北京大學(xué)謝曉亮教授：?jiǎn)渭?xì)胞基因組學(xué)迎戰(zhàn)新冠肺炎
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2020年的開(kāi)端，我們所有人都經(jīng)歷了太多關(guān)于疫情的未知、病痛和恐慌。面對(duì)依然嚴(yán)峻復(fù)雜的疫情，理解未來(lái)科學(xué)講座：病毒與人類(lèi)健康專(zhuān)題科普 已正式上線。每周一期，全方位專(zhuān)業(yè)解讀病毒及流行病相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)，深度分析謠言與真相，給你權(quán)威解答！
在4月2日的第四期直播中，我們邀請(qǐng)到了北京大學(xué)李兆基講席教授、北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心主任、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心主任謝曉亮為我們帶來(lái)《單細(xì)胞基因組學(xué)迎戰(zhàn)新冠肺炎》的主題分享。他向我們分享了作為后方的科學(xué)工作者是如何通過(guò)單細(xì)胞基因組學(xué)迎戰(zhàn)新冠肺炎的。以下是謝教授的演講內(nèi)容整理。
特別鳴謝 稿件整理：李敏，中科院生物物理所博士生 郭麗潔，中科院生物物理所博士生
謝曉亮：謝謝未來(lái)論壇的邀請(qǐng)，大家好！首先，我想借此機(jī)會(huì)，衷心感謝英雄的武漢人民，向一線的醫(yī)護(hù)工作者們致以崇高的敬意。我有兩個(gè)朋友也加入了援鄂醫(yī)療隊(duì)，我非常敬佩他們。
今晚的科普講座，我想跟大家分享的是，作為后方的科學(xué)工作者，我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)單細(xì)胞基因組學(xué)迎戰(zhàn)新冠肺炎。
新冠肺炎席卷全球，控制疫情涉及四個(gè)方面：檢測(cè)、隔離、預(yù)防和治療。根據(jù)過(guò)去幾個(gè)月國(guó)內(nèi)外疫情的發(fā)展，大家應(yīng)該已經(jīng)充分意識(shí)到了檢測(cè)和隔離的重要性，我今天的演講主要涉及預(yù)防和治療。
談到預(yù)防，人們紛紛把希望寄托在疫苗上。眼下全世界很多科學(xué)家正在研制疫苗，估計(jì)要年底才能出來(lái)。在疫苗出來(lái)之前，除了隔離，我們還能做什么呢？世界急需的是強(qiáng)有效的治療方法，來(lái)降低死亡率，但是目前還沒(méi)有特效藥。
從上周中歐抗疫交流會(huì)上和前幾天的臨床結(jié)果，我們了解到，小分子藥物氯奎和羥氯奎在輕癥患者上有一定效果，現(xiàn)在美國(guó)也開(kāi)始使用了。小分子藥物，也就是化學(xué)合成藥物，一般研制周期很長(zhǎng)，比如說(shuō)十年。所以目前都是舊藥新用，藥效有限。
除小分子藥物外，血漿療法也初見(jiàn)成效。血漿療法就是把康復(fù)期病人的血漿離心，取上層清澈的血漿部分注射給病人。這是一種傳統(tǒng)療法，現(xiàn)在在美國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始使用。
血漿療法雖好，但有一定風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檠獫{因人而異，是一個(gè)復(fù)雜的混合物；而且血漿來(lái)源有限，不可能大規(guī)模使用。
康復(fù)期病人的血漿中的關(guān)鍵成分是免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的某種抗體。抗體是一種蛋白質(zhì)，它的分子量是氫原子的15萬(wàn)倍。所有抗體都有Y字形狀的結(jié)構(gòu)，像兩把“鉗子”，用來(lái)捕捉抗原。那對(duì)我們來(lái)說(shuō)，抗原就是新冠病毒。
新冠病毒是一種RNA 病毒，它的外殼上有刺突狀的S蛋白。S蛋白上面的紅色的部分是冠狀病毒的受體結(jié)合域（Receptor Binding Domain, RBD）。
