Können ‚Nanosponges‘ helfen, Patienten mit Coronavirus zu behandeln?

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 In dieser Abbildung wirkt ein mit einer menschlichen Zellmembran beschichteter Nanoschwamm als Köder, um zu verhindern, dass ein Virus in Zellen eindringt

In dieser Abbildung wirkt ein mit einer menschlichen Zellmembran beschichteter Nanoschwamm als Köder, um a zu verhindern… virus vom Eindringen in Zellen

angepasst aus Nano Letters 2020, DOI10.1021 / acs.nanolett.0c02278

Mit den gestrigen Nachrichten aus Großbritannien, dass das kostengünstige und weit verbreitete Steroid Dexamethason die Todesfälle bei intubierten Coronavirus-Patienten und solchen, die Sauerstoff benötigen, signifikant reduziert hat, bleibt die Suche nach einem bahnbrechenden Medikament oder Ansatz, der das Überleben vor der Zulassung eines lebensfähigen Impfstoffs verbessert, illusorisch.

Hinzu kommt das Potenzial für das Virus zu mutieren-bereits mit mehreren Stämmen – die Suche nach einem neuen Ansatz wäre ideal.

Forscher der UC San Diego haben nun einen neuartigen Weg zur Behandlung von Infektionen mit „Nanosponges“ eingeschlagen — eine Technologie, die für die Behandlung von Patienten mit SARS-CoV-2, dem für Covid-19 verantwortlichen Virus, vielversprechend sein könnte.

Ihr Ziel ist es, die Nanosponges — biologisch abbaubare Polymere, die mit Zellmembranen beschichtet sind und 1000—mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares sind – als Köder zu verwenden, um letztendlich zu verhindern, dass das Coronavirus menschliche Zellen infiziert und sich dann vermehrt.

Ihre Forschung wurde heute in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Im Gegensatz zu einem antiviralen Medikament, das auf das Virus selbst abzielt und versucht, es zu stoppen, wirken Nanosponges als Köder, um Zellen abzuschirmen, so dass das Virus sie nicht infizieren kann. Das Virus bindet dann mit dem nanosponge und macht es unwirksam.

Der Grund für die Verwendung von Nanosponges

So funktioniert es: Die Forscher schufen winzige Nanosponges, die biologisch abbaubare Polymere sind, und bedecken sie mit Membranen oder Abdeckungen, die menschliche Zellen nachahmen. Auf diese Weise wird das Virus oder sogar ein Toxin daran interessiert sein, mit ihrer Oberfläche zu binden. Im Gegensatz zu einem Virus, das Zellen im Körper infiziert, die sich vermehren und die Infektion verbreiten könnten, wird das Virus dazu verleitet, die Nanosponges zu infizieren, die sich dann nicht vermehren können, wodurch die Viruslast und damit die Möglichkeit, eine Infektion zu verbreiten, verringert werden.

Ein bedeutender Aspekt der aktuellen SARS-CoV-2-Forschung, erklärt Zhang, beinhaltet Ansätze, um die Interaktion des Spike-Proteins des SARS-CoV-2 mit 2 Schlüsselrezeptoren zu blockieren, die es ihm ermöglichen, sich an menschliche Zellen zu binden, in sie einzudringen und sie zu infizieren: ACE2 und CD147.

„Traditionell tauchen Arzneimittelentwickler für Infektionskrankheiten tief in die Details des Erregers ein, um arzneimittelfähige Ziele zu finden. Unser Ansatz ist anders. Wir müssen nur wissen, was die Zielzellen sind. Und dann zielen wir darauf ab, die Ziele zu schützen, indem wir biomimetische Lockvögel schaffen,“ sagte Liangfang Zhang, PhD, Hauptautor der Studie, Professor, Abteilung von Nanoengineering, Direktor Chemieingenieurwesen-Programm, Universität von Kalifornien San Diego.

Zhang, der in den letzten 10 Jahren an Nanosponges geforscht hat, erkannte, dass seine Technologie das Potenzial haben könnte, SARS-CoV-2 anzugreifen, als sich die Coronavirus-Pandemie zu beschleunigen begann.

Zhang war in der Lage, erfolgreich 2 Arten nanosponges unter Verwendung der Membranen von den menschlichen Lungenzellen und von den fachkundigen weißen Blutkörperchen zu entwerfen, die als Makrophagen bekannt sind, jedes beschichtet mit Empfängern ACE2 und CD147 und angesteckt durch das SARS-CoV-2 Virus. Sie konnten erfolgreich einen Nanopartikel-Köder mit den natürlichen Zielen des Virus (ACE2 und CD147) entwickeln, um SARS-CoV-2 in Zellkultur von normalen Zellen wegzulocken.

Ihre Ergebnisse waren vielversprechend: Die Nanosponges erwiesen sich in der Zellkultur als sehr wirksam und reduzierten die Infektiosität des Virus um bis zu 90%. Diese Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit den National Emerging Infectious Disease Laboratories (NEIDL) der Boston University unter Verwendung des lebenden SARS-CoV-2-Virus erzielt.

