Nanotechnologijų ir COVID-19 diagnostika ir gydymas

Nano-biosensorių, nanodalelių pagrindu pagamintų vakcinų ir vaistų kūrimas atvėrė naują kelią geresniam koronaviruso ligos 2019 (COVID-19) pandemijos valdymui. Neseniai paskelbtame straipsnyje žurnale ACS biomedžiagų mokslas ir inžinerija , mokslininkai apžvelgė naujausius nanotechnologijomis pagrįstų diagnostinių ir terapinių intervencijų prieš žmogaus koronavirusus pasiekimus.

Apžvalga:COVID-19 diagnozavimo ir gydymo nanopõhčios platformos:nuo suolų iki lovos. Vaizdo kreditas:„Shutterstock“

Fonas

Sunkus ūminis kvėpavimo sindromas koronavirusas 2 (SARS-CoV-2), sukėlėjas COVID-19, yra gaubtas, viengubas, teigiamo jausmo RNR virusas, kurių seka yra daugiau nei 50% panaši į kitus mirtinus žmogaus koronaviruso šeimos narius, įskaitant SARS-CoV ir Artimųjų Rytų kvėpavimo sindromo koronavirusą (MERS-CoV).

SARS-CoV-2 pirmiausia plinta iš žmogaus į žmones dideliais kvėpavimo lašeliais. Tačiau, kai kurie naujausi tyrimai parodė galimybę pernešti orą per mažus kvėpavimo aerozolius.

Infekcija SARS-CoV-2 prasideda viruso smaigalio baltymo prisijungimu prie šeimininko ląstelių angiotenziną konvertuojančio fermento 2 (ACE2) receptorių. Prijungus receptorius, smaigalio baltymą proteoliziškai aktyvuoja ląstelės šeimininkės proteazė TMPRSS2, dėl to smaigalys S1/S2 subvienetas išsiskiria ir viruso apvalkalas susilieja su ląstelės šeimininkės membrana.

Būdamas kvėpavimo takų virusas, SARS-CoV-2 pirmiausia veikia viršutinius kvėpavimo takus ir sukelia lengvas ar sunkias plaučių ligas. Tačiau, virusas gali užkrėsti kitus gyvybiškai svarbius organus ir sukelti daugybę klinikinių komplikacijų, įskaitant širdies ir kraujagyslių sistemos, neurologinis, virškinimo trakto, kepenų, ir nefrologiniai sutrikimai.

Nanomedžiagos diagnozuojant virusinę infekciją

Molekuliniai metodai, tokie kaip atvirkštinės transkripcijos polimerazės grandininė reakcija (RT-PCR), yra laikomi auksiniu standartu diagnozuojant SARS-CoV-2 infekciją. Tačiau, tikslumas, jautrumas, ir RT-PGR specifiškumas griežtai priklauso nuo genetinio viruso nuoseklumo. Naujų mutacijų atsiradimas tiksliniame virusiniame komponente gali turėti įtakos RT-PCR diagnostiniam efektyvumui.

Vaizdas ir klinikinė COVID-19 diagnostika, nanomedžiagos tampa perspektyviais substratais dėl jų unikalių optinių, elektroninis, magnetinis, ir mechanines savybes. Nanomedžiagos, kurios buvo pasiūlytos virusams aptikti, yra metalas, silicio dioksidas, ir polimerinės nanodalelės, kvantiniai taškai, ir anglies nanovamzdelius.

Nanobiohibridinės platformos

Nanomedžiagos gali būti sujungtos su specifiniais viruso komponentais, pavyzdžiui, nukleorūgštis arba baltymas, sukurti nano-bio hibridines priemones virusinei infekcijai aptikti. Šiuo požiūriu, signalo perdavimui naudojami daugiavalenčiai nano pagrindu pagaminti zondai.

MERS-CoV nukleorūgštims aptikti buvo sukurti kolorimetriniai analizės prietaisai su sidabro nanodalelėmis kaip kolorimetriniais substratais. Panašiai, Paukščių koronaviruso infekcijai aptikti buvo sukurtos aukso nanodalelės ir kvantinių taškų imunosensoriai. Tokie imunosensoriais pagrįsti metodai pasižymi didesniu tikslumu ir jautrumu bei greitesniu perdavimo laiku nei ELISA.

Norėdami aptikti paukščių koronavirusus, Imunochromatografinės juostelės buvo sukurtos naudojant kaip žymeklius viruso smaigai būdingo monokloninio antikūno ir koloidinio aukso konjugatus. Panašiai, buvo sukurti šoninio srauto tyrimai, skirti tiksliai nustatyti SARS-CoV-2. Šiuose tyrimuose, popieriaus juostelė yra padengta aukso nanodalelių konjugatais ir virusui būdingais antikūnais pirmoje eilutėje. Antroje eilutėje, dengimui naudojami surinkimo antikūnai. Norėdami aptikti, biologiniai mėginiai dedami ant juostelės, o ant membranos dedami dominantys baltymai. Prijungus virusinius antigenus prie nanodalelių ir antikūnų konjugatų, visas kompleksas teka per juostelę ir yra imobilizuojamas antroje eilėje esančių surinkimo antikūnų. Dėl to atsiranda spalvota linija.

