Nat. Commu:火了半年的羊駝抗體,到底是怎么抗病毒的?

自新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)被宣布成為全球大流行的突發公共衛生事件以來,全球都在竭力尋求疫苗和治療藥。在后疫苗時代,盡管許多抗病毒干預措施都在緊鑼密鼓地試驗中,但到目前為止效果并不明顯。除疫苗外,科學家還在積極開發檢測和治療性抗體,其中源自羊駝的納米抗體也被證明是中和新冠病毒的有效抗體之一。

9月4日,Naturenature Communications雜志發布了一篇來自瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡學院的最新研究,證明羊駝來源的中和抗體,具有阻斷新冠病毒進入人體細胞的能力。該學院發表的一份聲明指出,這種納米抗體或將被開發為針對新冠病毒的治療藥物。

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DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-020-18174-5

羊駝納米抗體,優勢在哪?

羊駝來源的單結構域抗體片段(也稱為VHH或納米抗體)相對于傳統抗體作為特定療法的候選者具有多個優勢。它們的大小約為常規抗體的十分之一,卻保留與常規抗體相似的特異性和親和力,且更易于克隆、表達和操作。納米抗體可用傳統的大腸桿菌表達體系進行制備,也可以使用酵母或哺乳動物細胞生產,并顯示出較高的熱穩定性和溶解性,使其易于規?;a并具有成本上的優勢。

此外,納米抗體還可以低聚以增加親和力和血清半衰期,可通過現有技術輕松實現人源化,這也是將其作為抗病毒藥物研究的重要因素之一。更重要的是,納米抗體已被證明是體內病毒感染尤其是呼吸道感染的高效抑制劑。

羊駝納米抗體,能否中和新冠病毒?

眾多研究已表明,新型冠狀病毒表面Spike蛋白(S蛋白)通過識別ACE2蛋白進入人體細胞,其中S蛋白結構域的細胞受體結合區(Receptor binding domain,RBD)直接參與了宿主受體的識別,是中和新型冠狀病毒的誘人靶點,最新這項研究就是以此展開的。

根據這篇研究,卡羅林斯卡學院研究者在羊駝身上注射了新冠病毒的S蛋白,60天后,羊駝的血液樣本顯示出對S蛋白的強烈免疫反應。

隨后,研究人員克隆并分析了來自羊駝B細胞的納米抗體序列,以挑選出最適合開展進一步評估的納米抗體。他們最終找到了納米抗體Ty1。體外研究發現,Ty1可以高特異性地識別S蛋白,從而有效中和SARS-CoV-2假病毒。當Ty1以Fc融合蛋白的形式在哺乳動物細胞中表達時,有效的中和抗體進一步得到提高。

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羊駝納米抗體生產過程及Ty1的氨基酸序列(圖源:Nat. Commu)

另外實驗結果中的低背景也表明,Ty1有望成為一種適用于研究、診斷和治療的工具。

羊駝納米抗體,如何中和新冠病毒?

為了解羊駝納米抗體的中和機制,研究者評估了Ty1對S蛋白RBD與ACE2結合的影響。將熒光團與RBD(RBD-AS635P)的C端特異性結合,并使用該探針對表達ACE2的HEK293T細胞染色。將RBD-AS635P與未標記的Ty1預孵育可顯著降低ACE2染色,而與對照納米抗體NP-vhh111預孵育則無此效果。NP- vhh111是甲型流感病毒核蛋白NP的特異性納米抗體。這一結果表明,Ty1直接阻止SARS-CoV-2 RBD與其宿主細胞受體ACE2的結合。為了驗證Ty1與RBD的結合,研究人員還進行了生物膜層干涉技術(BLI)實驗,結果顯示,Ty1以約5-10 nm的高親和力與RBD結合。納米抗體3.png

Ty1通過與SARS-CoV-2 S蛋白結合來中和SARS-CoV-2(圖源:Nat. Commu)

為了理解Ty1中和SARS-CoV-2的結構基礎,研究者對Ty1的胞外域進行了冷凍電鏡結構測定。結果表明S蛋白所有三個RBD的結合位點都結合了Ty1納米抗體。且無論RBD是“向上”還是“向下”(“up”and“down”)構型,納米抗體都與RBD保持相似的結合方向,這與BLI研究中觀察到的高親和力相符。

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Ty1以“向上”和“向下”構型結合到RBD并阻止與ACE2的結合(圖源:Nat. Commu)

研究人員還進一步觀察到Ty1與RBD的三個結合位點主要相互作用是通過CDR區。具體而言,CDR1主要與RBD T470和V483-E484相互作用,而CDR3主要與RBD Y449,F490和Q493相互作用。有趣的是,CDR2不會與RBD形成任何主要的相互作用,而是以RBD結合模式穩定CDR1的構象,從而間接增強了Ty1-RBD結合。

由于ACE2只能被“向上”構型的RBD結合,因此冷凍電鏡結構顯示,ACE2的結合在兩個側面都受到空間阻礙。具體而言,RBD與ACE2的結合分別被Ty1納米抗體與“向上”和鄰近“向下”構型的RBD的結合所阻斷。也就是說,可用的三個RBD結合位點中的任何兩個都充分阻礙了ACE2的結合。

總的來說,本研究報道了一種SARS-CoV-2 RBD特異性納米抗體片段Ty1,它能夠有效中和新型冠狀病毒,據悉,Ty1也是第一個從特異性免疫了SARS-CoV-2蛋白的動物中分離出來的單域抗體。我們期待研究者未來能夠開發更多策略,早日將納米抗體送入抗病毒的候選藥名單。


參考文獻:

An alpaca nanobody neutralizes SARS-CoV-2 by blocking receptor interaction


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