Forskere designer nanofælder for at fange, klar coronavirus

Forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago har designet en helt ny potentiel behandling for COVID-19:nanopartikler, der fanger SARS-CoV-2-vira i kroppen og derefter bruger kroppens eget immunsystem til at ødelægge det.

Disse "nanotraps" tiltrækker virussen ved at efterligne de målceller, som viruset inficerer. Når virussen binder sig til nanotraps, fælderne sekvestrerer derefter virussen fra andre celler og målretter den til ødelæggelse af immunsystemet.

I teorien, disse nanotraps kan også bruges på varianter af virussen, fører til en potentiel ny måde at hæmme virussen fremadrettet. Selvom terapien forbliver i de tidlige stadier af test, forskerne forestiller sig, at det kan administreres via en næsespray som en behandling af COVID-19.

Resultaterne blev offentliggjort den 19. april i tidsskriftet Stof .

"Siden pandemien begyndte, vores forskerhold har udviklet denne nye måde at behandle COVID-19 på, " sagde Asst. Prof. Jun Huang, hvis laboratorium ledede forskningen. "Vi har lavet strenge tests for at bevise, at disse Nanotraps virker, og vi er begejstrede for deres potentiale."

Design af den perfekte fælde

For at designe Nanotrap, forskerholdet – ledet af postdoktor Min Chen og kandidatstuderende Jill Rosenberg – undersøgte den mekanisme, SARS-CoV-2 bruger til at binde til celler:et spidslignende protein på overfladen, der binder til en menneskelig celles ACE2-receptorprotein.

For at skabe en fælde, der ville binde til virussen på samme måde, de designede nanopartikler med en høj tæthed af ACE2-proteiner på deres overflade. Tilsvarende de designede andre nanopartikler med neutraliserende antistoffer på deres overflader. (Disse antistoffer dannes inde i kroppen, når nogen er inficeret og er designet til at låse sig fast på coronavirus på forskellige måder).

Både ACE2-proteiner og neutraliserende antistoffer er blevet brugt i behandlinger for COVID-19, men ved at binde dem til nanopartikler, forskerne skabte et endnu mere robust system til at fange og fjerne virussen.

Lavet af FDA-godkendte polymerer og fosfolipider, nanopartiklerne er omkring 500 nanometer i diameter - meget mindre end en celle. Det betyder, at Nanotraps kan nå flere områder inde i kroppen og mere effektivt fange virussen.

Forskerne testede systemets sikkerhed i en musemodel og fandt ingen toksicitet. De testede derefter Nanotraps mod en pseudovirus - en mindre potent model af en virus, der ikke replikerer - i menneskelige lungeceller i vævskulturplader og fandt ud af, at de fuldstændig blokerede indgangen til cellerne.

Når først pseudovirusset bandt sig til nanopartiklerne - hvilket i test tog omkring 10 minutter efter injektionen - brugte nanopartiklerne et molekyle, der kalder kroppens makrofager til at opsluge og nedbryde nanotrapen. Makrofager vil generelt spise nanopartikler i kroppen, men Nanotrap-molekylet fremskynder processen. Nanopartiklerne blev renset og nedbrudt inden for 48 timer.

Forskerne testede også nanopartiklerne med et pseudovirus i et ex vivo lungeperfusionssystem - et par donerede lunger, der holdes i live med en ventilator - og fandt ud af, at de fuldstændig blokerede infektion i lungerne.

De samarbejdede også med forskere ved Argonne National Laboratory for at teste Nanotraps med en levende virus (i stedet for en pseudovirus) i et in vitro-system. De fandt ud af, at deres system hæmmede virussen 10 gange bedre end neutraliserende antistoffer eller opløseligt ACE2 alene.

En potentiel fremtidig behandling for COVID-19 og videre

Dernæst håber forskerne at teste systemet yderligere, herunder flere tests med en levende virus og på de mange virusvarianter.

"Det er det, der er så kraftfuldt ved denne Nanotrap, " sagde Rosenberg. "Det er let at modulere. Vi kan udskifte forskellige antistoffer eller proteiner eller målrette mod forskellige immunceller, baseret på, hvad vi har brug for med nye varianter."

Nanotraps kan opbevares i en standard fryser og kan i sidste ende gives via en intranasal spray, hvilket ville placere dem direkte i åndedrætssystemet og gøre dem mest effektive.

Forskerne siger, at det også er muligt at fungere som vaccine ved at optimere Nanotrap-formuleringen, skabe et ultimativt terapeutisk system for virussen.

"Dette er udgangspunktet, " sagde Huang. "Vi ønsker at gøre noget for at hjælpe verden."

Forskningen involverede samarbejdspartnere på tværs af afdelinger, herunder kemi, biologi, og medicin.