Review:Nanobasierte Plattformen für die Diagnose und Behandlung von COVID-19:Von der Tischplatte bis zum Krankenbett. Bildquelle:Shutterstock Schweres akutes respiratorisches Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2), der Erreger von COVID-19, ist ein umhüllter, eindrähtig, Positiv-Sense-RNA-Virus, die mehr als 50% Sequenzähnlichkeit mit anderen tödlichen Mitgliedern der menschlichen Coronavirus-Familie teilt, einschließlich SARS-CoV und Coronavirus des Atemwegssyndroms im Nahen Osten (MERS-CoV).
SARS-CoV-2 wird hauptsächlich über große Tröpfchen der Atemwege von Mensch zu Mensch übertragen. Jedoch, Einige neuere Studien haben auf die Möglichkeit einer Übertragung durch die Luft durch kleine Atemaerosole hingewiesen.
Die Infektion mit SARS-CoV-2 beginnt mit der Bindung des viralen Spike-Proteins an den Angiotensin-Converting-Enzym-2-(ACE2)-Rezeptor der Wirtszelle. Bei der Rezeptorbindung, das Spike-Protein wird durch die Wirtszell-Protease TMPRSS2 proteolytisch aktiviert, was zur Dissoziation der Spike-S1/S2-Untereinheit und zur Fusion der Virushülle mit der Wirtszellmembran führt.
Da es sich um ein Atemwegsvirus handelt, SARS-CoV-2 betrifft vor allem die oberen Atemwege und verursacht leichte bis schwere Lungenerkrankungen. Jedoch, das Virus kann andere lebenswichtige Organe infizieren und eine Vielzahl klinischer Komplikationen verursachen, einschließlich Herz-Kreislauf, neurologische, Magen-Darm-, Leber, und nephrologische Erkrankungen.
Molekulare Techniken wie die Reverse Transkription-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) gelten als Goldstandard für die Diagnose einer SARS-CoV-2-Infektion. Jedoch, die Genauigkeit, Empfindlichkeit, und Spezifität der RT-PCR hängen strikt von der genetischen Konsistenz des Virus ab. Das Auftreten neuer Mutationen in der viralen Zielkomponente kann möglicherweise die diagnostische Effizienz der RT-PCR beeinträchtigen.
Für die bildbasierte und klinische Diagnostik von COVID-19, Nanomaterialien erweisen sich aufgrund ihrer einzigartigen optischen, elektronische, magnetisch, und mechanische Eigenschaften. Zu den Nanomaterialien, die für den Virusnachweis vorgeschlagen wurden, gehören Metall, Kieselsäure, und polymere Nanopartikel, Quantenpunkte, und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Nanobiohybrid-Plattformen
Nanomaterialien können mit bestimmten viralen Komponenten konjugiert werden, wie Nukleinsäure oder Protein, Entwicklung von Nano-Bio-Hybrid-Tools zum Nachweis von Virusinfektionen. Bei diesem Ansatz, multivalente nanobasierte Sonden werden zur Signalübertragung verwendet.
Für den Nachweis von MERS-CoV-Nukleinsäuren wurden kolorimetrische Analysegeräte mit Silbernanopartikeln als kolorimetrische Substrate entwickelt. Ähnlich, Gold-Nanopartikel- und Quantenpunkt-basierte Immunsensoren wurden entwickelt, um eine Vogel-Coronavirus-Infektion zu erkennen. Solche auf Immunsensoren basierenden Verfahren weisen eine höhere Genauigkeit und Sensitivität und eine schnellere Durchlaufzeit als ELISA auf.
Um Vogel-Coronaviren zu erkennen, Es wurden immunchromatographische Streifen mit Konjugaten aus viralen Spike-spezifischen monoklonalen Antikörpern und kolloidalem Gold als Tracer entwickelt. Ähnlich, Lateral Flow Assays wurden für den genauen Nachweis von SARS-CoV-2 entwickelt. In diesen Assays, in der ersten Zeile wird ein Papierstreifen mit Konjugaten aus Gold-Nanopartikel und virusspezifischen Antikörpern beschichtet. In der zweiten Zeile, Zur Beschichtung werden Fängerantikörper verwendet. Zur Erkennung, biologische Proben werden auf den Streifen gelegt, und interessierende Proteine werden auf der Membran platziert. Nach Bindung viraler Antigene an die Nanopartikel-Antikörper-Konjugate der gesamte Komplex fließt durch den Streifen und wird von den Fängerantikörpern in der zweiten Linie immobilisiert. Dies führt zum Erscheinen einer farbigen Linie.
