时毅：纳米抗体研究新突破对Delta等多种新冠变种有效

来势汹汹的新冠病毒Delta变种，除了对疫苗的效果产生影响，也给中和抗体的预防和治疗效果带来了挑战。从康复患者血液样本中筛选、分离出的中和单克隆抗体，以新冠病毒刺突蛋白的受体结合位点为主要目标而发挥作用，然而病毒变种在刺突蛋白上发生的突变，可能让有些中和抗体不再那么有效。

不过，有一些特殊的纳米抗体，似乎可以不受病毒突变的影响，广泛中和包括Delta变种在内的变异毒株。2021年8月3日，美国匹兹堡大学医学院（University of Pittsburgh School of Medicine）的时毅实验室与张诚实验室，以及凯斯西储大学（Case Western ReserveUniversity）的黄围博士合作，在Nature Communications在线发表研究论文。他们分析了7种高效中和新冠病毒的纳米抗体（nanobodies），通过一系列电镜结构的分析，解释了不同纳米抗体中和病毒的多样化机制。针对不断演变的毒株，这项研究进展对制定稳定、高效以及广谱的治疗措施具有指导意义。

在过去的一年里，时毅教授的研究团队与合作者通过给大羊驼免疫，并结合先进的蛋白质组学平台技术，快速鉴定了超过8000个纳米抗体，可以强效结合新冠病毒受体结合域（RBD）。这些高亲和的纳米抗体水溶性好，稳定性高，适合低成本快速生产。稳定的纳米抗体可以通过气化喷雾吸入，用于治疗病毒引起的肺部感染。在仓鼠模型中，研究团队首次证明了可吸入纳米抗体的高效率，只需超低剂量（0.2mg/kg）吸入，就可在动物感染新冠病毒后迅速起到保护作用，将肺内病毒颗粒数量降低为百万分之一。

先前的这些研究结果表明，纳米抗体将是一种很有前景的治疗方案。但一个重要的新问题是，这些纳米抗体是否也能中和在大流行中不断出现的新变种？因此，在此次研究中，研究人员评估了多种新冠病毒变异体在RBD上的几种关键点突变，对7种强效中和纳米抗体有何影响。实验结果显示，根据受变异影响的差别，这些纳米抗体可分为三组，大部分突变对这些纳米抗体的中和效力影响都非常小。更令人惊喜的是，其中有几种对不同变种保持了高度的亲和力。

▲刺突蛋白不同突变对几种纳米抗体的亲和力影响。负值表示亲和力或中和效力的损失，正值表示增加，降低到原先的1/1000或更低表示为"<−1000"（图片来源：参考资料[1]）

这些结果促使研究人员进一步研究了纳米抗体具有广泛中和能力的结构基础。通过冷冻电镜技术，研究人员分析了8种高效中和纳米抗体与刺突蛋白或RBD结合的复合体结构。他们发现，第一类超强纳米抗体（包括 Nb20/21），主导高亲和力，可以直接阻断病毒与ACE2受体的结合，病毒RBD E484K/Q突变可以显著降低这类纳米抗体的超高亲和力。

第二类纳米抗体（包括Nb34/Nb95/Nb105）结合冠状病毒（比如SARS病毒和新冠病毒）保守的区域，可高效中和多种变异毒株。这类纳米抗体不直接与ACE2竞争，但通过直接或间接阻断病毒结合ACE2受体。第三类纳米抗体（包括Nb17/Nb36）结合病毒的特殊区域，通过全新的机理中和病毒。比如Nb17可以将病毒刺突蛋白固定在一个特殊结构，降低病毒感染细胞的可能。

▲三类纳米抗体以不同的机制高效中和新冠病毒，降低病毒感染细胞的可能（图片来源：参考资料[1]）

研究人员总结说：“基于前期开发的中和纳米抗体，此次研究通过结构-功能研究手段提供了一个框架来系统地绘制中和抗体表位，并了解纳米抗体高效而独特的抑制病毒及其突变的机理。这项研究会帮助开发高效广谱的鸡尾酒疗法针对冠状病毒。

参考资料：

[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