浙大陳偉/胡煒團(tuán)隊提出“力學(xué)鎖定”策略實現(xiàn)新冠病毒廣譜中和

近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院陳偉/胡煒團(tuán)隊另辟蹊徑，在國際知名期刊

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該研究顛覆了傳統(tǒng)的抗體設(shè)計思路，提出了一種全新的“力學(xué)鎖定”（Mechano-Locking）策略。通過設(shè)計一種特殊的雙特異性抗體（bispecific antibody，bsAb），像一把精密的安全鎖，將新冠病毒入侵細(xì)胞的關(guān)鍵部件——刺突蛋白（spikeprotein，S）牢牢鎖在其“待機”狀態(tài)，使其無法被激活。這一策略不僅對包括奧密克戎在內(nèi)的多種變異株展現(xiàn)出強大的廣譜中和能力，更為開發(fā)下一代抗病毒藥物提供了的新范式。

圖注：研究團(tuán)隊設(shè)計的bsAb像一把“分子鎖”，同時結(jié)合S蛋白的S1和S2亞基，阻止其在機械力作用下發(fā)生構(gòu)象變化，從而抑制病毒入侵。

研究背景：傳統(tǒng)抗體的“阿喀琉斯之踵”

新冠病毒通過其表面的S蛋白與人體細(xì)胞的ACE2受體結(jié)合，從而開啟入侵過程。傳統(tǒng)的抗體藥物大多通過靶向S蛋白的受體結(jié)合域（receptor binding domain，RBD），像“盾牌”一樣阻斷病毒與細(xì)胞的結(jié)合。 然而，RBD區(qū)域是病毒最容易發(fā)生突變的“熱點”，奧密克戎等變異株正是通過RBD的大量突變，成功“甩開”了絕大多數(shù)現(xiàn)有抗體，展現(xiàn)出強大的免疫逃逸能力。如何開發(fā)出一種不懼病毒突變、能夠“以不變應(yīng)萬變”的抗病毒策略，成為全球科學(xué)家面臨的重大挑戰(zhàn)。

另辟蹊徑：從“力學(xué)生物學(xué)”中尋找答案

研究團(tuán)隊注意到，病毒入侵并非簡單的“鑰匙開鎖”。前期的研究已經(jīng)揭示（Hu et al. Cell Research, 2021），當(dāng)S蛋白與ACE2受體結(jié)合時，會產(chǎn)生皮牛頓（pN）級別的機械力。正是這股微小的力量，像一只“無形的手”，將S蛋白的S1亞基從S2亞基上以成千倍速“撕開”，暴露出隱藏的融合肽，最終介導(dǎo)病毒與細(xì)胞膜融合?！凹热徊《救肭忠蕾囉谝粋€力學(xué)激活過程，我們能否反其道而行之，設(shè)計一種抗體來抵抗這股力，讓病毒的‘發(fā)動機’熄火？”基于這一大膽設(shè)想，團(tuán)隊提出了一種全新的“力學(xué)鎖定”策略。他們不再執(zhí)著于“堵門”（阻斷RBD），而是選擇“鎖死發(fā)動機”——設(shè)計一種能夠同時結(jié)合S1和S2兩個亞基的雙特異性抗體。這種抗體就像一個“分子膠水”，將S1和S2牢牢固定在一起，極大地增強了S蛋白的力學(xué)穩(wěn)定性。如此一來，即使病毒結(jié)合了細(xì)胞受體，產(chǎn)生的機械力也無法將其激活，病毒入侵的第一步就被徹底卡死。

從理論到現(xiàn)實：“力學(xué)鎖定”的強大威力

為了驗證這一設(shè)想，研究團(tuán)隊首先從抗體庫中篩選出能夠識別S1和S2保守區(qū)域的抗體片段，并將它們通過一個柔性連接子（linker）巧妙地組裝成雙特異性抗體。在假病毒中和實驗中，研究團(tuán)隊測試了多種bsAb組合。結(jié)果顯示，其中一種名為N-612-041–R121-3F1的bsAb表現(xiàn)突出。它不僅對原始毒株有效，對免疫逃逸能力極強的奧密克戎BA.1和XBB變異株同樣表現(xiàn)出強大的中和活性，遠(yuǎn)超其單靶點（同源二聚體）的對照抗體。這證明了同時鎖定S1/S2的協(xié)同效應(yīng)是實現(xiàn)廣譜中和的關(guān)鍵。

圖注：bsAbs對刺突蛋白的力學(xué)穩(wěn)定作用

為了在單分子水平上直觀地證明“力學(xué)鎖定”的作用，研究團(tuán)隊運用單分子磁鑷技術(shù)，精確地拉拽單個S蛋白，并測量其亞基解離所需的力。無抗體時：刺突蛋白非?！按嗳酢保恍杓s2.7-10.3 pN的力就能將其S1和S2亞基撕開。加上“力學(xué)鎖定”抗體后：S蛋白變得異?！皥怨獭保枰哌_(dá)約15 pN的力才能將其扯開，力學(xué)穩(wěn)定性提升了數(shù)倍。這一結(jié)果證明，該bsAb確實像一把堅固的“鎖”，阻止了S蛋白在力作用下的解離。研究還發(fā)現(xiàn)，連接兩個抗體片段的linker長度和柔性也至關(guān)重要，過長、過短或過剛性的linker都會破壞“鎖”的功能，凸顯了該設(shè)計的精妙之處。

研究意義與展望

這項研究的重大意義在于，它開創(chuàng)了一種不依賴于免疫壓力下易突變位點的全新抗病毒范式。通過靶向病毒入侵過程中一個保守的“力學(xué)檢查點”，該“力學(xué)鎖定”策略有望克服由病毒快速突變帶來的免疫逃逸問題，為開發(fā)長效、廣譜的抗新冠藥物甚至“泛冠狀病毒”藥物開辟了全新的道路。更重要的是，這種基于力學(xué)生物學(xué)原理的藥物設(shè)計理念具有廣泛的普適性。許多其他重要的包膜病毒，如艾滋病病毒（HIV）、流感病毒等，其入侵過程也同樣依賴于表面蛋白的力致構(gòu)象變化。因此，該“力學(xué)鎖定”策略有望成為一個平臺技術(shù)，用于開發(fā)針對多種重大病毒性疾病的新一代治療藥物。

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院葉楊博士與陳詩婕博士為本文的共同第一作者，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院陳偉教授、胡煒特聘研究員為共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等項目的大力支持支持。

轉(zhuǎn)載自bioMed