Nanodeeltjes gehuld in menselijke longcelmembranen en menselijke immuuncelmembranen kunnen het SARS-CoV-2-virus in celcultuur aantrekken en neutraliseren, waardoor het virus zijn vermogen verliest om gastheercellen te kapen en zich voort te planten.

De eerste gegevens die deze nieuwe richting voor de bestrijding van COVID-19 beschrijven, werden op 17 juni in het tijdschrift gepubliceerd Nano-letters . De "nanosponsen" zijn ontwikkeld door ingenieurs van de University of California San Diego en getest door onderzoekers van de Boston University.

De onderzoekers van UC San Diego noemen hun deeltjes op nanoschaal 'nanosponsen' omdat ze schadelijke ziekteverwekkers en gifstoffen opnemen.

Bij laboratoriumexperimenten, zowel het longcel- als het immuunceltype van nanosponzen zorgden ervoor dat het SARS-CoV-2-virus op dosisafhankelijke wijze bijna 90% van zijn "virale besmettelijkheid" verloor. Virale besmettelijkheid is een maatstaf voor het vermogen van het virus om de gastheercel binnen te dringen en zijn bronnen te benutten om zich te vermenigvuldigen en aanvullende infectieuze virale deeltjes te produceren.

In plaats van zich op het virus zelf te richten, deze nanosponzen zijn ontworpen om de gezonde cellen te beschermen die het virus binnendringt.

"Traditioneel, medicijnontwikkelaars voor infectieziekten duiken diep in de details van de ziekteverwekker om medicamenteuze doelen te vinden. Onze aanpak is anders. We hoeven alleen te weten wat de doelcellen zijn. En dan proberen we de doelen te beschermen door biomimetische lokvogels te maken, " zei Liangfang Zhang, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Zijn lab creëerde dit biomimetische nanosponsplatform meer dan tien jaar geleden voor het eerst en heeft het sindsdien ontwikkeld voor een breed scala aan toepassingen. Toen het nieuwe coronavirus verscheen, het idee om het nanosponsplatform te gebruiken om het te bestrijden, kwam bijna onmiddellijk bij Zhang, " hij zei.

Naast de bemoedigende gegevens over het neutraliseren van het virus in celkweek, de onderzoekers merken op dat nanosponzen bedekt met fragmenten van de buitenmembranen van macrofagen een bijkomend voordeel kunnen hebben:het opnemen van inflammatoire cytokine-eiwitten, die betrokken zijn bij enkele van de gevaarlijkste aspecten van COVID-19 en worden aangedreven door een immuunrespons op de infectie.

COVID-19 nanosponzen maken en testen

Elke COVID-19-nanospons – duizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar – bestaat uit een polymeerkern gecoat in celmembranen die zijn geëxtraheerd uit longepitheelcellen van type II of macrofaagcellen. De membranen bedekken de sponzen met dezelfde eiwitreceptoren als de cellen die ze nabootsen - en dit omvat inherent alle receptoren die SARS-CoV-2 gebruikt om cellen in het lichaam binnen te gaan.

De onderzoekers maakten verschillende concentraties nanosponzen in oplossing klaar om te testen tegen het nieuwe coronavirus. Om het vermogen van de nanosponzen om SARS-CoV-2-infectie te blokkeren, te testen, de UC San Diego-onderzoekers wendden zich tot een team van de National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) van de Boston University om onafhankelijke tests uit te voeren. In dit BSL-4-lab - het hoogste bioveiligheidsniveau voor een onderzoeksfaciliteit - hebben de onderzoekers, onder leiding van Anthony Griffiths, universitair hoofddocent microbiologie aan de Boston University School of Medicine, testten het vermogen van verschillende concentraties van elk type nanospons om de besmettelijkheid van levend SARS-CoV-2-virus te verminderen – dezelfde stammen die worden getest in ander therapeutisch en vaccinonderzoek naar COVID-19.

Bij een concentratie van 5 milligram per milliliter, de met longcelmembraan omhulde sponzen remden 93% van de virale besmettelijkheid van SARS-CoV-2. De met macrofagen gehulde sponzen remden 88% van de virale besmettelijkheid van SARS-CoV-2. Virale besmettelijkheid is een maatstaf voor het vermogen van het virus om de gastheercel binnen te dringen en zijn bronnen te benutten om zich te vermenigvuldigen en aanvullende infectieuze virale deeltjes te produceren.

"Vanuit het perspectief van een immunoloog en viroloog, het nanosponge-platform was meteen aantrekkelijk als een potentieel antiviraal middel vanwege zijn vermogen om tegen virussen van welke aard dan ook te werken. Dit betekent dat, in tegenstelling tot een medicijn of antilichaam dat de infectie of replicatie van SARS-CoV-2 heel specifiek kan blokkeren, deze celmembraan nanosponzen zouden op een meer holistische manier kunnen functioneren bij de behandeling van een breed spectrum van virale infectieziekten. Ik was aanvankelijk optimistisch sceptisch dat het zou werken, en toen ik de resultaten zag, raakte ik opgewonden toen ik besefte wat dit zou kunnen betekenen voor de therapeutische ontwikkeling als geheel, " zei Anna Honko, een co-eerste auteur op het papier en een Research Associate Professor, Microbiologie aan de National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) van de Boston University.

In de komende maanden, de onderzoekers en medewerkers van UC San Diego zullen de werkzaamheid van de nanosponzen in diermodellen evalueren. Het UC San Diego-team heeft al veiligheid op korte termijn aangetoond in de luchtwegen en longen van muizen. Of en wanneer deze COVID-19-nanosponzen op mensen worden getest, hangt af van verschillende factoren, maar de onderzoekers gaan zo snel mogelijk.

