Development of a Series of Neutralizing Nanobodies against SARS-CoV-2 Spike Protein

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Countering the spread of new respiratory infections and reducing the damage they cause to society requires efficient strategies for rapid development of targeted therapeutics, such as monoclonal antibodies. Nanobodies, defined as variable fragments of heavy-chain camelid antibodies, have a set of characteristics that make them particularly convenient for this purpose. The speed at which the SARS-CoV-2 pandemic had spread has confirmed that a key factor in the development of therapeutics is obtaining highly effective blocking agents as soon as possible, as well as the diversity of epitopes to which these agents bind. We have optimized the process of selection of blocking nanobodies from the genetic material of camelids and obtained a panel of nanobody structures with affinity to spike protein in the lower nanomolar and picomolar ranges and high binding specificity. The subset of nanobodies that demonstrate the ability to block the interaction between the spike protein and the cellular ACE2 receptor was selected in experiments in vitro and in vivo. It has been established that the epitopes bound by the nanobodies are located in the RBD domain of the spike protein and have little overlap. The diversity of binding regions may allow the mixture of nanobodies to retain potential therapeutic efficacy towards new variants of the spike protein, and the structural features of nanobodies, in particular, their compact size and high stability, indicate the possibility of their utilization in the form of aerosols.

About the authors

V. A. Zhuchkov

Shemyakin‒Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: hathkul@gmail.com
Russia, 117997, Moscow

S. V. Ivanov

Shemyakin‒Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: hathkul@gmail.com
Russia, 117997, Moscow

J. E. Kravchenko

Shemyakin‒Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: hathkul@gmail.com
Russia, 117997, Moscow

S. P. Chumakov

Shemyakin‒Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: hathkul@gmail.com
Russia, 117997, Moscow

