作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2021/12/8 15:16:35
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《细胞》最新成果为疫苗优化设计带来“解题法”
找到有效抗击黄病毒的“潜力股”

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广泛中和抗体C10二价结合模型  课题组供图

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中国科学院深圳先进技术研究院脑信息中心正高级工程师、中国科学院深圳理工大学(筹)生命健康学院教授张小康

黄病毒(包括寨卡与登革等)通过蚊子等昆虫可以迅速传播,全球每年约有4亿人感染,其广泛流行于热带和亚热带地区。例如在我国,每年7月—11月是广东省登革热疫情高发期。目前没有针对于寨卡病毒和登革病毒的有效疫苗及特效药,使得现有治疗手段多以对症治疗为主。针对疫苗的优化与设计,科学家们将目光放在了与疫苗研发密切相关的抗体上。

12月1日,中国科学院深圳先进技术研究院脑信息中心/中国科学院深圳理工大学(筹)生命健康学院张小康课题组联合法国巴斯德研究所、牛津大学以及加州大学洛杉矶分校多家单位联合完成的最新研究成果发表于《细胞》。研究团队历经十年,获得了能够有效对抗多种病毒的C10抗体,为进一步研发无副作用的抗病毒疫苗奠定了基础。该研究成果填补了传统晶体学研究中缺失天然构象的空白,发现了病毒表面的结构蛋白排列组合对抗体中和效率有重要影响,为未来疫苗优化提供了新方向。

中国科学院院士、中国疾控中心主任高福表示,这一研究揭示了抗病毒疫苗设计的崭新策略。

国际合作十年 找到抗击黄病毒的最优“潜力股”

寨卡病毒与登革病毒同属黄病毒属,其中登革病毒经过多年的进化,目前已被发现了4种血清亚型的登革病毒。如果人体感染了登革病毒其中的一种,即使痊愈后,也只是对感染的该种血清亚型病毒有免疫效果,对其他种类的登革病毒没有免疫作用。病人在第一次感染登革热治愈后再次感染另一种该病毒的血清亚型时会触发名为“登革出血热”甚至“登革休克综合”等可致命性症状。

Dengvaxia是世界上首个批准上市的唯一登革疫苗,自2015年底在巴西、菲律宾等登革流行区域批准上市后,已在全球多个国家投入接种。然而在2016年,登革疫苗Dengvaxia在菲律宾相继出现了5例接种儿童死亡案例,这使得登革疫苗备受争议。

“究其原因,可能是由于同时注入的四种混合减毒株在机体内产生相互干扰,最终导致不平衡的免疫反应。”论文共同第一作者张小康表示。

病毒的组成结构就像是“拼乐高”,通过不同的蛋白结构组成,会产生结构不一、毒性不一的病毒。黄病毒属病毒的基因组编码中至少含有了三种结构蛋白(衣壳蛋白C、膜蛋白M和包膜蛋白E)和七种非结构蛋白,其中E蛋白是病毒的重要抗原成分,包含有中和抗原表位和型特异性抗原表位,具有血凝活性,能刺激机体产生抗体,激发免疫保护作用。

研究团队历经十年的时间,从痊愈病人的血清中发现了多种中和抗体,其中一种抗体C10不仅对四型登革病毒,亦能对寨卡病毒产生有效中和。

“E蛋白的抗体表位分为EDE(Envelop dimer epitope)与FLE(Fusion loop epitope)两种。我们发现,针对EDE特异性表位的抗体具有优越的中和活性,在寨卡病毒以及登革病毒的四种亚型间存在潜在的交叉中和现象。进一步研究发现,在E蛋白的EDE表位中,C10抗体就是针对EDE表位的其中一株候选交叉中和抗体,能产生对抗黄病毒的有效中和现象。”张小康表示。

