Adv Sci丨解碼“弱結合強中和”：廣譜中和抗體催化病毒聚集新機制

在 抗體 藥物 篩選 中， ELISA （酶聯免疫吸附測定） 是廣泛采用的初篩 手段 ，但其對結合信號的依賴，常導致許多低親和力抗體在早期階段即被放棄。 已有研究明確 指出， “ 弱結合抗體 （ XG010 ， XG015 ， XG042 ， XG045 ， XG047 ） 被剔除出后續分析 。【1】” 然而，抗體的親和力與其實際功能并不直接等同。例如， XG010 在 ELISA 中雖表現為弱結合，卻顯示出顯著的中和活性 （ IC50 ≈ 0.1 - 1 μg /mL ）【1】。 類似的 P5-1H1【2,3】、 COVA1-03【4】和 COVA1-25【4】等 抗體 ，在表面等離子體共振（ SPR ） 實驗 中 幾乎 檢測 不 到 與 SARS-CoV-2 S 三聚體的結合， 卻 仍表現出 強 中和 。 與 具有高親和、強中和 能力 的 明星 抗體 相比【4-7】， 對于 “ 弱結合強中和 ” 抗體 的作用機制與結構基礎，仍缺乏系統性探索。

近日，國家納米科學中心楊雨荷研究員 團隊 與趙宇亮院士 團隊，清華大學醫學院張林琦教授團隊 ， 清華大學化工系燕立唐教授團隊 聯合 中國醫學科學院腫瘤醫院劉芝華教授團隊，在 Advanced Science 發表了題為：IgG-Bridging–Seeded Synergistic Aggregation of SARS-CoV-2 Spikes Underlies Potent Neutralization by A Low-Affinity Antibody的研究論文。揭示了低親和力廣譜中和抗體實現強中和的機制，刻畫了抗體通過瞬時結合催化病毒聚集的完整過程。研究綜合運用結構、功能、粗粒度分子動力學模擬等分析手段，不僅為多價協同效應的系統性研究提供了全新框架，更為治療性抗體的未來設計帶來關鍵啟示。

此前 發表 于 Nature Immunology 的研究中【2】，清華大學醫學院張林琦教授團隊從感染 SARS-COV-2 的患者中分離出 P5-1C8 。 本項后續工作證實該抗體對多種變體 （ Beta 、 Delta 、 BA.1 、 BA.2.75 、 BA.5 、 BF.7 、 BQ.1 、 BQ.1.1 、 XBB 、 XBB.1 及 JN.1 ） 均 具 有 強 中和 能力（圖一a-c）。但在結合 上 卻 出現明顯分歧： 對 WT ， P5-1C8 表現為 超高親和（ K D < 1 pM ） 且 強中和 （ IC 50 = 0.09 nM ，圖一 a,d ） ；對 BA.1 ， 親和中等 （ K D ≈ 8.7 nM ） 且 仍 強 中和 （ IC 50 = 0.02 nM ，圖一 b,e ） ； 而 對 JN.1 ， 親和 顯著 下降（ K D ≈ 225 nM ） 并伴 隨 快 速 解離，但 IC 50 仍極低 (IC 50 = 0.06 nM ) ， 出現 ~3,700 倍的 K D -to-IC 50 差距（圖一c,f）。為 解釋這一 顯著 差異 ， 該團隊從 高分辨率表位定位 入手 。晶體結構 顯示 P5-1C8 屬于 Class 1 抗體，靶向 RBM （頭部受體結合區） ，其接觸殘基與多種已知 Class 1 抗體高度重疊【3,8】（圖一g-k）。 比較 WT 、 BA.1 和 JN.1 的結構與突變，發現若干界面殘基的變化與 SPR 測定的 結果保持 一致 ，這 可以 解釋 結合親和力 的 逐級下降， 但這些 結構與動力學 變化仍不足以 解釋 P5-1C8 對 JN.1 保持的強中和活性，提示 可能 存在受體 阻斷 以 外的 其它 中和機制。

圖一： P5-1C8 IgG 的中和效價、結合親和力和表位定位

為 從 結構層面 探究結合模式，團隊使用 負染電子顯微鏡（ N s-EM ），對全長 IgG 和 Fab 片段與 WT 、 BA.1 、 JN.1 S 的復合物進行表征。 結果顯示：在 WT 和 BA.1 條件下 ， IgG 和 Fab 均 可 結合， 且 IgG 多 表現 為 刺突 內二價結合（圖二a,b）； 相反， 在 JN.1 下 ，未能 捕獲穩定的 IgG-S 復合物， 只能觀察到 明顯的顆粒聚集（圖二a）。 與全長 IgG 的觀察相反， P5-1C8 Fab 對 JN.1 完全無結合、無聚集（圖二b）， 也 不具中和活性（ IC 50 > 10 μg /mL ） 。 全長 IgG 雖對 JN.1 有弱結合（ K D = 225 nM ），但伴隨清晰的聚集， 表明二價的 IgG 可 能 跨 越 多個 S 三聚體參與結合， 且 結合多發生在聚集簇內而非孤立三聚體上。

