虹科案例|基于SOLA光源的高通量Spike展示平臺加速新冠病毒疫苗研制

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背景提要

自21世紀(jì)初以來，三種冠狀病毒已越過物種壁壘，導(dǎo)致人類致命的肺炎：嚴(yán)重急性呼吸綜合征（SARS）冠狀病毒（SARS-CoV）、中東呼吸綜合征（MERS）冠狀病毒（MERS-CoV）和SARS-CoV-2（之前稱為2019年新型冠狀病毒, 2019-nCoV）。

SARS-CoV于2002年在中國廣東省出現(xiàn)，并通過航空旅行路線傳播到五大洲，感染8098人，造成774人死亡。2012年，MERS-CoV出現(xiàn)在阿拉伯半島，并傳播到27個國家，共感染約2494人，并奪走了858人的生命。如今，它仍然是阿拉伯半島的一個主要的公共衛(wèi)生問題。2019年12月在中國湖北省武漢市發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的冠狀病毒SARS-CoV-2（簡稱新冠病毒），目前已經(jīng)是國際范圍關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件。

冠狀病毒的刺突糖蛋白（Spike ）示意圖

冠狀病毒的刺突糖蛋白（Spikeglycoprotein,S glycoprotein）是Ⅰ型跨膜糖蛋白，也是病毒最大的結(jié)構(gòu)蛋白，其包含了病毒的主要抗原決定簇，能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生中和抗體和介導(dǎo)免疫反應(yīng)，通常包括由球狀的受體結(jié)合亞基S1和棒狀的融合亞基S2兩部分。同時，S蛋白的S1亞基決定了受體細(xì)胞的表面受體的特異性，而S2亞基又決定了病毒進(jìn)入細(xì)胞的融合過程的特性，可以說Spike蛋白的結(jié)構(gòu)對于設(shè)計(jì)疫苗來產(chǎn)生抗體或者設(shè)計(jì)藥物阻斷病毒吸附與侵染具有重要作用。

冠狀病毒Spike蛋白暴露于病毒表面并介導(dǎo)病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞，因此它是感染后中和抗體的主要靶標(biāo)，也是藥物開發(fā)和疫苗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。對 Spike 糖蛋白的體液免疫是抵抗 SARS-CoV-2 的最有效手段。SARS-CoV-2 疫苗通過免疫接種可產(chǎn)生強(qiáng)烈的多克隆抗體反應(yīng)。Spike 還是預(yù)防和治療中和性單克隆抗體（中和抗體）和 ACE2 結(jié)合抑制劑的主要靶標(biāo)。但是，Spike 突變和重組，使它們部分逃避了單克隆抗體，恢復(fù)期的血清和疫苗誘導(dǎo)的體液免疫。

新病毒變異體的抗原性和感染性通常通過活病毒，假型病毒和動物保護(hù)實(shí)驗(yàn)來測定。這些分析的通量低，需要冗長的病毒準(zhǔn)備工作，這大大影響了Spike蛋白變體表達(dá)的研究以及疫苗研制的效率。

02

基于SOLA光源的

高通量Spike展示平臺

針對新冠病毒多變體測量步驟多、分析通量低的現(xiàn)狀，目前迫切需要一種高通量平臺能夠測定數(shù)百種Spike 糖蛋白變體表達(dá)、受體結(jié)合和抗體逃逸的情況。德克薩斯大學(xué)的一組研究人員最近報告了Spike展示平臺技術(shù)的發(fā)展。他們開發(fā)了一種哺乳動物細(xì)胞表面 Spike 展示技術(shù)，這是一個高通量的平臺，該平臺可測量哺乳動物細(xì)胞表面上的變體 Spike 同源三聚體的表達(dá)、受體結(jié)合和抗體逃逸，還可以快速表征跨多個冠狀病毒家族蛋白的糖基化 spike 胞外域。研究者預(yù)計(jì)，spike 展示將加速 SARS-CoV-2 和其他新興病毒的抗原設(shè)計(jì)、深層掃描突變和抗體表位作圖，以幫助目前和未來的大流行對策。

Spike展示平臺使spike糖蛋白在哺乳動物細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)基因表達(dá)成為可能。Spike糖蛋白用附加的3X FLAG標(biāo)簽和蛋白酶切割和親和純化位點(diǎn)表示。作為平臺驗(yàn)證的一部分，研究人員使用高性能的SOLA光源進(jìn)行雙色免疫熒光顯微鏡檢查，以確認(rèn)SARS-CoV-2 Spike的細(xì)胞膜定位以及蛋白質(zhì)ACE2，REGN10933和4A8的結(jié)合（圖1）。使用Spike展示平臺，該團(tuán)隊(duì)通過中和抗體測定了約200個SARS-CoV-2刺突變體的表達(dá)，ACE2結(jié)合和和 13 個 nAb 的識別，證明了Spike展示平臺在加速疫苗研制和快速評估突變對新興病毒變體的方面的巨大潛力。

