New nanobodies stop SARS-CoV-2 and its dangerous variants

The figure shows how two of the newly developed nanobodies (blue and magenta) bind to the receptor binding domain (green) of the coronavirus spike protein (gray), thus preventing infection with Sars-CoV-2 and its variants . Nanobodies originate from alpacas and are smaller and simpler than conventional antibodies. Credit: Max Planck Institute for Biophysical Chemistry

Researchers from Göttingen have developed mini-antibodies that effectively block the coronavirus SARS-CoV-2 and its dangerous new variants. These so-called nanobodies bind and neutralize the virus up to 1000 times better than previously developed mini-antibodies. Additionally, scientists have optimized their mini-antibodies for stability and resistance to extreme heat. This unique combination makes them promising agents for treating COVID-19[feminine. Étant donné que les nanocorps peuvent être produits à faible coût en grandes quantités, ils pourraient répondre à la demande mondiale de thérapies COVID-19. Les nouveaux nanobodies sont actuellement en préparation pour des essais cliniques.

Les anticorps aident notre système immunitaire à repousser les agents pathogènes. Par exemple, les molécules se fixent aux virus et les neutralisent afin qu’elles ne puissent plus infecter les cellules. Les anticorps peuvent également être produits industriellement et administrés à des patients gravement malades. Ils agissent alors comme des médicaments, soulageant les symptômes et raccourcissant la guérison de la maladie. Il s’agit d’une pratique établie pour le traitement de l’hépatite B et de la rage. Les anticorps sont également utilisés pour traiter les patients atteints de COVID-19. Cependant, produire ces molécules à l’échelle industrielle est trop complexe et coûteux pour répondre à la demande mondiale. Les nanobodies pourraient résoudre ce problème.

Des scientifiques de l’Institut Max Planck (MPI) de chimie biophysique de Göttingen (Allemagne) et du Centre médical universitaire de Göttingen (UMG) ont maintenant développé des mini-anticorps (également appelés anticorps VHH ou nanobodies) qui réunissent toutes les propriétés requises pour un puissant médicament contre le COVID-19. « Pour la première fois, ils combinent une stabilité extrême et une efficacité exceptionnelle contre le virus et ses mutants Alpha, Bêta, Gamma et Delta », souligne Dirk Görlich, directeur du MPI for Biophysical Chemistry.

À première vue, les nouveaux nanobodies ne diffèrent guère des nanobodies anti-SARS-CoV-2 développés par d’autres laboratoires. Ils sont tous dirigés contre une partie cruciale des pics de coronavirus, le domaine de liaison aux récepteurs que le virus déploie pour envahir les cellules hôtes. Les nanobodies bloquent ce domaine de liaison et empêchent ainsi le virus d’infecter les cellules.

« Nos nanocorps peuvent résister à des températures allant jusqu’à 95 °C sans perdre leur fonction ni former d’agrégats », explique Matthias Dobbelstein, professeur et directeur de l’Institut d’oncologie moléculaire de l’UMG. « D’une part, cela nous indique qu’ils pourraient rester actifs dans le corps assez longtemps pour être efficaces. D’autre part, les nanocorps résistants à la chaleur sont plus faciles à produire, à traiter et à stocker.

Nanobodies simples, doubles et triples

Les mini-anticorps les plus simples développés par l’équipe de Göttingen se lient déjà jusqu’à 1000 fois plus fortement à la protéine de pointe que les nanocorps précédemment rapportés. Ils se lient également très bien aux domaines de liaison aux récepteurs mutés des souches Alpha, Beta, Gamma et Delta. “Nos nanobodies uniques sont potentiellement adaptés à l’inhalation et donc à la neutralisation directe du virus dans les voies respiratoires”, a déclaré Dobbelstein. “De plus, parce qu’ils sont très petits, ils pourraient facilement pénétrer dans les tissus et empêcher le virus de se propager davantage sur le site de l’infection.”

Une « triade de nanocorps » améliore encore la liaison : les chercheurs ont regroupé trois nanocorps identiques selon la symétrie de la protéine de pointe, qui est composée de trois blocs de construction identiques avec trois domaines de liaison. « Avec la triade des nanocorps, nous unissons littéralement nos forces : dans un scénario idéal, chacun des trois nanocorps se fixe à l’un des trois domaines de liaison », rapporte Thomas Güttler, un scientifique de l’équipe de Görlich. « Cela crée un lien pratiquement irréversible. Le triple ne laissera pas libérer la protéine de pointe et neutralise le virus même jusqu’à 30 000 fois mieux que les nanobodies simples. » Autre avantage : la plus grande taille de la triade des nanocorps retarde vraisemblablement l’excrétion rénale. Cela les maintient dans le corps plus longtemps et promet un effet thérapeutique plus durable.

Comme troisième conception, les scientifiques ont produit des tandems. Ceux-ci combinent deux nanobodies qui ciblent différentes parties du domaine de liaison au récepteur et peuvent ensemble lier la protéine de pointe. « De tels tandems sont extrêmement résistants aux mutations virales et à la « fuite immunitaire » qui en résulte car ils se lient si fortement au pic viral », explique Metin Aksu, chercheur dans l’équipe de Görlich.

Pour toutes les variantes de nanocorps – monomériques, doubles ou triples – les chercheurs ont découvert que de très petites quantités suffisent pour arrêter l’agent pathogène. S’il était utilisé comme médicament, cela permettrait un faible dosage et donc moins d’effets secondaires et des coûts de production inférieurs.

