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Neutralizing multivalent antibodies against coronaviruses

Applicant Plattet Philippe
Number 198314
Funding scheme NRP 78 Covid-19
Research institution Abteilung für Klinische Forschung Dept. für klinische Veterinärmedizin Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Experimental Microbiology
Start/End 01.09.2020 - 31.08.2022
Approved amount 783'320.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Experimental Microbiology
Biochemistry

Keywords (4)

Neutralizing sybodies; Spike protein; Multivalent antibody engineering; Coronavirus

Lay Summary (French)

Lead
Anticorps neutralisants multivalents contre les coronavirus
Lay summary

La pandémie de la maladie "Covid-19", qui est induite par le coronavirus (CoV) SARS-CoV-2, génère une crise sanitaire et économique mondiale sans précédent. Etant donné que ni vaccin, ni traitement n'est aujourd'hui disponible, le développement rapide de nouvelles thérapies est primordial.

L'entrée dans la cellule par le SARS-CoV-2 est contrôlée par la protéine Spike (S) ancrée dans l'enveloppe virale. Cette dernière se lie à un récepteur se situant sur la cellule cible, ce qui aboutit ultimement à l'injection de l'information génétique du virus dans la cellule. Cette protéine S est une cible majeure pour la production d'anticorps par le système immunitaire en réponse à l'infection.

Notre projet s'articule autour du développement d'anticorps "nouvelle-génération" de type neutralisant (bloquant l'entrée du virus dans la cellule). Ceux-ci ont pour but de contenir plusieurs mini-domaines (dérivés d'anticorps produits par des lamas) qui sont fusionnés les uns aux autres et qui ciblent plusieurs régions fonctionnelles de la protéine S. En plus de la faculté conventionnelle de pouvoir ensuite être injectés dans la circulation sanguine, la petite taille de ces anticorps nouvelle-génération offre la possibilité prometteuse de développer un médicament qui pourrait être directement inhalé.

Ainsi, de tels anticorps à multi-domaines pourraient démontrer une efficacité thérapeutique encore inégalée due à plusieurs facteurs: (i) une activité neutralisante supérieure aux anticorps conventionnels en raison de ses multiples points d'ancrage sur la protéine S, (ii) une atténuation du risque de développement de virus résistants grâce à l'attaque multi-dirigée et (iii) une approche technologique permettant de produire des anticorps neutralisants, non seulement contre le SARS-CoV-2, mais potentiellement aussi contre d'autres coronavirus qui pourraient émerger lors de futures épidémies.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.08.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

The COVID-19 pandemic, induced by the emergent SARS coronavirus (CoV)-2 (SARS-CoV-2), creates a global health emergency. The SARS-CoV-2 cell-entry process is mediated by the trimeric Spike (S) glycoprotein, which also represents a major viral antigen naturally targeted by the immune system. In this proposal, we propose to develop neutralizing multivalent single-chain antibodies (nmAb) to efficiently block viral cell-entry. The initial asymptomatic phase induced by the virus may offer a window of opportunity to establish post-exposure prophylaxis and prevention of human-to-human transmissions. Engineering of nmAbs will be performed in two main steps: (i) selection of neutralizing synthetic single-domain antibodies (sybodies) targeting various functional domains of S-trimers, and (ii) linking of sybodies together with or without grafting to a human immunoglobulin Fc-region. As sybodies are generated entirely in vitro, we can precisely steer the binder selection process towards targeting three, non-overlapping epitopes: i) Sybody 1 blocks ACE2-interaction via the RBD. We have already generated such sybodies [34]; ii) using the prefusion-stabilized and postfusion SARS-CoV-2 soluble S-protein, we will identify sybody 2 that stabilizes the prefusion-state and thereby prevent conformational changes required to complete the viral entry process; iii) using prefusion-stabilized soluble S-protein of SARS-CoV-2, SARS-CoV-1 and MERS, we will generate sybody 3 addressing highly conserved epitope among sarbecoviruses and even among ß-coronaviruses (Seeger lab). Membrane fusion- and cell entry-inhibition by the sybodies and derived antibody-like formats will be initially investigated in cell-based fusion assays as well as neutralization assays using pseudo-typed VSVs (Plattet lab), and later on against recombinant-live viruses. Finally, epitope mapping of best neutralizing sybody candidates will be tackled by cryo-electron microscopy (cryo-EM) and single particle 3D-reconstruction (Fotiadis lab). This will enable for the rationale selection of attractive sybody combinations for our nmAb engineering approach (Plattet lab). We envisage developing nmAbs towards two different formulations: (i) three fused sybodies (triSy), devoid of an added Fc-region, for nebulization (inhaled mainly as prophylaxis); and (ii) nmAbs grafted onto engineered human Fc-region for injection as either a preventive measure or treatment of further-progressed disease. In our judgement, nmAbs exhibit the following clinical advantages. Firstly, they may outcompete conventional antibody potency, because they bind to multiple epitopes of the Spike simultaneously. Secondly, multivalent binding of nmAbs may mitigate the rapid emergence of drug-resistant viral variants. Thirdly, treatment with nmAbs may reduce antibody-dependent enhanced (ADE) illness, since Fc-mediated effector functions can be rationally attenuated. In conclusion, we are confident that the design of next-generation neutralizing multivalent single-chain antibodies may represent an essential first line of defense against this and future emerging coronavirus epidemics.
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