靶向ACE2的驼源抗体通过阻断SARS-CoV-2结合发挥体内保护作用

《Nature Communications》：Targeting ACE2 with a camelid antibody inhibits SARS-CoV-2 binding and has protective effects in vivo

本研究针对SARS-CoV-2不断出现抗体逃逸变异株的临床难题，开发了靶向人血管紧张素转换酶2（hACE2）的单域抗体（VHH）。研究人员通过羊驼免疫和噬菌体展示技术筛选出特异性VHH（B07/B09），其与hACE2的α1螺旋结合域重叠，能竞争性抑制包括JN.1.1和KP.3.3在内的9种变异株感染（IC50~1 nM），且不影响hACE2酶活性。构建的二聚体B07-Fc经鼻给药在K18-hACE2小鼠模型中展现出剂量依赖性保护效应，为应对病毒逃逸提供了新型宿主靶向治疗策略。

　　

新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的COVID-19疫情已导致全球超过7.7亿人感染，其刺突蛋白（Spike）通过结合人血管紧张素转换酶2（hACE2）受体介导病毒侵入。尽管针对病毒Spike的疫苗和中和抗体已广泛应用，但病毒持续变异导致抗原逃逸，例如奥密克戎（Omicron）亚变体KP.3在Spike蛋白累积超过60个突变，使得现有抗体疗效大幅降低。这种“被动追赶”变异株的模式凸显了开发不直接靶向病毒蛋白的新型广谱抗病毒策略的紧迫性。

发表于《Nature Communications》的这项研究另辟蹊径，将靶点从病毒Spike转向宿主细胞受体hACE2。hACE2作为肾素-血管紧张素系统的关键调节因子，其生理功能的重要性要求干预手段必须精准避开酶的催化活性中心。研究团队通过免疫羊驼获得靶向hACE2的单域抗体（VHH），并进一步优化为二聚体形式，在动物模型中验证了其预防感染的潜力。

研究主要采用噬菌体展示筛选技术从免疫羊驼外周血单核细胞中分离特异性VHH；通过生物层干涉技术（BLI）分析抗体亲和力；利用X射线晶体学解析VHH-hACE2复合物三维结构；采用S-Fuse细胞融合实验评估病毒中和活性；在K18-hACE2转基因小鼠和叙利亚金黄地鼠模型中开展体内保护效应验证。

结果

1. VHHs的筛选与表征

通过免疫羊驼和三轮噬菌体展示筛选，获得三个靶向hACE2的VHH（B07、B09、B10）。序列分析显示B07与B09源于同一IGHV3S53基因系，而B10独立源自IGHC3-3基因。BLI测定显示三者对可溶性hACE2的亲和力（K_D）分别为242 nM、214 nM和21 nM，其中B10亲和力最高。竞争实验表明B07与B09结合表位重叠，而B10识别不同区域。

2. 细胞表面结合与酶活性保护

流式细胞术证实三种VHH均能结合表达外源或内源性hACE2的细胞系（HEK293-hACE2、IGROV-1等）。关键的是，即使在高浓度（40 μM）下，VHHs均未影响hACE2对底肽（Mc-Ala/Dnp）的酶切活性，而阳性对照抑制剂DX600则完全抑制酶活（IC₅₀=0.54 μM）。

3. 病毒抑制机制解析

S-Fuse实验显示B07和B09能有效抑制7种SARS-CoV-2变异株（Delta至BA.2.86.1）诱导的细胞融合，IC₅₀为95.1-1937 nM，而B10无抑制活性。竞争实验证实B07/B09通过竞争性阻断Spike与hACE2结合发挥作用，且抑制模式符合可竞争性特征。

4. 结构生物学基础

晶体结构（2.7 ?）显示B07主要结合hACE2的α1螺旋（埋藏面积662.1 ?2），其表位与SARS-CoV-2 RBD结合域高度重叠。关键残基H34A/E35A/D38A突变完全废除B07结合，而B10结合位点位于α5/6/11螺旋区，远离RBD结合界面。

5. 二聚体增效作用

将B07与人IgG1 Fc片段融合形成二聚体B07-Fc，其表观亲和力（K_D^App）提升至0.11 nM。对9种变异株（含JN.1.1/KP.3.3）的抑制活性提高约100倍（IC₅₀=0.96-4.15 nM），且仍不干扰酶功能。值得注意的是，B07-Fc对含H34N/E35K突变的人ACE2及鼠/仓鼠ACE2结合较弱，提示种属特异性。

6. 体内保护效应

K18-hACE2小鼠鼻内预防给予B07-Fc（7 mg/kg）后，10只中有6只肺病毒载量低于检测限。免疫荧光显示治疗组呼吸道纤毛结构完整，无病毒核蛋白信号。剂量效应分析表明肺内B07-Fc浓度＞200 ng/g时可实现完全保护。在D614G攻毒实验中，高浓度组小鼠体重损失显著延迟（p=0.000396）。

结论与意义

本研究成功开发了首个靶向hACE2的驼源单域抗体平台。其核心优势在于：①通过宿主靶向策略规避病毒变异带来的逃逸问题；②精准定位hACE2的Spike结合界面且完全保留酶活性；③二聚体设计显著提升中和广度（覆盖9种变异株）；④鼻内给药路径实现呼吸道局部高效防护。相较于传统单抗，VHH-Fc分子量更小（约80 kDa）、组织渗透性更佳，且易于改造为多特异性抗体。该策略不仅为COVID-19防治提供新方案，更对未来可能出现的ACE2利用型冠状病毒具有前瞻性防御潜力。