医学院张林琦/生命学院王新泉团队发现广谱高效新冠病毒纳米抗体

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     2022年12月27日，清华大学医学院张林琦教授/生命科学学院王新泉教授研究团队在Nature Communications（自然-通讯）杂志在线发表题为Broadly neutralizing and protective nanobodies against SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.1, BA.2, and BA.4/5 and diverse sarbecoviruses（针对新冠病毒奥密克戎变异株及多种冠状病毒具有广谱中和能力和保护能力的纳米抗体）研究论文。该研究从免疫羊驼体内分离鉴定纳米抗体，对SARS-CoV-2多种变异株、SARS-CoV-1和其他主要sarbecovirus病毒具有广谱高效中和活性。其中代表性抗体3-2A2-4识别受体结合域RBD（Receptor binding domain）蛋白上高度保守的表位，保护K18-hACE2转基因小鼠免受Omicron和Delta活病毒感染，并对目前国内外出现的多种突变株BF.7，BQ.1.1和XBB等仍保持高效的中和活性，为研发新一代SARS-CoV-2纳米抗体药物提供了理想的候选。

新冠疫情爆发以来，全球范围内已研发出多款针对SARS-CoV-2的中和抗体药物，通过严格的随机双盲对照临床试验，FDA已经授权多款治疗COVID-19的中和抗体药物的紧急使用。我国国家药品监督管理局也批准了由清华大学、深圳市第三人民医院和腾盛华创共同研发的Amubarvimab与Romlusevimab抗体鸡尾酒疗法，用于治疗轻型和普通型且伴有进展为重型高风险因素的成人和青少年，并在当前的临床救治过程中发挥着积极的作用。但随着COVID-19在全球范围内的大流行，新的变异株不断出现，尤其是传播性较原始株显著增强的Omicron多种突变株，对人民的健康和正常生活造成了很大影响。变异株在刺突蛋白（S）上所产生的重要突变位点导致疫苗和中和抗体活性降低或消失，对新一代疫苗和抗体药物的研发提出了更高和更迫切的要求。

纳米抗体来自骆驼科等动物体内的重链抗体，是重链抗体中最小的完整功能结构。纳米抗体具有体积小、特异性强、稳定性强、易生产、穿透力强、免疫原性低等多种优势，使其更加容易识别常规抗体无法识别的抗体表位，加大了抗体的覆盖空间和结合能力，为新一代抗体药物的研发提供了更广阔和更独特的选择，具有广泛的临床应用前景。

研究人员使用新冠病毒S蛋白和编码S蛋白的黑猩猩腺病毒载体疫苗等免疫羊驼，发现羊驼不仅产生了针对SARS-CoV-2病毒的中和抗体，而且产生了针对SARS-CoV-1病毒的中和抗体。通过酵母展示文库技术，研究者从免疫羊驼体内分离获得593个对SARS-CoV-2病毒具有结合能力的纳米抗体，其中124个对SARS-CoV-2病毒具中和能力，91个对SARS-CoV-1病毒具有交叉中和能力。并挑选了其中32个具有高效交叉中和能力的纳米抗体开展了全面和深入的评估。通过表位竞争试验，这32个抗体被分为3组，其中第2和第3组中的大部分纳米抗体对14种SARS-CoV-2变异株（包括多种Omicron变异株）和5种sarbecovirus病毒保持了广谱中和能力。后续的初步实验结果显示，第3组的抗体，对于最新出现的新冠病毒变异株BF.7、BQ.1和XBB等均保持活性。

图1. 鉴定获得的纳米抗体对SARS-CoV-2变异株和其他sarbecovirus具有广谱中和活性

研究人员在具有较好广谱中和活性的前3组抗体中各选了一株代表性抗体，解析了与SARS-CoV-2或SARS-CoV-1 RBD蛋白的高分辨率晶体结构，阐明其结合表位的分子结构和抗病毒机制。第3组的代表抗体3-2A2-4结合位点独特，位于RBD 核心区的outer face和inner face交界底部，识别的表位氨基酸大多高度保守。其CDR3上F102和F103深入到了RBD N343糖链下的一个高度保守的疏水口袋中，形成了疏水相互作用，奠定了其广谱中和活性的结构基础。进一步的蛋白酶K、细胞染色实验与电镜结构解析表明该抗体结合SARS-CoV-2 RBD后可将其固定在down的空间构象，影响S蛋白结合受体ACE2，从而阻碍病毒侵染细胞。

图2. 3-2A2-4与SARS-CoV-2原始株RBD的结构解析

为进一步研究纳米抗体3-2A2-4的体内保护效果，研究者利用K18-ACE2转基因小鼠模型进行了纳米抗体的预防保护实验。攻毒前一天通过腹腔注射10 mg/kg的3-2A2-4纳米抗体，24小时后通过鼻腔攻毒SARS-CoV-2 Omicron BA.1和Delta活病毒，对小鼠进行存活率和体重检测等。结果显示，3-2A2-4纳米抗体可以有效预防Omicron和Delta活病毒感染，防止和降低肺部组织感染，保护肺组织免于结构损伤和炎症反应，展示了优异的体内保护能力。

图3. 3-2A2-4在小鼠体内的预防保护

综上，该研究从免疫羊驼体内分离获得上百个具有强中和能力的纳米抗体，并从中筛选出对目前所有SARS-CoV-2变异株(包括Omicron各亚株)以及5种其他sarbecovirus病毒具有强中和能力的纳米抗体。通过抗体抗原复合物晶体结构的解析，在受体结合域RBD蛋白表面发现多个高度保守的广谱中和表位，系统阐释了广谱中和能力的作用机制，确定了高度保守的抗原位点。其中，代表抗体3-2A2-4在K18-hACE2转基因小鼠模型中展示了对Omicron株和Delta株活病毒的预防保护能力，为研发下一代SARS-CoV-2纳米抗体药物提供了优秀的候选。

清华大学医学院2017级博士生李明茜（已毕业）、生命科学学院2019级博士生任逸飞、新加坡国立大学助理研究员Zhen Qin Aw以及阿帕克生物科技有限公司陈波为该研究的第一作者，清华大学医学院张林琦教授、生命科学学院王新泉教授以及新加坡国立大学杨潞龄医学院教授Justin Jang Hann Chu为该研究的共同通讯作者。深圳市第三人民医院等机构参与了合作研究。该研究由国家科技重大专项、国家自然科学基金、清华大学春风基金、万科科学研究项目、腾讯基金会、水滴筹基金、泰禾基金等支持。

  原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-35642-2