新冠病毒（SARS-CoV-2） 自出現以來一直在不斷地變異，新突變株的不斷出現，也為針對新冠的疫苗、藥物研究帶來了更大的困難，提出了更大的挑戰。目前一些針對新冠病毒主蛋白酶的小分子藥物對於突變株有較好的耐受作用，但不同耐藥毒株也在不斷出現，小分子藥物的廣泛使用也會進一步加速耐藥毒株的進化。因此，研究、開發與主蛋白酶抑制劑機制不同的廣譜病毒藥物仍然非常重要。
與其他冠狀病毒類似，SARS-CoV-2的感染需要病毒包膜與細胞膜之間的融合，這個過程是由病毒刺突蛋白（S蛋白）介導的。SARS-CoV-2的S蛋白由S1和S2兩個亞基組成，S1亞基透過受體結合域（RBD）與細胞受體血管緊張素轉化酶2（ACE2）結合，觸發S2亞基發生構象變化，從而在HR1和HR2兩個結構域之間形成六螺旋結構（6-HB），驅動靶細胞和病毒膜融合。由於HR1和HR2這兩個結構域在不同冠狀病毒中非常保守，因此，來源於這兩個結構域的多肽被認為是有前景的抗病毒藥物。
2024年2月9日，西湖大學黨波波團隊聯合香港大學袁碩峰團隊，在Cell子刊Cell Reports Medicine上發表了題為：An enhanced broad-spectrum peptide inhibits Omicron variants in vivo 的研究成果。
該研究報道了一種高效廣譜的SARS-CoV-2抑制劑——A1L35HR2m-Chol，能夠有效抑制不同的SARS-CoV-2突變株，以及SARS-CoV和MERS-CoV。在預防和治療實驗中，A1L35HR2m-Chol在hACE2轉基因小鼠模型中都能夠有效抑制多種Omicron突變株的感染和複製。
有研究表明，將靶向SARS-CoV-2病毒刺突蛋白不同位點的配體結合起來可能會產生協同的抑制效果。黨波波團隊推測來源於ACE2的多肽與RBD結構域結合後可能會破壞病毒刺突蛋白的穩定性，最終導致HR1結構域的暴露。隨後，來源於HR2的肽可能會與病毒HR1結構域結合，從而抑制病毒。
基於這一假設，研究團隊認為來源於ACE2和HR2結構域的融合肽可能具有協同的抗病毒作用。他們透過柔性連線子(GGGGS0)7將ACE2衍生的A1肽段引入HR2衍生的HR2m肽段中構建A1L35HR2m融合肽。透過實驗發現，A1肽段的引入可以增加HR2m自身的螺旋度以及對於靶點HR1肽段的結合親和力。
此外，研究團隊在A1L35HR2m蛋白的C末端修飾上膽固醇生成A1L35HR2m-Chol，顯著提高了對冠狀病毒的抑制活性，活性提升了約100倍。A1L35HR2m-Chol蛋白在對不同SARS-CoV-2變異株、SARS-CoV和MERS-CoV假病毒的抑制實驗中IC50值為0.16-5.5 nM（圖1）。
圖1. A1L35HR2m-Chol可以廣泛而有效地抑制冠狀病毒假病毒的感染
研究團隊評估了A1L35HR2m-Chol對Omicron BA.2.12.1和BA.5活病毒的抑制活性，在VeroE6-TMPRSS2細胞上進行微中和實驗，結果顯示，A1L35HR2m-Chol能強力抑制BA.2.12.1和BA.5的複製，其IC50值分別為22.0 nM和23.7 nM（圖2A和圖2B）。研究團隊還在VeroE6-TMPRSS2細胞中進行了Omicron BA.2.12.1和BA.5的病毒載量降低實驗，A1L35HR2m-Chol在抑制Omicron BA.2.12.1和BA.5活病毒感染方面效果更加顯著，對於BA.2.12.1的IC50值為5.9 nM，對於BA.5的IC50值為10.4 nM（圖2C和圖2D）。
