I vaccini rimangono lo standard di riferimento per la protezione contro agenti patogeni pericolosi, ma richiedono molto tempo e ingenti risorse per essere sviluppati. Virus in rapida mutazione come SARS-CoV-2 possono ridurne l'efficacia e persino renderli obsoleti.
Per colmare queste lacune, un team multiuniversitario guidato da Vivek Kumar del New Jersey Institute of Technology sta sviluppando una terapia con idrogel che funge da prima linea di difesa contro virus e altre minacce biologiche. I peptidi che compongono questo gel impediscono a virus come SARS-CoV-2, che causa COVID-19, di attaccarsi e di entrare nelle cellule. Lo fanno legandosi a un particolare recettore dell'agente patogeno invasore e allo stesso tempo aggregandosi in una "maschera molecolare" multistrato che ne attenua l'azione.
Nel corso della ricerca, il team ha scoperto che la maschera molecolare da sola previene le infezioni. Il potenziale vantaggio di questa nuova tecnologia, dicono, è la sua capacità di combattere diversi agenti patogeni e mutazioni di malattie.
"Proteggere le persone nelle fasi iniziali di un'epidemia è importante", ha affermato Kumar, professore associato di ingegneria biomedica. "Il nostro nuovo meccanismo potrebbe anche aiutare i primi soccorritori in prima linea, il personale militare che incontra nuovi agenti patogeni, le persone che vivono in aree remote e con scarse risorse e coloro che non possono ricevere vaccinazioni."
L'obiettivo a breve termine è produrre uno spray nasale contro le infezioni trasmesse per via aerea.
In uno studio sulla rivista Nature Communications , il team ha descritto come la maschera si lega in modo non specifico al suo bersaglio. È composto da peptidi progettati computazionalmente (stringhe di amminoacidi che formano proteine) che si autoassemblano in idrogel fibrosi su scala nanometrica. In confronto, gli anticorpi prodotti dai vaccini prendono di mira particolari recettori, come i vaccini mRNA sviluppati durante la pandemia che si legano a proteine specifiche sul picco SARS-CoV-2.
La scoperta del team è nata dalla ricerca condotta all'inizio della pandemia su nuovi approcci per impedire al virus di invadere le cellule. Il progetto iniziale, che coinvolgeva peptidi mirati al picco SARS-CoV-2, esaminava domini altamente specifici. Tuttavia, anche i gel peptidici non specifici da loro progettati formavano una fibra multistrato sopra il virus.
Il gruppo ha ipotizzato che le cariche negative nelle fibre interagiscano con proteine diversamente caricate sulla superficie virale, mascherandole e impedendo così loro di interagire con le cellule native.
Della maschera proteica non specifica, Kumar ha osservato:"Forma una struttura più grande e un legame migliore rispetto a una singola molecola. Sebbene non abbia un'elevata specificità, può autoassemblarsi e rimanere sul bersaglio più a lungo, formando una fibra adesivo sulla superficie che agisce come il velcro molecolare."
Ha aggiunto:"L'obiettivo sarebbe un agente topico che si leghi al virus. Nel caso della SARS-CoV-2, lo spruzzeremmo nel naso, che è un importante sito di infezione, forse anche a scopo profilattico."
Il team ha prima testato le fibre contro una serie di virus attraverso simulazioni al computer che utilizzavano potenti schede grafiche NVIDIA, comunemente utilizzate nei giochi competitivi. Successivamente hanno condotto con successo test di sicurezza su topi e ratti, utilizzando iniezioni e spray nasali, ha affermato Joseph Dodd-o, un Ph.D. studente del laboratorio di Kumar che ha condotto gran parte della ricerca sulla terapia insieme ad Abhishek Roy, anche lui Ph.D. alunno. La terapia ha inibito le varianti alfa e omicron di SARS-CoV-2 in vitro, durando per un giorno senza danneggiare gli animali nei test in vivo.
Kumar ha sviluppato idrogel per una serie di applicazioni terapeutiche. Il suo meccanismo di rilascio è personalizzabile e composto da filamenti di peptidi simili a Lego con un agente bioattivo attaccato a un'estremità che può sopravvivere nel corpo per settimane e persino mesi, dove altri biomateriali si degradano rapidamente. I suoi legami autoassemblanti sono progettati per essere più forti delle forze dispersive del corpo; forma fibre stabili, senza segni di induzione di infiammazione.
L'idrogel è progettato per innescare diverse risposte biologiche a seconda del carico utile attaccato. Il laboratorio di Kumar ha pubblicato ricerche su applicazioni che vanno dalle terapie per favorire o prevenire la creazione di nuove reti di vasi sanguigni, per ridurre l'infiammazione e combattere i microbi.
"In questo caso utilizziamo cariche elettriche che interagiscono con l'agente patogeno per distruggerlo", ha affermato Kumar.
"Stiamo ancora cercando di determinare come interagiscono le fibre:è questa una modalità di azione meccanica? I patogeni resistenti ai farmaci mutano attorno ai modulatori biochimici, ma è meno probabile che mutino attorno a una lancia meccanica? Comprendendo questa interazione fondamentale, vogliamo capire come usarlo contro diverse malattie."
In nuovi studi, il laboratorio sta testando la terapia contro batteri e funghi resistenti ai farmaci.
I membri del team apportano competenze diverse:progettazione computazionale presso l'Università dell'Illinois a Chicago; capacità bioanalitiche presso la Georgia Tech e la Baylor School of Medicine; studi di virologia alla Rutgers University; ed esperienza su piattaforma, analisi e analisi presso NJIT.
Ulteriori informazioni: Joseph Dodd-o et al, Fibrille antivirali di peptidi autoassemblati con composizioni sintonizzabili, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45193-3
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal New Jersey Institute of Technology
