Резюме

Вирусите са високо подредени супермолекулни комплекси, които се възпроизвеждат чрез използване на механизмите на клетката – гостоприемник. Вирусите са изключително разнообразни и се разпространяват в клетките на организми от всички царства на живота. Въпреки това, те споделят много общи функции и свойства. За да могат да се използват вирусите и вирусоподобните частици като вектори за доставка на лекарства или като градивни елементи в електрониката е изключително важно първо да се разберат техните основни свойства и характеристики. В този учебен модул са представени свойствата на вируса и подходите, насочени за използване на вирусните частици.

Ключови думи/фрази : Corona вируси, функционални частици, наночастици на основата на вируси (VNPs)

1. Вируси и тяхното значение

1.1. Повсеместно разпространение на вирусите

Вирусите или молекулярните наномашини заразяват всички клетъчни форми на живот, включително еукариоти (гръбначни, безгръбначни, растения и гъби) и прокариоти (бактерии и Achaea). Наличието на вируси е видимо в гостоприемници, които проявяват симптоми на заболяване. От друга страна, много здрави организми са гостоприемници на непатогенни вирусни инфекции, някои от които са активни, докато други са латентни. Съща така е установено, че фрагменти от древни вирусни геноми отдавна са се интегрирали в геномите на гостоприемника. Вирусите могат да бъдат намерени в почвата, въздуха и водата и могат да заразят видове, които живеят в тези местообитания, в допълнение към техните естествени гостоприемници [10].

В литературата все още има спор за това дали вирусите са живи или неживи. Отговорът се определя от начина на дефиниране на живота. Вирусите имат гени, които се реплицират, когато заразяват клетките, което в този смисъл прави вирусите живи. Въпреки това, те не са същите като клетъчните форми на живот. Когато вирусите са извън своите гостоприемни клетки, те съществуват като вирусни частици (вириони), които са неживи и не се размножават. [10].

Вирусите се различават от живите клетките по това, че се размножават по различен начин. Новата клетка (прокариотна или еукариотна) винаги се генерира от по-рано образувана клетка, но нов вирион никога не се образува от по-рано образуван вирус. Процесът на репликация, който протича вътре в клетката гостоприемник, включва синтеза на градивни компоненти и тяхното сглобяване във вириони, което води до произвеждане на нови вируси. В резултат на това вирусите са по-скоро паразити, които разчитат на своите гостоприемници за по-голямата част от своите нужди, като например аминокиселини, нуклеозиди, клетъчни структури за биосинтеза на протеини (рибозоми) и енергия като аденозин трифосфат.

За да подобри ефективността на процеса на възпроизвеждане, вирусът променя вътреклетъчната среда на гостоприемника. Производството на нови мембранни структури, намалената експресия на клетъчни гени или усилването на клетъчен процес са примери за такива модификации. Някои огромни фаги кодират протеини, които увеличават фотосинтезата в клетките на техните фотосинтезиращи бактериални гостоприемници, като по този начин увеличават производството на вируси.

1.2 Причини за изследване на вирусите

1.2.1. Вирусите могат да причинят заболяване

Вирусите играят съществена роля в широк спектър от човешките заболявания, от леки (напр. обикновени настинки) до смъртоносни (напр. бяс). Пет пандемични респираторни инфекции, причинени от различни подтипове на грипния вирус, са атакували света през миналия век, като свинете са били значителни резервоари за тези грипни вируси. H1N1 (испански грип) от 1918 г. убива около 50 милиона души по света, H2N2 (азиатски грип) от 1957 г. поразява около 4 милиона души по света, H3N2 (хонконгски грип) от 1968 г. отнема живота на 1 милион души по света, H5N1 (птичи грип) от 2005 г. убива повече птици и хора, а H1N1 (свински грип) от 2009 г. погуби 18 000 души по света и обхваща над 100 страни, заразявайки хора, свине и птици [40].

В последните десетилетия се появи още една пандемия, предизвикана от семейството на коронавирусите. Тежкият остър респираторен синдром (SARS) и Близкоизточният респираторен синдром (MERS) са две регионални епидемии. SARS отне живота на 774 души през 2003 г., докато MERS погуби 858 души между 2012 и 2019 г. (Центрове за контрол и превенция на заболяванията, 2005 г.; Световна здравна организация, 2019 г.). През 2019 г. в Китай беше открит нов вирус, причиняващ новата коронавирусна болест 2019 (SARS-CoV-2 или COVID-19), която бързо се разпространи в 216 нации в Европа, Северна Америка, Азия, Близкия изток, Африка, и Латинска Америка. Световната здравна организация обяви COVID-19 за пандемична болест на 11 март 2020 г. [27].

1.2.2. Някои вируси могат да бъдат полезни

Редица вируси се изследват, защото имат настоящи или бъдещи приложения, които могат да бъдат от полза [10].

• Фагово типизиране на бактерии При възникване на огнища на болести, причинени от бактерии, идентифицирането на фаговите типове бактериални изолати може да предостави значителна епидемиологична информация.
• Източници на ензими Вирусните ензими намират различни приложения в молекулярната биология (например обратна транскриптаза от ретровируси и РНК полимерази от фаги).
• Пестициди Бакуловирусите се използват за контрол на някои насекоми вредители, а миксома вирусът вече е използван за контрол на зайци.
• Антибактериални средства Човешките фаги са били използвани за лечение на различни бактериални инфекции в средата на двадесети век.
• Противоракови агенти Проучва се използването на генетично модифицирани вирусни щамове за лечение на рак. Тези щамове са били манипулирани, за да им позволят да заразят и унищожат специфични туморни клетки, като същевременно изключват нормалните клетки.
• Генни вектори за производство на протеини Вирусите се използват като вектори за въвеждане на гени в култивирани животински клетки.
• Генни вектори за лечение на генетични заболявания Ретровирусите са използвани като вектори за прехвърляне на немутантно копие на мутиралия ген, отговорен за болестта, в стволовите клетки на деца с тежка комбинирана имунна недостатъчност.
• Базирани на вируси наноматериали и наноструктури в енергийните и биомедицински приложения Разработените биомиметични материали на базата на вируси се използват за създаване на биосензори и наноносители [40]

1.3. Класификация на вирусите

Понастоящем вирусите са класифицирани в осем групи от Международния комитет по таксономия на вируси (ICTV) [61]. Първата категория включва химерни вируси с двойноверижна ДНК и едноверижна ДНК, като плеоморфен вирус 1 на Нaloarcula hispanica. Двойноверижните ДНК вируси, като поксвируси, херпесвируси и аденовируси, се намират във втората категория. Едноверижният ДНК вирус, като парвовирусите, е включен в третата, а двойноверижният РНК вирус, като реовирусите, е в четвъртата група. Вирусите с положителни едноверижни РНК геноми, като текущата епидемия от SARS-CoV-2, ентеровируси, вирус на хепатит А, полиовирус, риновируси, вирус на шапа (HFM), вирус на SARS, вирус на жълта треска , вирус на хепатит С (HCV) и вирус на рубеола се обединяват в петата група. Шестата група включва вируси с отрицателни едноверижни РНК геноми, като смъртоносните вируси Марбург и Ебола, както и морбили, грипен вирус и паротит; седмата група включва вируси с едноверижни РНК геноми, които се репликират чрез ДНК междинен продукт, като HIV; и осмата група включва вируси с двойноверижни ДНК геноми и репликация на обратна транскриптаза, като вируса на хепатит B (HBV).

1.3.1. Таксономия на Coronaviruses

Коронавирусите (CoV) са значителна група вируси, принадлежащи към разред Nidovirales, подразред Cornidovirineae и семейство Coronaviridae. Letovirinae и Orthocoronavirinae са две подсемейства от семейство Coronaviridae. Родът Alphaletovirus принадлежи към семейство Letovirinae, докато семейството Orthocoronaviridae е разделено на четири рода въз основа на филогенетичен анализ и структура на генома: Alphacoronavirus (CoV), Betacoronavirus (CoV), Gammacoronavirus (CoV) и Deltacoronavirus (CoV), които съдържат 17 , съответно 12, 2 и 7 различни вида. „Corona“ е латинска дума, която означава „корона“ и вирусът получи името си от наличието на шипове в своята обвивка, които му придават подобна на корона форма под електронен микроскоп. Способността на вирусите в този ред е да създават набор от субгеномна иРНК, който се нарича нидо [3].

В резултат на това коронавирусите (CoV) са категоризирани в четири поколения: α-, β-, γ-, и δ-CoV [15]. α- и β-CoVs заразяват само бозайници, докато γ- и δ-CoVs може да заразят птици и някои бозайници. Най-новата класификация на Coronaviridae е показана на Фиг. 1.

Фигура 1. Таксономия на SARS-CoV-2 и неговите близкородствени таксони [3].

Към днешна дата е известно, че седем CoV причиняват инфекции при хора, включително CoV-OC43, CoV-229E, HCoV-OC43, CoV-HKU1, CoVNL63, близкоизточно респираторно заболяване (MERS)-CoV и тежък остър респираторен синдром (SARS)-CoV and SARS-CoV-2 or COVID-19 [51, 63].

SARS-CoV-2, член на семейство Coronaviridae, принадлежи към рода -CoV и се смята, че е таксономично и генетично идентичен на SARS-CoV, MERS-CoV и други човешки коронавируси [3].

SARS-CoV-2 показва отделна линия в подрода Sarbecovirus (преди това линия 2b на CoV), според Chan et al. [14]. Тъй като има много ограничени данни за тази нововъзникнала заплаха и стратегиите за превенция, приети по време на предишни изследвания и вирусни епидемии, играят важна роля в разработването на нови подходи срещу SARS-CoV-2, трябва да е полезно за учените да вземат тези „роднини ‘ на SARS-CoV-2 под внимание.

Други коронавируси обаче са довели до пандемични инфекции при домашни и диви бозайници и птици, което води до високи нива на смъртност и значителни икономически загуби. Кокоши IBV, коронавирус SW1 на белуга кит (BWCoV-SW1), коронавируси на прилепи CDPHE15 и HKU10 (ICTV 2018), вирус на епидемична диария по свинете (PEDV), TGEV и синдром на внезапна остра диария са сред идентифицираните вируси (SADS-CoV ) [3].

1.4. Природа на вирусите

1.4.1. Вирусите са малки частици

Повечето вирусни вириони са твърде малки, за да се видят със светлинен микроскоп и могат да се наблюдават само с електронен микроскоп. Те се срещат в широка гама от размери, форми и форми. Някои са огромни, докато други са малки; някои са сферични, а други приличат на пръчици. Много от тези вируси имат силно симетрична структура. Стандартната мерна единица за вириони е нанометър (1 nm = 10−9 m). Парвовирусите с размери от приблизително 20 nm са сред най-малките, докато вирусът, имитиращ микроби (мимивирус), изолиран от амеба, е сред най-големите. Коронавирусните вириони (CoV) имат диаметър от 60-140 nm и обикновено са сферични до плеоморфни затворени частици [1].
Вирусите са макромолекулни съвкупности, които са метастабилни. С изключение на аренавирусните вириони, които имат клетъчни рибозоми, опаковани при производството на вирионите, те не са клетки и не съдържат органели [10].

1.4.2. Вирусите имат генетичен материал

Геномът на вируса се съдържа във вириона. Вирусните геноми могат да бъдат съставено от двойноверижна ДНК, едноверижна ДНК, двойноверижна РНК или едноверижна РНК, докато клетъчните геноми могат да бъдат изградени само от двойноверижна ДНК.
Коронавирусите (SARS-CoV-2) имат един от най-големите монокомпонентни геноми сред РНК вирусите, представен от едноверижна положителна РНК [(+) ssRNA] [11]. Геномът на коронавируса е дълъг 29903 нуклеотида и включва две нетранслирани области (UTR) в 5′ и 3′ краищата, както и 11 отворени рамки за четене (ORFs) [14].
Капсидът е протеиновата обвивка, която обгражда генома. Вирионът се състои от геном, капсид и допълнителни компоненти. Основните функции на вириона са да защитава генома и да го транспортира до клетка, където може да се размножава. Други протеини, известни като неструктурни протеини, са кодирани от вирусния геном в допълнение към протеините, които изграждат капсида. Те не са част от организацията на крайния капсид. Тези неструктурни протеини са необходими, за да се осъществи вирусната репликация в клетката гостоприемник [60].
Размерът на вируса често е пропорционален на размера на генома. Вирусният геном, от друга страна, допринася значително по-малко за общата маса на вириона, отколкото капсидните протеини. В резултат на това многобройни копия на капсидния протеин трябва да бъдат свързани заедно, за да направят капсида(ите). Количеството генетична информация, необходимо в такова сглобяване с повтарящи се субединици, е значително намалено. При някои вируси единичен генен продукт участва в развитието на капсида, но при по-сложните вируси участват множество генни продукти [60].
Четири структурни протеина, нуклеокапсиден (N) протеин, мембранен (M) протеин, шипчест (S) протеин и обвиващ (E) протеин, са кодирани от генома на коронавируса, както и няколко неструктурни протеина (25 nsp) (Фиг. 2). Капсидът съдържа N-протеин, който е прикрепен към единичната положителна верига на РНК на вируса и му позволява да заразява човешки клетки и да ги превръща във вирусни фабрики. N протеинът покрива генома на вирусната РНК и е необходим за репликация и транскрипция. Вирусната репликация и транскрипция се обработват от N-края на N протеина, който се свързва с геномни и субгеномни РНК [5].

Фигура 2. Вирусни повърхностни протеини (шип, обвивка и мембрана), вградени в липиден двоен слой [3].

М-протеинът е най-разпространен на вирусната повърхност и се смята, че е основният организатор на коронавируса. S-протеинът е включен в повърхността на вируса и улеснява навлизането на вируса в клетката – гостоприемник. Този белтък медиира както прикрепването на вируса към повърхностните рецептори на клетката гостоприемник, така и мембранното сливане между мембраните на вируса и клетката гостоприемник [29]. Е-протеинът е малък мембранен протеин с 76-109 аминокиселини, който е второстепенен компонент на вирусната частица. Той участва в сглобяването на вируса, контролира пропускливостта на мембраната на клетката гостоприемник при контакта вирус-клетка гостоприемник. [25]. При някои вируси външно е разположена липидна обвивка. Такъв двоен липиден слой заобикаля шипа, обвивката и мембраната на коронавирусните вирусни повърхностни протеини. Също така, на повърхността на вируса е открит димерен белтък – хемаглутинин-естераза (HE). Този протеин може да има роля при навлизането на вируса; не е от съществено значение за репликацията на вируса, но изглежда, че е важен за естествената инфекция на клетката гостоприемник [35]. Първичните антигенни епитопи, по-специално тези, идентифицирани от неутрализиращи антитела, се носят от гликопротеините на обвивката, които са отговорни за прикрепването към клетката гостоприемник. Пълната структура на шиповия (S) протеин в затворено и отворено (префузионно) състояние е определена чрез крио-ЕМ изследвания. [62] [68]. Този гликопротеин се състои от три идентични вериги, всяка с 1273 аминокиселини. Също така са установени две добре дефинирани области: S1 и S2 субединици, които участват съответно в клетъчното разпознаване и сливането на мембраната. Последният процес възниква в резултат на няколко протеинови структурни промени, които понастоящем са неизвестни.

1.4.3. Механизъм на действие на вирусите

Вирусите се възпроизвеждат в клетките гостоприемници и процесът се състои от шест стъпки: прикрепване, проникване, премахване на обвивката, репликация, сглобяване и освобождаване [41]. Вирусите се прикрепят към специфично рецепторно място от мембраната на клетката гостоприемник, използвайки протеините на прикрепване в капсида или гликопротеини, вградени във вирусната обвивка. Клетките гостоприемници, които могат да бъдат заразени от определен вирус, се определят от тази специфичност на взаимодействието. По принцип само нуклеиновата киселина на бактериофагите прониква в клетката гостоприемник, оставяйки капсида отвън. Животинските и растителните вируси могат да проникнат в клетките чрез ендоцитоза, при която вирусът е напълно обвит и абсорбиран от клетъчните мембрани. Вирусите с обвивка ще навлязат в клетките-гостоприемници, когато вирусната обвивка се слее директно с клетъчните мембрани. Вирусният капсид се разрушава в клетките на гостоприемника, освобождавайки вирусната нуклеинова киселина, която след това е достъпна за възпроизвеждане и транскрипция. Вирусният геном определя механизма на репликация. ДНК вирусите обикновено използват ензимите и белтъците на клетката гостоприемник, за да произведат повече ДНК, която след това се транскрибира в информационна РНК (mRNA) и се използва за директен протеинов синтез. Ядрената РНК обикновено се използва от РНК-овите вируси като матрица за синтеза на вирусна геномна РНК и иРНК. Освобождаването на нови вириони, създадени в клетките- гостоприемници, е последният етап от вирусната репликация, което позволява инфекцията на съседни клетки и продължаване на циклите на самовъзпроизвеждане. Цикълът на вирусна репликация може да накара клетките гостоприемници да претърпят значителни структурни и метаболитни промени, както и да им навредят [70].

Фигура 3 изобразява механизма на навлизане на SARS-CoV-2, репликация и опаковане на РНК в човешката клетка. Шиповият (S) протеин на коронавируса се свързва с рецепторите на ангиотензин конвертиращия ензим 2 (ACE2) на повърхността на множество човешки клетки, включително и тези в белите дробове, улеснявайки навлизането на вируса. Протеазите на гостоприемника (трипсин и фурин) разцепват коронавирусния S протеин на две места на границата между двете субединицата S1/S2 (сайт S1/S2). Активният пептид, участващ в мембранното сливане, се освобождава, след като S2 домейнът (S2′ място) се разцепи. В резултат на това събитие се активира механизма за сливане с мембраната. Ендоцитозата е процесът, чрез който човешката клетка поглъща вируса. Предполага се, че SARS-CoV-2 използва уникален тристепенен метод за мембранно сливане, след като навлезе в цитоплазмата, включващ рецепторно свързване и индуцирани конформационни промени в Spike (S) гликопротеина, последван от протеолиза на катепсин L от вътреклетъчни протеази и по-нататъшно активиране на механизма на мембранно сливане в ендозоми [53]. След това ендозомата се отваря, освобождавайки вируса в цитоплазмата. Вирусният нуклеокапсид (N) е съблича от протеазоми, които могат да хидролизират ендогенни протеини, но могат също така да разграждат външни протеини като нуклеокапсидния протеин на SARS [64]. Предложен е нов двуетапен механизъм, при който вирионът се прикрепя към рецептор на повърхността на целевата клетка-гостоприемник чрез своята S1 субединица, шипът се разцепва от протеази на гостоприемника и след това се очаква вирусната и целевата мембрана на гостоприемника да се слеят при ниско pH чрез субединицата S2 [26, 34]. Накрая, вирусният генетичен материал, който е едноверижна РНК, се освобождава в цитоплазмата в своята цялост. Протичат процесите на репликация и транскрипция, които се медиират от комплекса за репликация/транскрипция (RTC). Този комплекс е изграден от неструктурни протеини и е кодиран във вирусния геном (nsp). Предполага се, че RTC е произвел двойномембранни структури в цитоплазмата на заразената клетка [59]. След това отворената рамка на четене 1a/b (ORF 1a/b) от положителния РНК геном, се транслира, за да генерира репликазни протеини. Тези протеини използват генома като шаблон за генериране на отрицателни РНК-и в пълна дължина, които след това се използват за генериране на допълнителни геноми. M, S и E структурните вирусни протеини се синтезират в цитоплазмата, вмъкват се в ендоплазмения ретикулум (ER) и се прехвърлят в междинното отделение на ендоплазмен ретикулум – апарат на Голджи (Фигура 3). (ERGIC) [38]. В допълнение, нуклеокапсидите се образуват в цитоплазмата чрез капсулиране на репликираните геноми от N протеин и в резултат на това те се сливат в ERGIC мембраната, за да се сглобят в нови вириони. Най-накрая новите вириони се изнасят от заразените клетки чрез транспортирането им до клетъчната мембрана във везикули с гладки стени и след това ги секретират чрез процес, известен като екзоцитоза, за да заразят други клетки. Междувременно стресът от вирусното производство върху ендоплазмения ретикулум води до клетъчна смърт.

Фигура 3. Схематична диаграма на механизма на навлизане на SARS-CoV-2, репликация и опаковане на вирусна РНК в човешката клетка[5].

2. Функционални наночастици

2.1. Какво представляват наночастиците?

Наночастицата, според Международната организация по стандартизация (ISO), е частица с размер между 1 и 100 нанометра [6]. Наночастиците, които са невидими за човешкото око, могат да имат коренно различни физични и химични свойства от техните по-големи материални двойници. Когато размерът на веществото се доближи до атомния мащаб, неговите свойства се променят. Това се дължи на увеличаване на съотношението повърхностност/обем, което кара повърхностните атоми да доминират в работата на материала. В сравнение с насипни материали като прахове, плочи и листове, наночастиците имат относително голямо съотношение повърхност/обем поради изключително малкия си размер. Когато наночастиците са достатъчно малки, за да ограничат своите електрони и да предизвикат квантови ефекти, те могат да имат неочаквани оптични, физически и химични способности. Металните наночастици се различават от насипните метали по отношение на своите физични и химични свойства (напр. по-ниски температури на топене, големи специфични повърхностни площи, специфични оптични свойства, механични якости и намагнитвания), които могат да бъдат полезни в различни промишлени приложения. Медта, например, се счита за мек материал, тъй като нейните атоми се групират в скала от 50 nm, което води до огъване на насипната мед. В резултат на това медните наночастици, по-малки от 50 nm, се класифицират като много твърд материал, със значително различна ковкост и пластичност от насипната мед. Златните наночастици се топят при значително по-ниски температури (300 °C за размер от 2,5 nm) от насипното злато (1064 °C).

През последните три десетилетия дейността по темата за нанотехнологиите се е увеличила с експоненциална скорост, превръщайки я в основна интердисциплинарна изследователска тема. Интегрирането на нанотехнологиите в областта на медицинската наука доведе до този възход до голяма степен, тъй като наноструктурираните материали имат различни биологични ефекти.

Наноматериалите се използват по различни начини в здравната индустрия, един от които е доставянето на лекарства.

Фигура 4. Биомедицински приложения на наночастиците [21].

Един пример за тази техника е разработването на наночастици за подпомагане доставянето на химиотерапевтични лечения директно към ракови образувания, както и за доставяне на лекарства до увредени области на артериите за борба със сърдечно-съдовите заболявания. Въглеродните нанотръби също се разработват за приложение в процеси за създаване на бактериални сензори чрез добавяне на антитела към нанотръбите.

Наночастиците се очертаха като интересни кандидати за оптимизирана терапия при персонализираната медицина поради техните уникални качества, като огромна повърхност, структурни свойства и удължена продължителност на циркулацията в кръвта в сравнение с малките молекули. Способността да се преобразуват неблагоприятните физикохимични свойства на биоактивни молекули в желани биофармакологични профили, да се подобри доставката на терапевтични агенти през биологични бариери и отделения, да се контролира освобождаването на биоактивни агенти, да се подобри терапевтичната ефикасност чрез селективно доставяне на лекарства към биологични мишени и да се изпълняват целеви терапевтични функции чрез комбиниране на мултимодални йонни канали са потенциални предимства на конструираните терапевтични наночастици [57].

Редица наноматериали и наночастици в момента се проучват в клинични изпитвания или вече са одобрени за употреба при хора от Американската администрация по храните и лекарствата (FDA). Много проучвания за доказване на концепцията на наночастиците в клетъчни култури и модели на малки животни за медицински приложения, също са в ход.

Разработването на антивирусни лекарства е от решаващо значение за ограничаване на разпространението на болести и минимизиране на загубите. Наскоро беше установено, че много функционални наночастици, като квантови точки, златни и сребърни наночастици, графенов оксид, нанокластери, силициеви материали, въглеродни точки, полимери и дендримери, имат впечатляващи антивирусни свойства. Тези функционални материали, базирани на наночастици, предлагат уникални качества като възможни антивирусни кандидати, като се имат предвид техните различия в антивирусния механизъм и инхибиторната ефикасност. SARS-CoV-2 е вирус, обвит в шипов протеин с диаметър 60–140 nm, който е със свойства подобни на частици. Поради структурните си прилики, синтетичните наночастици могат много да наподобяват вируса и да взаимодействат агресивно с неговите патогенни протеини. Антивирусните наноматериали, като наночастиците от цинков оксид, имат форма на тетрапод, която имитира клетъчната повърхност, когато се захващат с вирусния капсид. Благодарение на фотокаталитична реакция, той инхибира вирусните протеини, когато е изложен на UV радиация [57].

2.2. Функционални наночастици като антивирусни средства

Всички направления на вирусните изследвания са повлияни от нанотехнологиите. Нанотехнологията демонстрира мощен потенциал за решаване на този проблем наред с други антивирусни техники и се съобщава, че разработването на наночастици има изключителна ефективност срещу вирусната инфекция и възпроизвеждането на вируси. Първо, сонди, базирани на нанотехнологии, са широко използвани при откриването на вируси, което води до разработването на различни биосензори и биоелектроника, базирани на уникални функционални наночастици [12, 16]. Второ, създадени са няколко наноматериали, използващи вириони и вирусоподобни частици като шаблони, подчертавайки значението на биосъвместимостта и биосинтетичните методи в съвременните биохимични изследвания [31, 35]. Трето, значителни усилия са положени в производството на флуоресцентни нанопроби и тяхното използване при изучаване на молекулярните механизми на клетки, заразени с вирус [42, 74]. И накрая, нарастващ брой функционализирани наночастици са идентифицирани като високоефективни инхибитори на вирусния растеж [67].

2.3. Антивирусната активност на функционалните наночастици

Прикрепването, проникването, репликацията и размножаването са основните стъпки в инфекциозния процес на вируса и антивирусните функционални наночастици са предназначени да инхибират вирусите чрез инхибиране или намаляване на някои от тези стъпки. В този раздел ще класифицираме различните механизми на наночастиците въз основа на тяхната антивирусна ефикасност. Инактивирането на вирусите е най-прекият начин за тяхното инхибиране и някои наноструктури могат да взаимодействат с вирусите, да променят структурата на капсидния им протеин и впоследствие драстично да намалят вирулентността, което може да бъде свързано както с физически, така и с химични механизми за намаляване на активната вирусна популация. Повечето вирусни инфекции започват с прикрепването на клетките гостоприемници, което обикновено се постига чрез свързване към целевия акцепторен протеин. Клетките гостоприемници ще бъдат свободни от инфекция, ако наночастиците могат ефективно да предотвратят адхезията. Екипът на Stellacci е разработил серия от антивирусни наночастици с дълги и гъвкави линкери, които имитират хепаран сулфат протеогликани, които са консервативна таргетна цел за вирусните прикрепващи лиганди (VAL). Тези лиганди могат да постигнат ефективна вирусна превенция посредством свързване с вирусите [8]. Тези частици не са цитотоксични и имат наномоларна необратима активност срещу вируса на херпес симплекс, човешкия папиломен вирус, респираторния синцитиален вирус и денга вируса in vitro. В резултат на това функционалните наночастици могат да се използват като широкоспектърно антивирусно лекарство за предотвратяване на прикрепването на вируса, първата стъпка в процеса на инфекция. Вторият метод за потискане на вируса е да се предотврати проникването и навлизането на вирусите в клетките на гостоприемника чрез промяна на клетъчната мембрана и белтъчната архитектура. Haag и неговите колеги създават редица водоразтворими фулерен-полиглицерол сулфати (FPS) с различни тегловни съотношения на фулерен и полимери, които представляват различно разклонен полиглицерол сулфат [19].

Таблица 1. Характерни антивирусни механизми на действие на наноматериалите [16].

Наноматериал	Вирус	Механизъм
Графенов оксид	Респираторен синцитиален вирус	Директно инактивира вируса и инхибира прикрепването
Наногел	PRRSV	Закрепва щита и контролира проникването
Сребърна наночастица	Херпес вирус	Повлияват прикрепването на вируса
Графенов оксид	Херпес вирус	Инхибира прикрепването
Златни наночастици	Херпес вирус	Предотвратява прикрепването и проникването на вируси
Нано-въглерод	Херпес вирус	Възпрепятства навлизането на вируса на ранен етап
Силиконови наночастици	Инфлуенца A	Намалява количеството на потомството на вируса
Ag2S наноклъстери	Корона вирус	Блокира синтезата и размножаването на вирусна РНК
Gd2O3:Tb3+/Er3+ наночастициs	Зика вирус	Като антигенни микроносители за Zk2 пептид на зика вируса
Наночастици от меден оксид	Herpes simplex вирус тип 1	Окислява вирусни протеини и разгражда вирусен геном
NiO наноструктури	Вирус на краставичната мозайка	Увеличава експресията на гените pod, pr1 и pal1
Циркониеви наночастици	H5N1 инфлуенца вирус	Насърчава експресията на цитокини
Наночастици от цинков оксид	H1N1 инфлуенца вирус	Инхибира вируса само след навлизане на вируса в клетките гостоприемници

Фулерен-полиглицерол сулфатите (FPS), които съчетават полианионни разклонения с променливо разтворимо хидрофобно ядро, превъзхождат аналозите, които имат само едно от тези свойства при блокиране на гликопротеиновия контакт с обвивката на вируса на везикулозен стоматит в бъбречни клетки на хамстер. В резултат на това се настъпва блокиране на контакта между вирусите и клетките – гостоприемници, което е добър подход за предпазване от вирусни инфекции. В случай на навлизане на вирус в клетката, третата успешна техника за блокиране на вируса е да се унищожи неговата репликация, което обикновено се постига чрез намаляване на експресията на определени ензими, които преди това са подпомагали завършването на вирусната ДНК или РНК репликация. Крайната стратегия е да се инхибира размножаването на вируса и да се отдели от клетките гостоприемници. Потомството на вируса може да бъде по-вирулентно от неговата майка и ако функционални наночастици възпрепятстват размножаването на вируса и драстично ограничат броя на вирусите-потомци, вирулентността ще бъде значително намалена. Таблица 1 показва някои от най-често срещаните антивирусни механизми за функционални наночастици.

3. Наночастици на основата на вируси (VNPs)

Пресечната точка между вирусните частици и функционалните наноматериали е създаването нананочастици базираните на вируси (VNP). Сглобяването по шаблон на милиони идентични наночастици и създаването им в живите клетки е възможно с бионаноматериали, базирани на вируси. Вирусите, които заразяват бактерии, хора и растения са използвани за създаване на наночастици базирани на вируси (VNP). Вирусите са отлична матрица, тъй като те са еволюирали така че да разпределят нуклеиновите киселини по естествен път и по този начин могат да бъдат манипулирани, за да доставят други съединения като терапевтични средства и реагенти за образна диагностика. И накрая, вирусите имат висока скорост на репликация, което позволява масовото производство на VNPs на ниска цена.

VNPs са изградени от правилни масиви от белтъци на вирусната обвивка с добре дефинирана триизмерна структура, което ги прави по-добро инженерно скеле от произведените частици. Структурата на VNPs също може да бъде променена чрез модифициране на матрицата на нуклеинова киселина, която кодира вирусните протеини, преди да се синтезира, както и чрез химическо декориране чрез добавяне на конюгати към определени странични вериги на аминокиселините. VNPs са известни със своята биосъвместимост, биоразградимост, способност за преодоляване на биологичните бариери и ефективно разпределение на товара към целевите клетки, тъй като те са съставени предимно от белтъци. Вирусите са еволюирали в посока да се свързват със специфични клетъчни белтъци, да транспортират товара от нуклеинови киселини и да „отвличат“ вътреклетъчни машини, за да произвеждат потомствени вирусни компоненти. Тези характеристики са довели до разработването на VNPs на базата на вируси на бозайници за използване в генната терапия, но е трудно да се изключат вредни ефекти, произтичащи от нормалните взаимодействия между вирус и гостоприемник [24]. VNPs, базирани на бактериофаги и растителни вируси, от друга страна, се считат за безвредни, тъй като дори напълно функционални вируси не могат да заразят хората. В резултат на това по-голямата част от тази лекция ще бъде посветена на медицинските приложения на VNPs, получени от бактериофаги и растителни вируси.

Бактериофагите и растителните вируси са нуклеопротеинови съвкупности, при които нуклеиновите киселини са здраво обвити в капсид, съставен от много копия на едни и същи белтъци. Капсидите често са икосаедрични (приблизително сферични), твърди тръби или гъвкави нишки, като последните две категории имат високо съотношение. Растителните вируси и бактериофагите, за разлика от много вируси при бозайниците, обикновено не са обвити от крехка липидна мембрана, тъй като трябва да понасят по-тежки условия на околната среда, за да заразят успешно своите гостоприемници. Естествената функция на вирусния капсид е да защитава вирусната ДНК срещу нуклеази и други физически заплахи. По този начин белтъците на вирусната обвивка са химически и физически стабилни, което е благоприятно за развитието на VNPs, тъй като това означава, че те имат дълъг живот на съхранение и могат да издържат на химическите обработки, необходими за конюгиране с целеви лиганди или натоварване с полезни товари като лекарства, флуорофори или контрастни вещества [55].

3.1. Стратегии за модификации на VNPs

Генното инженерство, капсулирането, биоминерализацията, инжектирането и биоконюгацията са някои от подходите, които могат да се използват за проектиране и промяна на продукти, базирани на вируси. Фундаменталната структура на протеиновата обвивка може да бъде променена чрез генно инженерство посредством вмъкване, делеция или размяна на специфични аминокиселинни остатъци [43]. Такива модификации улесняват функционализирането или промяната на цялостните физикохимични характеристики на VNPs [20, 58]. Таговете за пречистване/имунооткриване, епитопните последователности (за да се направи VNP ваксина) и таргетните последователности (за да се направи VNP насочен към специфични рецептори), са примери за такива промени [71]. Използвайки сравними рекомбинантни експресионни технологии, също е възможно да се включат неестествени аминокиселини като уникални връзки за последващи химични реакции [56].

При физиологични условия белтъците на вирусната обвивка се самосглобяват около нуклеиновите киселини и това свойство (което споделят VNP) може да се използва за разглобяване на VNPs и повторното им сглобяване в по-желани конфигурации около други товарни молекули. Два основни принципа могат да се използват за задействане на капсулиране на товара: (а) повърхностен заряд и електростатични взаимодействия или (б) уникални свързващи взаимодействия, които възникват по време на самосглобяване [18]. Например, операторният белтък за транслационна репресия (TR) се намира в бактериофаг MS2 и се свързва с TR RNA стволовата верига. Химически модифицираните TR операторни белтъци могат да транспортират малки терапевтични молекули. Когато неповредените MS2 частици се комбинират с модифицирани TR оператори, последните дифундират във VNPs и се свързват с капсида по стабилен начин. Тези дизайнерски техники са използвани за успешно вмъкване на терапевтични съединения като например веригата на рицин А и 5-флуороуридин в MS2 частици. Транспортирането на полезен товар и успешното убиване на целевите клетки са демонстрирани in vitro клетъчни изследвания, използващи тази техника [7, 69].

