廣泛中和抗體C10二價結(jié)合模型 ?課題組供圖

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦信息中心正高級工程師、中國科學(xué)院深圳理工大學(xué)（籌）生命健康學(xué)院教授張小康

黃病毒（包括寨卡與登革等）通過蚊子等昆蟲可以迅速傳播，全球每年約有4億人感染，其廣泛流行于熱帶和亞熱帶地區(qū)。例如在我國，每年7月—11月是廣東省登革熱疫情高發(fā)期。目前沒有針對于寨卡病毒和登革病毒的有效疫苗及特效藥，使得現(xiàn)有治療手段多以對癥治療為主。針對疫苗的優(yōu)化與設(shè)計，科學(xué)家們將目光放在了與疫苗研發(fā)密切相關(guān)的抗體上。

12月1日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院腦信息中心/中國科學(xué)院深圳理工大學(xué)（籌）生命健康學(xué)院張小康課題組聯(lián)合法國巴斯德研究所、牛津大學(xué)以及加州大學(xué)洛杉磯分校多家單位聯(lián)合完成的最新研究成果發(fā)表于《細胞》。研究團隊歷經(jīng)十年，獲得了能夠有效對抗多種病毒的C10抗體，為進一步研發(fā)無副作用的抗病毒疫苗奠定了基礎(chǔ)。該研究成果填補了傳統(tǒng)晶體學(xué)研究中缺失天然構(gòu)象的空白，發(fā)現(xiàn)了病毒表面的結(jié)構(gòu)蛋白排列組合對抗體中和效率有重要影響，為未來疫苗優(yōu)化提供了新方向。

中國科學(xué)院院士、中國疾控中心主任高福表示，這一研究揭示了抗病毒疫苗設(shè)計的嶄新策略。

國際合作十年 找到抗擊黃病毒的最優(yōu)“潛力股”

寨卡病毒與登革病毒同屬黃病毒屬，其中登革病毒經(jīng)過多年的進化，目前已被發(fā)現(xiàn)了4種血清亞型的登革病毒。如果人體感染了登革病毒其中的一種，即使痊愈后，也只是對感染的該種血清亞型病毒有免疫效果，對其他種類的登革病毒沒有免疫作用。病人在第一次感染登革熱治愈后再次感染另一種該病毒的血清亞型時會觸發(fā)名為“登革出血熱”甚至“登革休克綜合”等可致命性癥狀。

Dengvaxia是世界上首個批準(zhǔn)上市的唯一登革疫苗，自2015年底在巴西、菲律賓等登革流行區(qū)域批準(zhǔn)上市后，已在全球多個國家投入接種。然而在2016年，登革疫苗Dengvaxia在菲律賓相繼出現(xiàn)了5例接種兒童死亡案例，這使得登革疫苗備受爭議。

“究其原因，可能是由于同時注入的四種混合減毒株在機體內(nèi)產(chǎn)生相互干擾，最終導(dǎo)致不平衡的免疫反應(yīng)。”論文共同第一作者張小康表示。

病毒的組成結(jié)構(gòu)就像是“拼樂高”，通過不同的蛋白結(jié)構(gòu)組成，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不一、毒性不一的病毒。黃病毒屬病毒的基因組編碼中至少含有了三種結(jié)構(gòu)蛋白（衣殼蛋白C、膜蛋白M和包膜蛋白E）和七種非結(jié)構(gòu)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異性抗原表位，具有血凝活性，能刺激機體產(chǎn)生抗體，激發(fā)免疫保護作用。

研究團隊歷經(jīng)十年的時間，從痊愈病人的血清中發(fā)現(xiàn)了多種中和抗體，其中一種抗體C10不僅對四型登革病毒，亦能對寨卡病毒產(chǎn)生有效中和。

“E蛋白的抗體表位分為EDE（Envelop dimer epitope）與FLE（Fusion loop epitope）兩種。我們發(fā)現(xiàn)，針對EDE特異性表位的抗體具有優(yōu)越的中和活性，在寨卡病毒以及登革病毒的四種亞型間存在潛在的交叉中和現(xiàn)象。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在E蛋白的EDE表位中，C10抗體就是針對EDE表位的其中一株候選交叉中和抗體，能產(chǎn)生對抗黃病毒的有效中和現(xiàn)象?！睆埿】当硎尽?/p>

構(gòu)建病毒全貌 走出“盲盒”策略

在制備出C10單價抗體后，研究者對寨卡病毒和四型登革病毒分別進行了結(jié)合能力和中和能力實驗，發(fā)現(xiàn)單價的C10抗體僅對寨卡病毒和1型登革病毒仍然具有中和活性，而對2至4型的登革病毒則失去了抗原中和的能力。

