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

V. A. Zhuchkov; Жучков В. А.; S. V. Ivanov; Иванов С. В.; J. E. Kravchenko; Кравченко Ю. Е.; S. P. Chumakov; Чумаков С. П.

doi:10.31857/S0026898423030230

Получение серии нейтрализующих нанотел к S-белку SARS-CoV-2

Авторы: Жучков В.А.¹, Иванов С.В.¹, Кравченко Ю.Е.¹, Чумаков С.П.¹
Учреждения:
1. Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук
Выпуск: Том 57, № 3 (2023)
Страницы: 505-516
Раздел: МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
URL: https://journals.rcsi.science/0026-8984/article/view/138635
DOI: https://doi.org/10.31857/S0026898423030230
EDN: https://elibrary.ru/CIBRDB
ID: 138635

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Противодействие распространению новых респираторных инфекций и снижение ущерба, наносимого ими обществу, требует разработки способов быстрого создания средств направленной терапии, таких как моноклональные антитела и подобные им структуры. Нанотела ‒ антигенраспознающие фрагменты особых антител Верблюдовых, состоящие из тяжелых цепей, ‒ обладают рядом характеристик, которые делают их применение наиболее удобным. Высокие темпы распространения пандемии COVID-19, вызванной новым коронавирусом ‒ SARS-CoV-2, ‒ указывают на то, что ключевым фактором в разработке средств терапии является быстрота получения высокоэффективных блокирующих антител, а также разнообразие эпитопов, с которыми эти антитела связываются. Мы провели оптимизацию процесса селекции нанотел из генетического материала животных семейства Верблюдовых и получили панель вариантов, обладающих сродством к белку шипа (S-белку) SARS-CoV-2 в нижнем наномолярном и пикомолярном диапазоне и высокой специфичностью связывания. В экспериментах in vitro и in vivo были отобраны нанотела, блокирующие взаимодействие между S-белком и клеточным рецептором SARS-CoV-2 ‒ ангиотензинконвертирующим ферментом-2 (ACE2). Эпитопы, с которыми связываются нанотела, располагаются в рецепторсвязывающем домене (RBD) S-белка и слабо перекрываются, поэтому смесь нанотел может сохранять потенциальную терапевтическую эффективность и в отношении новых вариантов S-белка. Смесь нанотел, обладающих компактным размером и высокой стабильностью, может стать основой для создания терапевтического препарата, доставляемого к пораженному органу в виде аэрозоля.

Ключевые слова

SARS-CoV-2, нанотела, белок шипа, ангиотензинконвертирующий фермент-2, нейтрализующие антитела, моноклональные антитела, иммунотерапия

Список литературы

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.
Zhou D., Zhou R., Chen Z. (2022) Human neutralizing antibodies for SARS-CoV-2 prevention and immunotherapy. Immunother. Adv. 2, ltab027.
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.
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.
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.
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.
Тиллиб С.В. (2020) Перспективы использования однодоменных антител в биомедицине. Молекуляр. биология. 54(3), 362‒373.)https://doi.org/10.31857/S0026898420030167
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.
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.
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.
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.
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.
Pfaffl M.W. (2001) A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR. Nucleic Acids Res. 29, e45.
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.
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
Studier F.W. (2005) Protein production by auto-induction in high density shaking cultures. Protein Expr. Purif. 41, 207‒234.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.