Science：大規模研究構建出數百種人類抗體結合SARS-CoV-2圖譜，有望開發出更有效的COVID-19抗體療法

2021年9月27日訊/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國拉霍亞免疫學研究所的研究人員發布了人類抗體與SARS-CoV-2結合的詳細圖譜，該圖譜是通過全球合作比較幾乎所有領先的臨床候選抗體藥物產生的。這項新研究將指導開發更有效的COVID-19抗體療法，并幫助科學家們開發有效的疫苗以應對新出現的病毒變體。相關研究結果于2021年9月23日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study”。

這些研究發現在三個關鍵方面推動了COVID-19研究：（1）對全世界50多個不同組織提供的數百種抗體進行了分類和結合圖譜繪制；這項研究顯示了每種抗體在SARS-CoV-2的刺突蛋白（S蛋白）上結合的確切位置；（2）這些研究人員描述了每種抗體的中和強度，或效力，以及每種抗體對病毒變體提供保護的可能性；（3）在S蛋白上有類似足跡的抗體被歸類為相同的“群體（communities）”；這些研究人員展示了來自不同群體的抗體如何被組合成強大的抗體“雞尾酒”來靶向SARS-CoV-2。

論文通訊作者、拉霍亞免疫學研究所教授Erica Ollmann Saphire博士說，“我們能夠繪制S蛋白的地理圖，并了解哪些抗體與它的哪些足跡結合。該圖譜提供了一個參考，以幫助預測哪些抗體對SARS-CoV-2變體仍然有效，如目前病例激增的Delta變體?！盨aphire領導了這項研究背后的稱為冠狀病毒免疫治療聯盟（Coronavirus Immunotherapeutic Consortium, CoVIC）的全球努力。

事實上，這些作者發現了三組不同的抗體可以抵御SARS-CoV-2 S蛋白發生的突變。這些抗體可以靶向S蛋白上的脆弱部位，即使它發生突變，也是如此。Saphire說，“我們如今有一個框架，可以為COVID-19治療選擇持久的抗體雞尾酒?！?/p>

收集強大的抗體

CoVIC包括來自59個不同發現項目的大約370種抗體，涵蓋范圍很廣：從學術實驗室和小型生物技術公司到大型國際制藥公司。這些抗體療法正在由七個不同的伙伴實驗室在一個標準化的實驗室中進行并列評估。Saphire及其團隊正在確定這些抗體的高分辨率結構，還快速生成工具來研究S蛋白突變對抗體效力的影響。

論文共同第一作者、拉霍亞免疫學研究所講師Kathryn Hastie博士說，“CoVIC的成立是為了分析一組龐大的具有相同足跡的單克隆抗體。最初的目標是研究針對SARS-CoV-2原始病毒株的抗體，但很快就發現，這種病毒的S蛋白是不斷演變的。當你在談論用單克隆抗體治療某人時，S蛋白的變化能力產生深刻的影響?！?/p>

論文共同第一作者、拉霍亞免疫學研究所博士后研究員Haoyang Li博士說，“CoVIC的貢獻者使用了不同的策略來尋找這些抗體。這種抗體的廣度使我們的研究比以前的研究更全面，因為以前的研究可能只研究了一小部分幸存者的抗體?！?/p>

這項對這種龐大的抗體庫的系統研究是一項龐大的工程。這項研究提供了一個框架，以便在全球范圍內了解哪些抗體對哪些SARS-CoV-2變體有效（或無效）。這些信息將是縮小這種抗體庫的關鍵，并從中推進進一步的研究。Saphire說，“我們這個25人的實驗室的每個成員都參與其中?！?/p>

這項全球努力由項目經理Sharon Schendel博士協調，包括對一系列臨床候選藥物進行盲視，以便在一個平等的競爭環境中評估所有療法。這項全球性的工作由項目經理Sharon Schendel博士協調，并涉及到對一系列臨床候選抗體藥物進行盲視，以便所有的候選藥物都在一個平等的競爭環境中得到評估。同樣地，拉霍亞免疫學研究所的Bjoern Peters教授正在領導一個團隊建立CoVIC數據庫，作為CoVIC合作伙伴實驗室收集的所有數據的公開存儲庫。這些數據可供其他研究人員免費訪問，以比較和對比針對SARS-CoV-2 S蛋白的抗體。這些綜合信息將有助于確定哪些抗體將成為推進臨床使用的候選物。

尋找抗體“全明星”

S蛋白上的一個關鍵區域被稱為受體結合結構域（receptor binding domain, RBD），它就像一塊突出的巖石，Saphire實驗室的科學家用登山術語來這樣描述它的結構。RBD的內部和外部由一個中央“山谷”連接。旁邊有一座“山峰”和一座“平頂山”塔。越過平頂山，俯視下面的“懸崖”。

通過觀察抗體與RBD結合的位置，這些作者將有希望的抗體分為不同的“群體”。Schendel說，“一個群體是一組具有相同行為的抗體，意味著它們可以或不能與其他抗體同時結合到S蛋白上?！?/p>

抗體知道如何識別特定的病毒結構。它們看到了自己的靶標，并抓住它來阻止病毒感染細胞。但是，如果它們的靶標發生變異，抗體識別的區域發生變化，怎么辦？

Saphire說，“一種SARS-CoV-2變體可能在它出現的幾周后才被發現---這是一場無休止的追趕游戲。我們需要知道，在我們的抗體庫中，哪些會在未來幾個月和幾年內持久存在?！?/p>

