時毅：納米抗體研究新突破對Delta等多種新冠變種有效

來勢洶洶的新冠病毒Delta變種，除了對疫苗的效果產生影響，也給中和抗體的預防和治療效果帶來了挑戰。從康復患者血液樣本中篩選、分離出的中和單克隆抗體，以新冠病毒刺突蛋白的受體結合位點為主要目標而發揮作用，然而病毒變種在刺突蛋白上發生的突變，可能讓有些中和抗體不再那么有效。

不過，有一些特殊的納米抗體，似乎可以不受病毒突變的影響，廣泛中和包括Delta變種在內的變異毒株。2021年8月3日，美國匹茲堡大學醫學院（University of Pittsburgh School of Medicine）的時毅實驗室與張誠實驗室，以及凱斯西儲大學（Case Western ReserveUniversity）的黃圍博士合作，在Nature Communications在線發表研究論文。他們分析了7種高效中和新冠病毒的納米抗體（nanobodies），通過一系列電鏡結構的分析，解釋了不同納米抗體中和病毒的多樣化機制。針對不斷演變的毒株，這項研究進展對制定穩定、高效以及廣譜的治療措施具有指導意義。

在過去的一年里，時毅教授的研究團隊與合作者通過給大羊駝免疫，并結合先進的蛋白質組學平臺技術，快速鑒定了超過8000個納米抗體，可以強效結合新冠病毒受體結合域（RBD）。這些高親和的納米抗體水溶性好，穩定性高，適合低成本快速生產。穩定的納米抗體可以通過氣化噴霧吸入，用于治療病毒引起的肺部感染。在倉鼠模型中，研究團隊首次證明了可吸入納米抗體的高效率，只需超低劑量（0.2mg/kg）吸入，就可在動物感染新冠病毒后迅速起到保護作用，將肺內病毒顆粒數量降低為百萬分之一。

先前的這些研究結果表明，納米抗體將是一種很有前景的治療方案。但一個重要的新問題是，這些納米抗體是否也能中和在大流行中不斷出現的新變種？因此，在此次研究中，研究人員評估了多種新冠病毒變異體在RBD上的幾種關鍵點突變，對7種強效中和納米抗體有何影響。實驗結果顯示，根據受變異影響的差別，這些納米抗體可分為三組，大部分突變對這些納米抗體的中和效力影響都非常小。更令人驚喜的是，其中有幾種對不同變種保持了高度的親和力。

▲刺突蛋白不同突變對幾種納米抗體的親和力影響。負值表示親和力或中和效力的損失，正值表示增加，降低到原先的1/1000或更低表示為"<?1000"（圖片來源：參考資料[1]）

這些結果促使研究人員進一步研究了納米抗體具有廣泛中和能力的結構基礎。通過冷凍電鏡技術，研究人員分析了8種高效中和納米抗體與刺突蛋白或RBD結合的復合體結構。他們發現，第一類超強納米抗體（包括 Nb20/21），主導高親和力，可以直接阻斷病毒與ACE2受體的結合，病毒RBD E484K/Q突變可以顯著降低這類納米抗體的超高親和力。

第二類納米抗體（包括Nb34/Nb95/Nb105）結合冠狀病毒（比如SARS病毒和新冠病毒）保守的區域，可高效中和多種變異毒株。這類納米抗體不直接與ACE2競爭，但通過直接或間接阻斷病毒結合ACE2受體。第三類納米抗體（包括Nb17/Nb36）結合病毒的特殊區域，通過全新的機理中和病毒。比如Nb17可以將病毒刺突蛋白固定在一個特殊結構，降低病毒感染細胞的可能。

▲三類納米抗體以不同的機制高效中和新冠病毒，降低病毒感染細胞的可能（圖片來源：參考資料[1]）

研究人員總結說：“基于前期開發的中和納米抗體，此次研究通過結構-功能研究手段提供了一個框架來系統地繪制中和抗體表位，并了解納米抗體高效而獨特的抑制病毒及其突變的機理。這項研究會幫助開發高效廣譜的雞尾酒療法針對冠狀病毒。

參考資料：

[1] Sun, D., Sang, Z., Kim, Y.J. et al. Potentneutralizing nanobodies resist convergent circulating variants of SARS-CoV-2 bytargeting diverse and conserved epitopes. Nat Commun 12, 4676 (2021).https://doi.org/10.1038/s41467-021-24963-3