百万整编师里“挑出”最强“狙击手”

——清华大学张林琦教授领衔研发抗新冠病毒特效药初步成果诞生记

学生记者 张同顺


疫情当前,如果说医务人员在“战场”在医院,那么科研人员的“战场”就在实验室。

4月1日,在北京市新型冠状病毒肺炎疫情防控工作新闻发布会上,清华大学介绍了清华抗疫攻关情况,第一批8项抗疫应急项目中,张林琦教授领衔的单克隆抗体药物5月底将进行动物安全性和有效性试验。

研发抗新冠病毒特效药初战告捷,离胜利更近了一步。

让我们走近张林琦教授领衔的团队,看看疫情发生以来他们分秒必争的战“疫”故事。

大年初一集结出征

2020年春节,是一个特别的春节。

1月11日,距离庚子鼠年春节还有半个月时间,复旦大学、中科院、中国疾控中心等单位在开放式病毒学网站向全世界公布了第一个新型冠状病毒(SARS-CoV-2)完整基因组序列。基因序列一公布,立即引发了全球的关注。

在北京,清华大学医学院教授张林琦绷起敏感的神经,多年来他一直专注于HIV及SARS、MERS等新发突发病毒的研究,这种新型病毒与SARS基因序列的相似性,让他本能地产生警惕。

在同一座科研楼办公的清华大学生命学院教授王新泉,此时看到病毒基因,同样敏感起来。

两个人几乎同时拨打了对方的电话,达成共识:这个病毒非同小可,必须立即着手研究。他们决定立即启动新冠表面蛋白基因序列的合成。1月15日晚9时,张林琦和王新泉带领两个团队一同召开了动员会,对新冠病毒研究的整体布局和实施制定了周密的计划,并立即开始行动,鼓励学生们能不回家就不回家,该退票的退票。

接下来病毒传播的进展速度,证明了张林琦和王新泉二人的预判。1月23日,腊月二十九,武汉宣布封城。

研究需要加速,但科研组需要的患者恢复期血液样本还没有着落。

此刻在深圳,深圳市第三人民医院的张政教授也同样焦急万分——作为国家感染性疾病临床研究重点单位和一线临床单位,深圳三院虽然有新冠病毒患者恢复期血液样本,但并不具备条件对其进行系统和全面的分析。

1月24日的除夕,张林琦和张政的心思都没在春晚和节日的喜庆上,各有所思。也许是心有灵犀,0时40分,新年的钟声刚过,张林琦正在刷微信上的联系人时,一条春节祝福短信让他眼前一亮,这条短信正是来自深圳三院的张政。三院是新冠病毒患者定点收治单位,他们肯定有恢复期患者的血液样本。而张政发微信也正有合作的意向,二人无巧不成书。

1月25日,大年初一。张林琦、王新泉,两位在SARS、MERS等病毒研究配合十余年的老同事,张林琦、张政,曾在HIV研究上有过合作的好朋友。北京深圳,三人两地,正式带领团队集结出征。

张林琦教授(右一)、王新泉教授(右二)和团队科研人员

张政教授

制作最精确“钓饵”

早在今年2月,国内收治新冠肺炎病人的一些医院就开始采用“血浆疗法”。所谓的“血浆疗法”,其实真正能够帮助病人的不仅仅是患者康复期的血浆,更重要的是存在于其中的新冠病毒特异性抗体。

“实际上,我们通常所说的免疫力,其中很大程度就是指的是血液里流淌的抗体,这些抗体是体内百千万的B淋巴细胞产生的,数量非常之大,占血浆蛋白的20%,给身体提供了强大的免疫能力。”张林琦说。

所以,把产生新冠病毒抗体的B淋巴细胞里的抗体基因找出来是第一步。但是人体产生抗体的B细胞百千万,而且有的B细胞是产生针对其他病毒抗体的,要真正找到抗新冠病毒的抗体就如“大海捞针”,必须制作一个“钓饵”。这个“钓饵”是某种特定蛋白(类RBD蛋白),这种蛋白能和产生新冠病毒抗体的B细胞结合,从而将其“钓”出来。

