據美國約翰斯·霍普金斯大學4月2日發布的最新統計數據顯示，全球新冠肺炎累計確診病例超過100萬例，死亡逾5.1萬例。截至4月1號，美國確診超過23萬例；英國、西班牙、法國出現單日最大死亡增幅；韓國“高考”延遲兩周；世衛組織稱，亞太疫情或迎“持久戰”。引起新冠肺炎的病原體是一種新型冠狀病毒，與此前大家熟悉的嚴重急性呼吸道綜合征冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸綜合征冠狀病毒（MERS-CoV）具有較近的親緣關系，被感染的患者會以發熱、乏力、干咳為主要臨床表現，嚴重者快速進展為急性呼吸窘迫綜合征，甚至死亡。研究表明部分抗艾滋病病毒HIV藥物對冠狀病毒有一定的抑制作用，但是目前為止尚無特效藥和疫苗批準上市，針對新型冠狀病毒的藥物靶點研究以及新藥的研發迫在眉睫。
在這次疫情防控和科研攻關當中，高等學校及其附屬醫院是一支非常重要的力量。近期，輕工科學與工程學院郭俊凌教授課題組與哈佛醫學院研究團隊在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德國應用化學）以外封面形式在線發表題為“Unidirectional Presentation of Membrane Proteins in Nanoparticle-Supported Liposomes”研究論文（2019年6月25日正式發表）。該研究開發一種病毒膜蛋白新型組裝技術以及一種人工病毒合成的新平臺方法，同時該技術也可以用來研發各種受體蛋白、離子通道以及轉運蛋白的高效抗體。在該研究中，研究人員成功地合成了艾滋病HIV類病毒，并且檢驗了其在動物模型中有效抗體的產生，這個研究極大地鼓舞了該研究團隊嘗試利用這項新技術合成新型冠狀病毒SARS-CoV-2疫苗。
抗體藥物或疫苗研發，大部分都是以生物膜蛋白以及膜錨定蛋白為靶點，如何把這些生物膜蛋白質呈遞給免疫系統是當前的核心難點。目前主要有三種方法呈遞膜蛋白：1、將膜蛋白放入脂質體中，但脂質體本身并不穩定，容易和細胞內的囊泡相融合，且膜蛋白質重組到脂質體的過程中朝向完全是隨機的；2、納米碟被廣泛用作膜蛋白的載體，并且非常穩定，但納米碟尺寸較?。?5納米以內），一個納米碟只攜帶1-2個膜蛋白，對于免疫系統的刺激作用很弱；3、利用類病毒顆粒來呈遞，類病毒顆粒的制作程序對于每個膜蛋白都不一樣，每個系統都要花費很多的時間和材料來優化，而且很多過程難以人為控制。
為解決復雜膜蛋白的呈遞問題，我院青年專家郭俊凌特聘教授與國際著名結構生物學家、美國哈佛大學醫學院James Chou教授共同研發，以植物多酚修飾的納米顆粒為內核，通過多酚基團和膜蛋白的特異結核作用，將膜蛋白脂質體包裹在納米顆粒表面，從而構建了無傳染新的人工蛋白。此方法被命名為SPLANDID平臺（Supported Proteoliposome for Antigen Directed Display），該平臺的具體流程如圖一所示：1a. 將納米顆粒表面修飾為植物多酚（包含鄰苯二酚或鄰苯三酚）；1b. 純化后的病毒膜蛋白質被重組在脂碟（bicelle）；1c. 通過納米顆粒表面的鄰苯二酚或鄰苯三酚基團，可以與膜蛋白上的親和標簽特異性的結合（包括Ni-NTA分子和組氨酸標簽的結合）; 1d. 膜蛋白質攜帶脂碟被有序的吸引到納米顆粒的表面，通過透析作用或者其他方法逐漸的將表面活性劑去掉，脂分子會相互融合，進而形成封閉的包含有病毒膜蛋白質的脂質體。
這樣組裝的脂質體攜帶有序單一朝向的、高拷貝數且具有活性的病毒膜蛋白質，成功的將艾滋病病毒HIV的跨膜蛋白和膜外臨近區（HIV-1 MPER-TMD）重組在加固的脂質體表面并進行了免疫實驗，對有效激活免疫系統具有重要生物學意義。
圖1.SPLANDID人工病毒合成平臺具體流程
在該研究中，研究團隊首先制備了植物多酚修飾的金納米顆粒，將NTA分子與鄰苯二酚或鄰苯三酚上產生親電反應，并加入鎳離子，從而在金納米顆粒表面形成Ni-NTA配合物（圖二a）；修飾后的納米顆粒和組氨酸標簽的親和作用通過核磁共振譜進一步驗證（圖二b）。將重組在脂碟中的HIV-1 MPER-TMD和修飾后的金多酚納米顆粒以最佳比例混合，并通過透析去掉系統中的表面活性劑，最終得到了由膜蛋白和納米顆粒誘導形成的大小均一的膜蛋白脂質體（圖二d，e）。在HIV-1 MPER-TMD的N端和C端分別有抗Flag標簽和組氨酸標簽，最終制備的HIV-1 MPER-TMD脂質體只能被抗組氨酸標簽的抗體識別，而不能被抗Flag的抗體識別（圖二g），說明了HIV-1 MPER-TMD在脂質體的朝向是單一的，能被精確控制的。同時，該研究也測試了利用DNA折紙法形成的空心球作為內核也同樣能指引HIV-1 MPER-TMD脂質體的組裝（圖二f）。
圖2.構建了具有艾滋病病毒HIV典型結構的生物納米結構
研究團隊將組裝好的MPER-TMD脂質體注射到豚鼠的體內，并在每次注射后的4個星期收集豚鼠的血清（免疫實驗仍在進行中）。通過ELISA反應的檢測，血清里含有大量可以和MPER-TMD蛋白特異性結合的抗體，并且抗體的含量隨著免疫實驗的進行而增加（圖三）。MPER-TMD蛋白由于大部分區域都在生物膜內，具有非常弱的免疫原性，到目前為止還沒有通過免疫MPER-TMD蛋白而誘導產生中和性抗體的記錄。但是，通過SPLANDID方法制備的MPER-TMD脂質體，可以在很短的時間內就能通過免疫反應在動物體內產生的大量的抗體，能夠高效的刺激免疫系統產生HIV特異性抗體。該部分結果為獲得艾滋病病毒、新型冠狀病毒SARS-CoV-2、中東呼吸綜合征冠狀病毒MERS-CoV的中和性抗體建立了研究基礎。
圖3.由植物多酚修飾的納米顆粒支撐的艾滋病病毒MPER-TMD膜蛋白脂質體的免疫原性
此研究由郭俊凌教授課題組、美國哈佛醫學院James Chou教授團隊合作完成，哈佛醫學院陳文博士為第一作者，四川大學與哈佛大學為共同通訊單位，該研究由國家高層次人才項目、四川大學“雙百人才工程”引進計劃、四川大學“雙一流”建設計劃、美國國立衛生研究所基金資助完成。該研究部分工作在四川大學輕工科學與工程學院生物質先進材料與納米界面研究中心完成（https://www.bmicenter.org/）。
