计算设计蛋白质模拟病毒进化中抗体免疫逃逸，为疫苗与疗法开辟新径

本文开发了计算方法 EVE-Vax 设计抗原，设计并测试 83 种多突变 SARS-CoV-2 刺突蛋白。其设计能预示免疫逃逸，可用于前瞻性评估疫苗和疗法，为应对病毒进化、开发更有效干预措施提供了重要思路。文章发表在《Immunity》上。

　　

背景与挑战

病毒变异导致现有疫苗和疗法的效力下降，如 SARS-CoV-2 和流感病毒，新变异株不断出现，使得基于过去或当前流行株开发的疫苗和疗法难以应对未来病毒进化。目前对疫苗和疗法的评估多针对过往或现存毒株，无法有效预测其对未来变异株的保护效果。实验方法如深度突变扫描（DMS）存在局限性，而计算模型虽有潜力，但此前尚未证实其能否生成预示免疫逃逸的功能性抗原。

研究方法

开发了 EVE-Vax 计算方法，基于 EVEscape 框架，结合影响抗体逃逸的三个生物学相关约束条件：对病毒适应性的影响、抗体可及性、对抗体结合的破坏潜力，来设计抗原。通过将高得分的单突变组合生成双突变，进而产生多突变全长刺突构建体。研究人员在 5 种不同的 VOC（如 B.1、BA.4/5 等）背景下设计了 83 种多突变刺突蛋白，并将其构建为单周期感染假型，用于后续实验。

研究结果

1. 蛋白保持感染性：生成多突变蛋白通常面临功能随突变负荷增加而降低的问题，但 EVE-Vax 设计的 83 种构建体中，90%（75/83）在基于慢病毒的单轮生物安全二级感染试验中具有感染性。少数非感染性设计可归因于特定突变组合在三维结构上的异常，以及部分模型训练数据导致的 ACE2 结合位点突变。

2. 具有相似中和抗性：使用代表不同 SARS-CoV-2 暴露史的 9 组人类多克隆血清池对设计的刺突蛋白进行假病毒中和试验。结果显示，表达设计刺突蛋白的假病毒与在疫情中自然进化的 SARS-CoV-2 变异株具有可比的中和效价。例如，B.1 - 4a 设计的构建体对中和的抗性超过 Alpha、Delta 和 Gamma 变异株，与 Beta 变异株相当；BA.4/5 - 2a 构建体与 BQ.1 的中和抗性相似。

3. 预示抗原进化：构建抗原图谱发现，基于早期变异株设计的构建体与后期出现的变异株在抗原性上相似。如 BA.2.12.1 - 5a 构建体模拟了 BA.2.75 的中和特性，XBB 设计中包含 L452R 或 S494R 突变的构建体与 HV.1 的中和谱相近，这表明 EVE-Vax 设计的构建体能重现未来变异株的抗原性特征。

4. 评估疫苗效果：利用设计的构建体回顾性评估 B.1 - BA.4/5 二价加强疫苗，发现其对之前流行的变异株有较高中和滴度，但对设计构建体的中和滴度范围较广，低滴度预示了疫苗接种后出现的变异株的逃逸潜力。同时，对基于纳米颗粒的疫苗研究发现，与二价 mRNA 加强疫苗相比，纳米颗粒加强疫苗对未来 SARS-CoV-2 变异株具有更高的中和滴度，且 mosaic - 8b 纳米颗粒比同型纳米颗粒能引发更广泛的交叉反应抗体。

5. 与实验方法比较：将 EVE-Vax 构建体与 “实验衍生” 构建体进行比较，发现两种方法都能识别出在疫情中频繁突变的位点，且 EVE-Vax 构建体在逃逸多克隆血清方面与实验衍生构建体相当，但前者每个刺突蛋白包含的突变更少。此外，实验衍生设计中的大多数逃逸突变在 EVE-Vax 计算模型中得分较高，表明 EVE-Vax 可作为设计模拟免疫逃逸进化抗原蛋白的替代方法。

讨论

当前众多疫苗候选物在评估时，难以确定其对未来病毒变异的有效性。本文的研究方法通过设计多样的抗原面板，利用安全的非复制性假型试验，可评估候选疫苗和疗法对未来病毒变异株的中和广度和效力。研究显示，二价 mRNA 加强疫苗接种后出现的变异株的免疫逃逸现象，在疫苗实施时就可通过 EVE-Vax 设计的构建体预测；纳米颗粒疫苗则展现出诱导广泛中和抗体的潜力。计算方法的优势在于能在新变异株出现前进行前瞻性设计，且可应用于多种病毒家族。不过，该研究也存在局限性，如方法的普适性依赖于可用的进化序列记录，研究仅聚焦于抗体中和，且预测未来变异存在被滥用的风险，但可通过负责任的开发和信息共享来降低风险。

资源可用性

研究中产生的质粒已存入 Addgene，相关代码可在 GitHub 上获取，所有数据在正文或补充材料中可查，如需进一步信息可联系主要联系人。