Der Super-Antikörper UT28K zeigt eine Breitbandaktivität gegen SARS-CoV-2-Varianten

Auch wenn die Omicron-Variante des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) weiterhin zirkuliert und aufgrund ihrer Immunescape-Eigenschaften Tausende neuer Fälle und Durchbruchinfektionen verursacht, beschreibt ein neues Forschungspapier einen neutralisierenden Antikörper gegen das Virus das gegen Omicron sowie mehrere andere Varianten aktiv ist.

Studien: Der neuartige superneutralisierende Antikörper UT28K kann vor Infektionen durch eine Vielzahl von SARS-CoV-2-Varianten schützen. Bildnachweis: Leonid Altman / Shutterstock

Einführung

Die Pandemie der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ist noch lange nicht vorbei, obwohl die Zahl der gemeldeten Krankenhauseinweisungen und Todesfälle in einigen Regionen der Welt erheblich zurückgegangen ist. SARS-CoV-2 hat homotrimere Spike-Protein-Antigene auf seiner Oberfläche, wobei jedes Spike-Monomer die S1- und S2-Untereinheiten umfasst. Die erste davon hat eine rezeptorbindende Domäne (RBD) und eine N-terminale Domäne (NTD).

Die RBD vermittelt als ersten Schritt im Infektionsprozess die Anheftung der Wirtszelle durch das Virus. Die Bindung erfolgt an den Angiotensin-Converting-Enzym-2-(ACE2)-Rezeptor des Wirts, der auf einer Vielzahl menschlicher Zellen exprimiert wird. Neutralisierende Antikörper wirken oft, indem sie die Wechselwirkung zwischen ACE2 und der RBD hemmen und so eine SARS-CoV-2-Infektion verhindern.

Eine Reihe von monoklonalen Antikörpern (mAbs) mit Aktivität gegen die RBD wurde aus Rekonvaleszenzserum isoliert. Der mAb-Cocktail Casirivimab (REGN10933) und Imdevimab (REGN10987) wurden für die Behandlung von COVID-19 im Frühstadium zugelassen, ebenso wie der mAb Sotrovimab (VIR-7831).

Neuere besorgniserregende Varianten (VOCs) wie Alpha, Beta, Gamma und Delta waren anfällig für diese mAbs, wenn auch in unterschiedlichem Maße. Omicron zeigte jedoch Immune Escape und widerstand der Neutralisierung durch Casirivimab und Imdevimab, vermutlich aufgrund von Mutationen an der ACE2-Bindungsstelle der RBD, einer antigenen Supersite. Auf der anderen Seite zeigt Sotrovimab weiterhin eine neutralisierende Aktivität, wenn auch auf 3-fach niedrigerem Niveau.

Die aktuelle Studie, online veröffentlicht im Journal mAbsbeschreibt einen neuen mAb, UT28K, der eine vielversprechende breit neutralisierende Aktivität gegen das Virus hat.

Was hat die Studie gezeigt?

In dieser Studie isolierten die Forscher neutralisierende mAbs aus peripheren mononukleären Blutzellen eines COVID-19-Patienten, der sich von einer schweren Krankheit erholt hatte, in der Annahme, dass stark neutralisierende Antikörper nachgewiesen würden. Neutralisationsassays zeigten Aktivität gegen Pseudoviren, die den D614G-Spike sowie mehrere andere VOC-Spike-Varianten exprimieren.

Dieses Serum wurde mit dem Immunspot-Array-Assay auf einem Chip (ISAAC) auf einzigartige Anti-RBD-Antikörper getestet. Das Ergebnis war die Entdeckung von UT28K, einem von fünf Klonen, die die Spike-ACE2-Bindung hemmten.

UT28K zeigte pikomolare Hemmkonzentrationen gegen die VOCs von SARS-CoV-2, aber eine 10-fach geringere neutralisierende Aktivität gegen Omicron. Das heißt, während die halbmaximale Hemmkonzentration (IC50) gegen frühere VOCs im Bereich von 40–120 pM lag, stieg sie auf zwischen 500 und 5000 pM gegen Omicron im Vergleich zum Wildtypvirus, während die neutralisierende Fähigkeit immer noch erhalten blieb.

Strukturen des an das SARS-CoV-2 S-Protein gebundenen Antikörpers UT28K und ihre Wechselwirkungen.  (a) Cryo-EM-Struktur von Fab UT28K, gebunden an das SARS-CoV-2-S-Protein-Trimer.  Die schweren und leichten Ketten von Fab UT28K sind in Pink bzw. Marineblau dargestellt.  Die S1- und S2-Untereinheiten sind grau bzw. schwarz dargestellt.  Die N-verknüpften Glykane sind in Cyan dargestellt.  (b) Die Kristallstruktur von Fab UT28K, gebunden an das SARS-CoV-2 S-Protein RBD.  Die Farben von Fab UT28K sind die gleichen wie in A. Die SARS-CoV-2 S RBD ist grün dargestellt.  (c) Ein Vergleich der Bindungsmodi der Antikörper UT28K und 253XL55 (VH; gelb und VL; orange), die an das SARS-CoV-2 S-Protein RBD gebunden sind.  (dg) Wechselwirkungen von Schlüsselresten zwischen Fab UT28K und der SARS-CoV-2 S RBD.