Биоминерализацията е отлагане на минерали в и около клетките и тъканите на живи организми, но е свързано със способността на белтъците на вирусната обвивка да се образуват около минерално ядро или нуклеарна минерализация в условията на VNPs. Биоминерализацията на VNPs има различни приложения в енергийните изследвания, но има и примери в медицината, особено когато минералните товари се използват като контрастни вещества [44].

Някои материали могат да бъдат капсулирани чрез стимулиране на образуването на капсиди около товар, докато други могат да дифундират през вирусната частица и да бъдат „убедени“ да останат във вътрешната кухина чрез нековалентни взаимодействия с нуклеиновите киселини или с вътрешно проектирани странични вериги на аминокиселини , или биоконюгацията може да ги свърже трайно с лигандите. [65]. Този метод е използван за зареждане на флуоресцентни багрила за оптични изображения, Gd3+ йони за MRI и малки лекарствени съединения [46, 72].

Използването на методите на класическата химия за функционализиране на специфични странични вериги на аминокиселини, като карбоксилатните групи в остатъци от глутаминова и аспарагинова киселина, реактивните амини в лизинови остатъци, сулфхидрилните групи в цистеинови остатъци и фенолните групи в тирозинови остатъци, е един от най-мощните подходи. за модификация на VNPs. Тези групи могат да бъдат директно прикрепени към специфични молекули или променени, за да включват функционални групи за по-сложни процедури на конюгация.

3.2. Наночастици на базата на вируси в терапевтични интервенции

Бактериофагите и растителните вируси имат способността да проникват в клетките на бозайниците и да се реплицират без допълнително възпроизвеждане, което ги прави полезни терапевтични инструменти. Базираните на вируси наноматериали могат да бъдат проектирани да се насочват към специфични клетки, като раковите клетки и клетки на имунната система. Те могат да се използват за ваксинации, тъй като могат да изложат антигени на имунната система. Имунотерапията и имуно/химио комбинираните терапии могат да се възползват от взаимодействията на VNPs с имунната система, за разлика от образната диагностика и доставянето на лекарства. В резултат на това са измислени многобройни начини за защита на VNPs от имунната система, докато се насочват към специфични клетки-мишени. Клирънсът на VNP чрез мононуклеарната фагоцитна система може да бъде заобиколен чрез модифициране на повърхностния химичен състав или формата на частиците [54]. Повърхностното полиетиленгликиране, например, може да намали неспецифичните взаимодействия между VNP и макрофагите, което им позволява да циркулират по-дълго [31]. Генетичното или химическо добавяне на съединения, които се свързват с рецептори, силно експресирани върху специфични видове клетки, като ракови клетки, може да се използва за насочване към тях. Формата, размерът и аспектното съотношение на VNP също могат да повлияят на тъканната специфичност, така че това са допълнителни свойства, които трябва да се вземат предвид по време на етапа на проектиране. По-специално, тубулните или нишковидните VNPs могат да проявяват in vivo характеристики, по-добри от сферичните VNPs, като повишен поток и маргинализация към артериалната стена и намален клирънс от мононуклеарната фагоцитна система, което води до подобрено насочване към тумора и насочване към тромби [52, 66]. Структурите на VNP могат да се използват за изследване на въздействието на размера и формата на VNP върху ефективността на лекарства и изображения, тъй като те са монодиспергиращи и могат да бъдат модифицирани с фин и повтарящ се пространствен контрол.

3.3. Доставка на лекарства с VNPs

Разработването на VNPs, които са насочени към специфични типове клетки, позволи добавянето на токсични, но полезни товари чрез конюгация, инфузия и/или капсулиране, което води до смъртта на целевите клетки, позволявайки селективно елиминиране на ракови клетки или други болни клетки без изключване на целеви ефекти. Конюгацията, както накратко беше обсъдено по-горе, включва селективно ковалентно добавяне на молекули като полезен товар към специфични аминокиселинни остатъци на белтъците от обвивката. Инфузията се осъществява чрез инкубиране на непокътнатия VNP в разтвор, съдържащ товара, докато капсулирането налага сглобяването на вектора около полезния товар [9]. Вече са разработени технологии за доставяне на гени и къси интерфериращи РНК-и, фотоактивни молекули, които поддържат фотодинамична терапия, конвенционални лекарства с малка молекула и дори хетероложни вирусни геноми за генна терапия, като алфавирусен геном, капсулиран във VNP, базиран на CCMV [4, 17].

Токсичните товари могат да бъдат заредени преференциално в кухината на VNP, вместо да покриват външната повърхност, което ги предпазват от ензимно и химическо разграждане in vivo и така избягват взаимодействия с нецелеви клетки. Капацитетът и ефективността на зареждане на VNP обикновено се подобряват чрез изхвърляне на естествения вирусен геном, което може да се постигне чрез експресиране на белтъците от обвивката в плазмид (за VNP на бактериофаг) или трансген (за VNP на растения), така че вирусната нуклеинова киселина никога не присъства. Получената празна частица се нарича вирусоподобна частица (VLP). Вирусният геном може също да бъде отстранен чрез селективно химично или ензимно разграждане.

Ковалентното прикрепване на вредни товарни молекули към вътрешно експонирани странични вериги предотвратява ранното им освобождаване, докато нековалентните методи обикновено позволяват по-висока ефективност на натоварване, тъй като има повече пространство в рамките на VNP за повече товар, ако се използва цялата кухина, а не само вътрешната повърхност. Полимеризацията може да осигури най-доброто от двата подхода чрез образуване на разклонена мрежа от функционализирани групи за прикрепване на полезен товар, която се простира от външната повърхност на VNP или прониква във вътрешността му [28, 45]. Въпреки че повечето изследвания са фокусирани върху дизайна на VNP и in vitro токсичността, предклиничните тестове на VNP-базиран носител за доставяне на лекарства показаха in vivo ефикасността и намалена кардиотоксичността на вирусо-подобни частици, заредени с доксорубицин, особено получени от вируса на краставичната мозайка (CMV), модифициран с фолиева киселина [73].

VNP могат да са заредени с фотосенсибилизатори за приложения във фотодинамичната терапия, в допълнение към стандартната химиотерапия. VLP, базиран на бактериофаг Q, например, е зареден с производно на металопорфирин за фотодинамична терапия и места за свързване на гликан, насочени към клетки с CD22 рецептор [48]. Освен това, като първа демонстрация на тераностични VNPs, мултифункционален MRI контраст и фотодинамичен терапевтичен агент (хелатиран Gd3+ и Zn2+ фталоцианин) беше успешно капсулиран в CCMV [38]. Освен това са изследвани хибридни VNP-базирани материали, съдържащи метални наночастици за фототермична терапия [22].

3.4. Имунизация и имунотерапия, базирани на вирусни структури

Базираните на вируси наноматериали имат повтарящи се белтъчни структури, които предизвикват имунни отговори . Това ги прави полезни за разработването на ваксини и имуномодулатори. Базираните на вирусни частици ваксини се класифицират в четири типа: (а) химически инактивирани вирусни ваксини, (б) атенюирани вирусни ваксини с ниска вирулентност, (в) безгеномни и неинфекциозни VLPs и (г) химерни ваксини и ваксини с наночастици, където епитопите, получени от патогени, са представени върху неинфекциозен носител като растителен вирус, бактериофаг или химически синтезирана платформа [23]. Ваксините с частици, като VLP и други ваксини с наночастици, имат няколко предимства пред ДНК ваксините и субединичните ваксини [2, 30]. Базираният на вируса носител осигурява стабилност на антигена, транспортира множество копия на антигена (многовалентно представяне) и има способността да представя два или повече различни антигена. Формулировката насърчава пасивно или активно усвояване от антиген-представените клетки, което е последвано от активиране и зареждане на подходящите Т и В клетъчни отговори [33].

3.4.1. Ваксини за инфекциозни болести

VLP ваксините имат голям успех срещу вирусните заболявания, особено когато структурата на неинфекциозната формула на ваксината много наподобява тази на естествения вирус (те се наричат нативни VLPs) [47)]. Първият успешен пример е ваксината срещу вируса на хепатит B (HBV). Той е намалил значително HBV инфекциите сред имунизираните популации. Ваксините срещу човешкия папиломен вирус (HPV) предизвикват имунитет срещу вируса, който от своя страна предпазва от HPV-индуциран цервикален карцином и потенциално други HPV-индуцирани видове рак [49].

Химерните VLP експресират хетероложни антигени и могат да генерират антипатогенни и неутрализиращи антитела, което предполага, че имунизацията може да осигури защита срещу заразяване с патогени. Проведени са много изследвания върху химерни VLP, базирани на растителни вируси, бактериофаги, вируси на насекоми и животински полиомавируси и папиломавируси [49]. Химерите също са създадени върху естествени платформи на ваксина (напр. HBV и HPV) и тези платформи са разширени чрез показване на допълнителни хетероложни епитопи. Тези нативни химерни VLP използват основа на ваксина, която е одобрена от FDA.

Вирусът Flock House (FHV), който заразява насекоми, е използван за създаване на химерни VLP със сложни антигенни структури. Тази мултивалентна система е модифицирана за да включва фрагменти от рецептора на антраксния токсин (ANTXR2), който служи като скеле за показване на защитния антиген на Bacillus anthracis. В отсъствието на адювант комплексът вирус-антиген активира защитни имунни отговори след единична доза [37]. Допълнителни механизми за химично свързване на многовалентни антигени индуцират имунни отговори по подобен ефективен начин. Системата FHV има способността да приема белтъчни и пептидни вмъквания в различни места на повърхността на капсида, както и наличието на подробна структурна и генетична информация, която позволява прецизно поставяне и подреждане на антигенен домейн. Например, грипният хемаглутинин (НА) протеин е основен антиген за всички щамове на грип, но поради антигенна вариация е трудно да се развият широко неутрализиращи имунни отговори. Има някои силно консервативни области на протеина, но те са трудни за разглеждане в структурен контекст, което би позволило инициирането на специфични и неутрализиращи реакции на антитела. Индукцията на тези антитела се активира чрез показване на запазените региони на НА в тримерна подредба върху FHV. Полезността и обхватът на нативните и химерните VLPs приложения на ваксини се разширяват. Комбинацията от биоинженерни VLP ваксини и прилагането им в дихателните пътища, например, наскоро беше демонстрирана като основна стратегия за бъдещо разработване на ваксини и имунотерапия [50].

3.4.2. Ваксини против рак

Противотуморната ваксинация има няколко предимства пред химиотерапията, включително по-малко странични ефекти, избягване на лекарствена резистентност, подготовка на имунната система да елиминира остатъчните резистентни на лекарства клетки и индуциране на дългосрочна имунологична памет за защита срещу метастази и рецидив.

Оценени са няколко базирани на VNP стратегии за ваксина срещу рак, включително шаблонно показване на свързани с тумора въглехидрати или пептидни антигени. Tn-специфичните антитела се произвеждат с високи титри след конюгиране към базираното на вируса скеле и многовалентен дисплей. По подобен начин, антиген-специфични IgG и IgM отговори могат да бъдат предизвикани от Tn антиген, конюгиран с TMV. Представянето на ракови епитопи върху базирани на вируси скелета позволява тези собствени епитопи да бъдат представени в неприродна молекулярна среда, което е обещаваща стратегия за преодоляване на автотолерантността.

3.4.3. Ваксини за неврологични заболявания и зависимости

VLP са използвани като наноструктури за показване на амилоидния бета (A) протеин, който е свързан с прогресирането на болестта на Алцхаймер. В отсъствието на адювант папиломавирусът и Q VLPs, съдържащи А антигени, предизвикват анти-А антитела с ограничен Т-клетъчен отговор. Подкласовете на антителата се различават в зависимост от това дали се използва целият антиген или пептидните антигени [13].

Наскоро беше разработена потенциална ваксина срещу пристрастяване към никотина, като се използва 30-nm икосаедричен капсид на бактериофаг Q, който е химически модифициран, за да показва никотина по многовалентен начин. Мултивалентната природа на базираната на Q нановаксина стимулира производството на антиникотин неутрализиращи антитела, понижавайки нивата на никотин в кръвта и ограничавайки транспорта през кръвно-мозъчната бариера.

---

Тест LO 1.1

---

Литература

1. Alimardani V., Abolmaali S. and Tamaddon A. (2021). Recent Advances on Nanotechnology-Based Strategies for Prevention, Diagnosis, and Treatment of Coronavirus Infections. Hindawi J of Nanomaterials, Article ID 9495126, 1-20.
2. Awate S., Babiuk L and Mutwiri G. (2013). Mechanisms of action of adjuvants. Front Immunol, 4, 114.
3. Aydogdu M., Altun E., Chung E., Ren G., Homer-Vanniasinkam S., Chen B and Edirisinghe M. (2021). Surface interactions and viability of coronaviruses. J. R. Soc. Interface, 18, 20200798.
4. Azizgolshani O., Garmann R., Cadena-Nava R., Knobler C and Gelbart W. (2013). Reconstituted plant viral capsids can release genes to mammalian cells.Virology, 441, 12–17.
5. Boopathi, PomaA and Kolandaivel P. (2020). Novel 2019 coronavirus structure, mechanism of action, antiviral drug promises and rule out against its treatment. J Biomol Struct Dyn,39, 9, 1-10.
6. British Standards Institution. (2007). Terminology for Nanomaterials, Publicly Available Specification BS PAS 136, British Standards Institution, London.
7. Brown W., Mastico R., Wu M, Heal K and Adams C. (2002). RNA bacteriophage capsid-mediated drug delivery and epitope presentation. Intervirology, 45, 371–380.
8. Cagno V., Andreozzi P., Alicarnasso M., Silva P., Mueller M., Galloux M., Goffic R., et al. (2018). Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Mater, 17, 195–205.
9. Cao J., Guenther R., Sit T., Opperman C., Lommel S and Willoughby J. (2014). Loading and release mechanism of Red clover necrotic mosaic virus derived plant viral nanoparticles for drug delivery of doxorubicin. Small, 10, 5126–5136.
10. Carter J. and Saunders.V. (2007). Virology. Principales and applications, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,West Sussex PO19 8SQ, England.
11. Cascella M., Rajnik M., Cuomo A., Dulebohn S abd Di Napoli R. (2021). Features, evaluation and treatment coronavirus (COVID-19),” in Statpearls, StatPearls Publishing.
12. Caygill R., Blair G and Millner P. (2010). A review on viral biosensors to detect human pathogens. Anal. Chim. Acta, 681, 8–15.
13. Chackerian B. (2010). Virus-like particle based vaccines for Alzheimer disease. Hum Vaccines, 6, 926–930.
14. Chan J., Kok K., Zhu Z., Chu H., To K., Yuan S and Yuen K. (2020) Genomic characterization of the 2019 novel human-pathogenic coronavirus isolated from a patient with atypical pneumonia after visiting Wuhan. Emerg Microbes Infect, 9(1), 221-236.
15. Chan J., To K., Tse H., Jin D and Yuen K. (2013). Interspecies transmission and emergence of novel viruses: lessons from bats and birds. Trends Microbiol, 21(10), 544-55.
16. Chen L., Zhang X., Zhou G., Xiang X., Ji X., Zheng Z., He Z. and Wang H. (2012). Simultaneous determination of human enterovirus 71 and coxsackievirus B3 by dual-color quantum dots and homogeneous immunoassay. Anal. Chem, 84, 3200–3207.
17. Choi K., Kim K., Kwon I., Kim I. and Ahn H. (2012). Systemic delivery of siRNA by chimeric capsid protein: tumor targeting and RNAi activity in vivo. Mol Pharm, 10, 18–25.
18. Daniel M., Tsvetkova I., Quinkert Z., Murali A. and De M, (2010). Role of surface charge density in nanoparticle-templated assembly of bromovirus protein cages. ACS Nano,3853–3860.
19. Donskyi L., Druke M., Silberreis K., Lauster D., Ludwig K., Kuhne C., Unger W., et al. (2018). Interactions of fullerene-polyglycerol sulfates at viral and cellular interfaces. Small, 14, 1800189.
20. Douglas T., Strable E and Willits D. (2002). Protein engineering of a viral cage for constrained material synthesis. Adv Mater, 14, 415–418.
21. Estelrich J., Quesada-Pérez M., Forcada J. and Callejas-Fernández J., (2014) Introductory Aspects of Soft Nanoparticles, in Soft Nanoparticles for Biomedical Applications, Nanosciences & Nanothechnology Series, Chapter 1, pp. 1-18.
22. Everts M., Saini V., Leddon J., Kok R and Stoff-Khalili M. (2006). Covalently linked Au nanoparticles to a viral vector: potential for combined photothermal and gene cancer therapy. Nano Lett, 6, 587–591.
23. Garcea R. and Gissmann L. (2004). Virus-like particles as vaccines and vessels for the delivery of small molecules. Curr Opin Biotechnol,15, 513–517.
24. Guenther C., Kuypers B., Lam M., Robinson T., Zhao J, and Suh J. (2014). Synthetic virology: engineering viruses for gene delivery. WIRES Nanomed Nanobiotechnol,6, 548–58.
25. Gupta M., Vemula S., Donde R., Gouda G., Behera L., and Vadde R. (2021). In silico approaches to detect inhibitors of the human severe acute respiratory syndrome coronavirus envelope protein ion channel. J Biomol Struct Dyn, 39 (7):2617-2627.
26. Hasan A., Paray B., Hussain A., Qadir F., Attar F., Aziz F., and Falahati M. (2020). A review on the cleavage priming of the spike protein on coronavirus by angiotensin-converting enzyme-2 and furin. J Biomol Struct Dyn, 1-13.
27. Helmy Y., Fawzy M., Elaswad A., Sobieh A., Scott P., Kenney S. and Awad A. (2020). The COVID-19 Pandemic: A Comprehensive Review of Taxonomy, Genetics, Epidemiology, Diagnosis, Treatment, and Control. J. Clin. Med, 9.
28. Hovlid M., Lau J., Breitenkamp K. Higginson C. and Laufer B. (2014). Encapsidated atom-transfer radical polymerization in Qβ virus-like nanoparticles. ACS Nano, 8, 8003–8014.
29. Kirchdoerfer R., Cottrell, C., Wang, N., Pallesen, J., Yassine, H., Turner, H., Corbett, et al. (2016). Pre-fusion structure of a human coronavirus spike protein. Nature, 531(7592), 118–121.
30. Klinman D., Takeno M., Ichino M., Gu M., Yamshchikov G. (1997). DNA vaccines: safety and efficacy issues. Springer Semin Immunopathol, 19, 245–256.
31. Kwon O., Kang E., Choi J., Kim S. and Yun C. (2013). Therapeutic targeting of chitosan-PEG-folate-complexed oncolytic adenovirus for active and systemic cancer gene therapy. J Control Release, 169, 257–265.
32. Lee S., Krishnamurthy S., Cho C. and Yun Y. (2016). Biosynthesis of gold nanoparticles using ocimum sanctum extracts by solvents with different polarity, ACS Sustain. Chem. Eng. 4, 2651–2659.
33. Leleux J. and Roy K. (2013). Micro and nanoparticle-based delivery systems for vaccine immunotherapy: an immunological and materials perspective. Adv Healthc Mater, 2, 72–94.
34. Li F. (2016). Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Ann. Rev. of Virol., 3 (1), 237–261.
35. Lissenberg A., Vrolijk M., van Vliet A., Langereis M., de Groot-Mijnes J., Rottier, P. and de Groot R. J. (2005). Luxury at a Cost? Recombinant mouse hepatitis viruses expressing the accessory hemagglutinin esterase protein display reduced fitness in vitro. J Virol, 79(24), 15054–15063.
36. Luo K., Jung S., Park K. and Kim Y. (2018). Microbial biosynthesis of silver nanoparticles in different culture media, J. Agric. Food Chem. 66, 957–962.
37. Manayani D., Thomas D., Dryden K., Reddy V. and Siladi M. (2007). A viral nanoparticle with dual function as an anthrax antitoxin and vaccine. PLOS Pathog, 3, 1422–1431.
38. Masters P. (2006). The molecular biology of coronaviruses. Adv. Virus Res., 65(06), 193–292.
39. Millán J., Brasch M., Anaya-Plaza E., de la Escosura A. and Velders A. (2014). Self-assembly triggered by self-assembly: optically active, paramagnetic micelles encapsulated in protein cage nanoparticles. J Inorg Biochem, 136, 140–146.
40. Oh J. and Han D. (2020). Virus-Based Nanomaterials and Nanostructures. Nanomaterials, 10, 567.
41. Oswald M., Geissler S. and Goepferich A. (2017). Targeting the central nervous system (CNS): a review of rabies virus-targeting strategies, Mol. Pharm. 14, 2177–2196.
42. Pan H., Zhang P., Gao D., Zhang Y., Li P., Liu L., Wang C., et al. (2014) Noninvasive visualization of respiratory viral infection using bioorthogonal conjugated near infrared-emitting quantum dots, ACS Nano 8, 5468–5477.
43. Peabody D. (2003). A viral platform for chemical modification and multivalent display. J Nanobiotechnol, 1,
44. Pokorski J., Breitenkamp K., Liepold L., Qazi S. and Finn M. (2011). Functional virus-based polymer-protein nanoparticles by atom transfer radical polymerization. J Am Chem Soc, 133, 9242–9245.
45. Pokorski J. and Steinmetz N. (2011). The art of engineering viral nanoparticles. Mol Pharm, 8, 29–43.
46. Prasuhn D., Jr, Yeh R., Obenaus A., Manchester M. and Finn M. (2007). Viral MRI contrast agents: coordination of Gd by native virions and attachment of Gd complexes by azide-alkyne cycloaddition. Chem Commun, 2007,1269–1271.
47. Pushko P. and Pumpens P. (2013). Grens E. Development of virus-like particle technology from small highly symmetric to large complex virus-like particle structures. Intervirology, 56, 141–165.
48. Rhee J., Baksh M., Nycholat C., Paulson J., Kitagishi H. and Finn M. (2012). Glycan-targeted virus-like nanoparticles for photodynamic therapy. Biomacromolecules, 13, 2333–2338.
49. Roldao A., Mellado M., Castilho L., Carrondo M. and Alves P. (2010). Virus-like particles in vaccine development. Expert Rev Vaccines, 9, 1149–1176.
50. Rynda-Apple A., Patterson D. and Douglas T. (2014). Virus-like particles as antigenic nanomaterials for inducing protective immune responses in the lung. Nanomedicine, 9, 1857–1868.
51. Shen K., Yang Y. and Wang T. (2020). Diagnosis, treatment, and prevention of 2019 novel coronavirus infection in children: experts’ consensus statement World J Pediatr, 16(3), 223-231.
52. Shukla S., Ablack A., Wen A., Lee K., Lewis J. and Steinmetz N. (2013). Increased tumor homing and tissue penetration of the filamentous plant viral nanoparticle Potato virus X. Mol Pharm, 10, 33–42.
53. Simmons G., Gosalia D., Rennekamp A., Reeves J., Diamond S. and Bates P. (2005). Inhibitors of cathepsin L prevent severe acute respiratory syndrome coronavirus entry. PNAS, 102(33), 11876–11881.
54. Singh P., Prasuhn D., Yeh R., Destito G. and Rae C. (2007). Bio-distribution, toxicity and pathology of cowpea mosaic virus nanoparticles in vivo. J Control Release, 120, 41–50.
55. Steinmetz N. (2010). Viral nanoparticles as platforms for next-generation therapeutics and imaging devices. Nanomedicine, 6:634–641.
56. Strable E, Prasuhn D. Jr, Udit A., Brown S. and Link A. (2008). Unnatural amino acid incorporation into virus-like particles. Bioconjug Chem,19, 866–875.
57. Tharayil A., Rajakumari R., Kumar A., Choudhary M., Palit P. and Thomas S. (2021). New insights into application of nanoparticles in the diagnosis and screening of novel coronavirus (SARS-CoV-2). Emergent Materials, 4,101–117.
58. Udit A., Brown S., Baksh M. and Finn M. (2008). Immobilization of bacteriophage Qβ on metal-derivatized surfaces via polyvalent display of hexahistidine tags. J Inorg Biochem,102, 2142–2146.
59. Van Hemert M., Van Den Worm, S., Knoops K., Mommaas A., Gorbalenya A. and Snijder E. (2008). SARS-coronavirus replication/transcription complexes are membrane-protected and need a host factor for activity in vitro. PLoS Pathogens, 4(5).
60. Venkataram P. and Schmid M. (2012). Principles of Virus Structural Organization. Viral Molecular Machines,726, 17–47.
61. Virus taxonomy: the classification and comenclature of viruses, ICTV reports are freely available online: https://talk.ictvonline.org/ictv-reports/ictv_online_report/.
62. Walls A., Park Y., Tortorici M., Wall A., McGuire A. and Veesler D. (2020). Structure, function, and antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike glycoprotein. Cell, 181(2), 281–212.
63. Wang,WangY., Ye D, and Liu Q. (2020). A review of the 2019 Novel Coronavirus (COVID-19) based on current evidence. Int J Antimicrob Agents, 55(6), 105948.
64. Wang Q., Li C., Zhang Q., Wang T., Li J., Guan W., Yu J., Liang M.and Li D. (2020). Interactions of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein with the host cell proteasome subunit p42. Virology J, 7(1), 99–98.
65. Wen A., Shukla S, Saxena P, Aljabali A. and Yildiz I. (2012). Interior engineering of a viral nanoparticle and its tumor homing properties. Biomacromol,13, 3990–4001.
66. Wen A., Wang Y., Jiang K., Hsu G. and Gao H. (2015). Shaping bio-inspired nanotechnologies to target thrombosis for dual optical-magnetic resonance imaging. J Mater Chem B, 3, 6037–6045.
67. White K., Jr P., Wang H., Jesus P., Manicassamy B., García-Sastre A., Chanda S., et al. (2018). Broad spectrum inhibitor of influenza A and B viruses targeting the viral nucleoprotein, ACS Infect. Dis, 4,146–
68. Wrapp D., Wang N., Corbett K., Goldsmith J., Hsieh C., Abiona O., Graham B. and McLellan J. (2020). Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, 367(6483), 1260–1263.
69. Wu M., Brown W. and Stockley P. (1995). Cell-specific delivery of bacteriophage-encapsidated ricin A chain. Bioconjug Chem, 6, 587–595.
70. Yang M., Sunderland K. and Mao C. (2017). Virus-derived peptides for clinical applications. Chem. Rev, 117, 10377–10402.
71. Yildiz I., Shukla S. and Steinmetz N. (2011). Applications of viral nanoparticles in medicine. Curr Opin Biotechnol, 22, 901– 908.
72. Yildiz I., Lee K., Chen K., Shukla S. and Steinmetz N. (2013). Infusion of imaging and therapeutic molecules into the plant virus-based carrier cowpea mosaic virus: cargo-loading and delivery. J Control Release, 172, 568–578.
73. Zeng Q., Wen H., Wen Q., Chen X. and Wang Y. (2013). Cucumber mosaic virus as drug delivery vehicle for doxorubicin. Biomaterials, 34, 4632–4642.
74. Zhang Y., Ke X., Zheng Z., Zhang C., Zhang Z., Zhang F., Hu Q., et al. (2013). Encapsulating quantum dots into enveloped virus in living cells for tracking virus infection, ACS Nano, 7, 3896–3904.

Резюме

През последните приблизително две години всеки отделен човек се оказа неволен участник в световната борба срещу тежкия остър респираторен синдром – CoV- 2. Хората са поставени в ситуация, в която трябва да защитят от една страна себе си, а от друга – останалите хора. Тази борба е далеч по-сериозна и важна за работещите на т.нар. първа линия, а също и за здравните работници. В тази връзка, ролята на личните предпазни средства в борбата срещу тази инфекция се оказва от съществено значение. Наноинжинерните решения могат да се разглеждат като един иновативен подход в медицината. За наноматериалите е известно, че притежават някои уникални характеристики, като: малък размер, подобрена разтворимост, подобрена адаптивност към различни повърхности, мултифункционалност, антивирусна/антибактериална активност, хидрофобност и др. Всичко до тук отваря нови възможности за изобретяването на иновативни, нано-базирани тъкани и текстил, които да осигуряват повишена лична защита. Още повече, приложението на нанотехнологиите и в други направления, като покрития на повърхности, ваксини, лекарства и др, може да се окаже сред възможните решения за намаляване на масовото разпространение на остри вирусни инфекции в световен мащаб.

Ключови думи/фрази: нано-базирани ЛПС, SARS-CoV-2, маски за лице, наноматериали, пътища на разпространение на вирусни инфекции.

1. Въведение: SARS-COV 2 – инфекциозният агент на новата болест – COVID – 19

През зимата на 2019 г. ново вирусно заболяване беше открито в град Ухан, Китай. Бързото разпространение на новата и непозната болест по целия свят принуди учените да изяснят нейната епидемиологията и произход с цел да се предприемат най-адекватните и бързи мерки за борба с нея. По този начин бяха описани и симптомите, които вирусният агент причинява на заболелите хора: треска, суха кашлица, редки случаи на диария, неразположение, лимфопения и билатерални промени в белите дробове [9, 22]. Така описаните симптоми са докладвани като подобни на тези, причинени от предишни познати патогенни коронавируси, като : SARS-CoV and MERS-CoV [58]. Тези два бета-коронавируса се считат като причинителите на две опасни вирусни епидемии за последните 20 години: Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus (SARS-CoV) – през 2002, в провинцията Гуандун, Китай [67] и Middle East Respiratory Syndrome coronavirus (MERS-CoV) – през 2012, в Средния Изток [64].

Проучването на новия вирусен агент започва с появата на първите случаи в Китай. Най-важният въпрос по това време е: от къде се появи този нов вирус? Така или иначе тогава се появяват две противоположни теории относно произхода на вируса. Може би най-тиражираната версия по този въпрос била, че заболяването произхожда от пазара за морски храни в Ухан, провинция Хубей, Китай [45]. Твърденията на други автори, обаче, поставят под въпрос тази теория на произход като единствена такава и внасят светлина върху основния път на разпространение на заболяването – от човек на човек [9, 22].

Изучаването на инфекциозният агент на COVID 19 продължава с филогенетични анализи на генома, които показват сходство по-малко от 90% с други бета-коронавируси. По тази причина той бил обявен за нов бета-коронавирус и наименован като 2019-nCoV. Заболяването причинявано от този вирус било първоначално наименовано като „novel coronavirus – infected pneumonia“ (NCIP) – „нова коронавирус – инфекциозна пневмония“ [68]. Изучаването на новият инфекциозен агент продължило и се задълбочавало с неговото масово разпространение по света и поразяването на милиони хора. И така с напредване на времето и появата на нови и нови случаи на инфектирани хора довело до натрупването на достатъчно данни, на базата на които Групата по изучаването на коронавируса (Coronavirus Study Group (CGS)) към Международния комитет по вирусна таксономия (International Committee on Virus Taxonomy (ICTV)) обявява името на новоизолирания вирусен агент като SARS-CoV-2, в началото на месец февруари 2020 г. [19]. В същото време, Световната здравна организация (СЗО) дава име на болестта, която този вирус причинява – COVID-19 (CO идва от „corona“, VI от „virus“ и D от „disease“). Месец по-късно, на 11ти март 2020 г., СЗО обявява разпространението на SARS-CoV-2 за световна пандемия [59].

2. Разпространението на SARS-CoV 2 и необходимостта от лични предпазни средства

2.1. Устойчиво запазване на вируса в различни екологични ниши

Глобалното и бързо разпространение на SARS-CoV-2 през последните 2 години доведе до увеличаване на проучванията, имащи за цел да характеризират и определят разнообразието от екологични ниши, които вирусът може да обитава и в които може да се задържа за дълго време. Тези познания са с фундаментално значение с оглед по-точното разбиране на начините на разпространение на вирусния агент от една страна, а от друга са нужни за изобретяването на ефективни и надеждни стратегии за борба с него.

Много проучвания докладват присъствието на инфекциозния агент на COVID-19 или на негов генетичен материал във водни местообитания. Това било до някъде очаквано като се има предвид, че достъпът на заболели хора до природните водни ресурси не е ограничен по никакъв начин. Освен това, обобщени данни от няколко проучвания описват присъствие на вирусен генетичен материал (RNA) или на жизнеспособни вирусни частици в различни клинични проби като: урина, храчки, изпражнения и други, дори в случаите, когато назо-фарингиалните проби на такива пациенти били отрицателни, няколко дни след възникване на инфекцията. Според учените, това в крайна сметка би могло да води до повишаване на вирусния титър в отпадните води от болниците, а оттам и в околната среда. [1]. Освен това, присъствието на SARS-CoV-2 в проби от отпадни води било докладвано и в аерозолни проби от станции за помпено напояване на растения [17, 65]. Що се касае до периода, в който вирусът може да запази жизнеспособност във вода или в утайки, то проучванията сочат, че той е от порядъка на 4.5 до 6 дни, в зависимост от условията на околната среда [18].

Други потенциални ниши за задържане на жизнеспособни вирусни частици също са докладвани в литературата: въздушни проби с различен произход [28, 29], храни [12] и проби от чешмяна вода [7, 30]. Може би най-слабо проучената екологична ниша като депо на SARS-CoV-2 е почвата. Все пак има публикувани данни за изолиране на вирусна РНК от почвени проби, събирани около болници, където хора, заболели от COVID-19 са били лекувани [66].

2.2. Присъствие и задържане на вирусите, включително SARS-CoV 2, върху различни неживи повърхности

Както е описано по-горе, разпространението на SARS-CoV-2 в разнообразни екологични ниши е ключов фактор за лесното и бързо разпространение на инфекциозния агент сред много хора, едновременно. Като допълнение тук може да се добави и соченият за най-инвазивен път на инфектиране, от човек на човек [9].

Въпреки това, още един възможен начин на заразяване с коронавирус 2, а именно презумпцията за самозаразяването при контакт с контаминирани повърхности, не бива да се пренебрегва. Този алтернативен път на инфектиране е бил предположен и за други вирусни заболявания, много преди пандемията от COVID-19 [32]. В проучване публикувано през 2000 г., Sizun и колектив сравняват оцеляването на два щама на човешкия коронавирус (HCoV) върху различни повърхности и откриват, че те могат да се задържат върху алуминий, латексови ръкавици и памучна марля за няколко часа [48]. Потенциалните пътища за трансмисия на различни нозокомиални вируси (SARS, коксаки вирус, инфлуенца вирус, риновируси у др.) чрез контаминирани повърхности също са докладвани, като авторите правят заключението, че някои от тях могат да се задържат върху неживи повърхности за няколко дни [27]. Способността на птичия метапневмовирус и птичия инфлуенца вирус да се задържат върху различни повърхности също е изследвана. Резултатите от такива проучвания показват, че жизнеспособни вирусни частици са били изолирани до 9тия ден след контаминирането на повърхността [53]. Потенциалът на инфлуенца вируса (H1N1) да запазва своята жизнеспособност върху стоманени повърхности също е проучван и резултатите показват, че той може да се открива върху тях дори след 7 дни [40]. Подобни данни са докладвани и за двата патогенни коронавируса, отговорни за епидемиите през 2002 и 2012 г. (SARS-Co-V and MERS-CoV), като данните от различни проучвания сочат, че те могат да се запазват жизнеспособни върху повърхности като метал, стъкло или пластмаса за поне 9 дни [13, 25, 37].

