本方案描述了一种新型杂合阿尔法病毒-SARS-CoV-2假病毒(Ha-CoV-2)的应用,该平台可用于快速定量SARS-CoV-2变异株的感染性及其对中和抗体的敏感性。
本方案描述了一种新型杂合阿尔法病毒-SARS-CoV-2假病毒(Ha-CoV-2)的应用,该平台可用于快速定量SARS-CoV-2变异株的感染性及其对中和抗体的敏感性。
新型冠状病毒病2019(COVID-19)大流行凸显了快速检测方法的重要性,以准确评估新出现的严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)变异株的感染能力,以及疫苗诱导的中和抗体对病毒变异株的有效性。此类检测对于大流行监测以及验证疫苗和针对特定变异株的加强针至关重要。本文展示了新型杂合阿尔法病毒-SARS-CoV-2假病毒(Ha-CoV-2)的应用,可用于快速定量SARS-CoV-2变异株的感染性及疫苗诱导的针对病毒变异株的中和抗体水平. Ha-CoV-2 是一种严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)类病毒颗粒,由病毒结构蛋白(S、M、N 和 E)以及源自甲病毒——塞姆利基森林病毒(Semliki Forest Virus, SFV)的快速表达RNA基因组组成。Ha-CoV-2 还包含绿色荧光蛋白(GFP)和荧光素酶报告基因,可用于快速定量病毒感染性。例如,本研究定量了 SARS-CoV-2 Delta(B.1.617.2)和 Omicron(B.1.1.529)变异株的感染性,并检测了它们对一种中和抗体(27VB)的敏感性。这些实例表明,Ha-CoV-2 作为一种高效平台,在快速定量 SARS-CoV-2 变异株及其对中和抗体的易感性方面具有巨大潜力。
截至2023年5月,全球已有超过7.66亿例COVID-19病例1。尽管全球已开展广泛的疫苗接种,SARS-CoV-2仍持续传播并感染人群,主要原因在于新变异株(如Delta(B.1.617.2)和Omicron(B.1.1.529))的出现,这些变异株引发了新一轮感染潮2,3,4。鉴于SARS-CoV-2持续进化,开发能够准确测定新兴变异株感染能力以及疫苗诱导的中和抗体对这些变异株效力的快速检测方法显得尤为重要。此类检测对于疫情监测以及评估疫苗及其针对特定变异株的加强针的有效性至关重要。
由于SARS-CoV-2具有高度传染性,美国疾病控制与预防中心(CDC)要求对SARS-CoV-2及其变异株的研究必须在生物安全等级(BSL)3级设施中进行5,6这一BSL-3要求限制了在常规科研和临床实验室中使用活病毒来定量病毒变异株的感染性及其中和抗体。此外,传统的SARS-CoV-2中和实验(如基于噬斑形成或细胞病变效应的、依赖具有复制能力的活病毒的实验)耗时较长,且需要长时间的孵育过程。7已开发出多种携带刺突(S)蛋白的SARS-CoV-2假病毒,用于量化中和抗体的效果8,9,10,11,12在SARS-CoV-2中,S蛋白是介导病毒进入的主要蛋白13,是SARS-CoV-2疫苗中使用的主要抗原9,10,14,15,16假病毒颗粒(如水疱性口炎病毒(VSV-G)或慢病毒假病毒颗粒)已被用于中和抗体的定量检测17,18,19然而,基于慢病毒的假病毒通常需要 2 至 3 天的感染时间才能定量检测报告信号。基于 VSV 的假病毒系统常含有残留的 VSV 活病毒,可能导致较高的假阳性率,通常需要 24 小时的感染时间20.
