高效、稳定的纳米抗体可阻止SARS-CoV-2

诸平

据马普协会（Max-Planck-Gesellschaft）2021年7月29日提供的消息，位于德国哥廷根的马克斯普朗克研究所（MPI）生物物理化学研究室{Max Planck Institute (MPI) for Biophysical Chemistry in Göttingen (Germany)}和哥廷根大学医学中心 (University Medical Center Göttingen简称UMG) 的科学家联合，开发了微型抗体，可以有效阻断冠状病毒 SARS-CoV-2 及其危险的新变种。相关研究结果已经在The EMBO Journal网站发表——Thomas Güttler, Metin Aksu, Antje Dickmanns, Kim M. Stegmann, Kathrin Gregor, Renate Rees, Waltraud Taxer, Oleh Rymarenko, Jürgen Schünemann, Christian Dienemann, Philip Gunkel, Bianka Mussil, Jens Krull, Ulrike Teichmann, Uwe Groß, Volker C. Cordes, Matthias Dobbelstein, Dirk Görlich. Neutralization of SARS‐CoV‐2 by highly potent, hyperthermostable, and mutation‐tolerant nanobodies. The EMBO Journal, 2021; DOI: 10.15252/embj.2021107985

这些所谓的纳米抗体结合和中和病毒比以前开发的微型抗体好1000倍。此外，科学家们还优化了他们的微型抗体，以提高稳定性和耐热性。这种独特的组合使它们成为治疗 COVID-19的有希望的药物。由于纳米抗体可以低成本大量生产，它们可以满足全球对 COVID-19疗法的需求。新的纳米抗体目前正在为临床试验做准备。

抗体帮助我们的免疫系统抵御病原体。例如，分子附着在病毒上并中和它们，使它们不再感染细胞。抗体也可以工业化生产并用于急性病患者。然后它们像药物一样发挥作用，缓解症状并缩短疾病的恢复时间。这是治疗乙型肝炎和狂犬病的既定做法。抗体也用于治疗 COVID-19患者。然而，以工业规模生产这些分子过于复杂和昂贵，无法满足全球需求。纳米抗体可以解决这个问题。

马克斯普朗克生物物理化学研究所和哥廷根大学医学中心的科学家开发出微型抗体也称为 VHH抗体（VHH antibodies）或纳米抗体（nanobodies），这些抗体结合了强效抗体所需抗COVID-19的药物的所有特性。“这是第一次，它们结合了对病毒及其Alpha（α）、Beta（β）、Gamma（γ） 和Delta（δ）突变体的极端稳定性和出色功效，”马克斯普朗克研究所（MPI）生物物理化学室主任迪尔克·戈利希（Dirk Görlich）强调说。

乍一看，新的纳米抗体与其他实验室开发的抗SARS-CoV-2纳米抗体几乎没有区别。它们都针对冠状病毒尖峰的关键部分，即病毒为入侵宿主细胞而部署的受体结合域。纳米抗体阻断了这个结合域，从而防止病毒感染细胞。

UMG分子肿瘤学研究所（UMG's Institute of Molecular Oncology）教授兼主任马蒂娅斯·多贝尔斯坦 (Matthias Dobbelstein) 解释说：“我们的纳米抗体可以承受高达95 ℃的温度，而不会失去功能或形成聚集体。一方面，这告诉我们它们可能在体内保持活跃的时间足够长，以便更好地发挥作用。另一方面，耐热纳米抗体更容易生产、加工和储存。”

不同的纳米抗体（Single, double, and triple nanobodies）

纳米抗体可以分为单纳米抗体、双纳米抗体和三纳米抗体（Single, double, and triple nanobodies）。由哥廷根团队开发的最简单的微型抗体与刺突蛋白的结合强度是之前报道的纳米抗体的1000倍。它们还与Alpha、Beta、Gamma和Delta菌株的突变受体结合域结合得很好。马蒂娅斯·多贝尔斯坦教授说：“我们的单纳米抗体可能适合吸入，因此可以在呼吸道中直接中和病毒。此外，由于它们非常小，它们可以很容易地穿透组织并防止病毒在感染部位进一步传播。”

“纳米抗体三联体（nanobody triad）”进一步提高了结合力：研究人员根据刺突蛋白的对称性将三个相同的纳米抗体捆绑在一起，刺突蛋白由三个相同的构建块和三个结合域组成。迪尔克·戈利希研究团队的科学家托马斯·古特勒（Thomas Güttler）报告说：“通过纳米抗体三联体，我们确实联手：在理想情况下，三个纳米抗体中的每一个都附着在三个结合域之一上。” “这创造了一种几乎不可逆的结合。三重不会释放刺突蛋白，并且比单纳米抗体更好地中和病毒高达30,000倍。” 另一个优势：纳米抗体三联体的较大尺寸预计会延迟肾脏排泄。这使它们在体内停留的时间更长，并有望产生更持久的治疗效果。

