今天，《自然》雜志（Nature）公布了2022年度科學(xué)影響“十大人物”（Nature’s 10），北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）副研究員、北京昌平實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜科學(xué)家曹云龍入選。這一榜單旨在選出十位在這一年重大科學(xué)進(jìn)展中占有一席之地的人物。
Nature這樣介紹：
“曹云龍：新冠預(yù)測者（COVID-predictor)，幫助追蹤新冠病毒的演化，并預(yù)測了導(dǎo)致新變異株產(chǎn)生的重要突變?！?
新冠疫情暴發(fā)以來，曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員圍繞著新冠病毒免疫逃逸及其演化變異的分子特征展開系統(tǒng)性研究，其中有關(guān)新冠中和抗體藥物研制和奧密克戎株免疫逃逸機(jī)制的創(chuàng)新性研究結(jié)果為抗擊疫情做出了重要貢獻(xiàn)，以第一作者或共同通訊作者在Nature、Cell等雜志發(fā)表10余篇論文。值得注意的是，自過去的一年里，曹云龍以第一作者兼共同通訊作者在Nature雜志發(fā)表了3篇論文（最新一篇將于近期上線）。
2022年，奧密克戎在全球流行，打破了病毒的單一進(jìn)化規(guī)律，多種亞型株不斷變異出現(xiàn)并顯示出很強(qiáng)的免疫逃逸能力。曹云龍/謝曉亮團(tuán)隊(duì)深入地研究了奧密克戎變異株的免疫逃逸特征。
在獲得大量研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)揭示了新冠病毒的趨同進(jìn)化趨勢，并表明新冠病毒突變可被預(yù)測。這將有助于人類在病毒變異前有望進(jìn)行前瞻性研判，為后續(xù)抗體藥物和廣譜疫苗的研制提供了科學(xué)理論與技術(shù)支撐，對(duì)未來如何加強(qiáng)病毒感染免疫防治提出了新的思路。
1、系統(tǒng)性揭示奧密克戎株免疫逃逸機(jī)制
2021年末，新冠病毒變異株奧密克戎出現(xiàn)并快速蔓延，其對(duì)于人體體液免疫的逃逸能力和機(jī)制亟待解析。曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員第一時(shí)間關(guān)注，通過開發(fā)的高通量深度突變掃描技術(shù)，描繪了新冠中和抗體的逃逸突變譜，發(fā)現(xiàn)超過85%的新冠原始株誘導(dǎo)的中和抗體被奧密克戎株BA.1逃逸，并具體解釋了奧密克戎株免疫逃逸機(jī)制。該研究2021年12月相繼發(fā)表于Nature 1和Cell 2，對(duì)全球疫情防控具有極高的時(shí)效性和重要性。
圖1. 基于酵母展示的高通量突變掃描技術(shù)描繪抗體逃逸圖譜
奧密克戎變異株BA.2、BA.2.12.1、BA.4、BA.5的接連出現(xiàn)及其免疫逃逸效應(yīng)對(duì)疫苗接種的預(yù)防效果和抗體藥物的治療效果提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新變異株的受體結(jié)合能力和免疫逃逸能力亟待詳盡研究。2022年4月，南非科學(xué)家首次在測序中發(fā)現(xiàn)奧密克戎BA.4/BA.5變異株，團(tuán)隊(duì)即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)敏銳地意識(shí)到其潛在的強(qiáng)大免疫逃逸能力和流行潛力，隨之迅速投入研究。通過高通量單細(xì)胞測序、分離并測定上千個(gè)新冠單克隆中和抗體的表位與中和活性，曹云龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)奧密克戎BA.2.12.1、BA.4、BA.5進(jìn)化出的新突變能夠特異性逃逸BA.1感染所誘導(dǎo)產(chǎn)生的中和抗體。并且，接種疫苗的奧密克戎BA.1突破感染存在“免疫印跡”現(xiàn)象，即BA.1感染主要喚起之前原始株疫苗所誘導(dǎo)的記憶B細(xì)胞，而很難產(chǎn)生特異性針對(duì)BA.1的中和抗體。由于存在“免疫印跡”現(xiàn)象且新冠病毒可以快速進(jìn)化出免疫逃逸突變位點(diǎn)，通過奧密克戎感染實(shí)現(xiàn)群體免疫來防止感染是極難實(shí)現(xiàn)的。該成果于2022年6月發(fā)表于Nature 3，在國際上首次報(bào)道了BA.2.12.1和BA.4/5刺突蛋白結(jié)構(gòu)和體液免疫逃逸特性、奧密克戎突變株“免疫印跡”分子機(jī)制的系統(tǒng)性研究結(jié)果，為新冠疫苗研發(fā)方向的調(diào)整提供了重要數(shù)據(jù)參考，受到了Science、Nature、New York Times、ABC News等多家國際知名媒體的競相報(bào)道。
