Le nanoparticelle ammantate nelle membrane delle cellule polmonari umane e nelle membrane delle cellule immunitarie umane possono attrarre e neutralizzare il virus SARS-CoV-2 nella coltura cellulare, facendo perdere al virus la sua capacità di dirottare le cellule ospiti e riprodursi.

I primi dati che descrivono questa nuova direzione per combattere il COVID-19 sono stati pubblicati il ​​17 giugno sulla rivista Nano lettere . Le "nanospugne" sono state sviluppate da ingegneri dell'Università della California a San Diego e testate da ricercatori della Boston University.

I ricercatori della UC San Diego chiamano le loro particelle su nanoscala "nanospugne" perché assorbono agenti patogeni e tossine dannose.

Negli esperimenti di laboratorio, sia le cellule polmonari che i tipi di cellule immunitarie delle nanospugne hanno fatto sì che il virus SARS-CoV-2 perdesse quasi il 90% della sua "infettività virale" in modo dose-dipendente. L'infettività virale è una misura della capacità del virus di entrare nella cellula ospite e sfruttare le sue risorse per replicarsi e produrre ulteriori particelle virali infettive.

Invece di prendere di mira il virus stesso, queste nanospugne sono progettate per proteggere le cellule sane che il virus invade.

"Tradizionalmente, gli sviluppatori di farmaci per le malattie infettive si immergono in profondità nei dettagli dell'agente patogeno per trovare bersagli farmacologici. Il nostro approccio è diverso. Abbiamo solo bisogno di sapere quali sono le cellule bersaglio. E poi puntiamo a proteggere i bersagli creando richiami biomimetici, " disse Liangfang Zhang, un professore di nanoingegneria presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Il suo laboratorio ha creato per la prima volta questa piattaforma di nanospugne biomimetiche più di dieci anni fa e da allora l'ha sviluppata per un'ampia gamma di applicazioni. Quando è apparso il nuovo coronavirus, l'idea di usare la piattaforma nanospugna per combatterlo venne a Zhang "quasi immediatamente, " Egli ha detto.

Oltre ai dati incoraggianti sulla neutralizzazione del virus nelle colture cellulari, i ricercatori notano che le nanospugne ricoperte da frammenti delle membrane esterne dei macrofagi potrebbero avere un ulteriore vantaggio:assorbire le proteine ​​delle citochine infiammatorie, che sono implicati in alcuni degli aspetti più pericolosi di COVID-19 e sono guidati dalla risposta immunitaria all'infezione.

Realizzazione e test di nanospugne COVID-19

Ogni nanospugna COVID-19, mille volte più piccola della larghezza di un capello umano, è costituita da un nucleo polimerico rivestito da membrane cellulari estratte da cellule epiteliali polmonari di tipo II o da cellule macrofagiche. Le membrane ricoprono le spugne con tutti gli stessi recettori proteici delle cellule che impersonano, e questo include intrinsecamente tutti i recettori che SARS-CoV-2 utilizza per entrare nelle cellule del corpo.

I ricercatori hanno preparato diverse concentrazioni di nanospugne in soluzione da testare contro il nuovo coronavirus. Per testare la capacità delle nanospugne di bloccare l'infettività SARS-CoV-2, i ricercatori dell'UC San Diego si sono rivolti a un team dei National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) della Boston University per eseguire test indipendenti. In questo laboratorio BSL-4, il più alto livello di biosicurezza per una struttura di ricerca, i ricercatori, guidato da Anthony Griffiths, professore associato di microbiologia presso la Boston University School of Medicine, ha testato la capacità di varie concentrazioni di ciascun tipo di nanospugna di ridurre l'infettività del virus SARS-CoV-2 vivo, gli stessi ceppi che vengono testati in altre ricerche terapeutiche e sui vaccini COVID-19.

Ad una concentrazione di 5 milligrammi per millilitro, le spugne ricoperte dalla membrana delle cellule polmonari hanno inibito il 93% dell'infettività virale di SARS-CoV-2. Le spugne ricoperte di macrofagi hanno inibito l'88% dell'infettività virale di SARS-CoV-2. L'infettività virale è una misura della capacità del virus di entrare nella cellula ospite e sfruttare le sue risorse per replicarsi e produrre ulteriori particelle virali infettive.

"Dal punto di vista di un immunologo e virologo, la piattaforma nanospugna è stata immediatamente interessante come potenziale antivirale grazie alla sua capacità di agire contro virus di qualsiasi tipo. Ciò significa che, a differenza di un farmaco o di un anticorpo che potrebbe bloccare in modo molto specifico l'infezione o la replicazione di SARS-CoV-2, queste nanospugne di membrana cellulare potrebbero funzionare in modo più olistico nel trattamento di un ampio spettro di malattie infettive virali. Inizialmente ero ottimisticamente scettico sul fatto che avrebbe funzionato, e poi entusiasta una volta che ho visto i risultati e mi sono reso conto di ciò che questo potrebbe significare per lo sviluppo terapeutico nel suo insieme, " ha detto Anna Honko, un co-primo autore dell'articolo e un professore associato di ricerca, Microbiologia presso i National Emerging Infectious Diseases Laboratories (NEIDL) dell'Università di Boston.

Nei prossimi mesi, i ricercatori ei collaboratori dell'UC San Diego valuteranno l'efficacia delle nanospugne in modelli animali. Il team dell'UC San Diego ha già dimostrato sicurezza a breve termine nelle vie respiratorie e nei polmoni dei topi. Se e quando queste nanospugne COVID-19 saranno testate sugli esseri umani dipende da una varietà di fattori, ma i ricercatori si stanno muovendo il più velocemente possibile.

