2022年11月10日，重点实验室郑永唐研究员团队联合福建师范大学欧阳松应教授团队和复旦大学姜世勃教授团队在中国卓越领军期刊 Cell Research上在线发表了题为A variant-proof SARS-CoV-2 vaccine targeting HR1 domain in S2 subunit of spike protein研究论文。
新冠病毒（SARS-CoV-2）自从2019年出现至今已在全世界大流行已长达3年，其全球大流行趋势仍未衰减。据世界卫生组织（WHO）统计，截至2022年11月6日，全球累计确诊新型冠状病毒感染病例为6.29亿例，累计死亡病例为658万例。目前虽然包括灭活全病毒疫苗、病毒载体疫苗、mRNA疫苗和重组蛋白亚单位疫苗等多种类型的新冠疫苗已在人群中大规模接种，但新冠病毒突变株，特别是奥密克戎（Omicron）等多种突变株的不断涌现，造成现有疫苗对新发突变株效价快速下降。因此，出现了接种多次疫苗后仍然发生大量“突破性感染”的现象，使当前新冠肺炎疫情防控仍然面临巨大挑战！但遗憾的是，至今尚无高效广谱新冠病毒疫苗获得临床应用。新冠病毒的膜蛋白为刺头（S）蛋白，分为S1和S2亚单位。新冠病毒靠近靶细胞后，S1亚单位中的受体结合域（RBD）介导病毒与细胞表面受体结合，诱发S2亚单位发生空间构型变化，其N端的融合多肽（FP）扎入细胞膜内，其C端的七肽重复序列1（HR1）和2（HR2）相互作用，形成稳定的6螺旋（6-HB），将病毒膜和细胞膜拉在一起发生融合，促进病毒的基因通过融合空进入宿主细胞内进行复制。在新冠病毒感染机体后，S1亚单位中的RBD在感染体内诱导产生主要的中和抗体。因此，第一代获批上市的新冠疫苗抗原中都含有可诱导针对疫苗株（即新冠病毒原始株）中和抗体的RBD。但新冠病毒变异株（特别是奥密克戎）的RBD序列中发生大量突变（可能是新冠病毒感染者体内的中和抗体的选择压力所致），得以逃避第一代新冠疫苗所诱导中和抗体的抑制作用。现有疫苗的接种虽可减少新冠病毒变异株感染者的重症发生率，但不能预防接种者被新冠病毒变异株感染，也不能防止其快速传播。因此，急需研发作用于新冠病毒S蛋白中高度保守免疫位点的广谱疫苗！与S1亚单位不同， S2亚单位在感染细胞前被S1亚单位覆盖，其中的中和抗体位点不能充分暴露，所以在体内只能诱导很低水平的中和抗体。因此，一方面S2亚单位中的HR1和HR2区域在病毒与细胞结合的瞬间发生短暂的暴露，机体的免疫系统对其选择压力较小，其序列在所有冠状病毒中均较为保守。另一方面，很难模拟其在暴露瞬间所形成的空间构型，为针对该靶点研发新冠疫苗带来严峻的挑战。所以，目前在国际上尚无任何针对S2亚单位新冠疫苗的报道。在该研究论文中，研究人员原创性地研发了一种全新靶向新冠病毒S2亚单位膜融合中间态HR1结构域的新型重组蛋白疫苗-HR121。该疫苗由S2亚单位的膜融合序列HR1-HR2-HR1串联组成（图1a），可在大肠杆菌中以可溶形式大量表达，并可通过Superdex 200一步纯化，蛋白得率为每升菌液10-20mg。HR121蛋白分子量为22 kDa, 还原性电泳（图1b）和晶体结构证实HR121为二聚体，2个HR121分子形成4个HR1和2个HR2组成的6螺旋结构（图1c-d）。 图1. 基于新冠病毒S2亚单位HR1/HR2序列的HR121疫苗的设计。（a）HR1和HR2氨基酸序列和HR121疫苗氨基酸序列组成；(b) 蛋白电泳图；(c-d) HR121蛋白结晶的正面和反面图。