据美国约翰斯·霍普金斯大学4月2日发布的最新统计数据显示，全球新冠肺炎累计确诊病例超过100万例，死亡逾5.1万例。截至4月1号，美国确诊超过23万例；英国、西班牙、法国出现单日最大死亡增幅；韩国“高考”延迟两周；世卫组织称，亚太疫情或迎“持久战”。引起新冠肺炎的病原体是一种新型冠状病毒，与此前大家熟悉的严重急性呼吸道综合征冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）具有较近的亲缘关系，被感染的患者会以发热、乏力、干咳为主要临床表现，严重者快速进展为急性呼吸窘迫综合征，甚至死亡。研究表明部分抗艾滋病病毒HIV药物对冠状病毒有一定的抑制作用，但是目前为止尚无特效药和疫苗批准上市，针对新型冠状病毒的药物靶点研究以及新药的研发迫在眉睫。
在这次疫情防控和科研攻关当中，高等学校及其附属医院是一支非常重要的力量。近期，vwin德赢郭俊凌教授课题组与哈佛医学院研究团队在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德国应用化学）以外封面形式在线发表题为“Unidirectional Presentation of Membrane Proteins in Nanoparticle-Supported Liposomes”研究论文（2019年6月25日正式发表）。该研究开发一种病毒膜蛋白新型组装技术以及一种人工病毒合成的新平台方法，同时该技术也可以用来研发各种受体蛋白、离子通道以及转运蛋白的高效抗体。在该研究中，研究人员成功地合成了艾滋病HIV类病毒，并且检验了其在动物模型中有效抗体的产生，这个研究极大地鼓舞了该研究团队尝试利用这项新技术合成新型冠状病毒SARS-CoV-2疫苗。
抗体药物或疫苗研发，大部分都是以生物膜蛋白以及膜锚定蛋白为靶点，如何把这些生物膜蛋白质呈递给免疫系统是当前的核心难点。目前主要有三种方法呈递膜蛋白：1、将膜蛋白放入脂质体中，但脂质体本身并不稳定，容易和细胞内的囊泡相融合，且膜蛋白质重组到脂质体的过程中朝向完全是随机的；2、纳米碟被广泛用作膜蛋白的载体，并且非常稳定，但纳米碟尺寸较小（15纳米以内），一个纳米碟只携带1-2个膜蛋白，对于免疫系统的刺激作用很弱；3、利用类病毒颗粒来呈递，类病毒颗粒的制作程序对于每个膜蛋白都不一样，每个系统都要花费很多的时间和材料来优化，而且很多过程难以人为控制。
为解决复杂膜蛋白的呈递问题，我院青年专家郭俊凌特聘教授与国际著名结构生物学家、美国哈佛大学医学院James Chou教授共同研发，以植物多酚修饰的纳米颗粒为内核，通过多酚基团和膜蛋白的特异结核作用，将膜蛋白脂质体包裹在纳米颗粒表面，从而构建了无传染新的人工蛋白。此方法被命名为SPLANDID平台（Supported Proteoliposome for Antigen Directed Display），该平台的具体流程如图一所示：1a. 将纳米颗粒表面修饰为植物多酚（包含邻苯二酚或邻苯三酚）；1b. 纯化后的病毒膜蛋白质被重组在脂碟（bicelle）；1c. 通过纳米颗粒表面的邻苯二酚或邻苯三酚基团，可以与膜蛋白上的亲和标签特异性的结合（包括Ni-NTA分子和组氨酸标签的结合）; 1d. 膜蛋白质携带脂碟被有序的吸引到纳米颗粒的表面，通过透析作用或者其他方法逐渐的将表面活性剂去掉，脂分子会相互融合，进而形成封闭的包含有病毒膜蛋白质的脂质体。
这样组装的脂质体携带有序单一朝向的、高拷贝数且具有活性的病毒膜蛋白质，成功的将艾滋病病毒HIV的跨膜蛋白和膜外临近区（HIV-1 MPER-TMD）重组在加固的脂质体表面并进行了免疫实验，对有效激活免疫系统具有重要生物学意义。
图1.SPLANDID人工病毒合成平台具体流程
在该研究中，研究团队首先制备了植物多酚修饰的金纳米颗粒，将NTA分子与邻苯二酚或邻苯三酚上产生亲电反应，并加入镍离子，从而在金纳米颗粒表面形成Ni-NTA配合物（图二a）；修饰后的纳米颗粒和组氨酸标签的亲和作用通过核磁共振谱进一步验证（图二b）。将重组在脂碟中的HIV-1 MPER-TMD和修饰后的金多酚纳米颗粒以最佳比例混合，并通过透析去掉系统中的表面活性剂，最终得到了由膜蛋白和纳米颗粒诱导形成的大小均一的膜蛋白脂质体（图二d，e）。在HIV-1 MPER-TMD的N端和C端分别有抗Flag标签和组氨酸标签，最终制备的HIV-1 MPER-TMD脂质体只能被抗组氨酸标签的抗体识别，而不能被抗Flag的抗体识别（图二g），说明了HIV-1 MPER-TMD在脂质体的朝向是单一的，能被精确控制的。同时，该研究也测试了利用DNA折纸法形成的空心球作为内核也同样能指引HIV-1 MPER-TMD脂质体的组装（图二f）。
图2.构建了具有艾滋病病毒HIV典型结构的生物纳米结构
研究团队将组装好的MPER-TMD脂质体注射到豚鼠的体内，并在每次注射后的4个星期收集豚鼠的血清（免疫实验仍在进行中）。通过ELISA反应的检测，血清里含有大量可以和MPER-TMD蛋白特异性结合的抗体，并且抗体的含量随着免疫实验的进行而增加（图三）。MPER-TMD蛋白由于大部分区域都在生物膜内，具有非常弱的免疫原性，到目前为止还没有通过免疫MPER-TMD蛋白而诱导产生中和性抗体的记录。但是，通过SPLANDID方法制备的MPER-TMD脂质体，可以在很短的时间内就能通过免疫反应在动物体内产生的大量的抗体，能够高效的刺激免疫系统产生HIV特异性抗体。该部分结果为获得艾滋病病毒、新型冠状病毒SARS-CoV-2、中东呼吸综合征冠状病毒MERS-CoV的中和性抗体建立了研究基础。
图3.由植物多酚修饰的纳米颗粒支撑的艾滋病病毒MPER-TMD膜蛋白脂质体的免疫原性
此研究由郭俊凌教授课题组、美国哈佛医学院James Chou教授团队合作完成，哈佛医学院陈文博士为第一作者，四川大学与哈佛大学为共同通讯单位，该研究由国家高层次人才项目、四川大学“双百人才工程”引进计划、四川大学“双一流”建设计划、美国国立卫生研究所基金资助完成。该研究部分工作在vwin德赢生物质先进材料与纳米界面研究中心完成（https://www.bmicenter.org/）。
