當(dāng)全世界都在等待疫苗來(lái)控制COVID-19的大流行時(shí)，加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種新的方法來(lái)阻止導(dǎo)致這種疾病的SARS-CoV-2病毒的傳播。

在加州大學(xué)舊金山分校研究生Michael Schoof的帶領(lǐng)下，一個(gè)研究小組設(shè)計(jì)了一種完全合成的、可生產(chǎn)的分子，它可以限制關(guān)鍵的SARS-CoV-2機(jī)制，這種機(jī)制使病毒感染我們的細(xì)胞。

據(jù)一篇新論文報(bào)道，使用活病毒進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這種分子是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最有效的SARS-CoV-2抗病毒藥物之一。該論文現(xiàn)可在預(yù)印本服務(wù)器bioRxiv上獲得。

在一種被研究人員稱(chēng)為“AeroNabs”的氣霧劑中，這些分子可以通過(guò)鼻腔噴霧劑或吸入器自行給藥。

每天使用一次，AeroNabs可以提供強(qiáng)大、可靠的抗SARS-CoV-2保護(hù)，直到疫苗出現(xiàn)。

該研究團(tuán)隊(duì)正在與商業(yè)伙伴積極討論，以加強(qiáng)AeroNabs的生產(chǎn)和臨床測(cè)試。

如果這些測(cè)試成功，科學(xué)家們的目標(biāo)是讓AeroNabs作為預(yù)防和治療COVID-19的一種廉價(jià)的非處方藥物廣泛使用。

“我們認(rèn)為AeroNabs是一種分子形式的個(gè)人防護(hù)裝備，可以作為一種重要的權(quán)宜之計(jì)，它比可穿戴式的個(gè)人防護(hù)裝備有效得多，直到新冠疫苗提供更持久的解決方案。”AeroNabs的共同發(fā)明人、加州大學(xué)舊金山分校生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員彼得·沃爾特(Peter Walter)說(shuō)。

Walter還說(shuō)，對(duì)于那些無(wú)法獲得或?qū)ARS-CoV-2疫苗沒(méi)有反應(yīng)的人來(lái)說(shuō)，AeroNabs可能是對(duì)抗COVID-19的一道更持久的防線。

“我們集合了一個(gè)令人難以置信的團(tuán)隊(duì)，有才華的生物化學(xué)家、細(xì)胞生物學(xué)家、病毒學(xué)家和結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，讓這個(gè)項(xiàng)目在短短幾個(gè)月內(nèi)從開(kāi)始到結(jié)束，”Schoof說(shuō)，他是沃爾特實(shí)驗(yàn)室的成員，也是AeroNabs的共同發(fā)明人。

盡管完全是在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)的，但AeroNabs的靈感來(lái)自于納米抗體，納米體是一種天然存在于大羊駝、駱駝和相關(guān)動(dòng)物體內(nèi)的類(lèi)抗體免疫蛋白。

自20世紀(jì)80年代末在比利時(shí)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)納米抗體以來(lái)，納米抗體的獨(dú)特特性引起了全世界科學(xué)家的興趣。

“盡管他們功能很像人類(lèi)的免疫系統(tǒng)中的抗體，納米抗體會(huì)在對(duì)抗SARS-CoV-2的有效療法上提供一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，”醫(yī)學(xué)博士、藥物化學(xué)助理教授Aashish Manglik解釋說(shuō)，他經(jīng)常在研究通過(guò)細(xì)胞膜發(fā)送和接收信號(hào)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能時(shí)使用納米抗體作為工具。

例如，納米抗體比人類(lèi)抗體小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得它們更容易在實(shí)驗(yàn)室中操作和修改。它們的小體積和相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也使得它們比其他哺乳動(dòng)物的抗體穩(wěn)定得多。

此外，與人類(lèi)抗體不同的是，納米體可以很容易且廉價(jià)地大規(guī)模生產(chǎn):科學(xué)家將包含分子藍(lán)圖的基因植入大腸桿菌或酵母中，然后將這些微生物轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)量的納米抗體工廠。

幾十年來(lái)，同樣的方法被安全地用于大量生產(chǎn)胰島素。

但正如Manglik指出的，“納米抗體只是我們的起點(diǎn)。雖然它們本身很吸引人，但我們認(rèn)為可以通過(guò)蛋白質(zhì)工程對(duì)它們進(jìn)行改進(jìn)。這最終導(dǎo)致了AeroNabs的發(fā)展。”

SARS-CoV-2依賴(lài)其所謂的S蛋白來(lái)感染細(xì)胞。

這些S蛋白在病毒表面突起，在電子顯微鏡下觀察時(shí)呈現(xiàn)出冠狀外觀——因此包括SARS-CoV-2在內(nèi)的病毒家族被命名為“冠狀病毒”。

然而，S蛋白不僅僅是一種裝飾——它們是讓病毒進(jìn)入我們細(xì)胞的關(guān)鍵。

與可伸縮工具一樣，S蛋白可以從關(guān)閉的非活動(dòng)狀態(tài)切換到開(kāi)放的活動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)病毒顆粒的大約25個(gè)S蛋白中的任何一個(gè)被激活時(shí)，這個(gè)S蛋白的3個(gè)“受體結(jié)合區(qū)域”(RBDs)就會(huì)暴露出來(lái)，并準(zhǔn)備與ACE2(一種在人類(lèi)肺和氣道細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的受體)結(jié)合。

