Project

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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 (German)

Lead
Unsere Forschung hat zum Ziel eine neue Generation von Antikörpern zu erzeugen, die zahlreiche Bindungsstellen enthalten, um den Eintritt von SARS-CoV-2 in Zellen effizient zu blockieren. Die geringe Grösse dieser Antikörper könnte zu einer besseren Verbreitung im Gewebe und damit zu einem besseren Funktionieren der viralen Resistenzmechanismen führen und die Produktion neuartiger Medikamente ermöglichen.
Lay summary

Hintergrund

Die Covid-19-Pandemie hat eine noch nie da gewesene, weltweite Gesundheits- und Wirtschaftskrise ausgelöst. Angesichts der Tatsache, dass zurzeit weder ein Impfstoff noch Behandlungsmethoden verfügbar sind, ist die Entwicklung von neuen Therapien entscheidend.

Der Eintritt von SARS-CoV-2 in die Zelle wird durch das Spike-Protein (S) gesteuert, welches in der Virushülle enthalten ist. Es verbindet sich mit einem Rezeptor auf der angepeilten Zelle, was zur Injektion der genetischen Information des Virus in die Zelle führt. Nach einer Infektion ist das S-Protein ein wichtigster Angriffspunkt der Antikörperproduktion des Immunsystems.

Forschungsziele

Unser Projekt befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Generation von neutralisierenden Antikörper, welche den Eintritt des Virus in die Zelle blockieren. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Antikörper sollen verschiedene Mini-Domänen enthalten, die aus den Antikörpern von Lamas gewonnen werden. In fusionierter Form zielen sie gleichzeitig auf mehrere Funktionsbereiche des S-Proteins ab.

Erwartete Ergebnisse und Produkte

In Zusammenarbeit mit den Universitäten Bern und Zürich wird mit einer innovativen synthetischen Plattform zuerst eine Reihe Mini-Domänen identifiziert und anschliessend biochemisch (in Bezug auf die Affinität), strukturell (molekulare Lokalisation der Mini-Domänen auf dem S-Protein mit elektronischer Cryo-Mikroskopie) und funktional (Neutralisationstest) beschrieben. Durch die vertiefte Charakterisierung können wir verschiedene, hervorragende Mini-Domänen auswählen, mit dem Ziel sie zu fusionieren und möglicherweise Biomoleküle mit einer nie da gewesenen Effizienz in der Neutralisierung von Viren zu produzieren.

Beitrag zur Bewältigung der aktuellen Pandemie

Antikörper mit solchen Multi-Domänen könnten eine aussergewöhnlich hohe therapeutische Wirksamkeit haben. Folgende Faktoren sind entscheidend: (i) eine deutlich höhere neutralisierende Leistungsfähigkeit als konventionelle Antikörper dank zahlreicher Antikörper-Bindungsstellen zum S-Protein, (ii) ein geringeres Risiko für die Entwicklung von resistenten Viren dank variablen Angriffspunkten, (iii) die vielversprechende Möglichkeit zur Entwicklung eines Medikaments zum Inhalieren und (iv) ein technischer Ansatz zur Produktion von neutralisierenden Antikörpern - nicht nur gegen SARS-CoV-2, sondern möglicherweise auch gegen andere Coronaviren im Zusammenhang mit künftigen Epidemien oder Pandemien.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.12.2020

Lay Summary (French)

Lead
Notre recherche a pour but de générer des anticorps de "nouvelle-génération", composés de multiple points d'ancrages, afin de bloquer efficacement l'entrée du SARS-CoV-2 dans les cellules. La petite taille de ces anticorps pourrait mener à une meilleure pénétration dans les tissus, à une meilleure gestion des mécanismes de résistance virale, et à la production de nouveau médicament.
Lay summary

Contexte

Notre recherche a pour but de générer des anticorps de "nouvelle-génération", composés de multiple points d'ancrages, afin de bloquer efficacement l'entrée du SARS-CoV-2 dans les cellules. La petite taille de ces anticorps pourrait mener à une meilleure pénétration dans les tissus, à une meilleure gestion des mécanismes de résistance virale, et à la production de nouveau médicament.

Objectifs de recherche

La pandémie de la maladie "Covid-19" 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.

Objectifs de recherche

Notre projet s'articule autour du développement d'anticorps "nouvelle-génération" de type neutralisant: bloquant l'entrée du virus dans la cellule. Les anticorps générés dans ce projet 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, simultanément, plusieurs régions fonctionnelles de la protéine S.

Résultats et produits envisagés

En collaboration avec l'université de Berne et Zurich, un panel de "mini-domaines" seront tout d'abord identifiés en utilisant une plateforme synthétique innovante et ensuite caractérisés de manière biochimique (études d'affinités), structurale (localisation moléculaire des mini-domaines sur la protéine S par cryo-microscopie électronique) et fonctionnelles (tests de neutralisation viral). Une telle caractérisation approfondie permettra de sélectionner divers excellent "mini-domaines" afin de les fusionnés et potentiellement aboutir à la production de biomolécules exhibant une efficacité de neutralisation sans précédent.

Contribution à la lutte contre la pandémie actuelle

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, (iii) la possibilité prometteuse de développer un médicament qui pourrait être directement inhalé, et (iv) 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 ou pandémies. 

Direct link to Lay Summary Last update: 23.12.2020

Lay Summary (English)

Lead
The aim of our research project is to generate "new-generation" antibodies composed of multiple anchoring points in order to effectively block the entry of SARS-CoV-2 into the cells. The small size of these antibodies may result in better penetration into the tissues, better management of the viral resistance mechanisms and the production of new drugs.
Lay summary

Background

The COVID-19 pandemic has produced an unprecedented global health and economic crisis. Since no vaccine or therapy was available at the start of the project, developing new treatments was a matter of urgency.

The entry of SARS-CoV-2 into the cell is controlled by the spike protein (S) anchored in the viral envelope. The S protein binds to a receptor located on the target cell, ultimately resulting in the injection of genetic material from the virus into the cell. This S protein is a major target for the production of antibodies by the immune system in response to the infection.

Research aims

Our project focuses on the development of "new-generation" neutralising antibodies that block the entry of the virus into the cell. The antibodies generated in this project are designed to contain several mini-domains derived from antibodies produced by llamas. These antibodies are fused together and simultaneously target several functional regions of the S protein.

Expected results and envisaged products

In collaboration with the universities of Bern and Zurich, a panel of "mini-domains" will first be identified using an innovative synthetic platform and then characterised in respect of its biochemistry (affinity studies), structure (molecular localisation of the mini-domains on the S protein by cryo-electron microscopy) and function (viral neutralisation tests). This in-depth characterisation will enable various excellent mini-domains to be selected and then fused, potentially resulting in the production of biomolecules with unprecedented neutralisation efficacy.

Specific contribution to tackle the current pandemic

Such multi-domain antibodies may show unparalleled therapeutic efficacy due to several factors: (i) a neutralising activity superior to conventional antibodies as a result of their multiple anchoring points on the S protein, (ii) a reduction in the risk of developing resistant viruses thanks to the multi-directional attack, (iii) the promising possibility of developing a drug that could be directly inhaled, and (iv) a technological approach for producing neutralising antibodies not just against SARS-CoV-2, but potentially also against other coronaviruses that might emerge in future epidemics or pandemics.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.12.2020

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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