本文作者：王瀚
2021 年 5 月 24 日，Cell 杂志在线了一篇题为 An infectivity-enhancing site on the SARS-CoV-2 spike protein targeted by antibodies 的论文，文章报道了一类单克隆抗体可以在细胞实验中增强新冠病毒的感染能力，并借助结构生物学等手段为感染增强现象提供了一种潜在的解释。
论文截图
这篇文章涉及到了一个重要的概念：抗体依赖性的感染增强效应（Antibody-dependent enhancement，以下简称 ADE 效应）。

什么是 ADE 效应
抗体的作用一般被认为是保护人体免受某种病原体的感染，比如中和抗体可以阻断病毒的感染，也比如有些抗体虽然没有中和能力但可以招募巨噬细胞来吞噬病原体。
但是，也存在一些抗体，不仅不能起到保护作用，反而会增强病原体的感染，甚至加重病症。这个现象就是 ADE 效应。
ADE 现象曾出现在登革热里。登革热病毒有四个血清型，如果感染过二型病毒并产生抗体后，再感染四型病毒，则会引发重症登革热，致死率提高 300 倍左右。
截止目前，已知存在 ADE 效应的相关病毒除了登革病毒（Dengue viruses），还有西尼罗河病毒（West Nile virus）、人类免疫缺陷病毒（HIV-1）、埃博拉病毒（Ebola virus）、罗斯河病毒（Ross River virus）、寨卡病毒（Zika virus）。严重急性呼吸道综合症冠状病毒（SARS-CoV）和中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）也在体外试验中显现出 ADE 效应。
中国疾控中心主任高福曾在接受媒体采访时表示：「关于新冠疫苗，我们面临的最大挑战就是大家讨论的 ADE 效应。」但同时高福也强调：「目前新冠疫苗 ADE 没有定论，必须要有经同行评审的数据公布才能说话。」
ADE 效应的重要性不言而喻。那么，Cell 最新刊载的论文究竟意味着什么？是否实锤了新冠病毒可以诱导 ADE 效应？

Cell 刊载的论文说了什么

首先，我们先要复习一个知识点：刺突蛋白。
冠状病毒的刺突蛋白负责与宿主细胞上的受体 ACE2 结合，介导病毒膜与宿主细胞膜的融合，完成感染。也正是由于刺突蛋白在病毒感染过程中的重要作用，刺突蛋白的抗体一直是抗体研究的重点。
刺突蛋白包含 S1 和 S2 两个亚基，S1 亚基包含两个重要的结构域，也即氨基端区域（N-terminal domain，NTD）和受体结合区域（receptor binding domain，RBD）。
目前发现的所有强中和抗体都识别 NTD 和 RBD，但引发 ADE 现象的感染增强抗体的识别位点，此前并不清楚。
而 Cell 刊载的这篇论文来自日本大阪大学研究团队，在去年 12 月已经上线 bioRxiv。
研究者首先选择了 74 株分离自新冠康复者的单克隆抗体作为研究对象，这些抗体有 33 株识别 NTD，16 株识别 RBD，25 株识别 S2 亚基。研究者使用细胞表面染色实验来探索这些抗体是否能增强刺突蛋白与 ACE2 的结合，结果发现有 6 株 NTD 抗体表现出了这样的特性。
细胞表面染色实验示意图（左）和 74 株单克隆抗体的结果（右，红色柱代表 6 株能明显增强刺突蛋白与 ACE2 结合的抗体）（图源：参考文献）
一个问题随之而来：既然这些抗体可能会增强刺突蛋白和受体的结合，那么它们能增强病毒感染细胞的能力吗？
研究者使用了经典的假病毒感染实验来验证这个问题：先将假病毒与一种抗体混合孵育一段时间使两者结合，再将抗体和病毒的复合物加给细胞。
假病毒感染实验通常用于抗体中和能力的测定，中和抗体会在高浓度时阻断病毒的感染。但如果一株抗体是感染增强抗体，那么实验结果将会恰恰相反。
2369 等 4 株抗体增强了病毒对细胞的感染（4A2 为阴性对照抗体）图源：参考文献
试验结果发现，2369 等 4 株抗体增强了病毒对细胞的感染
在发现这一类抗体在细胞实验中具有增强病毒感染能力之后，下一个问题是，如何解析这些感染增强抗体的识别位点。
有些 NTD 抗体具有中和能力，也有很多 NTD 抗体既没有中和能力也没有增强感染的能力，是什么造成了它们功能的不同？这就需要抗体的识别表位解析来探索原因。
研究者通过结合竞争实验和冷冻电镜结构解析，发现这一类感染增强抗体的识别表位非常相似，集中在 NTD 的一个区域，而且与 NTD 中和抗体完全不同。
6 株感染增强抗体与刺突蛋白的复合物冷冻电镜结构（粉色和蓝色代表抗体的重链和轻链可变区，灰白色代表新冠病毒的刺突蛋白）（图源：参考文献）
此外，研究者发现这类抗体的单个可变区不会增强病毒刺突蛋白与 ACE2 的结合能力，但二聚化的可变区就具有增强的功能。同时这也说明了感染增强的能力不依赖于抗体的恒定区。
这类抗体的 Fab 不会增强刺突蛋白与 ACE2 的结合能力，但 F(ab’)2 可以（图源：Wikipedia 和参考文献）
结合上述细胞实验和电镜结构解析，研究者推测了一种模型，用来解释这些抗体的感染增强效应：
这些抗体的可变区结合刺突蛋白 NTD 的特定位点后，引发了 RBD 的构象变化，RBD 更容易处于「直立」的构象，更容易和 ACE2 结合。
同时，IgG 抗体本身是 Y 字形，拥有两个可变区域，这两个可变区可以分别结合一个刺突蛋白，将病毒表面的两个刺突蛋白的距离拉近。刺突蛋白介导膜融合时，单独一个刺突蛋白是不够的，可能需要多个刺突蛋白在病毒和细胞的接触面聚集来共同完成，而感染增强抗体可能就帮助了这一过程。
推测的这类抗体增强感染的作用机制（图源：参考文献）