Hetrick 等人最近开发了一种新型 SARS-CoV-2 假病毒系统,即杂合甲病毒-SARS-CoV-2 假病毒(Ha-CoV-2)12。Ha-CoV-2 为在常规 BSL-2 实验室中快速定量病毒感染性及病毒对中和抗体的敏感性提供了一种新工具。从结构上看,Ha-CoV-2 与 SARS-CoV-2 病毒颗粒相似,包含 SARS-CoV-2 的结构蛋白,即刺突蛋白(S)、膜蛋白(M)、核衣壳蛋白(N)和包膜蛋白(E),不含其他病毒的结构蛋白。此外,Ha-CoV-2 颗粒携带一种来自甲病毒的快速表达 RNA 基因组,可在细胞中实现报告基因的快速表达。研究表明,Ha-CoV-2 可用于快速测定疫苗接种者和康复者血清中抗体的中和活性12。如 Hetrick 等人所示,在时间进程实验中,与基于慢病毒的 SARS-CoV-2 假病毒相比,Ha-CoV-2 在感染后 2–4 小时即可表达 Luc 报告基因,而慢病毒假病毒则在 24 小时后才表达 Luc12。此外,通过使用一种 标准单克隆中和抗体 27BV(见补充图 1)12,进一步验证了 Ha-CoV-2 变体在定量中和抗体方面的潜在应用。本研究详细描述了利用 Ha-CoV-2 平台对 SARS-CoV-2 变体的感染性进行快速定量的方法,并以 Delta(B.1.617.2)和 Omicron(B.1.1.529)变体为例进行了说明。此外,通过使用标准单克隆中和抗体 27BV,进一步验证了 Ha-CoV-2 变体在定量中和抗体方面的潜在应用12。
1. 病毒与病毒颗粒组装
2. 病毒感染性检测
3. 哈冠状病毒2型(Ha-CoV-2)的RNA提取及定量逆转录PCR(RT-qPCR)
4. 中和抗体检测
5. 定量与统计分析
利用五种不同的DNA载体在HEK293T细胞中组装Ha-CoV-2病毒颗粒,这些载体分别表达Ha-CoV-2的RNA基因组以及SARS-CoV-2的结构蛋白(M、N、E和S)。S蛋白载体根据S蛋白变异株的不同而有所差异。以原始Ha-CoV-2武汉株(野生型,Wt)的S蛋白作为阳性对照,并将其分别与另外两种变异株——Delta(B.1.617.2)或Omicron(B.1.1.529)——的S蛋白共同组装。所有变异株均使用相同的M、N、E蛋白。在共转染后48小时收集Ha-CoV-2(Wt)及变异株颗粒,并用于感染HEK293T(ACE2/TMPRSS2)细胞。感染后18小时通过检测荧光素酶的表达水平来测定感染能力。在此系统中,荧光素酶表达水平越高,表明Ha-CoV-2对细胞的感染能力越强。每种变异株的荧光素酶信号均通过RT-qPCR检测的基因组RNA拷贝数进行归一化处理。如图1所示,Ha-CoV-2 Omicron变异株产生的信号比原始Ha-CoV-2(Wt)高出4至10倍,提示其感染能力更强。
此外,还对27BV中和HaCoV-2(野生型)、Delta和Omicron变异株的能力进行了定量分析。27BV是一种针对SARS-CoV-2 S1蛋白受体结合域(RBD)开发的兔单克隆抗体。在中和实验中,将27BV在96孔板中进行系列稀释,与Ha-CoV-2预孵育后,加入HEK293T(ACE2/TMPRSS2)靶细胞。结果显示,27BV对所有测试的变异株均具有中和活性(图2)。有趣的是,27BV对Omicron变异株的ID50效价比对Ha-CoV-2(WT)和Ha-CoV-2(Delta)的ID50低约10倍;图2)。这些结果表明,Ha-CoV-2平台可作为快速定量新兴变异株疫苗诱导中和抗体的方法。

图 1.Ha-CoV-2 变异株的组装与定量。(A)Ha-CoV-2 及其变异株颗粒的组装示意图。表达 Ha-CoV-2 报告基因组和结构蛋白(M、S、N 和 E)的载体在 HEK293T 细胞中进行共转染。转染后 48 小时收集病毒颗粒(病毒颗粒与 HEK293T 细胞的图像由 Biorender.com 制作)。(B)Ha-CoV-2 变异株感染性的定量分析。通过各 Ha-CoV-2(Luc)变异株的基因组 RNA 拷贝数对两种变异株(Delta 和 Omicron)的相对感染性进行定量并归一化。野生型为 Ha-CoV-2(Wt),作为比较对照。感染实验与荧光素酶检测重复进行 3 次。RU,相对单位。图中显示均值与标准差(SD)。请点击此处查看本图的放大版本。