新冠病毒入侵細(xì)胞時(shí)，S蛋白與人體細(xì)胞的表面受體ACE2結(jié)合，隨后病毒被內(nèi)化，進(jìn)入細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)被轉(zhuǎn)錄酶復(fù)制，重新組裝成大量新的病毒，又去繼續(xù)感染其他細(xì)胞。
抗體有很多種，我們關(guān)心的是中和抗體。中和的意思就像酸來(lái)了，我們用堿來(lái)中和；病毒來(lái)了，細(xì)胞用抗體來(lái)中和。中和抗體的作用是牢牢地結(jié)合到病毒上，改變它的功能，阻止它侵入細(xì)胞。我們的目標(biāo)是快速找到并制備高純度中和抗體，作為藥物，代替血漿給病人注射。
抗體藥物是一種大分子藥物，與小分子藥物相比，它的特異性好，副作用小，近年來(lái)有不少成功的例子。
艾滋病原來(lái)是不治之癥，2018年以后美國(guó)FDA批準(zhǔn)HIV的抗體藥物，與其他抗病毒逆轉(zhuǎn)錄的藥物聯(lián)合使用。
埃博拉病毒，三種單克隆抗體已獲美國(guó)FDA批準(zhǔn)，目前正在臨床開(kāi)發(fā)中。2015年，由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研發(fā)的抗體藥物MIL77成功治愈1名確診埃博拉病毒的感染者。
中東呼吸綜合征（MERS），2018年經(jīng)過(guò)基因改造的牛生產(chǎn)的針對(duì)MERS病毒的人類(lèi)抗體，在一期臨床試驗(yàn)中表現(xiàn)良好。二期臨床因?yàn)橐咔橄o(wú)法繼續(xù)。
以上這三種抗體藥物都是中和抗體。但問(wèn)題是找到這些抗體的時(shí)間太長(zhǎng)。采用的是單細(xì)胞克隆放大的方法，需要幾個(gè)月。我們現(xiàn)在就是要縮短這個(gè)時(shí)間。
我這里順便提一下癌癥。截止2018年，全球?qū)⒔?00個(gè)抗體新藥進(jìn)入臨床試驗(yàn)。它們不是中和抗體，而是與T細(xì)胞有關(guān)的抗體。其中以PD-1/PD-L1為靶點(diǎn)的抗體是研究熱點(diǎn)。
回到我們的課題：如何快速找到并制備高純度的中和抗體？
血漿中的抗體不計(jì)其數(shù)，種類(lèi)約有10的7-8次方之多。想在血漿中直接找到新冠病毒的中和抗體，猶如大海撈針，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)。反正我不知道怎么做。
我們需要走另外一個(gè)途徑，那就是先找到產(chǎn)生抗體的細(xì)胞。離心后血漿下面的這層是白細(xì)胞，其中包括人體內(nèi)兩大免疫細(xì)胞，T細(xì)胞和B細(xì)胞。我們今天只講B細(xì)胞。
B細(xì)胞是生產(chǎn)抗體的，它產(chǎn)生于骨髓，通過(guò)血液和淋巴液分布到全身的淋巴結(jié)。但是B細(xì)胞種類(lèi)繁多，每個(gè)B細(xì)胞只生產(chǎn)某一種特定的抗體；而這種抗體是由B細(xì)胞的DNA序列決定的。所以我們采用的辦法就是通過(guò)對(duì)B細(xì)胞進(jìn)行RNA測(cè)序來(lái)找到我們想要的中和抗體。
我們尋找新冠病毒中和抗體之路開(kāi)始于大年初三，曹云龍?jiān)趲讉€(gè)月前剛從哈佛拿到博士學(xué)位，他是我的哈佛實(shí)驗(yàn)室里唯一一個(gè)跟我回國(guó)的。我們不是專(zhuān)門(mén)搞病毒或者免疫學(xué)的，單細(xì)胞基因組學(xué)是我們的專(zhuān)長(zhǎng)。一開(kāi)始我們只是想為抗疫做點(diǎn)事情，當(dāng)意識(shí)到單細(xì)胞基因組學(xué)也許有可能幫助找到中和抗體的時(shí)候，我們非常興奮，立馬開(kāi)始讀文獻(xiàn)，制定實(shí)驗(yàn)方案，四處尋找儀器和試劑。北大和北京市各單位的同事十分給力，所以很快就萬(wàn)事俱備。
2月2號(hào)，我和我們中心的蘇曉東教授，測(cè)序平臺(tái)負(fù)責(zé)人耿晨陽(yáng)去了佑安醫(yī)院。在這里見(jiàn)到金院長(zhǎng)和馮處長(zhǎng)，他們當(dāng)即就同意合作，要提供康復(fù)期病人的血樣。緊接著醫(yī)院的粟斌和郭向華研究員來(lái)到我們中心，完成單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的培訓(xùn)后就回到醫(yī)院的P2+實(shí)驗(yàn)室，類(lèi)似于P3實(shí)驗(yàn)室，所以他們要穿防護(hù)服等裝備。按理每天只應(yīng)該工作5個(gè)小時(shí)，但他們經(jīng)常超時(shí)工作，還被隔離了整整兩個(gè)月。
