Adv Sci丨解码“弱结合强中和”：广谱中和抗体催化病毒聚集新机制

在 抗体 药物 筛选 中， ELISA （酶联免疫吸附测定） 是广泛采用的初筛 手段 ，但其对结合信号的依赖，常导致许多低亲和力抗体在早期阶段即被放弃。 已有研究明确 指出， “ 弱结合抗体 （ XG010 ， XG015 ， XG042 ， XG045 ， XG047 ） 被剔除出后续分析 。【1】” 然而，抗体的亲和力与其实际功能并不直接等同。例如， XG010 在 ELISA 中虽表现为弱结合，却显示出显著的中和活性 （ IC50 ≈ 0.1 - 1 μg /mL ）【1】。 类似的 P5-1H1【2,3】、 COVA1-03【4】和 COVA1-25【4】等 抗体 ，在表面等离子体共振（ SPR ） 实验 中 几乎 检测 不 到 与 SARS-CoV-2 S 三聚体的结合， 却 仍表现出 强 中和 。 与 具有高亲和、强中和 能力 的 明星 抗体 相比【4-7】， 对于 “ 弱结合强中和 ” 抗体 的作用机制与结构基础，仍缺乏系统性探索。

近日，国家纳米科学中心杨雨荷研究员 团队 与赵宇亮院士 团队，清华大学医学院张林琦教授团队 ， 清华大学化工系燕立唐教授团队 联合 中国医学科学院肿瘤医院刘芝华教授团队，在 Advanced Science 发表了题为：IgG-Bridging–Seeded Synergistic Aggregation of SARS-CoV-2 Spikes Underlies Potent Neutralization by A Low-Affinity Antibody的研究论文。揭示了低亲和力广谱中和抗体实现强中和的机制，刻画了抗体通过瞬时结合催化病毒聚集的完整过程。研究综合运用结构、功能、粗粒度分子动力学模拟等分析手段，不仅为多价协同效应的系统性研究提供了全新框架，更为治疗性抗体的未来设计带来关键启示。

此前 发表 于 Nature Immunology 的研究中【2】，清华大学医学院张林琦教授团队从感染 SARS-COV-2 的患者中分离出 P5-1C8 。 本项后续工作证实该抗体对多种变体 （ Beta 、 Delta 、 BA.1 、 BA.2.75 、 BA.5 、 BF.7 、 BQ.1 、 BQ.1.1 、 XBB 、 XBB.1 及 JN.1 ） 均 具 有 强 中和 能力（图一a-c）。但在结合 上 却 出现明显分歧： 对 WT ， P5-1C8 表现为 超高亲和（ K D < 1 pM ） 且 强中和 （ IC 50 = 0.09 nM ，图一 a,d ） ；对 BA.1 ， 亲和中等 （ K D ≈ 8.7 nM ） 且 仍 强 中和 （ IC 50 = 0.02 nM ，图一 b,e ） ； 而 对 JN.1 ， 亲和 显著 下降（ K D ≈ 225 nM ） 并伴 随 快 速 解离，但 IC 50 仍极低 (IC 50 = 0.06 nM ) ， 出现 ~3,700 倍的 K D -to-IC 50 差距（图一c,f）。为 解释这一 显著 差异 ， 该团队从 高分辨率表位定位 入手 。晶体结构 显示 P5-1C8 属于 Class 1 抗体，靶向 RBM （头部受体结合区） ，其接触残基与多种已知 Class 1 抗体高度重叠【3,8】（图一g-k）。 比较 WT 、 BA.1 和 JN.1 的结构与突变，发现若干界面残基的变化与 SPR 测定的 结果保持 一致 ，这 可以 解释 结合亲和力 的 逐级下降， 但这些 结构与动力学 变化仍不足以 解释 P5-1C8 对 JN.1 保持的强中和活性，提示 可能 存在受体 阻断 以 外的 其它 中和机制。

图一： P5-1C8 IgG 的中和效价、结合亲和力和表位定位

为 从 结构层面 探究结合模式，团队使用 负染电子显微镜（ N s-EM ），对全长 IgG 和 Fab 片段与 WT 、 BA.1 、 JN.1 S 的复合物进行表征。 结果显示：在 WT 和 BA.1 条件下 ， IgG 和 Fab 均 可 结合， 且 IgG 多 表现 为 刺突 内二价结合（图二a,b）； 相反， 在 JN.1 下 ，未能 捕获稳定的 IgG-S 复合物， 只能观察到 明显的颗粒聚集（图二a）。 与全长 IgG 的观察相反， P5-1C8 Fab 对 JN.1 完全无结合、无聚集（图二b）， 也 不具中和活性（ IC 50 > 10 μg /mL ） 。 全长 IgG 虽对 JN.1 有弱结合（ K D = 225 nM ），但伴随清晰的聚集， 表明二价的 IgG 可 能 跨 越 多个 S 三聚体参与结合， 且 结合多发生在聚集簇内而非孤立三聚体上。