"Un altro aspetto interessante del nostro approccio è che anche se SARS-CoV-2 muta, finché il virus può ancora invadere le cellule che stiamo imitando, il nostro approccio alle nanospugne dovrebbe ancora funzionare. Non sono sicuro che questo si possa dire per alcuni dei vaccini e delle terapie attualmente in fase di sviluppo, " disse Zhang.

I ricercatori si aspettano anche che queste nanospugne funzionino contro qualsiasi nuovo coronavirus o anche altri virus respiratori, compreso qualunque virus possa scatenare la prossima pandemia respiratoria.

Imitazione delle cellule epiteliali polmonari e delle cellule immunitarie

Poiché il nuovo coronavirus infetta spesso le cellule epiteliali polmonari come primo passo nell'infezione da COVID-19, Zhang e i suoi colleghi hanno pensato che avrebbe avuto senso nascondere una nanoparticella in frammenti delle membrane esterne delle cellule epiteliali polmonari per vedere se il virus potesse essere indotto ad attaccarsi ad essa invece che a una cellula polmonare.

Macrofagi, che sono globuli bianchi che svolgono un ruolo importante nell'infiammazione, sono anche molto attivi nel polmone durante il corso di una malattia COVID-19, così Zhang e colleghi hanno creato una seconda spugna ammantata di membrana di macrofagi.

Il team di ricerca prevede di studiare se le spugne dei macrofagi hanno anche la capacità di calmare le tempeste di citochine nei pazienti COVID-19.

"Vedremo se le nanospugne dei macrofagi possono neutralizzare la quantità eccessiva di queste citochine e neutralizzare il virus, " disse Zhang.

L'uso di frammenti di cellule di macrofagi come mantelli si basa su anni di lavoro per sviluppare terapie per la sepsi utilizzando nanospugne di macrofagi.

In un articolo pubblicato nel 2017 in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Zhang e un team di ricercatori dell'UC San Diego hanno dimostrato che le nanospugne di macrofagi possono neutralizzare in modo sicuro sia le endotossine che le citochine pro-infiammatorie nel flusso sanguigno dei topi. Una società di biotecnologie di San Diego co-fondata da Zhang chiamata Cellics Therapeutics sta lavorando per tradurre questa nanospugna di macrofagi lavorare in clinica.

Una potenziale terapia per COVID-19 La piattaforma nanospugna COVID-19 ha davanti a sé test significativi prima che gli scienziati sappiano se sarebbe una terapia sicura ed efficace contro il virus negli esseri umani, Zhang ha avvertito. Ma se le spugne raggiungono la fase di sperimentazione clinica, ci sono diversi modi potenziali per erogare la terapia che includono la somministrazione diretta nel polmone per i pazienti intubati, tramite un inalatore come per i pazienti asmatici, o per via endovenosa, soprattutto per trattare la complicazione della tempesta di citochine.

Una dose terapeutica di nanospugne potrebbe inondare il polmone con un trilione o più di nanospugne che potrebbero allontanare il virus dalle cellule sane. Una volta che il virus si lega con una spugna, "perde la sua vitalità e non è più infettivo, e sarà assorbito dalle nostre stesse cellule immunitarie e digerito, " disse Zhang.

"Vedo il potenziale per un trattamento preventivo, per una terapia che potrebbe essere data presto perché una volta che le nanospugne entrano nel polmone, possono rimanere nel polmone per un po' di tempo, " Zhang ha detto. "Se arriva un virus, potrebbe essere bloccato se ci sono nanospugne ad aspettarlo."

Momento crescente per le nanospugne

Il laboratorio di Zhang all'UC San Diego ha creato le prime nanoparticelle ricoperte di membrana oltre un decennio fa. Le prime di queste nanospugne erano ricoperte da frammenti di membrane di globuli rossi. Queste nanospugne sono state sviluppate per trattare la polmonite batterica e sono state sottoposte a tutte le fasi di test preclinici da parte di Cellics Therapeutics, la startup di San Diego cofondata da Zhang. La società è attualmente in procinto di presentare alla FDA la domanda di nuovo farmaco sperimentale (IND) per il loro candidato principale:nanospugne di globuli rossi per il trattamento della polmonite da stafilococco aureo resistente alla meticillina (MRSA). L'azienda stima che i primi pazienti in uno studio clinico saranno dosati l'anno prossimo.

I ricercatori dell'UC San Diego hanno anche dimostrato che le nanospugne possono rilasciare farmaci nel sito della ferita; assorbire le tossine batteriche che scatenano la sepsi; e intercettare l'HIV prima che possa infettare le cellule T umane.

La costruzione di base per ciascuna di queste nanospugne è la stessa:un biodegradabile, Il nucleo polimerico approvato dalla FDA è rivestito in un tipo specifico di membrana cellulare, in modo che possa essere camuffato da globulo rosso, o una cellula T immunitaria o una cellula piastrinica. L'occultamento impedisce al sistema immunitario di individuare e attaccare le particelle come pericolosi invasori.

"Penso ai frammenti della membrana cellulare come agli ingredienti attivi. Questo è un modo diverso di guardare allo sviluppo dei farmaci, " ha detto Zhang. "Per COVID-19, Spero che altre squadre elaborino terapie e vaccini sicuri ed efficaci il prima possibile. Allo stesso tempo, stiamo lavorando e pianificando come se il mondo contasse su di noi".