刺突蛋白的受体结合域（RBD）。这是刺突蛋白与细胞上的ACE2受体结合的关键蛋白域，通过阻断它们之间的相互作用，可以防止新冠病毒感染人体细胞。

    然而，对于已经受到病毒感染的细胞来说，病毒已经进入细胞内并且开始复制。对这些已经被病毒感染的细胞，有些中和抗体能够通过它的Fc端募集和激活巨噬细胞和天然杀伤细胞（NK cell）。这些先天免疫细胞能够杀死受到病毒感染的细胞，从而消灭体内潜在的病毒来源。例如，Vir Biotechnology公司和葛兰素史克（GSK）联合开发的中和抗体VIR-7831就通过对抗体Fc端的优化增强了它激活巨噬细胞和NK细胞的能力。这款中和抗体目前也已经进入3期临床试验。

    中和抗体的Fc端能够激活巨噬细胞和NK细胞的原因是它们可以与表达在这些细胞表面的Fc受体相结合。人体的不同细胞表面也表达着多种不同的Fc受体（FcγR），它们可以产生激活性或者抑制性功能，在发布在《自然》的这项研究中，研究人员尝试了对抗体Fc端的进一步优化。

    赋予中和抗体激活T细胞的能力

    人体细胞表面表达的Fc受体有很多种类，包括FcγRI，FcγRIIa，FcγRIIb等等。通过对抗流感病毒的中和抗体Fc端进行工程化设计，研究人员设计出拥有不同类型Fc端的流感病毒中和抗体。它们对不同类型Fc受体的结合能力也不一样。

    在动物实验中，研究人员先给小鼠注射拥有不同Fc端的中和抗体，然后让小鼠感染能够致死剂量的感冒病毒，检验哪种种抗体能够保护小鼠不受感冒病毒的伤害。实验结果表明，一种携带名为GAALIE的Fc变体的抗体（下称GAALIE抗体）对小鼠的保护作用最佳，这款抗体增强了抗体Fc端与FcγRI，FcγRIIa和FcγRIIIa/b的结合能力。那么这款中和抗体是通过什么方法产生保护作用的呢？

    对小鼠免疫细胞反应的分析显示，GAALIE抗体能够促进树突状细胞的成熟和CD8阳性以及CD4阳性T细胞的激活。树突状细胞的作用是将病毒抗原呈现在细胞表面，在激活CD8阳性T细胞方面具有关键性的作用。而这些细胞表面上表达着FcγRIIa受体。

    GAALIE抗体在预防和治疗模型中表现出更好的防护能力

    根据实验结果，研究人员推测GAALIE抗体能够通过与树突状细胞表面的FcγRIIa受体结合，促进树突状细胞的成熟，从而更好地激活CD8阳性T细胞反应。但是同时，以往研究显示，抗体Fc端通过与细胞表面的受体相结合，可能引发抗体依赖性增强疾病（ADE）。那么GAALIE抗体会不会也产生ADE作用？

    为了回答这个问题，研究人员在流感预防模型和流感治疗模型中检测了GAALIE抗体和野生型抗体的保护效果。实验结果显示，GAALIE抗体不但没有增强疾病严重程度，而且与野生型相比，在加快动物体重恢复和提高动物生存率方面都表现出更好的效果。

    研究人员指出，这项研究意味着，通过对中和抗体的Fc端进行改造，能够赋予它们增强适应性免疫反应的能力，而适应性免疫反应在维持对病原体的长期免疫力方面至关重要。文章的共同作者之一，Vir Biotechnology公司的首席科学官Herbert “Skip” Virgin博士说：“我们期待探索GAALIE类型抗体与疫苗类似的潜力。”

    目前，Vir公司的研发管线中已经有两款中和抗体使用这一技术，其中名为VIR-7832的中和抗体是一款针对新冠病毒的中和抗体。对它的工程化改造不但延长了它的半衰期，而且提高了它在肺部的生物利用度，对Fc端的改造让它不但可能成为治疗COVID-19的疗法，还可能成为预防性T细胞疫苗。这款候选疫苗预计在今年晚些时候将进入2期临床试验。

    （来源：药明康德）

    参考文献：

    [1] New test detects coronavirus in just 5 minutes. Retrieved October 12, 2020, from https://www.sciencemag.org/news/2020/10/new-test-detects-coronavirus-just-5-minutes

    [2] Fozouni et al., Direct detection of SARS-CoV-2 using CRISPR-Cas13a and a mobile phone. medRxiv, doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.28.20201947

