北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）、北京昌平實驗室曹云龍研究員/謝曉亮教授課題組聯(lián)合中國食品藥品檢定研究院王佑春研究員課題組于2022年12月19日在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表了題為“Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution”的研究論文，系統(tǒng)地探究了新冠病毒受體結(jié)合域（RBD）“趨同演化”的機制，并前瞻性地對病毒未來突變演化方向進行了預(yù)測，為廣譜疫苗和抗體藥物的設(shè)計與研發(fā)提供了寶貴的理論與數(shù)據(jù)支持。

研究人員對不同免疫背景人群中分離得到的抗體進行了大規(guī)模中和測定和逃逸圖譜表征，發(fā)現(xiàn)病毒趨同進化產(chǎn)生的變異株幾乎逃逸了目前所有中和抗體藥物、疫苗接種者或康復(fù)者血漿，包括BA.5突破感染者血漿。并且，由于“免疫印跡”現(xiàn)象的存在，奧密克戎亞型變體突破感染后產(chǎn)生的抗體多樣性逐漸降低，特別是BA.5突破感染，這提示基于BA.5變異株研發(fā)的疫苗加強針不能對新出現(xiàn)變異株產(chǎn)生良好的交叉防感染保護效果。另外，研究者基于抗體的大規(guī)模中和測定和逃逸圖譜表征的數(shù)據(jù)建立了一個計算模型，對病毒演化方向進行了合理預(yù)測。盡管這些新突變株，特別是其中的XBB、BQ.1.1和CH.1.1等支系具有前所未有的免疫逃逸能力，作者團隊此前篩選出的廣譜中和抗體藥物組合SA55+SA58，特別是SA55，仍然強效中和所有主要突變株和未來短期內(nèi)可能流行的突變株，且能同時具有治療和預(yù)防作用，是目前唯一已知能夠高效中和所有新突變株的、處于臨床階段的藥物抗體，相關(guān)論文此前于12月初發(fā)表于知名生命科學(xué)期刊《細胞報道》（Cell Reports）。該抗體具有廣譜中和能力強、將很難被未來變異株逃逸、半衰期長等特征，將特別適用于不適合接種疫苗的老年人、免疫缺陷人群等群體的防護。

論文截圖

本研究最早于2022年9月16日在線發(fā)布于bioRxiv預(yù)印本平臺，是世界首篇系統(tǒng)性研究新冠病毒“趨同演化”機制，預(yù)測病毒進化方向的研究論文，在國際學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注。

病毒的持續(xù)突變演化使得多種較高增長優(yōu)勢的變異株陸續(xù)涌現(xiàn)，BA.2.3.20、BA.2.75.2及其支系，乃至最近出現(xiàn)的BQ.1.1和XBB等變異株相比于BA.5都具有更高的增長優(yōu)勢。盡管它們的進化過程各不相同，處于奧密克戎的不同支系，但其受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）上的突變都集中于R346、K356、K444、V445、G446、N450、L452、N460、F486、F490、R493和S494等位點，呈現(xiàn)出“趨同演化”的趨勢（圖1）。

圖1 奧密克戎亞型變體RBD蛋白攜帶的突變

中和測定的數(shù)據(jù)提示“趨同演化”產(chǎn)生的變異株具有極強的逃逸能力，絕大多數(shù)中和抗體藥物都被以XBB為代表的變異株逃逸（圖2），包括此前已初步進入國內(nèi)市場的阿斯利康公司Evusheld（“恩適得”）預(yù)防抗體藥物。由于此類新突變株的流行，美國FDA也取消了禮來公司Bebtelovimab（貝特洛韋單抗）的使用授權(quán)。唯一的例外是作者團隊開發(fā)的SA55抗體，它是目前唯一對包括XBB和BQ.1.1等在內(nèi)的所有突變株仍舊有效的進入臨床階段的抗體藥物（圖3）。

圖2 奧密克戎亞型對中和抗體藥物的逃逸情況

圖3 廣譜中和抗體SA55和SA58

血漿中和數(shù)據(jù)也顯示，XBB，CH.1.1和BQ.1.1.10（或BQ.1.18）等毒株不僅逃逸了三針滅活疫苗接種者的血漿，也幾乎完全逃逸奧密克戎BA.1/BA.2/BA.5突破感染者的血漿樣本，顯示出極大的免疫逃逸能力（圖4）。

圖4 奧密克戎亞型逃逸疫苗接種者與康復(fù)者血漿中和

為了探究不同奧密克戎變異株呈現(xiàn)“趨同演化”現(xiàn)象的具體機制，團隊從BA.1、BA.2或BA.5突破感染康復(fù)者體內(nèi)富集了抗原特異性記憶B細胞，發(fā)現(xiàn)其中大部分記憶B細胞交叉結(jié)合新冠原始株和奧密克戎變異株，印證了之前作者團隊報道的存在于奧密克戎突破感染中的“免疫印跡”現(xiàn)象。基于高通量深度突變掃描技術(shù)，團隊對不同來源的3051個交叉結(jié)合新冠原始株與奧密克戎變異株的抗體進行了突變逃逸圖譜測定與聚類分析（圖5a），發(fā)現(xiàn)奧密克戎特別是BA.5變體突破感染刺激產(chǎn)生的有效中和抗體種類明顯減少，產(chǎn)生的主要是E2.2、E3和F1等不競爭ACE2結(jié)合表位且中和能力較弱的抗體（圖5b-d)。

