“空中楼阁”承诺对新冠肺炎的强大、不可阻挡的保护

在全世界都在等待疫苗来控制新冠肺炎大流行的时候，加州大学旧金山分校的科学家们设计了一种新的方法来阻止导致这种疾病的SARS-CoV-2病毒的传播。

在加州大学旧金山分校研究生迈克尔·肖夫(Michael Schoof)的带领下，一组研究人员设计了一种完全合成的、随时可以生产的分子，它紧紧地包裹着关键的SARS-CoV-2机制，使病毒能够感染我们的细胞。据一篇新论文报道，该论文现已在预印服务器BioRxiv上获得，使用活病毒进行的实验表明，该分子是迄今发现的最有效的SARS-CoV-2抗病毒药物之一。

在他们测试的一种被研究人员称为“AeroNabs”的气雾剂配方中，这些分子可以通过鼻腔喷雾器或吸入器自行给药。每天使用一次，AeroNabs可以提供强大、可靠的保护，防止SARS-CoV-2，直到有疫苗可用。研究小组正在与商业合作伙伴积极讨论，以加强AeroNabs的制造和临床测试。如果这些测试成功，科学家们的目标是让AeroNabs作为一种廉价的非处方药广泛使用，以预防和治疗新冠肺炎。

加州大学旧金山分校生物化学和生物物理学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员彼得·沃尔特博士说：“航空纳布比可穿戴形式的个人防护装备更有效，我们认为它是个人防护装备的一种分子形式，在疫苗为新冠肺炎提供更永久的解决方案之前，它可以作为一个重要的权宜之计。”沃尔特博士是加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。沃尔特补充说，对于那些无法获得或对SARS-CoV-2疫苗没有反应的人来说，AeroNab可能是对抗新冠肺炎的一条更持久的防线。

“我们召集了一群才华横溢的生物化学家、细胞生物学家、病毒学家和结构生物学家，在短短几个月内完成了这个项目，”沃尔特实验室成员、AeroNabs共同发明人肖夫说。

尽管AeroNabs完全是在实验室中设计的，但它的灵感来自纳米体，即天然存在于骆驼、骆驼和相关动物中的抗体样免疫蛋白。自从20世纪80年代末在比利时的一个实验室发现纳米物体以来，纳米物体的独特性质引起了世界各地的科学家的兴趣。

“虽然它们的功能与人类免疫系统中的抗体非常相似，但纳米体为有效治疗SARS-CoV-2提供了一些独特的优势，”共同发明人、医学博士阿希什·曼利克(Aashish Manglik)解释说。他是药物化学助理教授，经常使用纳米体作为他研究穿过细胞膜发送和接收信号的蛋白质的结构和功能的工具。

例如，纳米抗体比人类抗体小一个数量级，这使得它们更容易在实验室中进行操作和修改。它们的体积小，结构相对简单，也使它们比其他哺乳动物的抗体更稳定。此外，与人类抗体不同的是，纳米体可以容易且廉价地批量生产：科学家将包含构建纳米体的分子蓝图的基因插入大肠杆菌或酵母中，并将这些微生物转化为高产量的纳米体工厂。几十年来，同样的方法已经被安全地用于批量生产胰岛素。

但正如曼里克指出的那样，“纳米体只是我们的起点。虽然它们本身很有吸引力，但我们认为我们可以通过蛋白质工程来改进它们。这最终导致了AeroNabs的发展。“。

SARS-CoV-2依靠其所谓的尖峰蛋白感染细胞。这些刺钉住了病毒的表面，在电子显微镜下观察时呈现出一种冠状的外观-因此，包括SARS-CoV-2在内的病毒家族被称为“冠状病毒”。然而，尖峰不仅仅是一种装饰--它们是让病毒进入我们细胞的关键。

就像可伸缩的工具一样，钉子可以从关闭的非活动状态切换到打开的活动状态。当病毒颗粒的大约25个刺激物中的任何一个变得活跃时，该刺激物的三个“受体结合域”或RBD就会暴露出来，并准备附着到ACE2(发音为“ACE2”)上，ACE2是一种发现于人类细胞上的受体，排列在肺部和气道内。

通过ACE2受体和尖峰RBD之间类似锁和钥匙的相互作用，病毒进入细胞，在那里它将其新宿主转变为冠状病毒制造商。研究人员认为，如果他们能找到阻碍Spike-ACE2相互作用的纳米体，就可以防止病毒感染细胞。

为了找到有效的候选者，科学家们分析了曼利克实验室最近开发的一个包含20多亿个合成纳米体的库。经过连续几轮的测试，在此期间，他们施加了越来越严格的标准来排除软弱或无效的候选者，科学家们最终得到了21个纳米体，它们阻止了一种修饰形式的尖峰与ACE2相互作用。