圖2. 基于高通量突變掃描技術(shù)的RBD中和抗體表位分類與逃逸位點(diǎn)識(shí)別
繼BA.5之后，新突變株持續(xù)出現(xiàn)，其中BA.4.6、BF.7和BA.2.75備受關(guān)注。曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員率先發(fā)現(xiàn)BA.4.6、BF.7等在RBD區(qū)域攜帶R346突變的奧密克戎新突變株能夠逃逸BA.5感染誘導(dǎo)的體液免疫，與BA.5相比有更高的增長優(yōu)勢，且能導(dǎo)致中和抗體藥物Evusheld的失效，該成果發(fā)表于國際一流傳染病學(xué)期刊The Lancet Infectious Diseases 4，在國際學(xué)界引起廣泛關(guān)注。隨后，曹云龍及其團(tuán)隊(duì)注意到了BA.2.75在印度的增長優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于刺突蛋白N末端結(jié)構(gòu)域（NTD）靶向的中和抗體以及BA.5突破感染康復(fù)者血漿具有極強(qiáng)的逃逸能力，此外，BA.2.75的ACE2親和力極高，這將賦能其獲得更多的免疫逃逸突變，這在新冠病毒的后續(xù)進(jìn)化中得到驗(yàn)證，相關(guān)成果發(fā)表于國際一流微生物學(xué)期刊Cell Host & Microbe 5。該系列創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)被Nature、Science等多家媒體快速跟進(jìn)報(bào)道。
今年8月以來，上百種突變株在全球范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，且諸多突變株比BA.5更有增長優(yōu)勢，其中BQ.1和XBB兩個(gè)家族流行度最高。曹云龍及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，近期流行的CH.1.1、BQ.1.1、BQ.1.1.10（BQ.1.18）和XBB顯示出更強(qiáng)的抗體逃逸能力。例如，接種疫苗后突破感染BA.5的患者，其康復(fù)一個(gè)月后的血漿雖然對(duì)于BA.5和BF.7的中和滴度較高（即防感染效果較好），但對(duì)于BQ.1.1.10（BQ.1.18）、XBB、CH.1.1等亞型的中和滴度很低，防感染作用較低。相關(guān)研究將近期在Nature 6發(fā)表。
圖3. 三針滅活疫苗BA.5突破感染者對(duì)不同新冠變異株的血清中和滴度
曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員對(duì)于病毒變異株的持續(xù)跟蹤系統(tǒng)研究快、廣、深，將深化科學(xué)界不斷揭示不同的病毒突變將會(huì)如何影響人們的抗體免疫應(yīng)答反應(yīng)，更加精準(zhǔn)地了解病毒突變與人體免疫系統(tǒng)之間發(fā)生反應(yīng)的規(guī)律，從而為未來從根本上防治病毒感染奠定關(guān)鍵的科學(xué)基礎(chǔ)。
2、預(yù)測新冠病毒變異趨勢
奧密克戎的變異株仍在快速涌現(xiàn)，不同支系紛繁復(fù)雜。但曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員持續(xù)追蹤觀察發(fā)現(xiàn)，病毒的突變正在呈趨同趨勢。
“病毒進(jìn)化是隨機(jī)的，但也遵循一定的規(guī)律?！痹陂L期系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，曹云龍及其團(tuán)隊(duì)注意到，新的奧密克戎突變株的受體結(jié)合域（RBD）所攜帶的突變表現(xiàn)出趨同效應(yīng)，即獨(dú)立演化的毒株演變出了相同的RBD突變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，突變株感染所誘導(dǎo)的弱中和和非中和抗體比例增加，有效中和抗體占比越來越少且表位多樣性越來越低，從而導(dǎo)致病毒面對(duì)的免疫壓力越來越集中。由于病毒演化的驅(qū)動(dòng)力主要來自機(jī)體免疫壓力，集中的免疫壓力促進(jìn)了病毒趨同進(jìn)化。
圖4. 新冠病毒RBD趨同進(jìn)化突變熱點(diǎn)
現(xiàn)有證據(jù)表明，新冠病毒奧密克戎支系目前的演化是由中和抗體導(dǎo)致的免疫逃逸壓力主導(dǎo)的。曹云龍表示，“利用大量不同變異株感染者抗體逃逸圖譜，我們可以分析出在不同的免疫背景下，分別是哪些RBD突變有利于病毒逃逸最多的強(qiáng)效中和抗體，并較準(zhǔn)確地預(yù)測出不同毒株的突變趨勢”。
曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員構(gòu)建了基于中和抗體免疫壓力的新冠病毒RBD進(jìn)化趨勢預(yù)測模型，基于今年上半年世界人群的免疫背景，預(yù)測了BA.2.75和BA.5未來的進(jìn)化趨勢。該模型預(yù)測的突變熱點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)世界中病毒的進(jìn)化高度一致。團(tuán)隊(duì)于7月基于模型構(gòu)建出的假病毒，與隨后10月、11月大量出現(xiàn)的新變異株相似度極高，相關(guān)預(yù)測很快在病毒實(shí)際發(fā)生的進(jìn)化中得到驗(yàn)證。這一結(jié)果表明，新冠在群體免疫壓力下所產(chǎn)生的突變是可以被預(yù)測的。通過預(yù)測可能出現(xiàn)的變異株并構(gòu)建出相應(yīng)的假病毒，可以提前設(shè)計(jì)開發(fā)疫苗和抗體藥物以應(yīng)對(duì)未來可能出現(xiàn)的疫情，是病毒學(xué)領(lǐng)域的重要突破。
該研究成果于2022年9月在預(yù)印本平臺(tái)發(fā)布，這是全球首篇系統(tǒng)性研究新冠病毒趨同進(jìn)化現(xiàn)象的論文，在國際上引起強(qiáng)烈反響。曹云龍受邀在世衛(wèi)組織專題會(huì)議上作主題報(bào)告，該論文將近期在Nature 6發(fā)表。
圖5.基于中和抗體免疫壓力的新冠病毒RBD進(jìn)化趨勢預(yù)測模型
3、與病毒競速的科學(xué)長跑：中和抗體藥物研發(fā)
2019年末，曹云龍?jiān)趯?dǎo)師謝曉亮院士的指導(dǎo)下于哈佛大學(xué)化學(xué)系完成學(xué)業(yè)，獲得博士學(xué)位，隨后回國就職于謝曉亮院士創(chuàng)建并時(shí)任主任的北大BIOPIC。新冠疫情暴發(fā)后，謝曉亮院士迅速召集合作團(tuán)隊(duì)，協(xié)調(diào)各方資源，開啟了迎戰(zhàn)新冠病毒的科研戰(zhàn)場。在謝曉亮院士的指導(dǎo)下，曹云龍也將科研重點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)變到新冠病毒免疫應(yīng)答特征及其相關(guān)抗體藥物和疫苗研究中。
利用其在高通量單細(xì)胞測序技術(shù)領(lǐng)域的特長，曹云龍與團(tuán)隊(duì)成員率先證明了利用高通量單細(xì)胞V(D)J測序，可以快速地從新冠康復(fù)者記憶B細(xì)胞中篩選出大量新冠病毒高效中和抗體，開啟了抗體藥物高通量篩選的新方向。隨后該團(tuán)隊(duì)在大量候選抗體中篩選出了編號(hào)為DXP-593、DXP-604的兩個(gè)中和活性突出的抗體，并證明兩者組合成抗體雞尾酒療法更加顯效，研究成果相繼在Cell雜志發(fā)表兩篇論文7-8。其中，DXP-604在2021年德爾塔株流行時(shí)期在北京地壇醫(yī)院作為同情用藥緊急使用，治療效果顯著，患者核酸轉(zhuǎn)陰時(shí)間大幅縮短，無一人轉(zhuǎn)為重癥。
在后續(xù)的臨床開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)DXP-604被奧密克戎新變異株所逃逸?！斑@促使我們反思，對(duì)于新冠這類快速突變的病毒，抗體的廣譜性與中和活性同樣重要、甚至更加重要”，曹云龍解釋道，“抗體的廣譜性不僅取決于抗體本身的生化特性，同時(shí)也取決于病毒的突變規(guī)律和進(jìn)化方向”。
基于對(duì)新冠變異株的序列分析發(fā)現(xiàn)，曹云龍等發(fā)現(xiàn)新冠病毒變異遵循兩點(diǎn)規(guī)律：1）突變主要發(fā)生在康復(fù)者和疫苗接種者體內(nèi)產(chǎn)生的中和抗體所針對(duì)的“熱點(diǎn)”表位，從而實(shí)現(xiàn)最大程度免疫逃逸；2）不太可能出現(xiàn)破壞病毒關(guān)鍵功能的突變。據(jù)此，團(tuán)隊(duì)提出了一種理性的新冠病毒廣譜中和抗體篩選策略9，認(rèn)為候選的中和抗體藥物不僅要有強(qiáng)中和能力、可組成表位不沖突的抗體對(duì)，同時(shí)，廣譜中和抗體藥物還應(yīng)靶向非優(yōu)勢免疫表位，從而可以不受群體免疫逃逸突變的影響；此外，理想的中和抗體藥物應(yīng)靶向乙型冠狀病毒B支系RBD上的保守位點(diǎn)，且這些位點(diǎn)最好涉及關(guān)鍵的病毒功能，從而使得抗體逃逸突變不易出現(xiàn)。
圖6. 從非典康復(fù)者記憶B細(xì)胞中高通量篩選新冠廣譜新冠中和抗體SA58/SA55
