Первые данные, описывающие это новое направление борьбы с COVID-19, были опубликованы 17 июня в журнале Nano Letters. «Наногубки» были разработаны инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего и протестированы исследователями из Бостонского университета.
Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего называют свои наноразмерные частицы «наногубками», потому что они впитывают вредные патогены и токсины.
В лабораторных экспериментах наногубки типа легочных и иммунных клеток привели к тому, что вирус SARS-CoV-2 потерял почти 90% своей «вирусной инфекционности» дозозависимым образом. Инфекционность вируса – это мера способности вируса проникать в клетку-хозяина и использовать свои ресурсы для репликации и производства дополнительных инфекционных вирусных частиц.
Эти наногубки не нацелены на сам вирус, а для защиты здоровых клеток, в которые попадает вирус.
"Традиционно разработчики лекарств от инфекционных заболеваний глубоко погружаются в детали патогена, чтобы найти мишени для лекарств. У нас другой подход.
Нам нужно только знать, какие клетки-мишени. А затем мы стремимся защитить цели путем создания биомиметических ловушек », – сказал Лянфанг Чжан, профессор наноинженерии в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Его лаборатория впервые создала эту платформу для биомиметических наногубок более десяти лет назад и с тех пор разрабатывает ее для широкого круга приложений. Когда появился новый коронавирус, идея использовать платформу с наногубками для борьбы с ним пришла к Чжану «почти сразу», – сказал он.
В дополнение к обнадеживающим данным о нейтрализации вируса в клеточной культуре, исследователи отмечают, что наногубки, покрытые фрагментами внешних мембран макрофагов, могут иметь дополнительное преимущество: поглощать воспалительные цитокиновые белки, которые участвуют в некоторых из наиболее опасных аспектов. COVID-19 и вызваны иммунным ответом на инфекцию.
Изготовление и тестирование наногубок COVID-19
Каждая наногубка COVID-19 – в тысячу раз меньше ширины человеческого волоса – состоит из полимерного ядра, покрытого клеточными мембранами, извлеченными либо из эпителиальных клеток легкого типа II, либо из клеток макрофагов.
Мембраны покрывают губки теми же белковыми рецепторами, что и клетки, которые они олицетворяют – и это по своей сути включает любые рецепторы, которые SARS-CoV-2 использует для проникновения в клетки организма.
Исследователи приготовили несколько различных концентраций наногубок в растворе для тестирования против нового коронавируса. Чтобы проверить способность наногубок блокировать инфекционность SARS-CoV-2, исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего обратились к команде из Национальной лаборатории новых инфекционных заболеваний Бостонского университета (NEIDL) для проведения независимых тестов. В этой лаборатории BSL-4 – высочайшем уровне биобезопасности для исследовательского центра – исследователи под руководством Энтони Гриффитса, доцента микробиологии Медицинской школы Бостонского университета, проверили способность различных концентраций каждого типа наногубок снижать риск заражения. инфекционность живого вируса SARS-CoV-2 – те же штаммы, которые тестируются в других терапевтических и вакцинных исследованиях COVID-19.
При концентрации 5 миллиграммов на миллилитр губки, покрытые мембраной клеток легких, ингибировали 93% вирусной инфекционности SARS-CoV-2. Губки, покрытые макрофагами, подавляли 88% вирусной инфекционности SARS-CoV-2. Инфекционность вируса – это мера способности вируса проникать в клетку-хозяина и использовать свои ресурсы для репликации и производства дополнительных инфекционных вирусных частиц.
"С точки зрения иммунолога и вирусолога, платформа наноразмеров сразу же привлекла внимание как потенциальный противовирусный препарат из-за ее способности работать против вирусов любого типа. Это означает, что в отличие от лекарства или антитела, которые могут очень специфично блокировать инфекцию или репликацию SARS-CoV-2, эти наногубки клеточной мембраны могут действовать более целостным образом при лечении широкого спектра вирусных инфекционных заболеваний. Сначала я оптимистично скептически относилась к тому, что это сработает, а затем была взволнована, когда увидела результаты и поняла, что это может означать для терапевтического развития в целом », – сказала Анна Хонко, соавтор статьи и научный сотрудник. Профессор микробиологии Национальной лаборатории новых инфекционных заболеваний Бостонского университета (NEIDL).
В ближайшие несколько месяцев исследователи и сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего оценит эффективность наногубок на моделях животных. Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего уже продемонстрировала краткосрочную безопасность в дыхательных путях и легких мышей. Если и когда эти наногубки COVID-19 будут протестированы на людях, это зависит от множества факторов, но исследователи продвигаются как можно быстрее.
«Еще один интересный аспект нашего подхода заключается в том, что даже когда SARS-CoV-2 мутирует, пока вирус все еще может вторгаться в клетки, которые мы имитируем, наш подход с наногубками должен работать.