Norėdami stebėti smaigalį - ACE2 sąveiką, buvo sukurta energijos perdavimo sistema, naudojant rekombinantinį smaigalį RBD, sujungtą su fluorescenciniais kvantiniais taškais, aukso nanodalelės, ir ląstelės, ekspresuojančios GFP pažymėtą ACE2. Panašiai, buvo sukurtas pažangus lauko efekto tranzistorių biosensorius, naudojant grafeno lakštus, sujungtus su specifiniu anti-SARS-CoV-2 smaigaliniu antikūnu. Šis biosensorius naudojamas ypač jautriam SARS-CoV-2 antigenų jutimui ir aptikimui.

Mikrofluidiniai prietaisai

Mikrofluidiniuose prietaisuose polimeras, stiklas, arba popierinis lustas yra pritvirtintas reakcijos kameromis ir mikro kanalais. Naudojant kapiliarus, vakuuminis, arba elektrokinetinės jėgos, šis prietaisas maišo ir atskiria skysčių mėginius.

Neseniai, buvo sukurta išmaniųjų telefonų mikrofluidinė platforma, skirta kolorimetriniam antikūnų prieš ŽIV infekciją aptikimui. Šią platformą sudaro ZnO nanodalelės ir polidimetilsiloksanas.

Nanomedžiagos gydant virusines infekcijas

Nanomedžiagos, pavyzdžiui, sidabro koloidas, titano dioksidas, ir difilino nanodalelės, yra laikomi perspektyviais antivirusiniais vaistais ir vaistų pristatymo platformomis veiksmingam koronaviruso infekcijos valdymui.

Nano pagrindu sukurta genų terapija

Mažos trukdančios RNR (siRNR) labai efektyviai mažina RNR virusų replikaciją, tokių kaip koronavirusai. Gydymo siRNR pagrindu veiksmingumas griežtai priklauso nuo konkretaus dominančios virusinės sekos taikymo ir terapinio siRNR tikslingo ląstelių tiekimo. Šiame kontekste, ne toksiškas, biologiškai suderinami nanokandėjai, sudaryti iš polimerų, lipidai, polimerų/lipidų hibridinės nanodalelės, nanohidrogeliai, silicio dioksidas, dendrimers, geležies oksido nanodalelės, arba aukso nanodalelės yra laikomos perspektyviomis siRNR pristatymo platformomis. Šie nanokandėjai gali pagerinti siRNR stabilumą, užkertant kelią fermentiniam skaidymui.

Įkvepiamam antivirusiniam siRNR įkrovimui ir aerozoliui skirto siRNR tiekimui į plaučius, polimerų/lipidų nanokandėjai parodė daug žadančių rezultatų. Panašiai, Cholesterolio konjuguotos lipidų nanodalelės parodė didelį potencialą tiekiant mRNR pagrįstas COVID-19 vakcinas.

Nano pagrindu veikianti imunoterapija

Imunomoduliacinių agentų nanodalelių formos parodė daug žadančių rezultatų, susijusių su imuninių komponentų funkcijų moduliavimu ir su imunomoduliacija susijusio toksiškumo mažinimu. Papildomai, nanodalelės, pavyzdžiui, dendrimeriai, liposomos, anglies nanovamzdeliai, medžiagos polimerų pagrindu, ir neorganinės nanodalelės, gali būti sujungtas su keliais antigenais, kad imuninė sistema aktyviau veiktų.

Nano pagrindu pagamintos vakcinos

Antivirusinės nanodalelės buvo naudojamos kaip galimi imunostimuliuojantys agentai kuriant vakcinas. Pavyzdžiui, aukso nanodalelės, sujungtos su kiaulių užkrečiamuoju gastroenterito virusu, buvo panaudotos makrofagams suaktyvinti, skatina interferono gamybą, ir padidinti antikoronavirusą neutralizuojančių antikūnų kiekį vakcinuotuose gyvūnuose. Panašiai, ribonukleino rūgšties ir feritino pagrindu pagamintų nanodalelių konjugatai buvo naudojami kaip molekuliniai prižiūrėtojai kuriant vakciną nuo MERS-CoV. Įrodyta, kad vakcina sukelia stiprų T ląstelių atsaką ir skatina interferono gamybą.

Šiuo metu, nanotechnologijos vaidina vis svarbesnį vaidmenį antivirusinėje koronaviruso terapijoje. Nanomedžiagos buvo sukurtos specialiai siekiant pagerinti bioterapinių vaistų tiekimą per fiziologines kliūtis. Platus potencialių nanotechnologijų pasirinkimas, pvz., nanosensoriai, nano pagrindu pagamintos vakcinos, ir išmaniosios nanomedicinos, suteikia daug vilčių kovoti su dabartinėmis ir būsimomis mutavusiomis koronavirusų versijomis.

• Mokslininkai sieja žmogaus žarnyne esančių bakterijų „genetinius parašus“ su daugybe ligų
• Androgenai vaidina lemiamą vaidmenį reguliuojant pelių skrandžio uždegimą