圖二： 抗體 P5-1C8 與 WT 、 BA1 和 JN1 S 三聚體的多價結合模式。

為 模擬病毒表面的多價刺突展示，該團隊采用 合作者提供的 表面包覆 S 蛋白的納米顆粒 進行研究 。 SPR 結果 顯示，對 WT ， 無論游離 S 還是納米顆粒 展示，均為 快結合慢解離 ； 而對 JN.1 ， 與游離 S 的快解離 相比， 納米顆粒展示顯著減慢了 解離速率 。 Ns-EM 顯示 NP-WT S 與 IgG 孵育后保持單分散，并能 觀察 到 IgG 的 密度， 表明 存在 IgG 的 二價結合 ； NP-JN.1 S 則 表現為顆粒間聚集 。總體而言，納米顆粒 的多價 展示 可增強 IgG 的 結合， 但 JN.1 下 觀察到的顆粒聚集，其 具體驅動 機制仍待進一步闡明。

為探 明弱結合 IgG 如何驅動 NP - JN.1 S 的聚集，該團隊 開展了 粗粒度（ CG ）分子動力學模擬 （ 125 個 NP-S ， 1.4 μM IgG ，軌跡 達 15 μs ） ，以同時捕捉局部結合與全局聚集 事件。 模擬重現了兩類命運： NP-WT 保持單分散 ； NP-JN.1 則 經兩步過程形成大 的聚集體 ，即 低親和 IgG 通過快速 on-rate （ 結合速率 ） 實現 短暫 的 刺突 間 橋接 并形成初始小簇 （ seed ） ; 一旦小簇形成，其后續增長在很大程度上不再依賴 IgG 的 參與，而 更 可能由刺突 與 刺突之間的弱相互作用 協同 推動，并在多價呈遞的刺突被聚攏到近距離時得到進一步強化。

綜上所述，該研究 提醒我們， 評價抗體不能只看單一的親和力 指標 ，應把 IgG 二價性、多價展示與聚集能力納入考量。 低親和并不等于低價值， 在合適的多價微環境下，弱結合抗體同樣可能發揮強效中和 。科研與藥研團隊在 抗體的 篩選 與 優化時，可考慮加入多價 或 聚集相關的功能學評估，或許會發現被傳統 流程 丟棄的 寶貴候選者 。

該工作由國家納米科學中心楊雨荷 研究員 、趙宇亮 院士 團隊，清華大學醫學院張林琦教授團隊，清華大學化工系燕立唐教授團隊聯合中國醫學科學院腫瘤醫院劉芝華教授團隊合作完成，楊雨荷 研究員 、趙宇亮 院士、 張林琦教授 、 張綺 研究員 、燕立唐教授 和 劉芝華教 授為該論文的通訊作者。 北京協和醫學院和 國家納米科學中心聯合培養博士生 呂念 念 ，清華大學 醫學院 博士生 陳鵬 及 清華大學 化工系 博士后（已出站） 戴曉彬 為本論文共同第一作者。

原文鏈接： https://doi.org/10.1002/advs.202517192

楊雨荷課題組 （ yryanglab.com ） 致力于開發新一代 DNA 納米疫苗，以及體液免疫分析平臺技術，針對人類免疫缺陷病毒、冠狀病毒以及流感病毒等，利用少量血清樣品，高效、實時、全面捕獲抗體表位信息，揭示疫苗效果及機理。課題組長期招聘副研究員，特別研究助理即博士后以及科研助理，提供多學科交叉的納米材料學和免疫生物學科研訓練環境。歡迎廣大結構生物學、病毒學及免疫學，材料學等領域的人才投遞簡歷。

制版人：十一

參考文獻

[1] Zhou Y, Liu Z, Li S, et al. Enhancement versus neutralization by SARS-CoV-2 antibodies from a convalescent donor associates with distinct epitopes on the RBD.Cell Rep, 2021, 34: 108699.

[2] Ju B, Zhang Q, Wang Z, et al. Infection with wild-type SARS-CoV-2 elicits broadly neutralizing and protective antibodies against omicron subvariants.Nat Immunol, 2023, 24: 690-699.

[3] Luo M, Zhou R, Tang B, et al. Ultrapotent class I neutralizing antibodies post Omicron breakthrough infection overcome broad SARS-CoV-2 escape variants.EBioMedicine, 2024, 108: 105354.

[4] Philip J M B , T om G C, Karlijn V D S, et al . Potent neutralizing antibodies from COVID-19 patients define multiple targets of vulnerability.Science2020, 369: 643-650.

[5] Cao Y, Su B, Guo X, et al. Potent Neutralizing Antibodies against SARS-CoV-2 Identified by High-Throughput Single-Cell Sequencing of Convalescent Patients' B Cells.Cell, 2020, 182: 73-84.

[6] Kathryn M. Hastie H L, Daniel B, et al . Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study.Science2021, 374: 472-478.

[7] Thomas F. Rogers F Z, Huang D , et al . Isolation of potent SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and protection from disease in a small animal model.Science, 2020, 369: 956 - 963.

[8] Ge J, Wang R, Ju B, et al. Antibody neutralization of SARS-CoV-2 through ACE2 receptor mimicry.Nat Commun, 2021, 12: 250.

BioArt

Med

Plants

人才招聘

學術合作組織

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。