根據(jù)這一思路，團(tuán)隊(duì)從接種了新冠疫苗的非典康復(fù)者中篩選出了一對(duì)廣譜中和抗體，SA55和SA58。其中，SA55是目前國際上已知唯一處于臨床階段的，對(duì)包括BQ.1.1和XBB等株在內(nèi)的所有當(dāng)前流行株都有效的抗體。SA55是一個(gè)非常“稀缺”的抗體，在目前的人群免疫背景中幾乎不存在類似的抗體，這意味著其對(duì)應(yīng)逃逸位點(diǎn)目前幾乎不存在免疫壓力，因此很難進(jìn)化出可以逃逸SA55的突變株。
圖7. 臨床用新冠中和抗體對(duì)不同新冠變異株的中和活性
除了用于治療，該抗體組合還可以用于預(yù)防感染。從預(yù)防角度來看，抗體比小分子藥物更具優(yōu)勢。小分子藥物半衰期比較短，而抗體在血液中的半衰期可長達(dá)80天，這意味著抗體注射后的保護(hù)效力最長可達(dá)半年，可能比疫苗誘導(dǎo)的抗體濃度更高、中和活性更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)長效預(yù)防作用，尤其適用于老年人或免疫缺陷人群等不適合疫苗接種或免疫反應(yīng)差的人群。SA58和SA55還可以制成噴霧吸入式預(yù)防藥物，一次提供的即時(shí)保護(hù)可維持6-12小時(shí)，初步的單盲隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)顯示，預(yù)防感染效率可達(dá)到80%以上，且成本較低，方便使用。目前正在進(jìn)行更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐R床試驗(yàn)，預(yù)計(jì)將來可以大規(guī)模使用。
4、未來展望
新冠病毒具有較高的突變速率，變異株可以逃逸由疫苗接種或感染誘導(dǎo)的抗體保護(hù)作用，導(dǎo)致人群出現(xiàn)突破感染和二次感染。而且，在人體產(chǎn)生的免疫壓力下病毒進(jìn)化不斷加速，已出現(xiàn)諸多逃逸人群免疫的變異株且還在不斷被新變異株取代。顯然，全球范圍內(nèi)疫苗研發(fā)的速度已落后于病毒進(jìn)化速度，所存在的“免疫印跡”效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致新研發(fā)的變異株疫苗也很難抵御未來變異株的感染。因此，曹云龍表示，“之后，除了正在研發(fā)的廣譜中和抗體藥物，我們還將致力于研制可以克服既往‘免疫印跡’干擾影響的廣譜疫苗，從而互補(bǔ)地提供對(duì)新冠疫情的全方位防護(hù)?！?/p>
面對(duì)不斷變異的新冠病毒，曹云龍及其團(tuán)隊(duì)的科研攻關(guān)將不斷深入。研究成果的取得有賴于團(tuán)隊(duì)高效強(qiáng)大的科研協(xié)作精神與創(chuàng)新能力。曹云龍說，“北京昌平實(shí)驗(yàn)室和北大BIOPIC的合作為該系列研究提供了團(tuán)隊(duì)、平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)的支撐。BIOPIC的很多博士生都深度參與。要特別感謝謝曉亮院士的指導(dǎo)和支持”， “和其他合作者的配合也非常融洽、高效，因?yàn)榇蠹叶加兄餐哪繕?biāo)，就是調(diào)動(dòng)一切可以調(diào)動(dòng)的科技資源，去迎戰(zhàn)新冠病毒?！?/p>
· 人 物 簡 介 ·
曹云龍，北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）副研究員，北京昌平實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜科學(xué)家。2014年畢業(yè)于浙江大學(xué)竺可楨學(xué)院物理學(xué)專業(yè)，2019年獲得哈佛大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位。在新冠疫情期間，圍繞新冠病毒B細(xì)胞免疫應(yīng)答、特異性抗體的結(jié)構(gòu)與功能等開展了系統(tǒng)性研究，其中新冠中和抗體藥物研制、新冠體液免疫應(yīng)答特征和新冠突變免疫逃逸機(jī)制的創(chuàng)新性研究結(jié)果為抗擊疫情做出了重要貢獻(xiàn)。以第一作者、共同通訊作者在Nature、Cell、Lancet Infectious Diseases、Cell Host & Microbe、Cell Research等期刊上發(fā)表多篇相關(guān)研究文章。曾獲評(píng)《麻省理工科技評(píng)論》中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、2022年度Nature十大人物。
