UC Berkeleys ingenjörer fäste SARS-CoV-2 "spik"-proteiner till ytan av liposomer, vilket skapade labbgjorda härmar av det dödliga viruset som kallas "spike-liposomer", som, när de paras ihop med en ny DNA-mönsterteknik, kan möjliggöra effektiv testning av antikroppsterapier. Denna mikroskopbild av deras teknik visar att blandning av spikliposomer (överst till höger, märkta med grönt fluorescerande protein) med ACE2-receptor (nederst rött, märkt med rött fluorescerande protein), resulterar i en sammansättning av båda proteinerna (vänster), vilket indikerar att deras spike-liposomer binder till ACE2-receptorn på samma sätt som SARS-CoV-2-virus. Kredit:Molly Kozminsky
Liposomer kan vara de obesjungna hjältarna i covid-19-pandemin. Utan skyddet av dessa mikroskopiska vesiklar skulle de känsliga strängarna av budbärar-RNA (mRNA) som ligger i hjärtat av Pfizer- och Moderna COVID-19-vaccinerna snabbt förstöras av enzymer i kroppen, vilket gör det nästan omöjligt för deras genetiska instruktioner att nå insidan av mänskliga celler.
Men vaccinleverans är inte det enda sättet att dessa partiklar kan användas i kampen mot COVID-19. I en ny studie fäste ett team av ingenjörer vid University of California, Berkeley, SARS-CoV-2 "spik"-proteiner på ytan av liposomer, vilket skapade labbgjorda härmar av det dödliga viruset som forskarna kallar "spike-liposomer". ." Dessa spiklipsomer kan användas för att testa effektiviteten av neutraliserande antikroppar som potentiellt kan användas för att behandla covid-19-patienter.
Studien visar också hur en ny DNA-mönsterteknik, utvecklad av teamet förra året, kan hjälpa forskare att snabbt karakterisera och genomföra experiment på en mängd olika typer av liposomer och deras kusiner, lipidnanopartiklar.
"Lipidnanopartiklar är verkligen relevanta för ett antal biomedicinska tillämpningar:de har använts i läkemedelsleveranser i decennier, och de kan också fungera som modeller av virus som har membran på utsidan, inklusive coronavirus", säger studiens huvudförfattare Molly Kozminsky , en postdoktor vid Sohn Research Lab vid UC Berkeley. "Vi utvecklade faktiskt dessa spikliposomer eftersom vi ville testa en ny diagnostisk metod för covid-19 som vi utvecklade i labbet. Men först behövde vi ett sätt att validera att dessa partiklar visade spikproteinet SARS-CoV-2 korrekt, och vi insåg att vår DNA-mönsterteknik skulle tillåta oss att göra detta och andra spännande experiment på ett mycket effektivt sätt."
Liposomer är små, sfäriska kärl konstruerade av lipidmembran som är mycket lika de som omsluter de flesta biologiska celler. Och på samma sätt som biologiska cellers membran är prickade med en mängd olika proteiner som hjälper cellen att interagera med omvärlden, har forskare lärt sig att fästa olika typer av proteiner i liposomernas membran, vilket ger partiklarna olika funktioner och förmågor.
Upphetsningen över liposomer har varit mest uttalad inom läkemedelsindustrin, där läkemedelstillverkare har experimenterat med att utrusta liposomer med proteiner som endast interagerar med mycket specifika celler i kroppen, vilket gör att de kan rikta leveransen av läkemedelsmolekyler till endast de vävnader där de behövs. Som Kozminsky påpekar kan liposomer också användas för att skapa enkla modeller av virus och andra patogener som har lipidmembran, inklusive SARS-CoV-2.
Den DNA-riktade mönstringsteknologin som utvecklats av Sohn Lab kan användas för många experiment som är relevanta för studien av SARS-CoV-2. Visat här används DNA-riktad mönstring för att testa om neutraliserande antikroppar stör förmågan hos ACE-receptorn att binda till spikliposomer som har skapats med spikprotein från två olika varianter av SARS-CoV-2-viruset. Kredit:Molly Kozminsky
Men forskarna måste först verifiera att liposomproteinerna kan interagera korrekt med sin miljö. Till exempel binder spikproteinet SARS-CoV-2 med proteiner på mänskliga celler som kallas ACE2-receptorer, vilket utlöser en serie händelser som låter viruset smälta samman med cellen.
"För spik-liposomer, ville vi se till att spike protein som vi lägger på ytan av liposomen var i rätt konfiguration för att tillåta det att binda till ACE2-receptorer," sade Kozminsky. "Om så var fallet, skulle sättet som dessa spikliposomer är formulerade sannolikt också modellera hur spikproteinet SARS-CoV-2-virus interagerar med celler, antikroppar och andra proteiner."
Kozminsky insåg att DNA-utskriftstekniken, som ursprungligen utvecklades av Sohn Lab för att "skriva ut" olika typer av celler till mönster som modellerar biologiska vävnader, också kunde användas för att snabbt verifiera att spik-liposomerna presenterade SARS-CoV -2 spikes protein korrekt.
"Vi visste att vi var tvungna att testa liposomerna först, och när vi tittade på alla sätt vi skulle behöva validera liposomerna, fann vi att teknikerna var något svåra," sa Kozminsky. "Vi insåg hur mycket lättare det skulle vara att använda vår DNA-riktade tryckteknik."
För att genomföra experimentet tryckte Kozminsky ut spik-liposomer på ett objektglas och märkte dem sedan med ett grönt fluorescerande protein. Hon tvättade sedan objektglaset med ACE2-receptorproteiner som hade märkts med ett rött fluorescerande protein. När hon avbildade objektglaset fann hon att det mesta glödde rött, vilket tyder på att ACE2-receptorproteinerna binder till spik-liposomer på objektglaset. Kozminsky upprepade sedan experimentet med celler som uttrycker ACE2-receptorn, vilket visade att de också kunde binda med spik-liposomer.
För att visa hur spik-liposomer kan användas för att testa effektiviteten av COVID-19-behandlingar, skapade Kozminsky två olika typer av spike-liposomer, som var och en visar en annan variant av SARS-CoV-2 spikproteinet. Efter att ha använt DNA-utskrift för att mönstra dessa på objektglas tvättade hon objektglasen med tre olika typer av kommersiellt tillgängliga neutraliserande antikroppar mot varianter av spikproteinet SARS-CoV-2. Hon testade sedan om närvaron av dessa neutraliserande antikroppar framgångsrikt förhindrade ACE2-receptorproteinerna från att binda till spike-liposomer, och fann att resultaten överensstämde med de som rapporterats av antikroppstillverkarna.
"Det som är riktigt häftigt med den här tekniken är att den har väldigt hög genomströmning, vilket innebär att du kan köra experiment med många olika kombinationer av liposomer samtidigt", säger seniorförfattaren Lydia Sohn, Almy C. Maynard och Agnes Offield Maynards ordförande. i maskinteknik vid UC Berkeley. "Så till exempel kan läkemedelsföretag använda den här tekniken för att mycket snabbt testa vilka antikroppar som fungerar mest effektivt mot en viss variant av SARS-CoV-2. Eller så kan den användas för att screena nya proteiner för riktad läkemedelsleverans, för att göra säker på att det proteinet riktar sig mot särskilda celltyper i kroppen. Det lägger verkligen till en ny strategi för att bekämpa detta virus." + Utforska vidare