圖5 奧密克戎亞型變異株突破感染刺激產(chǎn)生抗體的表位表征

基于抗體逃逸圖譜、抗體中和活性、RBD突變對于ACE2親和力變化等數(shù)據(jù)，團隊建立了一個模型，分別計算了BA.2和BA.5突破感染刺激產(chǎn)生抗體的突變逃逸圖譜（圖6a），結(jié)果顯示，BA.5突破感染刺激產(chǎn)生抗體的突變逃逸位點顯著減少，表明其結(jié)合表位多樣性明顯減少。這提示，免疫印跡現(xiàn)象使得奧密克戎變異株突破感染刺激產(chǎn)生中和抗體表位多樣性降低，導(dǎo)致免疫壓力集中，從而加速了病毒的趨同進化。在此基礎(chǔ)上，研究者基于2022年8—9月真實世界的主流免疫狀態(tài)，基于計算模型預(yù)測了BA.2.75和BA.5的進化趨勢（圖6b），這在隨后趨同進化產(chǎn)生的新毒株中得到驗證。

圖6 免疫印跡效應(yīng)加速了抗體逃逸突變的趨同進化

另外，研究人員基于BA.2.75和BA.5突變株的預(yù)測進化趨勢，設(shè)計了攜帶不同RBD和NTD預(yù)測突變組合的假病毒（圖7a），并測定了這些假病毒對不同中和抗體藥物和血漿樣本的中和情況及ACE2親和力（圖7b-g），結(jié)果顯示，對BA.5或BA.2.75突變株最少引入5個突變就可以逃逸包括BA.5突破感染者在內(nèi)的不同免疫狀態(tài)下的幾乎所有血漿樣本。并且，合成的假病毒與之后真實世界流行的BQ.1.1支系、CH.1.1支系等高度相似，驗證了預(yù)測模型的準確性。

圖7 趨同逃逸突變的累積能夠幾乎完全逃逸BA.1/BA.2/BA.5突破感染血漿的中和作用

本研究揭示了“免疫印跡”造成的奧密克戎突破感染刺激產(chǎn)生抗體表位多樣性降低，進而導(dǎo)致免疫壓力集中化，促使新冠病毒RBD蛋白發(fā)生趨同演化的現(xiàn)象，這些積累趨同進化突變的病毒在獲得極強突變逃逸能力的同時，也保持了較高ACE2親和力。本研究中的預(yù)測方法為預(yù)測病毒突變演化趨勢、開發(fā)廣譜疫苗和抗體藥物提供了參考資料，且具有擴展到其他體系的潛力。同時，研究結(jié)果也提示，基于BA.5突變株研發(fā)的疫苗對于其他變體的交叉保護效果很可能不夠理想，進一步開發(fā)設(shè)計能夠克服免疫印跡、激活廣譜中和抗體的新型疫苗至關(guān)重要。而以SA55+SA58抗體組合為代表的廣譜中和抗體既可以通過鼻噴給藥方便快捷地在呼吸道建立短效預(yù)防，又可以通過注射實現(xiàn)感染初期的治療和中長期預(yù)防，特別適用于保護高風(fēng)險的醫(yī)護人員以及不宜接種疫苗的免疫缺陷人群和老年人。SA55與SA58已經(jīng)授權(quán)給科興生物進一步開發(fā)，初步的單盲隨機對照試驗顯示，噴霧吸入一次提供的即時保護可維持6—12小時，預(yù)防感染效率可達到80%以上，且成本較低，方便使用，目前正在進行更嚴謹?shù)呐R床試驗，預(yù)計將來可以大規(guī)模推廣。

曹云龍，北京大學(xué)博士研究生簡繁沖、王菁、宋瑋良，中國食品藥品檢定研究院于原玲為Nature論文的共同第一作者。曹云龍、謝曉亮、王佑春為Nature論文的共同通訊作者。

曹云龍，北京大學(xué)博士研究生簡繁沖、張志瑩、阿依江·伊斯馬衣，地壇醫(yī)院郝曉花博士，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院鮑琳琳研究員為Cell Reports論文的共同第一作者。曹云龍，謝曉亮，北京大學(xué)肖俊宇教授，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院秦川教授，地壇醫(yī)院院長金榮華為Cell Reports論文的共同通訊作者，北京大學(xué)、昌平實驗室、中國科學(xué)院動物研究所、中國食品藥品檢定研究院、科興公司等單位的相關(guān)科研人員為共同作者。

本系列研究得到科技部、昌平實驗室基金、國家自然科學(xué)基金和北京市科技計劃支持。

參考文獻

[1] Cao, Y. et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution.Nature(2022).

