【学术前沿】谢晓亮团队：利用单细胞测序技术筛选新冠有效抗体 | CellPress对话科学家

细胞世界中国细胞生物学学会官方澎湃号

2020-05-30 03:18

天津

以下文章来源于CellPress细胞科学，作者Cell Press

CellPress细胞科学

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2020年1月31日，Cell Press新型冠状病毒中英双语资源中心正式开放。您可以在该资源中心页面上查找到COVID-19相关论文的投稿政策，以及Cell Press旗下期刊已发表的有关疫情和病毒的论文。网站正在不断更新中，所有内容都可以免费阅读，。

最新在中心上线的发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上研究论文，名为"Potent neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 identified by high-throughput single-cell sequencing of convalescent patients’ B cells"，来自北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心(ICG)主任谢晓亮团队领衔多家合作单位，利用高通量单细胞测序技术，从新冠肺炎康复期患者血浆中成功筛选出多个高活性中和抗体。中和抗体由人体免疫系统产生，可以有效阻止病毒感染细胞。

Cell Press细胞出版社微信公众号对该论文进行了解读并同时采访了论文通讯作者谢晓亮和第一作者曹云龙，旨在与广大科研人员分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

*以下中文内容仅供参考，请以英文原文为准。

研究介绍

谢晓亮团队与佑安医院金荣华团队合作，从60位康复期病人身上共筛选出8558种病毒蛋白结合抗体序列，成功找出14株高活性的中和抗体。其中编号为BD-368-2的抗体表现突出，在假病毒实验中的半抑制浓度（IC50）可达到1.2 ng/mL (8pM)；在军事医学研究院秦成峰团队于P3实验室进行的真病毒实验中，IC50可达到15 ng/mL (100pM)。

近日完成的中和抗体体内抗病毒实验已经证实，利用中国医学科学院医学实验动物研究所秦川教授团队的hACE2转基因小鼠模型，感染SARS-Cov-2后给予BD-368-2的治疗使病毒载量下降2400倍。而注射BD-368-2后可完全抑制小鼠模型的病毒感染，达到预防效果。

研究团队的结构生物学家苏晓东、肖俊宇及其课题组还利用冷冻电镜（Cryo EM）得到新冠病毒Spike三聚体与中和抗体的高分辨率3.8?三维结构密度图。数据显示，抗原上的中和抗体表位与ACE2的结合位点重合，从而揭示出中和作用的结构基础。另外他们还发现，利用抗体序列推算出的抗体与SARS病毒中和抗体在结构上的相似性筛选新冠病毒中和抗体，可大幅提高筛选效率。

目前，动物实验已证明该团队的中和抗体有望成为治疗新冠肺炎强效药，同时也可提供短期预防。这是科学抗疫的一个重要阶段性胜利。

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作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请谢晓亮教授

进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简单介绍一下研究背景和初衷。

谢晓亮教授：

我们团队一直致力于单细胞测序方面的研究。新冠肺炎爆发伊始，我们就在思考如何利用单细胞测序技术为疫情作出贡献。在参考了一些专业人士的意见和大量文献调研后，我们团队一致认为利用高通量单细胞RNA测序从康复期病人身上快速，高效率的筛选出高中和活性抗体是最具科研及社会价值的一个研究项目。我们知道康复期病人的血浆可以有效抑制新冠肺炎患者体内的病毒复制，但是血浆供应有限，大规模应用不现实。而血浆中的实际有效成分是中和抗体，一旦筛选出合适的高中和活性的中和抗体，就可以大规模生产和应用，这在HIV，Ebola上都有成功的例子。但是由于B细胞产生抗体的VDJ重排机制，每个B细胞的VDJ可变区序列都不尽相同，所以提取抗体序列往往需要单细胞测序技术，而这正是我们团队的强项。我们在项目开始的时候就相信，通过目前国际上最先进的高通量单细胞测序技术，结合我们团队对于单细胞数据的分析和理解，可以很快找到优质的，有医用价值的高中和活性抗体。

CellPress：

为了识别并提取高效的中和抗体，研究团队是如何筛选B细胞克隆型并进行提纯的？

谢晓亮教授：

为了实现更高效率的B细胞克隆型的筛选，我们也做了许多试验性尝试。最终我们总结出以下几条准则来辅助筛选：

1. 选择富集克隆型。人体的免疫系统会根据B细胞表面抗体对于抗原的亲和力来进行选择性克隆富集，所以我们认为富及克隆型所生产的抗体具有强抗原亲和力的可能性更高。

2. 选择含有IgG1抗体，且不含IgG2抗体的克隆型。对于病毒型入侵，IgG1抗体是最有效的。而IgG2抗体往往是针对细菌等类型感染，对于病毒抗原亲和力相对低。