在進(jìn)一步解釋之前，我需要先給大家一些背景知識(shí)。
談到測(cè)序，大家知道這次疫情爆發(fā)后，中國(guó)科學(xué)家在一個(gè)月內(nèi)就測(cè)出新冠病毒的完整序列，并在第一時(shí)間向全球公布，為新冠肺炎的檢測(cè)和研究奠定了基礎(chǔ)。相比之下03年SARS爆發(fā)時(shí)，最早的序列用了5個(gè)月的時(shí)間才測(cè)出來(lái)，是由加拿大的團(tuán)隊(duì)最先公布的。
就在SARS發(fā)生的同一年，人類(lèi)基因組計(jì)劃完成了，這是人類(lèi)歷史上的一個(gè)里程碑。當(dāng)時(shí)一家美國(guó)的私人公司和美國(guó)組織的國(guó)際團(tuán)隊(duì)激烈競(jìng)爭(zhēng)。私人隊(duì)的隊(duì)長(zhǎng)Craig Venter測(cè)的是他自己的基因組。而美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)耗資30億美金，測(cè)的是6、7個(gè)人的組合。
在人體細(xì)胞的細(xì)胞核里有 46 條染色體，23 條來(lái)自于父親，23條來(lái)自于母親，染色體的主要成分是遺傳物質(zhì)DNA。大家知道，二十世紀(jì)最偉大的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)是 Waston 和 Crick的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA有四種堿基 A、T、C、G, A與 T 配對(duì)，C與G配對(duì)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，堿基排列的序列，像這里，GTGACAG, 決定了遺傳信息，也就是基因。人類(lèi)基因組有60億對(duì)堿基，共有兩萬(wàn)多個(gè)基因，對(duì)應(yīng)兩萬(wàn)多個(gè)蛋白質(zhì)。人與人相比，絕大部分的堿基都是相同的，只有千分之一堿基序列的差別決定了我們之間的不同。比如說(shuō)這里，這一個(gè)人體細(xì)胞里，來(lái)自父親和母親的DNA，他們的差別只是千分之一的堿基。
按照分子生物學(xué)的中心法則，DNA攜帶的遺傳信息，即基因序列，用來(lái)在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中由轉(zhuǎn)錄酶產(chǎn)生信使RNA，接著在翻譯過(guò)程中由核糖體生成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是以氨基酸為基本單位的生物大分子，一共有二十種氨基酸，它們手拉手得接起來(lái)形成鏈狀大分子，然后再折疊起來(lái)成為蛋白質(zhì)，比如說(shuō)Y字型的抗體蛋白。
蛋白質(zhì)的合成遵循遺傳密碼。三個(gè)的DNA堿基決定一個(gè)氨基酸。這里是二十個(gè)氨基酸對(duì)應(yīng)的堿基序列。所以DNA的序列和蛋白質(zhì)的序列有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
其實(shí)轉(zhuǎn)錄和翻譯并不一定要在人體內(nèi)進(jìn)行，有了基因序列，我們可以利用轉(zhuǎn)錄酶和核糖體在體外生產(chǎn)抗體蛋白。
十七年過(guò)去了，生物基因檢測(cè)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。今天我就是想講怎么利用最新技術(shù)解決當(dāng)下的問(wèn)題。
2007年發(fā)生了新一代DNA測(cè)序儀的革命，使得測(cè)序價(jià)格的下降速度比半導(dǎo)體工業(yè)的指數(shù)衰減還快。現(xiàn)在只要1000美元，在一天之內(nèi)就可以完成個(gè)人基因組的測(cè)序。新一代測(cè)序儀使得個(gè)體化醫(yī)療成為可能。也就是說(shuō)通過(guò)個(gè)人基因組的信息來(lái)了解病因，為治療和預(yù)防疾病提供個(gè)性化方案。