[2] Cao, Y. et al. Omicron escapes the majority of existing SARS-CoV-2 neutralizing antibodies.Nature(2022).

[3] Cao, Y. et al. BA.2.12.1, BA.4 and BA.5 escape antibodies elicited by Omicron infection.Nature(2022).

[4] Cao, Y. et al. Rational identification of potent and broad sarbecovirus-neutralizing antibody cocktails from SARS convalescents.Cell Rep.(2022)

專家點評：

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院祁海教授：

這一工作深入探究了構(gòu)成當(dāng)前新冠大流行的多個奧密克戎毒株對人類群體免疫的逃逸規(guī)律。曹云龍/謝曉亮聯(lián)合團隊發(fā)現(xiàn)，多個奧密克戎株亞型在受體結(jié)合蛋白上都顯現(xiàn)出相同或類似的逃逸突變。這些突變，在保證病毒結(jié)合其受體的同時，躲避了之前中和抗體的抑制作用。這說明，人群序貫疫苗接種和自然感染所構(gòu)建起的群體免疫，的確在阻斷并降低既往毒株感染；同時，這種群體免疫的壓力，也為未來病毒變異留下了越來越少的潛在逃逸路徑。那么，我們是否可以根據(jù)已有的群體免疫狀態(tài)和現(xiàn)有毒株的受體結(jié)合蛋白，來預(yù)測未來最有可能出現(xiàn)的逃逸突變呢？曹云龍/謝曉亮聯(lián)合團隊利用他們開發(fā)的一種高通量深度突變掃描（DMS）方法，分析、鑒定了BA5和BA2可能逃逸群體免疫的突變。非常重要的是，他們預(yù)測出來的突變，確實出現(xiàn)在了其它具有流行潛力的毒株上。曹云龍/謝曉亮聯(lián)合團隊這項研究所提供的這種預(yù)測能力，可以幫助我們更高效地設(shè)計廣譜抗新冠疫苗，也會使我們更可能為所有潛在逃逸現(xiàn)有群體免疫的毒株準備好“特效藥”。

中國科學(xué)院生物物理所王祥喜研究員：

新冠病毒一直在持續(xù)性進化，衍生出多種突變株；然而在奧密克戎出現(xiàn)之后，新冠病毒的演變速度明顯加快。近半年來，就有BA.5、BF7、BA.2.75、BQ、XBB等近十種新突變株在一些國家成為主要流行突變株。這些新突變株往往其傳染性和抗體逃逸能力都在增強。總體來講，人類對新冠病毒的研究是被動地跟著病毒跑，一個新突變株出現(xiàn)后再去了解它的病毒特性，去探究新突變株對現(xiàn)有疫苗和藥物的影響。如何前瞻性預(yù)測病毒演變的方向，提前預(yù)判未來一段時間內(nèi)可能出現(xiàn)的突變株具有重要的戰(zhàn)略意義。

2022年12月19日，北京大學(xué)謝曉亮/曹云龍團隊聯(lián)合中檢院王佑春團隊在Nature上發(fā)表題為“Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent OmicronRBD evolution”的研究論文，這是該團隊繼新冠中和抗體、新冠疫苗效果評估、追蹤新突變株免疫逃逸特性后，又一系統(tǒng)性而創(chuàng)新性工作。該項研究有五點重要發(fā)現(xiàn)：1）從龐大的數(shù)據(jù)庫中分析出近期有幾十個新突變株其生長優(yōu)勢超越BA.5，且這些突變株有一定的共性，在某些特定位點攜帶相同或相似的突變，呈現(xiàn)趨同進化規(guī)律；2）這些新突變株展示出極強的抗體逃逸特性，基本逃逸國際上已批準上市的抗體藥物；3）一個抗體對組合SA55/SA58（也是該團隊的研究成果）依然高效中和這些新突變株；最后兩點更精彩：4）從原始株感染康復(fù)者、BA.1/BA.2/BA.5突破感染者等不同免疫背景分離2000余株抗體，并繪制出不同免疫背景下抗體譜系特征。相對之前的免疫背景，BA.5突破感染者的主要中和抗體類別相對單一，非中和抗體比例提高，更容易滋生病毒變異去逃逸宿主免疫；5）利用高通量酵母展示技術(shù)精準繪制出抗體免疫逃逸圖譜，與BA.2突破感染的免疫背景相比，BA.5突破感染中和抗體的免疫逃逸位點相對集中且大多出現(xiàn)在近期出現(xiàn)的突變株上。實驗數(shù)據(jù)與真實世界監(jiān)測結(jié)果高度一致。這一研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)對未來一段時間內(nèi)新突變株的精準預(yù)測，預(yù)先了解這些新突變株的病毒特性能夠為科學(xué)精準防控留出寶貴的時間窗口。