Cell Discovery | 金腾川团队研发的双特异性纳米抗体鼻滴可预防新冠奥密克戎感染
2022年12月10日，中国科学技术大学金腾川团队与武汉病毒所及军事医学科学院生物工程研究所合作在Cell Discovery杂志在线发表题为“A bispecific nanobody dimer broadly neutralizes SARS-CoV-1 & 2 variants of concern and offers substantial protection against Omicron via low-dose intranasal administration”的研究论文。
新冠病毒（SARS2）已传播超过两年半，给全球经济和人类健康造成巨大损失。除了疫苗引发的主动免疫外，被动注射中和抗体是一种很有希望的治疗和预防病毒感染的方法。然而，病毒的持续适应性进化导致了受关注的变异毒株（VOCs）的出现，特别是当下流行的奥密克戎（Omicron）及其亚变种，已削弱了现有疫苗的功效并逃避几乎所有已开发上市的中和抗体。此外，在2002-2003年间流行的具有更高致死率的非典病毒（SARS1）也让人心有余悸，目前尚无获批的非典特效药。近亲关系的新冠和非典病毒均主要通过侵染呼吸道中表达血管紧张素转换酶2（ACE2）的细胞来感染人类，且呼吸道病毒载量与感染个体的疾病严重程度呈正相关，提示将抗病毒抗体直接输送到呼吸道可能在低剂量下即可达到可观的疗效。
在该研究中，作者们开发出一个能与非典和新冠的刺突蛋白受体结合区（RBD）均强烈交叉反应的纳米抗体，命名为aSA3。采用X射线晶体学技术，作者清晰揭示了aSA3同时结合非典与新冠RBD的分子机制。基于结构信息，作者将aSA3与前期开发的另一株广谱结合所有VOCs的纳米抗体aRBD-2融合，同时融合人IgG1 Fc，构建出一个新的双特异性纳米抗体二聚体，命名为2-3-Fc。实验显示2-3-Fc能够高亲和力结合并强效中和包括BA.5在内的VOCs，中和IC50低至个位数ng/mL（几十pM），同时也能强效中和非典假病毒（IC50：9.5 ng/mL或87 pM）（图1）。
图1. 2-3-Fc. 2-3-Fc能够高亲和力结合并强效中和包括BA.5在内的VOCs
该研究进一步测试了2-3-Fc在仓鼠体内抗病毒功效，结果显示腹腔给药的2-3-Fc在10 mg/kg剂量下能够有效预防和治疗针对Omicron的感染（图2）；更重要的是，即使在0.5 mg/kg的低剂下，通过鼻腔给药的2-3-Fc也能显著减少气管和肺中的病毒RNA载量，并完全消除这些组织中的活病毒颗粒（图3）。
图2. 腹腔注射2-3-Fc能够为仓鼠提供针对Omicron感染的预防和治疗性保护
图3.鼻腔给予低剂量2-3-Fc能够为仓鼠提供针对Omicron感染的保护
最后，根据结构信息在aRBD-2中引入Y29G突变，发现该突变能够消除在BA.2.75及XBB中新增的N460K突变对aRBD-2亲和力的不利影响，新构建的2(Y29G)-3-Fc在中和BA.2.75方面表现出比原始2-3-Fc更好的活性（图4）。
图4. 2(Y29G)-3-Fc中和BA.2.75的活性比原始2-3-Fc的强。
总之，该工作鉴定出一个新的能够同时高效中和新冠和非典病毒的纳米抗体aSA3，并进一步设计了一个双特异性纳米抗体二聚体2-3-Fc，其对所有新冠VOCs（包括BA.5）均表现出广谱强效中和效力。其衍生物2(Y29G)-3-Fc也能强效中和含有N460K新突变的BA.2.75变体，实现了对所有Omicron亚变体的全覆盖。此外，2-3-Fc不仅能通过系统给药，还可以通过鼻腔给药途径提供优异的体内抗Omicron感染效力。可鼻腔给药的2-3-Fc有希望为高危人群，如老年人、免疫功能低下者和一线医护人员提供除疫苗以外针对Omicron的防护。
该研究得到了中科院先导基金、国家自然基金及安徽省自然科学基金项目的支持。
