高效的鸡尾酒治疗策略 | Cell Press 新冠中心论文速递

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2020年1月31日，Cell Press新型冠状病毒资源中心正式开放。您可以在该资源中心页面上查找到COVID-19相关论文的投稿政策，以及Cell Press旗下期刊已发表的有关疫情和病毒的论文。网站正在不断更新中，所有内容都可以免费阅读，点击查看。

最新在中心上线的发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上，名为"Structurally resolved SARS-CoV-2 antibody shows high efficacy in severely infected hamsters and provides a potent cocktail pairing strategy"的研究论文，来自北京大学，协和医学院等多单位的秦川，谢晓亮，肖俊宇及苏晓东团队的这项研究报告了BD-368-2 /三聚体突突复合物的3.5-Å冷冻EM结构，研究结果合理化了一种新的RBD表位，该表位具有很高的中和效力，并证明了BD-368-2在治疗COVID-19中的治疗潜力。

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*以下中文内容仅供参考，请以英文原文为准。

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摘要

了解强效中和抗体（NAbs）如何抑制SARS-CoV-2对于开发有效的治疗而言至关重要。此前我们发现并描述了一种具有极高效力的SARS-CoV-2 NAb——BD-368-2。但是，我们在很大程度上并不了解该抗体的中和机制。在此，我们报告了BD-368-2/S刺突蛋白三聚体复合物的3.5-Å 冷冻电镜结构，显示出BD-368-2通过同时占据所有三个受体结合域（RBD）来完全阻止了ACE2识别，无论它们呈“向上”还是“向下”构象。而且，相比于接受安慰剂后仍表现出重度间质性肺炎的仓鼠，感染的成年仓鼠接受低剂量BD-368-2治疗后康复，且在多种给药窗口给予BD-368-2均有效。此外，BD-368-2的表位完全不同于反复出现的VH3-53/VH3-66 NAb的共同结合位点，其证据为其与RBD形成的三方共晶体结构。将BD-368-2与有效的复现型NAb配对可在pM水平中和SARS-CoV-2假病毒，避免突变诱导的中和逃逸。总之，我们的结果提出并合理分析了一种具有强大中和效力的全新RBD表位，证明了BD-368-2在治疗COVID-19方面的巨大潜力。

简介

冠状病毒的S蛋白可以分为两个亚基S1和S2。S1包含可能有助于维持S蛋白预融合状态的N-端结构域（NTD），以及负责与受体ACE2相互作用的受体结合域（RBD）（Lan et al., 2020; Shang et al., 2020; Wang et al., 2020b; Xu et al., 2020; Yan et al., 2020; Zhou et al., 2020b）。ACE2与RBD的结合会使S蛋白发生构象转变，导致S2亚基中的膜融合肽暴露，随后在膜融合过程中发挥作用。针对S蛋白三聚体的结构分析表明，RBD可以呈现出两种不同的构象——“向上”和“向下”构象（Ke et al., 2020; Walls et al., 2020; Wrapp et al., 2020），这些构象对受体结合和免疫识别具有重要意义。

强效中和抗体（NAbs）潜力巨大，可广泛用于预防和治疗COVID-19。靶向RBD和NTD的SARS-CoV-2中和抗体（NAbs）已得到广泛报道（Barnes et al., 2020; Brouwer et al., 2020; Cao et al., 2020; Chi et al., 2020; Hansen et al., 2020; Ju et al., 2020; Liu et al., 2020; Pinto et al., 2020; Robbiani et al., 2020; Rogers et al., 2020; Seydoux et al., 2020; Shi et al., 2020; Wang et al., 2020a; Wec et al., 2020; Wu et al., 2020; Zhou et al., 2020a）。最近，我们使用高通量单细胞RNA测序方法从恢复期患者中提取并确定了一系列有效的NAbs（Cao et al., 2020）。在所有已鉴定出的NAbs中，一种名为BD-368-2的中和抗体是最强效的SARS-CoV-2 NAb，该抗体中和SARS-CoV-2假病毒和真病毒的IC50分别为1.2和15 ng/mL。BD-368-2在受到SARS-CoV-2感染的hACE2转基因小鼠中也显示出了极高的治疗和预防效果，尽管安慰剂组小鼠只表现出轻症（Bao et al., 2020）。BD-368-2的极高效力表明其中和机制不同于其他NAbs。

在本研究中，我们首先使用了高分辨率冷冻电子显微镜（cryo-EM）和晶体学方法，表征了BD-368-2的结构，探究了BD-368-2的中和机制及其与S蛋白的分子相互作用。使用稳定于预融合状态的S蛋白三聚体，我们确定了S蛋白三聚体与BD-368-2抗原结合片段（Fabs）复合结构的3.5-Å 冷冻电镜结构，并表明BD-368-2通过同时占据所有三个RBD表位来全面阻止ACE2的结合，无论RBD处于“向上”还是“向下”构象。通过对受到SARS-CoV-2感染的成年仓鼠在不同给药窗口施用多种剂量的BD-368-2，我们证实了BD-368-2的强大中和效力及其体内治疗功效。