张林琦表示,这部分工作需要在具备制造条件的清华实验室展开,而且做出来的这种蛋白和RBD蛋白与活病毒表面的相应蛋白应该具有极高的相似度。“制作这种蛋白就像配钥匙,如果配出来的钥匙与原装的不符合,形状七扭八歪,那‘钓’出来的B细胞也不会具有抗新冠病毒的能力,属于不合格的B细胞。既然是‘海钓’,那鱼儿最喜欢吃什么,我们就要喂它们最想吃的‘钓饵’。”

“在这方面,在过去几年里,我和张林琦老师一起合作已经积累了很多经验和技术。”王新泉说,养兵千日用兵一时,春节的气氛完全掩盖在实验室紧张的节奏中,在两个实验室的共同努力下,团队人员紧锣密鼓制作出了这种蛋白,而且结构和纯度非常高。

1月31日,新鲜出炉的蛋白试剂被即刻发往深圳。

蛋白试剂

“挑”出最强抗体

蛋白试剂到达深圳,张政团队立即开始工作。通过抗体分析、分离和评估,为了赶时间,除了吃饭睡觉,他们几乎不出实验室,成功从百千万B细胞中“钓”出206株抗新冠病毒单克隆抗体及其编码基因。

2月9日,这些单克隆抗体及其编码基因发回北京。

拿到基因后,张林琦和王新泉团队立即在实验室里对这些基因进行扩增,放在细胞里面产生抗体,开始评估这206株抗体的结构功能,特别是阻断病毒进入细胞的能力。

评估的过程也是争分夺秒,由于时间紧迫,实验室先对前20个抗体进行了仔细评估,评估到大约3-4个最强抗体,占比10%-20%。

张林琦打了个比喻:人体中有数量达百千万的混合抗体,它们的特性和功能都不一样,即使是抵抗同一种病毒的抗体,它们的抑制、抗击能力也是有差别的。如果把综合抗体群比喻成整编部队的话,多克隆抗体就是各兵种部队,单克隆抗体就是其中的一个个战士。每名战士各有所长,有的类似步兵,有的类似骑兵,有的类似狙击手,它们所携带的武器和攻击的目标也各不相同,有的擅长袭击病毒的胳膊,有的擅长袭击病毒的腿,有的擅长袭击病毒的心脏。其中,具有心脏等关键部位攻击能力的狙击手能对病毒造成更大的杀伤力,它们是整编部队里最优秀的战士。

“我们的工作就从康复者血浆的B淋巴细胞中,分离出抗新冠病毒的最优单克隆抗体及其编码基因,也就是挑出其中杀伤力最强的战士,拿到这些战士的基因,并由此获得大量复制最具杀伤力抗体的根本模板。” 张林琦说,评估出来的这3-4个抗体,即是研发治疗和预防新冠病毒高效单克隆抗体药物的根本保障。

真正搞懂“钥匙和锁”

筛选出这些抗体之后,团队的重点转移到解析这些抗体是如何阻断病毒进入细胞的,真正搞懂其中的机制,破解制作抗体特效药的玄机。

对冠状病毒研究多年的张林琦和王新泉,对病毒进入人体的机制早已有所发现。病毒进入人体后,人体能否继续保持健康,关键在于病毒是否会进入细胞,病毒进入细胞是其能够复制的条件。很多抗体的作用靶点就是病毒表面的刺突蛋白,刺突蛋白上的RBD蛋白即是病毒进入细胞的一把重要“钥匙”,病毒的RBD蛋白与受体的ACE2的结合,即可打开细胞的“锁”进入到人体,这即是“钥匙和锁”的关系。

