新冠疫情爆发已经一年有余，但目前面临的抗疫形势依然严峻，全球累计新冠确诊病例已超一亿例。过去的一年里，虽然在全国人民的共同努力下，我们取得了抗击疫情的阶段性胜利，但是随着最近不断有确诊病例在国内各地陆续出现，大家好不容易放松的神经又开始紧张起来。特别是临近春节假期，很多人开始期盼能早日接种上新冠疫苗，安安心心过年。在年年末，已有多款疫苗在不同国家获批上市，但是在全球范围内，对于很多国家，这些上市的疫苗同样“一剂难求”。因此，加大现有上市疫苗的生产以及加快更多新的疫苗上市，对于全球新冠疫情的控制至关重要。
作为分子互作的“金标准”，Biacore从新冠疫情爆发以来，已经在病毒入侵机制，病毒蛋白结构基础研究，新冠病毒治疗性药物的研发，包括抗体药物和小分子药物的筛选、表征、竞争等研究中发挥了重要作用。而在新冠疫苗的研发过程中，Biacore同样贡献卓著，很多已经上市或在研的新冠疫苗，在不同的研发阶段都大量使用了Biacore。下面，小编就向大家详细介绍在不同类型的疫苗研发过程中Biacore的主要应用。
核酸疫苗核酸疫苗将编码抗原的基因输送进入人体中，进入细胞后利用宿主的加工厂生产抗原蛋白，使得体内产生相应的抗体，从而抑制病毒的感染。其中的mRNA疫苗引入编码抗原的mRNA，与传统疫苗相比，无需拿到病毒株，并且疫苗生产也无需细胞培养，生产过程简单，具有显著优势。
BioNTech与辉瑞合作的mRNA疫苗BNTb2是全球第一个获批上市的新冠疫苗。BNTb2编码的是新冠病毒刺突蛋白，是一款经过核苷修饰和密码子优化的mRNA疫苗。在这款疫苗的研究中，同样使用了Biacore。在已公开的BNTb2疫苗临床前数据中，研究人员利用Biacore能够直接检测复杂样品的优势，检测接种疫苗后的动物血清样本中的中和抗体与S蛋白相关抗原的结合能力。
在该研究中，研究人员利用偶联在芯片上的anti-mouse-Fc抗体直接将免疫小鼠血清中产生的中和抗体捕获在芯片表面，然后分别检测了与新冠病毒S1亚基和RBD的相互作用（图1）。结果显示BNTb2成功地在小鼠体内产生了特异性识别病毒的中和抗体。
图1免疫小鼠血清中的抗体与病毒S1亚基和RBD的结合就在这项研究成果发布后不久，年9月BioNtech再次公开了其利用变异的新冠病毒DG毒株开发的mRNA疫苗——BANCOVID的研发数据。众所周知，病毒的变异一直是一个棘手的问题，新的新冠病毒突变株，不但可能让新冠病毒传播能力更强，而且还可能让病毒逃避免疫系统的识别，这也就意味这些变异的病毒可能会逃避现有疫苗的保护。
年7月世卫组织宣布29%新冠病毒样本出现DG变异，并且该变异可能增强新冠病毒传播性。BioNtech的BANCOVID疫苗正是针对这一突变所开发的mRNA疫苗。在BANCOVID疫苗的开发中，以Biacore为代表的竞争性实验数据显示，疫苗接种后产生了针对S蛋白整个胞外域（S1和S2亚基）的特异性抗体。
该实验中，研究人员将新冠病毒的Sipke蛋白S1和S2亚基同时偶联在芯片上，免疫后的小鼠血清进样后，与固定的S1+S2蛋白有明显结合，证明免疫产生了针对S1/S2的抗体。而在小鼠血清中预先混合S1或S2或S蛋白，都不同程度地降低了响应值，证明产生的抗体与S1和S2抗原均有结合（图2，左）。将免疫后小鼠血清中的抗体纯化后，重复Biacore竞争实验，也得到了相同的结果（图2，右）。这说明BANCOVID疫苗免疫小鼠后产生了针对整个Spike蛋白的中和抗体。结合其他的动物实验结果，表明BANCOVID是一个很好的针对新冠病毒DG毒株的疫苗候选。
图2Biacore检测免疫小鼠血清中的抗体与病毒S蛋白的结合