人類(lèi)基因組和新一代測(cè)序儀之后的另一個(gè)革命是單細(xì)胞基因組學(xué)。也就是說(shuō)你給我一個(gè)單個(gè)的人體細(xì)胞，我就可以告訴你它整個(gè)的基因組。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？現(xiàn)在還沒(méi)有一種技術(shù)可以把一個(gè)細(xì)胞里的46根染色體每根從頭讀到尾，我們需要把單細(xì)胞里的微量DNA擴(kuò)增，然后用新一代測(cè)序儀來(lái)測(cè)序。
大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)PCR，是30 多年前的一個(gè)DNA放大技術(shù)，對(duì)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)有很大貢獻(xiàn)，得了諾獎(jiǎng)。PCR非常靈敏，在犯罪現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)DNA分子，PCR就可以把它放大，測(cè)出信號(hào)。但是PCR有很大偏差，有些基因被放大的倍數(shù)很高，有些很低。用它來(lái)放大整個(gè)的基因組，覆蓋率只有5%。
2012年我的哈佛實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種單細(xì)胞擴(kuò)增技術(shù)叫MALBAC。它的名字很像紅酒MALBEC。它大大提高了單細(xì)胞基因組擴(kuò)增的均勻度、覆蓋率和測(cè)序的精準(zhǔn)度。后來(lái)我們又發(fā)明了一個(gè)更精準(zhǔn)的擴(kuò)增方法叫LIANTI，也是一個(gè)紅酒的名字。
那我們?yōu)槭裁匆鰡渭?xì)胞測(cè)序呢？我給大家舉一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子。我們團(tuán)隊(duì)和北醫(yī)三院的喬杰團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)的湯富酬團(tuán)隊(duì)合作，把這個(gè)技術(shù)用到生殖醫(yī)學(xué)。在試管嬰兒的過(guò)程中篩選沒(méi)有遺傳缺陷的受精卵，以避免父母的遺傳疾病遺傳到下一代。這是2014年在北醫(yī)三院誕生的首個(gè)“MALBAC嬰兒”，一個(gè)非常漂亮的女?huà)?。我們?nèi)タ此臅r(shí)候，一聲都沒(méi)哭，還一個(gè)勁沖我笑。迄今為止，在國(guó)內(nèi)也有多于一千對(duì)夫婦成功地避免了單基因遺傳疾病的后代傳遞。
單細(xì)胞的測(cè)序不僅可以是基因組，而且可以是轉(zhuǎn)錄組，也就是所有被表達(dá)的信使RNA的序列。我們中心的湯富酬教授十年前在英國(guó)做博士后的時(shí)候，首次用新一代測(cè)序儀測(cè)出了單細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。轉(zhuǎn)錄組很重要，因?yàn)樗鼪Q定了細(xì)胞的功能。一般來(lái)講，不同種類(lèi)的體細(xì)胞，它們的基因組都一樣，但轉(zhuǎn)錄組不同，因此功能不同。
這是我們最近和富酬等北大同事一起合作的數(shù)據(jù)。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)單細(xì)胞，點(diǎn)的位置不一樣，因?yàn)樗鼈兊霓D(zhuǎn)錄組不一樣，表達(dá)量不一樣。同一種細(xì)胞型的細(xì)胞會(huì)形成一個(gè)點(diǎn)簇，我們用不同顏色標(biāo)記不同細(xì)胞種類(lèi)。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組已經(jīng)被廣泛用于細(xì)胞分型。