HR121二聚化后，形成4个平行的HR1和2个反平行的HR2组成的6螺旋结构。其表面未结合HR2的HR1分子形成2个凹槽可作为抗原表位，模拟其在膜融合中间态的构象。因此，可诱导产生针对HR1的高效广谱中和抗体，抑制其自身蛋白HR121或病毒膜融合中间态中HR1三聚体和HR2结合，从而阻断膜融合过程和病毒进入细胞。研究发现，HR121疫苗免疫新西兰大白兔后，可在体内诱生针对新冠病毒原始毒株及其23个主要突变毒株的高效广谱中和抗体，可中和包括目前广泛流行的新冠病毒奥米克戎亚谱系BA.1、BA.2、BA.3、BA.4和BA.5的感染等进入细胞。用HR121 疫苗免疫ACE2人源化小鼠后，诱导产生了滴度为106的结合抗体和103的中和抗体；新冠病毒攻毒免疫ACE2人源化小鼠后，通过新冠病毒的亚基因组RNA（sgRNA，代表有复制活性的病毒颗粒）检测，发现HR121免疫小鼠中没有复制活性的病毒存在，而且相关的肺组织炎症因子活化降低，肺组织无病理改变。对照小鼠则呈现为新冠病毒感染的高水平病毒复制和典型间质性肺炎病变特征。HR121疫苗免疫金黄地鼠后，无论在免疫后14天或3个月攻毒，结合抗体滴度和中和抗体滴度均分别保持在104和102左右；新冠病毒攻毒后，在HR121免疫的地鼠肺部中检测不到有复制活性的病毒，肺组织也无病理变化。新冠病毒攻毒HR121免疫猕猴后，在鼻拭子和咽拭子中连续7天检测不到有复制活性的病毒。攻毒7天后安乐死解剖猕猴，在肺组织中也未检测出活病毒，肺组织病理变化轻微。攻毒对照组猕猴则表现为肺部高病毒载量和典型肺部病变特征，肺组织病理主要表现为淋巴细胞聚集，增厚的气管壁，肺泡破坏和肺泡内出血。
为检测HR121疫苗对奥密克戎突变株的保护性，研究人员将HR121分别与弗氏佐剂和铝佐剂混合，免疫金黄地鼠后，发现含有不同佐剂的HR121疫苗均可诱生较高滴度的结合抗体和中和抗体，分别达到105和102。新冠病毒Omicron BA.2攻毒HR121免疫地鼠，发现这2种佐剂的疫苗诱生的免疫反应均可降低地鼠肺部的病毒载量4 个Log值左右，其肺组织也无病理改变。
HR121疫苗是目前唯一报道作用于S2亚单位具有病毒膜融合中间态构象的新冠疫苗候选，由于HR1和HR2在所有冠状病毒中保守性较高，因此该疫苗具高效性和广谱性，预期对未来可能出现的新冠病毒突变株也同样有效。
由于该疫苗作用于全新靶点，可进一步将HR121氨基酸序列表达在病毒载体和RNA疫苗载体中，推广到目前临床广泛应用的病毒载体和RNA疫苗平台。亦可将该疫苗与目前临床使用的疫苗联用或加强使用，达到广谱抗病毒的效果。在HR121疫苗免疫的动物中，均未观察到抗体依赖的病毒感染增强效应（ADE），而且HR121疫苗作用靶点为S2亚单位的HR1结构域，可避免目前一些RBD相关疫苗诱发的血小板减少和血栓等副反应。总之，新冠病毒疫苗HR121作用于新型靶点，具有广谱性、高效性和安全性，有极大的开发应用前景。该疫苗已获得中国发明专利（ZL202111167024.2），拥有完全自主知识产权，欢迎疫苗开发商或投资人与我们合作，将其尽快地推向临床，使其成为防控新冠疫情的终结武器之一。中国科学院昆明动物研究所庞伟副研究员、路莹博士生、沈帆硕士生和福建师范大学赵燕波博士生为共同第一作者，郑永唐研究员、欧阳松应教授和姜世勃教授为该论文共同通讯作者。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00746-3 |