Les alpagas fournissent des plans pour les mini-anticorps

“Nos nanobodies proviennent d’alpagas et sont plus petits et plus simples que les anticorps conventionnels”, explique Görlich. Pour générer les nanobodies contre le SRAS-CoV-2, les chercheurs ont immunisé trois alpagas – Britta, Nora et Xenia du troupeau du MPI for Biophysical Chemistry – avec des parties de la protéine de pointe du coronavirus. Les juments ont ensuite produit des anticorps et les scientifiques ont prélevé un petit échantillon de sang sur les animaux. Pour les alpagas, la mission était alors terminée, car toutes les étapes ultérieures ont été réalisées à l’aide d’enzymes, de bactéries, de bactériophages et de levures. « La charge globale sur nos animaux est très faible, comparable à la vaccination et aux tests sanguins chez l’homme », explique Görlich.

L’équipe de Görlich a extrait environ un milliard de plans de nanocorps à partir du sang des alpagas. Ce qui a suivi a été une routine de laboratoire perfectionnée pendant de nombreuses années : les biochimistes ont utilisé des bactériophages pour sélectionner les meilleurs nanocorps parmi le vaste bassin de candidats initialement vaste. Ceux-ci ont ensuite été testés pour leur efficacité contre le SRAS-CoV-2 et encore améliorés au cours de cycles d’optimisation successifs.

Tous les anticorps ne sont pas « neutralisants ». Les chercheurs du groupe de Dobbelstein ont donc déterminé si et dans quelle mesure les nanocorps empêchent les virus de se répliquer dans les cellules cultivées en laboratoire. « En testant une large gamme de dilutions de nanocorps, nous découvrons quelle quantité suffit pour obtenir cet effet », explique Antje Dickmanns de l’équipe de Dobbelstein. Sa collègue Kim Stegmann ajoute : « Certains des nanocorps étaient vraiment impressionnants. Moins d’un millionième de gramme par litre de milieu suffisait à prévenir complètement l’infection. Dans le cas des triades de nanocorps, même une autre dilution de vingt fois était suffisante.“

Également efficace contre les variantes actuelles du coronavirus

Au cours de la pandémie de coronavirus, de nouvelles variantes virales sont apparues et sont rapidement devenues dominantes. Ces variantes sont souvent plus infectieuses que la souche apparue pour la première fois à Wuhan (Chine). Leur protéine de pointe mutée peut également « échapper » à la neutralisation par certains anticorps initialement efficaces de personnes infectées, guéries ou vaccinées. Cela rend plus difficile, même pour un système immunitaire déjà formé, l’élimination du virus. Ce problème affecte également les anticorps thérapeutiques et les nanocorps précédemment développés.

C’est là que les nouveaux nanobodies montrent tout leur potentiel, car ils sont également efficaces contre les principales variantes de coronavirus préoccupantes. Les chercheurs avaient inoculé à leurs alpagas une partie de la protéine de pointe du premier virus connu du SRAS-CoV-2, mais remarquablement, le système immunitaire des animaux a également produit des anticorps actifs contre les différentes variantes du virus. « Si nos nanobodies s’avèrent inefficaces contre une future variante, nous pouvons réimmuniser les alpagas. Comme ils ont déjà été vaccinés contre le virus, ils produiraient très rapidement des anticorps contre le nouveau variant », affirme Güttler avec assurance.

Application thérapeutique en vue

L’équipe de Göttingen prépare actuellement les nanocorps à usage thérapeutique. Dobbelstein souligne : « Nous voulons tester les nanobodies dès que possible pour une utilisation sûre en tant que médicament afin qu’ils puissent être bénéfiques aux personnes gravement malades avec COVID-19 et à celles qui n’ont pas été vaccinées ou ne peuvent pas développer une immunité efficace. ” L’équipe est soutenue par des experts en transfert de technologie : Dieter Link (Max Planck Innovation), Johannes Bange (Lead Discovery Center, Dortmund, Allemagne) et Holm Keller (kENUP Foundation).

Le domaine de liaison au récepteur du SRAS-CoV-2 est connu pour être un bon candidat pour un vaccin protéique mais jusqu’à présent difficile à fabriquer économiquement à grande échelle et sous une forme qui active le système immunitaire contre le virus. Les bactéries programmées en conséquence produisent un matériau mal plié. Les chercheurs de Göttingen ont découvert une solution à ce problème : ils ont identifié des nanocorps spéciaux qui imposent un repliement correct dans les cellules bactériennes, sans obstruer la partie neutralisante cruciale du domaine de liaison aux récepteurs. Cela pourrait permettre de produire des vaccins à moindre coût, pouvant être rapidement adaptés à de nouvelles variantes virales et pouvant être distribués avec une logistique simple, même dans les pays disposant de peu d’infrastructures. “Le fait que les nanobodies puissent aider au repliement des protéines n’était pas connu auparavant et est extrêmement intéressant pour la recherche et les applications pharmaceutiques”, explique Görlich.

Référence : « Neutralisation du SARS-CoV-2 par des nanobodies hautement puissants, hyperthermostables et tolérants aux mutations » par Thomas Güttler, Metin Aksu, Antje Dickmanns, Kim M. Stegmann, Kathrin Gregor, Renate Rees, Waltraud Taxer, Oleh Rymarenko, Jürgen Schünemann, Christian Dienemann, Philip Gunkel, Bianka Mussil, Jens Krull, Ulrike Teichmann, Uwe Groß, Volker C. Cordes, Matthias Dobbelstein et Dirk Görlich, 24 juillet 2021, Le Journal de l’EMBO.
DOI : 10.15252 / embj.2021107985