包裹在人肺细胞膜和人体免疫细胞膜中的纳米颗粒可以吸引和中和细胞培养中的SARS-CoV-2病毒，导致病毒失去劫持宿主细胞和繁殖的能力。
6月17日发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上的第一批数据描述了抗击COVID-19的新方向。这种“纳米海绵”由加州大学圣地亚哥分校的工程师开发，并由波士顿大学的研究人员进行测试。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员称这种纳米级颗粒为“纳米海绵”，因为它们可以吸收有害的病原体和毒素。
在实验室实验中，肺细胞和免疫细胞类型的纳米海绵都导致SARS-CoV-2病毒以剂量依赖的方式失去了近90%的“病毒感染性”。病毒感染性是指病毒进入宿主细胞并利用其资源复制和产生额外的感染性病毒颗粒的能力。
这些纳米海绵不是针对病毒本身，而是用来保护被病毒入侵的健康细胞。
“传统上，治疗传染病的药物研发人员会深入病原体的细节，以便找到可用药的靶点。我们的方法不同。我们只需要知道目标细胞是什么。然后我们的目标是通过创造仿生诱饵来保护目标，”UC圣地亚哥雅各布斯工程学院的纳米工程学教授张良芳说。
十多年前，他的实验室首次创造了这种仿生纳米ponge平台，此后一直在开发它的广泛应用。当新型冠状病毒出现时，张“几乎是立刻”想到了利用纳米ponge平台对抗它的想法。
除了鼓励数据中和病毒在细胞培养中,研究人员指出,纳米海绵隐匿与巨噬细胞外膜的碎片可能会有一个额外的好处:吸收炎症细胞因子蛋白,参与COVID-19一些最危险的方面,受感染的免疫反应。
制作和测试COVID-19纳米海绵
每一个COVID-19纳米材料——比人类头发的宽度小1000倍——由包裹在从肺上皮II型细胞或巨噬细胞中提取的细胞膜上的聚合物核心组成。这些膜覆盖在海绵上，与它们扮演的细胞相同的蛋白受体——这固有地包括SARS-CoV-2用来进入体内细胞的任何受体。
研究人员在溶液中准备了几种不同浓度的纳米海绵来测试新型冠状病毒。为了测试纳米海绵阻断SARS-CoV-2传染性的能力，加州大学圣地亚哥分校的研究人员让波士顿大学国家新兴传染病实验室(NEIDL)的一个团队进行独立测试。在这个BSL-4实验室生物安全级别最高的一个研究机构——研究人员由安东尼•格里菲思波士顿大学医学院微生物学副教授,测试不同浓度的每个nanosponge类型的能力减少SARS-CoV-2活病毒的传染性——同样的菌株中正在测试其他COVID-19治疗和疫苗的研究。
当浓度为每毫升5毫克时，包裹在肺细胞膜上的海绵抑制了93%的SARS-CoV-2病毒的传染性。巨噬细胞覆盖的海绵抑制了88%的SARS-CoV-2病毒感染性。病毒感染性是指病毒进入宿主细胞并利用其资源复制和产生额外的感染性病毒颗粒的能力。
“从免疫学家和病毒学家的角度来看，纳米ponge平台作为一种潜在的抗病毒药物立即引起了人们的兴趣，因为它能够对抗任何类型的病毒。这意味着，相对于可能非常特别地阻断SARS-CoV-2感染或复制的药物或抗体，这些细胞膜纳米海绵可能在治疗广谱病毒感染性疾病方面以更全面的方式发挥作用。最初,我乐观地怀疑,它将工作,然后激动当我看到结果和它沉没在这可能意味着什么治疗发展作为一个整体,”安娜Honko说,co-first作者和研究助理教授,波士顿大学微生物学国家新兴传染病实验室(NEIDL)。
在接下来的几个月里，加州大学圣地亚哥分校的研究人员和合作者将评估纳米海绵在动物模型上的功效。加州大学圣地亚哥分校的研究小组已经证明了对小鼠呼吸道和肺部的短期安全性。这些COVID-19纳米海绵是否能够在人体中进行测试取决于多种因素，但研究人员正在尽快采取行动。