    链接：https://mp.weixin.qq.com/s/1RxozjkcwKu1xjY0KznGkQ

    原文链接：http://www.chinacdc.cn/gwxx/202010/t20201020_222217.html

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  • 《Science：揭示SARS-CoV-2变体正在进化出逃避抗体和疫苗的新方法》
    • 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：2021-12-13
    • 在一项新的研究中，由美国哈佛医学院的研究人员领导的一个研究团队在预测SARS-CoV-2冠状病毒的未来进化策略的过程中鉴定出几种潜在的突变，这些突变将使这种病毒逃避免疫防御，包括通过感染或接种疫苗获得的自然免疫以及基于抗体的治疗。这些结果将有助于人们衡量SARS-CoV-2在继续适应其人类宿主的过程中可能如何进化，并以此帮助公共卫生官员和科学家为未来可能的突变做好准备。相关研究结果于2021年12月2日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structural basis for continued antibody evasion by the SARS-CoV-2 receptor binding domain”。 事实上，在这项新的研究即将发表时，一种令人担忧的新变体---omicron---出现了，随后这些作者发现它包含了这篇新发表的论文中预测的几种可逃避抗体的突变。截至2021年12月1日，在非洲、亚洲、澳大利亚、欧洲和南北美洲的25个国家已经发现了omicron，这个名单每天都在增加。 这些作者提醒说，这些研究结果并不直接适用于omicron，因为这种特定的变体如何表现将取决于其自身的一组独特的突变---病毒刺突蛋白中至少有30种突变---之间的相互作用，以及它如何与世界各地人群中流通的其他活性毒株竞争。他们说，尽管如此，这项研究提供了有关omicron的值得关注的特定领域的重要线索，并且也为发现可能出现在未来变体中的其他突变奠定基础。 论文通讯作者、哈佛医学院Blavatnik研究所微生物学助理教授Jonathan Abraham说，“我们的发现表明，建议对omicron采取非常谨慎的态度，因为这些突变被证明相当有能力逃避用于治疗新感染患者的单克隆抗体和因mRNA疫苗接种而产生的抗体。”这些作者没有研究这种病毒对接种非mRNA疫苗而产生的抗体的抵抗能力。 Abraham指出，SARS-CoV-2在人类身上继续复制的时间越长，它就越有可能继续进化出新的突变，从而在现有的自然免疫力、疫苗和治疗方法面前进化出新的传播方式。 Abraham说，这意味着阻止这种病毒传播的公共卫生努力，包括尽快在全球范围内进行大规模疫苗接种，对于预防疾病和减少这种病毒进化的机会都是至关重要的。 这些作者说，这些发现还强调了对SARS-CoV-2以及其他病原体未来潜在进化进行持续研究的重要性。论文共同第一作者Katherine Nabel说，“为了摆脱这种大流行病，我们需要领先于这种病毒，而不是追赶。我们的方法是独特的，因为我们不是孤立地研究单个躲避抗体的突变，而是将每个突变作为同时包含许多突变的复合变体的一部分来研究---我们认为这可能是这种病毒的走向。不幸的是，这似乎是omicron的情况。” 许多之前的研究已探究了SARS-CoV-2的新优势毒株中进化出的机制，这些机制使得这种病毒能够抵抗旨在让易被感染的人免受感染和严重疾病的抗体的保护能力。 在2021年夏天，Abraham没有等着看下一个新变体会带来什么，而是着手确定未来可能出现的突变会如何影响这种病毒感染细胞和逃避免疫防御的能力，并与来自哈佛医学院、布莱根妇女医院、麻省总医院、哈佛皮尔格林医疗保健研究所、哈佛大学陈曾熙公共卫生学院、波士顿大学医学院和美国国家新发传染病实验室以及AbbVie生物研究中心的同事们进行合作。 为了估计SARS-CoV-2下一步如何可能自我转化，这些作者根据这种病毒的化学和物理结构的线索，寻找在免疫力低下的人和全球病毒序列数据库中发现的罕见突变。在使用非传染性病毒样颗粒的实验室研究中，他们发现了多种复合突变（complex mutation）的组合，这些突变将使这种病毒感染人体细胞，同时减少中和抗体的保护能力。 这些作者将注意力集中在SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合结构域（RBD），这种病毒利用这种结构域来结合人类细胞。刺突蛋白允许这种病毒进入人体细胞，在那里启动自我复制并最终导致感染。 