References

  1. Pidiyar V., Kumraj G., Ahmed K., Ahmed S., Shah S., Majumder P., Verma B., Pathak S., Mukherjee S. (2022) COVID-19 management landscape: a need for an affordable platform to manufacture safe and efficacious biotherapeutics and prophylactics for the developing countries. Vaccine. 40, 5302‒5312.
  2. Zhou D., Zhou R., Chen Z. (2022) Human neutralizing antibodies for SARS-CoV-2 prevention and immunotherapy. Immunother. Adv. 2, ltab027.
  3. Miguez-Rey E., Choi D., Kim S., Yoon S., Sandulescu O. (2022) Monoclonal antibody therapies in the management of SARS-CoV-2 infection. Expert Opin. Investig. Drugs. 31, 41‒58.
  4. Liu L., Iketani S., Guo Y., Chan J.F., Wang M., Liu L., Luo Y., Chu H., Huang Y., Nair M.S., Yu J., Chik K.K., Yuen T.T., Yoon C., To K.K., Chen H., Yin M.T., Sobieszczyk M.E., Huang Y., Wang H.H., Sheng Z., Yuen K.Y., Ho D.D. (2022) Striking antibody evasion manifested by the Omicron variant of SARS-CoV-2. Nature. 602, 676‒681.
  5. Planas D., Saunders N., Maes P., Guivel-Benhassine F., Planchais C., Buchrieser J., Bolland W.H., Porrot F., Staropoli I., Lemoine F., Pere H., Veyer D., Puech J., Rodary J., Baele G., Dellicour S., Raymenants J., Gorissen S., Geenen C., Vanmechelen B., Wawina-Bokalanga T., Marti-Carreras J., Cuypers L., Seve A., Hocqueloux L., Prazuck T., Rey F.A., Simon-Loriere E., Bruel T., Mouquet H., Andre E., Schwartz O. (2022) Considerable escape of SARS-CoV-2 Omicron to antibody neutralization. Nature. 602, 671‒675.
  6. Hamers-Casterman C., Atarhouch T., Muyldermans S., Robinson G., Hamers C., Songa E.B., Bendahman N., Hamers R. (1993). Naturally occurring antibodies devoid of light chains. Nature. 363, 446‒448.
  7. Тиллиб С.В. (2020) Перспективы использования однодоменных антител в биомедицине. Молекуляр. биология. 54(3), 362‒373.)https://doi.org/10.31857/S0026898420030167
  8. Huo J., Le Bas A., Ruza R.R., Duyvesteyn H.M.E., Mikolajek H., Malinauskas T., Tan T.K., Rijal P., Dumoux M., Ward P.N., Ren J., Zhou D., Harrison P.J., Weckener M., Clare D.K., Vogirala V.K., Radecke J., Moynie L., Zhao Y., Gilbert-Jaramillo J., Knight M.L., Tree J.A., Buttigieg K.R., Coombes N., Elmore M.J., Carroll M.W., Carrique L., Shah P.N.M., James W., Townsend A.R., Stuart D.I., Owens R.J., Naismith J.H. (2020) Neutralizing nanobodies bind SARS-CoV-2 spike RBD and block interaction with ACE2. Nat. Struct. Mol. Biol. 27, 846‒854.
  9. Zost S.J., Gilchuk P., Chen R.E., Case J.B., Reidy J.X., Trivette A., Nargi R.S., Sutton R.E., Suryadevara N., Chen E.C., Binshtein E., Shrihari S., Ostrowski M., Chu H.Y., Didier J.E., MacRenaris K.W., Jones T., Day S., Myers L., Eun-Hyung Lee F., Nguyen D.C., Sanz I., Martinez D.R., Rothlauf P.W., Bloyet L.M., Whelan S.P.J., Baric R.S., Thackray L.B., Diamond M.S., Carnahan R.H., Crowe J.E., Jr. (2020) Rapid isolation and profiling of a diverse panel of human monoclonal antibodies targeting the SARS-CoV-2 spike protein. Nat. Med. 26, 1422‒1427.
  10. Amanat F., Stadlbauer D., Strohmeier S., Nguyen T.H.O., Chromikova V., McMahon M., Jiang K., Arunkumar G.A., Jurczyszak D., Polanco J., Bermudez-Gonzalez M., Kleiner G., Aydillo T., Miorin L., Fierer D.S., Lugo L.A., Kojic E.M., Stoever J., Liu S.T.H., Cunningham-Rundles C., Felgner P.L., Moran T., Garcia-Sastre A., Caplivski D., Cheng A.C., Kedzierska K., Vapalahti O., Hepojoki J.M., Simon V., Krammer F. (2020) A serological assay to detect SARS-CoV-2 seroconversion in humans. Nat. Med. 26, 1033‒1036.
  11. Fukumoto Y., Obata Y., Ishibashi K., Tamura N., Kikuchi I., Aoyama K., Hattori Y., Tsuda K., Nakayama Y., Yamaguchi N. (2010) Cost-effective gene transfection by DNA compaction at pH 4.0 using acidified, long shelf-life polyethylenimine. Cytotechnology. 62, 73‒82.
  12. Ginestier C., Cervera N., Finetti P., Esteyries S., Esterni B., Adelaide J., Xerri L., Viens P., Jacquemier J., Charafe-Jauffret E., Chaffanet M., Birnbaum D., Bertucci F. (2006) Prognosis and gene expression profiling of 20q13-amplified breast cancers. Clin. Cancer Res. 12, 4533‒4544.
  13. Pfaffl M.W. (2001) A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR. Nucleic Acids Res. 29, e45.
  14. Maass D.R., Sepulveda J., Pernthaner A., Shoemaker C.B. (2007) Alpaca (Lama pacos) as a convenient source of recombinant camelid heavy chain antibodies (VHHs). J. Immunol. Methods. 324, 13‒25.
  15. Benhar I., Reiter Y. (2002) Phage display of single-chain antibody constructs. Curr. Protoc. Immunol. Chapter 10, Unit 10 19B. https://doi.org/10.1002/0471142735.im1019bs48
  16. Studier F.W. (2005) Protein production by auto-induction in high density shaking cultures. Protein Expr. Purif. 41, 207‒234.
  17. Ch’ng A.C.W., Ahmad A., Konthur Z., Lim T.S. (2019) A high-throughput magnetic nanoparticle-based semi-automated antibody phage dsplay biopanning. Methods Mol. Biol. 1904, 377‒400.
