比頭髮絲細1000倍的納米海綿可抑制新冠病毒傳染性,變異了也不怕!

2020-12-09 騰訊網

包裹在人肺細胞膜和人體免疫細胞膜中的納米顆粒可以吸引和中和細胞培養中的SARS-CoV-2病毒，導致病毒失去劫持宿主細胞和繁殖的能力。

6月17日發表在《納米快報》雜誌上的第一批數據描述了抗擊COVID-19的新方向。這種「納米海綿」由加州大學聖地牙哥分校的工程師開發，並由波士頓大學的研究人員進行測試。

加州大學聖地牙哥分校的研究人員稱這種納米級顆粒為「納米海綿」，因為它們可以吸收有害的病原體和毒素。

在實驗室實驗中，肺細胞和免疫細胞類型的納米海綿都導致SARS-CoV-2病毒以劑量依賴的方式失去了近90%的「病毒感染性」。病毒感染性是指病毒進入宿主細胞並利用其資源複製和產生額外的感染性病毒顆粒的能力。

這些納米海綿不是針對病毒本身，而是用來保護被病毒入侵的健康細胞。

「傳統上，治療傳染病的藥物研發人員會深入病原體的細節，以便找到可用藥的靶點。我們的方法不同。我們只需要知道目標細胞是什麼。然後我們的目標是通過創造仿生誘餌來保護目標。」UC聖地牙哥雅各布斯工程學院的納米工程學教授Liangfang Zhang說。

十多年前，他的實驗室首次創造了這種仿生納米海綿平臺，此後一直在開發它的廣泛應用。當新型冠狀病毒出現時，Zhang 「幾乎是立刻」想到了利用納米海綿平臺對抗它。

除了關於在細胞培養物中中和病毒的令人鼓舞的數據外，研究人員還指出，被巨噬細胞外膜片段掩蓋的納米海綿可能具有額外的好處：吸收炎性細胞因子蛋白，這與COVID-19某些最危險的方面有關，由對感染的免疫反應驅動的。

製作和測試COVID-19納米海綿

每一個COVID-19納米海綿——比人類頭髮絲細1000倍——由包裹在從肺上皮II型細胞或巨噬細胞中提取的細胞膜上的聚合物核心組成。這些膜覆蓋在海綿上的是與它們所模擬的細胞相同的蛋白受體，這包括了SARS-CoV-2用來進入體內細胞的任何受體。

研究人員在溶液中準備了幾種不同濃度的納米海綿來測試新型冠狀病毒。為了測試納米海綿阻斷SARS-CoV-2傳染性的能力，加州大學聖地牙哥分校的研究人員讓波士頓大學國家新興傳染病實驗室(NEIDL)的一個團隊進行獨立測試。

在這個最高生物安全水平的BSL-4實驗室中，由波士頓大學醫學院微生物學副教授Anthony Griffiths領導的研究人員測試了每種濃度的各種納米海綿降低SARS-CoV-2活病毒傳染性的能力，同一種菌株在其他COVID-19治療和疫苗研究中正在測試。

當濃度為每毫升5毫克時，包裹在肺細胞膜上的海綿抑制了93％的SARS-CoV-2病毒傳染性。巨噬細胞覆蓋的海綿抑制了88%的SARS-CoV-2病毒傳染性。病毒傳染性是指病毒進入宿主細胞並利用其資源複製和產生額外的感染性病毒顆粒的能力。

「從免疫學家和病毒學家的角度來看，納米海綿平臺作為一種潛在的抗病毒藥物立即引起了人們的興趣，因為它能夠對抗任何類型的病毒。這意味著，相對於可能非常特別地阻斷SARS-CoV-2感染或複製的藥物或抗體，這些細胞膜納米海綿後續在治療廣譜病毒感染性疾病方面以更全面的方式發揮作用。最初，我樂觀地懷疑，它能起作用，當我看到這些結果時，我激動不已，我深深意識到這對整個治療發展意味著什麼。」 聯合第一作者、波士頓大學微生物學國家新興傳染病實驗室(NEIDL) 研究助理教授Anna Honko說。

在接下來的幾個月裡，加州大學聖地牙哥分校的研究人員和合作者將評估納米海綿在動物模型上的功效。加州大學聖地牙哥分校的研究小組已經證明了對小鼠呼吸道和肺部的短期安全性。這些COVID-19納米海綿是否能夠在人體中進行測試取決於多種因素，但研究人員正在儘快採取行動。