圖 1. SARS-CoV-2 Spike糖蛋白在人胚胎腎 (HEK293T) 細(xì)胞表面定位的免疫熒光顯微鏡驗(yàn)證。在使用 SOLA 光源照明的 NikonTs2R-FL 顯微鏡上使用 60 倍放大率獲取的圖像。綠色熒光表示表達(dá)水平。紅色熒光表明 ACE2 與中和抗體 REGN10933 和 4A8 結(jié)合。藍(lán)色熒光表示由 Hoechst 33342 進(jìn)行的核染色。

在這里，SOLA光源代替了顯微鏡成像技術(shù)中常用的傳統(tǒng)汞弧燈，具有明顯優(yōu)勢。首先，傳統(tǒng)的汞燈或金屬鹵素?zé)粼诠ぷ髦袝]發(fā)出有害物質(zhì)汞，從而對環(huán)境造成危害。而SOLA光源是4-6個固態(tài)光源同時工作，在穩(wěn)定輸出白光的同時不會揮發(fā)有害物質(zhì)，屬于綠色清潔可持續(xù)性的技術(shù)。此外，汞燈發(fā)光效率不高且使用壽命較短，維修或更換燈泡會耽誤許多工作進(jìn)程。數(shù)據(jù)表明，一個固態(tài)光源的壽命相當(dāng)于15-150個含汞燈泡。相比之下，虹科SOLA固態(tài)光源不僅消除了潛在的汞危害，同時能夠提供高性能照明，高數(shù)據(jù)質(zhì)量，且大大降低了使用成本。

德克薩斯大學(xué)研究人員開發(fā)的這種利用SOLA光源的Spike 展示技術(shù)，預(yù)計(jì)可以適應(yīng)各種冠狀病毒家族的 Spike 糖蛋白和其他病毒抗原。Spike 展示平臺可以從細(xì)胞表面切出 Spike，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)和生物物理表征；可補(bǔ)充用于高分辨率表位作圖的結(jié)構(gòu)功能研究；加快抗體 -Spike 相互作用的表征，同時對所有可能的氨基酸取代進(jìn)行深度突變掃描將廣泛用于表征 Spike 突變情況以及泛冠狀病毒疫苗抗原的開發(fā)。從 Golden Gate 裝配到表征的整個過程都可以在 5 天內(nèi)完成，將加速疫苗設(shè)計(jì)并快速評估新興病毒株中突變的影響。

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SOLA光源介紹

虹科系列SOLA光源是顯微鏡和其他生命科學(xué)應(yīng)用中現(xiàn)代固態(tài)照明的市場領(lǐng)導(dǎo)者，是傳統(tǒng)汞弧燈與金屬鹵素?zé)舻闹苯犹娲摺?/strong>

SOLA光源系列的光譜輸出與SOLA實(shí)物圖
該產(chǎn)品線現(xiàn)在包括4個標(biāo)準(zhǔn)型號，這些型號通過光源數(shù)量和光譜輸出進(jìn)行區(qū)分：SOLA，SOLA FISH，SOLA U-nIR和SOLA V-nIR光源。SOLA 光源為激發(fā) DAPI、GFP/FITC、YFP、Cy3、mCherry、Cy5 和光譜相似的熒光團(tuán)提供白光輸出。在SOLA FISH光源中，475-600nm區(qū)域的輸出被紅移，為SpectrumGreenTM，SpectrumRedTM和其他通常用于細(xì)胞遺傳學(xué)測試實(shí)驗(yàn)室中熒光原位雜交（FISH）分析的熒光團(tuán)提供最佳激發(fā)。SOLA V-nIR 和 U-nIR 光引擎提供最廣泛的光譜覆蓋范圍，包括用于激發(fā) Cy7 和 ICG 等熒光團(tuán)的近紅外 （nIR） 輸出，以及受益于 nIR 光增強(qiáng)的組織穿透力的其他應(yīng)用。目前，更新的SOLA 光源產(chǎn)品線都增加了主動光輸出穩(wěn)定、全線性強(qiáng)度控制和電子控制接口。SOLA光源不含任何需要更換或校準(zhǔn)的部件，不需要日常維護(hù)，典型的工作壽命為10年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何燈泡。所有SOLA固態(tài)光源都不含汞，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。