“我们的方法的另一个有趣的方面是，即使SARS-CoV-2变异，只要病毒仍然可以侵入我们正在模仿的细胞，我们的纳米ponge方法应该仍然有效。我不确定目前正在开发的一些疫苗和治疗方法是否可以这样说。”
研究人员还希望这些纳米海绵能够对抗任何新型冠状病毒甚至其他呼吸道病毒，包括任何可能引发下一次呼吸道大流行的病毒。
模仿肺上皮细胞和免疫细胞
自小说通常冠状病毒感染肺上皮细胞为COVID-19感染的第一步,张先生和他的同事们推断,将意义斗篷碎片的纳米颗粒外膜肺上皮细胞的病毒是否可以骗自锁而不是肺细胞。
巨噬细胞是一种白细胞，在炎症中起重要作用，在COVID-19疾病期间，它在肺中也非常活跃，所以Zhang和同事创造了另一种覆盖在巨噬细胞膜中的海绵。
研究小组计划研究巨噬细胞海绵是否也有能力平息COVID-19患者的细胞因子风暴。
“我们将观察巨噬细胞纳米海绵是否能够中和这些过量的细胞因子以及中和病毒，”张说。
利用巨噬细胞碎片作为斗篷是多年来研究巨噬纳米海绵治疗败血症的基础。
在2017年发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，张和加州大学圣地亚哥分校的一组研究人员表明巨噬细胞纳米海绵可以安全地中和小鼠血液中的内毒素和促炎细胞因子。由张创办的圣地亚哥生物技术公司Cellics Therapeutics正致力于将巨噬细胞纳米ponge的研究成果应用于临床。
Zhang警告说，COVID-19纳米ponge平台在科学家知道它是否是一种安全有效的治疗人类病毒的方法之前，还需要进行大量的测试。但如果海绵达到临床试验阶段，有多种可能的方式来提供治疗，包括插管患者直接进入肺部，通过吸入器如哮喘患者，或静脉注射，特别是治疗细胞因子风暴并发症。
治疗剂量的纳米海绵可能会让一万亿或更多的纳米海绵充斥肺部，从而将病毒从健康细胞中吸走。一旦病毒与海绵结合，“它就失去了生存能力，不再具有传染性，会被我们自身的免疫细胞吸收消化，”张说。
“我看到了一种预防治疗的潜力，一种可以尽早给予的治疗，因为纳米海绵一旦进入肺部，它们可以在肺部停留一段时间，”张说。“如果病毒来了，如果有纳米海绵等着它，它就可能被阻止。”
纳米海绵的增长势头
十多年前，张在加州大学圣地亚哥分校的实验室创造了第一个膜外纳米颗粒。第一个纳米海绵被红色细胞膜的碎片包裹着。这些纳米海绵正在被开发用于治疗细菌性肺炎，并且已经由圣地亚哥的Cellics Therapeutics公司进行了所有阶段的临床前测试。该公司目前正在向FDA提交其主要候选药物的试验性新药(IND)申请:用于治疗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)肺炎的红细胞纳米松。该公司估计，临床试验的首批患者将于明年服用药物。
加州大学圣地亚哥分校的研究人员还发现纳米海绵可以将药物送到伤口部位;吸收引起脓毒症的细菌毒素;并在艾滋病毒感染人类T细胞之前拦截它。
每一种纳米海绵的基本结构都是一样的:一种生物可降解的、经fda批准的聚合物核心包裹在一种特定类型的细胞膜上，这样它就可能伪装成红细胞、免疫T细胞或血小板细胞。这种伪装使免疫系统无法发现并攻击这些危险的入侵者。
“我认为细胞膜碎片是活性成分。这是看待药物开发的另一种方式。”“对于新冠肺炎，我希望其他团队尽快拿出安全有效的疗法和疫苗。与此同时，我们在工作和计划，就像全世界都指望着我们一样。”