进一步的实验，包括使用冷冻电子显微镜来可视化纳米体-钉子界面，表明最有效的纳米体通过强烈地将自己直接附着在钉子RBDS上而阻止了钉子-ACE2的相互作用。这些纳米体的功能有点像覆盖RBD“钥匙”的护套，防止它被插入到ACE2“锁”中。

有了这些发现，研究人员仍然需要证明这些纳米抗体可以防止真正的病毒感染细胞。巴黎巴斯德研究所Marco Vignuzzi博士实验室的病毒学家Veronica Rezelj博士测试了三种最有希望的针对活体SARS-CoV-2的纳米抗体，发现纳米抗体非常有效，即使在极低的剂量下也能防止感染。然而，这些纳米体中最有效的不仅充当RBDS的外壳，而且像一个分子捕鼠器，在关闭、不活跃的状态下抑制SPEK，这就增加了一层额外的保护，防止导致感染的SPEK-ACE2相互作用。

然后，科学家们以多种方式设计了这种双重作用的纳米体，使其成为一种更有效的抗病毒药物。在一组实验中，他们突变了纳米体中与Spike接触的每一个氨基酸组成块，以发现两个特定的变化，这两个变化导致效价增加了500倍。

在另一组单独的实验中，他们设计了一种可以将三个纳米体连接在一起的分子链。正如所提到的，每个刺突蛋白都有三个RBD，其中任何一个都可以与ACE2结合，使病毒进入细胞。研究人员设计的连接的三个纳米体确保了，如果一个纳米体附着在RBD上，其他两个纳米体就会附着在剩余的RBD上。他们发现，这三个纳米体的效力是单个纳米体的20万倍。

沃尔特说，当他们利用这两种修饰的结果，将三个强大的突变纳米体连接在一起时，结果“超出了图表”。“它是如此有效，超出了我们衡量其效力的能力。”

在最后一组实验中，研究人员对由三部分组成的纳米体进行了一系列压力测试，将它们置于高温下，将它们变成稳定货架的粉末，并制成气溶胶。这些过程中的每一个都对大多数蛋白质具有高度的破坏性，但科学家们证实，由于纳米体的固有稳定性，雾化形式的抗病毒效力没有损失，这表明AeroNabs是一种有效的SARS-CoV-2抗病毒药物，通过货架稳定的吸入器或鼻喷剂给药可能是可行的。

“我们并不是唯一认为AeroNab是一项了不起的技术的人，”Manglik说。我们的团队正在与对制造和分销AeroNab感兴趣的潜在商业合作伙伴进行谈判，我们希望很快就能开始人体试验。如果AeroNabs被证明像我们预期的那样有效，它们可能有助于重塑世界范围内大流行的进程。“。

作者：其他作者包括布莱恩·福斯特(Bryan Faust)、鲁本·A·桑德斯(Ruben A.Saunders)、Smriti Sangwan、尼克·霍普(Nick Hoppe)、摩根·布恩(Mgane Boone)、克里斯蒂安·贝莱斯布勒(Christian Bache Billesbølle)、马塞尔·齐曼尼(Marcell Zimani)、伊山·德什潘德(Ishan Deshpande)、梁家豪、阿迪娅·A·阿南德(Aditya A.Anand)、尼夫·多布津斯基(Niv Dobzinski)、贝丝·肖莎娜·查(Beth Shoshana Zha)、本杰明·巴尔西-莱恩(Benj。西奈山伊坎医学院的Kris M White和Adolfo García-Sastre，以及QBI冠状病毒研究小组结构生物学联合会。Schoof、Faust、Saunders、Sangwan和Rezelj是该手稿的第一作者之一。

资助：这项工作得到了加州大学洛杉矶分校新冠肺炎响应基金的支持，这是艾伦公司的一项拨款，以及在桑德勒基金会的支持下建立的加州大学洛杉矶分校突破性生物医学研究计划的支持者。其他支助包括：美国国立卫生研究院拨款DP5OD023048、S10OD020054、S10OD021741、1R01GM126218；卓越实验室拨款ANR-10-LABX-62-IBEID；紧急新冠肺炎巴斯德研究所筹款活动；美国能源部科学办公室和生物与环境研究办公室合同DE-AC02-05CH11231；a Helen Ha。

披露：Schoof、Faust、Saunders、Hoppe、Walter和Manglik是一项临时专利的发明人，该临时专利描述了手稿中描述的反钉纳米体。

加州大学旧金山分校(UCSF)专门专注于健康科学，致力于通过先进的生物医学研究、生命科学和健康专业的研究生水平教育以及患者护理方面的卓越表现，在全球范围内促进健康。UCSF Health是加州大学旧金山分校的主要学术医疗中心，包括一流的专科医院和其他临床项目，并在整个旧金山湾区设有分支机构。