Les récepteurs ACE2 conçus à haute affinité neutralisent le SARS-CoV-2

La pandémie de maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) est devenue un défi sans précédent pour la santé mondiale. Le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2) est le virus responsable de cette maladie. Il s'agit d'un virus à ARN simple brin qui se lie aux cellules hôtes avec sa glycoprotéine S de pointe trimérique, qui comporte deux sous-unités. La sous-unité S1 facilite la liaison au récepteur et S2 est responsable de la fusion membranaire.

Pendant l'infection, le domaine de liaison au récepteur (RBD) de la sous-unité S1 se lie directement au récepteur de l'enzyme de conversion de l'angiotensine humaine 2 (ACE2). Il a été démontré que la RBD est le site de liaison commun des anticorps neutralisants de patients convalescents. Ainsi, la RBD peut servir de cible clé pour les médicaments qui inhibent l'infection virale.

Ingénierie ACE2 pour améliorer son affinité avec RBD

Les virus à ARN ont des taux de mutation et une évolutivité élevés qui les aident à acquérir une résistance aux médicaments antiviraux. De plus en plus de preuves montrent que les anticorps neutralisants sont efficaces pour combattre le COVID-19. Il a été démontré que les anticorps monoclonaux prélevés sur des patients convalescents COVID-19 ont une puissance élevée pour neutraliser les virus. Cependant, une mutation génique de pointe peut provoquer une adaptation du SRAS-CoV-2 à ces anticorps.

Semblable aux anticorps anti-RBD, le domaine extracellulaire de l'ACE2 peut également servir de récepteur leurre pour neutraliser le SARS-CoV-2. La puissance thérapeutique de l'ACE2 contre le COVID-19 a été confirmée par quelques études. En outre, il a été démontré que la fusion de sACE2 à la région Fc IgG1 humaine augmente la capacité de neutralisation et stimule la pharmacocinétique aux niveaux d'IgG humaines chez la souris. L'augmentation de l'affinité de l'ACE2 pour la RBD est cruciale pour une protection adéquate contre la mutation virale.

Dans une étude publiée sur le serveur de pré-impression bioRxiv*, des chercheurs de l'Université de médecine de la préfecture de Kyoto et de l'Université d'Osaka au Japon expliquent comment ils ont conçu ACE2 pour améliorer son affinité avec la RBD dans les cellules humaines. L'équipe de chercheurs a introduit des mutations aléatoires dans le domaine de la protéase, ayant l'interface avec le RBD. La bibliothèque de mutants ACE2 pleine longueur exprimée dans des cellules 293T a été incubée avec RBD marqué par fluorescence.

Évolution dirigée de ACE2. (a) ACE2 pleine longueur a été optimisé pour s'adapter au dépistage. La séquence signal synthétique et le marqueur HA ont été fusionnés à ACE2 mature et des sites de restriction ont été introduits en optimisant l'optimisation des codons pour le remplacement du fragment muté. (b) La bibliothèque de mutants ACE2 a été exprimée dans une cellule 293T et incubée avec le RBD de SARS-CoV-2 fusionné au superfolder GFP (sfGFP). (c) L'amplification par PCR sujette aux erreurs du domaine de la protéase ACE2 a induit des mutations aléatoires au taux d'une mutation pour 100 pb et a généré une bibliothèque d'environ 105 mutants. Les cellules mutantes transduites par la bibliothèque ont été incubées avec le RBD-sfGFP. La population à 0,05% supérieure avec un niveau élevé de RBD-sfGFP lié par rapport à l'expression d'ACE2 a été triée et a subi une extraction d'ADN, suivie d'une mutagenèse du cycle suivant.

Les cellules qui ont montré une activité de liaison élevée ont été triées, et l'ADN extrait de ces cellules a été en outre induit avec des mutations aléatoires pour le cycle de sélection suivant. Trois de ces cycles de mutation aléatoire et de tri cellulaire ont produit ACE2 qui avait une affinité 100 fois plus élevée pour la RBD que pour l'ACE2 de type sauvage. Ce système d'ingénierie des protéines a généré un médicament neutralisant le virus avec une affinité élevée comparable à celle des anticorps et peut fournir une solution à la résistance aux médicaments due à une mutation d'échappement.

«Plus important encore, lorsque le potentiel de neutralisation contre le SARS-CoV-2 authentique dans les cellules VeroE6 exprimant TMPRSS2 a été évalué, le sACE2-Fc de type sauvage n'a montré aucune efficacité même à 100 μg / ml, tandis que le 3N39 sACE2-Fc a démontré un effet neutralisant significatif dans 6,3 μg / ml. », Explique l'équipe.

Le domaine extracellulaire de l'ACE2 modifié, lorsqu'il est fusionné à la région Fc de l'immunoglobuline humaine IgG1, avait une structure stable et était capable de neutraliser le lentivirus pseudotypé du SRAS-CoV-2 et le virus authentique à une concentration plus de 100 fois inférieure à celle de l'ACE2 de type sauvage.

Les récepteurs leurres ACE2 de haute affinité peuvent neutraliser le SARS-CoV-2

L'ingénierie des récepteurs leurres avec une affinité améliorée a déjà été rapportée dans des molécules liées au cancer. Ces médicaments récepteurs leurres sont utilisés pour neutraliser diverses cytokines telles que le facteur de nécrose des tumeurs vasculaires alpha, le facteur de croissance endothéliale et le CTLA-4 et sont approuvés pour le traitement de la polyarthrite rhumatoïde et des maladies vasculaires orbitales.

Bien que la protéine de fusion recombinante sACE2 ou sACE2-Fc ait la capacité de neutraliser le virus SARS-CoV-2, en raison de sa modeste affinité de liaison, une dose plus élevée est requise qu'un anticorps monoclonal. Les ACE2 mutants développés par l'équipe avaient non seulement une affinité comparable aux anticorps anti-spike, mais ils avaient également une interface plus étendue avec la RBD par rapport à celle des anticorps, ce qui augmente leur efficacité.

«Nous avons développé le système de criblage basé sur le cycle de mutation aléatoire et le tri de la population de haute affinité dans les cellules 293T suivi de la validation de l'activité neutralisante sous forme soluble.»

Sur la base des résultats de leur étude, l'équipe a conclu que l'ingénierie des récepteurs ACE2 leurres avec évolution dirigée pourrait être une approche efficace dans le développement d'un médicament neutralisant le SRAS-CoV-2 qui a une affinité RBD comparable aux anticorps monoclonaux, mais résiste à la mutation d'échappement du virus.

Selon l'équipe, l'ACE2 de haute affinité et d'ingénierie fusionnée avec la protéine Fc est une approche prometteuse pour neutraliser le virus SARS-CoV-2. En outre, le système qu'ils ont développé peut rapidement générer des candidats thérapeutiques efficaces contre de nombreuses maladies virales différentes et peut aider à lutter contre les futures pandémies causées par des virus.

«Le délai d'exécution d'un cycle de mutagenèse et de tri n'était que d'une semaine dans notre système, et nous avons réussi à développer des mutants optimisés en quelques mois sans dépendre des cellules ou des tissus dérivés des patients.

*Avis important

bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique / les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.