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能逃避抗体攻击的新冠变异株出现,疫苗还有效吗?

时间: 2021年01月26日 | 作者: 石云雷 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
近期,在英国、南非和巴西发现的新冠病毒突变株上出现了一些关键的突变,让科学家开始怀疑正在使用的治疗方法是否能对突变株起效。


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3D打印的新冠病毒的刺突蛋白。(图片来源:NIH)


近期,多项发表在预印本网站bioRxiv上的研究,评估了疫苗、单克隆抗体和治疗性血清对目前2种存在关键突变的突变株,即在英国发现的B.1.1.7突变株和在南非发现的501.V2突变株的免疫效应。研究显示,B.1.1.7突变株目前还无法逃脱疫苗介导的免疫反应,但501.V2突变株能显著降低这些治疗措施的免疫效应,甚至会导致再感染。


撰文 | 石云雷


两种突变病毒株


此前最受关注的是新冠病毒刺突蛋白上的D614G突变,去年6月,该变体成为全球范围内最主要的新冠病毒,能促进病毒进入人类细胞。但它并不位于受体结合域(receptor-binding domain,RBD),因此不会影响疫苗的效果。但近期,一些新出现的新冠病毒突变毒株带来了更大的威胁。


例如,在英国出现的有7个突变位于刺突蛋白上,其中关键的突变N501Y【蛋白链上501位的天门冬酰胺(N)突变为酪氨酸(Y)】就存在于受体结合域,且在与病毒结合的序列中。它能增加新冠病毒与人细胞ACE2受体的亲和力,加快病毒在人群中的传播。除此之外,其刺突蛋白上的两个氨基酸丢失,或可以帮助其逃避免疫反应;而P681H 突变可能还会增强它与细胞的融合能力。


但相比之下,在南非发现的501.V2突变株情况更加严重。它的刺突蛋白上存在9个突变,其中3个位于刺突蛋白的受体结合域,分别是N501Y、K417N和E484K。尤其值得注意的是,E484K也位于受体结合域的结合序列中。


前期检测显示,这一突变与病毒逃脱综合性抗体的能力相关,可能会影响一些靶向刺突蛋白的疫苗的效果。此外,501.V2突变株的刺突蛋白上还存在3个氨基酸的丢失,这可能会影响新冠病毒的抗原性,进而导致病毒出现“逃逸突变”,逃避单克隆抗体(单一的特异性抗体,能与刺突蛋白上特定的序列结合)的免疫反应。


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图片 mRNA疫苗介导产生的多种抗体在新冠病毒受体结合域上的作用位点。(图片来源:Nussenzweig et al., bioRxiv.)


根据WHO官网的数据,截止1月12日,B.1.1.7突变株已传播到了50多个国家,它的传播速度比此前传播的其他新冠病毒株更快。另外截至目前,501.V2突变株已蔓延到29个国家。南非科学家和官员表示,501.V2突变株在年轻人中的流行度更高,相比于其他突变株,更容易造成严重的疾病,还可能造成“重大的再感染风险”。南非卫生部也表示,这种突变株可能正在推动南非的第二波新冠大流行,因为它比其他早期突变株的传播速度更快。


近期,发表于预印本平台bioRxiv的多项研究,测试了目前使用的新冠疫苗、单克隆抗体和治疗性血清对B.1.1.7突变株和501.V2突变株的作用效果。研究显示,当前的疫苗或许还对B.1.1.7突变株有效,但它们对501.V2突变株以及一些新的突变株的情况,或不容乐观。


疫苗、血清的免疫效应


1月19日,辉瑞公司(Pfizer)和BioNTech在预印本平台bioRxiv上公布了BNT162b2疫苗对在英国发现的B.1.1.7突变株刺突蛋白的中和效果。他们利用水疱性口炎病毒(VSV)构建了假病毒模型,即在病毒表面表达B.1.1.7突变株完整的刺突蛋白,并以此验证了BNT162b2接种个体的血清对它的中和效力。结果显示,血清的中和活性没有明显降低,因此这一突变株或许不会影响BNT162b2疫苗产生的免疫保护。目前,这项研究还有待同行评议。


紧随其后的是两项评估501.V2突变株的研究(目前同样在bioRxiv平台上等待同行评议),来自美国和南非的研究人员分别测试了治疗性血清、单克隆抗体对该突变株的抑制能力。


