2022年12月27日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張林琦教授，生命科學(xué)學(xué)院、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心王新泉教授研究團隊在Nature?Communications雜志在線發(fā)表題為“針對新冠病毒奧密克戎變異株及多種冠狀病毒具有廣譜中和能力和保護能力的納米抗體”（Broadly neutralizing and protective nanobodies against SARS-CoV-2 Omicron subvariants BA.1, BA.2, and BA.4/5 and diverse sarbecoviruses）的研究論文。該研究從免疫羊駝體內(nèi)分離鑒定納米抗體，對SARS-CoV-2多種變異株、SARS-CoV-1和其他主要sarbecovirus病毒具有廣譜高效中和活性。其中代表性抗體3-2A2-4識別受體結(jié)合域RBD（Receptor binding domain）蛋白上高度保守的表位，保護K18-hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠免受Omicron和Delta活病毒感染，并對目前國內(nèi)外出現(xiàn)的多種突變株BF.7，BQ.1.1和XBB等仍保持高效的中和活性，為研發(fā)新一代SARS-CoV-2納米抗體藥物提供了理想的候選。
科研成果 | 張林琦、王新泉團隊發(fā)現(xiàn)廣譜高效新冠病毒納米抗體-肽度TIMEDOO
新冠疫情爆發(fā)以來，全球范圍內(nèi)已研發(fā)出多款針對SARS-CoV-2的中和抗體藥物，通過嚴格的隨機雙盲對照臨床試驗，F(xiàn)DA已經(jīng)授權(quán)多款治療COVID-19的中和抗體藥物的緊急使用。我國國家藥品監(jiān)督管理局也批準了由清華大學(xué)、深圳市第三人民醫(yī)院和騰盛華創(chuàng)共同研發(fā)的Amubarvimab與Romlusevimab抗體雞尾酒療法，用于治療輕型和普通型且伴有進展為重型高風(fēng)險因素的成人和青少年，并在當(dāng)前的臨床救治過程中發(fā)揮著積極的作用。但隨著COVID-19在全球范圍內(nèi)的大流行，新的變異株不斷出現(xiàn)，尤其是傳播性較原始株顯著增強的Omicron多種突變株，對人民的健康和正常生活造成了很大影響。變異株在刺突蛋白（S）上所產(chǎn)生的重要突變位點導(dǎo)致疫苗和中和抗體活性降低或消失，對新一代疫苗和抗體藥物的研發(fā)提出了更高和更迫切的要求。

納米抗體來自駱駝科等動物體內(nèi)的重鏈抗體，是重鏈抗體中最小的完整功能結(jié)構(gòu)。納米抗體具有體積小、特異性強、穩(wěn)定性強、易生產(chǎn)、穿透力強、免疫原性低等多種優(yōu)勢，使其更加容易識別常規(guī)抗體無法識別的抗體表位，加大了抗體的覆蓋空間和結(jié)合能力，為新一代抗體藥物的研發(fā)提供了更廣闊和更獨特的選擇，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。

研究人員使用新冠病毒S蛋白和編碼S蛋白的黑猩猩腺病毒載體疫苗等免疫羊駝，發(fā)現(xiàn)羊駝不僅產(chǎn)生了針對SARS-CoV-2病毒的中和抗體，而且產(chǎn)生了針對SARS-CoV-1病毒的中和抗體。通過酵母展示文庫技術(shù)，研究者從免疫羊駝體內(nèi)分離獲得593個對SARS-CoV-2病毒具有結(jié)合能力的納米抗體，其中124個對SARS-CoV-2病毒具中和能力，91個對SARS-CoV-1病毒具有交叉中和能力。并挑選了其中32個具有高效交叉中和能力的納米抗體開展了全面和深入的評估。通過表位競爭試驗，這32個抗體被分為3組，其中第2和第3組中的大部分納米抗體對14種SARS-CoV-2變異株（包括多種Omicron變異株）和5種sarbecovirus病毒保持了廣譜中和能力。后續(xù)的初步實驗結(jié)果顯示，第3組的抗體，對于最新出現(xiàn)的新冠病毒變異株BF.7、BQ.1和XBB等均保持活性。