Във връзка с гореспоменатото, пандемията от SARS-CoV-2 подтикна учените незабавно да направят необходимите проучвания с оглед на това да се установи потенциала на този вирус да запазва своята жизнеспособност върху различни неживи повърхности, а те от своя страна да служат като източник на инфекция. Такъв потенциал е предположен предварително на базата на сходството на новия коронавирус с познатите до момента. Така са получени и данни за способността на SARS-CoV 2 да се задържа върху четири вида неживи повърхности: стоманени, медни, пластмасови и картонени [55]. Двама учени, Ren и Tang, правят предположение за друг възможен път на разпространение на новата коронавирусна инфекция – чрез монети и банкноти [44]. По това време все още не са били публикувани други изследвания, касаещи пренасянето на вируси посредством банкноти. Хипотезата на двамата учени се базирала единствено на познанията относно задържането на вирусните частици върху хартия за принтер и носни кърпички [55]. В по-скорошни изследвания обаче този потенциал на SARS-CoV-2 бил проучен. Резултатите от изследването разкрили, че след 24 ч. на стайна температура върху банкнотите не се засичат жизнеспособни вирусни частици. Въпреки това, в друго проучване е разкрита по-добра способност на вируса да се задържа по повърхността на банкови карти – 48 h [35].

Запазването на жизнеспособността на патогенните вируси, включително и на SARS-CoV-2, за дълго време върху различни неживи повърхности и тяхната способност да бъдат пренасяне чрез аерозоли, човешки контакт и други познати пътища, води към важни въпроси: i) как може индивидуалния човек да се предпази от тези вируси и ii) как може изобщо да се ограничи масовото разпространение на такива вируси?

В тази връзка прилагането на различни дезинфекционни практики и употребата на лични предпазни средства (ЛПС) са сред възможните решения.

2.3. Личните предпазни средства – препоръките на СЗО

Личните предпазни средства, като цяло, се считат като последната линия на защита, изобщо [15]. Основната концепция на ЛПС има два основни аспекта:

• защита на отделния човек от различни рискови фактори по време на работа;
• защита на всички хора от инфекции предавани по въздушно-капков път.

В светлината на пандемията от COVID-19, нараства необходимостта от повишаване на познанията относно начините за ограничаване на инфекцията и в последствие намаляване на броя на засегнатите индивиди. Както беше споменато по-горе, вирусният агент на COVID-19, а също и на други нозокомиални инфекции могат да се разпространяват по разнообразни и различни начини: при контакт с друг човек, чрез слюнка (Фигура 1), чрез докосване на контаминирани с вируса повърхности и др.

Фигура 1. Разпространение на SARS-CoV 2 чрез слюнка.

Голямо разнообразие от възможни пътища на разпространение на вируса подтиква СЗО да публикува на 27ми февруари 2020 г., Interim guidance – Rational use of personal protective equipment for coronavirus disease 2019 (COVID-19), незабавно след появата на първите случаи на инфектирани с вируса хора. Ролята на това ръководство била да предостави на обществото актуални и специфични препоръки за лична и социална защита чрез рационалното използване на ЛПС. Сред специфичните препоръки поместени в ръководството били следните [60]:

• практикуване на честа хигиена на ръцете чрез обтриване с дезинфектант на алкохолна основа ако ръцете не са видимо мръсни или със сапун и вода ако ръцете са мръсни;
• да се избягва докосването на очите, устата и носа;
• при кихане и кашляне това да става в свивката на лакътя на ръката или в кърпа, след което тя трябва да се изхвърли незабавно;
• да се носи медицинска маска за лице ако са налице респираторни симптоми, както и да се хигиенизират ръцете след изхвърляне на маската;
• да се спазва социална дистанция (от минимум 1 m) и да се стои на страна от хора с респираторни симптоми;

В зависимост от обстоятелствата, персонала и вида активност, има списък с допълнителни ЛПС, който СЗО е публикувала и препоръчала за използване и приложение (Таблица 1) [60]:

Таблица 1. Списък на допълнителните ЛПС препоръчвани от СЗО.

Помещения	Целеви групи (персонал/ пациенти)	Дейност	Препоръчителни ЛПС
Здравни заведения
Стационарни съоръжения
Болнична стая	Здравни работници	Осигуряват директна грижа за болни от COVID-19	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит).
		Провеждат процедури свързани с дишането на пациенти с COVID-19	Респиратор N95 или FFP2, или еквивалент. Мантия Ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Престилка
	Санитари	Влизат в стаите с настанени пациенти, болни от COVID-19.	Медицинска маска Мантия Тежки ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Ботуши или затворени обувки
	Посетители	Влизат в стаите с настанени пациенти, болни от COVID-19.	Медицинска маска Мантия Ръкавици
Други площи на преминаване на пациентите (напр. отделения, коридори и др.).	Целия персонал на болницата, включително лекарите	Всяка активност, която не предполага контакт с пациенти с COVID-19	Не се изискват ЛПС
Триаж	Здравни работници	Първични прегледи, които не изискват директен контакт	Не се изискват ЛПС
	Пациенти с респираторни симптоми	Всякакви	Спазване на физическа дистанция от поне 1м. Медицинска маска
	Пациенти без респираторни симптоми	Всякакви	Не се изискват ЛПС
Лаборатория	Лаборанти	Работа с респираторни проби	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит).
Административни площи	Целия персонал на болницата, включително лекарите	Административни дейности, които не предполагат контакт с болни от COVID-19	Не се изискват ЛПС
Амбулаторни съоръжения
Стаи за консултации	Здравни работници	Физикален преглед на пациенти с респираторни симптоми	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит).
	Здравни работници	Физикален преглед на пациенти без респираторни симптоми.	ЛПС според стандартните предпазни мерки и след оценка на риска
	Пациенти с респираторни симптоми	Всякакви	Медицинска маска
	Пациенти без респираторни симптоми	Всякакви	Не се изискват ЛПС
	Санитари	Почистват след и между консултациите на пациенти с респираторни симптоми	Медицинска маска Мантия Тежки ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Ботуши или затворени обувки
Чакалня	Пациенти с респираторни симптоми	Всякакви	Медицинска маска
	Пациенти без респираторни симптоми	Всякакви	Не се изискват ЛПС
Административни площи	Целия персонал на болницата, включително лекарите	Административни дейности	Не се изискват ЛПС
Триаж	Здравни работници	Първични прегледи, които не изискват директен контакт	Не се изискват ЛПС
	Пациенти с респираторни симптоми	Всякакви	Медицинска маска
	Пациенти без респираторни симптоми	Всякакви	Не се изискват ЛПС
Общност
У дома	Пациенти с респираторни симптоми.	Всякакви	Медицинска маска, освен по време на сън
	Болногледачи	Посещава стаите на болни от COVID-19, но не осъществява директна грижа	Медицинска маска
	Болногледачи	Осъществява директна грижа или пренася изпражнения, урина и отпадъци на пациент с COVID-19, който се лекува у дома	Ръкавици Медицинска маска Престилка (при риск от пръски)
	Здравни работници	Осъществява директа грижа или асистенция на пациент с COVID-19, който се лекува у дома	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите
Публични места (напр. училища, магазини, ЖП гари).	Хора без респираторни симптоми	Всякакви	Не се изискват ЛПС
Входни точки
Административни площи	Целият персонал	Всякакви	Не се изискват ЛПС
Зони за скрининг	Перонал	Първични прегледи, които не изискват директен контакт	Не се изискват ЛПС
	Перонал	Вторични прегледи (напр. разпит на пациенти с висока температура за клинични симпроми предполагащи наличие на COVID-19 и за историята на пътуването).	Медицинска маска Ръкавици
	Санитари	Почистват зоните където пациентите с треска са били преглеждани	Медицинска маска Мантия Тежки ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Ботуши или затворени обувки
Временни помещения за изолация	Персонал	Посещават зоните за изолация но без да осигуряват директна систенция.	Спазване на физическа дистанция от поне 1м. Медицинска маска Ръкавици
	Персонал, здравни работници	Асистират пациентите, които са били транспортирани до здравното заведение	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите
	Чистачи	Почистват зоните за изолация	Медицинска маска Мантия Тежки ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Ботуши или затворени обувки
Линейки или превозни средства за трансфер	Здравни работници	Превозват болни с преполагаем COVID-19 до здравното заведение	Медицинска маска Мантия Ръкавици Защита на очите
	Шофьори	Участват единствено в транспортирането на пациентите с предполагаем COVID-19 като помещението на шофьорите е отделено от тях	Не се изискват ЛПС
		Асистират при товаренето или разтоварването на пациенти с предполагаем COVID-19	Защита на очите
		Нямат директен контакт с пациенти с предполаем COVID-19 но отделението на шофьора не е отделено от тях	Медицинска маска
	Пациенти с предполагаем COVID-19	Транспортиране до болничното заведение	Медицинска маска
	Чистачи	Почистват след и между транспортирането на пациенти с предполагаем COVID-19 до болничното заведение	Медицинска маска Мантия Тежки ръкавици Защита на очите (очила или защитен щит) Ботуши или затворени обувки
Специални съображения на екипите за бързо реагиране, подпомагащи изследването на общественото здраве
Общност
Навсякъде	Разследващи екипи за бързо реагиране.	Интервюират пациенти с доказан или предполагаем COVID-19 и техните контактни лица	Не се изискват ЛПС ако се провеждат дистанционно (напр. по телефон или чрез видео конференция) Дистанционното интервю е препоръчителният метод
		Лично интервюират пациенти с доказан или предполагаем COVID-19 без директен контакт	Медицинска маска
		Лично интервюират безсимптомни контактни лица на пациенти с COVID-19	Не се изискват ЛПС

Source: Interim guidance WHO, 2020 [60]

Начинът по който изглежда един стандартен кит ЛПС е показан на Фигура 2. Всяка част от този кит има своята специфична функция за цялостната защита. Връзките между зоните на защита и съответните компоненти от кита, отговорни за нея са следните:

• цяло тяло – цял костюм, престилка и калцуни;
• очи – предпазен щит за лице и очила;
• нос и уста – маска за лице;
• ръце – ръкавици;
• глава – цяла качулка.

Най-важните части от тялото, които трябва да бъдат напълно защитени са очите, устата и носът тъй като те са основните врати за навлизане на нозокомиалните и вирусите предавани по въздушно-капков път, какъвто е и SARS-CoV-2.

Фигура 2. Компоненти на стандартен кит ЛПС.

3. Приносът на нанотехнологиите в глобалната борба с новата коронавирусна инфекция

3.1. Широка концепция за нанотехнологията

Борбата с вирусните инфекции и заболявания е трудна поради няколко основни причини, но сред най-важните се нареждат бързите мутации във вирусния геном и последващата поява на нови варианти и щамове. Липсата на надеждни методи на лечение на тези инфекции предизвиква учените да изобретяват нови лекарствени форми, които да бъдат ефективни срещу голям брой вируси, едновременно [24]. Този подход обаче има основни недостатъци: получаването на нова лекарствена форма и нейното клинично изпитване, за доказване на безопасност и ефективност, отнема много дълго време [10]. Следователно, вниманието вече е насочено по-скоро към превенцията и към конструирането на алтернативни формули, които да действат в различни етапи от жизнения цикъл на вирусите. Счита се, че по този начин би могло да се повлияе на разпространението и развитието на инфекциите [33]. В тази връзка, тук е точното място да подчертаем ролята на нанотехнологиите, като един обещаващ подход в борбата с вирусните заболявания.

Основната концепция на науката „Нанотехнология“ е дадена от нобеловия лауреат за физика Ричард П. Фейнман, в негова лекция на тема “Има много място на дъното“, през 1959, по време на сбирка на Сдружението на американските физици [16]. Като цяло, нанотехнологията може да се дефинира като „дизайн и приложение на няколко материали и устройства, където поне един от компонентите е с размер по-малък от 100 нанометра“ [8]. Счита се, че развитието на нанотехнологиите се осъществява в три основни направления [46]: наноматериали, наноустройства и наносистеми.

Сред изброените три направления, наноматериалите се считат за най-бързо развиващата се сфера на нанотехнологиите. За да можем обаче напълно да разберем концепцията на нанотехнологията и на наночастиците в частност, то от съществено значение е да изясним термина „нано“. „Нано“ е една милиардна част от един метър (10-9) или казано иначе: един метър съдържа 1 млрд. нанометра. Размерите на наночастиците (NPs – NanoParticles) могат лесно да се обяснят и представят като се сравнят с размерите на различни биомолекули или с други по-големи неща, като тенис топка, например (Фигура 3). От фигурата ясно се вижда, че размерите на една ракова клетка са между 100 и 1000 пъти по-големи от размерите на наночастиците. Размерът на вирусните частици (включително и на SARS-CoV-2), обаче, е приблизително еднакъв с този на известните наночастици.

Фигура 3. Наночастици и техните размери.

Има няколко причини за интензивното изучаване на наночастиците. В тази връзка, някои от най-важните техни характеристики могат да бъдат дефинирани като: [8]:

• малък размер;
• подобрена разтворимост;
• повърхностна адаптивност;
• повърхностна адаптивност;

Всички гореспоменати характеристики на наночастиците ги правят подходящи за приложение върху тъкани по време на лечение, в персонализираната медицина и в диагностиката и превенцията на вирусни и бактериални заболявания. [49]. В обобщение можем да споменем, че сферите, в които нанотехнологиите могат да бъдат полезни са твърде разнообразни: в медицината (в разработването на лекарства и в тяхното приложение), в екологията (в третирането на замърсени води), в технологично отношение (в изобретяването на технологии за информация и комуникация) и други [4].

3.2. Нанотехнологиите в светлината на COVID-19

Според Campus и колектив [8], най-големият потенциал на нанотехнологиите в световната борба срещу SARS-CoV-2 би могъл да се реализира чрез 5 основни подхода (Фигура. 4):

1. разработване на нано-активирани (базирани) ЛПС;
2. разработване на нано-базирани анти-вирусни дезинфектанти и покрития за повърхности, способни да улавят и да унищожават вируса и по този начин да възпрепятстват неговото разпространение;
3. разработване на нано-сензори с висока специфичност, които да имат способност за бърза идентификация на вирусния агент и за разпознаване на имунологичния отговор в човешкото тяло;
4. разработване на нано-базирани лекарства за целева терапия, директно в белите дробове на пациентите, например. Счита се, че този тип лекарства имат повишена ефективност, намалена токсичност и забавено освобождаване;
5. разработване на нано-базирани ваксини;

Ретроспективно, спешната нужда от надеждни и ефективни методи за лечение на вирусните инфекции е подтиквало учените през годините да проучват различни естествени източници на активни съставки, като растителни екстракти, например [5]. За съжаление, за много от тези природни активни съставки е отчитана слаба ефективност поради лошата им разтворимост във вода, ниският добив, трудното култивиране на растенията и други. Счита се, че за да се увеличи терапевтичния ефект на растителните активни съставки те могат да се комбинират с нано-базирани материали [41].

Разработването на ваксини от ново поколение, базирани на наночастици, е сред обещаващите подходи в борбата с вирусните инфекции. Счита се, че тези иновативни ваксини имат някои предимства пред познатите до момента, като повишена доставка на антигени и повишен имунен отговор [2].

Фигура 4. Сфери на приложение на нанотехнологиите.

Няколко проучвания докладват приложението на наночастиците в разработването на покрития за повърхности. Предполага се, че тези покрития имат антивирусно и антибактериално действие и по този начин предотвратяват заразяването по т.нар. път на самозаразяване от контаминирани повърхности [26, 36]. Такъв иновативен продукт е бил произведен от Sisson and Hackemeyer. Изобретателите предлагат този продукт като подходящ за приложение на публични места с висок риск от вирусна контаминация, като бутони на асансьори, дръжки на врати и други. Продуктът бил наречен NanoTouch и представлявал нанокристално-базирано покритие, което се активира от светлината (Фигура. 5). Ефективността на това покритие срещу различни вирусни агенти, включително и SARS-CoV-2 била диказана [51].

Фигура 5. Самопочистващо се нано-базирано покритие, изобретено от NanoTouch/nanoSeptic.

Така или иначе, стратегията за прилагане на нано-базираните покрития с антивирусно и антибактериално действие е тясно свързана със стратегията за разработване на нано-базирани технологии за дезинфекция и санитизация. Така например, има данни за такъв нано-базиран дезинфектант, съдържащ инженерно проектирани водни наноструктури [56]. Неговото основно предимство е, че след приложение, този дезинфектант значително намалява количеството на патогенните микроорганизми. Друго основно предимство на този дезинфектант е, че за ефективна дезинфекция е необходимо сравнително малко количество от активната съставка.

Подобен комерсиален нано-базиран дезинфектант е бил използван за дезинфекция на сгради в Милано, Италия, по време на пандемията от COVID-19. Съставът на продукта е на основата на Ag и TiO2 наночастици и се произвежда от италианската нанотехнологична компания Nanotech Surface. Мениджърът на компанията тогава твърдял, че иновативната формула на препарата осигурява самопочистваща способност на обработените повърхности за до 2 години [52].

Въпреки всичко казано до тук трябва да отбележим, че както всички иновации в здравеопазването, лечението и превенцията, така и нано-базираните продукти трябва да бъдат оценени като безопасни и ефективни преди да бъдат внедрени в масовото производство. В тази връзка, индустриалните нанобиотехнологични компании трябва да предоставят солидни отговори по някои много важни въпроси, като безопасност и надеждност на продуктите, цена, законова регулация и други [8].

4. Нанотехнологично – активирани (базирани) ЛПС

Лесното, бързо и глобално разпространение на патогенния коронавирус SARS-CoV-2 изправя всеки отделен човек пред индивидуална борба с него. В ситуация на световна пандемия се налагат две основни предизвикателства: как може да се спре разпространението на инфекциозния агент или поне да се ограничи и как хората да се пазят от заразяване? Ежедневното използване на маски за лице и ръкавици по целия свят стана нормално явление дори при пребиваване на отворени пространства, където рискът от зараза е все пак висок. Както, обаче, е споменато и по-горе (Таблица 1), типът на ЛПС, препоръчвани от СЗО, може да бъде различен в зависимост от конкретната ситуация и степента на риск.

В тази връзка, качеството и ефективността на конвенционалните ЛПС става ключов въпрос. Така например, има достатъчно публикувани данни за вредния ефект от дългото носене на маски за лице. Сред някои от най-описваните оплаквания на хората са свързани с различни видове увреждане на кожата на лицето в зоната на носене на маската [14]. Допълнителни ограничения, които ограничават продължителното носене на маска за лице са ненадеждната защита и дискомфорта [43]. Според публикуваните данни за ефективността на конвенционалните маски става ясно, че те са изработени от материал, който не възпрепятства навлизането на вирусните частици към устатa и носа. Причините за това са две: от една страна е размерът на порите на маските, който е твърде голям (10-30 µm), а от друга – разстоянието между текстилните влакна, което също e твърде голямо и по никакъв начин не възпрепятства навлизането на 100 nm вирусна частица. Така например, конвенционалните маски, които се използват от медицинския персонал (хирурзи, медицински сестри, здравни работници и др.) не осигуряват надеждна защита тъй като вирусни частици с размери 80 nm могат спокойно да преминат през тях. Най-разпространените маски за лице, N95 и FFP2, защитават от вируси с размери по-големи от 100 nm [21]. Въпреки това, някои автори считат, че ако размерът на порите и разстоянието между текстилните влакна се намалят, то това би довело до нарушаване на дишането по време на носенето на маската. Това от своя страна би имало изключително сериозни последствия за организма на човека, като повишение на телесната температура и кръвното налягане [43].

Разработването и конструирането на иновативни нано-базирани материали може да се окаже ключът към преодоляване на всички гореспоменати ограничения по отношение на ефективността и безопасността на ЛПС. Според няколко проучвания, ЛПС (маски за лице, престилки и др.), които съдържат наноматериали в състава си, осигуряват: [50, 63]:

• по-добър комфорт;
• резистентност към микроорганизми (осигуряват защита от частици с размери под 50 nm) [11];
• повишена безопасност при работа с различни химични вещества;
• хидрофобност;
• липсата на отрицателен ефект върху другите материали;
• подобрено дишане (липса на отрицателен ефект върху дишането).

Според Campos и колектив, прилагането на наноматериали в производството на маски за лице има две основни предимства: i) маската играе ролята едновременно на бариера и на антимикробен агент, като резултатът е блокиране и унищожаване на вирусните и бактериални патогени; ii) намалява риска от самозаразяване на човек по време на свалянето на маската [8]. Още повече, вирусните частици се дезактивират след контакт с нано-повърхността на маската, като по този начин маските стават екологосъобразни, защото изхвърлянето им в околната среда не води до повишаване на вирусния титър.

На Таблица 2 са представени някои патенти за производството на ЛПС, съдържащи наноматериали в състава си.

Таблица 2. Патенти в производството на нано-базирани ЛПС.

ЛПС	Име на продукта	Приложение на наноматериала	Компания производител
Маски за лице
1.	Surgical Masks-ESpin Technologies	Приложение на нанофибри за улавяне на частици.	ESpin Technologies, Inc.-USA
2.	Defenser Series-Respirator masks	Приложение на Ag и Cu наночастици като покритие с антимикробно действие върху маските .	Nexera Medical-Canada
3.	The Guardian (valve)- reusable	Маските са с клапан и са покрити със Ag и Cu наночастици с антимикробно действие.	Nexera Medical-Canada
4.	The Guardian masks- reusable	Маските са с клапан и са покрити със Ag и Cu наночастици с антимикробно действие.	Nexera Medical-Canada
5.	MVX Nano Mask	Самопочистващи се маски, съдържащи наночастици от титан, сребро и зеолит.	MVX Prime Ltd
Ръкавици
1.	Everyday Protect Gloves L	Продуктът съдържа сребърни наночастици и активни съставки тиабендазол и Zn-пиритион.	Mapa Spontex- United Kingdom
2.	PADYCARE®	Продуктът е снабден с покритие от Ag наночастици с антибактериално действие.	TEXAMED® GmbH-Germany
3.	Chlorhexidine wash gloves	Продуктът съдържа Ag наночастици и 2% хлорхексидин; антибактериалния ефект се запазва много часове след употреба.	GAMA HEALTHCARE LTD.

Източник: Campos et al., 2020 [8]

Когато споменаваме наноматериали трябва да направим уточнението, че това са материали, които съдържат някаква нанострукура, например нановлакна, нанофибри и наночастици.

4.1. Нановлакна

Както споменахме по-горе, хидрофобността е едно от важните свойства на иновативните наноматериали. При нано-конструираните ЛПС тази хидрофобност се постига чрез използването на много тънки хидрокарбонови фибри познати като нановклана (Фигура 6). Благодарение на нановлакната се постига повишаване на повърхностното напрежение на текстилния материал и от там намаляване на неговата способност да адсорбира капки и други малки молекули [8].

4.2. Нанофибри

Една от обещаващите стратегии в производството на маски за лице е използването на нанофибри. Такава иновация е била патентована от Conlon [11]. Според същия автор „нанофибрите“ могат да бъдат няколко типа: електроспунови, протеинови, целулозни, бактериални, неорганични, хибридни или всяка друга подходяща комбинация от изброените. Средният диаметър на нанофибрите може да варира между 10 – 20 nm и 400 – 1500 nm. Предполага се, че способността на нанофибрите да действат като бариера за малките молекули и частици се дължи на два комбинирани процеса: i) улавяне на малките частици от самите нанофибри и ii) Брауновото движение на частиците. Следователно, колкото по-голяма е площта от нанофибри върху текстилния материал, толкова по-добра ще бъде ефективността на нанослоя по отношение на улавяшата и защитна способност. Патентът за маска за лице покрита със слой от нанофибри на Conlon [11] е представена на Фигура 7. Тя се състои от три основни слоя отбелязани като 33, 36, and 39 между които са инкорпорирани основните слоеве от нанофибри. Всеки основен слой има вътрешна и външна повърхност.

Фигура 6. Нановлакна прикачени към текстилна фибра.

In the situation of a global pandemic, people are using PPE every day and sometimes during the whole day. Hence, ensuring physical comfort when wearing Носенето на маски за лице беше задължително по време на пиковете на пандемията от COVID-19, а в някои страни дори и през останалото време. В тази връзка основен проблем се оказа дискомфорта, който много хора изпитват, когато носят маски за лице постоянно. Този дискомфорт най-често се описва като нараняване кожата на лицето и повишаване на температурата и влажността от вътрешната страна на маската. Освен това, тези две състояние са отлична предпоставка за повишен здравен риск поради създаването на благоприятна среда за развитие на микроорганизми. Често този дискомфорт се отдава на дебелината на маската, както споменахме и по-горе. Именно това е подтикнало група учени да създадат маска за лице, която да осигурява термалния комфорт по време на носене [62]. Маската се състои от комбинация от нанофибри, нанопорест полиетилен и слой сребро. Авторите твърдят, че такава маска има отличен охлаждащ ефект и осигурява добра защита.

Фигура 7. Маска за лице с вградени слоеве от нанофибри.

4.3. Наночастици

Обещаваща стратегия в производството на маски за лице с подобрена защита е използването на наночастици, които се влагат в текстилния материал. Разнообразни материали могат да служат като матрица за вграждането на наночастици: памук, целулоза, полиамид, полиестер, полиарамид, полиуретан и др. [8].

Колектив от учени изследвали антивирусният потенциал на ново синтезиран нанокомпозит, вграден в маска за лице. Този композит се състоял от наноматериал съставен от карбонови наночастици (C-dots) и поли винилидин флуорид (PVDF). Пълното наименование на нанокомпозита бил C-dot-PVDF филм [47]. Според получените резултати този нанокомпозит осигурявал хидрофобност на маската и по този начин намаляване на влажността. А както вече споменахме, колкото е по-ниска степента на влажност, толкова по-малка е вероятността от микробна контаминация на маската. Още повече, нанопорите, които се формирали от този нанокомпозит не повлиявали отрицателно въздухопотока през маската и осигурявали защита от частици с размери 100 nm и повече (Фигура 8).

Фигура 8. Маска за лице с вграден филм от нанокомпозит C-dot-PVDF.

It has been reported that carbon-based nanoparticles (for example Graphene and Graphene oxide) can bind to the viral particles and thus, destroy their outer structures [23]. В литературата се срещат и други данни за антивирусния ефект на карбоновите наночастици (например графен и графенов оксид). Предполага се, че този антиврусен ефект се постига след свързване на наночастиците с вирусните частици и разрушаване на техните външни структури [23]. Потенциалът на наночастиците от графен (G) и графенов оксид (GО) да действат като „оръжие“ срещу вирусни инфекциозни агенти е бил добре проучен. Такива наночастици са били добавяни към конвенционалните материали използвани при производството на ЛПС (памук и полиуретан). В едно такова проучване, разтвор съдържащ жизнеспособни вирусни частици, е бил филтруван през материя покрита с нанослой. Резултатите от този експеримент показали, че след филтруването способността на вирусните частици да причиняват инфекция била значително или напълно подтисната. Подобни резултати дават основание да се счита, че нано-базираните материали притежават потенциала да бъдат успешно включвани в борбата срещу сериозни вирусни инфекции, като тази причинявана от SARS-CoV-2. Още повече, според други автори включването на графена в конвенционални текстилни материали могат да ги направат по-здрави, по-проводими и устойчиви на огън, износване и UV светлина [6]. Освен това, разнообразни химични субстанции като молибденов сулфид, меден оксид, манганов диоксид, силиконов карбид и др. са добавяни към графенови композити в различни проучвания и техния антибактериален ефект също е бил доказан [42].

Металните наночастици също са алтернатива при производството на ЛПС. Това което се знае относно техния механизъм на антивирусно действие е, че той се състои от три основни етапа: i) блокиране на навлизането на вирусната частица в клетката гостоприемник; ii) стимулиране на производството на реактивните форми на кислорода (ROS), радикали и йони, които дезактивират основни функции на вирусните частици и iii) стимулиране на имунната система на макроорганизма [42]. Среброто и медта са сред металите, за които се знае, че имат универсално антимикробно действие. Няколко проучвания, обобщени от Campos и колектив, описват успешното влагане на тези метали в разнообразни текстилни материали [8]. Например, има докладвани данни за сребърни наночастици, композирани в силициев хибрид, които осигуряват добра антивирусна защита срещу инфлунца вирус, когата са добавяни към филтрите на маските [39]. Подобни резултати са съобщавани и за медните наночастици, включително относно доброто антивирусно действие срещу SARS-CoV [69].

От описаното до тук става ясно, че предимствата и переспективите на нано-инжинерните материали в производството на ЛПС са много. Обобщена информация касаеща тези предимства е показана на Фигура 9.

Фигура 9. Основни предимства на нано-базираните ЛПС.

5. Безопасност на нано-базираните продукти

Потенциалът на нанотехнологиите не би могъл да се ограничи до една сфера на действие. В настоящата лекция ние обсъждаме приложението конкретно на наночастиците, нанофибрите и нановлакната в производството на нано – активирани (базирани) ЛПС. Нанотехнологиите обаче имат по – широкообхватно приложение. В светлината на COVID-19 пандемията и начините за борба с инфекциозния агент, основните фокуси и надежди са насочени към иновативните научни постижения, особено в сферата на нанотехнологиите. Приложението им в медицината (т.нар. наномедицина) може да бъде разделено в няколко основни направления: диагностика, лечение и предпазване от вирусни/бактериални заболявания [8]. Освен, обаче, неуспоримите предимства на нанотехнологиите, има някои важни въпроси, касаещи безопасното приложение на наночастиците, които трябва обезотелно да бъдат обсъдени. Ограничения в прилагането на нано-базираните подходи в медицината могат да бъдат възникнат поради някои предизвикателства касаещи производството на такива материали, безопасното приложение и освобождаване в околната среда след употреба. Основните аспекти, заслужаващи специално внимание могат да бъдат класифицирани по следния начин: [8]:

• оценка на безопасното приложение в/върху човешкото тяло– за някои наночастици включвани в маски за лице, като сребърните например, е докладвано вредно влияние върху различни части на тяло (бял дроб, кръвообращение и сърце) ако те бъдат вдишани [20]. Подобни данни има и за токсичност на наночастиците от TiO2 върху тялото на човека, а така също и за канцерогенен ефект на карбоновите нанотуби [31, 54]. Следователно, нужно е да бъдат провеждани по-задълбочени тестове in vivo, за да бъде доказана безопасността на наночастиците, влагани в материалите за производство на ЛПС или лекарства, които ще бъдат в близък контакт с външните и вътрешните повърхности на човешкото тяло [8].
• оценка на безопасността за околната среда– ефектът на наночастици, свободно освобождавани в околната среда също е важно да бъде проучван. Така например, има доказателства за сериозния токсичен ефект на сребърни и медни наночастци върху морски екосистеми [3]. Обобщените данни, за евентуалния отрицателен ефект на наночастиците за околната среда, към настоящия момент са доста оскъдни и е нужно да бъдат допълвани постоянно. [54].
• разработване на универсален протокол за широкообхватно характеризиране на нови наночастици– да бъдат включени биологични, физични, химични тестове и други. Според Palmieri и колектив, отговорността за това трябва да бъде на правителствата и всички компании производители трябва да спазват приетите правила [38].
• адаптиране на унверсална дефиниция на термина „нанматериали“ [57];
• внимателна оценка на възможностите на дадено производство да отговори на търсенето на пазара [8].

Нуждата от надеждни решения свързани с предпазването на хората от остри вирусни инфекции и лечението на заболяванията причинени от тях е от съществено значение. В тази връзка, нанотехнологиите имат светло бъдеще в тези сфери на живота.

