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以一抵百:通用型多域抗體對抗流感病毒

流感病毒為一種 RNA 病毒,依據其表面醣蛋白:血球凝集素(hemagglutinin, HA)、神經胺酸酶(neuraminidase, NA)而分為不同亞型。流感病毒具有高度變異性,包含本身基因組點突變(point mutation)造成的抗原微變(antigenic drift)、不同病毒株之間互相組合 HA 或 NA 片段造成的抗原移型(antigenic shift)[1],使得每年引發大流行的病毒株有所不同,增加預防及疫苗開發的難度。

為此,眾多科學家們致力於尋找通用型抗體(broadly neutralizing antibody, bnAbs),然而以 Dr. Ian Wilson 為首的研究團隊另其道而行,以單域抗體(single-domain antibody, snAb)為基礎,首次開發出能通用於A、B型多種流感病毒亞型的多域抗體(multidomain antibodies, MDAb),且保護效果較現有通用型抗體更好 [2]。

單域抗體於1990年代自羊駝血清中分離而得,其結構缺少輕鏈、僅有單一重鏈:VHH域(VHH domain),但仍能與特定抗原結合。因其尺寸較傳統抗體小且僅有單一域,使製造與操作難度大幅降低,故成為尋找新藥的策略之一 [3]。

研究團隊首先透過噬菌體顯示法(phage display)篩選出對A、B型數種亞型流感病毒的 HA 有中和(neutralization)活性的 snAb,分別為針對A型的 SD36 和 SD38 、針對B型的 SD83 和 SD84,再逐一測試其單獨或結合為多域抗體時的中和活性。體外測試結果顯示,SD36-SD38 多域抗體相較單域抗體,對更多種 A 型流感亞型病毒 HA 有明顯中和活性;SD83-SD84 多域抗體相較單域抗體,對B型流感 HA 的中和活性更高。

圖片說明:不同單域抗體、多域抗體對不同流感病毒的中和效果。IC50:半抑制濃度(Half-maximal inhibitory concentrations)圖片來源:DOI: 10.1126/science.aaq0620

故團隊進一步再將此四種單域抗體與免疫球蛋白G1(immunoglobulin G1, IgG1)的可結晶片段區域(Fragment crystallizable region, Fc)結合,在動物實驗中測試,採取兩種給藥方式:靜脈注射、腺相關病毒 (Adeno-associated virus)載體的外源基因表現。結果顯示兩種方式皆能讓小鼠抵抗不同A、B型流感病毒,且效果較現有通用型抗體更好。

除此之外,研究團隊也解析這些單域抗體和流感病毒 HA 的結合機制,透過蛋白質結晶與電子顯微鏡觀察,找出了抗體結合的表位(epitope)並解出各單域抗體的結構。同時也發現單域抗體結合的表位序列,在不同亞型 HA 中仍有高度相似性,為保守區域(conserved domain)!

圖片說明:單域抗體、結合表位的結晶結構。
圖片來源:DOI: 10.1126/science.aaq0620

此研究不僅解析抗原抗體結合的基礎機制資訊,提供了對 A、B 兩種流感皆適用、更能搶在流感剛發生時即實施的通用流感病毒保護策略,研究團隊也進一步發想其作為例行性預防疫苗的發展可能,期能更好的對抗一發常難以收拾的流感。

延伸閱讀:

  1. 以結構生物學角度探討新穎的抗流感藥物設計 
  2. 認識流感疫苗(行政院衛生署疾病管制局,2011)

參考文獻:

  1. Bouvier, N. M., & Palese, P. (2008). The biology of influenza viruses. Vaccine, 26, D49-D53.
  2. Laursen, N. S., Friesen, R. H., Zhu, X., Jongeneelen, M., Blokland, S., Vermond, J., … & van der Neut Kolfschoten, M. (2018). Universal protection against influenza infection by a multidomain antibody to influenza hemagglutinin. Science, 362(6414), 598-602.
  3. M. M. Harmsen, H. J. De Haard. (2007) Properties, production, and applications of camelid single-domain antibody fragments. Applied Microbiology Biotechnology, 77, 13–22.

撰文|黃云宣
審稿|蕭皓文

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黃云宣

國立臺灣大學生化科技學系畢,現就讀 TU Dresden 分子生物工程研究所。曾參與 2015 iGEM,曾任系學會系刊部長、院學會秘書、畢聯會公關部長。

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