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PNAS新突破:重构抗原几何结构,解锁新冠疫苗广谱免疫新机制

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自新冠疫情暴发以来,SARS-CoV-2持续通过抗原漂移产生大量变异株,免疫逃逸问题始终是疫苗研发的核心痛点。现有初代mRNA疫苗可有效预防重症,但极易受毒株突变影响,诱导的广谱中和抗体(bnAbs)占比极低,仅约1%,难以应对病毒持续变异,广谱疫苗研发成为全球防疫的关键课题。

近日发表于《PNAS》的一项题为“Engineering antigenic breadth against SARS- CoV- 2 by pairing divergent RBDs within a single mRNA immunogen”的突破性研究,跳出传统疫苗研发思路,通过单分子嵌合差异化RBD抗原设计,重塑B细胞筛选机制,无需依赖高强度体细胞高频突变即可高效诱导广谱交叉免疫,为泛冠状病毒疫苗研发提供了全新的模块化设计范式。


传统广谱疫苗研发多依托嵌合刺突、马赛克抗原、序列共识设计等策略,虽能一定程度拓宽免疫广度,但存在明显短板:多数方案需搭载多抗原体系,制备工艺复杂、量产成本高,且易强化毒株特异性免疫优势,掩盖病毒保守表位的免疫激活效应,导致广谱抗体筛选效率低下。更关键的是,传统疫苗诱导的广谱免疫,大多依赖B细胞后续持续的体细胞高频突变与亲和力成熟,过程随机、耗时长且稳定性差,难以形成高效、稳定的广谱免疫记忆。

针对这一核心瓶颈,该研究团队提出了一种全新的抗原几何调控设计理念,创新性构建了单开放阅读框(ORF)编码的膜锚定串联RBD-NTD mRNA免疫原。研究设计两组对照疫苗体系:实验组为Delta与Omicron BA.2亚型差异化嵌合结构(O-Δ),对照组为双Delta同源嵌合结构(Δ-Δ),通过纳米级空间排布差异,精准调控B细胞的抗原识别与筛选路径。为消除抗原表达偏差干扰实验结果,团队对Omicron RBD进行定点突变优化,恢复其蛋白折叠稳定性与细胞膜表达效率,确保两组疫苗抗原丰度一致,保障实验严谨性。


该设计的核心创新逻辑极具巧思:在同一多肽链中紧密串联两种抗原性差异显著的RBD结构,仅病毒跨毒株保守表位能形成重复排布,而各毒株特异性突变表位仅单拷贝存在。基于B细胞受体(BCR)多价结合的亲和力优势,只有识别保守表位的B细胞能实现高效交联激活,大幅提升广谱交叉反应B细胞的筛选优先级。反观同源嵌合对照疫苗,所有表位均双倍复制,毒株特异性B细胞与广谱B细胞获得同等激活优势,无法实现保守表位的定向富集,这也是传统疫苗广谱免疫低效的核心结构原因。


小鼠模型实验结果充分验证了该设计的优越性。免疫结果显示,差异化O-Δ疫苗可同时诱导针对Delta、Omicron及2002年原始SARS-CoV毒株的强效中和抗体,相较于对照组,多毒株交叉反应B细胞频率显著提升,且全程未牺牲抗体滴度与亲和力。长效追踪实验表明,该疫苗作为加强针可稳定维持高抗体水平至免疫后400天,具备优异的免疫持久性,有效解决了传统疫苗广谱性与免疫强度不可兼得的困境。


研究通过单细胞BCR测序与多色RBD四聚体分选技术,首次揭示了两种疫苗截然不同的广谱免疫生成机制,刷新了学界对广谱抗体生成路径的认知。同源Δ-Δ疫苗诱导的广谱免疫,源于现有B细胞克隆的体细胞高频突变与亲和力成熟,交叉反应B细胞与毒株特异性B细胞存在大量克隆重叠,突变负荷高、特异性杂乱,广谱性是后天迭代成熟的被动结果。

而创新O-Δ疫苗可直接招募生殖系偏向的全新广谱B细胞克隆,这类细胞与毒株特异性B细胞谱系完全独立,体细胞突变负荷极低,无需长期迭代成熟即可精准识别多毒株保守表位,实现了广谱免疫从“随机成熟”到“定向筛选”的质变。转录组分析进一步证实,O-Δ疫苗诱导的广谱B细胞更早进入记忆细胞分化状态,可快速构建稳定的广谱免疫记忆库,为长效防护奠定基础。


研究还通过对照实验与分子建模验证了抗原空间 proximity效应的关键作用。将两种单一流RBD疫苗混合递送、或拉大串联RBD的空间间距后,广谱B细胞富集效应完全消失,证明只有单分子内紧密嵌合的差异化RBD结构,才能实现BCR的双价同步结合,触发特异性广谱筛选信号,明确了抗原几何结构是该技术的核心要素。

相较于传统广谱疫苗方案,该创新设计优势显著:单ORF模块化结构精简、制备便捷,适配大规模量产;依托天然保守表位筛选,规避免疫显性偏差;低突变生殖系B细胞激活路径,大幅提升广谱免疫生成效率。同时,该设计有效规避了免疫印迹弊端,可在已有免疫基础上诱导全新广谱应答,为变异株常态化防控提供长效解决方案。

综上,这项2026年PNAS重磅研究,跳出了“多价抗原叠加”的传统研发思维,确立了抗原空间几何调控的全新疫苗设计原理,阐明了不依赖高体细胞突变的广谱免疫生成新机制。该模块化平台不仅适用于新冠病毒变异株防控,更为各类高变异RNA病毒的广谱疫苗研发提供了通用范式,为下一代泛冠状病毒疫苗的迭代升级开辟了全新路径。

参考文献:https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2602574123

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