Science：大规模研究构建出数百种人类抗体结合SARS-CoV-2图谱，有望开发出更有效的COVID-19抗体疗法

2021年9月27日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国拉霍亚免疫学研究所的研究人员发布了人类抗体与SARS-CoV-2结合的详细图谱，该图谱是通过全球合作比较几乎所有领先的临床候选抗体药物产生的。这项新研究将指导开发更有效的COVID-19抗体疗法，并帮助科学家们开发有效的疫苗以应对新出现的病毒变体。相关研究结果于2021年9月23日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study”。

这些研究发现在三个关键方面推动了COVID-19研究：（1）对全世界50多个不同组织提供的数百种抗体进行了分类和结合图谱绘制；这项研究显示了每种抗体在SARS-CoV-2的刺突蛋白（S蛋白）上结合的确切位置；（2）这些研究人员描述了每种抗体的中和强度，或效力，以及每种抗体对病毒变体提供保护的可能性；（3）在S蛋白上有类似足迹的抗体被归类为相同的“群体（communities）”；这些研究人员展示了来自不同群体的抗体如何被组合成强大的抗体“鸡尾酒”来靶向SARS-CoV-2。

论文通讯作者、拉霍亚免疫学研究所教授Erica Ollmann Saphire博士说，“我们能够绘制S蛋白的地理图，并了解哪些抗体与它的哪些足迹结合。该图谱提供了一个参考，以帮助预测哪些抗体对SARS-CoV-2变体仍然有效，如目前病例激增的Delta变体。”Saphire领导了这项研究背后的称为冠状病毒免疫治疗联盟（Coronavirus Immunotherapeutic Consortium, CoVIC）的全球努力。

事实上，这些作者发现了三组不同的抗体可以抵御SARS-CoV-2 S蛋白发生的突变。这些抗体可以靶向S蛋白上的脆弱部位，即使它发生突变，也是如此。Saphire说，“我们如今有一个框架，可以为COVID-19治疗选择持久的抗体鸡尾酒。”

收集强大的抗体

CoVIC包括来自59个不同发现项目的大约370种抗体，涵盖范围很广：从学术实验室和小型生物技术公司到大型国际制药公司。这些抗体疗法正在由七个不同的伙伴实验室在一个标准化的实验室中进行并列评估。Saphire及其团队正在确定这些抗体的高分辨率结构，还快速生成工具来研究S蛋白突变对抗体效力的影响。

论文共同第一作者、拉霍亚免疫学研究所讲师Kathryn Hastie博士说，“CoVIC的成立是为了分析一组庞大的具有相同足迹的单克隆抗体。最初的目标是研究针对SARS-CoV-2原始病毒株的抗体，但很快就发现，这种病毒的S蛋白是不断演变的。当你在谈论用单克隆抗体治疗某人时，S蛋白的变化能力产生深刻的影响。”

论文共同第一作者、拉霍亚免疫学研究所博士后研究员Haoyang Li博士说，“CoVIC的贡献者使用了不同的策略来寻找这些抗体。这种抗体的广度使我们的研究比以前的研究更全面，因为以前的研究可能只研究了一小部分幸存者的抗体。”

这项对这种庞大的抗体库的系统研究是一项庞大的工程。这项研究提供了一个框架，以便在全球范围内了解哪些抗体对哪些SARS-CoV-2变体有效（或无效）。这些信息将是缩小这种抗体库的关键，并从中推进进一步的研究。Saphire说，“我们这个25人的实验室的每个成员都参与其中。”

这项全球努力由项目经理Sharon Schendel博士协调，包括对一系列临床候选药物进行盲视，以便在一个平等的竞争环境中评估所有疗法。这项全球性的工作由项目经理Sharon Schendel博士协调，并涉及到对一系列临床候选抗体药物进行盲视，以便所有的候选药物都在一个平等的竞争环境中得到评估。同样地，拉霍亚免疫学研究所的Bjoern Peters教授正在领导一个团队建立CoVIC数据库，作为CoVIC合作伙伴实验室收集的所有数据的公开存储库。这些数据可供其他研究人员免费访问，以比较和对比针对SARS-CoV-2 S蛋白的抗体。这些综合信息将有助于确定哪些抗体将成为推进临床使用的候选物。

寻找抗体“全明星”

S蛋白上的一个关键区域被称为受体结合结构域（receptor binding domain, RBD），它就像一块突出的岩石，Saphire实验室的科学家用登山术语来这样描述它的结构。RBD的内部和外部由一个中央“山谷”连接。旁边有一座“山峰”和一座“平顶山”塔。越过平顶山，俯视下面的“悬崖”。

通过观察抗体与RBD结合的位置，这些作者将有希望的抗体分为不同的“群体”。Schendel说，“一个群体是一组具有相同行为的抗体，意味着它们可以或不能与其他抗体同时结合到S蛋白上。”