其中,美国加州理工学院、洛克菲勒大学和NIH的科学家分析了mRNA-1273疫苗和BNT162b2疫苗介导的免疫反应对501.V2突变株的中和效果。他们分别给14位和6位志愿者分别接种了mRNA-1273和BNT162b2疫苗,并收集和分析了他们的血清。在第2剂疫苗注射的8周后,志愿者血清中出现了很高的抵抗新冠病毒刺突蛋白、受体结合区域的特异性IgM和 IgG抗体。


他们通过在HIV-1型病毒构建了假病毒模型,并评估了志愿者血清对10种突变的刺突蛋白的中和活性,其中包括N501Y(B1.1.7突变株)、K417N、E484K以及3个基因突变的组合(501Y.V2突变株)。结果显示,与没有突变的情况相比,血清对E484K、N501Y以及K417N:E484K:N501Y组合突变的刺突蛋白的中和活性出现了显著降低,分别是3比1、2.5比1.3和3比1.1。


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接种两种疫苗后的血清,对3种突变(分别是E484K、N501Y和K417N:E484K:N501Y组合突变)的刺突蛋白的中和活性降低。(图片来源:Nussenzweig et al., bioRxiv.)


除此之外,他们还评估了记忆B细胞分泌的中和性抗体(共84种)对存在突变的病毒受体结合域突变的中和活性。有22种抗体(占比26%)对至少有一个突变的受体结合域的中和活性降低了5倍以上。


而另一项由南非国家传染病研究所(NICD)的科学家发表的研究,也得到了类似的结论。他们选择了44份康复者的血清(其中22份血清的抗体浓度更高)进行了研究,分析了这些血清对病毒的受体结合域和501.V2突变株的中和活性。研究显示,27%的血清对比具有单一突变的受体结合域的假病毒,丧失了中和活性。而对501.V2突变株的评估显示,近一半的血清没有中和活性,有一些血清的中和活性降低达86倍。


单克隆抗体的中和效应


在单克隆抗体中和效应的实验中,南非的研究人员评估了12种抗体(第1类)对假病毒上刺突蛋白K417N突变,以及8种抗体(第2类)、5种纳米抗体对E484K突变的中和活性。与没有突变相比,第1类抗体的浓度提高2.5倍时,仍无法中和假病毒上K417N突变的刺突蛋白。第2类抗体对E484K突变的受体结合域的中和活性也明显降低。


这一结果显示,501.V2突变株能逃避主要抗体的中和反应。此外,他们还评估了501.V2突变株的刺突蛋白(抗原结构)上3个氨基酸丢失造成的影响。实验显示,针对于整个抗原结构的抗体的中和反应也会减弱。


美国的研究人员评估了17种最具治疗潜力的单克隆抗体(monoclonal antibodies,mAb)对假病毒上12种刺突蛋白突变(分别是A475V、E484K、Q493R、R346S、N439K、N440K、K417N、Y453F、S477R、N501Y、D614G、R683G突变)的中和活性。


测试结果显示,这些单克隆抗对K417N、E484K、N501Y 突变的中和活性均降低了。其中,有9种和4种单克隆抗体分别对存在E484K突变和N501Y突变的受体结合域(RBD)的中和活性下降超10倍,还有5种对K417N突变新冠假病毒中和活性减弱。而这些正是南非501Y.V2突变株的刺突蛋白关键上3个突变点。


针对上述的实验结果,两个研究团队均表示,需要测试临床使用的单克隆抗体对其他新冠突变株的中和活性,而其中有很多或已失去了对501.V2突变株的中和活性。此外,我们还需要定期去更新靶向新冠病毒刺突蛋白的mRNA疫苗,以避免其潜在的临床疗效丧失。


除此之外,大多数曾感染新冠病毒的康复患者对501Y.V2突变株的中和活性很小,或者无法检测到对其的中和活性,因此很有可能出现新冠病毒感染复阳。南非的研究人员还提到,在巴西发现的一种新冠突变株存在一些关键的突变,可能增加其对中和性抗体的抗性,而我们应该更多地关注着它和501Y.V2突变株。 


参考链接:

https://en.wikipedia.org/wiki/501.V2_variant#Statistics

https://virological.org/t/preliminary-genomic-characterisation-of-an-emergent-sars-cov-2-lineage-in-the-uk-defined-by-a-novel-set-of-spike-mutations/563

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.01.18.426984v1

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.01.18.427166v1.full.pdf

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.01.15.426911v1.full.pdf

https://virological.org/t/genomic-characterisation-of-an-emergent-sars-cov-2-lineage-in-manaus-preliminary-findings/586