虹科案例|基于SOLA光源的高通量Spike展示平台加速新冠病毒疫苗研制

背景提要

自21世纪初以来，三种冠状病毒已越过物种壁垒，导致人类致命的肺炎：严重急性呼吸综合征（SARS）冠状病毒（SARS-CoV）、中东呼吸综合征（MERS）冠状病毒（MERS-CoV）和SARS-CoV-2（之前称为2019年新型冠状病毒, 2019-nCoV）。

SARS-CoV于2002年在中国广东省出现，并通过航空旅行路线传播到五大洲，感染8098人，造成774人死亡。2012年，MERS-CoV出现在阿拉伯半岛，并传播到27个国家，共感染约2494人，并夺走了858人的生命。如今，它仍然是阿拉伯半岛的一个主要的公共卫生问题。2019年12月在中国湖北省武汉市发现了一种以前未知的冠状病毒SARS-CoV-2（简称新冠病毒），目前已经是国际范围关注的突发公共卫生事件。

冠状病毒的刺突糖蛋白（Spikeglycoprotein,S glycoprotein）是Ⅰ型跨膜糖蛋白，也是病毒最大的结构蛋白，其包含了病毒的主要抗原决定簇，能够刺激机体产生中和抗体和介导免疫反应，通常包括由球状的受体结合亚基S1和棒状的融合亚基S2两部分。同时，S蛋白的S1亚基决定了受体细胞的表面受体的特异性，而S2亚基又决定了病毒进入细胞的融合过程的特性，可以说Spike蛋白的结构对于设计疫苗来产生抗体或者设计药物阻断病毒吸附与侵染具有重要作用。

冠状病毒Spike蛋白暴露于病毒表面并介导病毒进入宿主细胞，因此它是感染后中和抗体的主要靶标，也是药物开发和疫苗设计的重点。对 Spike 糖蛋白的体液免疫是抵抗 SARS-CoV-2 的最有效手段。SARS-CoV-2 疫苗通过免疫接种可产生强烈的多克隆抗体反应。Spike 还是预防和治疗中和性单克隆抗体（中和抗体）和 ACE2 结合抑制剂的主要靶标。但是，Spike 突变和重组，使它们部分逃避了单克隆抗体，恢复期的血清和疫苗诱导的体液免疫。

新病毒变异体的抗原性和感染性通常通过活病毒，假型病毒和动物保护实验来测定。这些分析的通量低，需要冗长的病毒准备工作，这大大影响了Spike蛋白变体表达的研究以及疫苗研制的效率。

基于SOLA光源的高通量Spike展示平台

针对新冠病毒多变体测量步骤多、分析通量低的现状，目前迫切需要一种高通量平台能够测定数百种Spike 糖蛋白变体表达、受体结合和抗体逃逸的情况。德克萨斯大学的一组研究人员最近报告了Spike展示平台技术的发展。他们开发了一种哺乳动物细胞表面 Spike 展示技术，这是一个高通量的平台，该平台可测量哺乳动物细胞表面上的变体 Spike 同源三聚体的表达、受体结合和抗体逃逸，还可以快速表征跨多个冠状病毒家族蛋白的糖基化 spike 胞外域。研究者预计，spike 展示将加速 SARS-CoV-2 和其他新兴病毒的抗原设计、深层扫描突变和抗体表位作图，以帮助目前和未来的大流行对策。

Spike展示平台使spike糖蛋白在哺乳动物细胞表面的转基因表达成为可能。Spike糖蛋白用附加的3X FLAG标签和蛋白酶切割和亲和纯化位点表示。作为平台验证的一部分，研究人员使用高性能的SOLA光源进行双色免疫荧光显微镜检查，以确认SARS-CoV-2 Spike的细胞膜定位以及蛋白质ACE2，REGN10933和4A8的结合（图1）。使用Spike展示平台，该团队通过中和抗体测定了约200个SARS-CoV-2刺突变体的表达，ACE2结合和和 13 个 nAb 的识别，证明了Spike展示平台在加速疫苗研制和快速评估突变对新兴病毒变体的方面的巨大潜力。

图 1. SARS-CoV-2 Spike糖蛋白在人胚胎肾 (HEK293T) 细胞表面定位的免疫荧光显微镜验证。在使用 SOLA 光源照明的 NikonTs2R-FL 显微镜上使用 60 倍放大率获取的图像。绿色荧光表示表达水平。红色荧光表明 ACE2 与中和抗体 REGN10933 和 4A8 结合。蓝色荧光表示由 Hoechst 33342 进行的核染色。

在这里，SOLA光源代替了显微镜成像技术中常用的传统汞弧灯，具有明显优势。首先，传统的汞灯或金属卤素灯在工作中会挥发出有害物质汞，从而对环境造成危害。而SOLA光源是4-6个固态光源同时工作，在稳定输出白光的同时不会挥发有害物质，属于绿色清洁可持续性的技术。此外，汞灯发光效率不高且使用寿命较短，维修或更换灯泡会耽误许多工作进程。数据表明，一个固态光源的寿命相当于15-150个含汞灯泡。相比之下，虹科SOLA固态光源不仅消除了潜在的汞危害，同时能够提供高性能照明，高数据质量，且大大降低了使用成本。

德克萨斯大学研究人员开发的这种利用SOLA光源的 Spike 展示技术，预计可以适应各种冠状病毒家族的 Spike 糖蛋白和其他病毒抗原。Spike 展示平台可以从细胞表面切出 Spike，以进行结构和生物物理表征；可补充用于高分辨率表位作图的结构功能研究；加快抗体 -Spike 相互作用的表征，同时对所有可能的氨基酸取代进行深度突变扫描将广泛用于表征 Spike 突变情况以及泛冠状病毒疫苗抗原的开发。从 Golden Gate 装配到表征的整个过程都可以在 5 天内完成，将加速疫苗设计并快速评估新兴病毒株中突变的影响。

虹科系列SOLA光源是显微镜和其他生命科学应用中现代固态照明的市场领导者，是传统汞弧灯与金属卤素灯的直接替代者。