高福等学者鉴定2种可阻新冠入侵的抗体，为疫苗提供结构基础

中国疾控中心主任、中科院院士高福等学者领衔的一项新冠病毒中和抗体的最新研究显示：B38和H4抗体可以阻止新冠病毒S蛋白受体结合区域RBD与人体细胞受体ACE2之间的结合。小鼠模型试验显示，这两种抗体可降低小鼠感染后肺部的病毒载量。该研究还为疫苗设计提供了结构基础。以上研究于当地时间5月7日刊发在生物预印本预印本网站medRxiv上（“A non-competing pair of human neutralizing antibodies block COVID-19 virus binding to its receptor ACE2”《一对非竞争性人类中和抗体可阻断COVID-19病毒与其受体ACE2的结合》）。研究团队从一名中国康复患者中分离出四种人源单克隆抗体，在体外均显示中和能力，其中B38和H4抗体尤其具有潜力。这项工作由首都医科大学、中科院北京生命科学研究院、中国科学院微生物研究所中科院病原微生物与重点实验室、中科大、深圳市第三人民医院、中国农业大学、中国科学院天津研究所、中国疾病预防控制中心等科研团队联合完成。论文的通讯作者为：中国疾病预防控制中心主任、中科院院士高福，中国科学院天津研究所副研究员高峰，深圳市第三人民医院院长刘磊。迄今为止，新冠病毒尚无特定的药物或疫苗。目前，大多数的治疗研发方案都瞄准新冠病毒入侵人类的“钥匙”——S蛋白（刺突糖蛋白）。S蛋白介导病毒和宿主细胞结合并入侵，它由S1结构域和S2结构域两部分组成，分别介导受体结合和膜融合。受体结合域（RBD）即位于S1。研究团队认为，通过使用RBD蛋白筛选抗新冠病毒的中和抗体是当下可以采用的优先策略。他们首先从新冠恢复期患者获得四种不同抗体（B5，B38，H2和H4），其上清液显示能与新冠病毒RBD结合，但与SARS-CoV的RBD的结合失败，这表明SARS-CoV和新冠病毒的RBD表位在上是不同的。这4种抗体显示出与新冠病毒RBD的不同的结合能力，Kd范围为10的负7次方至10的负9次方M。其中H4表现出相对较高的结合亲和力，Kd为4.48nM，而B5表现出相对较弱的结合亲和力，Kd为305nM。B38和H2与RBD结合，Kd分别为70.1nM和14.3nM。所有这4种抗体均显示中和活性，IC50（半抑制浓度）值范围为0.177μg/ml至1.375μg/ml。B38是最有效的抗体，其次是H4、H2和B5。研究团队接下来评估每种抗体阻断病毒RBD与ACE2结合的竞争能力，结果显示，B38和H4能与ACE2完全竞争，并与RBD的结合。相反，B5显示出部分竞争，而H2显示出与RBD结合，但没有与ACE2竞争。研究还表明，B38和H4能识别RBD上的不同表位并部分重叠。为探索B38和H4在体内抗新冠病毒攻击的保护功效，研究团队进行了小鼠治疗实验。在攻毒12小时后，研究团队向hACE2转基因小鼠注射25 mg/kg单剂量的B38或H4。结果显示，与对照组和H4组相比，攻毒后体重显着下降的B38组小鼠在感染后3天（dpi）恢复了。研究团队还检测了3 dpi时小鼠肺组织的病毒RNA拷贝。B38组和H4组的相对RNA拷贝变化均显着低于对照组，与对照组相比分别降低了32.8％和26％。为进一步阐明抗体中和机制的结构基础，研究团队通过体外孵育和纯化制备了RBD-B38和RBD-H4 Fab复合物。重链上的三个互补决定区（CDRs）和轻链上的两个互补决定区参与和病毒RBD的作用。病毒RBD中有36个残基与B38相互作用，其中21个残基与重链相互作用，15个残基与轻链相互作用。序列比对表明，在表位中的36个残基中，只有15个在新冠病毒和SARS-CoV之间保守。这解释了B38的特异反应性。进一步分析结合界面的相互作用发现，病毒RBD的470环在与B38 HCDR1环的结合中发挥重要作用。团队还研究了B38阻断COVID-19病毒RBD与ACE2相互作用的结构基础。结果显示，B38的VH和VL均导致了RBD与ACE2结合的空间位阻(图4C)。值得注意的是，在与B38结合和与hACE2结合的两种形式中，RBD没有表现出明显的构象变化。进一步分析发现，在与两者结合的时候，RBD上的21个氨基酸中有18个完全一致，这清楚地解释了为什么B38完全消除了新冠病毒RBD与受体的结合。总的来说，新冠病毒和SARS-CoV的RBDs具有较高的同源性，均与ACE2受体结合感染宿主。然而，结合亲和力是不同的，新冠病毒RBD比SARS-CoV RBD与hACE2的原子相互作用更多，因此对受体结合表现出更高的结合亲和力。截至目前，还没有研究报道有抗体通过竞争ACE2结合位点交叉中和SARS-CoV2和SARS-CoV。来自恢复期SARS患者的CR3022可以与来自这两种病毒的RBDs结合。然而，它虽然能够中和SARS-CoV，但不能中和新冠病毒。