研究者发现的这一类感染增强抗体不依赖于抗体恒定区功能，这与以往发现的两种病毒 ADE 机制有明显不同。
此前发现的两种 ADE 机制，第一种机制是弱中和抗体的恒定区介导了吞噬细胞的吞噬作用，反而导致这些细胞被吞噬的病毒感染。这个机制常用于解释登革病毒的二次感染加重。
第二种机制是呼吸道内的弱中和抗体与病毒形成免疫复合物，抗体恒定区激活了促炎症因子的分泌和补体级联反应，导致肺部炎症。这个机制常用于解释呼吸道合胞病毒和麻疹病毒的感染。两种机制都依赖于抗体恒定区功能。 两种 ADE 机制（图源：参考文献）

ADE 效应需要关注体内证据和临床表现

回到开头提出的问题，Cell 刊载的这篇论文是否实锤了新冠病毒可以诱导 ADE 效应？
事实上，在「新冠病毒能否诱导 ADE」这个问题上，体内证据和临床表现显然更具有实际意义。
总结来说，Cell 刊登的论文描述了一种新的感染增强抗体作用机制，但仍然缺少更为重要的体内证据。该论文的实验设计停留在细胞实验的层面，没有进行动物实验。

此外，研究者发现，新冠重症患者比非重症患者更容易产生识别 NTD 这个区域的抗体。但识别表位相似并不能说明这些抗体都会增强感染，而且重症患者抗体整体水平会高于非重症患者，这类抗体是否容易导致重症感染仍需要更多的证据证明。
那么，新冠病毒在体内是否也会出现 ADE 效应？今年 1 月杜克大学一篇发表于 bioRxiv 的论文或许可以提供更多参考。

杜克大学研究团队同时进行了小鼠和食蟹猴的动物实验，结果没有发现动物水平的 ADE 现象。
研究者也从新冠康复者样品中分离出了多种单克隆抗体，并发现其中多个抗体在细胞实验上有感染增强作用。
一些 NTD 抗体（左）和 RBD 抗体（右）在细胞实验中表现出增强感染的效果（图源：参考文献）
研究者也对这些感染增强抗体进行了结构生物学的解析。这些抗体的识别表位与大阪大学 Cell 文章中报道的抗体非常类似。
图源：参考文献
研究者随后选择了其中一株 NTD 感染增强抗体 DH1052 进行动物实验。实验都是先给实验动物注射一定量的抗体，再感染病毒，模拟这些抗体存在的情况下的感染进程。
在小鼠实验中，相比于注射无关抗体的对照组，DH1052 组小鼠的病毒载量反而略低一些，也没有更重的症状。
图源：参考文献

在食蟹猴的实验中，DH1052 组的肺部炎症也没有强于对照组，且下呼吸道病毒载量也低于对照组。   图源：参考文献
以上的动物实验都不支持这类细胞实验中增强病毒感染的抗体在体内也会增强疾病严重程度的观点。而杜克大学这篇论文也已被 Cell 接收，近期或将见刊。
血清里的抗体是成千上万种单克隆抗体的混合。在同时存在中和抗体、非中和抗体甚至感染增强抗体的情况下，病毒的感染是被阻断还是被增强，取决于不同功能的抗体的数量。
ADE 现象应紧密结合病毒感染的临床表现。登革病毒和呼吸道合胞病毒的疾病加重现象确实与弱中和抗体的存在有关联。但目前，新冠病毒的感染康复会带来一段时间的保护，且疫苗接种也降低了接种人群的重症比例。
随着病毒的不断突变，我们仍然需要持续关注 ADE 风险，合理地改造疫苗中刺突蛋白的序列，维持其融合前构象或删去某些序列，有助于增加中和抗体在总抗体中的占比，从而减少 ADE 发生的可能性。
总的来说，来自大阪大学研究团队的论文虽然证明，新冠病毒存在发生频率极低的潜在 ADE 效应，但研究仅停留在体外证据阶段，缺少更为重要的体内证据；而来自杜克大学的动物实验表明，暂无证据证明新冠病毒会在体内出现 ADE 效应。
最后，全球疫情反复，接种疫苗仍然是抗击疫情最重要也最有效的手段。（策划：z_popeye、gyouza）
致谢：本文经 中科院上海巴斯德研究所免疫学博士 @最后一次吃糖、中国科学院微生物博士 @二手的科学家 专业审核
题图来源：Cell 论文截图
参考文献：1. Liu, Y., et al., An infectivity-enhancing site on the SARS-CoV-2 spike protein targeted by antibodies. Cell, 2021.2. Li, D., et al., The functions of SARS-CoV-2 neutralizing and infection-enhancing antibodies in vitro and in mice and nonhuman primates. bioRxiv, 2021.3. Lee, W.S., et al., Antibody-dependent enhancement and SARS-CoV-2 vaccines and therapies. Nat Microbiol, 2020. 5(10): p. 1185-1191.