高效广谱中和性抗CD4三聚体纳米抗体通过诱导CD4构象改变抑制HIV-1感染

Highly potent and broadly neutralizing anti-CD4 trimeric nanobodies inhibit HIV-1 infection by inducing CD4 conformational alteration.

作者信息Linjing Zhu, Bilian Huang, Xiangyao Wang, Fengfeng Ni, Mingjun Ao, Ruoke Wang, Bin Zheng, Chen Chen, Jing Xue, Lin Zhu, Chenbo Yang, Lingen Shi, Shengya Geng, Jiaqian Hu, Mengshi Yang, Doudou Zhang, Ping Yang, Miaomiao Li, Yuncheng Li, Qinxue Hu, Sheng Ye, Peng Zheng, Hongxia Wei, Zhiwei Wu, Linqi Zhang, Yaxin Wang, Yalan Liu, Xilin Wu
PMID39138183
发布时间2024-08-13
DOI10.1038/s41467-024-51414-6

实验完整度

高

研究涵盖体外中和实验、结构解析、分子动力学模拟、人源化小鼠模型等多个独立证据层级,并包含功能与机制验证。

主要模型

293F细胞表达体系 GHOST(3)-X4R5细胞 TZM-bl细胞 人源化NDG-HuPBL小鼠模型

重点核对

中和实验使用200 TCID50假病毒或活病毒,在GHOST(3)-X4R5或TZM-bl细胞中检测 活病毒中和实验覆盖5株HIV-1毒株(BAL、CH058、THRO、CH042、CH198) 体内实验使用HIV-1CH058攻击,剂量10 ng P24,治疗组400 μg/只给药 治疗组采用腹腔注射和皮下注射,感染后1、3、5、7天共4次给药 病毒载量通过qRT-PCR检测,检测限为1000拷贝/ml

摘要

尽管抗逆转录病毒疗法(ART)在抑制HIV-1复制方面取得了进展,但现有抗病毒药物存在局限性,包括终身用药、频繁给药、副作用和病毒耐药性,因此需要新的HIV-1治疗方法。CD4是HIV-1入侵的关键,但由于中和作用和细胞毒性问题,其药物开发面临挑战。尽管如此,Ibalizumab作为唯一获批用于HIV-1治疗的CD4特异性抗体,重新点燃了探索替代抗HIV靶点的兴趣,强调了CD4在有效药物开发中的潜在价值。在这里,我们探索了抗CD4纳米抗体,特别是来自CD4免疫羊驼的Nb457。Nb457对HIV-1显示出高效力和广谱活性,优于Ibalizumab的效力。引人注目的是,工程化的三聚体Nb457纳米抗体对活HIV-1实现了完全抑制,优于Ibalizumab和亲本Nb457。结构分析揭示了Nb457诱导的CD4构象变化阻碍病毒进入。值得注意的是,Nb457在人源化雌性小鼠模型中显示出治疗效果。我们的发现强调了抗CD4纳米抗体作为有前景的HIV-1治疗药物,对推进针对这一全球健康挑战的临床治疗具有潜在意义。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
探究抗CD4纳米抗体是否能高效广谱中和HIV-1,并阐明其作用机制及体内疗效。
核心机制
Nb457结合CD4的D1-D2结构域,诱导CD4构象改变,特别是将F43所在的环向下弯曲,阻碍gp120与CD4的结合,从而阻断病毒进入。
主要证据
通过假病毒中和实验显示Nb457广谱高效中和HIV-1;晶体结构解析揭示构象改变机制;BLI实验证实Nb457阻碍CD4与gp140结合;人源化小鼠模型显示治疗效果。
研究意义
Nb457作为抗CD4纳米抗体,具有高广谱性和高效力,且三聚体形式实现完全抑制,为HIV-1治疗提供了有前景的候选药物,并可能应用于基因治疗、ADC或CAR-T等方向。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