我們現(xiàn)在就是用這種單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的實(shí)驗(yàn)給康復(fù)期病人血液中成千上萬(wàn)的B細(xì)胞分型。我們先把單個(gè)B細(xì)胞從血液里分離出來(lái)，然后測(cè)定每個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組。同樣這里每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)B細(xì)胞，不同的顏色代表不同的B細(xì)胞種類(lèi)。
人們知道B細(xì)胞是由骨髓產(chǎn)生的，從造血干細(xì)胞開(kāi)始逐漸成熟，然后活化，最后變成漿細(xì)胞和記憶B細(xì)胞。這些不同的細(xì)胞種類(lèi)我們都能看到。我們最關(guān)注的是記憶B細(xì)胞。
我剛說(shuō)過(guò)，一般來(lái)講，在一個(gè)人身上，不同器官的細(xì)胞都有同樣的基因組和不同的轉(zhuǎn)錄組。但是B細(xì)胞在成熟過(guò)程中，它的基因組是可以被重組的。為了這個(gè)發(fā)現(xiàn)，日本科學(xué)家Tonegawa在1987年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在第14號(hào)染色體上，有V、D、J三個(gè)區(qū)域。V區(qū)域有40個(gè)相似但不同的DNA序列，D有23個(gè)，J有6個(gè)序列。
當(dāng)B細(xì)胞從不成熟到成熟狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，基因組開(kāi)始重組，就像從V、D、J三套牌各抽出一張。這樣轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)生的抗體就有很多種。有多少種呢？40x23x6 =5520種，但這還不是全部。因?yàn)檫@個(gè)14號(hào)染色體只是合成重鏈（藍(lán)色），而輕鏈（白色）是由在第2號(hào)或22號(hào)染色體上產(chǎn)生的。它們有 V和J，但是沒(méi)有D。除了V(D)J重組，還有堿基的隨機(jī)突變，都加在一起使得最后DNA序列的種類(lèi)達(dá)到107-108種，為免疫系統(tǒng)提供了多樣性。
抗體是用Y字型結(jié)構(gòu)上的兩把“鉗子”，來(lái)捕捉抗原。這鉗子嘴的形狀以及與抗原結(jié)合的強(qiáng)度，取決于它氨基酸的序列。這里我要強(qiáng)調(diào)，我們特別需要單細(xì)胞的測(cè)序技術(shù)，因?yàn)槊總€(gè)B細(xì)胞通過(guò)V(D)J重組只產(chǎn)生某個(gè)特定的抗體蛋白。
神奇的是，這107-108種產(chǎn)生不同抗體的B細(xì)胞，在抗原還沒(méi)有來(lái)的時(shí)候，已經(jīng)在血液和淋巴液里產(chǎn)生了。而當(dāng)某一種抗原到來(lái)后，與它結(jié)合的抗體是怎么被發(fā)現(xiàn)和富集的呢？
在B細(xì)胞在未成熟到成熟的過(guò)程中，這些抗體分子IgM被放在細(xì)胞的表面作為B細(xì)胞的受體。這些細(xì)胞一直不分裂，直到某個(gè)抗原，比如S蛋白，結(jié)合到BCR上，給這個(gè)B細(xì)胞一個(gè)信號(hào)，它就被激活了，開(kāi)始細(xì)胞分裂，一變二，二變四，這種B細(xì)胞就被富集了。
然后被富集的B細(xì)胞演化成漿細(xì)胞和記憶B細(xì)胞。漿細(xì)胞分泌IgG抗體到血液和淋巴結(jié)。而記憶B細(xì)胞留在骨髓和淋巴結(jié)很長(zhǎng)一段時(shí)間。
因?yàn)橛洃汢細(xì)胞表面上有BCR也就是B細(xì)胞受體。我們可以用新冠抗原把記憶B細(xì)胞從康復(fù)期病人的血里分離出來(lái)測(cè)序。
記憶B細(xì)胞的IgG抗體和漿細(xì)胞分泌的IgG抗體，接受同樣的抗原，因?yàn)樗鼈儍蓪?duì)鉗子可變區(qū)的序列和結(jié)構(gòu)都是一樣的，只是固定區(qū)的序列和結(jié)構(gòu)不同–––在V(D)J區(qū)域后用的是不同的C區(qū)域序列。
讓我們看IgM和IgG抗體隨著時(shí)間的變化，第一次感染后，3天內(nèi)出現(xiàn)IgM抗體，量不是太大，保留時(shí)間不長(zhǎng)。