通過(guò)ACE2受體和S蛋白R(shí)BD之間的鎖鍵作用，病毒進(jìn)入細(xì)胞，然后將新宿主轉(zhuǎn)化為新冠病毒制造者。

研究人員相信，如果他們能找到阻礙S蛋白- ACE2相互作用的納米抗體，他們就能阻止病毒感染細(xì)胞。

為了找到有效的候選材料，科學(xué)家們分析了Manglik實(shí)驗(yàn)室中最近開(kāi)發(fā)的超過(guò)20億的合成納米抗體庫(kù)。

在連續(xù)幾輪的測(cè)試中，科學(xué)家們實(shí)施了越來(lái)越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)淘汰弱的或無(wú)效的候選者，最終他們得到了21個(gè)納米抗體，這些納米抗體可以阻止一種改性的S蛋白與ACE2相互作用。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，包括使用低溫電子顯微鏡來(lái)觀察納米粒子與S蛋白的界面，表明最有效的納米粒子通過(guò)強(qiáng)烈地將自己直接附著在S蛋白的RBDs上阻斷了S蛋白與ace2的相互作用。

這些納米體的功能有點(diǎn)像一個(gè)護(hù)套，它覆蓋了RBD“密鑰”，并防止它被插入到ACE2“鎖”中。

有了這些發(fā)現(xiàn)，研究人員仍然需要證明這些納米抗體可以阻止真正的病毒感染細(xì)胞。

巴黎巴斯德研究所Marco Vignuzzi博士實(shí)驗(yàn)室的病毒學(xué)家Veronica Rezelj博士測(cè)試了三種最有希望對(duì)抗活SARS-CoV-2的納米抗體，發(fā)現(xiàn)這些納米抗體非常有效，即使在極低的劑量下也能預(yù)防感染。

然而，這些納米體中最有效的不僅是RBDs上的護(hù)套，而且還像一個(gè)分子捕鼠器，可以壓制處于關(guān)閉、不活躍狀態(tài)的S蛋白，這增加了一層額外的保護(hù)，防止S蛋白與ACE2的相互作用導(dǎo)致感染。

然后，科學(xué)家們通過(guò)多種方式將這種具有雙重作用的納米體改造成一種更有效的抗病毒藥物。

在一組實(shí)驗(yàn)中，他們突變了與S蛋白接觸的納米抗體的每一種氨基酸，以發(fā)現(xiàn)兩種特定的變化，使效能提高了500倍。

在另一組實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)分子鏈，可以將三個(gè)納米抗體連接在一起。

如上所述，每個(gè)S蛋白都有三個(gè)RBDs，其中任何一個(gè)RBDs都可以附著在ACE2上，讓病毒進(jìn)入細(xì)胞。

由研究人員設(shè)計(jì)的三聯(lián)納米體可以確保，如果一個(gè)納米體附著在RBD上，另外兩個(gè)也會(huì)附著在其余的RBD上。

他們發(fā)現(xiàn)，這種三重納米體的效力是單納米體的20萬(wàn)倍。

Walter說(shuō)，當(dāng)他們利用這兩種改變的結(jié)果，將三種強(qiáng)大的突變納米體連接在一起時(shí)，結(jié)果“超出了圖表”。

“它非常有效，超出了我們衡量其效力的能力。”

這種超超結(jié)構(gòu)的三部分納米體構(gòu)成了AeroNabs的基礎(chǔ)。

在最后一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員對(duì)由三部分組成的納米體進(jìn)行了一系列的壓力測(cè)試，將它們置于高溫下，將它們變成耐儲(chǔ)存的粉末，并制造氣溶膠。

每一個(gè)過(guò)程對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)都是極具破壞力的，但科學(xué)家證實(shí)，由于納米抗體固有的穩(wěn)定性，氣霧劑的抗病毒效力沒(méi)有下降，這表明AeroNabs是一種有效的SARS-CoV-2抗病毒藥物，可以通過(guò)耐貯存性吸入器或鼻噴劑實(shí)際使用。

“并非只有我們認(rèn)為AeroNabs是一項(xiàng)了不起的技術(shù)，”Manglik說(shuō)。

“我們的團(tuán)隊(duì)正在與對(duì)制造和銷(xiāo)售AeroNabs感興趣的潛在商業(yè)伙伴進(jìn)行討論，我們希望很快開(kāi)始人體試驗(yàn)。”

“如果AeroNabs證明像我們預(yù)期的那樣有效，它們可能會(huì)幫助重塑全球大流行的進(jìn)程。”

編譯/前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人APP資訊組

原文來(lái)源：

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200811234951.htm