Darüber hinaus könnte Zhangs Ansatz mit Nanosponges, die mit den Membranen von Makrophagen bedeckt sind — wichtige weiße Blutkörperchen, die an der Entzündungsreaktion auf COVID-19 (oder andere Virusinfektionen) beteiligt sind — auch entzündliche Zytokine binden, die mit „Zytokinsturm“, einer überaktiven oder übertriebenen Immunantwort des Körpers, die möglicherweise tödlich ist.

„Ein weiterer interessanter Aspekt unseres Ansatzes ist, dass selbst wenn SARS-CoV-2 mutiert, unser Nanoschwamm-Ansatz immer noch funktionieren sollte, solange das Virus noch in die Zellen eindringen kann, die wir nachahmen. Ich bin mir nicht sicher, ob dies für einige der Impfstoffe und Therapeutika, die derzeit entwickelt werden, gesagt werden kann „, fügte Zhang hinzu.

Darüber hinaus erwartet Zhang, dass Nanosponges gegen jede Art von Virus wirken würden, insbesondere gegen ein neues Coronavirus — oder ein anderes Virus —, das die Quelle einer anderen Pandemie sein könnte.

Zhang sagt voraus, dass eine typische Behandlung die Infusion von „Billionen Schwämmen — eine große Anzahl, aber kleines Volumen “ beinhalten könnte, aber die genaue Dosis müsste durch Tier- und Humanversuche bestimmt werden, fügte er hinzu. Dies würde die Lunge mit einer Billion oder mehr winzigen Nanosponges aussetzen, die das Virus von gesunden Zellen wegziehen oder ablenken könnten. Sobald sich das Virus an einen Nanoschwamm bindet, „verliert es seine Lebensfähigkeit und ist nicht mehr infektiös und wird von unseren eigenen Immunzellen aufgenommen und verdaut“, erklärte Zhang.

Die Rolle der Verwendung des Nanoschwamm prophylaktisch oder sogar als Behandlung nach der Exposition scheint attraktiv für Zhang. „Ich denke, dass die nanosponges in einer prophylaktischen Weise und in einer Behandlungsnachbelichtung für SARS-Cov-2 verwendet werden können. Wenn Patienten mit SARS-CoV-2 infiziert sind, können die Nanosponges, solange sich die Viren noch im Körper befinden, z. B. in der Lunge, Viren binden und neutralisieren und klinische Verbesserungen induzieren.“

Zhangs Team hat bereits einige vorläufige Sicherheitstests an Mäusen durchgeführt, aber größere Studien an Tiermodellen werden bald folgen. Laut Zhang sind in naher Zukunft auch Versuche am Menschen geplant.

Anwendungen für Nanosponges

Vor über 10 Jahren hat Zhang in seinem Labor an der UC San Diego die ersten membrangetarnten Nanopartikel hergestellt. Die ersten Nanosponges, die er und sein Team entwickelten, waren mit Fragmenten von Membranen roter Blutkörperchen bedeckt, mit dem Ziel, bakterielle Lungenentzündung zu behandeln. Diese Schwämme haben nun die Phasen der präklinischen Tests von Cellics Therapeutics, dem von Zhang mitbegründeten Startup in San Diego, abgeschlossen. Das Unternehmen ist derzeit dabei, einen Prüfantrag für ein neues Medikament (Investigational New Drug, IND) bei der FDA einzureichen, bei dem Nanosponges mit roten Blutkörperchen (RBC) zur Behandlung von Patienten mit Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) -Pneumonie verwendet werden. Cellics schätzt, dass sie laut einer Pressemitteilung im nächsten Jahr mit der Behandlung von Patienten beginnen werden.

Zhangs Team an der UC San Diego haben auch gezeigt, dass Nanosponges gezielte Abgabe von Medikamenten an eine Wundstelle erreichen können, bakterielle Toxine binden, die der Mechanismus sind, der mit Sepsis verbunden ist, sowie HIV-Viruspartikel binden, bevor es menschliche T-Zellen infizieren kann.

Zhang erklärt, dass die Konstruktion von Nanoschwamm auf demselben Grundprinzip beruht. Es handelt sich um einen biologisch abbaubaren, von der FDA zugelassenen Polymerkern, der mit einer bestimmten Art von Zellmembran beschichtet ist, so dass er als rote Blutkörperchen oder Immun-T-Zelle oder Thrombozytenzelle getarnt werden kann. Die Beschichtung oder Tarnung verhindert, dass das Immunsystem die Partikel als gefährliche Eindringlinge erkennt und angreift.

„Ich denke an die Zellmembranfragmente als die Wirkstoffe. Dies ist eine andere Sichtweise auf die Medikamentenentwicklung „, sagte Zhang. „Für COVID-19 hoffe ich, dass andere Teams so schnell wie möglich sichere und wirksame Therapien und Impfstoffe entwickeln. Gleichzeitig arbeiten und planen wir, als würde die Welt auf uns zählen.“

Zhang glaubt, dass ein besonders relevanter Aspekt seiner aktuellen Forschung über SARS-CoV-2 die Tatsache ist, dass „zelluläre Nanosponges potenziell agnostisch gegenüber viralen Mutationen und neuen viralen Spezies sind“, was möglicherweise die Art und Weise verändert, wie wir uns der Behandlung des tödlichen Virus nähern.

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