順便說(shuō)一下，鐘南山院士的團(tuán)隊(duì)的抗體檢測(cè)就是檢測(cè)IgM抗體。這方法很方便，只用手指上取一滴血就可以了。但是感染后必須要等幾天才能知道。
我們想找的IgG一兩個(gè)星期以后才出來(lái)。持續(xù)3、4周，之后會(huì)減少。所以我們需要回訪的出院病人需要在這個(gè)時(shí)間段，如果康復(fù)時(shí)間太久了，IgG的量會(huì)越來(lái)越少。人類(lèi)的免疫系統(tǒng)可以保證，如果第二次感染再發(fā)生的時(shí)候，免疫反應(yīng)可以產(chǎn)生大量的IgG。
好，原理是這樣的，實(shí)驗(yàn)怎么樣？這是云龍和文潔，孫文潔是我們中心的生物信息專(zhuān)家，他們拿到的一號(hào)病人數(shù)據(jù)。
這里的六個(gè)記憶B細(xì)胞，它們的重鏈和輕鏈都有同樣的V(D)J序列，他們來(lái)自同一個(gè)母細(xì)胞，也有隨機(jī)的點(diǎn)突變。我們的假設(shè)是擁有同一種V(D)J序列的細(xì)胞數(shù)目越多，該細(xì)胞越有可能有好的免疫功能。這成為我們的第一篩選標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)選擇標(biāo)準(zhǔn)用傳統(tǒng)的單細(xì)胞克隆方法難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槲覀冇懈咄康膯渭?xì)胞測(cè)序，就可以利用這個(gè)假設(shè)來(lái)高效得篩選。
另外我們拿到這個(gè)V(D)J序列，就可以在體外生產(chǎn)這個(gè)抗體。利用這個(gè)生物學(xué)的中心法則，我們可以交給一個(gè)公司來(lái)做。
用這種方法我們找到了一些與S蛋白有很強(qiáng)結(jié)合力的抗體，也找到了幾個(gè)中和抗體。但是這種方法的效率還是不夠高，因?yàn)榭贵w的種類(lèi)還是太多了。
后來(lái)我以前哈佛的博士生張旭加入了我們。她把小磁珠跟S蛋白或RBD連接起來(lái)，用這塊磁鐵把能和S蛋白或RBD結(jié)合的記憶B細(xì)胞從血液中分離出來(lái)。這樣一來(lái)效率就大大提高了。
找到抗體后我們首先就測(cè)它的結(jié)合強(qiáng)度?？贵w與S蛋白結(jié)合強(qiáng)弱是以結(jié)合常數(shù)來(lái)衡量的。左圖橫軸代表抗體在溶液中的濃度，豎軸代表與S蛋白的結(jié)合程度?？贵w的濃度越高，結(jié)合程度就越高。當(dāng)結(jié)合程度達(dá)到50%，抗體的濃度就是它與S蛋白的結(jié)合常數(shù)，這個(gè)抗體是40pM。這個(gè)數(shù)越低，表明結(jié)合強(qiáng)度越高。雖然聽(tīng)起來(lái)抽象，但這40pM 對(duì)應(yīng)每升血液里只需要打入6毫克抗體，當(dāng)然是越低越好。
中和抗體需與ACE2競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)近來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道，ACE2與S蛋白結(jié)合常數(shù)是35nM，如右圖，比抗體與S蛋白的結(jié)合常數(shù)高得多，所以結(jié)合強(qiáng)度低得多。
但我想強(qiáng)調(diào)，抗體結(jié)合力強(qiáng)不一定有中和能力，還要看結(jié)合的是不是S蛋白上關(guān)鍵部位。所以我們必須要做病毒的中和實(shí)驗(yàn)。
鄭英慧是我們實(shí)驗(yàn)室做中和實(shí)驗(yàn)的能手。我們先做的是假病毒實(shí)驗(yàn)，因?yàn)椴恍枰狿3實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)橫軸還是中和抗體的濃度。當(dāng)抗體濃度特別高的時(shí)候，在細(xì)胞培養(yǎng)液里的病毒與抗體結(jié)合，而不進(jìn)入細(xì)胞，當(dāng)抗體濃度低的時(shí)候可以看到它進(jìn)去，病毒進(jìn)入細(xì)胞通過(guò)熒光指示。當(dāng)抑制強(qiáng)度達(dá)到50%的時(shí)候抗體的濃度被稱(chēng)作半抑制濃度，對(duì)于這個(gè)抗體我們當(dāng)時(shí)看到的是50pM，0.008微克/毫升，假病毒實(shí)驗(yàn)成功后，下一步就是到P3實(shí)驗(yàn)室看真病毒被抗體抑制的情況。
