SARS-CoV-2に対する改良型モノクローナル抗体の開発

The paradigm of immune escape by SARS-CoV-2 variants and strategies for repositioning subverted mAbs against escaped VOCs. Molecular Therapy (2022). doi: https://doi.org/10.1016/j.ymthe.2022.08.020 https://www.cell.com/molecular-therapy-family/molecular-therapy/fulltext/S1525-0016(22)00508-1

Molecular Therapy誌に掲載された最近の研究で、研究者は重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）に対する有効なモノクローナル抗体（mAbs）を開発するための戦略を検討した。

背景
SARS-CoV-2のスパイクタンパク質に結合するいくつかの中和抗体（nAbs）が、コロナウイルス感染症2019（COVID-19）の治療薬として食品医薬品局（FDA）に承認されている。これは主に、ウイルスの増殖において、受容体を介したSARS-CoV-2の宿主細胞の識別と内在化が不可欠な役割を担っていることに起因している。

プロトタイプスパイクの受容体結合ドメイン（RBD）の変異により、抗体はウイルスの中和に効果がなく、ワクチンの効果も著しく低下している。したがって、ウイルスの進行中の進化の結果、懸念されるSARS-CoV-2の変異体（VOC）が出現することは、COVID-19治療薬の有効性に明確に関連している。また、スパイクが積極的に選択した変異が、どのようにウイルスの機能を変更し、免疫反応を回避しているかを理解するために、重要な分析が必要である。

SARS-CoV2 VOCsとACE2結合
2020年にCOVID-19の第2波をもたらしたSARS-CoV-2ベータ変異体に見られるアンジオテンシン変換酵素-2（ACE2）結合の増加は、ほとんどがK417N、E484K、N501Yという3つの変異によってもたらされたものであった。スパイクのK417N/Tの改変は、ACE2結合親和性が同等であるBeta変異型とGamma変異型を区別するものです。2021年4月にCOVID-19の大波を引き起こしたDelta変異体は、T19RとG142Dを含む10個のスパイクの変化があり、L452RとT478Kの変異がACE2結合性を向上させた。SARS-CoV-2 Omicron変異体は、スパイクに最も多くの変化を伴って最初に出現し、ACE2結合、感染性、伝播性を著しく改善しただけでなく、大部分のnAbsとワクチンの回避を容易にさせた。

ウイルスのRBDに見られる195個のアミノ酸はすべて、スパイクタンパク質の変異と関連している。しかし、これまで提唱されてきた変異のすべてがACE2結合を含んでいるわけでは無い。COVID-19パンデミックの初期に行われた徹底的な変異の調査では、RBDにACE2結合を修飾する変異や抗体ベースの治療に適した変異が発見された。驚くべきことに、VOCの免疫回避に関わる16のRBD変異のうち、ACE2との結合が高いのは、G339D、L452R、S477N、T478K、E484K、N501Yの6つだけであった。さらに、抗原（Ag）エピトープ内で最も適合性の高い変異を選択することにより、VOCのポジティブセレクションがワクチン接種後および回復期の血清に対する抵抗性の上昇と関連している可能性があることが示された。

研究チームが行った分子モデリングによると、オミクロンはオリジナル株に比べ、ACE2との結合力が約2.5倍強くなっていることが判明した。これは、T478K、Q493K、Q498Rなどの置換基によって説明され、K417NとE484Aは逆の役割を担っていることがわかった。このため、突然変異がACE2との結合を強化するという説は、ウイルスの宿主適応の複雑な性質を説明するのに有効でないことが判明した。SARS-CoV-2における突然変異率の増加は、選択圧だけによるものではなく、宿主の免疫反応、人獣共通感染症の発生、ウイルスの適応などの非典型的な状況下で生じた正味の突然変異の結果であると思われる。

ACE2と競合するRBDエピトープにおける変異
研究チームは、これらのmAbとβおよびγRBDの3次元構造をモデル化し、その界面を調査した。その結果、BamlanivimabではE484Kが相補性決定領域H2（CDRH2）とCDRL3への静電的接触をなくし、EtesevimabではK417NがCDRH2との接触を解消していることが判明した。イムデビマブとカシリビマブは共にRBD上の重複しない2つのエピトープに結合するため、後者はベータ中和能を維持するのに対し、カシリビマブはE484Kの変化の結果、中和能が著しく低下しました。L452RおよびT478K変異によりデルタRBD-ACE2相互作用が増強されると、レグダンビマブのデルタ型中和能は消失した。

さらに研究チームは、regdanvimabとbamlanivimabの逃避は、N417NとE484Aに直接起因し、ACE2-RBD結合親和性を著しく低下させることを指摘した。この発見は、SARS-CoV-2における高い突然変異率は、ACE2親和性の向上ではなく、非典型的な状況下で出現する正味の陽性突然変異の結果である可能性が高いという仮説をさらに裏付けるものであった。オミクロンの免疫逃避とBA.2を含むその亜種の出現を踏まえ、FDAはCOVID-19におけるEtesevimab/bamlanivimabカクテルやcasirivimab/imdevimabカクテルなど2種類のmAbベースのカクテル薬の使用承認を更新した。

CDRの多様化によりVOCを回避したmAbのリポジショニングを行う
VOCや他のサルベロウイルスに対して優れた効果を示す抗体がある一方で、多くの変異を経て免疫系を回避する新型の抗体も存在する。SARS-CoV-2は効率的に免疫系を回避することができるため、これまで特定のウイルス種に対して開発されてきた逃避抗体を再設計するために、CDRの多様化が有効な選択肢であると考えられた。この開発は、あらかじめ定義されたホットスポットを介したエピトープ・パラトープに関する情報によって促進される。最近では、アストラゼネカがこれらの方法を用いて、ハイブリドーマ由来のAB1のマウスケモカインリガンド20（muCCL20）に対する親和性を向上させたことがある。

全体として、本研究では、ドッキングアルゴリズムに見られる偏ったポーズ優先の結合を、発見的設計戦略と同様に部分的にエミュレートする方法を開発したことが示された。また、得られたポーズの安定性とコンフォメーション変化や再配向に対する耐性は、Ab-Agポーズの溶媒中モデリングによって確認することができる。