---

Тест LO 1.2

---

Литература

1. Adelodun B., Ajibade F.O., Tiamiyu A.G.O, Nwogwu N.A., Ibrahim R.G et al. (2021). Monitoring the presence and persistence of SARS-CoV-2 in water-food-environmental compartments: State of the knowledge and research needs. Environmental Research 200 111373; https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111373
2. Al-Halifa S., Gauthier L., Arpin D., Bourgault S. and Archambault D. (2019). Nanoparticle- based vaccines against respiratory viruses. Front Immunol.2019;10:22.
3. Baker T.J., Tyler C.R. and Galloway T.S. (2014). Impacts of metal and metal oxide nanoparticles on marine organisms, Environ. Pollut. 186 257–271.
4. Benelmekki, M. (2015). An introduction to nanoparticles and nanotechnology. Chapter 1. In: Designing Hybrid Nanoparticles. IOP Concise Physics. Morgan & Claypool Publishers
5. Ben-Shabat S., Yarmolinsky L., Porat D. and Dahan A. (2020). Antiviral effect of phytochemicals from medicinal plants: applications and drug delivery strategies. Drug Deliv. Transl. Res. 10:354–67.
6. Bhattacharjee S., Joshi R., Chughtai A.A. and Macintyre C.R. (2019). Graphene modified functional personal protective clothing, Adv. Mater. Interfaces 6, 1900622.
7. Bivins A., Greaves J., Fischer R., Yinda K.C., Ahmed,W., Kitajima M., Munster V.J. and Bibby K. (2020). Persistence of SARS-CoV-2 in water and wastewater. Environ. Sci. Technol. Lett. 7 (12), 937–942. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.0c00730.
8. Campos E.V.R., Pereira A.E.S., de Oliveira J.L., Carvalho L.B., Guilger‑Casagrande M., de Lima R. and Fraceto L.F. (2020). How can nanotechnology help to combat COVID‑19? Opportunities and urgent need. Nanobiotechnol; 18:125, https://doi.org/10.1186/s12951-020-00685-4
9. Chan J.F-W, Yuan S., Kok K-H., et al. (2020). A familial cluster of pneumonia associated with the 2019 novel coronavirus indicating person-to-person transmission: a study of a family cluster. Lancet https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30154-9.
10. Chen W-H, Strych U., Hotez P.J. and Bottazzi M.E. (2020). The SARS-CoV-2 vaccine pipeline: an overview. Curr Trop Med Rep. 7:61–4.
11. Conlon, M. (2014). A facemask having one or more nanofiber layers. 2014. https://paten ts.googl e.com/paten t/WO201 41430 39A1/en. Accessed 27 Apr 2020.
12. Dai M., Li H., Yan N., Huang J., Zhao L., Xu S., Wu J., Jiang S., Pan C. And Liao M. (2021). Long-term survival of SARS-CoV-2 on salmon as a source for international transmission. J. Infect. Dis. 223, 537–539. https://doi.org/10.1093/infdis/jiaa712.
13. Dowell S.F., Simmerman J.M., Erdman D.D., Wu J.S., Chaovavanich A., Javadi M., et al. (2004). Severe acute respiratory syndrome coronavirus on hospital surfaces. Clin Infect Dis; 39: 652e7.
14. Elston, D.M. (2020). Occupational skin disease among health care workers during the coronavirus (COVID-19) epidemic. J Am Acad Dermatol. 82: 1085–6.
15. Fact Sheet. Personal Protective Equipment for Engineered Nanoparticles. Sponsored by the AIHA® Nanotechnology Working Group, Date Reviewed: October 2018.
16. Feynman, R. P. (1960). There’s plenty of room at the bottom Engineering and Science 23 22–36
17. Gholipour S., Mohammadi F., Nikaeen M., Shamsizadeh Z., Khazeni A., Sahbaei Z.,Mousavi S.M., Ghobadian M. and Mirhendi H. (2021). COVID-19 infection risk from exposure to aerosols of wastewater treatment plants. Chemosphere 273, 129701. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.129701.
18. Giacobbo A., Rodrigues M.A.S., Ferreira J.Z., Bernardes A.M. and de Pinho, M.N. (2021). A critical review on SARS-CoV-2 infectivity in water and wastewater. What do we know? Sci. Total Environ. 145721 https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145721
19. Gorbalenya A.E., Baker S.C., Baric R.S., de Groot R.J., Drosten C., Gulyaeva A.A., Haagmans B.L., Lauber C., Leontovich A.M., Neuman B.W.; Penzar, D., Perlman S., Poon L.L.M., Samborskiy, D.V., Sidorov I.A., Sola I. and Ziebuhr J. (2020). Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of Viruses. The Species Severe Acute Respiratory Syndrome-Related Coronavirus: Classifying 2019-nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nat. Microbiol. 5, 536−544.
20. Hadrup N., Sharma A.K., Loeschner K. and Jacobsen N.R. (2020). Pulmonary toxicity of silver vapours, nanoparticles and fine dusts: a review, Regul. Toxicol. Pharmacol. 115, 104690.
21. Herron J.B.T., Hay-David A.G.C., Gilliam A.D. and Brennan P.A. (2020). Personal protective equipment and Covid 19—a risk to healthcare staff? Br J Oral Maxillofac Surg. 58(5):500–2.
22. Huang C., Wang Y., Li X., Ren L., Zhao J., Hu Y., Zhang L., et al. (2020). Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet 2020; 395: 497–506, https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30183-5.
23. Innocenzi P. and Stagi L. (2020). Carbon-based antiviral nanomaterials: graphene, C-dots, and fullerenes. A perspective. Chem Sci. 2020;11(26):6606–22.
24. Jackman J.A., Lee J. and Cho N-J. (2016). Nanomedicine for infectious disease applications: innovation towards broad-spectrum treatment of viral infections. Small, 12:1133–9.
25. Kampf G., Todt D., Pfaender S. and Steinmann E. (2020). Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. J. Hosp. Infect. 104, 246–251. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2020.01.022.
26. Karunanayake L.I., Waniganayake Y.C., Gunawardena K.D.N., Padmaraja S.A.D., Peter D., Jayasekera R., et al. (2019). Use of silicon nanoparticle surface coating in infection control: experience in a tropical healthcare setting. Infect Dis Health. 24:201–7.
27. Kramer A., Schwebke I. and Kampf G., (2006). How long do nosocomial pathogens persist on inanimate surfaces? A systematic review. BMC Infect. Dis. 6, 130. https://doi.org/ 10.1186/1471-2334-6-130.
28. Lednicky J.A., Lauzardo M., Alam M.M., Elbadry M.A., Stephenson C.J., Gibson J.C. and Morris J.G. (2021). Isolation of SARS-CoV-2 from the air in a car driven by a COVID patient with mild illness. Int. J. Infect. Dis. 103108. https://doi.org/10.1016/j.ijid.2021.04.063.
29. Lednicky J.A., Lauzard M., Fan Z.H., Jutla A., Tilly T.B., Gangwar M., Usmani M., et al. (2020). Viable SARS-CoV-2 in the air of a hospital room with COVID-19 patients. Int. J. Infect. Dis. 100, 476–482. https://doi.org/10.1016/j.ijid.2020.09.025
30. Lee Y.J., Kim J.H., Choi B.S., Choi J.H. and Jeong Y.I. (2020). Characterization of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 stability in multiple water matrices. J. Kor. Med. Sci. 35, 1–5. https://doi.org/10.3346/jkms.2020.35.e330.
31. Luo Z., Li Z., Xie Z., Sokolova I.M, Song L., Peijnenburg W.J.G.M., Hu M. and Wang Y. (2020). Rethinking nano‐TiO2 safety: overview of toxic effects in humans and aquatic animals, Small 2002019.
32. Mahl M.C. and Sadler C. (1975). Virus survival on inanimate surfaces. Can. J. Microbiol. 21, 819–823. https://doi.org/10.1139/m75-121.
33. Mohammadi P.P, Fakhri S., Asgary S., Farzaei M.H. and Echeverrнa J. (2019). The signaling pathways, and therapeutic targets of antiviral agents: focusing on the antiviral approaches and clinical perspectives of anthocyanins in the management of viral diseases. Front Pharmacol. 10:1207.
34. Mohapatra H.S., Chatterjee A. and Maity S. (2013). Nanotechnology in Fibres and Textiles. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2, 5:2277-3878.
35. Newey C.R., Olausson A.T., Applegate A., Reid A-A., Robison R.A. and Grose J.H. (2022). Presence and stability of SARS-CoV-2 on environmental currency and money cards in Utah reveals a lack of live virus. PLoS ONE 17(1): e0263025. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0263025.
36. Orti-Lucas R.M. and Muсoz-Miguel J. (2017). Effectiveness of surface coatings containing silver ions in bacterial decontamination in a recovery unit. Antimicrob Resist Infect Control. 6:61.
37. Otter J.A., Donskey C., Yezli S., Douthwaite S., Goldenberg S.D. and Weber D.J. (2016). Transmission of SARS and MERS coronaviruses and influenza virus in healthcare settings: the possible role of dry surface contamination. J Hosp Infect. 92:235e50.
38. Palmieri V., De Maiod F., De Spiritob M. and Papib M. (2021). Face masks and nanotechnology: Keep the blue side up. Elsevier, Nano Today 37 (2021) 101077. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2021.101077
39. Park S., Ko Y-S., Lee S.J., Lee C., Woo K. and Ko G. (2018). Inactivation of influenza A virus via exposure to silver nanoparticle-decorated silica hybrid composites. Environ Sci Pollut Res. 25: 27021–30.
40. Perry K.A., Coulliette A.D., Rose L.J., Shams A.M., Edwards J.R. and Noble-Wang J.A. (2016). Persistence of Influenza A (H1N1) virus on stainless steel surfaces. Appl. Environ. Microbiol. 82, 3239–3245. https://doi.org/10.1128/AEM.04046-15.
41. Praditya D., Kirchhoff L., Brьning J., Rachmawati H., Steinmann J. and Steinmann E. (2019). Anti-infective properties of the golden spice curcumin. FrontMicrobiol. 10: 912.
42. Ray S.S. and Bandyopadhyay J. (2021). Nanotechnology-enabled biomedical engineering: Current trends, future scopes, and perspectives. Nanotechnology Reviews 2021; 10: 728–743 https://doi.org/10.1515/ntrev-2021-0052
43. Ren G., Oxford P.J.S., Reip P.W., Lambkin-Williams R. and Mann A. (2020). Anti-viral formulations nanomaterials and nanoparticles. 2013. https ://patents.googl e.com/paten t/US201 30091 611/de. Accessed 27 Apr 2020.
44. Ren T. and Tang Y. (2020). Accelerate the promotion of mobile payments during the COVID- 19 epidemic. Innovation 1, 100039. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100039.
45. Report of clustering pneumonia of unknown etiology in Wuhan City. Wuhan Municipal Health Commission, 2019. (http://wjw .wuhan .gov .cn/ front/ web/ showDetail/ 2019123108989).
46. Salata, O.V. (2004). Applications of nanoparticles in biology and medicine.Journal of Nanobiotechnology, 2:3 http://www.jnanobiotechnology.com/content/2/1/3
47. Singh S., Shauloff N., Sharma C.P., Shimoni R., Arnusch C.J. and Jelinek R. (2021). Carbon dot-polymer nanoporous membrane for recyclable sunlight-sterilized facemasks. J Colloid Interface Sci. 592(5):342–8.
48. Sizun J., Yu M.W. and Talbot P.J. (2000). Survival of human coronaviruses 229E and OC43 in suspension and after drying onsurfaces: a possible source ofhospital-acquired infections. J. Hosp. Infect. 46, 55–60. https://doi.org/10.1053/jhin.2000.0795.
49. Soares S., Sousa J., Pais A. and Vitorino C. (2018). Nanomedicine: principles, properties, and regulatory issues. Front Chem. 6:360.
50. Spagnol C., Fragal E.H., Pereira A.G.B., Nakamura C.V., Muniz E.C., Follmann H.D.M., et al. (2018). Cellulose nanowhiskers decorated with silver nanoparticles as an additive to antibacterial polymers membranes fabricated by electrospinning. J Colloid Interface Sci. 531: 705–15.
51. (2020). Mineral nanocrystal-based coating activated by light kills coronavirus STATNANO. 2020. https://nanotouch.com/; Accessed 7 Aug 2020.
52. (2020). Coronavirus: nanotech surface sanitizes Milan with nanomaterials remaining self-sterilized for years | Coronavirus: Nanotech Surface Sanitizes Milan with Nanomaterials Remaining Self-sterilized for Years | STATNANOAccessed 28 Apr 2020.
53. Tiwari A., Patnayak D.P., Chander Y., Parsad M. and Goyal S.M. (2006). Survival of two avian respiratory viruses on porous and nonporous surfaces. Avian Dis. 50, 284–287. https://doi.org/10.1637/7453-101205R.1.
54. Valdiglesias V. and Laffon B. (2020). The impact of nanotechnology in the current universal COVID-19 crisis. Let’s not forget nanosafety!, Nanotoxicology 14 1013–1016.
55. van Doremalen N., Bushmaker T., Morris D.H., Holbrook M.G., Gamble A., Williamson B.N., Tamin A., et al. (2020). Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. N. Engl. J. Med. 382, 1564–1567. https://doi. org/10.1056/NEJMc2004973.
56. Vaze N., Pyrgiotakis G., McDevitt J., Mena L., Melo A., Bedugnis A., et al. (2019). Inactivation of common hospital acquired pathogens on surfaces and in air utilizing engineered water nanostructures (EWNS) based nanosanitizers. Nanomed Nanotechnol Biol Med. 18:234–42.
57. Wacker M.G., Proykova A. and Santos G.M.L. (2016). Dealing with nanosafety around the globe-regulation vs. innovation. Int J Pharm. 509:95–106.
58. Wang C., Horby P.W., Hayden F.G. and Gao G.F. (2020).A novel coronavirus outbreak of global health concern. The Lancet, Vol 395, ISSUE 10223, P470-473, DOI: https://doi.org/10.1016/S0140-6736(20)30185-9
59. World Health Organization. Situation Report – 51; https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/situation-reports/20200311-sitrep-51-covid-19.pdf?sfvrsn=1ba62e57_10.
60. World Health Organization. Rational use of personal protective equipment for coronavirus disease 2019 (COVID-19). Interim guidance. 27 February 2020.
61. Xu R., Cui B., Duan X., Zhang P., Zhou X. and Yuan Q. (2020). Saliva: potential diagnostic value and transmission of 2019-nCoV. International Journal of Oral Science 12:11; https://doi.org/10.1038/s41368-020-0080-z
62. Yang A.L., Zhang C.R, Wang J., Hsu P.C, Wang H., Zhou G., Xu J., Cui Y. (2017). Thermal management in nanofiber-based face mask, Nano Lett. 17 3506–3510.
63. Yetisen A.K., Qu H., Manbachi A., Butt H., Dokmeci M.R., Hinestroza J.P., et al. (2016). Nanotechnology in textiles. ACS Nano. 10: 3042–68.
64. Zaki A.M., van Boheemen S., Bestebroer T.M., Osterhaus A.D. and Fouchier R.A. (2012). Isolation of a novel coronavirus from a man with pneumonia in Saudi Arabia. N Engl J Med .367:1814-20.
65. Zaneti R.N., Girardi V., Spilki F.R., Mena K., Westphalen A.P.C., da Costa Colares E. R., Pozzebon A.G. and Etchepare R.G. (2021). Quantitative microbial risk assessment of SARS-CoV-2 for workers in wastewater treatment plants. Sci. Total Environ. 754, 142163. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.142163.
66. Zhang D., Yang Y., Huang X., Jiang J., Li M., Zhang X., Ling H., et al. (2020). SARS-CoV-2 spillover into hospital outdoor environments. medRxiv 86, 05.12.20097105.
67. Zhong N.S., Zheng B.J., Li Y.M., et al. (2003). Epidemiology and cause of severe acute respiratory syndrome (SARS) in Guangdong, People’s Republic of China, in February, 2003. Lancet 362: 1353–58.
68. Zhu N., Zhang D., Wang W. et al. (2020). A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. N. Engl. J. Med. 382(8), 727–733 (2020).
69. ФУДЖИMOPИ И., ДЖИКИXИPA И., CATO T., ФУКУИ Й., HAКAЯMA Ц. (2020). Virus inactivating cloth. 2015. https ://paten ts.googl e.com/paten t/RU255 0922C 2/en. Accessed 27 Apr 2020.

Резюме

Вирусът, причиняващ COVID19 може да бъде разпространен от човек на човек чрез малки водни частици, наречени аерозоли. Тези аерозоли се образуват при дихателните процеси и още повече при говор, крещене или пеене. Аерозолите са различни от големите капки, разпространяващи COVID 19. Големите капки падат на земята по-бързо. Те стигат на разстояние от три до шест метра от човека който ги образува. Аерозолите могат да присъстват във въздуха с часове и да се разпространяват на дълги разстояния. Аерозолите съдържат по-малко вирусни частици от по-големите капки. Поради тази причина, за да се осъществи инфекция, трябва да бъдат вдишани повече аерозоли. Аерозолите могат да се натрупат ако въздуха не циркулира правилно. Предаването на вируси по въздушно-капков път зачестява през зимните месеци, тъй като хората прекарват повече време в затворени пространства и често е твърде студено, за да се държат отворени прозорците. През зимата въздуха е по-сух, особено в отопляеми пространства. Сухия въздух уврежда лигавицата на респираторния тракт и улеснява навлизането на вируса в дихателните пътища. Това означава и че по-малки аерозоли могат да присъстват за по-дълго във въздуха. По този начин разпространението на COVID-19 по въздушно-капков път е очаквано да бъде по-често срещано по време на зимните месеци. При непълна ваксинация носенето на маски и потдържане на разстояние на поне един метър от останалите хора, както и добрата въздушна циркулация (вентилация) в сградите, училищата и домовете, както и системите за пречистване на въздуха могат да намалят разпространението на COVID-19.

Ключови думи/фрази:  филтрационни системи за пречистване на въздуха, нанотехнологии, COVID-19

1. Въведение

COVID-19 накара човешката популация да преосмисли начина си на живот. Заплахата, породена от потенциалното разпространение на вируса по въздушно-капков път чрез вентилационни системи в сгради и затворени пространства, дава повод за притеснение. За да намалят тази заплаха, изследователите откриха различни технологии и методики за елиминиране или намаляване на концентрацията на вируса във вентилационни системи и закрити пространства. Въпреки, че вече са проучени много технологии и методи, някои вече комерсиално достъпни, тяхната ефикасност и безопасност все още не е напълно изследвана. Тази статия съдържа кратък преглед на различни приложими технологии и методи за борба с вируси, предавани по въздушно-капков път във вентилационни системи и закрити пространства, с цел да бъде придобит по-широк поглед и обобщение върху настоящата научноизследователска и развойна дейност. Това включва ефикасна въздушна филтрация, йонизация на въздуха, контрол на средата, ултравиолетово гермицидно облъчване, нетермична плазма и реактивоспособни кислородни видове, филтърни покрития, химични дезинфектанти и топлинно инактивиране. Тази статия дава информация за системи за филтриране на въздуха, които предотвратяват разпространението на вируси.

COVID-19 принуди човешката популация да се адаптира бързо в следствие на новия и силно заразен вирус. Начините за трансмисия на вируса не са напълно ясни. Въпреки това е прието, че вируса може да бъде предаван чрез въздуха, чрез пряк контакт с друго лице или чрез изпаряващи се респираторни капки под формата на капкови ядра, които могат да останат разтворени за дълго време като аерозоли [23, 20, 7]. Тези арозоли могат да преминат през вентилационни системи в сгради и закрити пространства и да достигнат до други зони, далеч от инфектираните лица [6, 14]. Макар че има спор относно сериозността на заплахата, породена от тези въздушни капки, ясно е че начина на трансмисия в затворени пространства не може да бъде игнориран. Още повече, скорошно проучване дори допуска, че предаването по въздушно-капков път може да бъде основния начин за пренос на вируса (Фиг.1) [6].

Въпреки че COVID-19 не е напълно проучен, много уроци бяха научени от предишни вируси, предавани по въздушно-капков път. Такива са например туберкулозата и различни щамове на грипния вирус [14, 21]. От основни знания за това как се разпространяват вирусите следва, че в неинфектиран индивид трябва да навлезе определено количество вирус, за да се увеличи вирусния товар и това да доведе до нова инфекция. В епидемиологичната литература обикновено това се дефинира като квант- броя на инфекциозните въздушни частици, необходими за инфектирането на 63% от индивидите в определено закрито пространство [22]. Това е основен критерий за много модели, целящи да придадат количествена мярка на възможността за инфекция без досег до даден патоген. Този модел се базира на предположение за добре смесен състав на въздуха, което е подкрепено в литературата [19, 2, 26]. Това предполага, че частиците са равномерно разпределени в затворено пространство, вместо да образуват малък облак от аерозоли, разпръснати около инфектирания индивид. Разпространението и ефекта на инфекцията се определят от фактори като вирусен товар, дихателна честота, концентрация на капковия обем, отделен от инфектирания индивид, броя вирусни частици необходими за иницииране на инфекцията и обема на затвореното пространство.

Фигура 1. Риск от инфекция посредством въздушни капки.

Математически, квантовата емисионна скорост се определя от вирусния товар, дихателната честота, концентрацията на капковия обем, отделен от инфектирания индивид и броя вирусни частици необходими за иницииране на инфекцията. Ефектите за намаляване възможността от инфекция включват фактори като въздушен обмен, скорост на филтрация на въздуха, капково утаяване, скорост на капково утаяване, скорост на инактивиране и радиус на частиците.

Следователно, няколко ключови фактора могат да бъдат считани като възможни методи за премахване на вирусни частици от затворени пространства и по този начин да намалят възможността от инфекция. Те са (Фиг.2):

• Увеличаване на потока на свеж въздух и съответно намаляване на квантовата концентрация;
• Увеличаване на филтрационната скорост на HVAC системата;
• Увеличаване на скоростта на отлагане на вирусни частици върху повърхности;
• Увеличаване на вирусната инактивация.

Фигура 2. Подобряване на качеството на въздуха в затворени пространства с цел предотвратяване на разпространението на COVID-19.

 

Въпреки че са различни по дефиниция, увеличаването на скоростта на отлагане на вирусните частици може да се счита като сходна на увеличаване на скоростта на седиментация. Седиментацията представлява утаяване на частици върху земята или други повърхности благодарение на гравитационните сили. Въпреки това, частиците във въздуха могат да се натрупват върху стени и други повърхности поради механизми като например неестествена дифузия за седиментация на частици. Центровете за контрол и превенция на заболяванията (CDC) и Световната здравна организация (WHO) потвърждават възможността за премахване на вирусни частици чрез обмен на въздуха [8, 4]. Те препоръчват увеличаване на потока от свеж въздух като прост начин за намаляване на концентрацията на вирусни частици в затворено пространство. Йонизацията на въздуха също може да бъде използвана за увеличаване на скоростта на премахване на вирусни частици от затворено пространство, чрез увеличаване на филтрационната ефективност и отлагането на частици. За стерилизиране на въздуха и обезвреждане на вируса са достъпни различни методи. По този начин се увеличава скоростта на вирусната инактивация и се намалява необходимостта от премахване на частици от въздуха. В тази връзка може да бъде изброено следното:

• Ултравиолетово гермицидно облъчване (UVGI).Това е традиционно популярна технология за борба с вируси, предавани по въздушно-капков път (Фиг.3).
• Контрол на температура и относителна влажност на въздуха.. Счита се, че чрез директно контролиране на условията на средата може да бъде създадена неблагоприятна среда за вируси и по този начин да бъде увеличена естествената скорост на вирусна инактивация. Това включва контролиране на температурата и относителната влажност на въздуха, за да бъде поддържана неподходяща за вируса среда.
• Нетермична плазма и реактивоспособни кислородни видове.. Те предлагат други алтернативи за вирусна инактивация и са доказано ефективни срещу бактерии и други микроорганизми.
• Използване на филтърни покрития.. Друг възможен метод е използването на филтърни покрития, които улесняват вирусната инактивация чрез антимикробните си качества или чрез директно увреждане на вируса.
• Химични дезинфектанти.. Химичните дезинфектанти също са доказано ефективни в премахването на вируси от повърхности и могат да предоставят други решения за увеличаване на вирусната инактивация.
• Свръхтоплинна стерилизация.. Свръхтоплинната стерилизация може да предложи друго надеждно решение за инактивиране на вирусните частици, въпреки че традиционно се използва за стерилизиране на хирургично оборудване в по-малък мащаб.

Фигура 3: Подобряване на вентилацията и филтрирането на въздуха в жилищни и работни пространства за предотвратяване разпространението на COVID-19.

2. Филтрация на въздуха и SARS-CoV-2

Въздушната филтрация се превърна в критична интервенция при справяне с разпространението на коронавирусното заболяване от 2019г. (COVID-19). Въпреки това правилното поставяне на въздушни филтрационни системи е възпрепятствано от лошото разбиране на техните принципи. Тези погрешни разбирания водят до съмнителна ефикасност на въздушната филтрация при спирането на потенциални инфекциозни аерозолни частици. Правилното разбиране за начина на работа на въздушните филтрационни системи е критично при вземането на решения, свързани с предотвратяване на разпространението на COVID-19. Този проблем е значителен тъй като скорошни доказателства показват, че вируса SARS-CoV-2 може да остане във въздуха по-дълго време и да бъде пренасян по-далече, отколкото по-ранни очаквания, с намалени концентрации и жизнеспособност. SARS-CoV-2 вирионите са с големина около 60-140 nm в диаметър. Открито е, че вирионите могат да бъдат носени от по-големи респираторни капки и замърсители на въздуха (>1 µm). Премахването от въздуха на такива частици, носещи SARS-CoV-2, е възможно чрез въздушна филтрация, базирана на естествено или механично движение на въздуха. Сред различните типове въздушни филтри, препоръчителни за употреба са HEPA филтрите (високоефективни филтри за частично задържане). Други типове филтри могат да бъдат повече или по-малко ефективни и съответно да пречистват по-лесно или по-трудно въздуха. Използването на маски, респиратори, модули за въздушна филтрация и друго специално оборудване е една важна интервенция при справяне с разпространението на COVID-19. Разглеждането на въздушните филтрационни механизми и разбирането на това как аерозолните частици, съдържащи SARS-CoV-2 вириони, взаимодействат с филтърните материали е от критично значение. По този начин могат да бъдат идентифицирани най-добрите практики за филтриране на въздуха, за да бъде намалено разпространението на COVID-19.

Има все повече доказателства, че вирусът на тежкия остър респираторен синдром (SARS-CoV-2) може да остане във въздуха за дълги периоди от време. Някои от вирионите на SARS-CoV-2 могат да останат жизнеспособни за поне три часа след аерозилиране [31]. SARS-CoV-2 PCR положителни частици по-големи от 1 μm в диаметър са детектирани в стаи, обитавани от пациенти с COVID-19 [5]. В друго проучване, SARS-CoV-2 РНК е детектирана в аерозолна фаза на разстояние най-малко 3 метра от инфектирани хора в затворено помещение [15]. SARS-CoV-2 РНК е намерена също и в замърсители, циркулиращи във въздуха [24].

Диаметъра на SARS-CoV-2 вирионите е около 60-140 nm [39]. При издишване много респираторни капки, които могат да съдържат вириони, са значително по-големи от самите вириони. Изпаряването на капките намалява размера им [39], позволявайки потенциални инфекциозни частици да останат във въздуха за значително по-дълъг период от време. Наблюдава се, че сухи пръски с диаметър от около 4 μm формират получени при говор мокри такива от 12 μm до 21 μm поради изсушаване. За падането на тези сухи пръски в неподвижен въздух, на 30 cm разстояние отнема около 8 минути [35]. При ниска температура на околната среда, издишания въздух с висока влажност може да стане свръхнаситен. След това влагата кондензира върху частиците, отделени от човека, превръщайки ги в капки или по-големи ледени кристали. Вирионите на SARS-CoV-2 могат да оцелеят по-дълго време в такива капки или ледени кристали. Това е една важна хипотеза която трябва да бъде тествана в бъдещи проучвания. По този начин условията на околната среда и аерозолната динамика може да повлияват значително размера на вдишаните частици и жизнеспособността на SARS-CoV-2 вирионите в аерозолни частици, опосредстващи разпространението по въздушно-капков път в открити и затворени пространства. Огнищата на COVID-19 в кланици и ски курорти могат да се дължат, или поне от части, на аерозолната динамика на студения въздух.

Премахването на частици, които могат да носят SARS-CoV-2, от въздуха чрез специализирано оборудване за въздушна филтрация и маски или респиратори е една важна интервенция при справяне с разпространението на COVID-19. Въпреки това, лошото разбиране за това как работи въздушната филтрация и погрешни разбирания, свързани с концепцията за ефективна филтрация на аерозолни частици с различни размери, възпрепятстват ефективното внедряване на въздушната филтрация. За да бъдат идентифицирани най-добрите частици за целите на въздушната филтрация в справянето с проблема за разпространение на COVID-19, от изключителна важност е да бъдат разгледани механизмите за въздушна филтрация и да бъдат разбрани начините на взаимодействие на аерозолните частици, съдържащи SARS-CoV-2 вириони, и филтърните материали.

За въздушна филтрация, ефективните въздушни филтри (EPA), високо ефективните въздушни филтри (HEPA) (Фиг.4) и въздушни филтри за много фино пречистване (ULPA) се използват широко в различни отрасли и приложения от много години [25]. HEPA филтрите се препоръчват за инфекциозен контрол в болнични заведения [13, 10] поради баланса на по-високо ефективната филтрация и по-ниското съпротивление на въздушния поток в сравнение с ULPA филтрите. HEPA филтрите биват използвани често и в неболнични среди, където могат да присъстват инфекциозни агенти предавани по въздушно-капков път. Такива примери включват филтрация на рециркулиращ въздух в пътнически самолет и ламинарни боксове в лаборатории, включително такива в които се извършва работа със SARS-CoV-2 [37].

Обикновено абревиатурата HEPA се интерпретира като високоефективни филтри за частично задържане. И двете версии на този термин биват широко използвани и няма разлика между тях. Министерството на енергетиката на Съединените щати и Агенцията по опазване на околната среда на Съединените американски щати (EPA) определят HEPA въз основа на минимум 99.97% ефективност при тестване с аерозоли с диаметър 0.3 μm [36]. Агенцията по опазване на околната среда в САЩ определя диаметър от 0.3 μm като „размер на частиците с най-голяма проникваща способност“ (MPPS). Въпреки това, MPPS може да варира около 0.3 μm с абсолютна стойност зависеща от естеството на аерозолните частици, типа на филтърния материал и обема на преминаващия въздух [25]. Частици с по-голям или по-малък размер от MPPS се задържат с ефикасност по-голяма от 99.97% [32]. Концепцията за MPPS противоречи на общото погрешно схващане, че филтрационната ефективност намалява за частици по-малки от MPPS (например по-малки от 0.3 μm). Това погрешно разбиране допринесе за прилагането на по-ранни подходи, които бяха подведени от предположението, че SARS-CoV-2 вирионите са прекалено малки, за да бъдат ефективно филтрирани от въздуха.

Фигура 4. HEPA филтри.

Препоръчва се инсталиране на HEPA филтри в изходите на вентилационни системи в заведения за интензивна грижа на хора, заразени със SARS-CoV-2. Използването на фиксирани (вентилационни системи в сградите) и подвижни HEPA филтрационни системи със или без въздушна рециркулация (пречистватели на въздуха за закрити пространства) се препоръчват за употреба в болнични пространства от Американските центрове за контрол и профилактика на заболяванията и Световната здравна организация, включително и в места където пребивават пациенти заразени със SARS-CoV-2 [10]. Спецификациите за минимална филтрационна ефикасност на HEPA филтрите се регулират от национални и международни стандарти. Двата най-широко използвани стандарта са ISO 29463 стандарт и европейския EN1822 стандарт. Различията между двата стандарта могат да бъдат съгласувани. Например, HEPA филтър сертифициран по EN 1822, филтърен клас H14, трябва да задържа най-малко 99.995% от аерозолните частици с MPPS. EN 1822, филтърен клас H14, е сравним с ISO 45 H. Налични са многостъпални протоколи за тест на филтрите, за да бъде верифицирано съответствието им с изискванията на стандартите [12, 18]. Когато се появи механично въздушно движение между филтрите, от изключително значение е да бъде избегната появата на силни насочени въздушни потоци. Наскоро бяха изразени притеснения, че такива въздушни потоци могат да разпръснат нефилтриран въздух, съдържащ инфекциозни частици, и да ги отведат по-бързо и на по-голямо разстояние, отколкото те могат да дифундират в неподвижен въздух [11].

Към филтърните материали могат да бъдат добавени антивирусни свойства. Въпреки това, аерозолните частици веднъж събрани върху филтърните фибри, не напускат и преминават през филтъра по време или след правилна употреба [25]. По този начин антивирусните свойства на фибрите почти нямат ефект върху премахването на вириони на SARS-CoV-2. Частици акумулирани върху вече събрани от филтъра частици не контактуват с филтърния материал, елиминирайки каквито и да било антивирусни свойства. По този начин, предаването на антивирусни свойства на HEPA филтърните материали не допринася за по-голяма стойност на филтъра, с изключение когато хората влизат в пряк контакт с тези филтри по време или малко след тяхната употреба.

Механизмите на филтрация на аерозолни частици в газовата фаза- инерционен сблъсък, дифузия, задържане, електростатично отлагане и пресяване [25, 12, 18]- са изследвани задълбочено в продължение на десетилетия от научни разработки. Тези механизми имат различен принос към цялостната ефективност на задържане на частици, зависещ от аеродинамичния диаметър на частиците, други свойства на частиците и филтриращата среда. Комбинирания ефект на всички тези филтационни механизми в HEPA филтрите обясняват високата филтрационна ефективност и MPPS феномена сред целия спектър от аерозолни размери [25]. Различни типове аерозолни частици биват филтрувани с висока ефективност в съответствие със съответните стандарти, независимо от техния биогенен или небиогенен произход [12, 18].

Известно е (базирано на многобройни публикувани проучвания), че някои респираторни инфекции се появяват по-често при вдишване на по-замърсен въздух, както и че възстановителния процес и последици от някои респираторни инфекции биват неблагоприятно повлияни от замърсяването във въздуха. Вече беше демонстрирана връзката между продължителното замърсяване на въздуха с частици и по-високата смъртност от COVID-19 [39]. Вдишването на замърсен въздух е също строго асоциирано с неблагоприятни ефекти върху респираторните и кардиоваскуларни функции [17]. Интервенциите, базирани на въздушна филтрация с подходяща апаратура, трябва да бъдат широко прилагани както за намаляване на разпространението на SARS-CoV-2 през аерозолната фаза, така и за подобряване на здравния статус и последиците от инфекцията на контактните и заразени с COVID-19 индивиди.

3. Въздушни пречистватели и филтри

Изчислено е, че използването на въздушни филтри и пречистватели ще намали вирусния товар в околната среда. Пречистватели на въздуха могат да бъдат използвани в болничните стаи. Това може да намали вероятността за инфекция, предавана от здравните работници поради недостиг на лични предпазни средства. По този начин може да бъде намалена вероятността за повторна инфекция на пациенти поради предаване на вируси по въздушно-капков път. Този тип филтрационна система може да бъде използвана и в обществения транспорт, в болнични условия, в затворени превозни средства и у дома. Капките отделени при кашляне или кихане от заразен човек обикновено са с размери от 5 микрона или повече. Най-малката частица, която предизвиква безпокойство, е единичният вирион (не е прикрепен към капка) с диаметър около 0,12 микрона. Те могат да бъдат сравнително добре филтрирани от HEPA филтрите (високоефективни филтри за частично задържане) [3]. ULPA филтрите (въздушни филтри за много фино пречистване) са по-усъвършенствани в улавянето на почти 99,99% от частиците с големина 0,12 микрона и повече. Използването на нанотехнология допълнително увеличава капацитета за улавяне на вируси на такива въздушни пречистватели и филтри. На базата на никелова (Ni) пяна се произвежда ефикасен филтър който улавя и убива вируси и бактерии във въздуха, включително SARS-CoV-2 и Bacillus anthracis. Тъй като вирусът SARS-CoV-2 не може да оцелее при температури над 70 °C, въздушният филтър е проектиран да работи при 200 °C чрез нагряване на Ni-пяна. Твърди се, че ефективността на проектирания филтър е 99,8% за вируса SARS-CoV-2 и 99,9% за Bacillus anthracis [3].

Последните проучвания показват, че в допълнение към употребата в почистващи продукти и в лични предпазни средства, нанотехнология се използва и при разработването на пречистватели на въздуха за предотвратяване на разпространението на SARS-CoV-2 вируса по въздушно-капков път. В този контекст йонизаторът за въздух TeqAir 200, разработен от базираната във Франция компания TEQOYA, вече е на пазара (фиг. 5). Тъй като размерът на SARS-CoV-2 е близък до размерите на частиците, за които пречиствателите на въздуха TEQOYA са ефективни, се очаква те да намалят концентрацията на SARS-CoV-2 във въздуха.

Фигура 5. TeqAir 200 йонизатор на въздуха.

