一滴血、一天搞定：mEM技术让病毒抗体全景速现

原创

来源：邹晶晶

2025-07-23 11:49:13

196次浏览

核心提示：近期，发表于《Nature Biomedical Engineering》（IF:26.6）的一项研究展示了一项令人振奋的新技术——微流控电镜多克隆抗体表位成像技术（microfluidic EM-based polyclonal epitope mapping, mEM）。该方法将微流控芯片与单颗粒电镜相结合，使用<4 µL的血清即可在90分钟内完成样本准备，最快1天内完成抗体-病毒糖蛋白复合物结构解析。与传统EMPEM方法相比，mEM所需样本量减少约99%，检测效率提高5倍以上。

疫苗与抗体研究的核心是弄清“抗体如何识别病毒、阻断感染”。传统做法依赖ELISA、中和试验或单克隆抗体分离，但这些手段或仅测总量不定位、或需事先已知表位、或过程冗长。尽管电镜多克隆表位作图（EMPEM）可实现结构层面定位，但其需>500 μL血清、>5天纯化与制备过程，并对人员操作与设备要求高，限制了其在临床样本、儿科研究和动物实验中的应用。为此，斯克里普斯研究所Andrew B. Ward 团队开发了mEM技术，利用微流控芯片固定病毒糖蛋白并引入血清，结合负染或冷冻电镜成像，快速描绘抗体与抗原的结构互作。

简单来说，mEM技术的核心在于一套可复用的微流控系统与金表面自组装单分子层的结合。其工作流程可概述为：芯片功能化→糖蛋白捕获→BSA封闭→注入血清完成抗体结合（＜=4 μL）→温和洗脱（得到约50 μL的糖蛋白-抗体复合物）→上样成像（3 µL洗脱液立即负染ns-EM得到低中分辨率的二维/三维图像或负染plunge-freeze cryo-EM得到高分辨率三维图像）→芯片清洗重复使用。该技术样本制备仅需约90分钟，远快于传统EMPEM的>5天；从样本制备到成像和数据分析的全程仅需1-1.5天，大幅提升效率。通过此方法获得的颗粒密度（75-100 颗粒/每图）与传统15 µg/mL滴样法的90-125颗粒处于同一水平，说明芯片在节省99%样本量的同时仍能提供足量、可用的颗粒密度（图1）。所设计的平台能够高效捕获6种病毒糖蛋白，包括冠状病毒（OC43、HKU1、SARS-CoV-2）和流感A/B亚型HA以及HIV Env N332-GT5。

研究使用首先进行了“单抗-纯化多抗-真实血清”三级递进验证mEM的准确性与灵敏度：先以TXG-0078 Fab CC6.30.2 IgG重现已发表结构，再用纯化多抗比较发现额外SD2表位，最后仅用4 µL未纯化患者血清即检出传统方法遗漏的SD2、S2等位点，证实mEM可在微量真实样本中快速、全面绘制多克隆抗体表位图谱（图2）。进一步，作者用mEM在4名Fluzone疫苗接种者的微量纵向血清中，同步绘制既往冠状病毒（OC43/HKU1）记忆抗体与疫苗诱导流感HA新抗体的表位图谱，且相比传统EMPEM，mEM不仅检出位点更多，全程耗时也大幅缩短（图3）。另外，作者开展了HIV疫苗动物实验，mEM首次实现了对单只小鼠血清的纵向追踪（图4），证明其可在微量样本中实现个体级免疫表位动态监测，突破传统需合并血清的限制。

总的来说，研究构建的mEM平台具备“极简操作+高分辨率+微升级样本+快速高效（全程1-1.5天）”四重优势，并在多轮验证中体现出“高灵敏度表位检测、纵向动态追踪、跨病毒类型兼容”等特性。其中，得益于微流控芯片支持的样本封闭体系，mEM可直接使用IgG而非纯化的Fab，从而避免低丰度抗体在酶切与纯化过程中的丢失，并利用IgG的双价结合能力增强对弱亲和抗体的捕获。mEM不仅为多克隆抗体识别提供了全新的结构级解决方案，更在免疫结构生物学与疫苗研发中搭建起从“群体平均”到“个体精准”的技术桥梁。未来，随着自动化与适配范围的拓展，mEM有望成为临床诊断、疫苗筛选与抗体药物开发中“结构级”的核心技术，推动相关领域从经验性研究向精准化设计跨越。

图1 mEM平台示意图与操作流程（a-c）及基于mEM和标准ns-EM方法获得的洗脱液中SARS-CoV-2 S的负染显微图和颗粒密度（d-e）

图2 mEM技术验证不同来源抗体的表位成像能力。（a）单克隆抗体验证：TXG-0078（Fab）和CC6.30.2（IgG）分别与SARS-CoV-2 S蛋白结合，经mEM捕获并通过ns-EM成像，三维重构图显示TXG-0078结合于三个原体的NTD超位点，CC6.30.2结合于所有RBD，结果与已发表结构一致；（b）纯化多抗验证：Donor 74的纯化多克隆IgG和Fab通过mEM捕获，ns-EM成像揭示抗体表位分布于S2、SD2、NTD、RBD等区域，其中SD2表位在传统方法中未能检测到；（c）传统EMPEM对照：使用Donor 74纯化Fab进行常规EMPEM，仅检测到S2、NTD、RBD，未见 SD2；（d）真实血清验证：直接使用Donor 78的4 µL未纯化血清进行mEM分析，ns-EM成像检测到S2和SD2两个传统方法遗漏的表位；（e）Donor 78血清的传统EMPEM仅检测到NTD和RBD表位，未见S2与SD2；（f）mEM重复性验证：Donor 74血清在mEM平台上三次独立实验获得的表位图谱一致，表明方法具有良好的重复性。

图3 mEM联合ns-EM与cryo-EM解析流感疫苗接种者的个体免疫应答。（a）4名接种Fluzone疫苗个体的血清样本用于评估其对OC43与HKU1冠状病毒刺突蛋白的既往抗体反应。图中比较了传统EMPEM（空心圆）与mEM（实心圆）在不同表位检测上的表现，y轴标注为对应表位；（b）mEM联合cryo-EM进行高分辨率验证。左：接种第2天Donor 2327的OC43 S复合物中检测到CTD表位抗体；右：Donor 2323在第7天对流感B型HA的抗体识别茎部位点。灰色表示抗原，彩色为Fab密度，彩色圆点在ns-EM图中标注与cryo-EM一致的表位；（c）疫苗诱导HA抗体的纵向表位图谱，对比了传统EMPEM和mEM检测的H1和B型流感HA的各主要表位（RBS、side head、esterase、interface、stem）。

图4 mEM技术用于HIV Env N332-GT5疫苗接种小鼠的个体免疫应答追踪。（a）两组小鼠的免疫接种时间线；（b）各时间点血浆样本的ELISA结合滴度（以AUC表示），水平线代表每组的几何平均值（每组每时间点n = 5）；（c）选择ELISA滴度最高的个体小鼠进行mEM表位作图，WT组小鼠在第28天检测到针对V1/3环和基底区的抗体，第42天两者并存；BG18过继转移组除一只在第12天未检出外，其余小鼠均可在各时间点检测到V1/3环表位抗体。