免疫羊驼与抗血清制备

通过CD4-rFc免疫羊驼,获得高滴度抗血清,评估其抗HIV-1中和活性。

羊驼免疫4次,收集抗血清,ELISA测滴度,假病毒中和实验评估广谱性。

2

噬菌体文库构建与纳米抗体筛选

分离识别CD4的纳米抗体,并鉴定具有中和活性的克隆。

从免疫羊驼PBMC构建VHH噬菌体文库,经三轮淘选富集,挑选阳性克隆进行ELISA和中和活性测试。

3

纳米抗体功能表征与中和活性评估

测定纳米抗体的CD4结合亲和力及对多种HIV-1假病毒的中和广谱性和效力。

表达Nb-Fc融合蛋白,用BLI测亲和力,用35株假病毒进行中和实验,并与Ibalizumab比较。

4

结构解析与机制研究

解析Nb457与CD4的复合物结构,阐明中和机制。

通过X射线晶体学获得Nb457-D1D2复合物结构,并通过BLI实验验证对gp120结合的干扰。

5

三聚体纳米抗体构建与活病毒中和评估

通过构建三聚体形式增强中和活性,实现完全抑制。

构建Nb457-NbHSA-Nb457三聚体,评估其对5株活HIV-1的中和活性。

6

分子动力学模拟

解释三聚体纳米抗体实现完全抑制的结构基础。

对CD4-gp120、Nb457-Fc+CD4-gp120和Nb457-NbHSA-Nb457+CD4-gp120三个系统进行MD模拟,分析氢键和RMSF。

7

安全性评估

评估Nb457对CD4+ T细胞功能的影响。

检测Nb457对CD4与MHC-II结合的影响,以及T细胞增殖、活化和细胞因子产生。

8

体内疗效评估

评估Nb457在人源化小鼠模型中的抗HIV-1疗效。

HIV-1CH058攻击NDG-HuPBL小鼠,给予Nb457-Fc、三聚体或Ibalizumab治疗,监测病毒载量和脾脏感染细胞。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
弗氏完全佐剂SigmaF5881-10ML
弗氏不完全佐剂SigmaF5506-10ML
FreeStyle 293-F细胞Thermo ScientificR79007
蛋白A琼脂糖凝胶Thermo Scientific20334
镍离子亲和层析Thermo ScientificR901100
IRDye 800CWRockland926-32232
ELISA板Corning9018
山羊抗人IgG-HRPJackson ImmunoResearch109-035-088
山羊抗羊驼IgG (H+L)二抗-HRPNovusNB7242
Infinite 200酶标仪Tecan--
淋巴细胞分离液GE17-1140-02
M13KO7辅助噬菌体Invitrogen18311019
抗M13噬菌体抗体-HRPSino Biological11973-MM05T-H
蛋白GThermo Scientific20399
镍离子亲和层析Thermo Fisher ScientificR901100
抗人Fc生物传感器ForteBio18-5060
GHOST(3)-X4R5细胞NIH AIDS Reagent Program3942
TZM-bl细胞NIH AIDS Reagent Program8129
QIAamp病毒RNA迷你试剂盒Qiagen--
RT-PCR Prime Script试剂盒Takara--
TaqMan通用PCR预混液Life Technologies--
抗人CD3-Pacific Blue抗体Biolegend300442/UCHT1
抗人CD4-PerCP-Cy5.5抗体Biolegend317428/OKT4
抗人CD8-PE抗体Biolegend344706/SK1
抗人CD45 PE/Cy7抗体Biolegend304016/H130
NovoCyte流式细胞仪Agilent--
抗P24纳米抗体兔Fc融合蛋白AbrevAR0358
FV3000共聚焦显微镜Olympus--
Lipofectamine 3000转染试剂Invitrogen--
镍离子亲和树脂GE Healthcare--
Superdex 200凝胶层析GE Healthcare--
三水合乙酸钠----
通用核酸酶Yeasen20156ES25
RPMI 1640培养基Life Technologies--
植物血凝素Ebioscience00-4977-93
布雷菲德菌素ABioGems2031560
可固定活性染料Ebioscience65-0866-14
BD Cytofix/Cytoperm固定破膜液BD Biosciences554714
抗TNFα BV786抗体BiolegendMab11
抗IL-2 APC抗体BDMQ1-17H12
抗IFN-γ FITC抗体BD4S.B7
抗Ki67 Pacific blue抗体BiolegendRUO

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
免疫
羊驼年龄、性别、免疫剂量、佐剂类型
阅读提示:Methods: Alpaca immunization
中和实验
细胞系、病毒接种量、稀释倍数
阅读提示:Methods: HIV-1 neutralization assay
结构解析
蛋白浓度、结晶条件、数据收集波长
阅读提示:Methods: Crystallization, structural determination and data acquisition
体内实验
小鼠品系、性别、数量、HIV-1毒株和剂量、给药方案
阅读提示:Methods: In vivo evaluation of Nbs inhibition of HIV infection in NDG-HuPBL mice
分子动力学模拟
力场、水模型、模拟时长、盐浓度
阅读提示:Methods: Molecular dynamics simulations