大多数中和抗体的作用是结合SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合结构域上的相同位置，以阻止它附着到人类细胞并导致感染。 突变和进化是病毒自然历史的正常部分。每次产生一个新的病毒拷贝时，都有可能出现拷贝错误。当病毒遇到来自宿主免疫系统的选择压力时，允许病毒避免被现有抗体阻断的拷贝错误就有更好的机会让它存活下来并继续复制。允许病毒以这种方式逃避抗体的突变被称为逃逸突变。 这些作者证实SARS-CoV-2可以同时产生大量的逃逸突变，同时保留结合它感染人体细胞所需的受体的能力。为了测试这一点，他们通过将无害的、非感染性的病毒样颗粒与含有疑似逃逸突变的SARS-CoV-2刺突蛋白的片段结合起来构建出假病毒，即实验室制造的SARS-CoV-2病毒替身。他们发现含有多达七个逃逸突变的假病毒对治疗性抗体和mRNA疫苗接受者的血清中的中和抗体更有抵抗力。 在这些作者开始实验时，这种复杂的进化水平还没有在一系列病毒毒株中出现过。但随着omicron变体的出现，受体结合结构域中的这种水平的复合突变不再是假设。Abraham说，delta变体在它的受体结合结构域中只有两个逃逸突变，但他们构建的假病毒有多达七个逃逸突变，而omicron似乎有十五个逃逸突变，包括他们分析的几个特定逃逸突变。 在一系列的实验中，这些作者用假病毒进行了生化检测和测试，以了解抗体如何与含有逃逸突变的刺突蛋白结合。其中的几个逃逸突变，包括在omicron中发现的一些逃逸突变，使假病毒能够完全逃避治疗性抗体，包括那些在单克隆抗体鸡尾酒疗法中发现的抗体。 这些作者还发现了一种能够有效中和所有测试变体的抗体。然而，他们也注意到，如果刺突蛋白发生单一突变而使得在抗体与这种病毒结合的位置上增加一个糖分子，那么这种病毒将能够躲避这种抗体。从本质上讲，这将阻止这种抗体发挥其作用。 这些作者指出，在罕见的情况下，SARS-CoV-2的循环毒株已经被发现获得这种突变。他们说，当这种情况发生时，它可能是来自免疫系统选择压力的结果。他们补充说，了解这种罕见突变的作用，对于在它作为优势毒株的一部分出现之前做好准备至关重要。 虽然这些作者没有直接研究假病毒逃避因自然感染而产生的免疫力，但是他们以前对携带较少突变的变体的研究结果表明，这些较新的、高度突变的变体也将巧妙地逃避通过自然感染获得的抗体。 在另一项实验中，假病毒被暴露在接受过mRNA疫苗的人的血清中。对于一些高度突变的变体，来自单剂量疫苗接种者的血清完全失去了中和病毒变体的能力。在从接受过第二剂疫苗接种的人身上提取的血清样本中，疫苗对所有变体---包括一些大量突变的假病毒---至少保留了一些效力。 这些作者强调，他们的分析表明即使是用原始的刺突蛋白抗原进行反复免疫，对于抗击高度突变的SARS-CoV-2刺突蛋白变体也可能是至关重要的。 Abraham说，“SARS-CoV-2是一种变形高手。我们在SARS-CoV-2刺突蛋白中看到的巨大结构灵活性表明，Omicron不可能是这种病毒的终结。” 参考资料： Katherine G. Nabel et al. Structural basis for continued antibody evasion by the SARS-CoV-2 receptor binding domain. Science, 2021, doi:10.1126/science.abl6251.
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  • 《Science：揭示超强效的合成纳米抗体中和新冠病毒机制》
    • 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：2020-11-20
    • 在过去的20年里，有三种人畜共患的β冠状病毒进入人类群体，引起严重的呼吸道症状，死亡率很高。COVID-19大流行是由SARS-CoV-2引起的，SARS-CoV-2是这三种冠状病毒中最容易传播的一种。到目前为止，还没有针对任何冠状病毒的预防治疗方法获得批准，而且针对SARS-CoV-2的有效和广泛可用的疫苗的上市时间表仍然不确定。因此，开发新的治疗和预防方法仍然是至关重要的。 冠状病毒的病毒颗粒被含有负责病毒进入宿主细胞的同源三聚体跨膜糖蛋白---刺突蛋白（S蛋白）---的膜包围。S蛋白的表面暴露部分由两个结构域---S1和S2---组成。S1结合宿主细胞受体血管紧张素转化酶2（ACE2），而S2催化病毒和宿主细胞膜的融合。 包含在S1内的是受体结合结构域（RBD）和N末端结构域（NTD），其中RBD直接与ACE2结合。RBD通过一个柔远的区域连接到S蛋白的主体，并且可以以一种不可访问的向下构象（down-state）或一种可访问的向上构象（up-state）。