Vacciner förblir den gyllene standarden för skydd mot farliga patogener, men det tar avsevärd tid och stora resurser att utveckla. Snabbt muterande virus som SARS-CoV-2 kan försvaga deras effektivitet och till och med göra dem föråldrade.
För att komma till rätta med dessa luckor utvecklar ett team på flera universitet under ledning av New Jersey Institute of Technologys Vivek Kumar en hydrogelterapi som fungerar som en första försvarslinje mot virus och andra biologiska hot. Peptiderna som utgör denna gel förhindrar virus som SARS-CoV-2, som orsakar COVID-19, från att fästa till och komma in i celler. De gör detta genom att binda till en viss receptor på den invaderande patogenen samtidigt som de aggregeras till en flerskikts "molekylär mask" som dämpar dess verkan.
Under loppet av sin forskning upptäckte teamet att den molekylära masken ensam förhindrade infektioner. Den potentiella fördelen med denna nya teknik, säger de, är dess förmåga att bekämpa olika patogener och sjukdomsmutationer.
"Att skydda människor i de inledande faserna av ett utbrott är viktigt", säger Kumar, docent i biomedicinsk teknik. "Vår nya mekanism kan också hjälpa första responders vid frontlinjen, militär personal som stöter på nya patogener, människor i avlägsna områden med brist på resurser och de som inte kan ta emot vaccinationer."
Målet på kort sikt är att producera en nässpray mot luftburna infektioner.
I en studie i tidskriften Nature Communications , beskrev teamet hur masken binder ospecifikt till sitt mål. Den är sammansatt av beräkningsmässigt utformade peptider (strängar av aminosyror som bildar proteiner) som självmonterar till fibrösa hydrogeler i nanoskala. Som jämförelse riktar sig antikroppar som produceras av vaccin mot särskilda receptorer, eftersom mRNA-vaccinerna utvecklades under pandemin och som binder till specifika proteiner på SARS-CoV-2-spiken.
Teamets upptäckt kom från forskning i början av pandemin om nya metoder för att förhindra viruset från att invadera celler. Den initiala designen, som involverade peptider som riktade sig mot SARS-CoV-2-spiken, tittade på mycket specifika domäner. Men de ospecifika peptidgelerna de designade bildade en flerskiktsfiber ovanpå viruset.
Gruppen har postulerat att de negativa laddningarna i fibrerna interagerar med olika laddade proteiner på virusytan, maskerar dem och på så sätt förhindrar dem från att interagera med inhemska celler.
Av den ospecifika proteinmasken noterade Kumar:"Den bildar en större struktur och bättre bindning än en enskild molekyl gör. Även om den inte har hög specificitet, kan den självmontera och stanna kvar på målet längre och bilda en fiber klistermärke på ytan som fungerar som molekylär kardborre."
Han tillade, "Målet skulle vara ett aktuellt medel som binder till viruset. I fallet med SARS-CoV-2 skulle vi spraya det i näsan, som är en viktig plats för infektion, kanske till och med profylaktiskt."
Teamet testade först fibrerna mot ett antal virus genom datorsimuleringar som använde kraftfulla NVIDIA-grafikkort, som vanligtvis används i konkurrenskraftiga spel. De genomförde senare framgångsrika säkerhetstester med möss och råttor, med hjälp av injektioner och nässprayer, säger Joseph Dodd-o, en Ph.D. student i Kumars labb som utförde mycket av forskningen om terapin tillsammans med Abhishek Roy, också en Ph.D. studerande. Behandlingen hämmade alfa- och omicron-varianterna av SARS-CoV-2 in vitro och varade i en dag utan att skada djuren i testerna in vivo.
Kumar har utvecklat hydrogeler för ett antal terapeutiska tillämpningar. Hans leveransmekanism är anpassningsbar och består av legoliknande peptidsträngar med ett bioaktivt medel fäst i ena änden som kan överleva i kroppen i veckor och till och med månader, där andra biomaterial bryts ned snabbt. Dess självmonterande bindningar är utformade för att vara starkare än kroppens spridningskrafter; det bildar stabila fibrer, utan tecken på att framkalla inflammation.
Hydrogelen är konstruerad för att utlösa olika biologiska reaktioner beroende på vilken nyttolast som är ansluten. Kumars labb har publicerat forskning om tillämpningar som sträcker sig från terapier för att förmå eller förhindra skapandet av nya blodkärlsnätverk, för att minska inflammation och för att bekämpa mikrober.
"I det här fallet använder vi elektriska laddningar som interagerar med patogenen för att störa den," sa Kumar.
"Vi försöker fortfarande fastställa hur fibrerna interagerar:Är detta ett mekaniskt verkningssätt? Läkemedelsresistenta patogener muterar runt biokemiska modulatorer, men är det mindre benägna att mutera runt ett mekaniskt spjut? Genom att förstå denna grundläggande interaktion vill vi ta reda på hur man använder det mot olika sjukdomar."
I nya studier testar labbet behandlingen mot läkemedelsresistenta bakterier och svampar.
Medlemmar i teamet tar med sig varierad expertis:beräkningsdesign vid University of Illinois Chicago; bioanalytiska förmågor vid Georgia Tech och Baylor School of Medicine; virologistudier vid Rutgers University; och erfarenhet av plattform, analys och analys på NJIT.
Mer information: Joseph Dodd-o et al, Antivirala fibriller av självmonterade peptider med avstämbara kompositioner, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45193-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av New Jersey Institute of Technology
