Ad oggi, non esistono antidoti efficaci contro la maggior parte delle infezioni virali. Un team di ricerca interdisciplinare presso l'Università tecnica di Monaco (TUM) ha ora sviluppato un nuovo approccio:inghiottono e neutralizzano i virus con nanocapsule ricavate da materiale genetico utilizzando il metodo dell'origami del DNA. La strategia è già stata testata contro l'epatite e i virus adeno-associati nelle colture cellulari. Potrebbe anche rivelarsi efficace contro i virus corona.

Ci sono antibiotici contro batteri pericolosi, ma pochi antidoti per trattare le infezioni virali acute. Alcune infezioni possono essere prevenute con la vaccinazione, ma lo sviluppo di nuovi vaccini è un processo lungo e laborioso.

Ora un gruppo di ricerca interdisciplinare dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, l'Helmholtz Zentrum München e la Brandeis University (USA) propongono una nuova strategia per il trattamento delle infezioni virali acute:il team ha sviluppato nanostrutture fatte di DNA, la sostanza che costituisce il nostro materiale genetico, che possono intrappolare i virus e renderli innocui.

nanostrutture di DNA

Anche prima che la nuova variante del virus corona mettesse in attesa il mondo, Hendrik Dietz, Professore di Nanotecnologia Biomolecolare presso il Dipartimento di Fisica dell'Università Tecnica di Monaco di Baviera, e il suo team stavano lavorando alla costruzione di oggetti delle dimensioni di un virus che si assemblano da soli.

Nel 1962, il biologo Donald Caspar e il biofisico Aaron Klug hanno scoperto i principi geometrici secondo i quali sono costruiti gli involucri proteici dei virus. Sulla base di queste specifiche geometriche, il team intorno a Hendrik Dietz presso l'Università tecnica di Monaco di Baviera, supportato da Seth Fraden e Michael Hagan della Brandeis University negli Stati Uniti, sviluppato un concetto che ha permesso di produrre corpi cavi artificiali delle dimensioni di un virus.

Nell'estate del 2019, il team ha chiesto se tali corpi cavi potessero essere utilizzati anche come una sorta di "trappola per virus". Se dovessero essere rivestiti con molecole che legano i virus all'interno, dovrebbero essere in grado di legare strettamente i virus e quindi essere in grado di eliminarli dalla circolazione. Per questo, però, i corpi cavi dovrebbero anche avere aperture sufficientemente grandi attraverso le quali i virus possono entrare nei gusci.

"Nessuno degli oggetti che avevamo costruito utilizzando la tecnologia degli origami del DNA in quel momento sarebbe stato in grado di inghiottire un intero virus:erano semplicemente troppo piccoli, " dice Hendrik Dietz in retrospettiva. "Costruire corpi cavi stabili di queste dimensioni è stata una sfida enorme".

Il kit per una trappola virale

Partendo dalla forma geometrica di base dell'icosaedro, un oggetto composto da 20 superfici triangolari, il team ha deciso di costruire i corpi cavi per la trappola del virus da tridimensionale, piastre triangolari.

Per le piastre di DNA da assemblare in strutture geometriche più grandi, i bordi devono essere leggermente smussati. La corretta scelta e posizionamento dei punti di rilegatura sui bordi garantiscono che i pannelli si autoassemblano agli oggetti desiderati.

"In questo modo, possiamo ora programmare la forma e la dimensione degli oggetti desiderati utilizzando la forma esatta delle piastre triangolari, " afferma Hendrik Dietz. "Ora possiamo produrre oggetti con un massimo di 180 subunità e ottenere rese fino al 95 percento. Il percorso c'era, però, abbastanza roccioso, con molte iterazioni."

I virus vengono bloccati in modo affidabile

Variando i punti di rilegatura sui bordi dei triangoli, gli scienziati del team non solo possono creare sfere cave chiuse, ma anche sfere con aperture o semigusci. Questi possono quindi essere utilizzati come trappole per virus.

In collaborazione con il team della prof.ssa Ulrike Protzer, capo dell'Istituto di virologia presso TUM e direttore dell'Istituto di virologia presso l'Helmholtz Zentrum München, il team ha testato le trappole virali sui virus adeno-associati e sui nuclei del virus dell'epatite B.

"Anche un semplice semiguscio della giusta dimensione mostra una riduzione misurabile dell'attività del virus, " dice Hendrik Dietz. "Se mettiamo cinque siti di legame per il virus all'interno, per esempio anticorpi adatti, possiamo già bloccare il virus dell'80%, se incorporiamo di più, otteniamo il blocco completo."

Per evitare che le particelle di DNA vengano immediatamente degradate nei fluidi corporei, il team ha irradiato i mattoni finiti con luce UV e ha trattato l'esterno con glicole polietilenico e oligolisina. Le particelle erano quindi stabili nel siero di topo per 24 ore.

Un principio costruttivo universale

Ora il prossimo passo è testare gli elementi costitutivi su topi viventi. "Siamo molto fiduciosi che questo materiale sarà ben tollerato anche dal corpo umano, "dice Dietz.

"I batteri hanno un metabolismo. Possiamo attaccarli in diversi modi, " dice la prof.ssa Ulrike Protzer. "Virus, d'altra parte, non hanno un proprio metabolismo, ecco perché i farmaci antivirali sono quasi sempre mirati contro un enzima specifico in un singolo virus. Un tale sviluppo richiede tempo. Se l'idea di eliminare semplicemente meccanicamente i virus può essere realizzata, questo sarebbe ampiamente applicabile e quindi un importante passo avanti, soprattutto per i virus emergenti.

I materiali di partenza per le trappole virali possono essere prodotti in serie biotecnologicamente a un costo ragionevole. "Oltre all'applicazione proposta come trappola per virus, il nostro sistema programmabile crea anche altre opportunità, ", afferma Hendrik Dietz. "Sarebbe anche ipotizzabile utilizzarlo come vettore di antigene multivalente per le vaccinazioni, come vettore di DNA o RNA per la terapia genica o come veicolo di trasporto per i farmaci".