王新泉介绍,几个月来,他和张林琦通过晶体学方法解析了新冠病毒的这把“钥匙”,包括RBD蛋白和受体结合的高分辨率机体结构,及其与受体相作用的过程。他们在世界上率先解析了最高分辨率的‘钥匙和锁’之间的结构基础,为认识病毒进入细胞的过程和结构基础奠定了基础,同时,也对阻断新冠病毒进入人体的研发具有重要的指导作用(该文章3月30日在《自然》发表)。

“现在,我们就是要在体外制备大量的挑出来的最强抗体,再让这些‘优秀战士’进入体内特异识别病毒表面蛋白的关键靶位,阻断病毒钥匙打开细胞锁的关键一步,以阻止病毒有效进入人体细胞,抑制病毒复制,这也是研制的特效药的关键原理和逻辑。”王新泉说,下一步,他们还要深入了解这些抗体的其他作用位点和作用机制,更好地利用这些抗体,甚至可以利用两种和三种抗体的配伍,增强病毒阻断能力。

分秒必争,日夜兼程

这次应急研发任务,从1月25日三个团队正式展开工作,到3月13日的初步成果《抗新冠病毒高效中和抗体的分离与研究》(Potent human neutralizing antibodies elicited 1 by SARS-CoV-2 infection)在预印本上发布。三个团队在七周时间里始终坚持互助互补、无缝衔接、日夜兼程的高效科研机制,可以说是一支“神团队”。

而这七周的时间里,不管是指导协调的张林琦、王新泉、张政三位教授,还是从事基础科研的年轻科研人员,大伙都憋着一股劲儿,争分夺秒为特效药研制赶进度。

王新泉教授和他的助手葛继湾博士在解析新冠病毒表面蛋白与细胞受体的高分辨率晶体结构时,形成的晶体要放到X光衍射机衍射,通过衍射才能判断晶体的结构。衍射机只有上海有,但是当时存在交通管制,他们想方设法,终于连夜把晶体送到上海。

深圳三院的鞠斌博士曾在中国疾控中心从事研究,有深厚的技术基础,对免疫学有独到的理解,在获得患者恢复期血样后,在很短的时间内就筛选了可以结合新冠病毒RBD的抗体细胞,成功分离出206株抗新冠病毒的单克隆抗体及其编码基因。

清华大学张林琦团队的张绮博士在获得206株抗新冠病毒的单克隆抗体序列之后,迅速展开合成,开展了一系列的生化实验,评估和验证抗体的结合能力、与受体ACE2的竞争能力、抗体之间的相互作用等。此外还尝试构建和优化不具有感染能力的“假病毒”,虽然过程并不顺利,但是在克服诸多困难后,迅速对抗体中和能力开展评估,14天找到最优高效抗体。

张林琦和年轻的科研人员在一起

其间最让他们纠结的是,受疫情交通管制的影响,北京与深圳之间原来一两天就能寄到的试剂,2月的时候延迟非常严重,有一次竟然用了10天,实验过程被打断,耽误了很多时间。但是张绮和鞠斌等每晚电话会议坚持推进,做好实验思路的准备,尽量减少耽搁。

而最让他们感动的是习近平总书记在3月初来清华考察新冠肺炎防控科研攻关工作,总书记平易近人的鼓励让他们更加信心百倍,内心更为笃定。

目前,团队的各项工作依然在有序推进。3月30日,《自然》期刊已经正式发表团队的科技攻关成果《新冠病毒刺突蛋白受体结合结构域与受体ACE2复合物的结构》(Structure of the SARS-CoV-2 spike receptorbinding domain bound to the ACE2 receptor)。同时,在科技部、国家卫健委、教育部和北京市的支持和帮助下,团队已启动了与腾盛博药等企业的联合攻关,以及与药审中心的全面沟通,打通了研发、生产、安评和临床试验的全链条,5月底高效抗体药物可进入动物,开展安全性和有效性评估。

编辑:高原 李华山

审核:程曦


2020年04月10日 14:26:07  清华新闻网

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