亚单位疫苗亚单位疫苗与传统的灭活或减毒活疫苗相比，不用整个病毒而是从病毒上挑选最能刺激人体产生免疫性的部分，来模仿全病毒制作疫苗。大量基础研究已经表明，新冠病毒感染过程中的关键步骤是利用病毒表面S蛋白的受体结合域（RBD）与宿主细胞受体血管紧张素转化酶（ACE2）发生作用，从而侵染宿主细胞。S蛋白一直是疫苗研发的黄金靶点，新冠病毒的亚单位疫苗大多采用病毒S蛋白的一部分为基础进行研发。下面我们就一起梳理几个已经报道的亚单位重组蛋白疫苗。
年7月29日，Nature杂志发表了第一篇新冠疫苗研究论文，该论文医院生物治疗国家重点实验室，报道了利用昆虫细胞培养表达的SARS-CoV-2Spike蛋白的RBD残基-作为候选疫苗的研究成果。该重组蛋白疫苗单剂量免疫小鼠、兔子和非人类灵长类动物后，第7或14天产生有效的功能性抗体应答，并在体外中和了SARS-CoV-2假病毒和活病毒的感染，在非人类灵长类动物体内提供了抗SARS-CoV-2的保护。该疫苗已于8月21日获国家药监局临床试验批文。
在该研究中，研究人员通过Biacore验证了重组RBD蛋白与ACE2的结合，结果表明RBD以1.54nM的亲和力识别ACE2（图3），说明这种昆虫细胞表达的重组RBD蛋白具有天然构象，保留了免疫原性，为开发保护性疫苗提供了依据。
图3重组RBD蛋白与ACE2受体的相互作用中国科学院微生物所高福院士团队联合安徽智飞龙科马开发的新冠重组蛋白亚单位疫苗，已经完成1,2期临床试验，正在开展国际多中心3期临床试验。研究人员考虑到冠状病毒S蛋白的RBD结构域的免疫原性有限，以此设计的疫苗诱导机体产生中和抗体的能力较差。基于此设计了新冠病毒S蛋白RBD二聚体亚单位疫苗，实验证明比RBD单体有更好的免疫原性和保护作用。
那么构建的RBD二聚体是否和单体一样，保留原有的受体结合域（RBM）呢？通过Biacore实验发现，设计的这种具有稳定的串联重复单链的RBD二聚体——RBD-sc-dimer，和RBD单体相比，与ACE2受体的亲和力相当（图4）。结合晶体结构显示，二聚化的RBD完全暴露了双受体结合结构域，而这也是中和抗体的主要结合位点，因此这种二聚化的RBD成功保留了疫苗的效力。
图4RBD-sc-dimer和RBD单体与ACE2受体的亲和力比较
值得一提的是，这种疫苗设计的策略在针对MERS和SARS的疫苗开发中同样适用。研究人员同样利用Biacore检测了MERS和SARS的二聚体抗原与相应受体的结合，结果表明MERS和SARS的二聚体抗原与相应受体的亲和力均与单体相当（图5），并且使得免疫小鼠产生的中和抗体滴度明显提高。表明该策略可普遍应用于其他β冠状病毒的疫苗设计，从而应对未来可能出现的、由冠状病毒引起的新型传染病。
图5MERS和SARS病毒二聚化RBD和单体RBD与相应受体的亲和力比较同样也是重组亚单位疫苗，年12月，厦门大学夏宁邵团队在预印本网站bioRxiv发布了一项新冠病毒重组亚单位疫苗的研究成果，这种亚单位疫苗由CHO细胞表达的病毒Sipke胞外蛋白（StriFK）和修饰的锌铝混合佐剂（FHC）组成，能在动物模型中快速引发强烈的体液免疫和细胞免疫反应。研究人员采用Biacore检测了StriFK蛋白与ACE2受体的结合（图6），确证了表达的StriFK蛋白保留了结合ACE2的能力，这为该疫苗进一步优化和临床试验提供了一个坚实的基础。
图6新冠病毒Spike胞外蛋白StriFK与ACE受体的亲和力纳米颗粒疫苗与亚单位疫苗相似，纳米颗粒疫苗也是选取病毒的关键蛋白作为抗原进行设计。但不同的是纳米颗粒疫苗将抗原连接到纳米颗粒上，利用纳米颗粒的自组装对有效抗原进行富集，实现多抗原的重组蛋白疫苗，大大提高疫苗的免疫原性。