图二： 抗体 P5-1C8 与 WT 、 BA1 和 JN1 S 三聚体的多价结合模式。

为 模拟病毒表面的多价刺突展示，该团队采用 合作者提供的 表面包覆 S 蛋白的纳米颗粒 进行研究 。 SPR 结果 显示，对 WT ， 无论游离 S 还是纳米颗粒 展示，均为 快结合慢解离 ； 而对 JN.1 ， 与游离 S 的快解离 相比， 纳米颗粒展示显著减慢了 解离速率 。 Ns-EM 显示 NP-WT S 与 IgG 孵育后保持单分散，并能 观察 到 IgG 的 密度， 表明 存在 IgG 的 二价结合 ； NP-JN.1 S 则 表现为颗粒间聚集 。总体而言，纳米颗粒 的多价 展示 可增强 IgG 的 结合， 但 JN.1 下 观察到的颗粒聚集，其 具体驱动 机制仍待进一步阐明。

为探 明弱结合 IgG 如何驱动 NP - JN.1 S 的聚集，该团队 开展了 粗粒度（ CG ）分子动力学模拟 （ 125 个 NP-S ， 1.4 μM IgG ，轨迹 达 15 μs ） ，以同时捕捉局部结合与全局聚集 事件。 模拟重现了两类命运： NP-WT 保持单分散 ； NP-JN.1 则 经两步过程形成大 的聚集体 ，即 低亲和 IgG 通过快速 on-rate （ 结合速率 ） 实现 短暂 的 刺突 间 桥接 并形成初始小簇 （ seed ） ; 一旦小簇形成，其后续增长在很大程度上不再依赖 IgG 的 参与，而 更 可能由刺突 与 刺突之间的弱相互作用 协同 推动，并在多价呈递的刺突被聚拢到近距离时得到进一步强化。

综上所述，该研究 提醒我们， 评价抗体不能只看单一的亲和力 指标 ，应把 IgG 二价性、多价展示与聚集能力纳入考量。 低亲和并不等于低价值， 在合适的多价微环境下，弱结合抗体同样可能发挥强效中和 。科研与药研团队在 抗体的 筛选 与 优化时，可考虑加入多价 或 聚集相关的功能学评估，或许会发现被传统 流程 丢弃的 宝贵候选者 。

该工作由国家纳米科学中心杨雨荷 研究员 、赵宇亮 院士 团队，清华大学医学院张林琦教授团队，清华大学化工系燕立唐教授团队联合中国医学科学院肿瘤医院刘芝华教授团队合作完成，杨雨荷 研究员 、赵宇亮 院士、 张林琦教授 、 张绮 研究员 、燕立唐教授 和 刘芝华教 授为该论文的通讯作者。 北京协和医学院和 国家纳米科学中心联合培养博士生 吕念 念 ，清华大学 医学院 博士生 陈鹏 及 清华大学 化工系 博士后（已出站） 戴晓彬 为本论文共同第一作者。

原文链接： https://doi.org/10.1002/advs.202517192

杨雨荷课题组 （ yryanglab.com ） 致力于开发新一代 DNA 纳米疫苗，以及体液免疫分析平台技术，针对人类免疫缺陷病毒、冠状病毒以及流感病毒等，利用少量血清样品，高效、实时、全面捕获抗体表位信息，揭示疫苗效果及机理。课题组长期招聘副研究员，特别研究助理即博士后以及科研助理，提供多学科交叉的纳米材料学和免疫生物学科研训练环境。欢迎广大结构生物学、病毒学及免疫学，材料学等领域的人才投递简历。

制版人：十一

参考文献

[1] Zhou Y, Liu Z, Li S, et al. Enhancement versus neutralization by SARS-CoV-2 antibodies from a convalescent donor associates with distinct epitopes on the RBD.Cell Rep, 2021, 34: 108699.

[2] Ju B, Zhang Q, Wang Z, et al. Infection with wild-type SARS-CoV-2 elicits broadly neutralizing and protective antibodies against omicron subvariants.Nat Immunol, 2023, 24: 690-699.

[3] Luo M, Zhou R, Tang B, et al. Ultrapotent class I neutralizing antibodies post Omicron breakthrough infection overcome broad SARS-CoV-2 escape variants.EBioMedicine, 2024, 108: 105354.

[4] Philip J M B , T om G C, Karlijn V D S, et al . Potent neutralizing antibodies from COVID-19 patients define multiple targets of vulnerability.Science2020, 369: 643-650.

[5] Cao Y, Su B, Guo X, et al. Potent Neutralizing Antibodies against SARS-CoV-2 Identified by High-Throughput Single-Cell Sequencing of Convalescent Patients' B Cells.Cell, 2020, 182: 73-84.

[6] Kathryn M. Hastie H L, Daniel B, et al . Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study.Science2021, 374: 472-478.

[7] Thomas F. Rogers F Z, Huang D , et al . Isolation of potent SARS-CoV-2 neutralizing antibodies and protection from disease in a small animal model.Science, 2020, 369: 956 - 963.

[8] Ge J, Wang R, Ju B, et al. Antibody neutralization of SARS-CoV-2 through ACE2 receptor mimicry.Nat Commun, 2021, 12: 250.

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