浙大陳偉/胡煒團隊提出“力學鎖定”策略實現新冠病毒廣譜中和

近日，浙江大學醫學院陳偉/胡煒團隊另辟蹊徑，在國際知名期刊

Small

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

圖注：研究團隊設計的bsAb像一把“分子鎖”，同時結合S蛋白的S1和S2亞基，阻止其在機械力作用下發生構象變化，從而抑制病毒入侵。

研究背景：傳統抗體的“阿喀琉斯之踵”

新冠病毒通過其表面的S蛋白與人體細胞的ACE2受體結合，從而開啟入侵過程。傳統的抗體藥物大多通過靶向S蛋白的受體結合域（receptor binding domain，RBD），像“盾牌”一樣阻斷病毒與細胞的結合。 然而，RBD區域是病毒最容易發生突變的“熱點”，奧密克戎等變異株正是通過RBD的大量突變，成功“甩開”了絕大多數現有抗體，展現出強大的免疫逃逸能力。如何開發出一種不懼病毒突變、能夠“以不變應萬變”的抗病毒策略，成為全球科學家面臨的重大挑戰。

另辟蹊徑：從“力學生物學”中尋找答案

研究團隊注意到，病毒入侵并非簡單的“鑰匙開鎖”。前期的研究已經揭示（Hu et al. Cell Research, 2021），當S蛋白與ACE2受體結合時，會產生皮牛頓（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，最終介導病毒與細胞膜融合。“既然病毒入侵依賴于一個力學激活過程，我們能否反其道而行之，設計一種抗體來抵抗這股力，讓病毒的‘發動機’熄火？”基于這一大膽設想，團隊提出了一種全新的“力學鎖定”策略。他們不再執著于“堵門”（阻斷RBD），而是選擇“鎖死發動機”——設計一種能夠同時結合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蛋白的力學穩定性。如此一來，即使病毒結合了細胞受體，產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。

從理論到現實：“力學鎖定”的強大威力

為了驗證這一設想，研究團隊首先從抗體庫中篩選出能夠識別S1和S2保守區域的抗體片段，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，研究團隊測試了多種bsAb組合。結果顯示，其中一種名為N-612-041–R121-3F1的bsAb表現突出。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變異株同樣表現出強大的中和活性，遠超其單靶點（同源二聚體）的對照抗體。這證明了同時鎖定S1/S2的協同效應是實現廣譜中和的關鍵。

圖注：bsAbs對刺突蛋白的力學穩定作用

為了在單分子水平上直觀地證明“力學鎖定”的作用，研究團隊運用單分子磁鑷技術，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：刺突蛋白非常“脆弱”，只需約2.7-10.3 pN的力就能將其S1和S2亞基撕開。加上“力學鎖定”抗體后：S蛋白變得異常“堅固”，需要高達約15 pN的力才能將其扯開，力學穩定性提升了數倍。這一結果證明，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。研究還發現，連接兩個抗體片段的linker長度和柔性也至關重要，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“力學檢查點”，該“力學鎖定”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，這種基于力學生物學原理的藥物設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象變化。因此，該“力學鎖定”策略有望成為一個平臺技術，用于開發針對多種重大病毒性疾病的新一代治療藥物。

浙江大學醫學院葉楊博士與陳詩婕博士為本文的共同第一作者，浙江大學醫學院陳偉教授、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基金、浙江省自然科學基金等項目的大力支持支持。

轉載自bioMed