与ACE2结合需要RBD处于向上构象，并使得它可被宿主蛋白酶裂解，从而触发病毒进入宿主细胞所需的S2构象变化。在SARS-CoV-2病毒颗粒中，S蛋白在一种活跃的开放构象（至少有一个RBD处于向上构象）与一种非活跃的封闭构象（所有三个RBD处于向下构象）之间进行交换。 在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校等研究机构的研究人员通过筛选酵母表面展示文库（含有大于2×109种合成纳米抗体序列）中与S蛋白胞外结构结构域（ectodomain）结合的纳米抗体序列，分离出中和SARS-CoV-2的单域抗体（纳米抗体）。 这些作者利用SARS-CoV-2 S蛋白的一种突变形式（SpikeS2P）作为抗原。SpikeS2P缺乏S1和S2结构域之间的两个蛋白分解裂解位点之一，并引入两个突变和一个三聚化结构域（trimerization domain）来稳定S蛋白的融合前构象。他们用生物素或用荧光染料标记SpikeS2P，并通过多轮筛选---先是通过磁珠结合随后通过荧光活化细胞分选---来选择展示纳米体的酵母（图1A）。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“An ultrapotent synthetic nanobody neutralizes SARS-CoV-2 by stabilizing inactive Spike ”。 三轮筛选产生了21个独特的结合SpikeS2P的纳米抗体，而且ACE2胞外结构域（ACE2-Fc）的二聚体构造体可降低这种结合。这些纳米抗体分为两类。第I类纳米抗体结合RBD并直接与ACE2-Fc竞争（图1B）。这一类的典型例子是纳米抗体Nb6，它可与SpikeS2P和RBD单独结合时，结合常数KD分别为210nM和41nM（图1C）。第II类纳米抗体，以纳米抗体Nb3为例，它结合SpikeS2P (KD=61nM)，但不显示与RBD单独结合。在存在过量ACE2-Fc的情况下，Nb6和其他I类纳米抗体的结合完全被阻断，而Nb3和其他II类纳米抗体的结合则适度下降（图1B）。这些结果表明，I类纳米抗体以RBD为靶点阻断ACE2结合，而II类纳米抗体以其他表位为靶点。事实上，表面等离子共振（SPR）实验表明I类和II类纳米抗体可以同时结合SpikeS2P（图1D）。 与SpikeS2P相比，I类纳米体与分离的RBD的结合呈现出一致更快的结合速率常数(ka)，这表明RBD可访问性影响了KD。接下来，这些作者测试了I类和II类纳米抗体抑制荧光标记的SpikeS2P与表达ACE2的HEK293细胞结合的效率（图1E）。I类纳米抗体Nb6和Nb11作为两个最有效的克隆出现，IC50值分别为370和540nM。II类纳米抗体在该试验中几乎没有表现出活性。他们优先选择了两种I类纳米抗体：Nb6和Nb11，它们强劲地结合SpikeS2P，与SpikeS2P或RBD结合之间的ka差异相对较小。对于II类纳米抗体，他们优先考虑Nb3，这是基于它在纯化过程中较高的相对产量。 阻止SARS-CoV-2进入宿主细胞的策略旨在阻断ACE2-RBD的相互作用。虽然高亲和力的单克隆抗体作为潜在的治疗方法处于领先地位，但是它们通过哺乳动物细胞表达产生的成本很高，并且需要由医疗保健专业人员进行静脉注射。预防性使用需要大剂量，这是因为只有一小部分抗体能穿过气道内的上皮细胞层。相比之下，纳米抗体可以廉价地在细菌或酵母中产生。纳米抗体固有的稳定性使得它们能够直接气雾化递送到鼻腔和肺部上皮。事实上，靶向呼吸道合胞病毒的三聚体纳米抗体（ALX-0171）的气溶胶递送最近被证明可以有效地降低住院婴儿的可测量病毒载量。最后，骆驼衍生纳米抗体的潜在免疫原性可以通过既定的人源化策略来降低。 纳米抗体多聚体化已被证明可以通过亲合力（avidity）来提高靶标亲和力（affinity）。针对Nb6和mNb6而言，结构指导设计的多聚体构造体同时结合S蛋白的所有三个RBD，可导致它们的效力显著提高。此外，鉴于RBDs必须处于向上构象才能与ACE2结合，因此对RBD可访问性的构象控制可作为一种附加的中和机制发挥作用。事实上，当mNb6三聚体（mNb6-tri）与S蛋白结合时，它通过直接封闭结合位点和将RBD锁定在非活性构象来阻止ACE2结合。 II类中和纳米抗体展示了一种破坏S蛋白功能的潜在新机制。在预防或治疗性鸡尾酒中配对使用I类和II类纳米抗体可能强效地中和和阻止SARS-CoV-2的逃逸变体。因此，这些作者发筛选出的抗S蛋白纳米抗体的组合稳定性、有效性和多样化的表位参结合为为限制COVID-19大流行造成的持续死亡提供了一种独特的潜在预防和治疗策略。
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