這些作者需要找到靶向RBD上“保守”位點的抗體。這些位點對這種病毒的生命周期非常重要，如果它們發生突變，該病毒很可能就無法發揮功能。最有效的抗體是那些靶向這些保守位點的抗體。

為了找到持久性的抗體，Hastie構建出一系列具有不同點突變的S蛋白。它們的結構反映了那些在Alpha、Gamma和Delta等令人擔憂的SARS-CoV-2變體中看到的結構。

對于一些抗體來說，S蛋白的一兩個突變就足以使它們失去結合靶標。Hastie說，“我們可以看到哪類抗體被哪種突變所逃避。知道這一點真的很有用，因為我們可以在現實世界令人擔憂的變體中看到這些突變?！崩?，科學家們知道Beta變體在一個位點上發生一種叫做K417N的突變。Hastie說，“我們現在可以確定受該位點突變影響的抗體，但我們也可以確定對Beta變體的S蛋白上的其他位點仍然有效的抗體?！?/span>

Schendel和Hastie與位于鹽湖城的生物技術公司Carterra的Daniel Bedinger博士密切合作，該公司開發了LSA儀器和表位分箱分析軟件，對這項分析至關重要。Bedinger繪制了網絡圖，使他們能夠比較250多種抗體如何與SARS-CoV-2結合。這些網絡圖顯示了哪些抗體會在彼此存在的情況下結合S蛋白，換句話說，哪些抗體會與其他抗體“友好相處”。Hastie說，“Carterra公司自愿在無償的基礎上做這項工作。我想給Daniel和Carterra點贊?！?/p>

這些作者的目標是找到來自不同群體的最佳抗體，并將它們組合成一個全明星團隊來攻克這種病毒。

與此同時，Li領導了結構研究。他們利用拉霍亞免疫學研究所的低溫電子顯微鏡設施，對與RBD相結合的抗體結構進行成像。

通過Li的工作，他獲得了一種“命中圖”，顯示了抗體靶向這種病毒的位置。該命中圖顯示，有七個抗體社區靶向了S蛋白上的易變或保守的區域。此外，與使用抗體的Fab版本的傳統研究相比，這項新的研究使用完整的IgG來模擬和揭示這些抗體如何保護細胞免受感染。一些IgG以二價結合的方式靶向SARS-CoV-2 S蛋白，這增加了這些抗體的親和力和效力，而其他IgG則傾向于通過讓S蛋白交聯在一起而使這種病毒失活。Li說，“這對科學界來說是新信息，它是一個很好的例子，說明我們為什么需要這種更詳細的抗體分析?！?/span>

Li不僅領導了結構生物學研究工作，他還確保了這些結構的可訪問性---不僅在這篇論文中，而且通過將結構信息存入公共數據庫，以便其他科學家能夠訪問這些數據。Schendel說，“Li是獲得這些結構背后的驅動力。他的努力是真正的英雄?！?/p>

這張圖顯示了SARS-CoV-2表面的一系列刺突蛋白。每種顏色的抗體代表每個RBD群體可能的IgG-S蛋白結合模式。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abh2315。

最后，這些作者在不同的抗體群體中組裝了一種迷人的彩色編碼的抗體庫。這項研究顯示了哪些抗體可以在單克隆抗體療法中進行組合。該研究還顯示了哪些抗體需要從未來的疫苗中激發出來，以最大限度地保護人們免受SARS-CoV-2變體的影響。

具有全球影響的科學

其中的三個抗體群體被證明特別持久地抵抗RBD發生的變異。Hastie說，“這些抗體確實是用于單克隆抗體療法的良好候選物。如果你正在構建一種抗體雞尾酒，你會希望其中至少有這樣的一種抗體，因為它們可能會保持對大多數SARS-CoV-2變體的療效?！?/p>

一些COVID-19患者已經可以獲得單克隆抗體雞尾酒。正如Schendel所解釋的那樣，當前的抗體雞尾酒有局限性。如果在嚴重的癥狀出現之前給藥，它們的效果最好，而且它們必須在臨床環境中通過靜脈注射給藥。

通過這項新的研究，CoVIC更接近于開發出更強大的抗體療法，以便可以對SARS-CoV-2變體進行有力的打擊。Schendel說，更強大的抗體療法也可能在較低的劑量下有效，從而使它們成為在醫療服務較少的國家分發的一種實用選擇。她希望有一天，單克隆抗體療法可以作為一種簡單的注射來使用。

CoVIC團隊如今正與合作伙伴一起進行動物保護研究。其他的CoVIC研究人員正在努力了解中和抗體如何與免疫系統反應相協調。

有些人覺得COVID-19大流行病最糟糕的日子早已過去，但美國人繼續死于這次疫情，而且世界各地的許多人將在數年內不會收到COVID-19疫苗。

Schendel說，“我們在美國和世界各地有如此多的人口沒有接種疫苗。如果我們能設計出更好的單克隆抗體療法，就會有可供他們使用的療法?！保ㄉ锕?Bioon.com）

參考資料：

Kathryn M. Hastie et al. Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study. Science, 2021, doi:10.1126/science.abh2315.