Um Spike – ACE2-Interaktion zu überwachen, es wurde ein Energieübertragungssystem entwickelt, das rekombinante Spike-RBD verwendet, die mit fluoreszierenden Quantenpunkten konjugiert sind, Goldnanopartikel, und Zellen, die GFP-markiertes ACE2 exprimieren. Ähnlich, Es wurde ein fortschrittlicher Feldeffekttransistor-Biosensor entwickelt, der Graphenblätter verwendet, die an einen spezifischen Anti-SARS-CoV-2-Spike-Antikörper konjugiert sind. Dieser Biosensor wird für die ultrasensitive Erfassung und den Nachweis von SARS-CoV-2-Antigenen verwendet.
Mikrofluidische Geräte
In mikrofluidischen Geräten, ein Polymer-, Glas-, oder papierbasierter Chip wird mit Reaktionskammern und Mikrokanälen fixiert. Kapillare verwenden, Vakuum, oder elektrokinetische Kräfte, Dieses Gerät mischt und trennt flüssige Proben.
Vor kurzem, Für den kolorimetrischen Nachweis von Antikörpern gegen eine HIV-Infektion wurde eine Smartphone-basierte Mikrofluidik-Plattform entwickelt. Diese Plattform besteht aus ZnO-Nanostäbchen und Polydimethylsiloxan.
Nanomaterialien, wie Silberkolloid, Titandioxid, und Diphyllin-Nanopartikel, gelten als vielversprechende antivirale Wirkstoffe und Plattformen für die Arzneimittelabgabe zur wirksamen Behandlung einer Coronavirus-Infektion.
Nanobasierte Gentherapie
Small interfering RNAs (siRNAs) sind hocheffizient bei der Reduzierung der Replikation von RNA-Viren, wie Coronaviren. Die Wirksamkeit von siRNA-basierten Behandlungen hängt strikt vom spezifischen Targeting der interessierenden Virussequenz und der gezielten zellulären Abgabe von therapeutischer siRNA ab. In diesem Kontext, ungiftig, biokompatible Nanocarrier aus Polymeren, Lipide, Polymer/Lipid-Hybrid-Nanopartikel, Nanohydrogele, Kieselsäure, Dendrimere, Eisenoxid-Nanopartikel, oder Gold-Nanopartikel gelten als vielversprechende siRNA-Transportplattformen. Diese Nanocarrier können die siRNA-Stabilität verbessern, indem sie den enzymatischen Abbau verhindern.
Zur inhalierbaren antiviralen siRNA-Beladung und aerosolbasierten Abgabe von antiviraler siRNA in die Lunge, Polymer/Lipid-Nanocarrier haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Ähnlich, Cholesterin-konjugierte Lipid-Nanopartikel haben eine hohe Wirksamkeit bei der Bereitstellung von mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen gezeigt.
Nanobasierte Immuntherapie
Nanopartikuläre Formen von immunmodulatorischen Wirkstoffen haben vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Modulation der Funktionen von Immunkomponenten und die Verringerung der immunmodulationsbedingten Toxizität gezeigt. Zusätzlich, Nanopartikel, wie Dendrimere, Liposomen, Kohlenstoff-Nanoröhren, polymerbasierte Materialien, und anorganische Nanopartikel, kann mit mehreren Antigenen für eine robustere Aktivierung des Immunsystems eingebaut werden.
Nanobasierte Impfstoffe
Antivirale Nanopartikel wurden als potenzielle immunstimulierende Mittel für die Impfstoffentwicklung verwendet. Zum Beispiel, Goldnanopartikel, die mit dem durch Schweine übertragbaren Gastroenteritis-Virus konjugiert sind, wurden verwendet, um Makrophagen zu aktivieren, induzieren die Interferonproduktion, und Erhöhung der Anti-Coronavirus-neutralisierenden Antikörperspiegel in geimpften Tieren. Ähnlich, Konjugate aus Ribonukleinsäure und Ferritin-basierten Nanopartikeln wurden als molekulare Chaperone verwendet, um einen Impfstoff gegen MERS-CoV zu entwickeln. Es wurde gezeigt, dass der Impfstoff eine starke T-Zellantwort induziert und die Interferonproduktion fördert.
Zur Zeit, Bei der antiviralen Therapie von Coronaviren spielt die Nanotechnologie eine immer wichtigere Rolle. Nanomaterialien wurden speziell entwickelt, um die Abgabe von Biotherapeutika über physiologische Barrieren hinweg zu verbessern. Eine breite Palette potenzieller Nanogeräte, wie Nanosensoren, nanobasierte Impfstoffe, und intelligente Nanomedizin, bietet große Hoffnung für die Bekämpfung aktueller und zukünftiger mutierter Versionen von Coronaviren.
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