图 2.27BV 对 Ha-CoV-2(Luc) 变体中和活性的定量分析 在 HEK293T(ACE2/TMPRSS2) 细胞感染后 18 小时分析 27BV 的中和活性。通过相对感染率(荧光素酶活性)与 27BV 浓度的关系计算 ID50。请点击此处查看该图的放大版本。

图3。Ha-CoV-2(GFP)对HEK293T(ACE2/TMPRSS2)细胞的感染。 组装Ha-CoV-2(GFP)病毒颗粒并用于感染HEK293T(ACE2/TMPRSS2)细胞。感染后48小时通过荧光显微镜观察GFP的表达。左侧显示感染细胞的明场图像,右侧显示GFP荧光图像。白色标尺代表100 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。
补充图1. 图文摘要。 Ha-CoV-2假病毒的结构与应用。图片由Biorender.com制作。 请点击此处下载该文件。
补充文件1. 蛋白质序列。 SARS-CoV-2 S、M、N 和 E 蛋白的序列列表。S 蛋白序列还包括 SARS-CoV-2 变体 Omicron (B.1.1.529) 和 Delta (B.1.617.2)。 请点击此处下载该文件。
Ha-CoV-2 平台提供了一种快速、稳健且简便的工作流程,用于定量病毒变异株和中和抗体。然而,有几个关键步骤需要特别注意。Ha-CoV-2 假病毒的制备应使用高活力的 HEK293T 细胞进行。共转染效率可在转染后 24 小时通过 Ha-CoV-2 基因组中的 GFP 报告基因进行监测。Ha-CoV-2 基因组可携带两个报告基因(GFP 和 Luc),GFP 可在共转染期间以及 Ha-CoV-2 感染靶细胞后表达12。感染产生的 GFP+ 细胞通常所占比例较低(1% 至 5%),但每个被感染细胞均表达强烈的 GFP 信号(图 3)。相较于 Luc 报告基因(其可定量所有被感染细胞群体),该较低的 GFP 阳性比例可能限制 GFP 作为抗体中和效应定量检测的稳健性。
进行中和实验时,必须在不同孔之间更换移液器吸头,并确保抗体与无血清培养基充分混匀,以获得准确的结果。此外,在进行荧光素酶检测实验时,细胞必须完全裂解至少3分钟,以确保细胞充分裂解并释放荧光素酶,从而保证检测结果的准确性。另外,一旦将萤火虫荧光素酶检测试剂加入光学白壁96孔板后,必须在10分钟内完成检测,因为初始光信号较强,但随着ATP逐渐耗尽,发光强度会随时间下降21。
随着更多SARS-CoV-2变异株持续演化,迫切需要Ha-CoV-2等平台快速筛查变异株的感染性及其对疫苗诱导中和抗体的敏感性。与现有的基于假病毒的中和试验相比,Ha-CoV-2平台具有更快的检测速度、更高的信噪比以及更简便的操作流程8,9,10,11Ha-CoV-2 平台的另一优势在于其可在 BSL-2 实验室中使用,无需依赖 BSL-3 设施,从而使 SARS-CoV-2 相关研究可在常规科研与临床实验室中开展。此外,与其他系统相比,Ha-CoV-2 平台能够快速获得结果。例如,针对具有感染性的 SARS-CoV-2 病毒的中和抗体研究通常采用蚀斑减少中和试验(plaque reduction neutralization test, PRINT)22尽管PRINT能够产生可靠的结果,但噬菌斑形成单位(PFUs)的手动计数过程耗时较长,且需要3-5天才能获得结果23,24其他假型系统,例如慢病毒假病毒,需要24-72小时才能产生 可检测的报告信号12相比之下,Ha-CoV-2中和实验可在18小时内获得结果。Ha-CoV-2为快速筛选和定量病毒变异株及中和抗体提供了便捷工具,可用于疫情监测。
监测SARS-CoV-2的感染性至关重要,因为不断有新的关注变异株(VOCs)出现。Ha-CoV-2的优势在于能够快速确定VOCs的感染性。以往的研究已采用基于人工智能(AI)的建模方法,对奥密克戎亚变异株及其他SARS-CoV-2变异株(如德尔塔变异株)的感染性进行定量分析25。这些研究表明,奥密克戎变异株比原始病毒更具传染性,且更易逃逸中和抗体的作用25。在这些研究中,使用Ha-CoV-2也观察到了类似的表型。此外,在抗体中和实验中,27BV中和奥密克戎变异株的效果比中和武汉株和德尔塔株低十倍。这些结果与已报道的奥密克戎变异株更高传播性的特征一致,该变异株在其受体结合域(RBD)上至少存在15个突变,可能增强了病毒与ACE2受体的结合亲和力,从而导致更高的传播能力和更强的免疫逃逸能力26。