3.1. Нанофибърна технология

Mack Antonoff HVAC проектират системи за пречистване и филтриране на въздуха, използващи нанофибърна технология и UV лъчения [16]. Turnkey Environmental Consultants разработват система за филтриране на въздуха, базирана на плътна мрежа от нановлакна (IQAirHyperHEPA® филтрационна технология), която улавя частици от всякакъв размер. Твърди се, че улавя 99,5% от замърсителите, включително бактерии и вируси с размер приблизително 0,003 микрона [16].

3.2. Фото електрохимично окисление

Изследователи от Университета в Южна Флорида разработват устройство за пречистване на въздуха „Molekule“, за което се твърди, че ефективно унищожава замърсителите на въздуха, включително бактерии, спори на плесени и вируси [9]. Пречиствателят на въздуха използва фото електрохимично окисление (PECO), при което се използва UV-A лъчи за да бъде активиран катализатор във филтъра, с покритие от наночастици. Генерират се свободни радикали, които окисляват замърсителите на въздуха [9]. Тези базирани на PECO пречистватели на въздуха имат огромен потенциал да намалят разпространението на вируса, предимно в здравни заведения.

---

Тест LO 2.1

---

Литература

1. Bazant, M. Z., & Bush, J. W. (2021). A guideline to limit indoor airborne transmission of COVID-19. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(17).
2. Buonanno, G., Stabile, L., & Morawska, L. (2020). Estimation of airborne viral emission: Quanta emission rate of SARS-CoV-2 for infection risk assessment. Environment international, 141, 105794.
3. Chaudhary, V., Royal, A., Chavali, M., & Yadav, S. K. (2021). Advancements in research and development to combat COVID-19 using nanotechnology. Nanotechnology for Environmental Engineering, 6(1), 1-15.
4. Centres for Disease Control and Prevention, Feb. 9, 2021. COVID-19 ventilation FAQs, pp. 1–8 [Online]. Available. https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov /community/ventilation.html. (Accessed 4 May 2021).
5. Chia, P. Y., Coleman, K. K., Tan, Y. K., Ong, S. W. X., Gum, M., Lau, S. K., … & Marimuthu, K. (2020). Detection of air and surface contamination by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in hospital rooms of infected patients. MedRxiv.
6. Correia, G., Rodrigues, L., Da Silva, M. G., & Gonçalves, T. (2020). Airborne route and bad use of ventilation systems as non-negligible factors in SARS-CoV-2 transmission. Medical hypotheses, 141, 109781.
7. Dancer, S. J., Tang, J. W., Marr, L. C., Miller, S., Morawska, L., & Jimenez, J. L. (2020). Putting a balance on the aerosolization debate around SARS-CoV-2. The Journal of Hospital Infection, 105(3), 569.
8. Ding, J., Yu, C. W., & Cao, S. J. (2020). HVAC systems for environmental control to minimize the COVID-19 infection. Indoor and Built Environment, 29(9), 1195-1201.
9. Elias, B., & Bar-Yam, Y. (2020). Could air filtration reduce COVID-19 severity and spread. New England Complex Systems Institute, 9.
10. EMW filtertechnik. ISO 29463: new test standard for HEPA filters [cited 2020 Jun 3]. Available from: https://www.emw.de/en/filter-campus/iso29463.html.
11. Ham, S. (2020). Prevention of exposure to and spread of COVID-19 using air purifiers: challenges and concerns. Epidemiology and Health, 42.
12. Hick, J. L., Hanfling, D., Wynia, M. K., & Pavia, A. T. (2020). National Academy of Medicine. Duty to Plan: Health Care, Crisis Standards of Care, and Novel Coronavirus SARS-CoV.
13. Hinds, W. C. (1999). Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. John Wiley & Sons.
14. Li, Y., Leung, G. M., Tang, J. W., Yang, X., Chao, C. Y. H., Lin, J. Z., … & Qian, H. (2007). AC 587 Sleigh, H.-JJ Su, J. Sundell, TW Wong, PL Yuen, Role of ventilation in airborne transmission of 588 infectious agents in the built environment-a multidisciplinary systematic review. Indoor Air, 17(589), 2-18.
15. Liu, Y., Ning, Z., Chen, Y., Guo, M., Liu, Y., Gali, N. K., … & Lan, K. (2020). Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals. Nature, 582(7813), 557-560.
16. Look, M., Bandyopadhyay, A., Blum, J. S., & Fahmy, T. M. (2010). Application of nanotechnologies for improved immune response against infectious diseases in the developing world. Advanced drug delivery reviews, 62(4-5), 378-393.
17. Nadadur, S. S., & Hollingsworth, J. W. (Eds.). (2015). Air pollution and health effects. Springer.
18. Nazarenko, Y. (2020). Air filtration and SARS-CoV-2. Epidemiology and health, 42.
19. Nicas, M., & Miller, S. L. (1999). A multi-zone model evaluation of the efficacy of upper-room air ultraviolet germicidal irradiation. Applied Occupational and Environmental Hygiene, 14(5), 317-328.
20. Peters, A., Parneix, P., Otter, J., & Pittet, D. (2020). Putting some context to the aerosolization debate around SARS-CoV-2. The Journal of Hospital Infection, 105(2), 381.
21. Riley, R. L. (1982). Indoor airborne infection. Environment international, 8(1-6), 317-320.
22. Riley, E. C., Murphy, G., & Riley, R. L. (1978). Airborne spread of measles in a suburban elementary school. American journal of epidemiology, 107(5), 421-432.
23. Santos, A. F., Gaspar, P. D., Hamandosh, A., Aguiar, E. B. D., Guerra Filho, A. C., & Souza, H. J. L. D. (2020). Best practices on HVAC design to minimize the risk of COVID-19 infection within indoor environments. Brazilian Archives of Biology and Technology, 63.
24. Setti, L., Passarini, F., De Gennaro, G., Barbieri, P., Perrone, M. G., Borelli, M., … & Miani, A. (2020). SARS-Cov-2RNA found on particulate matter of Bergamo in Northern Italy: first evidence. Environmental research, 188, 109754.
25. Stadnytskyi, V., Bax, C. E., Bax, A., & Anfinrud, P. (2020). The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(22), 11875-11877.
26. Stilianakis, N. I., & Drossinos, Y. (2010). Dynamics of infectious disease transmission by inhalable respiratory droplets. Journal of the Royal Society Interface, 7(50), 1355-1366.
27. URL-1: https://aeramaxpro.com/covid19-1/
28. URL-2: https://www.usatoday.com/in-depth/graphics/2020/10/18/improving-indoor-air-quality-prevent-covid-19/3566978001/
29. URL-3:https://www.sentryair.com/blog/indoor-air-quality/improving-ventilation-and-air-filtration-to-help-prevent-covid-transmission-in-the-workplace/
30. URL-4: https://www.microcovid.org/blog/hepafilters
31. URL-5: https://product.statnano.com/product/11653/teqoya-teqair-200-air-ionizer
32. S. Department of Energy. DOE-STD-3020-2005, specification for HEPA filters used by DOE contractors; 2015 [cited 2020 Jul 15]. Available from: https://www.standards.doe.gov/standards-documents/3000/3020-astd-2005
33. Van Doremalen, N., Bushmaker, T., Morris, D. H., Holbrook, M. G., Gamble, A., Williamson, B. N., … & Munster, V. J. (2020). Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. New England journal of medicine, 382(16), 1564-1567.
34. Vejerano, E. P., & Marr, L. C. (2018). Physico-chemical characteristics of evaporating respiratory fluid droplets. Journal of The Royal Society Interface, 15(139), 20170939.
35. Wells, W. F. (1934). ON AIR-borne infection: study II. Droplets and droplet nuclei. American journal of Epidemiology, 20(3), 611-618.
36. World Health Organization. Laboratory biosafety guidance related to coronavirus disease 2019 (COVID-19): interim guidance, 12 February 2020 [cited 2020 Jun 3]. Available from: https://apps.who.int/iris/handle/10665/331138.
37. World Health Organization. (2020). Severe acute respiratory infections treatment centre: practical manual to set up and manage a SARI treatment centre and a SARI screening facility in health care facilities(No. WHO/2019-nCoV/SARI_treatment_center/2020.1). World Health Organization.
38. Wu, X., Nethery, R. C., Sabath, B. M., Braun, D., & Dominici, F. (2020). Exposure to air pollution and COVID-19 mortality in the United States: A nationwide cross-sectional study. medRxiv 2020.04. 05.20054502.
39. Zhu, N., Zhang, D., Wang, W., Li, X., Yang, B., Song, J., … & Tan, W. (2020). A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. New England journal of medicine.

Резюме

Вирусните епидемии се развиват благодарение на появата на нови варианти инфекциозни вируси. Липсата на ефективни антивирусни лечения за нови вирусни инфекции, съчетано с бързото разпространение на инфекцията в общността, често води до огромни човешки и финансови загуби. Вирусна трансмисия може да се осъществи чрез близък контакт от човек на човек или чрез контакт с контаминирани повърхности. Следователно внимателната дезинфекция е от съществено значение за намаляване на разпространението на вируса. Има множество дезинфектанти/дезинфекциращи агенти/биоцидни агенти, които могат да инактивират вирусите. Тяхната ефективност зависи от много фактори като концентрация на веществото, време на действие, температура и органично натоварване. Напредъкът в нанотехнологиите е от голямо значение за инактивирането на вируси и за контрола на епидемията от COVID-19.

Ключови думи/фрази: дезинфекция, нанотехнология, COVID-19

1. Въведение

Вирусните инфекции и тяхното разпространение исторически са представлявали сериозна заплаха за човешкото здраве и благосъстояние и водели до големи социалноикономически проблеми. Преди век, през 1918 г., пандемията от „испански грип“ предизвика световна катастрофа с повече от 50 милиона смъртни случая и 500 милиона инфектирани [33]. При Либерия- една от страните, най-тежко засегнати от епидемията от Ебола в западна Африка през 2014 г., растежът на брутния вътрешен продукт (БВП) намаля от 8,7% през 2013 г. до 0,7% през 2014 г. [66]. Заплахата от глобална вирусна пандемия може да доведе до по-големи катастрофи от досега записаните в човешката история, тъй като вирусите могат да се разпространяват по целия свят с безпрецедентни темпове поради по-лесните глобални връзки и транспорт, както и поради лесната и интензивна човешка мобилност днес. Днес виждаме, че подобна пандемия несъмнено доведе до по-катастрофални резултати [7]. Новият коронавирус, който причинява заболяването COVID-19 (SARS-CoV-2 или по-рано HCoV-19), съобщен за първи път в Китай в края на 2019 г., доведе до повече от приблизително шест милиона смъртни случая към момента на написване на тази статия. Пандемията все още не е приключила и всеки ден се съобщава за нови заразени и нови смъртни случаи. Докато правителствата и държавите могат да повлияят на честотата и обхвата на огнищата [2], хората играят роля в ограничаване на разпространението на вируси в обществени и здравни заведения [47]. Предаването от човек на човек на обикновените грипни вируси и коронавирусите може да възникне чрез самоинокулиране на мукозни мембрани в носа, устата или очите чрез докосване на контаминирани сухи повърхности, както и с телесни течности съдържащи вируси [37]. В зависимост от вида на повърхността и условията на околната среда, вирусите могат да останат върху небиологични повърхности от 5 минути до повече от 28 дни [22]. Използването на дезинфектанти за лична хигиена и дезинфекцията на повърхности е от голямо значение за лимитиране на вирусната трансмисия чрез инактивиране на вирусите, преди те да имат шанса да влязат в човешкото тяло.

Тази глава предоставя информация за различните видове дезинфектанти, налични в търговската мрежа, с научно доказани вирицидни свойства, инактивиращи вируси в разтвори или върху повърхности. Предоставена е и информация относно използването на нанотехнологични материали за антивирусна дезинфекция- една от обещаващите нови разработки, за която е доказано, че инактивира вируси, но все още не е широко използвана на пазара.

2. Дезинфектанти с антивирусни свойства и основни принципи на действие

2.1. Вируси и инфекциозност

Вирусите обикновено са изградени от вирусен капсид, съдържащ нуклеинови киселини (Фиг.1). Нуклеиновата киселина играе роля на матрица за репликацията, докато капсида и асоциираните с него белтъци служат за предпазване на нуклеиновата киселина и за свързване към рецептори на клетката гостоприемник [29].

Фигура 1. Различни типове вируси.

Вирусите не могат да се размножават и увеличават броя си извън клетката гостоприемник. Въпреки това те могат да оцелеят дълго време в това състояние [67]. При среща с подходяща клетка гостоприемник, те я инфектират. Навлизат в клетката и използват клетъчните механизми за собствената си репликация (Фиг.2). Вирусите могат да инфектират клетки, включително бактериални, и могат да предизвикат редица заболявания. Тази ситуация се влошава при липса на ефективно лечение срещу много от вирусите.

Коронавирусите са едноверижни РНК вируси със суперкапсиди. Това означава, че техния генетичен материал се състои от една РНК верига и всяка вирусна частица е опакована в белтъчен суперкапсид (Фиг. 3). Всички вируси по същество следват един и същ път при заразяване на техните гостоприемници. Навлязъл в клетката, вирусът се самореплицира, използвайки някои от клетъчните компоненти. След това вирусните копия заразяват други клетки. РНК вирусите обаче имат една особеност. Тези вируси не могат да коригират грешки, възникващи по време на репликация на РНК, тъй като нямат механизмите за поправка на грешки, които клетките обикновено използват при реплициране на ДНК.

Фигура 2. Четирите етапа на вирусната инфекция в клетъчен модел.

Сред РНК вирусите, коронавирусите са групата вируси с най-дълъг геном- с 30 000 бази. При тези патогени, които нямат способността да коригират грешки по време на репликация, се увеличава вероятността за допускане на грешка, тъй като количеството азотни бази, което се реплицират, също се увеличава. Следователно всяка грешка води до нова мутация. Някои от тези мутации могат да придадат нови свойства на вируса, като например способността да заразява нови клетъчни типове или дори нови щамове. Коронавирусът се състои от четири структурни белтъка: нуклеокапсид, суперкапсид, мембрана и пръчковидни издатини (шипчета). Тъй като тези издатини се наричат „corona“, което на латински означава корона, тези вируси са наречени коронавируси. Нуклеокапсидът съдържа генетичния материал. Той е обграден от сферична структура, формирана от белтъци на суперкапсида и мембраната. Шипчестите издатини идентифицират клетките, които вирусът може да зарази. Чрез тях вирусът се прикрепят към клетъчните рецептори.

Повърхностите, включително нашите ръце, играят важна роля в разпространението на вируси. Вируси като полиовирусите и бактериофагите показват много по-висока преживяемост, когато биват пренесени чрез директен контакт върху повърхности, за разлика от вируси, съдържащи аерозолни капчици или прах. Само 5 секунди контакт с ръка и лице са достатъчни, за да бъде прехвърлена значителна част от вируса, след което вирусите могат да се разпространят чрез докосване на носната лигавица или конюнктивата на окото. Вероятността за разпространение е пряко свързана с времето за оцеляване на вируса върху повърхността, което се различава значително между различните вируси. Съвсем скорошно проучване съобщава, че Covid-19 коронавирусът (SARS-CoV-2) може да се задържи най-дълго върху пропиленови пластмасови повърхности и неръждаема стомана, а активни вируси присъстват до 72 часа след първоначалното приложение, макар и със силно намален вирусен титър [60].

Фигура 3: Илюстрация на SARS-CoV-2 вирус

2.2. Фактори, повлияващи дезинфектантната активност

Основна мярка за ефективността на дезинфектанта е намаляването на вирусната инфекциозност. Измерването на инфекциозността на вируса обикновено се извършва чрез анализи с вирусни носители и суспензионни анализи. Основните параметри, влияещи върху ефективността на дезинфектантите срещу вируси, включват време за контакт и концентрация на дезинфектанта и вируса.

Освен това ефективността на дезинфекцията може да бъде повлияна и от фактори на околната среда. Ако дезинфекцията изисква протичане на определена химична реакция, както например при формалдехида, скоростта на дезинфекция ще бъде по-висока при по-високи температури. В студено време някои дезинфектанти могат да бъдат неефективни, тъй като нивото на дезинфекция ще бъде изключително ниско. Влажността е друг фактор, който може да повлияе на проникването на дезинфектанта във вируса. За реакции като тези при алдехидните дезинфектанти, промяната в pH също може да повлияе ефективността на дезинфектанта.

2.3. Фактори, повлияващи вирусната чувствителност

Вирусите, които биват инактивирани чрез процес на дезинфекция, имат определени уникални свойства. Разграничават се три основни типа вируси с различни структури. Те биват класифицирани по нарастваща трудност на химична инактивация: вируси със суперкапсид, големи вируси без суперкапсид и малки вируси без суперкапсид. Въпреки че има изключения, по-големите вируси обикновено са по-чувствителни към дезинфектанти [32]. Всички тествани дезинфекционни разтвори са ефективни срещу вирусите със суперкапсид- Herpes Simplex и вируса на човешката имунна недостатъчност (HIV) тип 1. Те биват по-малко ефективни срещу малкия вирус без суперкапсид- човешки коксаки вирус. Вирусите със суперкапсид съдържат липидна обвивка, която е от съществено значение за инфекцията. Ако тази обвивката бъде разрушена, това може потенциално да намали вирусното разпространение. За инактивиране на вируси със суперкапсид могат да бъдат използвани липофилни дезинфектанти. Обратно, вируси без суперкапсид използват белтъчна обвивка за осъществяване на инфекция и по този начин инактивирането често изисква денатуриране на вирусни капсидни белтъци или на есенциални репликативни белтъци [36]. Дезинфектанти, разграждащи белтъци, като глутаралдехид или натриев хипохлорит, са ефективни при инактивиране на вируси без суперкасид [32]. Проучвания на базата на електронна микроскопия показват значително структурно разрушаване на фага, включително натриев хипохлорит, инактивиращ бактериофаг PAO1 и увреждащ капсидните белтъци. Въпреки това, тъй като вируси като полиомиелитния вирус поддържат инфекциозност дори само с РНК, дезинфектантът трябва да навлезе, за да унищожи нуклеиновите киселини [32]. Докато грипният вирус със суперкапсид H1N1 може да бъде инактивиран от всички тествани дезинфектанти [16], малките норовируси без суперкасид са много по-трудни за инактивиране и някои често срещани дезинфектанти не могат да намалят потенциала им за осъществяване на инфекция [56].

Вирусите могат да бъдат устойчиви на дезинфекция и поради клетъчните компоненти, с които са свързани. Обикновено вирусите са зависими от клетките гостоприемници, за да се реплицират. Поради това, те често биват свързани с други компоненти като клетъчни остатъци, почва и аерозолни капки. Това са така наречените вирусни агрегационни защитни фактори и могат както да намалят възможността за навлизане на дезинфектанта във вируса, така и да намалят взаимодействието и активността на дезинфектантните съставки. Тези фактори имат голям ефект върху действието на дезинфектантите и поради това е необходима много по-висока концентрация на дезинфектанта за ефективна дезинфекция. Дезинфекцията е свързана и зависима от процесите на почистване, тъй като първичното отстраняване на органичната материя може да допринесе за осъществяване по-добър дезинфекционен процес [14]. В допълнение, вирусите могат да се натрупват в околната среда, което затруднява навлизането и достигането на дезинфектанти до вирусите [15].

Известно е, че COVID-19 е изключително заразно заболяване и може да има много начини за неговото разпространение. Скорошни проучвания показват, че SARS-CoV-2 се разпространява основно чрез микрокапки, разпространявани от човек на човек или чрез докосване на контаминирани повърхности (Фиг. 4) [58]. Известно е, че SARS-CoV-2 има способността да остане в аерозолна форма за повече от 3 часа. Установено е и, че в зависимост от повърхността, човешкия корона вирус може да персистира до 9 дни и при температури над 30 °C. В този контекст, използването на лични предпазни средства (ЛПС) и дезинфектанти е изключително важно. Световната Здравна Организация (СЗО) препоръчва употребата на физични и химични фактори за намаляване на контаминацията чрез дезинфекция на повърхности, особено на често докосвани повърхности като дръжки на врати, маси, столове, парапети и ключове, както и употребата на маски и грижа за личната хигиена. В литературата са описани различни дезинфекциращи агенти, като например натриев хипохлорит, водороден пероксид, алкохоли, сапуни/повърхностноактивни вещества и др. [31].

Фигура 4. Примери за разпространение на вируси чрез повърхности.

3. Комерсиално достъпни вируцидни дезинфекциращи агенти

3.1. Алкохоли

Алкохолите, и по-конкретно изопропиловия алкохол (също известен като изопропанол и пропан-2-ол) и етиловия алкохол (етанол), могат да инактивират широк спектър бактерии, гъби и вируси (Фиг. 5-6). Тези активни съставки играят важна роля в здравните заведения за кожна антисептка и дезинфекция на малки медицински инструменти. Въпреки, че са доказани като ефективни в унищожаването на инфекциозни микроорганизми, алкохолите нямат спороцидни свойства [44] и често биват комбинирани с други основни биоцидно активни вещества за повишаване на ефикасността на дезинфекцията.

Силните биоцидни агенти унищожават вируси и бактерии по различни механизми, например като унищожават клетъчната структура и коагулират и/или денатурират белтъците от които са изградени микроорганизмите. Въпреки, че не са осъществени много проучвания за пълното разбиране на биоцидната активност на алкохола, като цяло е прието, че алкохолите разрушават клетъчните мембрани и денатурират белтъците [4]. Вирусите и много други микроорганизми обикновено са чувствителни на този начин на действие на алкохолите. Проучвания показват, че инкорпорирането на вода в биоцидни системи увеличава ефективността на алкохола, тъй като водата улеснява по-бързото денатуриране на белтъците[44]. Още повече, добавянето на вода значително увеличава ефективността на алкохолите като забавя тяхното изпарение и по този начин увеличава влиянието на алкохолите към вируси и бактерии.

Въпреки това вируцидната активност на алкохола е силно зависима от концентрацията на активни вещества и типа на тест вирусите. Ефективността на алкохолите за инактивиране на вируси зависи от голяма степен от повърхностните свойства на микроорганизма. Общоизвестно е, че вирусите без суперкапсид са по-устойчиви на дезинфектанти, включително алкохоли, отколкото вирусите със суперкапсид.

Докато алкохолите показват ефективност при унищожаването на някои видове вируси, други дезинфектанти като четвъртични амониеви съединения (ЧАС), глутаралдехид и водороден пероксид надминават ефективността им [44]. Поради тази причина дезинфектанти, чиито основни активни съставки са алкохолите, обикновено не се използват за дезинфекция на оборудване, влизащо в контакт с васкуларната система или стерилни тъкани, както и за дезинфекция на околна среда която изисква пълна стерилност в здравните заведения [44]. Използването на изопропилов алкохол също е ограничено, тъй като той инактивира само липидните вируси. Това значително намалява възможностите за по-широко приложение на алкохола като дезинфектант. Тъй като алкохолите са запалими течности, големи количества алкохол увеличават риска и опасността за употреба на тези вещества като дезинфектанти. Точката на възпламеняване на алкохолен разтвор с по-висока концентрация е по-ниска от тази на алкохолен разтвор с по-ниската концентрация [4]. В допълнение, продължителната и повтаряща се употреба на алкохол компрометира целостта на материали като пластмаси и бои. Материалите, които са постоянно изложени на алкохол, могат да претърпят промяна в цвета, да се напукат и подуят поради въздействието на алкохола. Друго предизвикателство при употребата на алкохол е, че той се изпарява бързо при досег с въздуха. По този начин се намалява времето за контакт на алкохола с вируса. Максималната дезинфекция е трудна за постигане, освен ако инструментите не са били потопени във вана с алкохол за известно време.

Фигура 5. Фактори, повлияващи ефективността на дезинфектанти за ръце на алкохолна основа срещу SARS-CoV-2

Въпреки че възможностите на алкохолите са ограничени, те все още се използват широко в различни процедури за активна дезинфекция. Задължително е да се отбележи, че ролята на алкохола като дезинфектант наред с останалите му свойства е все още незаменима. Алкохолите често се използват в болници като ефективен дезинфектант за термометри, инструменти, които контактуват с интактна кожна повърхност и неинвазивни сонди [44]. Повърхностите на медицински инструменти за многократна употреба, които не изискват пълна стерилност, също се дезинфекцират със спирт. Друго предимство на използването на алкохола като дезинфектант е, че той е лесен за употреба. Алкохолните разтвори не оцветяват, изпаряват се бързо, имат ниска токсичност в сравнение с други дезинфектанти и имат мека, приемлива миризма. Тези функции са от решаващо значение в здравните заведения, тъй като те допринасят за ефективността и необходимата дезинфекция на системата.

Фигура 6. Антивирусен механизъм на действие на алкохоли срещу вируси със суперкапсид.

3.2. Сърфактанти

Сърфактантите са амфифилни съединения, които имат както хидрофилна, така и липофилна част. Те биват допълнително класифицирани като катионни, анионни, нейонни и цвитерйонни сърфактанти. Често се срещат като активни съставки в домакинските дезинфектанти и перилни препарати и доказано могат да инактивират вирусите. Вирусите със суперкапсид, като семейството на коронавирусите, което включва SARS-CoV-1, MERS и новия вирус SARS-CoV-2, са податливи на тези съединения. Въпреки това, някои сърфактанти не разчитат на разтварянето на вирусната липидна обвивка за инактивиране на вируса.

3.2.1. Катионни сърфактанти (Четвъртични амониеви съединения)

Четвъртичните амониеви съединения (ЧАС) формират по-голямата част от катионните сърфактанти. Те инактивират вирусите най-вече чрез разтваряне и разрушаване на техния липиден суперкапсид или мембрана. Разработки съобщават, че те запазват вируцидната си активност по-добре в твърда вода, както и в присъствието на анионни остатъци [38]. ЧАС са предпочитани за употреба, защото са относително нетоксични, безцветни и без мирис [19]. Те са добре известни с това, че инактивират вируси със суперкапсид, но тяхната вируцидна активност e зависима от концентрацията, времето на експозиция и температурата. Най-ефективна дезинфекция със сърфактанти, на основата на ЧАС, се постига в комбинация с топла вода и по-дълго време на действие на сърфактанта [30]. Едно от предимствата на дезинфектанти на основата на ЧАС е тяхната относително висока толерантност към наличието на странична органична контаминация. Това е така, защото способността им да инактивират вирусите обикновено не намалява от наличието на органична материя, както се наблюдава при други дезинфектанти като алкохола и хлорните дезинфектанти.

3.2.2. Анионни сърфактанти

Често срещани анионни сърфактанти, използвани в ежедневието, са продукти като сапуни, шампоани, паста за зъби и детергенти [49].

3.2.3. Нейонни и цвитерйонни сарфактанти

Нейонните сарфактанти са най-често използвани като емулгатори. Тези нейонни сарфактанти инактивират вирусите чрез разтваряне на вирусния суперкапсид и разрушаване на нуклеокапсида. Цвитерйонните сарфактанти са молекули, които носят както катионни, така и анионни заряди, но обикновено цялата молекула е неутрално заредена [63]. Механизмът на дезинфекция с цвитерйонен детергент се осъществява чрез вирусно разграждане, а не чрез разтваряне на повърхностните белтъци [8]. Чрез тази си способност те инактивират вирусите, но запазват биологичната активност на повърхностните антигени. Това позволява използването на цвитерйонни детергенти при разработването на ваксини.

3.3. Окислители

Дезинфектанти като натриев хипохлорит, водороден пероксид и пероцетна киселина използват окислителните си свойства, за инактивиране на вирусите. Силните окислители са сред най-ефективните дезинфектанти срещу трудните за инактивиране малки вируси без суперкапсид, като норовирусите [17].

3.3.1. Натриев хипохлорит

Натриевият хипохлорит, активната съставка в белината, е мощен окислител. Разтворена във вода, тя образува хипохлорна киселина, която се редуцирана до вода и хлориден анион [13]. Ефективността на дезинфекцията намалява с повишаване на pH, вероятно поради намаляване на количеството присъстваща хипохлорна киселина [3]. Натриевият хипохлорит действа бързо и е ефективен при ниски концентрации. Установено е, че ефектът му е пропорционален на концентрацията и времето на контакт. Натриевият хипохлорит може да се използва за трудни за инактивация вируси без суперкапсид, като норовирусите.

3.3.2. Натриев дихлороизоцианурат

В сравнение с натриевия хипохлорит, натриевият дихлороизоцианурат има по-дълготрайна дезинфекционна активност, по-толерантен е към присъствието на органична материя и има по-добра обща дезинфекционна ефективност.

3.3.3. Водороден пероксид

Водородният пероксид е мощно широкоспектърно инактивиращо сиединение. При разпадане образува вода, кислород и силно реактивоспособни хидроксилни свободни радикали, които могат да разградят или свържат голямо разнообразие от биомолекули, включително белтъци, нуклеинови киселини и липиди. Водородният пероксид също е ефективен срещу норовируси, въпреки че обикновено изисква по-висока концентрация от натриевия хипохлорит.

3.4. Пероцетна киселина

Пероцетната киселина се разпада по подобен на водородния пероксид начин, за да образува силно реактивоспособни свободни хидроксилни радикали, както и оцетна киселина и кислород [42]. Предлаганата на пазара пероцетна киселина е разработена с цел осигуряване на по-голяма молекулна стабилност и може да бъде разтворена на място, за да формира дезинфектантният разтвор.

3.5. Халогенирани съединения

3.5.1. Повидон-йод

Повидон-йод е широкоспектърно вируцидно средство. Използва се в клиничната практика като стерилизиращ агент, в хирургически тампони, за почистване на кожата на ръцете и предмишниците преди и след операция, както и в продукти за ежедневна употреба като антисептични продукти за измиване на ръце, вода за уста, както и вода за уста, съдържаща по-ниски концентрации на йодофор [12]. Не е подходящ за използване със силиконови продукти като например силиконови катетри, тъй като йодът може да причини по-бързо разграждане на материала. Въпреки че като цяло е по-безопасен и по-ефективен при инактивирането на вируси от много други антисептични средства, при продължителна употреба повидон-йодът може да причини дисфункция на щитовидната жлеза [27] и алергичен контактен дерматит, изискващи внимателен медицински мониторинг [61]. Механизмът на широката вируцидна активност на повидон йод все още не е напълно изяснен. Много вероятно е той да действа по повече от един механизъм. Това намалява вероятността за появата на резистентност, в следствие от случайни вирусни мутации. Има доказателства, че йодът може да блокира рецепторите на вируса, отговорни за свързването към повърхността на клетката гостоприемник [50]. Йодът може и да предотврати разпространението на вируса в други неинфектирани клетки чрез инхибиране на активността на вирусни ензими (напр. невраминидаза), необходими за освобождаването на вируса от клетките гостоприемници [12]. Предполага се, че при вирусите със суперкапсид вирусната мембрана може да бъде дестабилизирана от взаимодействието на йода с мембранни мастни киселини с ненаситени C=C връзки.

3.5.2. Хлорхексидин диглюконат

Хлорхексидинът е широкоспектърен катионен биоцид, открит в много антисептични продукти. Среща се като активна съставка в препарати за измиване на ръце, води за уста, орални гелове, дезинфектанти и консерванти. Хлорхексидинът обикновено не предизвиква дразнене на кожата, задържа се добре върху нея и има бърза бактерицидна активност. Въпреки това, неговата активност е силно зависима от състава. При наличието на анионни сърфактанти, фосфолипиди, органични вещества, включително серум, може да се наблюдава намалена активност. Активността му е зависима и от pH. В сравнение с бактериите, неговата вируцидна активност е по-променлива от повидон-йод. Той е значително по-слабо активен и по-бавно действащ. Като цяло хлорхексидинът е неефективен срещу вируси без суперкапсид (полиомиелитен вирус и аденовируси), но показва променлив потенциал за инактивиране на вируси с суперкапсид.

3.5.3. Хлороксиленол

Хлороксиленолът е халогениран фенолен антисептик. Бива широко използван в дезинфектанти в домакинството, за почистване на рани и за дезинфекция на хирургическо оборудване. Той е най-ефективен срещу бактерии, но има и променлива вируцидна активност. За неговия механизъм на действие срещу вируси и бактерии се знае изненадващо малко, въпреки широката му търговска употреба от дълго време. Обикновено хлороксиленолът е безопасен за външна употреба при хора, но има случаи при които се съобщава, че причинява контактен дерматит и контактна депигментация [62].

3.6. Алдехиди

3.6.1. Формалдехид

Формалдехидът е най-простият алдехид и е изключително силен дезинфектант с много добри свойства за вирусно инактивиране. Обикновено продаван като воден разтвор, наречен формалин, той се използва за инактивиране на вируси при производството на ваксини [35] и в научни изследвания [35]. Като дезинфектант от най-високо ниво, той може ефективно и бързо да инактивира много различни видове вируси, както в разтвор, така и върху повърхности. Той алкилира амино и сулфхидрилните групи на белтъците, както и амино групи в азотните бази на ДНК и РНК [23]. Въпреки това, високата му реактивоспособност го прави вреден за здравето на човека, тъй като причинява дразнене на откритите повърхности на тялото (напр. кожа и очи) [43], има мутагенни свойства и е предполагаем канцероген [52]. В резултат на това той подлежи на строги разпоредби по отношение на използването му като дезинфектант и стерилизиращ агент в болници и здравни заведения, с изключение на употребата му в добре проветриви помещения. Поради тези причини не се използва като дезинфектант в домакинството.

3.6.2. Глутаралдехид

Подобно на формалдехида, глутаралдехидът (известен още като глутардиалдехид) е мощен широкоспектърен дезинфекциращ и стерилизиращ агент. Той е силно ефективен срещу много вируси след кратко време на действие. Въпреки че не се предполага, че е канцерогенен [54], известно е, че причинява дерматит в очите, носа и устата, както и дразнене на лигавиците. Поради тези причини не се използва като дезинфектант в домакинството. Като цяло инструменти от метал, каучук, пластмаса и такива използващи лещи са толерантни към глутаралдехид, но не се препоръчва употребата му за дезинфекция на повърхности които не изискват пълна стерилност, поради високата му цена.

3.6.3. Орто-фталалдехид (OPA)

Орто-фталалдехидът или 1,2-дикарбоксибензалдехидът е друг дезинфектант на високо ниво. Подобно на формалдехида и глутаралдехида, неговите вируцидни свойства са резултат от реакции, при които свързват белтъци и нуклеинови киселини. OPA няма силно доловима миризма и не дразни кожата, очите или носната лигавица [9]. В допълнение, неговата отлична съвместимост с материали [1] му позволява да се използва като дезинфектант в болниците при много случаи, като например при ендоскопи [45] и урологични инструменти. Въпреки това, OPA може да превърне контактната кожа в сива и поради това трябва да бъде изплакван с обилно количество вода или да се използва с лични предпазни средства (напр. ръкавици и предпазни очила). Поради тази причина той не се използва широко като дезинфектант в домакинството.