3. 选择VDJ可变区DNA突变较多的克隆型。B细胞的VDJ可变区由于可以通过高频率的DNA突变来选择出高抗原亲和力的序列，所以往往VDJ可变区的突变越多，说明其经历的突变筛选轮数越多，具有高抗原亲和力的可能性就越高。

4. 选择含有记忆B细胞的克隆型。这主要是为了排除仅含有衰竭B细胞的克隆型。

CellPress：

BD-368-2是本研究中一种非常重要的抗体类型，具有潜在的治疗和预防SARS-CoV-2感染的作用，其大规模提取和应用会面临哪些问题？

谢晓亮教授：

大规模制备医用等级BD-368-2需要CHO稳定细胞株，我们正在与药明康德进行深度合作来进行抗体的制备。另外，我们也正在与医科院动物所的秦川教授团队合作，来确认BD-368-2的最优给药剂量和免疫反应，为临床实验作准备。当然，在大规模应用之前，必须要通过严格设计的临床试验来验证我们的抗体在人身上的有效性和安全性。

CellPress：

从患者体内提取的B细胞样本数量较少，且大多为非富集克隆型，这给试验带来了怎样的困难，研究团队是如何解决这一问题的？

谢晓亮教授：

确实，我们测序所得的大部分克隆型都是非富集的，但这并不代表这些序列是没有价值的。相反，利用生信手段，我们也可以如文章所述，基于抗体序列的预测结构，高效率地挑选出中和活性相当高的抗体。

CellPress：

试验中仅结合S1/S2亚基的抗体未能表现出中和伪病毒的能力，而结合RBD的抗体显示出了很强的中和能力，这说明了什么？

谢晓亮教授：

目前国际上已经有团队从SARS-CoV康复者体内提取到了结合S2的中和抗体，这表明实际上是存在非RBD结合的新冠病毒中和抗体的。而我们在尝试了70多个非RBD结合抗体后，却没能发现好的中和抗体。我们相信这说明非RBD的中和抗体是稀少的。大部分康复者体内所产生的中和抗体应该是结合RBD区域的。这不难理解，因为RBD区域是病毒识别ACE2的位点，本身相较于Spike蛋白其他区域更加暴露，应该是最容易产生中和抗体的位点。当然我们需要更多的后续实验来验证这一观点。

CellPress：

该研究为后续COVID-19的治疗和疫苗研发提供了怎样的便利？

谢晓亮教授：

BD-368-2的小鼠实验显示，该抗体在动物模型中对于新冠的预防和治疗都有显著成效。我们相信经过临床试验，该抗体有望成为特效药，可以有效抑制轻重症患者体内的病毒。另外，给一线医患人员以及病患家属预防性用药还可以提供短期（约三周）的保护。

我们还发现，不同的康复患者体内存在序列十分相近，RBD结合表位十分相近的高中和活性的抗体。这表明新冠病毒RBD区域上面存在一段特殊的表位，这个表位能够高效地促成不同个人都产生高中和活性的抗体，而这正是一个优质新冠疫苗应该达到的效果。我们目前正在跟北大的苏晓东和肖俊宇团队进行合作，通过冷冻电镜和晶体结构来解析这些抗体的具体表位，有望能够设计出高效率的新冠疫苗，对目前国内和国际上的疫苗研究和生产提供一个补充和后备方案。

CellPress：

团队的下一步研究计划如何？

谢晓亮教授：

我们目前正在全力推进BD-368-2抗体的临床试验和大规模制备，预计7月中旬可以在澳洲等国家开始第一轮临床试验。

通讯和第一作者简介

谢晓亮是北京大学李兆基讲席教授、理学部主任、美国国家科学院院士、美国国家医学院院士、美国艺术与科学院院士、中国科学院外籍院士。他曾任哈佛Mallinckrodt讲席教授（2009-2018年），现任北京大学生物医学前沿创新中心主任，北京未来基因诊断高精尖创新中心主任。

谢晓亮是单分子酶学的创始人、单分子生物物理化学的奠基人之一、相干拉曼散射显微成像技术和单细胞基因组学的开拓者。谢晓亮团队发明的MALBAC技术为中国上千个患有单基因遗传病的家庭成功避免了疾病的后代传递。

谢晓亮荣获多项国际奖项，其中包括美国物理化学领域最高奖项“Peter Debye”奖、美国生物物理学会最高奖项“Founders”奖和美国医学领域最高奖项之一Albany医学奖。

曹云龙，博士，2014年浙江大学物理系本科毕业，2019年哈佛大学化学系生物化学博士毕业，同年起在北大谢晓亮实验室担任RA。