Kredit:Northwestern University
De kan se ut som celler och agera som celler. Men en ny potentiell COVID-19-behandling är faktiskt en skickligt förklädd trickster, som attraherar virus och binder dem, vilket gör dem inaktiva.
När det ständigt utvecklande SARS-CoV-2-viruset börjar undvika en gång lovande behandlingar, såsom monoklonala antikroppsterapier, har forskare blivit mer intresserade av dessa "lockar" nanopartiklar. Efterliknar vanliga celler, lockande nanopartiklar suger upp virus som en svamp och hindrar dem från att infektera resten av kroppen.
I en ny studie bestämde sig syntetiska biologer från Northwestern University för att belysa de designregler som behövs för att göra lockbete nanopartiklar effektiva och resistenta mot virusflykt. Efter att ha designat och testat olika iterationer identifierade forskarna en bred uppsättning lockbeten – alla tillverkade med olika metoder – som var otroligt effektiva mot det ursprungliga viruset såväl som mutanta varianter.
Faktum är att lockbetenanopartiklar var upp till 50 gånger effektivare för att hämma naturligt förekommande virala mutanter, jämfört med traditionella, proteinbaserade hämmande läkemedel. När de testades mot en viral mutant utformad för att motstå sådana behandlingar, var lockbetsnanopartiklar upp till 1 500 gånger effektivare för att hämma infektion.
Även om mycket mer forskning och kliniska utvärderingar behövs, tror forskarna att infusioner av lockbete nanopartiklar en dag potentiellt kan användas för att behandla patienter med allvarliga eller långvariga virusinfektioner.
Studien publicerades i slutet av förra veckan (7 april) i tidskriften Small . I uppsatsen testade teamet lockande nanopartiklar mot föräldern SARS-CoV-2-virus och fem varianter (inklusive beta, delta, delta-plus och lambda) i en cellkultur.
"Vi visade att lockbetsnanopartiklar är effektiva hämmare av alla dessa olika virala varianter", säger Northwesterns Joshua Leonard, medförfattare till studien. "Även varianter som undkommer andra droger undgick inte våra lockbetenanopartiklar."
"När vi genomförde studien fortsatte olika varianter att dyka upp runt om i världen", tillade Northwesterns Neha Kamat, medförfattare till studien. "Vi fortsatte att testa våra lockbeten mot de nya varianterna, och de fortsatte bara att fungera. Det är väldigt effektivt."
Leonard är docent i kemisk och biologisk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Kamat är biträdande professor i biomedicinsk teknik i McCormick. Båda är nyckelmedlemmar i Northwesterns Center for Synthetic Biology.
'Evolutionär rock och en hård plats'
Eftersom SARS-CoV-2-viruset har muterats för att skapa nya varianter, har vissa behandlingar blivit mindre effektiva för att bekämpa det ständigt utvecklande viruset. Bara förra månaden pausade U.S. Food and Drug Administration (FDA) flera monoklonala antikroppsbehandlingar, till exempel på grund av deras misslyckande mot BA.2 omicron-subvarianten.
Men även där behandlingar misslyckas, förlorade de lockande nanopartiklarna i den nya studien aldrig effektivitet. Leonard sa att detta beror på att lockbetena placerar SARS-CoV-2 "mellan en evolutionär sten och en hård plats."
SARS-CoV-2 infekterar mänskliga celler genom att binda dess ökända spikeprotein till den humana angiotensinomvandlande enzym 2 (ACE2)-receptorn. Ett protein på ytan av celler, ACE2 ger en ingångspunkt för viruset.
För att designa lockande nanopartiklar använde Northwestern-teamet partiklar i nanostorlek (extracellulära vesiklar) som frigörs naturligt från alla celltyper. De konstruerade celler som producerar dessa partiklar för att överuttrycka genen för ACE2, vilket ledde till många ACE2-receptorer på partiklarnas ytor. När viruset kom i kontakt med lockbetet band det hårt till dessa receptorer snarare än till riktiga celler, vilket gjorde att viruset inte kunde infektera celler.
"För att viruset ska komma in i en cell måste det binda till ACE2-receptorn," sa Leonard. "Decoy-nanopartiklar utgör en evolutionär utmaning för SARS-CoV-2. Viruset skulle behöva komma på ett helt annat sätt att komma in i celler för att undvika behovet av att använda ACE2-receptorer. Det finns ingen uppenbar evolutionär flyktväg."
Framtida fördelar
Förutom att vara effektiva mot läkemedelsresistenta virus, kommer locknanopartiklar med flera andra fördelar. Eftersom de är biologiska (snarare än syntetiska) material, är nanopartiklarna mindre benägna att framkalla ett immunsvar, vilket orsakar inflammation och kan störa läkemedlets effekt. De uppvisar också låg toxicitet, vilket gör dem särskilt väl lämpade för användning vid långvarig eller upprepad administrering för behandling av svårt sjuka patienter.
När covid-19-pandemin började upplevde forskare och kliniker en oroande klyfta mellan att upptäcka viruset och att utveckla nya läkemedel för att behandla det. För nästa pandemi kan lockbete nanopartiklar ge en snabb och effektiv behandling innan vacciner utvecklas.
"Lockningsstrategin är en av de mest omedelbara sakerna du kan prova," sa Leonard. "Så snart du känner till receptorn som viruset använder kan du börja bygga lockbetespartiklar med dessa receptorer. Vi skulle potentiellt kunna snabba på ett tillvägagångssätt som detta för att minska allvarlig sjukdom och dödsfall i de avgörande tidiga stadierna av framtida viruspandemier." + Utforska vidare