抗体知道如何识别特定的病毒结构。它们看到了自己的靶标，并抓住它来阻止病毒感染细胞。但是，如果它们的靶标发生变异，抗体识别的区域发生变化，怎么办？

Saphire说，“一种SARS-CoV-2变体可能在它出现的几周后才被发现---这是一场无休止的追赶游戏。我们需要知道，在我们的抗体库中，哪些会在未来几个月和几年内持久存在。”

这些作者需要找到靶向RBD上“保守”位点的抗体。这些位点对这种病毒的生命周期非常重要，如果它们发生突变，该病毒很可能就无法发挥功能。最有效的抗体是那些靶向这些保守位点的抗体。

为了找到持久性的抗体，Hastie构建出一系列具有不同点突变的S蛋白。它们的结构反映了那些在Alpha、Gamma和Delta等令人担忧的SARS-CoV-2变体中看到的结构。

对于一些抗体来说，S蛋白的一两个突变就足以使它们失去结合靶标。Hastie说，“我们可以看到哪类抗体被哪种突变所逃避。知道这一点真的很有用，因为我们可以在现实世界令人担忧的变体中看到这些突变。”例如，科学家们知道Beta变体在一个位点上发生一种叫做K417N的突变。Hastie说，“我们现在可以确定受该位点突变影响的抗体，但我们也可以确定对Beta变体的S蛋白上的其他位点仍然有效的抗体。”

Schendel和Hastie与位于盐湖城的生物技术公司Carterra的Daniel Bedinger博士密切合作，该公司开发了LSA仪器和表位分箱分析软件，对这项分析至关重要。Bedinger绘制了网络图，使他们能够比较250多种抗体如何与SARS-CoV-2结合。这些网络图显示了哪些抗体会在彼此存在的情况下结合S蛋白，换句话说，哪些抗体会与其他抗体“友好相处”。Hastie说，“Carterra公司自愿在无偿的基础上做这项工作。我想给Daniel和Carterra点赞。”

这些作者的目标是找到来自不同群体的最佳抗体，并将它们组合成一个全明星团队来攻克这种病毒。

与此同时，Li领导了结构研究。他们利用拉霍亚免疫学研究所的低温电子显微镜设施，对与RBD相结合的抗体结构进行成像。

通过Li的工作，他获得了一种“命中图”，显示了抗体靶向这种病毒的位置。该命中图显示，有七个抗体社区靶向了S蛋白上的易变或保守的区域。此外，与使用抗体的Fab版本的传统研究相比，这项新的研究使用完整的IgG来模拟和揭示这些抗体如何保护细胞免受感染。一些IgG以二价结合的方式靶向SARS-CoV-2 S蛋白，这增加了这些抗体的亲和力和效力，而其他IgG则倾向于通过让S蛋白交联在一起而使这种病毒失活。Li说，“这对科学界来说是新信息，它是一个很好的例子，说明我们为什么需要这种更详细的抗体分析。”

Li不仅领导了结构生物学研究工作，他还确保了这些结构的可访问性---不仅在这篇论文中，而且通过将结构信息存入公共数据库，以便其他科学家能够访问这些数据。Schendel说，“Li是获得这些结构背后的驱动力。他的努力是真正的英雄。”

这张图显示了SARS-CoV-2表面的一系列刺突蛋白。每种颜色的抗体代表每个RBD群体可能的IgG-S蛋白结合模式。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abh2315。

最后，这些作者在不同的抗体群体中组装了一种迷人的彩色编码的抗体库。这项研究显示了哪些抗体可以在单克隆抗体疗法中进行组合。该研究还显示了哪些抗体需要从未来的疫苗中激发出来，以最大限度地保护人们免受SARS-CoV-2变体的影响。

具有全球影响的科学

其中的三个抗体群体被证明特别持久地抵抗RBD发生的变异。Hastie说，“这些抗体确实是用于单克隆抗体疗法的良好候选物。如果你正在构建一种抗体鸡尾酒，你会希望其中至少有这样的一种抗体，因为它们可能会保持对大多数SARS-CoV-2变体的疗效。”

一些COVID-19患者已经可以获得单克隆抗体鸡尾酒。正如Schendel所解释的那样，当前的抗体鸡尾酒有局限性。如果在严重的症状出现之前给药，它们的效果最好，而且它们必须在临床环境中通过静脉注射给药。

通过这项新的研究，CoVIC更接近于开发出更强大的抗体疗法，以便可以对SARS-CoV-2变体进行有力的打击。Schendel说，更强大的抗体疗法也可能在较低的剂量下有效，从而使它们成为在医疗服务较少的国家分发的一种实用选择。她希望有一天，单克隆抗体疗法可以作为一种简单的注射来使用。

CoVIC团队如今正与合作伙伴一起进行动物保护研究。其他的CoVIC研究人员正在努力了解中和抗体如何与免疫系统反应相协调。

有些人觉得COVID-19大流行病最糟糕的日子早已过去，但美国人继续死于这次疫情，而且世界各地的许多人将在数年内不会收到COVID-19疫苗。

Schendel说，“我们在美国和世界各地有如此多的人口没有接种疫苗。如果我们能设计出更好的单克隆抗体疗法，就会有可供他们使用的疗法。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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.