计算抗体优化提升抗疟疾单抗CIS43对环子孢子蛋白交界区肽段21的结合亲和力

本研究针对疟疾防治中单克隆抗体亲和力不足的瓶颈问题，通过建立计算抗体优化流程（in silico pipeline），对靶向PfCSP（Plasmodium falciparum circumsporozoite protein）交界区肽段21的高保护性抗体CIS43进行改造。研究人员通过分子动力学模拟和能量优化设计出P3-43LS等变体，其结合亲和力提升2-3倍，小鼠模型显示保护效果优于临床抗体CIS43LS。该成果发表于《iScience》，为疟疾被动免疫治疗提供了更高效的抗体设计策略。

　　

疟疾是全球最致命的寄生虫病之一，每年导致数十万人死亡，其中恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）是主要致病菌种。环子孢子蛋白（PfCSP）作为疟原虫表面关键抗原，成为疫苗和抗体疗法的重要靶点。尽管单克隆抗体CIS43能靶向PfCSP的交界区肽段21（peptide 21）并展现保护效果，但其亲和力仍有提升空间。如何通过理性设计进一步提高抗体效力，成为疟疾被动免疫治疗的关键科学问题。

美国国立卫生研究院疫苗研究中心等机构的研究人员开发了一套计算抗体优化流程，通过能量计算和结构分析成功提升了CIS43变体对peptide 21的结合能力。研究团队首先建立分子动力学模型，对m42.127和m43.151两种高亲和力模板抗体的可变区进行单点和双点突变设计。通过FoldX和YASARA软件能量优化后，采用NAMD力场计算抗体-抗原相互作用能，筛选出35个潜在优化变体。实验验证阶段结合AlphaLISA高通量筛选、生物层干涉仪（BLI）亲和力测定和小鼠疟疾攻毒模型，最终获得保护效力提升2-3倍的优化抗体P3-43LS。相关成果发表于《iScience》期刊。

关键技术方法包括：1）基于模板抗体-抗原复合物晶体结构的计算设计；2）分子动力学模拟和能量优化；3）AlphaLISA高通量抗体筛选；4）生物层干涉仪（BLI）亲和力测定；5）转基因Pb-PfCSP-GFP/LUC疟原虫的小鼠攻毒模型评估保护效力。

In Silico抗体优化流程识别高亲和力变体

研究团队以m42.127和m43.151为模板，对重链（V_H）和轻链（V_L）可变区进行系统性突变设计。通过计算非键合范德华力（vdW）和静电相互作用能，筛选出19个m42.127变体和11个m43.151变体满足帕累托最优解。

抗原结合特性验证显示亲和力提升

27个表达成功的变体中，11个显示对NPDP19肽段的结合增强。BLI测定证实P3-43对peptide 21的K_d达8.9±0.5 nM，较模板抗体提升2-3倍。计算相互作用能与实验测定的亲和力显著相关（R=0.83）。

功能验证揭示最佳变体P3-43LS

小鼠模型显示，P3-43LS在100μg剂量下使肝脏疟原虫负荷降低2-3倍，保护效果显著优于CIS43LS（p<0.01），与当前最优抗体iGL-CIS43.D3LS（D3LS）相当。

晶体结构解析亲和力提升机制

P3-21与peptide 21的共晶结构（2.2 ?）显示，CDRH3区突变体Arg99_H与Asn109_P21形成新的氢键。P3-43（2.3 ?）中Lys100_H与Asp111_P21形成盐桥，与计算预测的74%能量贡献一致。

该研究首次建立了计算驱动的高保护性抗疟疾抗体优化流程。通过整合能量计算和结构生物学手段，研究人员不仅获得了具有临床转化潜力的优化抗体P3-43LS，更开创了抗体理性设计的新范式。特别值得注意的是，计算预测的相互作用能与实际晶体结构观察到的分子相互作用高度吻合，验证了该方法的可靠性。虽然当前方法在构象采样方面存在局限，但其高效筛选能力（每个变体仅需5分钟计算时间）使其成为抗体工程领域的重要工具。这项研究为开发低成本、高效的疟疾被动免疫疗法提供了新思路，其方法论也可拓展至其他传染病抗体优化研究。