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多價奈米抗體有望擊敗不斷突變的新冠病毒

新冠病毒的疫苗透過無數實驗室與各大藥廠的努力,在短時間內被開發、量產,為新冠疫情的消退帶來一絲曙光。然而疫苗並不適用於免疫力缺失的患者,也有族群不適合施打疫苗,替代方案之一即為利用抗體中和病毒達成被動免疫,保護接種者並防止病毒感染擴散,同時也是可能的治療手段。

傳統抗體包含兩組重鏈(heavy chain)與輕鏈(light chain),大小大約是(150kD)左右。另一種被用於被動免疫的奈米抗體 (nanobody),是透過駱駝身上產生的抗體改造而成的抗體。相較傳統抗體,奈米抗體只包含抗原結合區域,大小只有大約15kD,為原本抗體的十分之一。由於分子量較傳統抗體小,使得奈米抗體擁有許多優點。首先,較小的蛋白質容易進行設計與修改。再者,傳統抗體幾乎都是利用動物細胞來生產,而分子量小的抗體較易利用原核生物如大腸桿菌來製造,可大幅降低成本。由於只包含了與抗原結合的結構,不像是傳統抗體還包含與抗原結合不直接相關的區域,奈米抗體的結合效率會較傳統的抗體佳,也較能避免抗體不完全結合導致的依賴性增強 (antibody-dependent enhancement) 的可能性。

研究團隊先利用 SARS-CoV-2 棘蛋白的受器結合域(Receptor Binding Domain, RBD)與失活 SARS-CoV-2 病毒使駱駝產生抗體,再用噬菌體表現技術(phage display)從中選出23種候選的奈米抗體,透過酵素結合免疫吸附分析法(Enzyme-linked immunosorbent assay)找出四種奈米抗體:VHH U,E,W,V 能夠有效的抑制病毒的生長。為了進一步探討這些奈米抗體抑制病毒的機制,他們透過冷凍電子顯微鏡(Cryo-Electronmicroscope, Cryo-EM)以及 X 光結晶繞射觀察病毒棘蛋白與奈米抗體結合前後的結構,不但發現這些奈米抗體分別是透過兩種不同的抗原表位(epitope)與棘蛋白結合,也找出這些抗體能抑制病毒的關鍵:病毒提早活化(premature activation)。

新冠病毒棘蛋白的受器結合域主要有「上」和「下」兩種構象(conformation),「下」構象通常佔多數,但唯有活化的「上」構象時能與宿主細胞的表面ACE2受器蛋白結合,從而使病毒入侵宿主,因此受器結合域的構像改變是新冠病毒感染細胞的一大關鍵。CryoEM 結果顯示奈米抗體多與「上」構象結合,且使得「上」構象的占比增加,顯示奈米抗體能夠在病毒未接觸宿主細胞前,就讓受器結合域提早由下構象轉變為上構象,引發後續蛋白酶切割分解,使病毒失去活性(如圖)。另外一個重要的發現是,當同時使用辨識不同抗原表位的奈米抗體時,較可以避免病毒藉由突變而對抗體免疫。

開發與結合不同的奈米抗體,使病毒無法透過突變躲避,並且找出其機制是本篇文章的重要突破。如奈米抗體能儘早通過臨床實驗並量產,不僅能增加現有治療方式,亦可為免疫缺失或無法接種疫苗的患者提供免於新冠病毒感染的對策。

棘蛋白的結合域(紅色)在與奈米抗體VHH E,V(綠色)結合後,穩定的處於「上」構型,最終如右側蛋白質結構所示,被分解而失去活性。(圖片來源:https://doi.org/10.1126/science.abe6230)

延伸閱讀:

SARS-CoV-2抗病毒單株抗體:單刀直入與多管齊下何者才有效?
中草藥的 SARS-CoV-2 治療潛能與老藥新用

參考文獻:

Koenig, P.-A., Das, H., Liu, H., et al. (2021). Structure-guided multivalent nanobodies block SARS-CoV-2 infection and suppress mutational escape. Science, 371(6530).

關鍵字:新冠病毒、奈米抗體

 

撰文|李柏萬
審稿|黃云宣

 

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李柏萬

大學就讀清大生科學士班,碩士就讀德樂斯登工業大學的再生生物醫學學系。

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