「我們方法的另一個有趣之處在於，即使SARS-CoV-2變異，只要病毒仍然可以侵入我們正在模仿的細胞，我們的納米海綿方法應該仍然有效。我不確定目前正在開發的一些疫苗和治療方法是否可以達到同樣效果。」

研究人員還希望這些納米海綿能夠對抗任何新型冠狀病毒甚至其他呼吸道病毒，包括任何可能引發下一次呼吸道大流行的病毒。

模仿肺上皮細胞和免疫細胞

由於新型冠狀病毒通常會感染肺上皮細胞，這是COVID-19感染的第一步，因此Zhang和他的同事認為，用肺上皮細胞外膜的碎片包裹納米顆粒，看看病毒是否能被誘騙附著在納米顆粒上而不是附著在肺細胞上，可以看看是否合理。

巨噬細胞是一種白細胞，在炎症中起重要作用，在COVID-19疾病期間，它在肺中也非常活躍，所以Zhang和同事創造了另一種覆蓋在巨噬細胞膜中的海綿。

研究小組計劃研究巨噬細胞海綿是否也有能力平息COVID-19患者的細胞因子風暴。

「我們將觀察巨噬細胞納米海綿是否能夠中和這些過量的細胞因子以及中和病毒。」 Zhang說。

利用巨噬細胞碎片作為「鬥篷」是多年來研究巨噬納米海綿治療敗血症的基礎。

在2017年發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文中，Zhang和加州大學聖地牙哥分校的一組研究人員表明巨噬細胞納米海綿可以安全地中和小鼠血液中的內毒素和促炎細胞因子。由Zhang創辦的聖地牙哥生物技術公司Cellics Therapeutics正致力於將巨噬細胞納米海綿的研究成果應用於臨床。

Zhang也警告說，在科學家們了解新型冠狀病毒納米海綿平臺是否是一種安全有效的人類抗病毒療法之前，還需要進行大量的測試。但如果海綿達到臨床試驗階段，有多種可能的方式來提供治療，包括插管患者直接進入肺部，通過吸入器如哮喘患者，或靜脈注射，特別是治療細胞因子風暴併發症。

納米海綿的治療劑量可能會讓一萬億或更多的納米海綿充斥肺部，從而將病毒從健康細胞中吸走。一旦病毒與海綿結合，「它就失去了生存能力，不再具有傳染性，會被我們自身的免疫細胞吸收消化。」 Zhang說。

「我看到了一種預防治療的潛力，一種可以儘早給予的治療，因為納米海綿一旦進入肺部，它們可以在肺部停留一段時間。」 Zhang說，「如果病毒來了，如果有納米海綿等著它，它就可能被阻止。」

納米海綿蓄勢待發

十多年前，Zhang在加州大學聖地牙哥分校的實驗室創造了第一個膜外納米顆粒。第一個納米海綿被紅色細胞膜的碎片包裹著。這些納米海綿正在被開發用於治療細菌性肺炎，並且已經由聖地牙哥的Cellics Therapeutics公司進行了所有階段的臨床前測試。該公司目前正在向FDA提交其主要候選藥物的試驗性新藥(IND)申請：用於治療耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)肺炎的紅細胞納米松。該公司估計，臨床試驗的首批患者將於明年服用藥物。

加州大學聖地牙哥分校的研究人員還發現納米海綿可以將藥物送到傷口部位；吸收引起膿毒症的細菌毒素；並在愛滋病毒感染人類T細胞之前攔截它。

每一種納米海綿的基本結構都是一樣的:一種生物可降解的、經FDA批准的聚合物核心包裹在一種特定類型的細胞膜上，這樣它就可能偽裝成紅細胞、免疫T細胞或血小板細胞。這種偽裝使免疫系統無法發現並當做危險的入侵者來攻擊。

「我認為細胞膜碎片是活性成分。這是看待藥物開發的另一種方式。」 Zhang 說，「對於新冠肺炎，我希望其他團隊儘快拿出安全有效的療法和疫苗。與此同時，我們在工作和計劃，就像全世界都指望著我們一樣。」

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://phys.org/news/2020-06-nanosponges-intercept-coronavirus-infection.html

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02278

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