對此，為進一步深入了解C10抗體對登革病毒和寨卡病毒的中和機制。研究人員將天然抗體通過生物工程的方式改造，試制了僅有單個抗原識別域的單價C10抗體，該種改造后的抗體與登革病毒2-4型的結(jié)合能力明顯變?nèi)?；但同樣的全長抗體卻能有效地中和病毒；通過利用冷凍電子顯微鏡X射線衍射的生物物理技術(shù)，測定病毒與抗體的精細結(jié)構(gòu)，從中推斷出天然C10抗體的雙臂都能與病毒表面行使入侵功能的結(jié)構(gòu)蛋白相結(jié)合，進而妨礙病毒的一系列入侵細胞的行為，阻止了病毒對人體造成傷害。

因此，能夠識別位于多種病毒表面的特定特征賦予C10抗體廣泛中和能力。該研究結(jié)果不僅強調(diào)了互補位/表位互補性的重要性，還提出了應(yīng)以表位為重點的疫苗設(shè)計的拓撲分布。

傳統(tǒng)的疫苗設(shè)計是將病原微生物及其代謝產(chǎn)物,經(jīng)過人工減毒,滅活或利用基因工程等方法制成,用于預(yù)防傳染病的免疫制劑。

“傳統(tǒng)的疫苗制作工藝就像是‘開盲盒’，我們不知道病毒長什么樣，需要通過對現(xiàn)有的病毒蛋白進行大量篩選，篩選出具備藥物潛力的抗體，進而制成預(yù)防該類病毒的疫苗。相較于其他藥品來說，疫苗產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)難度大、資金投入多、研制周期長”張小康說道，與其猜測病毒長什么樣，不如真實去觀察病毒的形貌。

在研究過程中，研究團隊利用冷凍電鏡、X-ray蛋白晶體衍射技術(shù)等多種前沿生物物理技術(shù)，在解析登革全病毒高分辨結(jié)構(gòu)后，繼而鉆研抗病毒疫苗設(shè)計，解析了包括登革寨卡在內(nèi)的10種抗原抗體結(jié)合的高分辨結(jié)構(gòu)，為抗體篩選和疫苗優(yōu)化提供了精細、準(zhǔn)確的“設(shè)計圖紙”。

以張小康課題組自主開發(fā)的冷凍電鏡技術(shù)為例，該技術(shù)使得對蛋白質(zhì)最微小部分的解析成為可能，分辨率達到一根頭發(fā)絲的六十萬分之一，精細、準(zhǔn)確地描繪了病毒的全樣貌。

為疫苗優(yōu)化設(shè)計帶來新思路

隨著人類對生活和生命質(zhì)量的日益重視，疫苗的研發(fā)、優(yōu)化對人類預(yù)防傳染病十分重要。根據(jù)Future Market Insights近期發(fā)布的報告顯示，到2031年，登革熱疫苗市場預(yù)計將超過10億美元，其原因在于登革熱高發(fā)地區(qū)發(fā)病率的上升。作為生命健康領(lǐng)域具備極高技術(shù)門檻的領(lǐng)域，疫苗的研發(fā)和優(yōu)化需要科技工作者瞄準(zhǔn)科技前沿，深耕基礎(chǔ)研究，推動科技工作服務(wù)社會民生需求。

該研究總結(jié)了以往的疫苗開發(fā)的各種情況，特別是針對以往抗體研究只關(guān)注對單一抗原蛋白這一情況，提出疫苗設(shè)計不應(yīng)該僅關(guān)注表位互補，還應(yīng)該增加對類似于二聚體等高級幾何組合形式等信息的關(guān)注這一新觀點，為將來表位疫苗優(yōu)化設(shè)計指出了新方向。

華盛頓大學(xué)藥物化學(xué)系副教授Kelly K. Lee在《細胞》上發(fā)表點評文章中指出，該研究為廣泛中和抗體如何克服抗原及構(gòu)象變化提供了新的見解。

高福表示，以二聚體為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)是一類新發(fā)現(xiàn)的病毒免疫原，也是近年來抗病毒疫苗研究的熱點，用二硫鍵連接的登革病毒和寨卡病毒的包膜蛋白二聚體用于實驗都已經(jīng)顯示出令人鼓舞的結(jié)果，并且不會誘導(dǎo)抗體依賴性增強等副作用。該領(lǐng)域已準(zhǔn)備好測試這種下一代抗病毒候選疫苗。該研究基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)，分子生物學(xué)及免疫學(xué)等研究手段，在微觀上解釋了候選抗體C10對于泛登革寨卡病毒進行廣泛中和的原子機制，為下一步改良疫苗做好了準(zhǔn)備。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.11.010

來源：中國科學(xué)報