Cell子刊：我国科学家鉴定出靶向SARS-CoV-2的全人源单域抗体
来源：本站原创 2020-05-23 21:21
2020年5月23日讯/生物谷BIOON/---近期，由病毒SARS-CoV-2（又称为2019-nCoV，或HCoV-19）引起的2019年新型冠状病毒病（COVID-19）疫情爆发，标志着继严重急性呼吸综合征（SARS）冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒（MERS-CoV）之后，近20年来第三次由一种新型冠状病毒引起的重大疫
2020年5月23日讯/生物谷BIOON/---近期，由病毒SARS-CoV-2（又称为2019-nCoV，或HCoV-19）导致的2019年新型冠状病毒病（COVID-19）疫情，标志着继严重急性呼吸综合征（SARS）冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒（MERS-CoV）之后，近20年来第三次由一种新型冠状病毒引起的重大疫情。此外，SARS-CoV-2是迄今为止发现的传染性最强的冠状病毒之一，COVID-19快速发展为全球大流行。这些事实表明，冠状病毒仍然是对公众健康的巨大威胁，迫切需要新的预防和治疗策略。
单克隆抗体（mAb，简称单抗）是医药行业中规模最大、增长最快的领域。在之前的SARS和MERS疫情期间，一些中和单克隆抗体被开发出来，并证实了它们在治疗冠状病毒感染方面的潜力。尽管如此，它们的临床使用还是受阻于真核系统中费时费力和昂贵的抗体生产过程。mAb的大规模生产通常需要至少3到6个月的时间，这使得在大流行的情况下很难及时生产。
针对mAb的一个有吸引力的替代方案是利用骆驼免疫球蛋白制成的单域抗体（single-domain antibody），称为VHH或纳米抗体，它们是分子量为12～15 kDa的最小天然抗原结合蛋白结构域。与传统的mAb（分子量为150 kDa）相比，它们的小尺寸提供了一些优势，包括可访问的表位数量更多，生产成本相对较低，以及在原核生物表达系统中易于在公斤级规模下快速生产。更重要的是，由于纳米抗体的尺寸小、生物物理学特性好，可以通过吸入给药的方式给药，这使得它们特别适用于治疗呼吸系统疾病。比如，Ablynx公司开发的吸入式抗呼吸道合胞病毒（RSV）纳米抗体ALX-0171被发现在动物模型中具有强大的抗病毒作用，并减少RSV感染的体征和症状。此外，在临床试验中，在吸入给药时，它在所有剂量下都有良好的耐受性。这些研究结果证实了通过吸入给药方式给送纳米抗体的可行性。然而，纳米抗体的骆驼来源限制了它们作为治疗药物在人类中的应用。为了降低免疫原性的风险，近年来骆驼纳米抗体的人源化策略已经成为可用的策略，但是这一过程需要大量的时间和劳动。人源化纳米抗体还保留了少量的骆驼氨基酸残基，特别是框架区2（FR2）内的几个特定的“标志性”残基（F37、E44、R45和G47），以保持亲本抗体的溶解性和抗原结合亲和力。
在一项新的研究中，来自中国复旦大学和上海剑桓生物科技有限公司的研究人员成功地建立一种高效的方法来快速开发SARS-CoV-2特异性的全人源单域抗体，不仅可能在当前的疫情爆发时应对COVID-19，而且还可能加强对未来新型冠状病毒的防范和应对能力。相关研究结果于2020年5月14日在线发表在Cell Host & Microbe期刊上，论文标题为“Identification of Human Single-Domain Antibodies against SARS-CoV-2”。
非常有趣的是，利用SARS-CoV-2 S1或RBD蛋白作为抗原进行筛选得到的抗体图谱有很大的差异。从S1蛋白筛选中发现的抗体非常多样化，涵盖了SARS-CoV RBD上四个不同的表位（竞争组A、B、D和E）。相比之下，从RBD蛋白筛选中发现的抗体大多属于以n3021为代表的竞争组A，其中n3021也是两轮筛选后最主要的抗体。此外，A组抗体在RBD的结合上表现出与ACE2的适度竞争，但被证实是无效的病毒中和剂。这种现象与SARS-CoV中的截然不同，在SARS-CoV 中，RBD中的抗原环区（antigenic loop）优势使得相对容易分离出强效的SARS-CoV中和抗体，而不受互补决定区（CDR）文库、物种、四级结构和用于获得抗体的技术的影响。类似的是，这些作者之前用MERS-CoV S1或RBD从初始抗体文库（naïve antibody library）中分离出抗体，然后使用这两种抗原中的任何一种进行筛选，从而显性富集准确地靶向RBD中90%的受体结合位点并有效地中和这种病毒的抗体。
有人提出，像SARS-CoV这样的病毒还没有进化到它们的膜糖蛋白可以逃避免疫系统直接对病毒致病机制至关重要的单个位点的免疫识别。需要指出的是，RBD的免疫原性差异仅基于体外实验观察到，可能与体内的体液免疫反应不相关联。因此，研究SARS-CoV-2 RBD的免疫原性特征，特别是潜在的抗原性表位和非中和性表位，是当务之急。
