Kunne liposomer være pandemiens ubesungne helte?

Liposomer kan være de usungne helte fra COVID-19-pandemien. Uden beskyttelsen af ​​disse mikroskopiske vesikler ville de sarte tråde af messenger RNA (mRNA), der ligger i hjertet af Pfizer og Moderna COVID-19 vaccinerne, hurtigt blive ødelagt af enzymer i kroppen, hvilket gør det næsten umuligt for deres genetiske instruktioner at nå ind i menneskelige celler.

Men vaccinelevering er ikke den eneste måde, hvorpå disse partikler kan bruges i kampen mod COVID-19. I en ny undersøgelse har et team af ingeniører ved University of California, Berkeley, knyttet SARS-CoV-2 "spike"-proteiner til overfladen af ​​liposomer, hvilket skaber laboratoriefremstillede efterligninger af den dødelige virus, som forskerne kalder "spike-liposomer" ." Disse spike-lipsomer kan bruges til at teste effektiviteten af ​​neutraliserende antistoffer, der potentielt kan bruges til at behandle COVID-19-patienter.

Undersøgelsen viser også, hvordan en ny DNA-mønsterteknik, udviklet af holdet sidste år, kan hjælpe forskere med hurtigt at karakterisere og udføre eksperimenter på en række forskellige typer liposomer og deres fætre, lipid-nanopartikler.

"Lipid-nanopartikler er virkelig relevante for en række biomedicinske applikationer:De er blevet brugt til lægemiddellevering i årtier, og de kan også tjene som modeller af vira, der har membraner på ydersiden, inklusive coronavirus," sagde studieleder Molly Kozminsky. , en postdoc-stipendiat i Sohn Research Lab ved UC Berkeley. "Vi udviklede faktisk disse spike-liposomer, fordi vi ønskede at teste en ny COVID-19 diagnostisk metode, som vi udviklede i laboratoriet. Men først havde vi brug for en måde at validere, at disse partikler viste SARS-CoV-2 spikeproteinet korrekt, og vi indså, at vores DNA-mønsterteknik ville give os mulighed for at udføre dette og andre spændende eksperimenter på en meget effektiv måde."

Liposomer er små, sfæriske kar bygget af lipidmembraner meget lig dem, der omslutter de fleste biologiske celler. Og på samme måde som biologiske cellers membraner er oversået med en række proteiner, der hjælper cellen med at interagere med omverdenen, har forskere lært at binde forskellige typer proteiner ind i membranerne af liposomerne, hvilket giver partiklerne forskellige funktioner og evner.

Begejstringen over liposomer har været mest udtalt i den farmaceutiske industri, hvor lægemiddelproducenter har eksperimenteret med at udstyre liposomer med proteiner, der kun interagerer med meget specifikke celler i kroppen, hvilket giver dem mulighed for at målrette leveringen af ​​lægemiddelmolekyler til kun de væv, hvor de er nødvendige. Som Kozminsky påpeger, kan liposomer også bruges til at skabe simple modeller af vira og andre patogener, der har lipidmembraner, herunder SARS-CoV-2.

Forskere skal dog først verificere, at liposomproteinerne er i stand til at interagere korrekt med deres miljø. For eksempel binder SARS-CoV-2-spidsproteinet med proteiner på humane celler kaldet ACE2-receptorerne, hvilket udløser en række hændelser, der lader virussen smelte sammen med cellen.

"For spidsliposomer ønskede vi at sikre, at spidsproteinet, som vi satte på overfladen af ​​liposomet, var i den korrekte konfiguration for at tillade det at binde til ACE2-receptorer," sagde Kozminsky. "Hvis det var tilfældet, så ville måden, som disse spidsliposomer er formuleret på, sandsynligvis også modellere den måde, hvorpå SARS-CoV-2 virus spidsproteinet interagerer med celler, antistoffer og andre proteiner."

Kozminsky indså, at DNA-udskrivningsteknikken, som oprindeligt blev udviklet af Sohn Lab til at "printe" forskellige typer celler til mønstre, der modellerer biologiske væv, også kunne bruges til hurtigt at verificere, at spidsliposomerne præsenterede SARS-CoV -2 pigge protein korrekt.

"Vi vidste, at vi skulle teste liposomerne først, og da vi så på alle de måder, vi skulle validere liposomerne på, fandt vi ud af, at teknikkerne var noget besværlige," sagde Kozminsky. "Vi indså, hvor meget nemmere det ville være at bruge vores DNA-styrede printteknologi."

For at udføre eksperimentet printede Kozminsky spidsliposomerne på et objektglas og mærkede dem derefter med et grønt fluorescerende protein. Hun vaskede derefter objektglasset med ACE2-receptorproteiner, der var blevet mærket med et rødt fluorescerende protein. Da hun afbildede objektglasset, fandt hun ud af, at det meste af det glødede rødt, hvilket indikerer, at ACE2-receptorproteinerne bindede sig til spidsliposomer på objektglasset. Kozminsky gentog derefter eksperimentet med celler, der udtrykker ACE2-receptoren, og viste, at de også var i stand til at binde sig til spidsliposomer.

For at vise, hvordan spike-liposomer kunne bruges til at teste effektiviteten af ​​COVID-19-behandlinger, skabte Kozminsky to forskellige typer spike-liposomer, der hver viser en anden variant af SARS-CoV-2 spike-proteinet. Efter at have brugt DNA-print til at mønstre disse på objektglas, vaskede hun objektglassene med tre forskellige typer kommercielt tilgængelige neutraliserende antistoffer mod varianter af SARS-CoV-2 spike-proteinet. Hun testede derefter, om tilstedeværelsen af ​​disse neutraliserende antistoffer med held forhindrede ACE2-receptorproteinerne i at binde sig til spidsliposomer, og fandt ud af, at resultaterne var i overensstemmelse med dem, der blev rapporteret af antistofproducenterne.

"Det, der er rigtig fedt ved denne teknik, er, at den har meget høj gennemstrømning, hvilket betyder, at du kan køre eksperimenter ved at bruge mange forskellige kombinationer af liposomer på én gang," siger seniorforfatter Lydia Sohn, Almy C. Maynard og Agnes Offield Maynard Chair. i Mechanical Engineering ved UC Berkeley. "Så for eksempel kunne lægemiddelvirksomheder bruge denne teknik til meget hurtigt at teste, hvilke antistoffer der vil virke mest effektivt mod en bestemt variant af SARS-CoV-2. Eller den kunne bruges til at screene nye proteiner for målrettet medicinafgivelse, for at lave sikker på, at det protein er rettet mod bestemte celletyper i kroppen. Det tilføjer virkelig en ny strategi til at bekæmpe denne virus." + Udforsk yderligere

Forskere demonstrerer vaccinationstilgang i mus, der kan forhindre fremtidige coronavirusudbrud