Forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago har designat en helt ny potentiell behandling för COVID-19:nanopartiklar som fångar SARS-CoV-2-virus i kroppen och sedan använder kroppens eget immunsystem för att förstöra den.

Dessa "nanotfällor" attraherar viruset genom att efterlikna målcellerna som viruset infekterar. När viruset binder till Nanotraps, fällorna binder sedan viruset från andra celler och riktar in sig på det för att förstöras av immunsystemet.

I teorin, dessa Nanotraps kan också användas på varianter av viruset, leder till ett potentiellt nytt sätt att hämma viruset i framtiden. Även om behandlingen förblir i tidiga teststadier, forskarna föreställer sig att det skulle kunna administreras via en nässpray som en behandling för covid-19.

Resultaten publicerades den 19 april i tidskriften Materia .

"Sedan pandemin började, vårt forskarteam har utvecklat detta nya sätt att behandla covid-19, " sa Asst. Prof. Jun Huang, vars labb ledde forskningen. "Vi har gjort rigorösa tester för att bevisa att dessa Nanotraps fungerar, och vi är glada över deras potential."

Designa den perfekta fällan

För att designa Nanotrap, forskargruppen – ledd av postdoktorn Min Chen och doktorand Jill Rosenberg – tittade på mekanismen SARS-CoV-2 använder för att binda till celler:ett spikliknande protein på sin yta som binder till en mänsklig cells ACE2-receptorprotein.

För att skapa en fälla som skulle binda till viruset på samma sätt, de designade nanopartiklar med en hög densitet av ACE2-proteiner på ytan. Liknande, de designade andra nanopartiklar med neutraliserande antikroppar på sina ytor. (Dessa antikroppar skapas inuti kroppen när någon är infekterad och är designade för att haka fast vid coronaviruset på olika sätt).

Både ACE2-proteiner och neutraliserande antikroppar har använts i behandlingar för covid-19, men genom att fästa dem på nanopartiklar, forskarna skapade ett ännu mer robust system för att fånga och eliminera viruset.

Tillverkad av FDA-godkända polymerer och fosfolipider, nanopartiklarna är cirka 500 nanometer i diameter — mycket mindre än en cell. Det betyder att Nanotraps kan nå fler områden inuti kroppen och fånga viruset mer effektivt.

Forskarna testade systemets säkerhet i en musmodell och fann ingen toxicitet. De testade sedan Nanotraps mot ett pseudovirus - en mindre potent modell av ett virus som inte replikerar - i mänskliga lungceller i vävnadsodlingsplattor och fann att de helt blockerade inträde i cellerna.

När pseudoviruset väl bundit sig till nanopartikeln – vilket i tester tog cirka 10 minuter efter injektionen – använde nanopartiklarna en molekyl som kallar kroppens makrofager för att uppsluka och bryta ner nanotfällan. Makrofager kommer vanligtvis att äta nanopartiklar i kroppen, men Nanotrap-molekylen påskyndar processen. Nanopartiklarna rensades och bröts ned inom 48 timmar.

Forskarna testade också nanopartiklarna med ett pseudovirus i ett ex vivo lungperfusionssystem – ett par donerade lungor som hålls vid liv med en ventilator – och fann att de helt blockerade infektion i lungorna.

De samarbetade också med forskare vid Argonne National Laboratory för att testa Nanotraps med ett levande virus (snarare än ett pseudovirus) i ett in vitro-system. De fann att deras system hämmade viruset 10 gånger bättre än neutraliserande antikroppar eller enbart lösligt ACE2.

En potentiell framtida behandling för COVID-19 och därefter

Därefter hoppas forskarna kunna testa systemet ytterligare, inklusive fler tester med ett levande virus och på de många virusvarianterna.

"Det är det som är så kraftfullt med denna Nanotrap, " Sa Rosenberg. "Det är lätt att modulera. Vi kan byta ut olika antikroppar eller proteiner eller rikta in oss på olika immunceller, baserat på vad vi behöver med nya varianter."

Nanotraps kan förvaras i en vanlig frys och kan i slutändan ges via en intranasal spray, vilket skulle placera dem direkt i andningsorganen och göra dem mest effektiva.

Forskarna säger att det också är möjligt att fungera som ett vaccin genom att optimera Nanotrap-formuleringen, skapa ett ultimat terapeutiskt system för viruset.

"Detta är utgångspunkten, " sa Huang. "Vi vill göra något för att hjälpa världen."

Forskningen involverade samarbetspartners över avdelningar, inklusive kemi, biologi, och medicin.