Vänder standardmetoden för viral läkemedelsinriktning på huvudet, ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en lovande ny "nanosponge" -metod för att förhindra att HIV sprider sig i kroppen:beläggning av polymer -nanopartiklar med membranen i T -hjälparceller och förvandlar dem till lockbete för att fånga upp viruspartiklar och hindra dem från att binda sig och infiltrera kroppens faktiska immunceller.

Denna teknik, utvecklat i Nanomaterials and Nanomedicine Lab som leds av nanoingenjörsprofessor Liangfang Zhang, kan appliceras på många olika typer av virus, öppna dörren för lovande nya behandlingar mot svårbekämpade virus. Zhang är professor vid Institutionen för nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Detta hiv -arbete uppträdde först i tidningen Avancerade material i november 2018 i ett papper med titeln "T-cell-efterliknande nanopartiklar kan neutralisera HIV-infektion." Arbetet pågår.

"Den viktigaste innovationen här är att vi står på andra sidan av det stora problemet med hiv, "sa Weiwei Gao, en kemiingenjör och associerad projektforskare i Zhang Lab vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Det traditionella tillvägagångssättet för läkemedelsutveckling kräver att vi räknar ut hur vi blockerar kritiska protein- eller signalvägar i viruset så att det inte kan attackera kroppen. Problemet är att det finns så många vägar och så mycket redundans i dessa virus, det är verkligen svårt att hitta en väg som verkligen är kritisk.

"Vår strategi kommer från andra sidan:titta på virusmålet, "fortsatte han." Nanopartiklarna är insvepta med cellmembranen som viruset riktar sig mot. Därför, de kan fungera som ett lockbete i cellen för att fånga upp virusangreppet. "

HIV -viruset riktar sig vanligtvis mot celler som kallas CD4+ T -celler; även kallade T -hjälparceller, i den friska kroppen, dessa celler hjälper till att upptäcka främmande patogener och riktar dem mot attack och borttagning. HIV -viruset hittar och binder till ytan på dessa T -celler med hjälp av CD4 -receptorn, injicerar sedan sitt genetiska material i T -cellerna och använder T -cellsmaskineriet för att replikera sig själv. Så småningom, efter att tillräckligt med nytt hiv -virus har skapats, viruspartiklarna brister ut ur cellen och söker efter andra T -celler att attackera.

En del av varför hiv är så förödande är att angrepp och dödande av T -celler allvarligt skadar immunsystemet, vilket gör det svårare för kroppen att bekämpa sekundära infektioner. Och viruset muterar snabbt, ändra dess genetiska kod och göra det svårt att rikta in sig med traditionella antivirala och läkemedelsupptäckningsmetoder.

Under 2018 Avancerade material studie, forskarna belagde nanopartiklar med de isolerade cellmembranen i CD4+ T -celler. När den läggs till T -celler i en skål och utsätts för virus, dessa nanopartiklar, kallas TNP, fungerade som en slags svamp, suger upp viruset och skyddar T -cellerna från att bli infekterade. De fann att HIV -viruset var lika sannolikt att binda till en TNP som det är att binda till en T -cell - men eftersom det inte finns något cellulärt maskineri inuti dessa nanopartiklar, viruset kan inte injicera eller replikera sig själv, och det görs ofarligt.

Precis som med CD4+ T -celler, nanopartiklarna binder till HIV -virus genom gp120 -proteinet på virusets yta. När TNP:er tillsattes till T -cellblandningen vid en koncentration av 3 mg/ml, teamet såg en minskning av infektionen med över 80 procent, jämfört med celler som inte hade behandlats med TNP. De tar detta som lovande bevis på att dessa nanopartiklar kan infunderas i blodomloppet hos patienter för att suga upp HIV -infektionen, slå ner deras infektionsnivåer och slutligen rensa det ur systemet.

"Det finns en annan potentiell tillämpning av att använda TNP:er för att behandla hiv. Immunceller i kroppen som är infekterade med HIV men som inte aktivt producerar nytt virus blir virala reservoarer, "sa Gao." Att hitta sätt att förstöra sådana reservoarer är en stor utmaning för HIV -forskare. Men dessa reservoarceller kan också uttrycka gp120, så TNP:er kan användas som fordon för att exakt leverera antivirala medel till dessa celler och döda dem. "

Arbetet inspirerades av tidigare projekt i Zhangs laboratorium med fokus på röda blodkroppar. "Vårt arbete har varit inriktat på att använda nanopartiklar för läkemedelsleverans, "Sa Gao, "men nanopartiklar cirkulerar inte länge i kroppen. Vi hade tanken:att göra det svårare för kroppen att känna igen nanopartiklarna som främmande, tänk om vi döljer dem som röda blodkroppar? Röda blodkroppar cirkulerar naturligt länge, så om vi kan efterlikna dem med nanopartiklar, vi borde se ett liknande cirkulationsmönster. "Teamets arbete med tekniken för cloaking av röda blodkroppar dök först upp i den akademiska litteraturen 2011 i PNAS papper "Erythrocytmembran-kamouflerade polymera nanopartiklar som en biomimetisk leveransplattform."

Gao säger att detta tillvägagångssätt sannolikt kan tillämpas på en mängd olika patogener. "Många bakterier gillar också att attackera röda blodkroppar, "sa han." Så kanske dessa nanopartiklar kan fungera som ett lockbete för att blockera toxinerna från bakterierna. Eller så kan de fungera som lockbete för att reagera på andra toxiner, som nervmedel, som riktar sig till röda blodkroppar. "

Det finns ett antal hinder kvar på deras väg innan dessa TNP kan användas hos mänskliga patienter. Till exempel, de har ännu inte kunnat testa sina TNP:er i levande djurmodeller.

"Eftersom HIV är en mänsklig sjukdom, det är svårt att replikera det i djurmodeller, "Sa Gao." Så vi arbetar nära Dr. Stephen Spector, chefen för avdelningen för pediatriska infektionssjukdomar vid UC San Diego Health, i den frågan, för att ta reda på det bästa sättet att testa detta in vivo.

"Vår studie är verkligen ett bevis på koncept, "Gao fortsatte." Sjukdomsutvecklingen förändras i olika stadier av sjukdomen, och viruset fungerar annorlunda inuti kroppen, med olika nivåer av smittsamhet och aktivitet. Det kommer att vara avgörande att arbeta med läkare och forskare som är mycket bekanta med HIV -patologi för att optimera behandlingsregimen utifrån vad som är känt om sjukdomen för att vara säker på att nanopartiklarna är de mest effektiva för behandling. "

Fortfarande, detta arbete utgör det första steget i en spännande ny riktning för HIV -behandling, och Gao ser fältet som fullt av möjligheter. "Denna teknik är mycket anpassningsbar, både för befintliga patogener och för nya, nya sjukdomar, "sa han." Denna plattform kan övervinna läkemedelsresistens, och kan enkelt anpassas för att använda andra cellmembran eller ladda andra läkemedel eller behandlingar i nanopartikelkärnan. Det är väldigt modulärt, och kräver inte anpassade mönster för varje förening, som kan hjälpa behandlingsutvecklingen i framtiden. "