4. Нанотехнология

4.1. Наноматериали за повърхностна деконтаминация

Нанотехнологията предлага много възможности за развитието на по-ефективни и обещаващи дезинфекционни системи (Фиг. 7). Употребата на маркери, базирани на наночастици, може да подпомогне проучвания за вирусите и механизма на инфектиране на клетките гостоприемници. От базираните на нанотехнологиите проучвания, днес обикновено се разработват такива за повърхности със самопочистващи се свойства [39]. Тези системи могат да имат антимикробна активност или бавно да освобождават химически дезинфектанти, удължавайки продължителността на тяхното действие. Могат да допринесат и за въвеждането на допълнителни функции като реагиращи системи, които доставят активни вещества в отговор на различни стимули, като фототермални, електротермални, фотокаталитични и други [10]. Някои метални наночастици имат широк спектър на действие срещу вируси и други микроорганизми [11]. Rai и колеги [41] правят преглед на литературата за антибактериалния, противогъбичния и антивирусния потенциал на металните наночастици. Според резултатите от това проучване металните наночастици, особено сребърните, могат да се използват като мощно и широкоспектърно антивирусно средство със или без повърхностна модификация. Въпреки това, антивирусната активност на тези наночастици все още не е достатъчно добре проучена.

Днес нанотехнологиите представляват решение на много проблеми в приложенията на дезинфекцията. През последните няколко десетилетия, нанотехнологиите се доказаха като една обещаваща нова технология за синтезата на наноматериали. Това са частици с големина до 100 нанометра, които проявяват антимикробния си ефект благодарение на високото съотношение площ/обем и уникалните им химични и физични свойства. Много наноматериали, като металните наночастици и графените нанолистове, имат естествен антивирусен ефект благодарение на техните уникални физикохимични свойства [53]. Обикновено те действат по общ механизъм който включва директно взаимодействие със суперкапсидните или капсидни белтъци на вирусите. По този начин разрушават структурния интегритет и инхибират инфектирането. Някои наноматериали могат и да попречат на вирусната репликация в инфектирани клетки [20, 28, 18]. Необходими са допълнително разработки за употребата на нанотехнологиите като по-ефективни дезинфектанти, както и за постигането на самодезинфектиращи се повърхности, за да бъде увеличена ефективността на инфекциозен контрол и безопасност за здравето и околната среда.

Таблица 1 показва публикувани проучвания и патенти за различни системи, базирани на нанотехнология за приложение като дезинфектанти.

Фигура 7: Схематично представяне на SARS-CoV-2 инфекция и нанотехнологични средства за предотвратяване и контрол на COVID-19.

Вирусът навлиза в клетката чрез ангиотензин-превръщаш ензим 2 (ACE2) рецептор и използване на механизмите на клетката гостоприемник за възпроизвеждане и контаминиране на нови клетки. Нано-базираните материали могат да помогнат в: (1) подобряване на скороста и чувствителността за вирусна детекция; (2) да помогнат за разработването на по-безопасно и по-ефективно лечение и ваксини и (3) подобряване на безошпасността на здравните работници чрез разработването на нано-базирани лични предпазни средства (ЛПС).

Таблица 1. Статии и патенти в литературата за нано-базирани дезинфектанти.

Класификация	Система носител	Матрица
Статия	Нанофилм	Поливинилов алкохол (PVA) Полиолефин (POD) Натриев хлорит (NaClO2)
	Нанокомпозит	Силициев диоксид/Сребро
	Мезо-структуни наночастици	Електрически зареден дезинфектант (CAC-717)
	Наноструктура	Целулоза
	Нанокомпозит	Силициев диоксид/Сребро
	Наночастици	Титаниев диоксид
	Фотокаталитични наноструктурни филми	Титаниев диоксид Силикон
	Полийонни комплексни наночастици (PCNs)	Поли[3-(акриламидо) пропил] Триметиламониев хлорид (PAMPTMA)
	Биогенни наночастици	Желязо Сребро
Патенти	Полимерни наночастици	C1–C4 едновалентни алкохоли и различни липиди
		Поли (млечна-ко-гликолова киселина) (PLGA) есенциално масло
		Полиетиленамин (PEI) Полидиалилдиалкиламониева сол Поли(акриламид-ко-диалил-диалкиламониевхалид) хитозан
		Сулфонилалкилциклодекстрани
	Биогенни наночастици	Сребро
	Фотокаталитични системи	Волфрамов триоксид Паладий
		Винена киселина Титаниев изопропоксид (IV)
	Метални наночастици	Титаниев диоксид Лимонени екстракти
		Сребро
		Сребро Четвъртична амониева сол

4.2. Метални наночастици

Среброто и неговите соли имат дълга история на употреба като антисептик и дезинфектант. Техния широк спектър от биоцидни свойства e добре познат [21]. Сребърните наночастици са най-проучения антивирусен наноматриал. Доказано е, че наночастици със или без покритие могат да инхибират голямо разнообразие от вируси [40]. Вирусите трудно развиват резистентност към този тип на третиране. Това прави тези системи изключително привлекателни за употреба срещу вируси с висока честота на мутация. Установено е, че сребърните наночастици са ефективни както в блокиране на навлизането на вириони в клетката, така и в инхибиране на репликацията вътре в инфектираните клетки. Като цяло сребърните наночастици са ефективни биоциди в малки дози [55], но тяхната потенциална токсичност за хората все още е под въпрос [26]. Съвременните методи позволяват синтез на сребърни наночастици с добре дефинирани форми, размери и полидисперсност. Това са важни параметри, определящи тяхната крайна биоцидна активност, биологична съдба и токсичност [25].

Вируцидните свойства на сребърните наночастици все още не са проучени достатъчно, но първоначалните резултати са окуражаващи. Сребърните наночастици могат да инхибират вируси по редица механизми, включително чрез свързване и взаимодействие с вирусните повърхностни белтъци и чрез денатуриране на ензими чрез взаимодействие с амино, карбоксилни, имидазолни и сулфхидрилни групи [6].

Сребърните наночастици в продукти, се появяват все повече на пазара. Това включва дрехи, превръзки, мазила и материали за опаковката на храни. Техните биоцидни активности са резултат от бавно, продължително освобождаване на сребърни нанопродукти [6]. Въпреки това трябва да се отбележи, че както всички дезинфекциращи агенти споменати по-горе, вируцидната активност на сребърните наночастици се различава от вирус до вирус. Още повече, количеството, формата, размерите и типа на освобождаваните сребърни нанопродукти зависи от тяхното приложение в реалния свят. Всичко това влияе върху техните вируцидни свойства. Следователно, ефикасността на тези продукти срещу вируси в реална обстановка, както и тяхната токсичност за хората трябва да бъдат внимателно оценени и проучени.

Освен сребърните наночастици, златните наночастици (AuNPs) също са обещаващи вируцидни агенти. AuNPs с чеснов екстракт със среден размер от 6 nm показват вируцидна активност срещу морбилния вируса. Те се свързват с повърхностни вирусни рецептори и впоследствие предотвратяват свързване към клетката гостоприемник и предизвикване на инфекция [34]. Въпреки това, поради цената на златните химически прекурсори, дезинфектантите с AuNP са малко вероятно да станат евтини и широко достъпни в търговската мрежа.

През последните години използването на метални наноматериали за създаване на самодезинфекциращи се повърхности придоби значителен интерес поради дългосрочната персистентност на вируси върху контаминирани повърхности. Самодезинфекциращите се повърхности инактивират вирусите, които влизат в контакт с тях in situ, намалявайки възможността за вирусна трансмисия чрез контакт с контаминирани повърхности. В един дизайн самодезинфекциращата се повърхност е оформена с фотоактивни метални нанокристали, за които е необходим стимул от видимата светлина за вирусна инактивация. Тези повърхности, произведени от CuInZn4S6 (CIZS), могат да абсорбират видима светлина и да произвеждат активни окислители. Те могат да инактивират influenza А вируса чрез окисляване на аминокиселинни остатъци, представени в белтъците на вирусния суперкапсид (Фиг. 8). Въпреки че са силно вирусоцидни, практичността на системата е ограничена от присъствието на видима светлина, което е задължително условие, за да бъде гарантиран ефектът на самопочистване.

Фигура 8. Илюстрация на вирусна дезинфекция, използваща самодезинфекцираща се повърхност активирана чрез видимата светлина

---

Тест LO 2.2

---

Литература

1. 1. Akamatsu, T., Minemoto, M., & Uyeda, M. (2005). Evaluation of the antimicrobial activity and materials compatibility of orthophthalaldehyde as a high-level disinfectant. Journal of international medical research, 33(2), 178-187.
   2. Bell, D. M. (2004). Public health interventions and SARS spread, 2003. Emerging infectious diseases, 10(11), 1900.
   3. Block, S. S. (Ed.). (2001). Disinfection, sterilization, and preservation. Lippincott Williams & Wilkins.
   4. Boyce, J. M. (2018). Alcohols as surface disinfectants in healthcare settings. infection control & hospital epidemiology, 39(3), 323-328.
   5. Campos, E. V., Pereira, A. E., De Oliveira, J. L., Carvalho, L. B., Guilger-Casagrande, M., De Lima, R., & Fraceto, L. F. (2020). How can nanotechnology help to combat COVID-19? Opportunities and urgent need. Journal of Nanobiotechnology, 18(1), 1-23.
   6. Castro-Mayorga, J. L., Martínez-Abad, A., Fabra, M. F., Lagarón, J. M., Ocio, M. J., & Sánchez, G. (2016). Antimicrobial Food Packaging.
   7. Christophersen, O. A., & Haug, A. (2006). Why is the world so poorly prepared for a pandemic of hypervirulent avian influenza? Microbial ecology in health and disease, 18(3-4), 113-132.
   8. Conley, L., Tao, Y., Henry, A., Koepf, E., Cecchini, D., Pieracci, J., & Ghose, S. (2017). Evaluation of eco‐friendly zwitterionic detergents for enveloped virus inactivation. Biotechnology and bioengineering, 114(4), 813-820.
   9. Cooke, R. P. D., Goddard, S. V., Whymant-Morris, A., Sherwood, J., & Chatterly, R. (2003). An evaluation of Cidex OPA (0.55% ortho-phthalaldehyde) as an alternative to 2% glutaraldehyde for high-level disinfection of endoscopes. Journal of Hospital Infection, 54(3), 226-231.
   10. Dalawai, S. P., Aly, M. A. S., Latthe, S. S., Xing, R., Sutar, R. S., Nagappan, S., … & Liu, S. (2020). Recent advances in durability of superhydrophobic self-cleaning technology: a critical review. Progress in Organic Coatings, 138, 105381.
   11. Dyshlyuk, L., Babich, O., Ivanova, S., Vasilchenco, N., Prosekov, A., & Sukhikh, S. (2020). Suspensions of metal nanoparticles as a basis for protection of internal surfaces of building structures from biodegradation. Case Studies in Construction Materials, 12, e00319.
   12. Eggers, M. (2019). Infectious disease management and control with povidone iodine. Infectious diseases and therapy, 8(4), 581-593.
   13. Fukuzaki, S. (2006). Mechanisms of actions of sodium hypochlorite in cleaning and disinfection processes. Biocontrol science, 11(4), 147-157.
   14. Gallandat, K., Wolfe, M. K., & Lantagne, D. (2017). Surface cleaning and disinfection: efficacy assessment of four chlorine types using Escherichia coli and the Ebola surrogate Phi6. Environmental Science & Technology, 51(8), 4624-4631.
   15. Gerba, C. P., & Betancourt, W. Q. (2017). Viral aggregation: impact on virus behavior in the environment. Environmental science & technology, 51(13), 7318-7325.
   16. Jeong, E. K., Bae, J. E., & Kim, I. S. (2010). Inactivation of influenza A virus H1N1 by disinfection process. American journal of infection control, 38(5), 354-360.
   17. Girard, M., Mattison, K., Fliss, I., & Jean, J. (2016). Efficacy of oxidizing disinfectants at inactivating murine norovirus on ready-to-eat foods. International journal of food microbiology, 219, 7-11.
   18. Huang, S., Gu, J., Ye, J., Fang, B., Wan, S., Wang, C., … & Cao, S. (2019). Benzoxazine monomer derived carbon dots as a broad-spectrum agent to block viral infectivity. Journal of colloid and Interface Science, 542, 198-206.
   19. Heuschele, W. P. (1995). Use of disinfectants in zoos and game parks. Revue Scientifique et Technique (International Office of Epizootics), 14(2), 447-454.
   20. Jackman, J. A., Lee, J., & Cho, N. J. (2016). Nanomedicine for infectious disease applications: innovation towards broad‐spectrum treatment of viral infections. Small, 12(9), 1133-1139.
   21. Jung, W. K., Koo, H. C., Kim, K. W., Shin, S., Kim, S. H., & Park, Y. H. (2008). Antibacterial activity and mechanism of action of the silver ion in Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Applied and environmental microbiology, 74(7), 2171-2178.
   22. Kampf, G., Todt, D., Pfaender, S., & Steinmann, E. (2020). Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. Journal of hospital infection, 104(3), 246-251.
   23. Kamps, J. J., Hopkinson, R. J., Schofield, C. J., & Claridge, T. D. (2019). How formaldehyde reacts with amino acids. Communications Chemistry, 2(1), 1-14.
   24. Lara, H. H., Garza-Treviño, E. N., Ixtepan-Turrent, L., & Singh, D. K. (2011). Silver nanoparticles are broad-spectrum bactericidal and virucidal compounds. Journal of nanobiotechnology, 9(1), 1-8.
   25. Lee, S. H., & Jun, B. H. (2019). Silver nanoparticles: synthesis and application for nanomedicine. International journal of molecular sciences, 20(4), 865.
   26. Liao, C., Li, Y., & Tjong, S. C. (2019). Bactericidal and cytotoxic properties of silver nanoparticles. International journal of molecular sciences, 20(2), 449.
   27. Lithgow, K., & Symonds, C. (2017). Severe thyrotoxicosis secondary to povidone-iodine from peritoneal dialysis. Case Reports in Endocrinology, 2017.
   28. Liu, H., Bai, Y., Zhou, Y., Feng, C., Liu, L., Fang, L., … & Xiao, S. (2017). Blue and cyan fluorescent carbon dots: one-pot synthesis, selective cell imaging and their antiviral activity. RSC advances, 7(45), 28016-28023.
   29. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Viruses: Structure, function, and uses. In Molecular Cell Biology. 4th edition. WH Freeman.
   30. Louie, W., & Reuschlein, D. (2011). 8 Cleaning and Disinfection in the Bottled Water Industry. Technology of Bottled Water, 223.
   31. Lukasik, J., Bradley, M. L., Scott, T. M., Dea, M., Koo, A., Hsu, W. Y., … & Farrah, S. R. (2003). Reduction of poliovirus 1, bacteriophages, Salmonella Montevideo, and Escherichia coli O157: H7 on strawberries by physical and disinfectant washes. Journal of food protection, 66(2), 188-193.
   32. McDonnell, G. E. (2007). Antiseptics, disinfection, and sterilization. Types, action, and resistance.
   33. Martini, M., Gazzaniga, V., Bragazzi, N. L., & Barberis, I. (2019). La pandémie de grippe espagnole: une leçon de 100 ans après 1918. J Prev Med Hyg, 60, E64-E67.
   34. Meléndez-Villanueva, M. A., Morán-Santibañez, K., Martínez-Sanmiguel, J. J., Rangel-López, R., Garza-Navarro, M. A., Rodríguez-Padilla, C., … & Trejo-Ávila, L. M. (2019). Virucidal activity of gold nanoparticles synthesized by green chemistry using garlic extract. Viruses, 11(12), 1111.
   35. Möller, L., Schünadel, L., Nitsche, A., Schwebke, I., Hanisch, M., & Laue, M. (2015). Evaluation of virus inactivation by formaldehyde to enhance biosafety of diagnostic electron microscopy. Viruses, 7(2), 666-679.
   36. Nuanualsuwan, S., & Cliver, D. O. (2003). Infectivity of RNA from inactivated poliovirus. Applied and environmental microbiology, 69(3), 1629-1632.
   37. Otter, J. A., Donskey, C., Yezli, S., Douthwaite, S., Goldenberg, S., & Weber, D. J. (2016). Transmission of SARS and MERS coronaviruses and influenza virus in healthcare settings: the possible role of dry surface contamination. Journal of hospital infection, 92(3), 235-250.
   38. Perry, K., & Caveney, L. (2012). Chemical disinfectants. Veterinary infection prevention and control, 129-143.
   39. Querido, M. M., Aguiar, L., Neves, P., Pereira, C. C., & Teixeira, J. P. (2019). Self-disinfecting surfaces and infection control. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 178, 8-21.
   40. Rai, M., Kon, K., Ingle, A., Duran, N., Galdiero, S., & Galdiero, M. (2014). Broad-spectrum bioactivities of silver nanoparticles: the emerging trends and future prospects. Applied microbiology and biotechnology, 98(5), 1951-1961.
   41. Rai, M., Deshmukh, S. D., Ingle, A. P., Gupta, I. R., Galdiero, M., & Galdiero, S. (2016). Metal nanoparticles: The protective nanoshield against virus infection. Critical reviews in microbiology, 42(1), 46-56.
   42. Rokhina, E. V., Makarova, K., Golovina, E. A., Van As, H., & Virkutyte, J. (2010). Free radical reaction pathway, thermochemistry of peracetic acid homolysis, and its application for phenol degradation: spectroscopic study and quantum chemistry calculations. Environmental science & technology, 44(17), 6815-6821.
   43. Rovira, J., Roig, N., Nadal, M., Schuhmacher, M., & Domingo, J. L. (2016). Human health risks of formaldehyde indoor levels: an issue of concern. Journal of environmental science and health, part a, 51(4), 357-363.
   44. Rutala, W. A., & Weber, D. J. (2008). Guideline for disinfection and sterilization in healthcare facilities, 2008.
   45. Rutala, W. A., & Weber, D. J. (2015). Disinfection, sterilization, and control of hospital waste. Mandell, Douglas, and Bennett’s principles and practice of infectious diseases, 3294.
   46. Santos, I. D. A., Grosche, V. R., Bergamini, F. R. G., Sabino-Silva, R., & Jardim, A. C. G. (2020). Antivirals against coronaviruses: candidate drugs for SARS-CoV-2 treatment? Frontiers in microbiology, 1818.
   47. Saunders-Hastings, P., Crispo, J. A., Sikora, L., & Krewski, D. (2017). Effectiveness of personal protective measures in reducing pandemic influenza transmission: A systematic review and meta-analysis. Epidemics, 20, 1-20.
   48. Singh, D., Joshi, K., Samuel, A., Patra, J., & Mahindroo, N. (2020). Alcohol-based hand sanitisers as first line of defence against SARS-CoV-2: a review of biology, chemistry and formulations. Epidemiology & Infection, 148.
   49. Sirisattha, S., Momose, Y., Kitagawa, E., & Iwahashi, H. (2004). Toxicity of anionic detergents determined by Saccharomyces cerevisiae microarray analysis. Water Research, 38(1), 61-70.
   50. Sriwilaijaroen, N., Wilairat, P., Hiramatsu, H., Takahashi, T., Suzuki, T., Ito, M., … & Suzuki, Y. (2009). Mechanisms of the action of povidone-iodine against human and avian influenza A viruses: its effects on hemagglutination and sialidase activities. Virology journal, 6(1), 1-10.
   51. Straughn, J. C., & Barker, F. B. (1987). Avoiding glutaraldehyde irritation of the mucous membranes. Gastrointestinal endoscopy, 33(5), 396-397.
   52. Swenberg, J. A., Moeller, B. C., Lu, K., Rager, J. E., Fry, R. C., & Starr, T. B. (2013). Formaldehyde carcinogenicity research: 30 years and counting for mode of action, epidemiology, and cancer risk assessment. Toxicologic pathology, 41(2), 181-189.
   53. Szunerits, S., Barras, A., Khanal, M., Pagneux, Q., & Boukherroub, R. (2015). Nanostructures for the inhibition of viral infections. Molecules, 20(8), 14051-14081.
   54. Takigawa, T., & Endo, Y. (2006). Effects of glutaraldehyde exposure on human health. Journal of occupational health, 48(2), 75-87.
   55. Tian, X., Jiang, X., Welch, C., Croley, T. R., Wong, T. Y., Chen, C., … & Yin, J. J. (2018). Bactericidal effects of silver nanoparticles on lactobacilli and the underlying mechanism. ACS applied materials & interfaces, 10(10), 8443-8450.
   56. Tung, G., Macinga, D., Arbogast, J., & Jaykus, L. A. (2013). Efficacy of commonly used disinfectants for inactivation of human noroviruses and their surrogates. Journal of food protection, 76(7), 1210-1217.
   57. URL-1: https://www.genome.gov/genetics-glossary/Virus
   58. URL-2: https://news.arizona.edu/story/continuously-active-surface-disinfectants-may-provide-barrier-against-spread-viruses
   59. Vafadar, S., Shahdoust, M., Kalirad, A., Zakeri, P., & Sadeghi, M. (2021). Competitiveexclusionduringco-infection as a strategytopreventthespread of a virus: A computationalperspective. PloSone, 16(2), e0247200.
   60. Van Doremalen, N., Bushmaker, T., Morris, D. H., Holbrook, M. G., Gamble, A., Williamson, B. N., … & Munster, V. J. (2020). Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. New England journal of medicine, 382(16), 1564-1567.
   61. Velázquez, D., Zamberk, P., Suárez, R., & Lázaro, P. (2009). Allergic contact dermatitis to povidone-iodine. Contact Dermatitis, 60(6), 348-349.
   62. Verma, G., Mahajan, V., Shanker, V., Tegta, G., Jindal, N., & Minhas, S. (2011). Contact depigmentation following irritant contact dermatitis to chloroxylenol (Dettol). Indian Journal of Dermatology, Venereology and Leprology, 77(5), 612.
   63. Viana, R. B., da Silva, A. B., & Pimentel, A. S. (2012). Infrared spectroscopy of anionic, cationic, and zwitterionic surfactants. Advances in physical chemistry, 2012.
   64. Weng, D., Qi, H., Wu, T. T., Yan, M., Sun, R., & Lu, Y. (2012). Visible light powered self-disinfecting coatings for influenza viruses. Nanoscale, 4(9), 2870-2874.
   65. Wilton, T., Dunn, G., Eastwood, D., Minor, P. D., & Martin, J. (2014). Effect of formaldehyde inactivation on poliovirus. Journal of virology, 88(20), 11955-11964.
   66. World Bank. (2016). 2014–2015 West Africa Ebola crisis: impact update.
   67. Yeargin, T., Buckley, D., Fraser, A., & Jiang, X. (2016). The survival and inactivation of enteric viruses on soft surfaces: a systematic review of the literature. American journal of infection control, 44(11), 1365-1373.

Резюме

В борбата с настоящата пандемия от COVID-19, наноматериалите могат да бъдат отлични кандидати срещу вирусни инфекции, особено срещу коронавирусни. Това се дължи на възможността им лесно да пенетрират клетката, да взаимодействат с вирусите и да инхибират възпроизвеждането на вирусния геном. В допълнение, използването на наночастици позволява детектиране на инфекциозни агенти в малки обеми проби. Те представляват чувствителна, прецизна и бърза форма за откриване на инфекциозни частици, при това с по-малко разходи от сега използваните технологии. Този напредък в ранната детекция позволява точно и бързо лечение.

Ключови думи/фрази: наноматериали, COVID-19, детекция

1. Въведение

Продължаващата експлозивно разпространени на новата коронавирусна болест COVID-19 привлича внимание в световен мащаб поради удължения си инкубационен период и значителна инфекциозност. Бързото разпространение на пандемията в световен мащаб, инициирано от SARS-CoV-2, създаде належаща необходимост от диагностика и лечение на заболяването. В резултат на това много изследователи се стремят да намерят най-ефективните и подходящи методи за детекция и лечение на SARS-CoV-2. Полимеразната верижна реакция с обратна транскриптаза в реално време (RT-PCR) в момента се използва като един от най-надеждните подходи за откриване на новия вирус. Този процес обаче отнема време, трудоемък е и изисква обучен лабораторен персонал. Освен това, въпреки високата специфичност, са документирани фалшиво-отрицателни резултати, особено от неназофарингеални проби, които могат да имат по-ниско вирусно натоварване. Следователно, разработването и използването на по-бързи и по-надеждни методи изглежда има изключително значение. През последните години бяха направени много опити за производство на различни биосензори на базата на наноматериали, с цел детекция на вируси и бактерии в клинични проби [27, 46].

За да се справим със съществуващите и предстоящите глобални заплахи за здравето на човека е необходимо използването надежден начин за диагностициране на коронавирусното заболяване COVID-19. Наночастиците предлагат едно удачно приложение и значителни перспективи да функционират като платформа за бързо диагностициране на вирусна инфекция с висока чувствителност. За детекцията на SARS-CoV 2 могат да бъдат използвани златни наночастици, магнитни наночастици и графен (G). Прилагат се в молекулярната диагностика и в серологични подходи. Наночастиците съкращават времето, необходимо за диагностика. Те могат да бъдат приложени в малки устройства, които насърчават самодиагностицирането у дома или на места като летища и магазини. Методи, базирани на наночастици, могат да бъдат използвани за анализ на контаминирани с вируси проби от пациент, повърхност и въздух [1].

2. Съвременни методи за детекция на SARS-CoV-2

Конвенционални методи за откриване на SARS-CoV-2 са полимеразната верижна реакция с обратна транскрипция (RT-PCR), компютърната томография (CT) и секвенирането от следващо поколение (NGS) [1, 26, 40] (Фиг. 1). Типичните диагностични техники за откриване на COVID-19 са RT-PCR и CT на гръдния кош. В процес на разработка са и други диагностични методи, като CRISPR, SHERLOCK, RT-LAMP, ELISA и секвениране. Те могат да подобрят точността и да сведат до минимум времето за детекция на вируса [1, 9]. RT-PCR е признат като водещия и най-ефективен метод за коронавирусна детекция [1, 26].

Фигура 1. Конвенционални методи, използвани за детекцията на SARS-CoV-2. (A) Полимеразна верижна реакция с ензима обратна транскриптаза (RT-PCR). кДНК, комплементарна ДНК. (B) Компютърна томография. (C) ELISA анализ.

2.1. 2.1. Полимеразна верижна реакция с ензима обратна транскриптаза (RT-PCR)

RT-PCR се използва широко за детекцията на COVID-19. Базира се на синтеза на кДНК от геномна РНК, последвано от амплификация [26, 38]. Амплификацията на минимални количества вирусен генетичен материал в смес с други нуклеинови киселини се извършва ефективно чрез RT-PCR. Понастоящем тази техника е златният стандарт за откриване на SARS-CoV-2 в проби, взети от горните дихателни пътища. В няколко проучвания са използвани проби от серум, очи и изпражнения за осъществяване на RT-PCR-базирана детекция. Друг метод използва самостоятелно взети проби от слюнка като една неинвазивна и сигурна техника за медицинския персонал преди извършване на RT-PCR. При този метод, обратната транскриптаза първо превръща вирусния РНК геном в ДНК, като използва къса последователност от нуклеотиди – праймер и генерира комплементарна ДНК (кДНК). След това чрез флуоресцентно багрило или флуоресцентно белязана специфична последователност от ДНК се проследява амплификацията на ДНК в реално време. И накрая, чрез флуоресцентен или електрически сигнал се детектира вирусната кДНК след няколко последователни амплификационни цикъла [1, 9, 22].

Конвенционалните RT-PCR анализи включват едноетапни или двуетапни подходи. Едноетапните методи използват една епруветка, съдържаща както компонентите за обратната транскрипсция, така и за амплификацията. Двуетапната процедура разделя двата процеса. Тя осигурява по-предпазливи и гъвкави условия за работа. Също така, при този метод кДНК може да бъде съхранена за количествено определяне на различни цели с по-малко изходни материали. Въпреки това, стандартният метод за откриване на SARS-CoV-2 е едноетапният подход, тъй като е по-бърз, изисква по-малко манипулиране на пробите, намалява времето за анализ и намалява грешките при пипетиране [9, 43].

Детектирането, базирано на RT-PCR, също е свързано с фалшиво-отрицателни резултати, което може да се дължи на нисък вирусен товар в гърлото на пациентите, неправилно боравене с РНК пробите или липса на достатъчно вътрешни контроли [8, 9, 16]. Основният проблем на RT-PCR е неговата ниска чувствителност към анализиране състоянието на белите дробове. Друга пречка е ниската чувствителност при анализ на кръвни проби поради малките количества вирус в кръвта [26].

2.2. Компютърна томография (CT)

AДруг метод за детектиране и справяне със заболяването COVID-19 е компютърната томография на гръдния кош. При нея се използва рентгеново изображение на гръдния кош на пациента под различни ъгли. Според радиологичните доклади, всички необичайни характеристики на изображението от компютърната томография може да се дължат на заразяване с COVID-19. Типично наблюдаваните характеристики при сканиране на гръдния кош на пациент с COVID-19 са изменения, наречени „непрозрачност тип матово стъкло“ (GGO), особено на периферните и долните лобове, консолидации (повишаване на непрозрачността на паренхима, което води до покриване на подлежащите съдове), промени тип „crazy-paving“ (GGO с интралобуларно и интерлобуларно септално удебеляване) и линейни непрозрачности. CT с висока разделителна способност може да помогне при детектиране на GGO в ранните етапи на инфекцията [9, 26, 40].

CT чувствителността е по-висока при пациенти с положителен RT-PCR (86–97% в различни проучвания) и по-ниска при пациенти с общи и нереспираторни симптоми (около 50%). Ултразвукът също се използва като диагностичен инструмент в малък брой случаи. Ултразвукът има много ниска специфичност и въпреки че се влияе от заболяването, теглото на пациента и сръчността на оператора, чувствителността при този метод се оценява на около 75%. Въпреки това, ултразвукът може да играе роля в наблюдение на напредването на заболяването чрез детекция на характеристики на интерстициална белодробна болест [26].

2.3. SHERLOCK

В допълнение към RT-PCR и CT, за детекцията на SARS-CoV-2 са разработени и други техники. Както е описано от Gupta et al., SHERLOCK е разработен от Zhang et al. [45] „за детектиране на РНК фрагменти на SARS-CoV-2 с концентрация 10–100 копия/μl. Основният принцип на SHERLOCK- базираната диагностика е детектиране, базирано на CRISPR. Този тест може да бъде извършен за < 60 минути, без необходимост от специфични инструменти. Те избират два целеви гена, S гена и Orf1ab гена, от генома на SARS-CoV-2. За да се сведе до минимум кръстосаната реактивност с други респираторни вирусни геноми, те избират и специфични насочващи секвенции.“ [9].

2.4. RT-LAMP

Оптимизираният метод за детекция, базиран на RT-LAMP, има по-голяма чувствителност от традиционните RT-PCR методи и изисква по-малко време (фиг. 2). В резултат на това този процес може да се използва за бързо диагностициране на коронавирусни заболявания и увеличаване на капацитета за тестване с 2–2,5 пъти [9, 13].

Фигура 2. . Сравнение на работния процес при RT-LAMP и qRT-PCR анализи при спешни случаи (амбулаторни пациенти) и болнични пациенти. RT-LAMP анализа е 2–2,5 пъти по-бърз от qRT-PCR анализите и пробата може да бъде транспортираа при стайна температура

Gupta et al. обобщават настоящите техники за детекция на инфекция от SARS-CoV-2 във Фиг. 3 [9].

Фигура 3. Техники, използвани за детекция на тежък остър респираторен синдром коронавирус 2 (SARS-CoV-2).

3. 3. Наноматериали за детекция на SARS-CoV-2

Настоящият метод за детекция на COVID-19 инфекция е тестване на нуклеинова киселина чрез полимеразна верижна реакция и обратна транскрипция (RT-PCR). Въпреки че RT-PCR се използва широко за откриване на COVID-19, при този метод има няколко проблема [3, 14, 29, 35].

1. Фалшиво-отрицателни резултати;
2. Отнема много време;
3. RT-PCR не е способен да детектира асимптомни пациенти, тъй като е необходимо присъствие на SARS-CoV-2 в събраните проби;
4. Слаба аналитична чувствителност;
5. Трудоемък;
6. Здравните центрове в извънградски условия нямат адекватна PCR инфраструктура, която да поеме големи количества проби;
7. Скъп;
8. Наличието на RT-PCR китове и реагенти не може да отговори на нарасналото търсене.

Настоящата ситуация изисква разработване на техники за детекция, които са бързи, рентабилни и лесни за работа. За да се преодолеят ограниченията на традиционните методи, е необходим подобрен мултидисциплинарен подход. Технологичните решения, базирани на наноматериали, предоставят различни възможности за борба с вируса [10, 32].

3.1. Свойства на наноматериалите

Уникалните характеристики на наночастиците играят решаваща роля в справянето с пандемията и смекчаването на бъдещи епидемии. Наночастиците показват отличителни свойства като:

• малък размер;
• разтворимост;
• мултифункционалност;
• възможност да се насочват към желана цел;
• реагиращи на стимул;
• голяма повърхностна площ;
• повърхностна адаптивност

Поради това те се използват широко за приложения в различни области като аналитична химия, фармация, като сензори/биосензори, в биотехнологиите, наномедицината, за доставяне на лекарства, за биологична детекция, трансфер на гени, в оптиката, при заздравяване на рани, намират енергийни, селскостопански и екологични приложения. Наночастиците подобряват тези приложения, като предоставят повишена производителност със значителна перспектива за внедряване в миниатюрна техника, включително преносима електроника. Следователно, те показват огромен потенциал за подобряване на качеството на живот чрез регулиране на вирусното разпространение чрез навременна детекция. Наночастиците имат поне една размерност в нанометровия диапазон (1 nm =10-9) (Фиг. 4) [1, 15, 30, 36].

Фигура 4. Скала на наночастиците с някои примери.

Високото съотношение повърхност към обем на наночастиците, високата адсорбция, квантовите ефекти и високата реактивоспособност позволяват ефективно взаимодействие с аналитите на пробата. Освен това, те имат изключителни мултиплекс способности, което ги прави подходящи за включване в най-съвременните технологии за детекция на вируси. Наночастиците предлагат и лесна повърхностна функционализация, което предполага, че множество лиганди могат да бъдат прикрепени чрез ковалентни или нековалентни връзки. Това допълнително подобрява селективността и намалява времето за детекция. В допълнение, наноматериалите могат да се използват и като маркери за увеличаване на детектирания сигнал, което помага за детектиране на сигнали с много нисък магнитут [32].