同样引人注目的是，来自竞争组D和E的SARS-CoV-2特异性中和抗体无法与ACE2竞争对SARS-CoV-2 RBD的结合。这种现象在SARS-CoV中很少观察到，这就证实了SARS-CoV-2独特的免疫原性。还需要开展进一步的研究来了解调控这些不同的中和SARS-CoV-2抗体和非中和SARS-CoV-2抗体的基本机制，这可能对有效疫苗的开发具有重要的意义。
更有趣的是，竞争组D抗体n3088和n3130被发现通过靶向位于刺突蛋白三聚体界面的“隐性”表位来中和SARS-CoV-2。单抗CR3022也能识别这个表位，但不能中和SARS-CoV-2，这提示着小尺寸的单域抗体具有靶向隐性表位的优势。近年来，这些作者和其他的几个研究小组在流感抗体的研究中也观察到了这种隐性三聚体界面表位。这样的表位很可能在冠状病毒的研究中也很重要，而且n3088或n3130可能是与其他SARS-CoV-2中和抗体（特别是与ACE2竞争性结合靶位点的中和抗体）协同使用的理想选择。
全人源单域抗体为预防和治疗COVID-19提供了可能。首先，完全从人类序列中获取的抗体将比骆驼或人源化的纳米抗体的免疫原性更低，从而导致在人类中使用时的安全性和疗效更高。事实上，尽管进行过人源化处理，美国食品药品管理局（FDA）批准的第一个纳米抗体---卡普赛珠单抗（caplacizumab）---仍含有多个骆驼氨基酸残基以保持抗原结合亲和力。其次，较小的尺寸和有利的生物物理特性使得可以在原核表达系统中几周内大规模生产单域抗体，从而使得它们在疫情爆发情形下可以快速使用。再者，单域抗体可以通过吸入的方式递送至肺部，这可能为治疗COVID-19提供了相当大的优势，包括快速起效、较低的全身暴露和高浓度的治疗药物存在于发病部位。最后，单域抗体可单独使用，也可与其他中和抗体协同使用。它们的小尺寸使得它们成为产生双特异性或多特异性抗体以防止病毒逃逸突变体出现的理想构成单元（building block）。它们也可以很容易地通过增加结合位点来进一步增加中和活性。比如，三价纳米体ALX-0171与它的单价形式相比，对RSV-A的中和活性提高了6000倍，对RSV-B的中和活性提高了>10000倍。
综上所述，这些作者开发出一种快速分离全人源单域抗体的多功能平台，并将它应用于抗SARS-CoV-2抗体的筛选。这些全人源单域抗体可能代表了预防和治疗COVID-19的有希望的候选对象，并可促进疫苗开发。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Yanling Wu et al. Identification of Human Single-Domain Antibodies against SARS-CoV-2. Cell Host & Microbe, 2020, doi:10.1016/j.chom.2020.04.023.
单克隆抗体（mAb，简称单抗）是医药行业中规模最大、增长最快的领域。在之前的SARS和MERS疫情期间，一些中和单克隆抗体被开发出来，并证实了它们在治疗冠状病毒感染方面的潜力。尽管如此，它们的临床使用还是受阻于真核系统中费时费力和昂贵的抗体生产过程。mAb的大规模生产通常需要至少3到6个月的时间，这使得在大流行的情况下很难及时生产。
针对mAb的一个有吸引力的替代方案是利用骆驼免疫球蛋白制成的单域抗体（single-domain antibody），称为VHH或纳米抗体，它们是分子量为12～15 kDa的最小天然抗原结合蛋白结构域。与传统的mAb（分子量为150 kDa）相比，它们的小尺寸提供了一些优势，包括可访问的表位数量更多，生产成本相对较低，以及在原核生物表达系统中易于在公斤级规模下快速生产。更重要的是，由于纳米抗体的尺寸小、生物物理学特性好，可以通过吸入给药的方式给药，这使得它们特别适用于治疗呼吸系统疾病。比如，Ablynx公司开发的吸入式抗呼吸道合胞病毒（RSV）纳米抗体ALX-0171被发现在动物模型中具有强大的抗病毒作用，并减少RSV感染的体征和症状。此外，在临床试验中，在吸入给药时，它在所有剂量下都有良好的耐受性。这些研究结果证实了通过吸入给药方式给送纳米抗体的可行性。然而，纳米抗体的骆驼来源限制了它们作为治疗药物在人类中的应用。为了降低免疫原性的风险，近年来骆驼纳米抗体的人源化策略已经成为可用的策略，但是这一过程需要大量的时间和劳动。人源化纳米抗体还保留了少量的骆驼氨基酸残基，特别是框架区2（FR2）内的几个特定的“标志性”残基（F37、E44、R45和G47），以保持亲本抗体的溶解性和抗原结合亲和力。
图片来自Cell Host & Microbe, 2020, doi:10.1016/j.chom.2020.04.023。