中山大学人类病毒学研究所张辉教授课题组研发的纳米颗粒疫苗，可以实现在单个疫苗表面同时展示24个相同或不同的新冠病毒抗原，增强疫苗的保护性免疫响应，诱导的中和抗体可以显著地抵御机体免遭新冠病毒感染。
研究人员构建了两种铁蛋白纳米颗粒疫苗（图7），一种是RBD纳米颗粒疫苗，一种是RBD-HR（heptadrepeat，七肽重复区）嵌合的纳米颗粒疫苗。通过Biacore互作实验发现，这两种构建的纳米颗粒疫苗和RBD单体一样，具有结合ACE2受体的能力，并且亲和力相当（图7），这为后续疫苗的进一步优化奠定了基础。文章称这款纳米颗粒疫苗在小鼠体内诱导的针对新冠病毒的中和抗体滴度位居全球第一，可以作为一种有潜力的新冠疫苗。目前这款新冠纳米颗粒疫苗正在向国家药监局申报临床批件。
图7RBD单体以及构建的两种纳米颗粒疫苗RBD_Ferritin和RBD/HR_Ferritin与ACE2的结合综合上述研究成果我们可以看到，Biacore在核酸疫苗、亚单位疫苗以及纳米颗粒疫苗中都有广泛的应用。不仅可以检测纯化的蛋白之间的结合，还可以直接检测血清等复杂样品，这在疫苗的研发中是非常重要的，可以大大提高实验效率。Biacore之所以能够实现对复杂样品的检测，是因为具有极高的灵敏度，超低的非特异性吸附，以及严谨的背景扣减方式，才能排除杂质对实验的影响。
从应用方向看，Biacore不但可以用于表征疫苗抗原与受体或抗体间结合的亲和力，还可以方便地设计竞争实验，直观地发现抗体的结合表位，这得益于Biacore的管路设计和连续进样的方式。并且针对抗原结合表位，Biacore还有专业的表位模块帮助研究者快速处理大量数据，图形化呈现各种结果。
除了新冠疫苗的研发之外，在以往的多种疫苗的研发与质控中同样都可以看到Biacore的身影，包括流感疫苗，HPV疫苗、疱疹疫苗以及IPV疫苗等等。在这次抗疫的战斗中Biacore也是以精准的数据和多样的应用为多种新冠疫苗的研发保驾护航。在新的一年里，我们也会持续的投入，与广大科研人员一起努力，让越来越多的新冠疫苗能够从研发走向上市，让更多人能够用上安全、有效、可及的疫苗。
Biacore，Forabetterlife!参考文献：1.Vogel.AB.etal.AprefusionSARS-CoV-2spikeRNAvaccineishighlyimmunogenicandpreventslunginfectioninnon-humanprimates.bioRxiv,.2.BarayJC.etal.BANCOVID,thefirstDGvariantmRNA-basedvaccinecandidateagainstSARS-CoV-2elicitsneutralizingantibodyandbalancedcellularimmuneresponse.bioRxiv,.3.Yang,J.,Wang,W.,Chen,Z.etal.AvaccinetargetingtheRBDoftheSproteinofSARS-CoV-2inducesprotectiveimmunity.Nature,–().4.DaiL,ZhengT,XuK,etal.AuniversaldesignofbetacoronavirusvaccinesagainstCOVID-19,MERSandSARS[J].Cell,,(3).5.WuY.T.,HuangX.F.etal.SterilizingimmunityagainstSARS-CoV-2inhamstersconferredbyanovelre