多价蛋白纳米环：高效广谱的中和SARS-CoV-2病毒方法

《Advanced Healthcare Materials》：Multivalent Protein Nanorings for Broad and Potent SARS-CoV-2 Neutralization

　　中性抗体替代方案：AI设计蛋白纳米颗粒实现高效多价中和及检测

　　### 模块化蛋白纳米支架在抗病毒治疗与诊断中的应用

在面对严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）持续威胁的情况下，传统基于抗体的治疗手段（ABTs）存在一定的局限性，例如其生产成本高、制备复杂以及对病毒变异的适应性差。因此，开发一种可扩展、可定制且具备多种功能的抗病毒平台变得尤为重要。本研究提出了一种基于重组环状颗粒（RLPs）的模块化蛋白纳米支架，这些RLPs来源于病毒核蛋白（NP），并通过人工智能（AI）设计的新型迷你结合子（minibinders）LCB1和LCB3进行靶向展示。这种纳米结构不仅具有良好的生物相容性，还能够在细胞表面形成高密度、多价的结合位点，从而显著提高对SARS-CoV-2刺突蛋白（S蛋白）与血管紧张素转换酶2受体（ACE2r）相互作用的抑制能力。

LCB1和LCB3这两种迷你结合子被特异性地连接在NP的N端或C端，或者两者同时连接，以确保其功能取向和密集展示。最终形成的纳米颗粒能够稳定地中和SARS-CoV-2的伪病毒样颗粒（SC2-VLPs）以及真实病毒株，包括具有免疫逃逸能力的Omicron BA.5变种。通过双展示纳米颗粒RLP-1,3，每种结合子在纳米颗粒表面展示10个拷贝，这种设计不仅增强了结合的协同效应，还使IC50值达到飞摩尔（fM）级别，远远优于现有的单克隆抗体（mAbs）和临床批准的超免疫治疗药物。此外，该RLP系统还被成功应用于酶联免疫吸附测定（ELISA）平台，用于检测SARS-CoV-2的S蛋白，其检测限为9 ng/mL，优于市面上的商业检测方法。

### AI驱动的分子设计与结构基础的纳米支架结合

这一研究的核心在于如何将AI驱动的分子设计与结构基础的纳米支架技术相结合，以创建新一代的多功能生物纳米材料。AI技术在结合子设计中发挥了关键作用，通过预测和优化结合位点，确保结合子能够高效地识别并结合SARS-CoV-2的S蛋白。然而，结合子本身的分子量较小，容易被快速清除，因此需要一个高分子量的支架来提高其在体内的稳定性和保留时间。RLPs作为天然的纳米结构，具有良好的自我组装能力，并且能够提供多个锚点用于结合子的连接。通过合理设计结合子的连接方式，可以确保它们在纳米颗粒表面以最优的功能取向进行展示，从而最大化结合效率和中和能力。

### 纳米颗粒的结构与功能验证

为了验证RLPs的结构特性及其功能表现，研究人员利用多种技术手段进行了全面的分析。通过透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）技术，研究人员确认了RLPs的形态特征，包括其环状结构和均匀的尺寸分布。所有RLP构建体的直径在14-16纳米之间，且具有低多分散性指数（PDI），表明其高度的均一性和稳定性。此外，研究还发现这些纳米颗粒在4°C储存一个月后仍能保持其原始结构和形态，显示出良好的结构稳定性。

为了评估RLPs对SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2受体相互作用的干扰能力，研究人员采用了一种基于Lumit技术的免疫分析方法。通过检测结合后荧光信号的减弱，可以间接反映RLPs对病毒进入细胞的阻断效果。实验结果显示，RLP-1、RLP-3和RLP-1,3的IC50值分别为48.6 pM、30.3 pM和57.7 pM，显著优于其他几种反SARS-CoV-2 S蛋白的抗体和结合子。特别是RLP-1,3的中和能力最强，其IC50值仅为0.57 pM，远低于现有的单克隆抗体。这一结果表明，RLP-1,3不仅能够有效中和SARS-CoV-2的伪病毒样颗粒，还能在实际病毒环境中表现出卓越的中和效果，其对Wuhan株的中和IC50值为0.23 nM，而对Omicron BA.5变种的中和能力则为1.19 nM，远高于超免疫马血清（HES）等传统疗法。

### 生物相容性与稳定性评估

为了确保RLPs在人体内的安全性和有效性，研究人员对其生物相容性进行了评估。通过HeLa细胞的代谢活性检测实验，研究人员发现RLPs在不同浓度下均未对细胞产生毒性，表明其具有良好的生物相容性。此外，RLPs在人类血浆中的稳定性也得到了验证。在48小时的模拟实验中，RLPs未发生显著降解，表明其在体液环境中的耐受性良好。这些特性使得RLPs不仅适用于治疗，还能够作为有效的诊断工具。

### 多功能生物纳米材料的开发

除了中和SARS-CoV-2的能力外，RLPs还被开发为一种多功能的生物纳米材料，能够同时承担治疗和诊断的双重功能。通过将LCB1和LCB3结合子连接到RLP支架上，研究人员构建了一种新型的ELISA平台，用于SARS-CoV-2 S蛋白的高灵敏度检测。该平台的检测限为9 ng/mL，显著优于市售的商业检测方法。这种结合子-支架的协同作用不仅提高了检测的灵敏度，还展示了其在临床诊断中的应用潜力。

### 未来展望与研究意义

这项研究展示了如何通过AI辅助设计与结构基础工程的结合，开发出一种具有高度功能性和可定制性的生物纳米材料。RLP-1,3的优异性能表明，这种纳米结构可以作为对抗未来新发传染病的一种通用且高效的解决方案。此外，RLP系统的设计还具有高度的灵活性，可以通过更换不同的结合子、调整连接子长度以及采用不同的连接策略，来适应不同的病毒靶点和临床需求。这种“插拔式”设计思路不仅提高了研发效率，还降低了生产成本，为大规模应用提供了可能。

总体而言，RLP-1,3的开发为抗病毒治疗和诊断提供了一种全新的平台。其高密度、多价结合能力以及良好的生物相容性和稳定性，使其在面对快速变异的病毒时仍能保持高效中和作用。这种结合子与支架的协同效应，不仅提高了病毒中和的效率，还为未来应对新型病毒提供了重要的技术储备。同时，该系统在诊断领域的应用也显示出巨大的潜力，尤其是在检测灵敏度和成本效益方面。因此，RLP-1,3有望成为传统抗体疗法的有力补充，甚至替代品，为公共卫生领域的快速响应和长期防控提供新的思路。