科研成果 | 張林琦、王新泉團隊發(fā)現(xiàn)廣譜高效新冠病毒納米抗體-肽度TIMEDOO
鑒定獲得的納米抗體對SARS-CoV-2變異株
和其他sarbecovirus具有廣譜中和活性

研究人員在具有較好廣譜中和活性的前3組抗體中各選了一株代表性抗體，解析了與SARS-CoV-2或SARS-CoV-1 RBD蛋白的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，闡明其結(jié)合表位的分子結(jié)構(gòu)和抗病毒機制。第3組的代表抗體3-2A2-4結(jié)合位點獨特，位于RBD 核心區(qū)的outer face和inner face交界底部，識別的表位氨基酸大多高度保守。其CDR3上F102和F103深入到了RBD N343糖鏈下的一個高度保守的疏水口袋中，形成了疏水相互作用，奠定了其廣譜中和活性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。進一步的蛋白酶K、細胞染色實驗與電鏡結(jié)構(gòu)解析表明該抗體結(jié)合SARS-CoV-2 RBD后可將其固定在down的空間構(gòu)象，影響S蛋白結(jié)合受體ACE2，從而阻礙病毒侵染細胞。

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3-2A2-4與SARS-CoV-2原始株RBD的結(jié)構(gòu)解析

為進一步研究納米抗體3-2A2-4的體內(nèi)保護效果，研究者利用K18-ACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型進行了納米抗體的預(yù)防保護實驗。攻毒前一天通過腹腔注射10 mg/kg的3-2A2-4納米抗體，24小時后通過鼻腔攻毒SARS-CoV-2 Omicron BA.1和Delta活病毒，對小鼠進行存活率和體重檢測等。結(jié)果顯示，3-2A2-4納米抗體可以有效預(yù)防Omicron和Delta活病毒感染，防止和降低肺部組織感染，保護肺組織免于結(jié)構(gòu)損傷和炎癥反應(yīng)，展示了優(yōu)異的體內(nèi)保護能力。

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?3-2A2-4在小鼠體內(nèi)的預(yù)防保護

綜上，該研究從免疫羊駝體內(nèi)分離獲得上百個具有強中和能力的納米抗體，并從中篩選出對目前所有SARS-CoV-2變異株(包括Omicron各亞株)以及5種其他sarbecovirus病毒具有強中和能力的納米抗體。通過抗體抗原復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)的解析，在受體結(jié)合域RBD蛋白表面發(fā)現(xiàn)多個高度保守的廣譜中和表位，系統(tǒng)闡釋了廣譜中和能力的作用機制，確定了高度保守的抗原位點。其中，代表抗體3-2A2-4在K18-hACE2轉(zhuǎn)基因小鼠模型中展示了對Omicron株和Delta株活病毒的預(yù)防保護能力，為研發(fā)下一代SARS-CoV-2納米抗體藥物提供了優(yōu)秀的候選。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2017級博士生李明茜（已畢業(yè)）、生命科學(xué)學(xué)院2019級博士生任逸飛、新加坡國立大學(xué)助理研究員Zhen?Qin?Aw以及阿帕克生物科技有限公司陳波為該研究的第一作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張林琦教授、生命科學(xué)學(xué)院、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心王新泉教授以及新加坡國立大學(xué)楊潞齡醫(yī)學(xué)院教授Justin Jang Hann Chu為該研究的共同通訊作者。深圳市第三人民醫(yī)院等機構(gòu)參與了合作研究。該研究由國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)春風(fēng)基金、萬科科學(xué)研究項目、騰訊基金會、水滴籌基金、泰禾基金等支持。

來源：北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心