隨後，研究團隊使用已建立的K18-hACE2轉基因小鼠模型評估了A1L35HR2m-Chol的預防和治療效果。在預防性研究中，研究團隊發現相比於對照組的小鼠，接受A1L35HR2m-Chol治療的小鼠的肺組織勻漿中的病毒RNA複製數量明顯減少，鼻甲中的病毒RNA複製數量也明顯減少（圖2F）。此外，在A1L35HR2m-Chol治療的小鼠中，可傳染性病毒滴度顯著低於對照組（圖2G）。
值得注意的是，接受A1L35HR2m-Chol治療的小鼠鼻甲中幾乎沒有可傳染性病毒滴度，這表明A1L35HR2m-Chol具有抑制病毒傳播的潛力。在治療性研究中，相比於對照組，接受A1L35HR2m-Chol治療的小鼠鼻甲中的病毒RNA複製數顯著減少，而肺組織勻漿中的病毒RNA複製數兩組之間沒有顯著差異（圖2H）。更重要的是，A1L35HR2m-Chol完全抑制了肺組織勻漿中的可傳染性病毒滴度，並沒有檢測到活的SARS-CoV-2病毒顆粒（圖2I）。A1L35HR2m-Chol在預防和治療模式下對SARS-CoV-2 Omicron BA.5感染均表現出強效的保護作用。
隨後，研究團隊評估了A1L35HR2m-Chol對K18-hACE2轉基因小鼠免受致死性的Alpha突變株感染的效果。結果顯示，在預防性研究中，接受A1L35HR2m-Chol治療的小鼠對致死的Alpha突變株感染表現出完全的保護作用。所有小鼠在研究結束時仍然存活，表現出100％的存活率。對於治療組的小鼠，它們從第5天開始出現體重損失，並且相比於PBS組的小鼠存活時間更長（圖2K和圖2L）。
圖2. A1L35HR2m-Chol在體外和體內可以有效抑制SARS-CoV-2 Omicron和Alpha突變株
在研究過程中，OmicronEG.5.1成為了主要流行突變株。然後，研究團隊評估了A1L35HR2m-Chol對Omicron EG.5.1的抗病毒效果。首先使用VeroE6-TMPRSS2細胞進行微中和實驗和病毒載量減少實驗。結果顯示，A1L35HR2m-Chol可以顯著抑制EG.5.1的複製，IC50值為14.4 nM（圖3A）。A1L35HR2m-Chol還可以顯著減少感染上清液中的病毒載量，IC50值為3.1 nM（圖3B）。
接下來，研究團隊使用K18-hACE2小鼠模型評估了A1L35HR2m-Chol對EG.5.1的預防和治療效果。相比於對照組，A1L35HR2m-Chol在預防和治療組中可以大幅度減少鼻甲中的病毒滴度。值得注意的是，在預防組中5只小鼠中有4只的鼻甲中未檢測到病毒滴度，在治療組5只小鼠中有2只小鼠的鼻甲中未檢測到病毒滴度，這表明A1L35HR2m-Chol可以消除這些小鼠上呼吸道中的病毒（圖3D）。
圖3. A1L35HR2m-Chol在體外和體內有效抑制Omicron EG.5.1突變株
綜上所述，該研究建立了一種極大提升HR2肽段病毒抑制活性的新方法，設計構建的A1L35HR2m-Chol能夠有效抑制不同SARS-CoV-2突變株、SARS-CoV和MERS-CoV。相信A1L35HR2m-Chol也很可能保持對未來出現的SARS-CoV-2新突變株的抑制活性。
西湖大學博士後畢穩穩，西湖大學博士研究生陳桂林，香港大學博士研究生唐開銘為該論文共同第一作者，西湖大學黨波波研究員，香港大學袁碩峰教授為論文共同通訊作者。該研究受到浙江省重點研發計劃，國家自然科學基金，西湖大學及西湖實驗室的資助和支援。
西湖大學黨波波團隊致力於運用化學手段開發針對複雜生物體系的研究工具，並以重要蛋白為靶點開發新型蛋白質探針、大分子藥物。黨波波團隊長期招聘分子生物學，化學方向的副研究員、博士後、研究助理，招收博士研究生，真誠期待您的加入！電子郵箱：[email protected]
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101418