在一项新的研究中，来自中国复旦大学和上海剑桓生物科技有限公司的研究人员成功地建立一种高效的方法来快速开发SARS-CoV-2特异性的全人源单域抗体，不仅可能在当前的疫情爆发时应对COVID-19，而且还可能加强对未来新型冠状病毒的防范和应对能力。相关研究结果于2020年5月14日在线发表在Cell Host & Microbe期刊上，论文标题为“Identification of Human Single-Domain Antibodies against SARS-CoV-2”。
非常有趣的是，利用SARS-CoV-2 S1或RBD蛋白作为抗原进行筛选得到的抗体图谱有很大的差异。从S1蛋白筛选中发现的抗体非常多样化，涵盖了SARS-CoV RBD上四个不同的表位（竞争组A、B、D和E）。相比之下，从RBD蛋白筛选中发现的抗体大多属于以n3021为代表的竞争组A，其中n3021也是两轮筛选后最主要的抗体。此外，A组抗体在RBD的结合上表现出与ACE2的适度竞争，但被证实是无效的病毒中和剂。这种现象与SARS-CoV中的截然不同，在SARS-CoV 中，RBD中的抗原环区（antigenic loop）优势使得相对容易分离出强效的SARS-CoV中和抗体，而不受互补决定区（CDR）文库、物种、四级结构和用于获得抗体的技术的影响。类似的是，这些作者之前用MERS-CoV S1或RBD从初始抗体文库（naïve antibody library）中分离出抗体，然后使用这两种抗原中的任何一种进行筛选，从而显性富集准确地靶向RBD中90%的受体结合位点并有效地中和这种病毒的抗体。
有人提出，像SARS-CoV这样的病毒还没有进化到它们的膜糖蛋白可以逃避免疫系统直接对病毒致病机制至关重要的单个位点的免疫识别。需要指出的是，RBD的免疫原性差异仅基于体外实验观察到，可能与体内的体液免疫反应不相关联。因此，研究SARS-CoV-2 RBD的免疫原性特征，特别是潜在的抗原性表位和非中和性表位，是当务之急。
同样引人注目的是，来自竞争组D和E的SARS-CoV-2特异性中和抗体无法与ACE2竞争对SARS-CoV-2 RBD的结合。这种现象在SARS-CoV中很少观察到，这就证实了SARS-CoV-2独特的免疫原性。还需要开展进一步的研究来了解调控这些不同的中和SARS-CoV-2抗体和非中和SARS-CoV-2抗体的基本机制，这可能对有效疫苗的开发具有重要的意义。
更有趣的是，竞争组D抗体n3088和n3130被发现通过靶向位于刺突蛋白三聚体界面的“隐性”表位来中和SARS-CoV-2。单抗CR3022也能识别这个表位，但不能中和SARS-CoV-2，这提示着小尺寸的单域抗体具有靶向隐性表位的优势。近年来，这些作者和其他的几个研究小组在流感抗体的研究中也观察到了这种隐性三聚体界面表位。这样的表位很可能在冠状病毒的研究中也很重要，而且n3088或n3130可能是与其他SARS-CoV-2中和抗体（特别是与ACE2竞争性结合靶位点的中和抗体）协同使用的理想选择。
全人源单域抗体为预防和治疗COVID-19提供了可能。首先，完全从人类序列中获取的抗体将比骆驼或人源化的纳米抗体的免疫原性更低，从而导致在人类中使用时的安全性和疗效更高。事实上，尽管进行过人源化处理，美国食品药品管理局（FDA）批准的第一个纳米抗体---卡普赛珠单抗（caplacizumab）---仍含有多个骆驼氨基酸残基以保持抗原结合亲和力。其次，较小的尺寸和有利的生物物理特性使得可以在原核表达系统中几周内大规模生产单域抗体，从而使得它们在疫情爆发情形下可以快速使用。再者，单域抗体可以通过吸入的方式递送至肺部，这可能为治疗COVID-19提供了相当大的优势，包括快速起效、较低的全身暴露和高浓度的治疗药物存在于发病部位。最后，单域抗体可单独使用，也可与其他中和抗体协同使用。它们的小尺寸使得它们成为产生双特异性或多特异性抗体以防止病毒逃逸突变体出现的理想构成单元（building block）。它们也可以很容易地通过增加结合位点来进一步增加中和活性。比如，三价纳米体ALX-0171与它的单价形式相比，对RSV-A的中和活性提高了6000倍，对RSV-B的中和活性提高了>10000倍。
综上所述，这些作者开发出一种快速分离全人源单域抗体的多功能平台，并将它应用于抗SARS-CoV-2抗体的筛选。这些全人源单域抗体可能代表了预防和治疗COVID-19的有希望的候选对象，并可促进疫苗开发。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Yanling Wu et al. Identification of Human Single-Domain Antibodies against SARS-CoV-2. Cell Host & Microbe, 2020, doi:10.1016/j.chom.2020.04.023.
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