此外，我们提取了大量源于VH3-53/VH3-66的复现型NAbs，发现这些抗体的共同表位与BD-368-2完全不重叠，其证据是RBD与其Fabs形成的复合物的三方晶体结构。由BD-368-2和一种有效的复现型NAb组成的抗体混合物——BD-629可在pM水平中和野生型SARS-CoV-2假病毒，同时中和携带RBD突变的逃逸突变体（Li et al., 2020）。这些结果为BD-368-2的强效中和机制提供了合理依据，提出了一种新的强效鸡尾酒疗法设计，可避免突变诱导的中和逃逸。此外，研究还证明了BD-368-2在重症COVID-19动物模型中的有效治疗应用。

结果及讨论

稳定的S蛋白三聚体与BD-368-2复合物的冷冻电镜结构

本文对BD-368-2的中和机制进行了全面的结构分析。我们表明，无论RBD呈“向上”或“向下”构象，BD-368-2都可结合RBD，从而阻止ACE2的结合，并导致S蛋白三聚体的构象发生剧大变化。这些影响可能为BD-368-2强大的中和活性提供了解释。我们进一步表明，BD-368-2和VH3-53/VH3-66 NAbs的表位没有重叠，因此可以同时结合同一个RBD。另外，我们还将BD-368-2与另一种强大的复现型NAb——BD-629进行了配对，该混合物可以有效中和几种具有BD-368-2抗性的S 蛋白天然突变体。 

不同剂量的BD-368-2在感染仓鼠中显示出高效力

此前，我们证明了BD-368-2在hACE2小鼠模型中可以提供针对SARS-CoV-2的有效防治。然而，hACE2小鼠模型只表现出轻度肺炎，类似于恒河猴的临床表现，这并不能充分反映人类感染的多种情形。另一方面，金黄仓鼠，特别是成年仓鼠，可能会发展为重度间质性肺炎，并伴随大幅度的体重减轻（Imai et al., 2020; Sia et al., 2020）。因此，在重度感染的仓鼠模型中评估BD-368-2的体内疗效具有很高的价值，有利于探究强效中和抗体是否可以缓解易感重症的COVID-19患者的病情。

我们发现，给予BD-368-2的仓鼠都显示出了体重减轻的有效缓解、病毒载量和肺炎严重程度的显著降低；但48 hpi（感染后48小时）组只表现出了轻微的改善（图2B，2C，2D，2E）。在-24 hpi、2 hpi、8 hpi和24 hpi给予感染仓鼠BD-368-2后，仓鼠仅表现轻度间质性肺炎，没有发现近支气管和周围血管炎症或极为罕见（图3）。但在48 hpi时给予20 mg/kg BD-368-2后，感染仓鼠发展为中度或重度间质性肺炎，其肺部病变面积平均高达60%（图3F）。

▲图2

▲图3

BD-368-2能以低剂量治疗感染仓鼠

接下来，我们探究了BD-368-2是否能以较低剂量治疗SARS-CoV-2感染的仓鼠。在2 hpi时，我们分别给予了三种剂量的BD-368-2（10 mg/kg、5 mg/kg、2 mg/kg），以评估其效力（图4A）。所有剂量组均显示出了病毒载量的降低和体重减轻的缓解（图4）。给予10 mg/kg和5 mg/kg的BD-368-2均能显著改善炎症（图5）。然而，给予2 mg/kg BD-368-2未能有效阻止肺炎的发展，导致感染仓鼠发展为中度或重度间质性肺炎（图5E）。

▲图4

▲图5

结论

结合先前的研究，我们在两种动物模型中展示了BD-368-2预防和治疗SARS-CoV-2感染的极佳效果，包括轻症hACE2小鼠模型和重症仓鼠模型。BD-368-2可以有效缓解体重的减轻并降低肺部的病毒滴度，在多种给药窗口内，即使以低剂量注射BD-368-2也能改善SARS-CoV-2感染动物的病理状况。有趣的是，相比于安慰剂组，BD-368-2在感染48小时内（48 hpi）只能轻微改善感染仓鼠的肺炎，这表明如果在较晚的给药窗口给予COVID-19患者NAb，特别是那些可能发展为重症的患者，可能会阻碍治疗效果。此外，在两种动物研究中，我们没有观察到低剂量注射BD-368-2后产生的抗体依赖性增强效应（ADE）。总之，我们的研究数据证明了BD-368-2可以作为预防和治疗COVID-19的手段。

相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上

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▌论文标题：

Structurally resolved SARS-CoV-2 antibody shows high efficacy in severely infected hamsters and provides a potent cocktail pairing strategy

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31232-0

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.035

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中文审校：Cell科学编辑 杨扬

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