這是最近從P3實(shí)驗(yàn)室得到的體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓我們非常高興。這3個(gè)抗體的半抑制濃度都小于1μg/mL(1-10nM)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是看細(xì)胞的死亡。左圖中，抗體濃度較低時(shí)，細(xì)胞受感染而凋亡。右圖中，在中和高抗體濃度的時(shí)候，病毒感染被有效抑制。
總結(jié)一下，我們已經(jīng)從70個(gè)康復(fù)期病人血漿里的三十萬(wàn)個(gè)B細(xì)胞中，篩選出300個(gè)富集度最高的IgG抗體序列。
根據(jù)這些序列已經(jīng)生產(chǎn)出300個(gè)抗體蛋白，正在測(cè)試，目前已篩出一大批高結(jié)合強(qiáng)度的抗體（kD=10 pM-10nM）和多個(gè)有出色中和活性的抗體。
高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和V(D)J測(cè)序，可直接檢測(cè)B細(xì)胞的富集程度，使得我們可以快速精準(zhǔn)地篩選出大量?jī)?yōu)質(zhì)的中和抗體。
后續(xù)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已在籌劃中，臨床實(shí)驗(yàn)是下一步。
篩選出的中和抗體有兩個(gè)應(yīng)用。一是可以用于新冠肺炎的中和抗體治療，更安全且針對(duì)性強(qiáng)。
二是用于短期預(yù)防，保護(hù)我們的醫(yī)護(hù)人員和病人家屬，有效期大概3周，經(jīng)過(guò)抗體改造有可能延長(zhǎng)至3個(gè)月。
國(guó)內(nèi)另外幾個(gè)團(tuán)隊(duì)也一直在尋找中和抗體。我們的目標(biāo)都是一致的，希望找到最好的抗體，盡早成藥！
我們的工作為將來(lái)可能出現(xiàn)的疫情做好了準(zhǔn)備。用我們的新方法，對(duì)病毒有良好中和活性的抗體應(yīng)該在十天之內(nèi)就可以找到。
最后我想說(shuō)，去年八月，在中美貿(mào)易戰(zhàn), 以及我與美國(guó)科學(xué)家的合作受阻的背景下，我在Cell雜志發(fā)表了這篇文章《Disease Has No Borders, Neither Should Research》。果然如此，這次疫情使人們自覺(jué)或不自覺(jué)地認(rèn)識(shí)到，病毒沒(méi)有國(guó)界，抗疫也應(yīng)如此！目前中國(guó)住院的病人已經(jīng)越來(lái)越少，我們的臨床試驗(yàn)也將要在疫情更為嚴(yán)峻的地方來(lái)進(jìn)行。如果成藥，我們不會(huì)命名它為“中國(guó)抗體”，因?yàn)樗氖褂脩?yīng)該是沒(méi)有國(guó)界的。
今晚我之所以能在這里跟大家分享，是因?yàn)槲疑磉呥@些并肩作戰(zhàn)的伙伴，我的團(tuán)隊(duì)，還有合作者，很多都是疫情之后認(rèn)識(shí)的。我也非常感謝北京市政府、北京市教委的大力支持和北京市科委的協(xié)調(diào)推動(dòng)！
這是我們的中心。北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心是一個(gè)以技術(shù)驅(qū)動(dòng)為核心的多學(xué)科交叉的生命科學(xué)研究中心。北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心于2016年在北京市教委的支持下成立，專(zhuān)注于基因技術(shù)研發(fā)及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用。中心許多同事最近也都投身到有關(guān)抗疫的研究中，利用自己的專(zhuān)長(zhǎng)，為控制疫情貢獻(xiàn)力量。