作为第三种设计，科学家们制作了双联体（tandems）。它们结合了两个靶向受体结合域不同部分的纳米抗体，并结合在一起可以结合刺突蛋白。迪尔克·戈利希团队的研究员梅廷·阿克苏（Metin Aksu）解释说：“这种双联对病毒突变和由此产生的‘免疫逃逸’具有极强的抵抗力，因为它们如此强烈地结合了病毒尖峰。”

对于所有纳米抗体变体——单体、双体和三体——研究人员发现，极少量就足以阻止病原体。如果用作药物，这将允许低剂量，从而减少副作用和降低生产成本。

羊驼为微型抗体提供蓝图（Alpacas provide blueprints for mini-antibodies）

迪尔克·戈利希说：“我们的纳米抗体源自羊驼，比传统抗体更小、更简单。”为了产生针对 SARS-CoV-2的纳米抗体，研究人员用部分冠状病毒刺突蛋白（coronavirus spike protein）对MPI生物物理化学研究室的羊驼（alpacas）中的三只Britta、Nora和Xenia羊驼进行了免疫。然后羊驼体内产生了抗体，科学家们从这些羊驼身上抽取了少量血液样本。对于羊驼而言，它们的任务就算完成了，因为所有进一步的步骤都是在酶（enzymes）、细菌（bacteria）、所谓的噬菌体（bacteriophages）和酵母（yeast）的帮助下进行的。迪尔克·戈利希解释说：“我们动物的总体负担非常低，可与人类的疫苗接种和血液检测相媲美。”

迪尔克·戈利希的团队从羊驼的血液中提取了大约 10 亿个纳米抗体蓝图。随后是经过多年完善的实验室程序：生物化学家使用噬菌体从最初庞大的候选库中选择最好的纳米抗体。然后测试它们对SARS-CoV-2的功效，并在连续几轮优化中进一步改进。

并非每种抗体都具有“中和作用”。因此，马蒂娅斯·多贝尔斯坦小组的研究人员确定了纳米抗体是否以及如何防止病毒在实验室培养的细胞中复制。马蒂娅斯·多贝尔斯坦团队的安特耶·迪克曼斯（Antje Dickmanns）解释说：“通过测试各种纳米抗体稀释液，我们找出了足以达到这种效果的数量。” 她的同事金姆·施特格曼（Kim Stegmann）补充道：“一些纳米抗体确实令人印象深刻。每升培养基不到百万分之一克就足以完全防止感染。在纳米抗体三联体的情况下，再稀释20倍就足够了。”

对当前的冠状病毒变种也有效（Also effective against current coronavirus variants）

在冠状病毒大流行的过程中，出现了新的病毒变种并迅速占据主导地位。这些变种通常比早期出现的菌株更具传染性。它们突变的刺突蛋白也可以“逃脱”被感染者、康复者或接种疫苗者的一些原本有效的抗体的中和作用。这使得即使是已经训练有素的免疫系统也更难以消除此类变异病毒。这个问题也会影响先前开发的治疗性抗体和纳米抗体。

这是新型纳米抗体发挥其全部潜力的地方，因为它们也能有效对抗主要的冠状病毒变种。研究人员用第一种已知的SARS-CoV-2病毒的部分刺突蛋白接种了他们的羊驼，但值得注意的是，动物的免疫系统也产生了对不同病毒变体具有活性的抗体。托马斯·古特勒自信地断言说：“如果我们的纳米抗体对未来的变种无效，我们可以重新免疫羊驼。由于它们已经接种了病毒疫苗，它们会很快产生针对新变种的抗体。”

治疗应用展望（Therapeutic application in view）

哥廷根团队目前正在准备用于治疗用途的纳米抗体。马蒂娅斯·多贝尔斯坦强调说：“我们希望尽快测试纳米抗体作为药物的安全使用，以便它们对COVID-19重病患者以及未接种疫苗或无法建立有效免疫力的患者有益。”该团队得到了技术转让专家的支持：马普创新（Max Planck Innovation）的迪特尔·林克（Dieter Link）、德国多特蒙德引导探索中心（Lead Discovery Center, Dortmund, Germany）的约翰内斯·邦格（Johannes Bange）和kENUP基金会（kENUP Foundation）的霍尔姆·凯勒（Holm Keller）。

众所周知，SARS-CoV-2的受体结合结构域是蛋白质疫苗的良好候选者，但迄今为止，很难大规模经济地以一种能激活免疫系统对抗病毒的形式进行生产。相应地编程的细菌会产生错误折叠的材料。哥廷根的研究人员发现了这个问题的解决方案：他们确定了特殊的纳米抗体，可以在细菌细胞中强制正确折叠，而不会阻碍受体结合域的关键中和部分。这可能使疫苗的生产成本低廉，可以快速适应新的病毒变种，并且即使在基础设施很少的国家也可以通过简单的物流进行分发。迪尔克·戈利希说:“纳米体（nanobodies）有助于蛋白质折叠这一事实以前并不为人所知，这对于研究和制药应用来说非常有趣。”上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。