3.2. Категории наноматериали

Създадени са различни наноматериали за детекция и проследяване на вируси, като [11]:

• Метални наночастици, например златни наночастици (Au NPs), сребърни наночастици (Ag NPs);
• Наночастици от метален оксид, например магнитни наночастици от железен оксид (Fe3O4 NPs);
• Въглеродни наноматериали, включително 0-измерни (0D, например фулерени (C60), въглеродни точки (C-точки)), 1D (въглеродни нанотръби (CNTs), 2D (например графен (G), графенов оксид (GO), и 3D (например графит);
• Квантови точки (KT): CdS KT, CdTe KT, въглеродни KT;
• Порести материали: метало–органични рамки (MOFs), ковалентни органични рамки (COFs);
• Полимери: естествени полимери (например хитозан, целулоза), и синтетични (например политиофен, полипирол);
• Липидни наночастици (LNPs): триглицериди, мастни киселини, стероиди и восъци

Фигура 5..Схема, показваща различни примери за CoV детекция чрез методи, базирани на наноматериали. (a) Флуоресцентни Zr KT и магнитни наночастици се свързват с антитела, които свързват специфично CoV. При наличие на CoV се формира магнитен флуоресцентен комплекс. Той бива магнитно изолиран и детектиран чрез флуоресцентни измервания. (b) Нанокапаните се използват за концентриране на CoV и подобряване на неговата стабилност, като по този начин се улеснява детекция му. (c) PCR с обратна транскрипция при наличието на наночастици подобрява ефективността на полимеразната верижна реакция, подобрявайки чувствителността на този метод. (d) Метод за детекция на CoV, базиран на взаимодействието между комплементарна ДНК от CoV и acpnPNA сонда на повърхността на Ag NP. Това взаимодействие води до разделяне на Ag NP и получаване на жълт цвят, асоцииран с луминесценция на добре диспергирани Ag NP, допълнително разкриващи присъствието на CoV.

Фигура 6. Различни наночастици.

Наноматериалите могат да бъдат използвани за различни цели при COVID-19. Rasmi et all обобщават функциите и основната роля на наноматериалите в таблицата по-долу (Фиг. 7) [30].

Фигура 7. Обобщение на ролята на наноматериалите при COVID-19.

3.2.1. Златни NPs (Au NPs)

Златните наночастици (AuNP) се използват все повече в платформите за откриване на SARS-CoV-2 поради техните забележителни оптични свойства, като повишени коефициенти на екстинкция и регулируем локализиран повърхностен плазмонен резонанс (LSPR), позволяващ различно цветно отчитане с просто оборудване или с невъоръжено око. За откриване на антитела срещу SARS-CoV-2 (IgG, IgM или IgA) са предложени анализи на базата на AuNP и флуоресцентни наночастици [17].

Златните наночастици (AuNP) са един от най-често използваните наноматериали за бърза диагностика. Златната наночастица са използва за детекция на двойноверижна ДНК (двДНК) на таргетни вируси. По-конкретно, едноверижна ДНК (евДНК) или едноверижна РНК може да взаимодейства с цитратни йони на повърхността на AuNP. Добавянето на сол към разтвора може да стабилизира частиците и да промени цвета. Прилага се и прост колориметричен хибридизационен анализ за детектиране на двДНК, получена от евРНК на SARS-CoV. Този анализ може да свърже целта при 4,3 nM за 10 минути, без да е необходимо никакво устройство [18, 30].

Подход при който се променя цвета

Друг анализ предоставя метод за визуално откриване на вируса на COVID-19, без необходимостта от сложни инструменти. Проектирана е колориметрична детекция с помощта на AuNPs, покрити с тиол-модифицирани антисенс олигонуклеотиди (ASOs). Тиол-модифицираните ASO-cap AuNP селективно агрегират в присъствието на таргетната РНК последователност на SARS-CoV-2 и променят повърхностния плазмонен резонанс. Резултатът може да бъде наблюдаван след 10 минути при детекционна граница от 0,18 ng/μL [23, 30].

Фигура 8: Схема на селективна детекция с невъоръжено око на SARS-CoV-2 РНК, опосредствана от подходящо проектирани ASO-cap AuNP

Разработен е ефективен метод за детекция на COVID-19 чрез имобилизиране на белтъци върху повърхността на Au с помощта на Au-свързващи полипептиди. Чрез зелен флуоресцентен белтък, SARS-CoV-E белтъка и стрептавидин от Streptomyces avidinii имобилизират Au-свързващ полипептиден фузионен белтък върху AuNP. Тези комплекси взаимодействат с антитялото, което води до абсорбция и промяна на цвета [25, 30].

 Неинвазивен подход

ThПредложен е неинвазивен подход за детекция на COVID-19, използващ издишан въздух и AuNP-базиран сензор. Сензорът се състои от различни AuNP, прикрепени към органични лиганди и филм от неорганичен наноматериал. Неорганичният филм има електрическа проводимост. Следователно, когато е изложен на летливите органични съединения (ЛОС) от издишания дъх, органичният филм реагира с ЛОС, което води до подуване или свиване на неорганичния филм и промяна в електрическата проводимост. Следователно, този неинвазивен сензор може потенциално да се използва за бърз скрининг на COVID-19 [30, 32].

Подход с електрохимична хибридизация

Открит е AuNP-базиран електрохимичен хибридизационен метод, използващ генен сензор, състоящ се от тиолирана ДНК сонда, имобилизирана върху AuNPs въглероден електрод. Сондата хибридизира биотинилирана таргетна ДНК. Електрохимичен чип се свързва чрез въглеродния електрод, съставен от AuNP масив. Коронавирусният белтък се свързва върху AuNP-електрод и коронавирусният белтък и свободните вируси се конкурират за място на свързване при наличието на антитела. Има отлични линейни резултати на сензорен отговор и концентрация на коронавирус, вариращи от 0,001 до 100 ng mL−1. Анализът достига детекционна граница от 1,0 pg mL-1. Методът е едноетапен, чувствителен и прецизен (Фиг. 9) [17, 30].

Фигура 9. CоV имуносензорен чип (a), етапи на произвеждане на имуносензора (b), детекционния процес на конкурентния имуносензор за вируса (c).

Имунохроматографски подход

Чрез подхода на индиректната имунохроматография е предложен латерален поточен анализ за бърза детекция на IgM срещу COVID-19. Върху аналитична мембрана са разположени нуклеопротеинът SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 НП) и античовешки IgM, конюгиран със AuNP, работещ като детекционен репортер. AuNP-ЛП анализа показа забележителна селективност при детекцията на IgM без интерференция от други вируси. Всеки анализ се нуждае само от 10–20 μL серум и резултат може да бъде получен в рамките на 15 минути [12, 30].

3.2.2. Квантови точки (КТ)

Квантовите точки (КТ) са още един механизъм, чрез който може да се борим с вируса COVID-19. Квантовите точки (КТ), известни също като „полупроводникови наноматериали“, играят жизненоважна роля в детектирането на COVID-19. КТ са признати като нова флуоресцентна сонда за молекулярна детекция. Размерът на КТ варира от 1 до 10 nm. Изключителните характеристики на КТ, включително страхотните им оптични и полупроводникови свойства, фотостабилност, висок квантов добив и тесен емисионен спектър, ги правят сериозен кандидат като флуоресцентни маркери. Поради тези изключителни свойства KT могат да се считат за чудесно средство за борба с вирусни инфекции. Освен това, чрез инкорпорирането на биосъвместими носители може да се осъществи интердисциплинарното проучване, което да позволи клинични подходи при борбата с вируса. Благодарение на техните превъзходни свойства, KT в момента са доминиращи сонди (хемосензори и биосензори) [21, 30].

Фигура 10. Описание на механизма на действие на AuNP-ЛП ленти.

КТ се използват поради тяхната проследимост под светлина с определена дължина на вълната. В допълнение, КТ могат да бъдат моделирани в желания размер (1–10 nm) и форма, която ефективно се насочва/прониква в SARS-CoV-2, с размери между 60 и 140 nm. Освен това положителният повърхностен заряд на КТ на основата на въглерод може да се използва за изолиране/деактивиране на S-белтъка на SARS-CoV-2. В допълнение, катионните повърхностни заряди на КТ, взаимодействат с отрицателната РНК верига на вируса, насочвайки към производството на реактивоспособни кислородни видове в SARS-CoV-2 [21].

Създаден е чип, базиран на КТ-конюгиран РНК аптамер, за чувствителна и бърза детекция на SARS-CoV N-белтък с граница на детекция от 0,1 pg mL−1. КТ-конюгираният РНК аптамер може да се свърже с SARS-CoV N-белтъка, имобилизиран върху чипа, създавайки оптичен сигнал. Използването на флуоресцентни КТ може да помогне на изследователите при проектирането на лесен, чувствителен и бърз диагностичен инструмент за COVID-19 [30, 31].

Фигура 11. Схема на действието на КТ върху SARS-CoV-2. КТ, квантова точка; S-белтък, шипчест белтък; SARS-CoV-2, тежък остър респираторен синдром коронавирус тип 2

Въглеродни квантови точки

Въглеродните квантови точки (CКТ) могат да се използват като биосензори за микроорганизми, биомолекули и инфекции. В допълнение, те могат да се използват в биосъвместими системи за инактивиране на патогенни човешки коронавирусни инфекции като доминантни сонди за визуализация (хемосензори и биосензори) с антивирусна активност. CКТ имат размери около 10 nm и могат да се разтварят добре във вода. Те се синтезират чрез хидротермална карбонизация на въглеродни прекурсори. Някои иновативни подходи за детектиране на коронавируси са фокусирани върху прилагането на CКТ. При един от методите антивирусната активност на седем вида CКТ е използвана за лечение на човешки коронавирусни инфекции. Използвани са различни видове CКТ, получени чрез хидротермална карбонизация и конюгиране на боронова киселина. Описано е, че инхибирането на вируса вероятно се дължи на обмена на химични групи между CКТ и рецепторите на вируса [10].

Циркониеви квантови точки (Zr КТ)

Цирконият, благодарение на свойства като механична стабилност, термична устойчивост и улавяне на UV светлина, се използва в много биомедицински направления. Освен това, наноразмерът на Zr има уникални физични и химични аспекти, дължащи се на голямата му повърхностна площ и електронни състояния [10].

Като цяло използването на КТ срещу коронавируса е един от най-подходящите избори поради изключителната му медицинска ефективност. Освен това, КТ могат да се използват като стабилна сонда за визуализация и сензор в диагностиката и прогнозирането. В допълнение, повърхността на КТ може да бъде покрита с лекарства за таргетиране на COVID-19. Въпреки това, те трябва да бъдат прилагани внимателно, за да бъдат избегнати бъбречна инфилтрация и допълнителни странични последици.

3.2.3. Въглеродни наноматериали

Въглеродните материали са функционални във всеки аспект от нашето ежедневие, защото те са многобройни и леки тъкани, които могат да бъдат използвани в множество приложения. Базираните на въглерод наноматериали могат да бъдат категоризирани въз основа на техните размерности (D) като например нула измерни (0D) (въглеродни точки), едно-измерни (1D) (при CNT) и дву-измерни (2D) (в графеновите наноструктури). Тези наноматериали поддържат по-широк диапазон на работна температура и по-широк обхват на трансдуциращ сигнал дори в екстремни ситуации на околната среда [24].

Въглеродните наноматериали са широко използвани при разработването на методи за детекция на COVID-19. Техните изключителни физикохимични и антивирусни характеристики показват, че наноматериалите играят жизненоважна роля в борбата срещу COVID-19. Тези наноматериали (графен и графенов оксид, въглеродни квантови точки, въглеродни нанотръби и фулерен) с отлични свойства, главно като биосензорност, антивирусни и антимикробни свойства, представляват една по-добра алтернатива за потенциални приложения като биосензори за диагностика, антивирусно покритие, филтриране на вируси разпространявани по въздушно-капков път, маски за лице и целево освобождаване на лекарства в организма [10, 24, 30].

 Графен и графенов оксид

Наноматериалите графен и графенов оксид имат две размерности, както и антимикробни и антивирусни свойства. Поради това те привличат голямо внимание и са обект на много изследвания. Разработени са графен-базирани полеви транзистори (FET) като сензори за анализиране на COVID-19 вирусен товар в клинични назофарингеални проби, използвайки антитела срещу неговия шипчест белтък. Разработените FET сензори могат да уловят SARS-CoV-2 шипчестия белтък във фосфатно буфериран физиологичен разтвор и 100 fg mL−1 медицинска течна транспортна среда, при концентрация 1 fgm L−1 и граница на детекция ~1,6 × 101 pfu mL-1 и ~2,42 × 102 pfu mL-1 съответно за култивирана проба и медицински тест. Този сензор показва, че е силно чувствителен към скрининг и диагностика на новото коронавирусно заболяване от 2019 г. и за него не е необходима предварителна обработка на пробите. Употребата на графен води до подобрено съотношение сигнал/шум [10].

Фигура 12. Схема на определени алотропни форми на въглеродни наноматериали за разработване на нанобиосензори

Въглеродни нанотръби

Въглеродните нанотръби (CNTs) биват широко използвани в биологични и биомедицински проучвания поради следните характеристики, с които отварят нови хоризонти за научно развитие [10]:

• 10− 100 nm в диаметър;
• антивирусна и антимикробна активност;
• добра ефективност на преобразуване на светлината в топлина;
• голямо съотношение повърхност/обем;
• ниска плътност;
• малък размер на порите;
• гъвкавост;
• резистентност към киселини и основи;
• добра механична здравина;
• способност за създаване на реактивоспособни кислородни видове;
• резистентност към респираторни капки;
• биологична съвместимост с няколко лекарства.

Въглеродните точки са открити през 2004 г. Те обикновено притежават фотолуминесцентни свойства и са биосъвместими и силно устойчиви. Тези характеристики ги правят подходящи за прилагане в различни сфери, включително биосенсинг и биовизуализация. Въглеродните нанотръби (CNT), графенът и въглеродните точки (CТ) могат да бъдат класифицирани като нула- (0D), едно-(1D) и дву-(2D) измерни въглеродни наноматериали [10, 30].

Фигура 13. Бъдещи перспективи на въглеродните нанотръби в профилактиката, диагностиката и лечението на SARS-CoV-2 инфекции.

Голямо пространство за съхранение, голяма повърхностна площ, висока биосъвместимост, отлично преминаване през биологични мембрани, относителна степен на биоабсорбция, и целева модификация на биомолекули са отлични свойства на CNT, които предоставят нови възможности за взаимодействие с COVID-19. CNT се използват като системи за диагностика и филтриране и като средство за инактивиране на вируси [10].

Проектирано е микроустройство с регулируем размер на CNT (CNT-STEM), което има за цел да концентрира вируси от сурови проби. CNT могат да се използват за диагностициране на респираторни вируси, включително SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2. Страничната стена на канала в микроустройството е произведена от легирани с азот многостенни CNT, където интратубулното пространство между CNT е оптимизирано, за да съответства на размера на различни вируси. С помощта на това устройство беше определен щамът на вируса на птичия грип. CNT-STEM значително подобрява честотата на изолиране на вируса и детекционната чувствителност. Поради лесното приложение и надеждността на тази техника, тя може да бъде модифицирана за откриване на SARS-CoV-2 РНК или белтъци [30, 34].

Фигура 14. Принцип на работа на вирусно обогатяване и концентриране от полеви проби. (A) Пробата, съдържаща вируси (лилави сфери), се взема с помощта на памучен тампон или като тъканна проба. (B) Супернатантата от полевата проба преминава през CNT-STEM и вирусите се концентрират в устройството. Вмъкване (вдясно): Илюстрация на базирано на размера вирусно обогатяване от подравнените N-MWCNT. Вмъкване (долу вдясно): SEM изображение на H5N2 AIV вириони, уловени от N-MWCNT. Вмъкване (долу вляво): TEM изображение на концентриран H5N2 AIV, след като N-MWCNT структурите биват отделени от CNT-STEM.

Нанодиаманти

Поради високата им стабилност и ниска цитотоксичност, към нанодиамантите има значителен интерес за диагностика на COVID-19. Флуоресцентни нанодиаманти се използват като ултрачувствителни маркери в латерален поточен имуноанализ на COVID-19. Тези нанодиаманти са имобилизирани върху тестовата подложка и чрез микровълново поле селективно техния флуоресцентен сигнал се отделя от фоновия сигнал. Това значително подобрява чувствителността на детекция. Този анализ е 105 пъти по-чувствителен от традиционния латерален поточен анализ със златни наночастици. Въглеродните наноматериали могат да се използват като антивирусно терапевтично средство за COVID-19 [30].

3.2.4. Магнитни наночастици (MNPs)

Mагнитните NP (MNP) обикновено се използват за детектиране на SARS-CoV-2, имунен отговор на гостоприемника и разделяне на нуклеинови киселини. Доказано е, че NP от железен оксид със силикатно покритие се свързват с РНК на SARS-CoV-2, след като вирусът бива лизиран. За изолиране на свързаните с РНК NP от разтвора се използва магнит. Този метод е икономичен и лесен, позволявайки ефективна екстракция на РНК от проби [15, 30].

Прецизната детекция изисква ефективна екстракция и разделяне на нуклеиновите киселини от пробата, позволявайки целево пречистване. В едно проучване са използвани суперпарамагнитни наночастици (80 nm), конюгирани със сонда, комплементарна на таргетната последователност в SARS-CoVs. Чрез магнит, функционализираните суперпарамагнитни наночастици могат да екстрахират таргетната кДНК от пробата. Количеството на екстрахираната ДНК се увеличава чрез PCR, използващ флуоресцентни наночастици със силико-покритие, конюгирани с комплементарната последователност. Флуоресцентните наночастици със силико-покритие отделят флуоресцентен сигнал, пряко свързан с концентрацията на целевата кДНК [30].

Повърхностно функционализираните MNP адсорбират нуклеиновата киселина от лизиращия разтвор и биват отделени от повечето контаминанти с помощта на външно магнитно поле. След тази кратка процедура, нуклеиновата киселина може да бъде допълнително пречистена, като се отдели от функционализираната повърхност на MNP чрез процес на десорбция в елуента. Въпреки че този процес е много по-лесен и по-кратък от традиционните процедури, MNP асистирания екстракционен процес все още се състои от няколко етапа, неподходящи за практическа детекция. Наночастиците от цинков ферит се синтезират чрез продължително изпарение, а повърхността на наночастиците е функционализирана със силициев диоксид и карбоксил-модифициран поливинилов алкохол. Тази платформа демонстрира способност за бързото и лесно премахване на вирусната РНК от различни видове проби. Този метод намалява функционалните стъпки, което предоставя значителна перспектива за диагностика на COVID-19 на молекулно ниво [30, 34].

Наличен е по-опростен съвременен протокол за MNP асистирана РНК екстракция и RT-PCR-базирана диагностика на COVID-19. MNP от цинков ферит (ZNF) могат да бъдат синтезирани по рентабилния зол-гел самовъзпламенителен метод. След това повърхността им се функционализира чрез полимери, съдържащи карбоксилни групи (CPoly). От магнитните съединения е избран цинковият ферит поради неговата висока химическа устойчивост, добро магнитно поведение, лесна подготовка и биосъвместим характер. Благодарение на здравата връзка между нуклеиновите киселини и карбоксилните групи, повърхностно функционализираните MNP промотират бърза и ефективна адсорбция на вирусна РНК. Тази рентабилна и опростена техника може да осигури квалифицирана алтернатива на конвенционалните методи [34].

Фигура 15. Схема на протокол за РНК екстракция чрез повърхностно функционализирани MNP

Съществува и едноетапна процедура за екстракция на нуклеинови киселини, която използва поликарбоксил-функционализирани MNP с добавени аминогрупи, (PC-покрити NH2-MNP). Нуклеиновите киселини биват събрани с помощта на магнитно поле и след това освободени от MNPs чрез добавяне на промиващ буфер. При свързване на COVID-19-псевдовируси, поликарбоксил-функционализираните MNPs показват перфектна абсорбция и парамагнитни свойства, чрез бързото свързване (30 s магнитно свързване) към целта [30, 46].

Фигура 16: Схематично представяне на pcMNP-базиран метод за екстракция на вирусна РНК

3.2.5. Нанозими

Нанозимите са ензими, които не се срещат естествено в природата. Те са съставени от наноматериали и имат ефективност, подобна на тази на естествено срещащите се ензими. Нанозимите имат по-добра каталитична активност и способност за самосглобяване. Те биват широко използвани за диагностика и лечение на заболявания. Нов нанозим-базиран хемилуминесцентен хартиен анализ за бърза детекция на SARS-CoV-2 шипчест антиген съчетава нанозимен и ензимен хемилуминесцентен имуноанализ с латерален поточен тест.

Фигура 17: (A) Схема на нанозим хемилуминесцентен хартиен тест за SARS-CoV-2 S-RBD антиген. Разпознаване, разделяне и каталитична амплификация.

Конвенционалната хемилуминесцентна имунодиагностика използва естествени протеази, като HRP или алкална фосфатаза, които имат някои ограничения като това, че не са достатъчно устойчиви при съхранение, имат сложни методи за изготвяне и висока цена. Предложеният биосензор използва имитиращ пероксидаза Co-Fe@hemin нанозим, вместо естествена пероксидаза от хрян (HRP), който може да повиши значително хемилуминесцентния сигнал, достигайки граница на детектиране от 0,1 ng/mL. Доказано е, че нанозимът Co-Fe@hemin е по-устойчив на температура и алкалност в сравнение с HRP. Той може да остане стабилен и при съхранение на стайна температура. Този анализ може да бъде проведен в рамките на 16 минути, много по-бързо в сравнение с обичайните 1-2 часа, необходими за прилаганите в момента анализи на нуклеинови киселини. Освен това, детектирането на сигнал е възможно с помощта на камерата на обикновен смартфон. Компонентите за нанозимния синтез са леснодостъпни, което значително намалява общите разходи [20, 30].

3.2.6. Метало-органични рамки (MOF)

Порестите наноматериали могат да бъдат използвани за детектиране на различни патогени. Не е необходимо аналитът (патогенът) да бъде абсорбиран от порестите наноматериали, но патогена трябва да взаимодейства с повърхността на MOF, която бива модифицирана от различни NPs. Чрез това взаимодействие могат да бъдат оптимизирани допълнителни „изключване/включване“ или „включване/изключване“ оптични механизми за детектиране на патогена. В този случай различни оптични активни компоненти могат да бъдат използвани като гасители или активатори. При SARS-CoV-2 няма необходимост от детектиране на същия генетичен материал и генетична последователност на повърхността на маски или дрехи поради значителните несъответствия между концентрациите на SARS-CoV-2 и други вируси. Вместо това, чрез флуоресцентен модел „отпечатък“ върху контактната повърхност на газовата и твърдата фаза може да бъде измерен същия обхват на SARS-CoV-2 чрез оптични промени. Освен това, ако базираните на MOF биосензори работят успешно за детектиране на HIV-1, H1N1, ZIKA и други патогени със значителна прецизност и добра граница на детектиране, тогава морфологично и оптично-базирания биосензор за детекция на SARS-CoV-2 също трябва да функционира. [26].

4. Предизвикателства и ограничения на наноматериалите

Наноматериалите могат да бъдат изключително ценни в биомедицинската практика. Те обаче имат някои ограничения, като например токсичността им. Едно от значителните предизвикателства пред наноматериалите е да се гарантира безопасното им използване. Друго предизвикателство е, че поведението на наноматериалите в тялото може да се промени, когато те достигнат кръвообращението. Това се дължи на формирането на белтъчна корона. Поради това са необходими достоверни in vivo модели, за да бъде проучено достатъчно токсикокинетичното поведение на наночастиците в тялото, особено при дългосрочно им използване.

Друг проблем е липсата на стандартизирани протоколи за физикохимично и биологично дефиниране на наноматериалите и липсата на общоприето определение за наноматериал. Капацитетът за широкомащабно производство е друго препятствие, което трябва да бъде преодоляно за по-широкото комерсиализиране на нано-базирани формули. Поради множеството взаимодействия между наноматериалите и биологичните системи е много трудно да се предвиди поведението на тези материали при физиологични условия. Веднъж попаднали в тялото, наночастиците достигат кръвообращението, сложна матрица, съдържаща йони, малки молекули, белтъци и клетки. [37].

---

Тест LO 3.1

---

5. Литература

1. Abdelhamid H., and Badr G., (2021). Nanobiotechnology as a platform for the diagnosis of COVID‐19: a review. Nanotechnology for Environmental Engineering 6:19 https://doi.org/10.1007/s41204-021-00109-0
2. Abraham AM., Kannangai R., and Sridharan G., (2008). Nanotechnology: A new frontier in virus detection in clinical practice. Indian Journal of Medical Microbiology, 26(4): 297-301
3. Alhalaili B., Popescu I.N., Kamoun O., Alzubi F., Alawadhia S., Vidu R. (2020) Nanobiosensors for the detection of novel coronavirus 2019-nCoV and other pandemic/Epidemic Respiratory viruses: A review. Sensors 2020, 20, 6591. [CrossRef]
4. Alimardani V., Abolmaali S., Tamaddon A., (2021). Recent Advances on Nanotechnology-Based Strategies for Prevention, Diagnosis, and Treatment of Coronavirus Infections. Journal of Nanomaterials Volume 2021, Article ID 9495126, 20 pages https://doi.org/10.1155/2021/9495126
5. Alphandery E., (2020). The Potential of Various Nanotechnologies for Coronavirus Diagnosis/Treatment Highlighted through a Literature Analysis. Bioconjugate Chem. 2020, 31, 1873−1882. https://dx.doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.0c00287
6. Bendavid E., Mulaney B., Sood N., Shah S., Ling E., Bromley-Dulfano R. (2020). COVID-19 Antibody Seroprevalence in Santa Clara County, California. MedRxiv
7. Carter L. J., Garner L. V., Smoot J. W., Li Y., Zhou Q., Saveson C. J., et al. (2020). Assay techniques and test development for COVID-19 diagnosis. ACS Cent. Sci. 6, 591–605. doi: 10.1021/acscentsci.0c00501
8. Di Paolo M., Iacovelli A., Olmati F., Menichini I., Oliva A., Carnevalini M., et al. (2020). False-negative RT-PCR in SARS-CoV-2 disease: experience from an Italian COVID-19 unit. ERJ Open Res. 6, 324–2020. doi: 10.1183/23120541.00324-2020
9. Eftekhari A., Alipour M., Chodari L., Maleki Dizaj S., Ardalan M., Samiei M., Sharifi S., Zununi Vahed S., Huseynova I., Khalilov R. et al. (2021). A Comprehensive Review of Detection Methods for SARS-CoV-2. Microorganisms, 9, 232. https://doi.org/10.3390/ microorganisms9020232
10. Ghaemi F., Amiri A., Bajuri M., Yuhana N., Ferrara M., (2021), Role of different types of nanomaterials against diagnosis, prevention and therapy of COVID-19. Sustainable Cities and Society 72 (2021) 103046
11. Gupta R., Sagar P., Priyadarshi N., Kaul S., Sandhir R., Rishi V. and Singhal N.K. (2020). Nanotechnology-Based Approaches for the Detection of SARS-CoV-2. Front. Nanotechnol. 2:589832. doi: 10.3389/fnano.2020.589832
12. Huang C., Wen T., Shi F.J., Zeng X.Y., Jiao Y.J., (2020). Rapid Detection of IgM Antibodies against the SARS-CoV-2 Virus via Colloidal Gold Nanoparticle-Based Lateral-Flow Assay. ACS Omega 2020, 5, 12550–12556.
13. Jiang M., Pan W., Arasthfer A., Fang W., Ling L., Fang, H., et al. (2020). Development and validation of a rapid, single-step reverse transcriptase loop- mediated isothermal amplification (RT-LAMP) system potentially to be used for reliable and high-throughput screening of COVID-19. Front. Cell. Infect. Microbiol. 10:331. doi: 10.3389/fcimb.2020.00331
14. Jindal S., and Gopinath P., (2020) Nano Ex. 1 022003
15. Kang J., Tahir A., Wang H., Chang J. (2021). Applications of nanotechnology in virus detection, tracking, and infection mechanisms. WIREs Nanomed Nanobiotechnol. 2021;13:e1700. https://doi.org/10.1002/ wnan.1700
16. Kelly J. C., Dombrowksi M., O’Neil-Callahan M., Kernberg A. S., Frolova A. I., and Stout M. J. (2020). False-negative testing for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2: consideration in obstetrical care. Am. J. Obstet. Gynecol. 2(Suppl. 3):100130. doi: 10.1016/j.ajogmf.2020.100130
17. Layqah L.A., Eissa S. (2019). An Electrochemical Immunosensor for the Corona Virus Associated with the Middle East Respiratory Syndrome Using an Array of Gold Nanoparticle-Modified Carbon Electrodes. Microchimica Acta 2019, 186, 224.
18. Lew T., Aung K., Ow S., Amrun S., Sutarlie L., Ng L., and Su X., (2021). Epitope-Functionalized Gold Nanoparticles for Rapid and Selective Detection of SARS-CoV‐2 IgG Antibodies. ACS NANO, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04091
19. Li H., and Rothberg L., (2004). Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 14036–14039
20. Liu D., Ju C., Han C., Shi R., Chen X., Duan D., Yan J., Yan, X. (2021). Nanozyme Chemiluminescence Paper Test for Rapid and Sensitive Detection of SARS-CoV-2 Antigen. Biosens. Bioelectron. 2021, 173, 112817
21. Manivannan S., Ponnuchamy K. (2020). Quantum Dots as a Promising Agent to Combat COVID-19. Appl. Organomet. Chem. 2020, 34, e5887
22. Mizumoto K., Kagaya K., Zarebski A., Chowell G.J.E. (2020). Estimating the asymptomatic proportion of coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases on board the Diamond Princess cruise ship, Yokohama, Japan, 2020. Eurosurveillance , 25, 2000180
23. Moitra P., Alafeef M., Dighe K., Frieman M.B., Pan D. (2020). Selective Naked-Eye Detection of SARS-CoV-2 Mediated by N Gene Targeted Antisense Oligonucleotide Capped Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 14, 7617–7627.
24. Ozmen E., Kartal E., Turan M., Yazicioglu A., Hiazi J., and Qureshi A., (2021). Graphene and carbon nanotubes interfaced electrochemical nanobiosensors for the detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) and other respiratory viral infections: A review. Materials Science & Engineering C 129 (2021) 112356
25. Park T.J., Lee S.Y., Lee S.J., Park J.P., Yang K.S., Lee K.-B., Ko S., Park J.B., Kim T., Kim S.K., (2006). Protein Nanopatterns and Biosensors Using Gold Binding Polypeptide as a Fusion Partner. Anal. Chem. 2006, 78, 7197–7205
26. Pascarella G., Strumia A., Piliego C., Bruno F., Del Buono R., Costa F., et al. (2020). COVID-19 diagnosis and management: a comprehensive review. J. Intern. Med. 288, 192–206. doi: 10.1111/joim.13091
27. Pishva P., and Yuce M., (2021). Nanomaterials to tackle the COVID-19 pandemic. Emergent Materials https://doi.org/10.1007/s42247-021-00184-8
28. Rabiee N., Bagherzadeh M., Ghasemi A., Zare H., Ahmadi S., Fatahi Y., Dinarvand R., Rabiee M., Ramakrishna S., Shokouhimehr M., Varma R.S. (2020). Point-of-Use Rapid Detection of SARS-CoV-2: Nanotechnology-Enabled Solutions for the COVID-19 Pandemic. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 5126. https://doi.org/10.3390/ijms21145126
29. Rai M., Bonde S., Yadav A., Bhowmik A., Rathod S., Ingle P., Gade A. (2021). Nanotechnology as a Shield against COVID-19: Current Advancement and Limitations. Viruses 2021,13,1224. https:// doi.org/10.3390/v13071224
30. Rasmi Y., Saloua K.S., Nemati M., Choi J.R. (2021). Recent Progress in Nanotechnology for COVID-19 Prevention, Diagnostics and Treatment. Nanomaterials 2021, 11, 1788. https://doi.org/10.3390/ nano11071788
31. Roh C., Jo S.K., (2011). Quantitative and Sensitive Detection of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Using Quantum Dots- Conjugated RNA Aptamer on Chip. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2011, 86, 1475–1479.
32. Shan B., Broza Y.Y., Li W., Wang, Y., Wu S., Liu Z., Wang J., Gui S., Wang L., Zhang Z., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano 2020, 14, 12125–12132.
33. Singh P., Singh D., Sa P., Mohapatra P., Khuntia A., and Sahoo S. (2021). Insights from nanotechnology in COVID-19: prevention, detection, therapy and immunomodulation. Nanomedicine (Lond.) (2021) 16(14), 1219–1235
34. Somvanshi S., Kharat P., Saraf T., Somwanshi S., Shejul S., and Jadhav K. (2021). Multifunctional nano-magnetic particles assisted viral RNA-extraction protocol for potential detection of COVID-19, Materials Research Innovations, 25:3, 169-174, DOI: 10.1080/14328917.2020.1769350
35. Talebian S., Wallace g., Schroeder A., Stellacci F., and Conde J. (2020). Nature Nanotechnology, Vol 15, August 2020, 618-624, www.nature.com/naturenanotechnology
36. Tavakol S., Zahmatkeshan M., Mohammadinejad R., Mehrzadi S., Joghataei M., Alavijeh M., Seifalian A. (2021). The role of nanotechnology in current COVID-19 outbreak. Heliyon 7 (2021) e06841
37. Tharayil A., Rajakumari R., Chirayil C., Thomas S. and Kalarikkal N., (2021) A short review on nanotechnology interventions against COVID-19. Emergent Materials (2021). 4:131–141  https://doi.org/10.1007/s42247-021-00163-z
38. To K.K.-W., Tsang O.T.-Y., Yip C.C.-Y., Chan K.-H., Wu T.-C., Chan J.M.-C., Leung W.-S., Chik T.S.-H., Choi C.Y.-C., Kandamby D.H. et al. (2020). Consistent Detection of 2019 Novel Coronavirus in Saliva. Clin. Infect. Dis
39. Toledo G., Toledo V., Lanfredi A., Escote M., Champi A., Da silva M., Nantes-Cardoso I., (2020), Promising Nanostructured Materials against Enveloped Virus. An Acad Bras Cienc (2020) 92(4): e20200718 DOI 10.1590/0001-3765202020200718
40. Udugama B., Kadhiresan P., Kozlowski H. N., Malekjahani A., Osborne M., Li V. Y. C., et al. (2020). Diagnosing COVID-19: the disease and tools for detection. ACS Nano 14, 3822–3835. doi: 10.1021/acsnano.0c02624
41. Varghese R., Salvi S., Sood P., Karsiya J., Kumar D. (2021). Carbon nanotubes in COVID-19: A critical review and prospects. Colloid and Interface Science Communications 46 (2022) 100544
42. Waller J. V., Kaur P., Tucker A., Lin, K. K., Diaz M. J., Henry T. S., et al. (2020). Diagnostic tools for coronavirus disease (COVID-19): comparing CT and RT-PCR viral nucleic acid testing. Am. J. Roentgenol. 215, 834–838. doi: 10.2214/AJR.20.23418
43. Wong M.L., Medrano J.F. (2005). Real-time PCR for mRNA quantitation. Biotechniques 39, 75–85.
44. Yeh Y.-T., Tang Y., Sebastian A., Dasgupta A., Perea-Lopez N., Albert I., Lu H., Terrones M., Zheng, S.-Y., (2016). Tunable and Label-Free Virus Enrichment for Ultrasensitive Virus Detection Using Carbon Nanotube Arrays. Sci. Adv. 2016, 2, e1601026.
45. Zhang F., Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Sciences C., and Mathers L. (2020). A Protocol for Detection of COVID-19 Using CRISPR Diagnostics.
46. Zhao Z., Cui H., Song W., Ru X., Zhou W., Yu X. (2020). A Simple Magnetic Nanoparticles-Based Viral RNA Extraction Method for Efficient Detection of SARS-CoV-2. bioRxiv 2020.