最后我也想對(duì)年輕的朋友們說(shuō)幾句話。未來(lái)論壇一直倡導(dǎo)年輕人熱愛(ài)科學(xué)、投身科學(xué)。科學(xué)的重要性通過(guò)這次疫情得到了最好的體現(xiàn)。兩個(gè)月來(lái)，我和我的團(tuán)隊(duì)與世界上許許多多科學(xué)工作者夜以繼日、爭(zhēng)分奪秒地工作。這是因?yàn)槲覀儓?jiān)信，科學(xué)一定可以戰(zhàn)勝病毒，使人類(lèi)免于災(zāi)難。而疫情在各國(guó)的發(fā)展軌跡也證明，政治家的決策是否得當(dāng)，在相當(dāng)程度上取決于他對(duì)科學(xué)的了解，和對(duì)科學(xué)的尊重！
我的講座就到這里，謝謝大家！
Q & A
直播間觀眾提問(wèn)與解答
Q1：患者康復(fù)后復(fù)陽(yáng)是什么原因？是否存在不產(chǎn)生抗體的人群？
A：人的免疫系統(tǒng)因人而異，一般來(lái)講年紀(jì)大的人免疫系統(tǒng)會(huì)有些退化，這也是為什么年紀(jì)大的新冠肺炎患者更容易轉(zhuǎn)重癥。剛才談到記憶B細(xì)胞，按道理講記憶B細(xì)胞會(huì)回到骨髓里面，二次感染后它可以馬上大量增殖。實(shí)話說(shuō)我不是這方面的專(zhuān)家，我覺(jué)得復(fù)陽(yáng)是由于免疫功能不完善，也就是記憶B細(xì)胞產(chǎn)生的IgG抗體不夠多。這里也有很多未知的因素，我認(rèn)為主要是人類(lèi)免疫功能的不完善所導(dǎo)致的。
Q2：您和您的團(tuán)隊(duì)對(duì)本次疫情持續(xù)的時(shí)間是如何預(yù)測(cè)的？請(qǐng)問(wèn)從尋找中和抗體到藥物正式投入使用的周期有多長(zhǎng)？對(duì)于治療此次新冠病毒是否來(lái)得及？
A：有人預(yù)測(cè)疫情蔓延到南半球，然后又回到北半球。也有人預(yù)測(cè)夏天消失，冬天會(huì)再來(lái)。我也不知道疫情究竟會(huì)如何發(fā)展。但如果病毒十月份再回來(lái)，那時(shí)候我們的中和抗體可能已經(jīng)研制成功了。我認(rèn)為距離實(shí)際使用大概還需要幾個(gè)月。
Q3：近期聽(tīng)說(shuō)使用恢復(fù)期血漿治療有效？也有人說(shuō)還存在促進(jìn)炎癥風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)，請(qǐng)問(wèn)中和抗體存在類(lèi)似風(fēng)險(xiǎn)嗎？
A：這是一個(gè)很好的問(wèn)題。我剛才講的是中和抗體的優(yōu)點(diǎn)。它的特異性好，相對(duì)小分子藥物來(lái)講，研發(fā)的時(shí)間短。那有沒(méi)有什么副作用呢？我不確定它是否和炎癥風(fēng)暴有關(guān)，不過(guò)已知的副作用是抗體依賴增強(qiáng)作用（ADE）：抗體進(jìn)入人體是要中和病毒的，但是有的時(shí)候它會(huì)結(jié)合病毒后把病毒拉入人體細(xì)胞。當(dāng)然這個(gè)ADE是要盡量避免的。但好消息是ADE還是比較罕見(jiàn)的，而且這個(gè)現(xiàn)象與抗體有關(guān)，我們可以從多種抗體中篩選出一個(gè)不產(chǎn)生ADE現(xiàn)象的。
Q4：請(qǐng)問(wèn)中和抗體藥物制造是否成本很高？是針對(duì)危重病人還是所有病人都用得上？
A：一般來(lái)講，大分子藥物要比小分子藥物貴。但小分子藥物每天都得吃，而抗體藥物可能只用打一針。我們希望做的藥也是打一針就見(jiàn)好。不過(guò)像HIV那個(gè)抗體藥過(guò)一陣就得打一針，確實(shí)比較貴。我們現(xiàn)在就想先把藥做出來(lái)，價(jià)格我也不清楚。
Q5：第五個(gè)問(wèn)題，中和抗體藥物用來(lái)預(yù)防能持續(xù)多久？進(jìn)入體內(nèi)抗體多久會(huì)消失？
A：我剛才說(shuō)藥效大概三個(gè)星期，但是它的半衰期是可以控制的。最近有很多工作，把病毒的恒定區(qū)的序列改變后，可以延長(zhǎng)抗體的壽命，所以說(shuō)抗體藥效持續(xù)三個(gè)月是有可能的。但它畢竟和疫苗不一樣，中和抗體的預(yù)防藥效不會(huì)是永久的。
注：本文轉(zhuǎn)載自未來(lái)論壇。