  18. Yuan T.Z., Garg P., Wang L., Willis J.R., Kwan E., Hernandez A.G.L., Tuscano E., Sever E.N., Keane E., Soto C., Mucker E.M., Fouch M.E., Davidson E., Doranz B.J., Kailasan S., Aman M.J., Li H., Hooper J.W., Saphire E.O., Crowe J.E., Liu Q., Axelrod F., Sato A.K. (2022). Rapid discovery of diverse neutralizing SARS-CoV-2 antibodies from large-scale synthetic phage libraries. mAbs. 14, 2002236.
  19. Favorskaya I.A., Shcheblyakov D.V., Esmagambetov I.B., Dolzhikova I.V., Alekseeva I.A., Korobkova A.I., Voronina D.V., Ryabova E.I., Derkaev A.A., Kovyrshina A.V., Iliukhina A.A., Botikov A.G., Voronina O.L., Egorova D.A., Zubkova O.V., Ryzhova N.N., Aksenova E.I., Kunda M.S., Logunov D.Y., Naroditsky B.S., Gintsburg A.L. (2022) Single-domain antibodies efficiently neutralize SARS-CoV-2 variants of concern. Front. Immunol. 13, 822159.
  20. Ye G., Gallant J., Zheng J., Massey C., Shi K., Tai W., Odle A., Vickers M., Shang J., Wan Y., Du L., Aihara H., Perlman S., LeBeau A., Li F. (2021) The development of Nanosota-1 as anti-SARS-CoV-2 nanobody drug candidates. Elife. 10, e64815. https://doi.org/10.7554/eLife.64815
  21. Maeda R., Fujita J., Konishi Y., Kazuma Y., Yamazaki H., Anzai I., Watanabe T., Yamaguchi K., Kasai K., Nagata K., Yamaoka Y., Miyakawa K., Ryo A., Shirakawa K., Sato K., Makino F., Matsuura Y., Inoue T., Imura A., Namba K., Takaori-Kondo A. (2022) A panel of nanobodies recognizing conserved hidden clefts of all SARS-CoV-2 spike variants including Omicron. Commun. Biol. 5, 669.
  22. Custodio T.F., Das H., Sheward D.J., Hanke L., Pazicky S., Pieprzyk J., Sorgenfrei M., Schroer M.A., Gruzinov A.Y., Jeffries C.M., Graewert M.A., Svergun D.I., Dobrev N., Remans K., Seeger M.A., McInerney G.M., Murrell B., Hallberg B.M., Low C. (2020) Selection, biophysical and structural analysis of synthetic nanobodies that effectively neutralize SARS-CoV-2. Nat. Commun. 11, 5588.
  23. Hanke L., Vidakovics Perez L., Sheward D.J., Das H., Schulte T., Moliner-Morro A., Corcoran M., Achour A., Karlsson Hedestam G.B., Hallberg B.M., Murrell B., McInerney G.M. (2020) An alpaca nanobody neutralizes SARS-CoV-2 by blocking receptor interaction. Nat. Commun. 11, 4420.
  24. Valenzuela Nieto G., Jara R., Watterson D., Modhiran N., Amarilla A.A., Himelreichs J., Khromykh A.A., Salinas-Rebolledo C., Pinto T., Cheuquemilla Y., Margolles Y., Lopez Gonzalez Del Rey N., Miranda-Chacon Z., Cuevas A., Berking A., Deride C., Gonzalez-Moraga S., Mancilla H., Maturana D., Langer A., Toledo J.P., Muller A., Uberti B., Krall P., Ehrenfeld P., Blesa J., Chana-Cuevas P., Rehren G., Schwefel D., Fernandez L.A., Rojas-Fernandez A. (2021) Potent neutralization of clinical isolates of SARS-CoV-2 D614 and G614 variants by a monomeric, sub-nanomolar affinity nanobody. Sci. Rep. 11, 3318.
  25. Kunz P., Zinner K., Mucke N., Bartoschik T., Muyldermans S., Hoheisel J.D. (2018) The structural basis of nanobody unfolding reversibility and thermoresistance. Sci. Rep. 8, 7934.
  26. Rossey I., Gilman M.S., Kabeche S.C., Sedeyn K., Wrapp D., Kanekiyo M., Chen M., Mas V., Spitaels J., Melero J.A., Graham B.S., Schepens B., McLellan J.S., Saelens X. (2017) Potent single-domain antibodies that arrest respiratory syncytial virus fusion protein in its prefusion state. Nat. Commun. 8, 14158.
  27. Touret F., Baronti C., Pastorino B., Villarroel P.M.S., Ninove L., Nougairede A., de Lamballerie X. (2022) In vitro activity of therapeutic antibodies against SARS-CoV-2 Omicron BA.1, BA.2 and BA.5. Sci. Rep. 12, 12609.
  28. Hwang Y.C., Lu R.M., Su S.C., Chiang P.Y., Ko S.H., Ke F.Y., Liang K.H., Hsieh T.Y., Wu H.C. (2022) Monoclonal antibodies for COVID-19 therapy and SARS-CoV-2 detection. J. Biomed. Sci. 29(1), 1.
  29. Piepenbrink M.S., Park J.G., Oladunni F.S., Deshpande A., Basu M., Sarkar S., Loos A., Woo J., Lovalenti P., Sloan D., Ye C., Chiem K., Bates C.W., Burch R.E., Erdmann N.B., Goepfert P.A., Truong V.L., Walter M.R., Martinez-Sobrido L., Kobie J.J. (2021) Therapeutic activity of an inhaled potent SARS-CoV-2 neutralizing human monoclonal antibody in hamsters. Cell Rep. Med. 2, 100218.
  30. Lu J., Yin Q., Pei R., Zhang Q., Qu Y., Pan Y., Sun L., Gao D., Liang C., Yang J., Wu W., Li J., Cui Z., Wang Z., Li X., Li D., Wang S., Duan K., Guan W., Liang M., Yang X. (2022) Nasal delivery of broadly neutralizing antibodies protects mice from lethal challenge with SARS-CoV-2 delta and omicron variants. Virol. Sin. 37, 238‒247.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (544KB)
3.

Download (1MB)
4.

Download (452KB)

Copyright (c) 2023 В.А. Жучков, С.В. Иванов, Ю.Е. Кравченко, С.П. Чумаков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».