"Een ander interessant aspect van onze aanpak is dat zelfs als SARS-CoV-2 muteert, zolang het virus nog steeds de cellen kan binnendringen die we nabootsen, onze nanosponsbenadering zou nog steeds moeten werken. Ik weet niet zeker of dit kan worden gezegd van sommige van de vaccins en therapieën die momenteel worden ontwikkeld, " zei Zhang.

De onderzoekers verwachten ook dat deze nanosponzen zouden werken tegen elk nieuw coronavirus of zelfs andere respiratoire virussen, inclusief welk virus dan ook dat de volgende ademhalingspandemie kan veroorzaken.

Het nabootsen van longepitheelcellen en immuuncellen

Aangezien het nieuwe coronavirus vaak longepitheelcellen infecteert als de eerste stap bij een COVID-19-infectie, Zhang en zijn collega's redeneerden dat het zinvol zou zijn om een ​​nanodeeltje in fragmenten van de buitenmembranen van longepitheelcellen te verhullen om te zien of het virus erin zou kunnen worden gelokt om eraan vast te klampen in plaats van aan een longcel.

Macrofagen, dat zijn witte bloedcellen die een belangrijke rol spelen bij ontstekingen, zijn ook zeer actief in de longen tijdens een COVID-19-ziekte, dus Zhang en collega's creëerden een tweede spons gehuld in macrofaagmembraan.

Het onderzoeksteam is van plan te onderzoeken of de macrofaagsponzen ook het vermogen hebben om cytokinestormen te dempen bij COVID-19-patiënten.

"We zullen zien of de macrofaag-nanosponzen de overmatige hoeveelheid van deze cytokinen kunnen neutraliseren en ook het virus kunnen neutraliseren, " zei Zhang.

Het gebruik van macrofaagcelfragmenten als mantels bouwt voort op jarenlang werk om therapieën voor sepsis te ontwikkelen met behulp van macrofaag-nanosponzen.

In een paper gepubliceerd in 2017 in Proceedings van de National Academy of Sciences , Zhang en een team van onderzoekers van UC San Diego hebben aangetoond dat macrofaag-nanosponzen zowel endotoxinen als pro-inflammatoire cytokines in de bloedbaan van muizen veilig kunnen neutraliseren. Een biotechnologiebedrijf uit San Diego, mede opgericht door Zhang, genaamd Cellics Therapeutics, werkt aan het vertalen van deze macrofaag-nanospons werken in de kliniek.

Een potentieel therapeutisch COVID-19-medicijn Het COVID-19-nanosponsplatform heeft aanzienlijke tests voor de boeg voordat wetenschappers weten of het een veilige en effectieve therapie tegen het virus bij mensen zou zijn, Zhang waarschuwde. Maar als de sponzen de klinische proeffase bereiken, er zijn meerdere mogelijke manieren om de therapie toe te dienen, waaronder directe levering in de longen voor geïntubeerde patiënten, via een inhalator zoals bij astmapatiënten, of intraveneus, vooral om de complicatie van cytokinestorm te behandelen.

Een therapeutische dosis nanosponzen zou de long kunnen overspoelen met een biljoen of meer kleine nanosponzen die het virus weg zouden kunnen trekken van gezonde cellen. Zodra het virus zich bindt met een spons, "het verliest zijn levensvatbaarheid en is niet meer besmettelijk, en zal worden opgenomen door onze eigen immuuncellen en verteerd, " zei Zhang.

"Ik zie mogelijkheden voor een preventieve behandeling, voor een therapie die vroeg kan worden gegeven, want zodra de nanosponzen in de longen komen, ze kunnen enige tijd in de longen blijven, " zei Zhang. "Als er een virus komt, het kan worden geblokkeerd als er nanosponzen op wachten."

Groeiend momentum voor nanosponzen

Zhang's lab aan de UC San Diego creëerde meer dan tien jaar geleden de eerste door een membraan gehulde nanodeeltjes. De eerste van deze nanosponzen waren omhuld met fragmenten van rode bloedcelmembranen. Deze nanosponzen worden ontwikkeld om bacteriële longontsteking te behandelen en hebben alle stadia van preklinische tests door Cellics Therapeutics ondergaan, de startup in San Diego, mede opgericht door Zhang. Het bedrijf is momenteel bezig met het indienen van de aanvraag voor een nieuw geneesmiddel (IND) bij de FDA voor hun belangrijkste kandidaat:rode bloedcel-nanosponzen voor de behandeling van methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA)-pneumonie. Het bedrijf schat dat de eerste patiënten in een klinische proef volgend jaar gedoseerd zullen worden.

De UC San Diego-onderzoekers hebben ook aangetoond dat nanosponzen medicijnen op een wond kunnen afleveren; opzuigen van bacteriële toxines die sepsis veroorzaken; en hiv onderscheppen voordat het menselijke T-cellen kan infecteren.

De basisconstructie voor elk van deze nanosponzen is hetzelfde:een biologisch afbreekbare, FDA-goedgekeurde polymeerkern is gecoat in een specifiek type celmembraan, zodat het kan worden vermomd als een rode bloedcel, of een immuun-T-cel of een bloedplaatjescel. De verhulling zorgt ervoor dat het immuunsysteem de deeltjes niet ziet en aanvalt als gevaarlijke indringers.

"Ik beschouw de celmembraanfragmenten als de actieve ingrediënten. Dit is een andere manier om naar medicijnontwikkeling te kijken, " zei Zhang. "Voor COVID-19, Ik hoop dat andere teams zo snel mogelijk met veilige en effectieve therapieën en vaccins komen. Tegelijkertijd, we werken en plannen alsof de wereld op ons rekent."