乔治梅森大学已就该项专利申请并授权给Virongy Biosciences公司用于产品开发。Y.W.是Virongy Biosciences公司的创始人及顾问委员会成员。B. H 目前担任Virongy Biosciences公司的首席执行官兼首席科学官。作者无其他利益冲突。
这项工作得到了乔治·梅森大学内部研究基金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 27VB1 20 µg SARS-CoV-2 标准中和抗体 | Virongy Biosciences | 27VBI-01 | |
| 500 mL - 美国来源FBS | 神经组学 | FBS001 | |
| AB混合板:Olympus 96孔PCR板,无裙边超薄壁,自然色,25板/单位 | Genesee Scientific | 货号 24-300 | |
| Allegra 6R 离心机 | Beckman Coulter | 2043-30-1158 | |
| DMEM(1×) | 赛默飞世尔科技 | 11995-073 | |
| GenClone 25-209,TC 处理培养瓶,250 ml,通气生长面积:75.0 cm²,每袖5个,每单位100个培养瓶 | Genesee Scientific | 25-209 | |
| GlowMax Discover 微孔板读板仪 | Promega | GM3000 | |
| Ha-CoV-2 E 载体 | Virongy Biosciences | pCoV2_E | |
| Ha-CoV-2 M 载体 | Virongy Biosciences | pCoV2_M | |
| Ha-CoV-2 N 载体 | Virongy Biosciences | pCoV2_N | |
| Ha-CoV-2 WT S 载体 | Virongy Biosciences | pCoV2_WT S | |
| Hek293T 细胞 | ATCC | CRL-3214 | |
| Illumination 萤光素酶增强检测试剂盒 1000 次检测 | Gold Bio | I-930-1000 | |
| 感染板:96孔组织培养板,Greiner Bio-One(带盖, μ透明白色扁圆形,烟囱状 | VWR | 货号 82050-758 | |
| pAlphaPro-Luc-GFP-PreΨ (Ha-CoV-2 基因组)载体 | 内部 | ||
| 基于PEI的转染试剂 | Virongy Biosciences | Transfectin | |
| 青霉素-链霉素-谷氨酰胺(100X) | Invitrogen | 10378016 | |
| 支化聚乙烯亚胺 | Millipore Sigma | 408727-100ML | |
| QuantStudio 7 Pro 实时荧光定量 PCR 系统 | 赛默飞世尔科技 | A43163 | |
| 即用型(HEK293T)(ACE2/TMPRSS2)细胞 | Virongy Biosciences | 即用型细胞 | |
| SARS-CoV-2 S Omicron(B.1.1.529)载体 | Virongy Biosciences | pCoV2-B.1.1.529 | |
| SARS-CoV-2 S Delta (B.1.617.2) 载体 | Virongy Biosciences | pCoV2- B.1.617.2 | |
| 注射器滤器,PES,0.22µm | Genesee Scientific | 25-244 | |
| TaqMan Fast Virus 1-Step Master Mix | ThermoFisher | 4444432 | |
| 0.4% 台盼蓝溶液 | 赛默飞世尔科技 | 15250061 |