构建病毒全貌 走出“盲盒”策略

在制备出C10单价抗体后,研究者对寨卡病毒和四型登革病毒分别进行了结合能力和中和能力实验,发现单价的C10抗体仅对寨卡病毒和1型登革病毒仍然具有中和活性,而对2至4型的登革病毒则失去了抗原中和的能力。

对此,为进一步深入了解C10抗体对登革病毒和寨卡病毒的中和机制。研究人员将天然抗体通过生物工程的方式改造,试制了仅有单个抗原识别域的单价C10抗体,该种改造后的抗体与登革病毒2-4型的结合能力明显变弱;但同样的全长抗体却能有效地中和病毒;通过利用冷冻电子显微镜X射线衍射的生物物理技术,测定病毒与抗体的精细结构,从中推断出天然C10抗体的双臂都能与病毒表面行使入侵功能的结构蛋白相结合,进而妨碍病毒的一系列入侵细胞的行为,阻止了病毒对人体造成伤害。

因此,能够识别位于多种病毒表面的特定特征赋予C10抗体广泛中和能力。该研究结果不仅强调了互补位/表位互补性的重要性,还提出了应以表位为重点的疫苗设计的拓扑分布。

传统的疫苗设计是将病原微生物及其代谢产物,经过人工减毒,灭活或利用基因工程等方法制成,用于预防传染病的免疫制剂。

“传统的疫苗制作工艺就像是‘开盲盒’,我们不知道病毒长什么样,需要通过对现有的病毒蛋白进行大量筛选,筛选出具备药物潜力的抗体,进而制成预防该类病毒的疫苗。相较于其他药品来说,疫苗产品开发技术难度大、资金投入多、研制周期长”张小康说道,与其猜测病毒长什么样,不如真实去观察病毒的形貌。

在研究过程中,研究团队利用冷冻电镜、X-ray蛋白晶体衍射技术等多种前沿生物物理技术,在解析登革全病毒高分辨结构后,继而钻研抗病毒疫苗设计,解析了包括登革寨卡在内的10种抗原抗体结合的高分辨结构,为抗体筛选和疫苗优化提供了精细、准确的“设计图纸”。

以张小康课题组自主开发的冷冻电镜技术为例,该技术使得对蛋白质最微小部分的解析成为可能,分辨率达到一根头发丝的六十万分之一,精细、准确地描绘了病毒的全样貌。

为疫苗优化设计带来新思路

随着人类对生活和生命质量的日益重视,疫苗的研发、优化对人类预防传染病十分重要。根据Future Market Insights近期发布的报告显示,到2031年,登革热疫苗市场预计将超过10亿美元,其原因在于登革热高发地区发病率的上升。作为生命健康领域具备极高技术门槛的领域,疫苗的研发和优化需要科技工作者瞄准科技前沿,深耕基础研究,推动科技工作服务社会民生需求。

该研究总结了以往的疫苗开发的各种情况,特别是针对以往抗体研究只关注对单一抗原蛋白这一情况,提出疫苗设计不应该仅关注表位互补,还应该增加对类似于二聚体等高级几何组合形式等信息的关注这一新观点,为将来表位疫苗优化设计指出了新方向。

华盛顿大学药物化学系副教授Kelly K. Lee在《细胞》上发表点评文章中指出,该研究为广泛中和抗体如何克服抗原及构象变化提供了新的见解。

高福表示,以二聚体为基础的结构是一类新发现的病毒免疫原,也是近年来抗病毒疫苗研究的热点,用二硫键连接的登革病毒和寨卡病毒的包膜蛋白二聚体用于实验都已经显示出令人鼓舞的结果,并且不会诱导抗体依赖性增强等副作用。该领域已准备好测试这种下一代抗病毒候选疫苗。该研究基于结构生物学,分子生物学及免疫学等研究手段,在微观上解释了候选抗体C10对于泛登革寨卡病毒进行广泛中和的原子机制,为下一步改良疫苗做好了准备。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.11.010

 
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