病毒糖蛋白納米盤：下一代疫苗設計的 “神級工具”

摘要：包膜病毒的跨膜糖蛋白是中和抗體的關鍵靶點，也是疫苗設計的核心抗原。傳統 mRNA-LNP 技術雖能實現跨膜糖蛋白的原位表達，但對其進行生物物理表征和抗體反應分析時，卻常依賴可溶性蛋白，難以還原其天然狀態。本文介紹了一種將跨膜糖蛋白疫苗候選物組裝成脂質納米盤的方法學平臺，以 HIV 膜近端外部區域（MPER）靶向疫苗研發為例，通過表面等離子體共振（SPR）、流式細胞術（FACS）和冷凍電鏡（cryo-EM）等技術驗證了納米盤的實用性，還解析了 HIV MPER 靶向免疫原納米盤與廣譜中和抗體的復合物結構，為新一代病毒疫苗研發提速提供了關鍵工具。

一、疫苗研發的 “老難題”：跨膜蛋白研究太難了

咱們先說說疫苗研發的核心 ——病毒糖蛋白。像 HIV、埃博拉這些包膜病毒，它們表面的跨膜糖蛋白是免疫系統識別病毒的 “標志物”，也是疫苗設計的重中之重。

過去二十年，mRNA-LNP 技術的出現讓疫苗研發邁了一大步，能讓人體在接種后自行產生跨膜糖蛋白。但科學家們在實驗室研究這些蛋白時，卻遇到了大麻煩：為了方便研究，大家通常會把跨膜糖蛋白的跨膜域、膜近端外部區域（MPER）這些部分切掉，只保留可溶性的外域。可這些被切掉的區域，偏偏藏著很多能誘導中和抗體的關鍵表位，比如 HIV 的 MPER 區域，就有高度保守的中和抗體表位，是疫苗研發的重要靶點。

更關鍵的是，跨膜糖蛋白在天然狀態下是嵌在細胞膜里的，切掉部分區域后，不僅結構變了，連糖基化修飾這種關鍵特征也和天然狀態不一樣。比如 HIV 的 Env 蛋白，跨膜版本的糖基化屏蔽更接近病毒本身，而可溶性蛋白的糖基化模式差異很大，這就導致實驗室研究結果和實際情況脫節，疫苗研發總走彎路。

二、納米盤：給跨膜蛋白安個 “仿真家”

就在大家頭疼的時候，納米盤登場了！納米盤是一種能把跨膜蛋白包裹在脂質雙層里的納米顆粒，能給跨膜蛋白提供一個和細胞膜超像的天然環境，完美解決了可溶性蛋白的弊端。

這次研究里，科學家們開發的納米盤平臺用了MSP1D1支架蛋白，搭配模擬病毒膜成分的脂質混合物，把 HIV 的 Env 蛋白、埃博拉的 GP 蛋白都成功組裝進了納米盤里。整個流程特別高效：從細胞轉染到純化出納米盤，五天就能處理 12 個樣本，每升細胞還能產出 100-700 微克純的糖蛋白納米盤，足夠做好幾次實驗（圖 1）。

而且這些納米盤超穩定，在 4℃下能放三個月，不管是用紫外吸收、負染電鏡還是 SPR 檢測，性能都沒啥變化，完全能滿足疫苗研發中反復實驗的需求。

研究中還設計了多種 HIV Env 蛋白變體的納米盤，比如針對 MPER 區域改造的Env gp151 MPER ND，還有用來做對照的Env gp151 MPER-KO ND（圖 2）。通過質譜分析發現，納米盤里的跨膜糖蛋白糖基化修飾和天然病毒蛋白高度相似，這意味著納米盤能真實還原蛋白的天然特征。

三、納米盤的 “超能力”：解鎖疫苗研發新玩法

有了這個納米盤平臺，科學家們一下子解鎖了好幾種疫苗研發的關鍵技術，咱們一個個說：

1.SPR 測親和力：精準拿捏抗體和蛋白的 “親密程度”

表面等離子體共振（SPR）是疫苗研發里測抗體和抗原親和力的 “金標準”。研究里開發了三種 SPR 檢測模式（圖 3），能靈活測量不同抗體（Fab 片段、完整 IgG）和納米盤里跨膜蛋白的結合動力學。

比如針對 HIV 的 MPER 靶向抗體 10E8，用納米盤檢測發現，改造后的 Env gp151 MPER ND 能讓 10E8 的親和力提升 70 倍，而且主要是因為抗體和蛋白的解離速度變慢了。這就說明納米盤能精準反映蛋白改造對抗體結合的影響，幫科學家們快速篩選出更好的疫苗候選物。

2.FACS 篩 B 細胞：找到能產生有效抗體的 “特種兵”

疫苗接種后，人體的 B 細胞會產生抗體，而流式細胞術（FACS）能篩選出能識別抗原的特異性 B 細胞。過去用可溶性蛋白做探針，會漏掉識別 MPER 這類膜近端表位的 B 細胞，而納米盤探針就解決了這個問題。

研究里用生物素化的納米盤做 FACS 探針，在免疫后的小鼠和非人靈長類動物（NHP）體內，成功篩選出了識別 HIV Env 跨膜蛋白的 B 細胞。比如在小鼠實驗中，記憶 B 細胞里有 0.7% 是抗原特異性的，比初始 B 細胞高出近 5 倍（圖 4）；在恒河猴實驗里，納米盤探針和傳統可溶性蛋白探針的檢測效果一樣好，還能識別到針對膜近端表位的 B 細胞（圖 5）。

3.冷凍電鏡解結構：看清蛋白和抗體的 “親密互動”

冷凍電鏡（cryo-EM）是解析生物大分子結構的 “神器”。研究里用納米盤解析了 HIV Env gp151 MPER ND 和三種廣譜中和抗體（10E8、VRC01、BG18）的復合物結構，分辨率達到了 3.5?（圖 6）。

這是首次在接近天然的膜環境中看清 10E8 抗體和 MPER 區域的結合細節：10E8 不僅和 MPER 的肽段結合，還會和 gp120、gp41 的其他區域相互作用，甚至會讓 Env 三聚體發生傾斜。更有意思的是，研究還發現 10E8 和另一種抗體 3BC315 會通過相似的方式結合 Env 蛋白，導致蛋白三聚體不穩定，這為設計更有效的疫苗提供了關鍵的結構線索。

四、納米盤：不止是疫苗研發的 “加速器”

除了 HIV 疫苗，科學家們還用同樣的方法把埃博拉的 GP 蛋白組裝進了納米盤，證明這個平臺能適配不同的病毒糖蛋白。而且納米盤的應用還不止疫苗研發，未來還能用于小分子藥物篩選、抗體發現，甚至研究其他跨膜蛋白的功能，比如細胞表面的受體和轉運蛋白。

不過目前這個平臺也還有改進空間，比如在小鼠實驗中，雖然篩選出了抗原特異性 B 細胞，但還沒誘導出針對 MPER 的有效抗體，需要進一步優化免疫原設計和接種策略。但總的來說，納米盤平臺已經為新一代病毒疫苗研發打開了新大門，尤其是針對 HIV 這類難啃的 “硬骨頭”，終于有了更貼近天然狀態的研究工具。

結尾

看完是不是覺得納米盤超厲害？從解決跨膜蛋白研究的老難題，到解鎖多種疫苗研發技術，這個小小的納米顆粒正在改變疫苗研發的游戲規則。相信在不久的將來，借助納米盤平臺，我們能更快研發出針對 HIV、埃博拉等病毒的有效疫苗，一起期待吧！

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