Strukturen des an das SARS-CoV-2 S-Protein gebundenen Antikörpers UT28K und ihre Wechselwirkungen. (a) Cryo-EM-Struktur von Fab UT28K, gebunden an das SARS-CoV-2-S-Protein-Trimer. Die schweren und leichten Ketten von Fab UT28K sind in Pink bzw. Marineblau dargestellt. Die S1- und S2-Untereinheiten sind grau bzw. schwarz dargestellt. Die N-verknüpften Glykane sind in Cyan dargestellt. (b) Die Kristallstruktur von Fab UT28K, gebunden an das SARS-CoV-2 S-Protein RBD. Die Farben von Fab UT28K sind die gleichen wie in A. Die SARS-CoV-2 S RBD ist grün dargestellt. (c) Ein Vergleich der Bindungsmodi der Antikörper UT28K und 253XL55 (VH; gelb und VL; orange), die an das SARS-CoV-2 S-Protein RBD gebunden sind. (dg) Wechselwirkungen von Schlüsselresten zwischen Fab UT28K und der SARS-CoV-2 S RBD.

In einem syrischen Hamstermodell schützte die intraperitoneale Anwendung von UT28K vor einer Infektion durch SARS-CoV-2-Mutanten oder Pseudoviren, wenn letztere in die Luftröhre eingeführt wurden. Luftröhre und Lunge waren nach 24 Stunden fast vollständig virusfrei. Die Schutzdosis betrug 0,3 mg / kg für Alpha, Gamma, Delta und Kappa, aber zehnmal höher für Beta und Omicron. Dies zeigt eine starke Schutzwirkung gegen alle Varianten, wenn auch schwächer für die beiden letzteren.

Weitere Analysen zeigten, dass UT28K im Gegensatz zu anderen der hier zuerst identifizierten neutralisierenden Antikörper ein anderes Paar von Antikörpergenen (IGHV1-58 / IGKV3-20) verwendete, die eine sehr starke RBD-Bindung und eine starke Neutralisierung des Virus bewirken. Strukturstudien mit Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) des Spike-Proteins, das an das Antikörper-bindende Fragment (Fab) von UT28K gebunden ist, zeigten den gleichen Bindungsmodus wie bei früheren mAbs, die diese Gene verwenden. Röntgenkristallographie bestätigte diese Schlussfolgerungen, wobei der RBD F486-Rest mit der hydrophoben Tasche des Antikörpers interagierte.

Seitenkettenbindung war auch mit dem RBD-Q493-Rest und dem Fab vorhanden. Außerdem wurden einige einzigartige Wechselwirkungen mit der Seitenkette von RBD N487 und den Hauptkettenresten S477 und T478 beobachtet, die an verschiedenen Punkten Wasserstoffbrückenbindungen mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen der Fab-Haupt- und -Seitenketten bildeten.

UT28K reagierte nicht mit RBD-Mutanten, die F486S oder N487R trugen, aber andere Mutationen beeinflussten die UT28K-Bindung nicht, was zeigt, dass die beiden oben genannten für die Bindung an diesen mAb wesentlich sind. Dies unterstützt wiederum die Verwendung von IGHV1-58 / IGKV3-20. Schließlich wird das Auftreten der Y489H-Mutation begünstigt, wenn es in einer Umgebung gezüchtet wird, die UT28K enthält.

Was sind die Auswirkungen?

Die Identifizierung von öffentlichen Antikörpern, die dieses Genpaar verwenden, wurde bereits früher während der Forschung zu mAbs berichtet, die SARS-CoV-2 und andere ähnliche Viren neutralisieren. RBD-Mutanten, die von diesen mAbs gebunden werden, müssen notwendigerweise F486 aufweisen. In dieser Studie ist UT28K ein öffentlicher mAb aus dieser Gruppe mit einer Sequenz, die anderen in dieser Gruppe sehr ähnlich ist.

Im Gegensatz zu anderen interagiert sein Fab jedoch auf unterschiedliche Weise mit der Spike-RBD-Hauptkette, ein Merkmal, das das breite Spektrum der Neutralisierung dieses mAb erklären könnte. Es ähnelt auf diese Weise einem breiten neutralisierenden Anti-HIV1-mAb, der ebenfalls durch Hauptkettenbindungen vermittelte Wechselwirkungen mit dem Virus aufweist.

Die Hauptkettenwechselwirkungen von UT28K umfassten A475V, G476S, S477N, aber es bindet nicht an die Seitenkettenmutanten F486S und N487R. Die N487- und Y489-Reste der RBD scheinen dabei zu helfen, den F486-Rest für die Bindung an UT28K an der hydrophoben Tasche richtig auszurichten, und Mutationen an diesen Stellen ermöglichen ein Entweichen des Antikörpers. Der berüchtigte E484-Rest der RBD, der eine bekannte Immun-Escape-Mutationsstelle ist, insbesondere in den Beta- und Omicron-VOCs, befindet sich außerhalb der UT28K-Bindungsstelle

Diese beiden scheinen die weitgehend neutralisierende Aktivität von UT28K zu erklären, obwohl die Q493R-Mutation die Ursache für die geschwächte Neutralisierung gegen Omicron sein könnte. Dies könnte auf die Entfernung von Wasserstoffbrückenbindungen oder auf sterische Hinderung zurückzuführen sein.

Mutationen bei F486, N487 und Y489 könnten eine UT28K-Umgehung verursachen, aber da die ersten beiden für RBD-ACE2-Wechselwirkungen essentiell zu sein scheinen und da Mutationen an diesen Stellen bisher äußerst ungewöhnlich sind, scheint es, dass sie unwahrscheinlich sind Ausgabe.

F486-, N487- und Y489-Mutationen verlieren wahrscheinlich ihren Wettbewerbsvorteil gegenüber zirkulierendem SARS-CoV-2. Daher ist das Auftreten einer UT28K-neutralisationsresistenten SARS-CoV-2-Variante unwahrscheinlich. Diese Daten legen nahe, dass UT28K ein lebensfähiger neuer mAb ist. UT28K wird wahrscheinlich zusammen mit Impfstoffen einen wirksamen Schutz gegen SARS-CoV-2-Mutanten, einschließlich neu auftretender Varianten, bieten.“

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