Я не уверен, что это можно сказать о некоторых вакцинах и терапевтических средствах, которые разрабатываются в настоящее время », – сказал Чжан.
Исследователи также ожидают, что эти наногубки будут работать против любого нового коронавируса или даже других респираторных вирусов, включая любой вирус, который может вызвать следующую респираторную пандемию.
Имитация эпителиальных клеток легких и иммунных клеток
Поскольку новый коронавирус часто поражает эпителиальные клетки легких на первом этапе заражения COVID-19, Чжан и его коллеги пришли к выводу, что имеет смысл скрыть наночастицы во фрагментах внешних мембран эпителиальных клеток легких, чтобы увидеть, может ли вирус быть зараженным. обманутый, чтобы захватить его вместо клетки легкого.
Макрофаги, которые представляют собой белые кровяные тельца, которые играют важную роль в воспалении, также очень активны в легких во время заболевания COVID-19, поэтому Чжан и его коллеги создали вторую губку, покрытую мембраной макрофага.
Исследовательская группа планирует изучить, обладают ли губки-макрофаги также способностью подавлять цитокиновые бури у пациентов с COVID-19.
«Мы посмотрим, смогут ли наногубки макрофагов нейтрализовать чрезмерное количество этих цитокинов, а также нейтрализовать вирус», – сказал Чжан.
Использование фрагментов клеток макрофагов в качестве прикрытия основано на многолетней работе по разработке методов лечения сепсиса с использованием наногубок макрофагов.
В статье, опубликованной в 2017 году в Proceedings of the National Academy of Sciences, Чжан и группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего показали, что наногубки макрофагов могут безопасно нейтрализовать как эндотоксины, так и провоспалительные цитокины в кровотоке мышей.
Биотехнологическая компания Cellics Therapeutics из Сан-Диего, соучредителем которой является Чжан, работает над внедрением этой работы с наногубками макрофагов в клинику.
Потенциальное терапевтическое средство против COVID-19 Платформа наногубки COVID-19 должна пройти серьезные испытания, прежде чем ученые узнают, будет ли это безопасным и эффективным средством против вируса у людей, предупредил Чжан.
Но если губки достигнут стадии клинических испытаний, существует несколько потенциальных способов проведения терапии, которые включают прямую доставку в легкие для интубированных пациентов, через ингалятор, как для пациентов с астмой, или внутривенно, особенно для лечения осложнения цитокинового шторма.
Терапевтическая доза наногубок может затопить легкие триллионом или более крошечных наногубок, которые могут увести вирус от здоровых клеток. Как только вирус связывается с губкой, «он теряет свою жизнеспособность и больше не является инфекционным, и будет поглощаться нашими собственными иммунными клетками и перевариваться», – сказал Чжан.
«Я вижу потенциал для профилактического лечения, для терапевтического средства, которое можно было бы назначить на ранней стадии, потому что, как только наногубки попадают в легкие, они могут оставаться в легких в течение некоторого времени», – сказал Чжан. "Если появится вирус, он может быть заблокирован, если его ждут наногубки."
Нарастающий импульс для наногубок
Лаборатория Чжана в Калифорнийском университете в Сан-Диего создала первые покрытые мембраной наночастицы более десяти лет назад.
Первые из этих наногубок были покрыты фрагментами мембран эритроцитов. Эти наногубки разрабатываются для лечения бактериальной пневмонии и прошли все стадии доклинических испытаний Cellics Therapeutics, стартапа из Сан-Диего, соучредителем которого является Чжан. В настоящее время компания подает в FDA заявку на новый исследуемый препарат (IND) для своего главного кандидата: наногубки для эритроцитов для лечения пневмонии, вызванной метициллин-резистентным золотистым стафилококком (MRSA). По оценкам компании, первые пациенты, участвующие в клинических испытаниях, получат дозу в следующем году.
Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего также показали, что наногубки могут доставлять лекарства к месту раны; всасывать бактериальные токсины, провоцирующие сепсис; и перехватить ВИЧ до того, как он сможет заразить Т-клетки человека.
Базовая конструкция каждой из этих наногубок одинакова: биоразлагаемое полимерное ядро, одобренное FDA, покрыто клеточной мембраной определенного типа, так что оно может быть замаскировано под эритроцит, иммунные Т-клетки или тромбоциты. клетка. Маскировка не позволяет иммунной системе обнаруживать и атаковать частицы как опасных захватчиков.
"Я считаю фрагменты клеточной мембраны активными ингредиентами. "Это другой взгляд на разработку лекарств", – сказал Чжан. «Что касается COVID-19, я надеюсь, что другие команды как можно скорее разработают безопасные и эффективные методы лечения и вакцины. В то же время мы работаем и планируем так, как будто мир рассчитывает на нас."