Резюме

Напредъкът на нанотехнологиите е от съществено значение за диагностицирането на COVID-19. Профилактиката и диагностиката са важни за контролиране на разпространението на инфекцията. Нанотехнологиите предлагат нови методи за бърза диагностика, детектиране на инфекции в ранните етапи и идентифициране на COVID-19. Поради по-малкия си размер и по-голямата си повърхност, нанотехнологичните продукти могат да детектират заболяването с висока точност. Тъй като симптомите на COVID-19 са близки до тези на други респираторни заболявания, от съществено значение е наличието на прецизни, чувствителни и бързи диагностични инструменти за детектиране на инфекцията в ранен етап.

Ключови думи/фрази: нанотехнология, COVID-19, диагностика

1. 1. Въведение

Коронавирусното заболяване от 2019 г. (COVID-19), предизвикано от тежък остър респираторен синдром коронавирус 2 (SARS-CoV-2), е глобален здравен проблем, който СЗО обяви за пандемия. COVID-19 доведе до световен локдаун и застраши глобалната икономика. SARS-CoV-2 се разпространи бързо по целия свят, генерирайки повсеместна пандемия. Този вирус се разпространява от човек на човек чрез респираторни капки и близък контакт. Хора от всички възрасти могат да бъдат инфектирани. Разпространяването на COVID-19 оказа международен натиск върху модерните общества, особено върху инфраструктурата, свързана със здравеопазването. Следователно, необходими са диагностични тестове, специфични за това заболяване, за да се диагностицират положителните случаи, пациентите да бъдат подложени на скрининг и за да се извърши проследяване на вирусното поведение. Диагностиката играе голяма роля в предотвратяването на COVID-19 като позволява бързо предприемане на действия от институциите, ограничаващи разпространението чрез детекция и изолиране на индивиди и чрез проследяване на контактните лица. Следователно, светът е изправен пред ново предизвикателство: да създаде ултрабързи, ултрачувствителни устройства и наномащабни аналитични инструменти или сензорни системи (напр. нанобиосензори), които да бъдат високоефективни в детектирането на новия коронавирус от 2019 г. (COVID-19) или тежкия остър респираторен синдром (SARS) [3, 10, 17].

С напредъка в нанотехнологиите, изключителните свойства на наноматериалите, включително способността им да усилват сигнала при детекция, могат да бъдат използвани за разработването на нанобиосензори и нановизуализационни процеси. Заедно с други диагностични инструменти могат да бъдат приложени за детектиране в ранен етап на заболяването. Нанотехнологиите биват цялостно изследвани за перспективите си в разработването на диагностични техники, терапии, ваксини и стратегии за облекчаване на здравеопазването [10].

2. Съвременни лабораторни методи за диагностициране на SARS-CoV-2

Диагностицирането на COVID-19 се основава на анализиране на симптомите на пациента или изследване за наличието на вируса, например неговата РНК или белтък. Температурата на пациента (повишена температура), чувството за отпадналост и затруднено дишане предполагат наличието на инфекция. Въпреки това, тези симптоми са неспецифични и могат да се наблюдават при инфекция с други патогени. Патологичните изменения в органи на пациента, като например органите в гръдния кош, могат да бъдат наблюдавани чрез компютърна томография (CT). Компютърната томография може да бъде надежден тест за скрининг на SARS-COV 2 случи, както при други видове пневмония. Анализът обаче, изисква специализирано оборудване и не успява да отговори на голяма част от изискванията. COVID-19 може да бъде диагностициран чрез лабораторни измервания. Тези методи обикновено се използват за изследване на пациенти. Те не могат да се използват за анализ на замърсени проби като повърхност и въздух [1].

Фигура 1. Методи за диагностика на COVID-19.

Разработени са няколко метода за диагностика на COVID-19. Основните тестове за диагностика могат да бъдат класифицирани в три основни категории [1]:

1. Генетични тестове (тестове за наличието на вирусна нуклеинова киселина): анализ на вирусния геном, използващ методи като количествена полимеразна верижна реакция в реално време, използваща ензима обратна транскриптаза (RT-qPCR), изотермична амплификация (например изотермична амплификация, медиирана от формирането на структури наподобяващи примка (LAMP), амплификация базирана на последователност в нуклеиновата киселина (NASBA), транскрипционно медиирана амплификация (TMA), амплификация на търкалящото се колело (RCA), клъстерирани къси палиндромни повтори (CRISPR)) и нaнопорово таргетирано секвениране (NTS).
2. Антигенни тестове:анализ на вирусните белтъци (мембранно свързани шипчести белтъци или нуклеокапсидни белтъци) чрез колориметрични техники, техники използващи полеви транзистор (FET), ензимно-свързан имуносорбентен анализ (ELISA) и масспектрометрия (MS).
3. Серологични тестове: анализ на антитела (имуноглобулин M (IgM) и имуноглобулин G (IgG)) срещу вируса [18, 19]. Изследването на антителата на пациента може да бъде постигнато чрез методи като електрически (EC) биосензори, локализиран повърхностен плазмонен резонанс (LSPR), усилено повърхностно Раманово разсейване (SERS), кварцов кристален микробаланс (QCM), флуоресцентен биосензор, колориметричен биосензор, имунохроматография със златни наночастици, ELISA, хемилуминесцентен имуноанализ и пиезоелектрични микроконзолни сензори (PEMS).

За съжаление много традиционни методи за детекция на респираторни вируси, като RT-PCR, имат много недостатъци. Те отнемат много време, скъпи са, не винаги са възпроизводими и изискват квалифициран персонал и други технически съоръжения [3].

Фигура 2. Недостатъци на традиционните методи.

3. Нанотехнологии

Нанотехнологиите предлагат нови техники за бърза диагностика, ранно откриване на инфекции и идентифициране на вирусни патогени, причиняващи пандемии. Те подобряват ефективността и качеството на детекционния процес чрез използване на нанобиосензори. Освен това, новите наноструктури и наносензори показват свойства и характеристики, невиждани досега на макроскопично ниво, за детектиране и улавяне на инфекции [3]

Нанотехнологиите могат да подобрят диагностицирането на COVID-19 и да предложат най-съвременен диагностичен метод, базиран на „Point Of Care“ (POC) сенсинг технологията. Освен това, те могат да бъдат свързани с изкуствен интелект (AI) и биосензори, интегрирани в интернет-свързани медицински устройства (IoMT) за изучаване на практическа информатика чрез съхранение, споделяне и анализ на данни. Освен това, те могат да заобиколят традиционните процеси с ниска чувствителност, ниска селективност, висока цена и удължено време за диагностика. Могат да се използват в нови методи за безболезнени анализи на проби, като например анализиране на слюнката на пациента с помощта на графенов оксид (GO)/Au/Fiber Bragg grating (FBG) сонда. Нанотехнологиите могат да усъвършенстват технологии като свободни от бележене биосензори, хартиени латерални поточни анализи, оптични технологии и цифрови технологии [1].

3.1. Нанобиосензори

По-големият превес на вирусни огнища може да се дължат на неправилни детекционни инструменти, използвани за откриване на инфекциозни агенти. Необходим е инструмент за детектиране или диагностика с убедителни, бързи и прецизни биосенсинг свойства. Биосензорите могат да бъдат характеризирани като аналитични инструменти, които могат да анализират ниски концентрации от аналита в биологични проби (като човешки серум, кръв, сълзи, слюнка и др.). В сравнение с традиционните китове за качествени и количествени анализи, тези биосензори са по-предпочитани поради своята прецизност и чувствителност към избраната целева молекула [15].

Фигура 3. Класификация и приложения на различните биосензори.

Необходимостта от точност и бързина при диагностицирането на COVID-19 не се удовлетворява от традиционните методи като серологични тестове и полимеразна верижна реакция с обратна транскрипция (RT-PCR), които рутинно се използват за детектиране и диагностициране на COVID-19. Това условие може да бъде изпълнено чрез използване на ултрачувствителни нанобиосензори, които играят важна роля в детектирането на новия коронавирус. Нанобиосензорите предоставят бърза, рентабилна, прецизна и миниатюризирана платформа за детектиране на SARS-CoV-2 [10]. Биосензорите обикновено са изградени от молекула за биологично разпознаване, имобилизирана върху повърхността на сигнален трансдуктор и могат да бъдат използвани за анализ, диагностика, защита, сигурност и тестване на по-големи популации [3].

Нанобиосензорите предоставят няколко предимства, водещи до ефективно детектиране, като например [3]:

• Рентабилност;
• Дълъг живот;
• Лесни за употреба;/li>
• Автономност;
• Прецизност;
• Портативни са;
• Бързо получаване на резултати;
• Силно чувствителни;
• Мултиплексни възможности;
• Приложим процес.

Нанобиосензорите са устройства, в които трансдукторът се променя, за да улови целевия компонент, биологичният отговор се превръща в електрически сигнали, който бива детектиран бързо и с висока точност. Физичните отговори могат да бъдат изчислени чрез използване на подходящи биорецептори, като нуклеинови киселини, антигени, ДНК сонда, пептид, цяла клетка, микроорганизъм и тъкан. Тези рецептори са лесно разпознаваеми, силно чувствителни и могат да детектират специфичен биоаналит. Таргетната молекула се свързва с биорецептора. След това трансдукторът с интегрирани наноструктури трансформира детекцията в електрически сигнал, дефиниран от детектора (фиг. 4) [3].

Фигура 4. Схема на различни аналити, биорецептори и трансдуктори като части от типичния нанобиосензорен дизайн за детекция на респираторни вируси.

Нанобиосензорите, използвани за детектиране на SARS или MERS коронавируси, могат да бъдат категоризирани въз основа на биологичната молекула към която са насочени (нуклеинови киселини, антигени или антитела) като биосензори,базирани на нуклеинова киселина, биосензори базирани на антиген и биосензори базирани на антитяло (Фиг. 5) [3].

Фигура 5. Схема на класификация на различни биосензори за детекция на SARS и MERS коронавируси.

3.1.1. Електрохимични нанобиосензори

Електрохимичните биосензори са най-широко използвания и най-предпочитания тип биосензори. Според дефиницията на IUPAC, електрохимичният биосензор е „интегрирано устройство, което е способно да предоставя специфична количествена или полуколичествена аналитична информация, използвайки елемент за биологично разпознаване (биохимичен рецептор), който поддържа пряк пространствен контакт с електрохимичен трансдуциращ елемент.“ [8, 13].

Електрохимичния нанобиосензор е молекулно сензорно устройство, което свързва процеса на биологично разпознаване с електроден трансдуктор, за да създаде използваем електричен сигнал. Тъй като в електрохимичните наносензори има електроди, полупроводниковите свойства, диелектричните свойства и разпределението на заряда са критични елементи [3].

Фигура 6. Схема, показваща компонентите на биосензор, използвани за сенсинг на целеви аналитни проби. Обърнато е внимание на използването на електрохимична биосензорна платформа, която трансформира биохимичната информация в ток или напрежение върху електрохимична трансдукторна повърхност.

Основните предимства на електрохимичните биосензори са [5, 11]:

• Лесно разработване;
• Възможност за миниатюризация;
• Висока чувствителност;
• Сравнително ниска цена.

Електрохимичните сензори са привлекателен избор за детектиране на различни биомолекули, тъй като те могат да бъдат лесно комбинирани с множество модули като а) евтини микроелектронни вериги; б) миниатюризирани „lab-on-a-chip“; в) електронни системи за отчитане на сигнала и г) устройства за обработка на сигнали. Тъй като електрохимичните биосензори са чувствителни, лесни за миниатюризиране, изискват малки обеми от аналита, имат по-добра граница на детектиране на аналита и предоставят бързи резултати, те са най-предпочитани в медицинската диагностика и много други изследователски области, включително безопасност на храните и мониторинг на околната среда [8].

Електрохимичният биосензор може да бъде категоризиран въз основа на видовете трансдуктори, използвани за измерване на сигнала. Те включват кондуктометрични, амперометрични и потенциометрични трансдукторни платформи. Общият принцип на електрохимичния (био-електрохимичния) биосенсинг се основава на електрохимичния отговор, протичащ върху или в близост до електрода и/или между електродите. Това води до формирането на: (i) измерим токов сигнал (амперометричен), (ii) кумулативен заряд или потенциал (потенциометричен), или (iii) промени в проводимостта на средата (кондуктометричен). [8].

Фигура 7. Класификация на електрохимичните биосензори в зависимост от типа на трансдуктора и видовете сигнал.

Електрохимичните нанобиосензори могат да се използват и за идентифициране на вирусни нуклеинови киселини. Разработен е електрохимичен геносензор за детектиране на SARS. Той използва монослой от тиолирани олигонуклеотиди, самосглобени върху въглеродни електроди, покрити със златни наночастици. Олигонуклеотидните последователности са специфични за нуклеокапсидния протеин на SARS и детектирането на вирусната инфекция се осъществява чрез ензимна амплификация на вирусна ДНК. Нанобиосензорът спомага за осъществяване на високочувствителна детекция на SARS. Проектиран е електрохимичен нанобиосензор за детектиране на MERS-CoV, който използва въглероден електрод, покрит със златни наночастици и рекомбинантен шипчест протеин S1 като биомаркер. Този подход е обещаващ за детектиране и на други коронавируси. Биосензорът е създаден с помощта на флуор-легиран субстрат и златни наночастици, амплифициращи сигнала благодарение на значителната им електрическа проводимост. [10].

Модифицирането на електрохимични сензори със златни наночастици (AuNP) показва подобрени свойства на сензора. Такива сензори могат да бъдат използвани за детектиране на MERS-CoV. AuNP притежават електрокаталитични свойства и позволяват амплификация на електричния сигнал (Фигура 8). Проектиран е имуносензор, детектиращ вируса MERS-CoV, който свързва перспективата на електрохимичните сензори и златните наночастици. Нанобиосензорът е изграден от въглеродни електроди, покрити със златни наночастици.

Фигура 8. Операционни стъпки на COVID-19 електрохимична сенсинг платформа: (A) Вземане на проба от носа или слюнката, (B) РНК екстракция, (C) имобилизиране на РНК върху графен-евДНК-AuNP платформа, (D) инкубиране за 5 min и (E) отчитане на електрохимичния сигнал.

При този имуносензор, рекомбинантният шипчест белтък (S1) бива имобилизиран върху златни наночастици. Имобилизирания S1 се конкурира с вирусните частици в пробата за свързване към антитялото (добавено в минимални количества към пробата). Когато отсъства вирусна инфекция, антитялото се свързва към имобилизирания шипчест белтък. Тъй като този сензор съдържа много електроди, той позволява мултиплексна детекция на различни коронавируси [5, 10].

 Електрохимично детектиране на SARS-CoV-2 с графенови сензори

Електрохимичните трансдукторни платформи могат да детектират вируси и други патогенни микроорганизми, използвайки техните специфични елементи за биоразпознаване. Има няколко алтернативни начина за електрохимична детекция на болестотворни микроорганизми. Въпреки това, детектирането на генетични маркери чрез електрохимични сензорни платформи не е чувствителен метод за детектиране на вируси, поради недетектируемите вирусни титри, особено в началото на вирусните инфекции [8, 14].

През последните години са направени няколко опита за прилагане на стратегии, подобни на електрохимичните глюкомери, за детектиране на вируси или вирусни инфекции. Torrente-Rodríguez et al. разработиха евтин графенов преносим електрохимичен биосензор за бърза диагностика и биохимичен мониторинг на COVID-19 от проби от серум и слюнка [8, 14].

Електродите на електрохимичния сензор са изградени от графен, гравиран върху гъвкав полиимиден (PI) полимерен субстрат за мултиплексна детекция на вирусни инфекциозни биомаркери (антигени и антитела). Авторите демонстрират количествено детектиране на специфични за COVID-19 биомаркери в кръв и слюнка, като например шипчестия белтък на SARS-CoV-2 (S1), нуклеокапсидния белтък на SARS (NP), специфични имуноглобулини срещу SARS-CoV-2 шипчестия белтък (S1-IgM и S1-IgG), както и неспецифичния C-реактивен протеин (CRP). Детектирането се осъществява във физиологично значими граници. Тази платформа има мултиплекс капацитет за детектиране на няколко SARS-CoV-2 маркера. Получените резултати се предават безжично към преносимо мобилно устройство. Този тип миниатюризирана електрохимична платформа показва голям капацитет за използването и в бъдещи PoC електрохимични устройства и системи за персонализирана медицина [8, 14].

3.1.2. Оптични нанобиосензори

Благодарение на изключителните характеристики на оптичните биосензори, като висока чувствителност, това че са свободни от маркер (т.е. целевите молекули не са белязани от определено вещество), здравина, устойчивост на електромагнитни смущения, изчислими оптични данни, податливи на миниатюризация, възможности за интегриране, портативни, с мултиплексен капацитет и осигуряване на едновременна детекция на различни цели, оптичните биосензори се използват като диагностични инструменти за респираторни вирусни инфекции. Поради това оптичните биосензори са подходящи за използване извън лабораториите [9, 10].

Фигура 9. Безжична графен-базирана телемедицинска платформа (SARS-CoV-2 RapidPlex) за бързо и мултиплексно електрохимично детектиране на SARS-CoV-2 в кръв и слюнка (A) Схема на SARS-CoV-2 RapidPlex мултисензорна телемедицинска платформа за детектиране на SARS-CoV-2 вирусни белтъци, антитела (IgG и IgM) и възпалителен биомаркер С-реактивен протеин (CRP). Данните могат да се предават безжично към мобилен потребителски интерфейс. WE, работен електрод; CE, противоелектрод; RE, референтен електрод. (B) Масово произвеждани лазерно гравирани графенови сензори. (C) Снимка на гъвкав графенов сензор за еднократна употреба. (D) Изображение на SARS-CoV-2 RapidPlex система с графенов сензор, свързана към платка за обработване на сигнала и безжична комуникация.

Въглеродните нанотръби, златните наноострови и графенът се използват основно в оптични и електрохимични биосензори. Златни наноострови, направени от малки златни наноструктури, могат да бъдат конструирани с изкуствено синтезирани ДНК рецептори и комплементарни РНК последователности на SARS-CoV-2 върху стъклен субстрат. Тъй като COVID-19 е едноверижен РНК вирус, рецепторът на нанобиосензора действа като комплементарна последователност на РНК секвенцията на коронавируса и по този начин детектира вируса. За детектиране на РНК секвенция, свързваща се към сензора се използва LSPR (локализиран повърхностен плазмонен резонанс). След свързване на молекулите на повърхността на нанобиосензора, локалният инфрачервен индекс се променя, оптичния нанобиосензор изчислява промените и определя наличието на РНК вериги [9, 10].

Демонстрирано е високоефективно детектиране на SARS-CoV-2 с оптичен биосензор, комбинирано с повърхностен плазмонен резонанс и флуоресценция. Когато оптичен биосензор бива комбиниран с метода на повърхностния плазмонен резонанс, се получава технология за бърза диагностика на SARS инфекции. Тази техника е по-предпочитана дори от ензимно-свързания имуносорбентен анализ (ELISA). Биосензор с оптични влакна, базиран на локализиран повърхностен плазмонен резонанс и комбиниран с флуоресценция (LSPCF), може да детектира рекомбинантен N белтък (SARS-CoV-N), използвайки AuNP. Чрез този метод може да бъде детектиран вирусен товар от 106 частици/mL в рамките на 15 минути. Тези проучвания показват, че вирусните респираторни инфекции могат да бъдат диагностицирани бързо чрез използване на биосензори с наноматериали [9].

Фигура 10. Схема на оптичен биосензор

3.1.3. Графенови биосензори

Графеново FET (полеви транзистор) устройство се използва за определяне на вирусния товар на SARS-CoV-2 в назофарингеални проби на пациенти с COVID-19. Графеновият FET нанобиосензор се състои от субстрат от SiO2/Si, покрит с графен, представляващ сенсинг зоната. Върху графеновото покритие е имобилизирано антитяло, свързващо SARS-CoV-2 шипчестия белтък. Тези биосензори спомагат за детектиране на шипчестия SARS-CoV-2 антиген във фосфатен буфер, дори при концентрация от 1 fg/mL [10].

Графеновите биосензори са ценни за тестване и детектиране на [9]:

• кръвна глюкоза;
• респираторна честота;
• телесна температура в реално време;
• кръвно налягане;
• вируси;
• малки молекули.

Поради рентабилността, високия афинитет и лесното им производство, графеновите наноматериали са едни от най-предпочитаните материали за биосензори. Например, транзисторен биосензор е успешно разработен за откриване на SARS-CoV-2 (шипчест белтък). Биосензорът е произведен от полеви транзистор (FET), покрит с графен. Върху графена е имобилизирано специфично антитяло (Фигура 9). Графенът и неговите производни показват добри резултати при улавянето на вируси. Тези устройства за бисенсинг имат предимства пред другите диагностични методи, налични в момента [9].

Базираните на FET биосензорни устройства могат да правят чувствителни и мигновени измервания, използвайки малки количества аналит. Освен това, FET биосензорите могат да бъдат полезни в клиничната диагностика и в тестването на пациенти на място, извън лабораториите. Създадена е неамплифицираща и бърза наносенсинг платформа за детектиране на РНК на SARS-CoV-2 във фарингеални проби. Проектиран е графенов FET (G-FET) сензор, към който са добавени златни наночастици (AuNP). Върху повърхностите на AuNPs са имобилизирани комплементарни фосфородиамидат морфолино олиго (PMO) сонди. Този сензор излъчва нисък фонов сигнал, тъй като PMO е силно чувствителен към SARS-CoV-2 RdRp. Когато графенов полеви транзистор е се комбинира с CRISPR-Cas9 биосензор, той може да детектира неамплифицирани таргетни гени и по този начин може да бъде използван за детектиране на вирусини таргети, като например нуклеиновите киселини на SARS-CoV-2 [9].

3.1.4. Хирални нанобиосензори

Хиралните биосензори скоро ще станат изключително популярни в областта на бионанотехнологиите поради тяхната ултра-чувствителност и бързо време на действие. Те могат да бъдат инструмент за справяне с пандемията от SARS-CoV-2. Популярността на хиралната нано-оптика нараства поради новите методи за производство на метални наноструктури с променлива повърхностна морфология. Това предлага безпрецедентен контрол върху техните електронни и оптични свойства. Най-важното предимство на такива нанохибридни структури е, че те подобряват хироптичния отговор, който може да бъде от значителен интерес в различни приложения, свързани с хиралния биосенсинг, позволявайки приложението им в нови научни области. В сравнение с естествените хирални молекули, хиралните плазмонни наноструктури не само, че имат значителни хироптични ефекти, но също така въвеждат изцяло нова концепция за суперхирална светлина в технологичните приложения [2, 5].

Фигура 11. Детектиране на SARS-CoV-2 с помощта на FET: Схемата показва вземане на биологични проби от пациент и тяхното поставяне в графеновата сензорна зона на FET биосензор. Свързването на SAR-CoV-2 вируса бива детектирано от сензора в реално време.

Ahmed et al. разработват хирален имуносензор, използващ златни наночастици и квантови точки. При него циркониеви квантови точки и магнитни наночастици биват конюгирани със специфични за коронавируса антитела, след което биват смесени. В присъствието на вируса, както квантовите точки, така и наночастиците ще се свържат към вирусната мишена и ще се получат магнитни плазмонни-флуоресцентни нанохибриди, които могат да бъдат разделени от магнит. След това, концентрацията на аналита може да се определи чрез изчисляване на флуоресценцията на отделените нанохибриди. Този сенсинг процес има граница на детектиране от 79,15 EID/50 μl [2, 5, 10].

3.1.5. Аптамерни биосензори

Благодарение на надеждния скрининг метод, аптамерите могат да детектират вирусни гени, белтъци или други маркери на вирусна инфекция. Променяйки вече разработените анализи, аптамерните сензори могат да разграничат инфектирани и неинфектирани клетки или активни и неактивни вирусни форми. Поради своите свойства, аптамерната детекция има значителни предимства пред антителата, включително висока устойчивост на широк диапазон от температури, лесен синтез чрез систематично модифициране на лиганди чрез метод на експоненциално обогатяване (SELEX) и лесна трансформация според нуждите на анализа [4].

Фигура 12. Детектиране на SARS-CoV и SARS-CoV-2 чрез аптамерни биосензори.

Биосензорите използват антитяло- и аптамер-базирани механизми за детекция. Аптамерите са по-трайни, по-достъпни и по-бързи за синтез от антителата. Аптамерите, известни също като „химични антитела“ или „изкуствени антитела“, често биват сравнявани с антителата по отношение на тяхната специфичност спрямо мишената. Някои аптамери биват използвани в SARS-CoV-2 детекцията като се инкорпорират в аптасенсинг платформи [7].

Аптамерите са олигонуклеотидни секвенции, които могат ба бъдат разработени така, че да разпознават и да се свързват специфично с различни молекули:

• малки молекули като аминокиселини, нуклеотиди и антибиотици;
• макромолекули като нуклеинови киселини и белтъци;
• повърхностни епитопи на вируси, бактерии и други клетки

Аптамерите формират уникални триизмерни (3D) структури, свързвайки се специфично към аналитите. Те могат да бъдат бързо моделирани и стабилно имобилизирани върху повърхността на биосензорите. Аптамерните биосензори (аптасензори) могат да детектират количествено целеви аналити чрез изчисляване на сигнала, получен от химични и/или биохимични повърхностни взаимодействия. Аптамерите се считат за обещаващ диагностичен инструмент за детектиране на вируси [7].

Аптасензорите представляват аптамер-базирани биосензори, предназначени да изследват и определят количествено таргетни биомолекули чрез определени биохимични реакции, при които се генерира количествено измерим сигнал. Взаимодействието на специфични аптамери с целеви биомолекули представлява механизма на свързване и биоразпознаване, което е съпроводено с отделянето на пропорционален сигнал. Аптасензорите за детектиране на SARS-CoV-2 могат да бъдат разделени в две категории въз основа на естеството на отделения сигнал: оптични и електрохимични аптасензори [7].

3.2. „Point-of-Care“ Тестване

„Point-of-Care“ тестването, дефинирано от Центъра за контрол и превенция на заболяванията, представлява „диагностични тестове, извършвани на или близо до мястото, където е взета пробата, при които се предоставят резултати в рамките на минути, а не часове. Това може да бъдат тестове, при които се амплифицират нуцелинови киселини (NAAT), тестове за детекция на антигени или антитела.“ [18].

Пазарът за „Point-of-Care“ тестване на инфекциозни заболявания (POCT) представлява обещаващ и значителен растеж в глобалната in vitro диагностика (IVD). Нарастващото разпространение на вируса на човешката имунна недостатъчност (HIV), туберкулозата (TB), маларията в развиващите се страни и опасността от възникващи и повторно появяващи се инфекциозни заболявания като респираторния синдром от Близкия изток (MERS), тежък остър респираторен синдром (SARS), ZIKA, различни щамове на грипния вирус и вирусът на Западно нилската треска са фактори, които повишават нуждата от POCT [6].

Инфекциозните заболявания представляват сериозна заплаха за човешкото здраве и водят до повече от половината смъртни случаи в света. Освен това, широко разпространените инфекциозни заболявания непрекъснато увеличават смъртността в развиващите се страни. Най-ефективният начин за ограничаване на епидемията е ранната диагностика, което представлява предизвикателство за използваните досега подходи, поради скъпото оборудване, необходимостта от специалисти и бавното получаване на резултати. Поради това бързите POCT методи са от съществено значение за преодоляване на тези пречки чрез миниатюризиране и намаляване на разходите за оборудване, както и предоставяне на достъпни, бързи и лесни за употреба диагностични тестове без специализирано обучение [6].

PoC тестването позволява диагностициране на инфектирани индивиди, без да е необходимо изпращане на проби от пациенти в лабораториите. Това е изключително важно за населени места или жители, които нямат подходяща лабораторна инфраструктура за анализиране на проби. Съществената част от PoC тестването е биосензорът, който се използва за постигане на биохимична реакция, с цел детекция на патогена.

Предимствата за използването на PoC тестове са [4]:

1. минимално пространство за тестване и съхранение;
2. широкомащабни анализи;

• тестването може да се извърши на различни места;

1. могат да бъдат адаптирани за различни медицински нужди.

Фигура 13. Схематична илюстрация на количествена оценка на SARS-CoV-2 с помощта на SARS аптасензор. (a) След като лизатите на SARS-CoV-2 освободят таргетните шипчести белтъци, те се разпознават от аптамерните ДНК, разположени върху повърхността на Au наноструктури. Свързаните с S белтъка аптамери се отделят от повърхността на Au наноструктури, което води до понижаване на интензитета на Raman пика на Cy3 репортерите. (b) Cy3-маркирани аптамерни ДНК молекули хибридизират с ДНК върху Au наносубстрат. Вътрешните стандартни 4-MBA са имобилизирани заедно с аптамерни ДНКи върху Au наносубстрат. (c) Разпознаването на SARS-CoV-2 S белтъка индуцира конформационна промяна на аптамерните ДНКи, което позволява на аптамерните ДНКи да се свържат с RBD на шипчестия белтък.

Едни от най-атрактивните POCT са тези, които се базират на колометричните биосензори, тъй като те позволяват детектиране на аналита чрез промени в цвета, които могат да бъдат наблюдавани с невъоръжено око [5].

Фигура 14: Колориметрична детекция на вируси, базирана на наночастици. Тази фигура изобразява механизма, при който вирусът агрегира с наночастиците, което води до промяна на цвета от червено в лилаво.

Kim et al. създават колориметричен анализ, използващ златни наночастици, за детектиране на вируса MERS-CoV. Този анализ използва две модифицирани с тиол сонди и златни наночастици (AuNPs), покрити с цитрат и потопени в положителен електролит (напр. 0,1 М MgCl2) [5, 6].

Колориметричният тест, базиран на златни наночастици, представлява разтвор на златни наночастици, който свързват вируса, което води до видима промяна на цвета в течността. Това позволява бърза детекция на COVID-19 чрез промяна на цвета на разтвора на златните наночастици. Този евтин тест действа много по-добре от другите диагностични техники, подобни на стандартните PCR тестове. Основното предимство на този тест е, че разтворът на златните наночастици показва специфични цветове, защото абсорбира определена дължина на вълната. Към златните наночастици се добавя пробата, съдържаща SARS-CoV-2, което води до свързване на вируса. Това вода до промяна в абсорбцията и промяна на цвета на разтвора. Тази промяна в цвета може да бъде наблюдавана с невъоръжено око. Недостатъкът на този метод е, че той е осъществим само когато вирусния товар е много висок [12].

Сондите са конюгирани със AuNPs чрез силни Au-S връзки. Хибридизирането на целевите ДНКи с едноверижните ДНКи на повърхността на златните наночастици, води формиране на двойноверижна ДНК, агрегиране на златните наночастици в електролита, водещо до промяна в оптичните свойства на AuNP [5, 6].

TПотенциалната детекционна граница на този анализ е 1 pmol μl-1, което позволява детектиране на по-ниски количества от целевия вирус. Освен това, използването на такъв тип колориметричен анализ позволява евтина и бърза диагностика на заболяването без необходимост от сложни инструменти [5].

3.3. Нанопорово целево секвениране (NTS)

Доказано е, че нанопоровият метагеномен метод (NTS) ефективно детектира бактериални респираторни инфекции и вируси от клинични проби. Патогените и гените за резистентност към антибиотици могат да бъдат разпознати за няколко часа, много по-бързо от конвенционалните методи на култивиране. Нанопоровото секвениране генерира резултати в реално време. Освен това, нанопоровото секвениране може да бъде използвано за транскриптомно характеризиране на отделни секвенции или цели коронавирусни генонми РНКи. Методът NTS открива едновременно SARS-CoV-2 и десет други респираторни вируса само за 6–10 часа. Поради това, той е подходящ за текущата диагностика на COVID-19. Въпреки това, границата на детектиране може да бъде разширена за диагностициране и на други вируси и патогени. NTS се основава на амплифициране на 11 SARS-CoV-2 вирулентни и уникални генни фрагменти (напр. orf1ab) чрез вътрешен първичен панел, последвано от секвениране на амплифицирания фрагмент върху нанопорова платформа. Този проект използва нанопорова платформа за секвениране, която може да секвенира дълги фрагменти от нуклеинови киселини и едновременно с това да анализира изходните данни в реално време. Това позволява потвърждаване на SARS-CoV-2 инфекциите в рамките на минути след секвенирането, чрез картиране на прочетените секвенции към генома на SARS-CoV-2 и анализиране на идентичността и валидността на изходната секвенция [16, 17].

4. Предизвикателства и ограничения на нанотехнологиите в COVID-19 детекцията

Системите, базирани на нанотехнологии, въпреки предимствата си, срещат множество предизвикателства преди да бъдат безопасно представени на пазара. Най-честите проблеми са:

• Мащабируемост и производствени разходи;
• Интелектуална собственост;
• Потенциална токсичност и въздействие върху околната среда.

Преди нанотехнологиите да бъдат широко приети в системата на здравеопазването, трябва да бъдат решени някои проблеми, свързани с тяхното приложение. Основната задача ще бъде да се гарантира безопасността на наноматериалите чрез in vitro изследвания на тяхната биосъвместимост. Съдбата на наноматериалите в тялото може да се промени, когато те навлязат в кръвообращението поради образуването на т.нар. белтъчна корона. Следователно, изследванията in vivo трябва да бъдат извършвани внимателно, за да бъде опозната по-добре токсичността на наночастиците в тялото. Поради тези ограничения са използвани общи протоколи за категоризиране на ранен етап от научноизследователската и развойна дейност, които минимизират шансовете за неуспехи по отношение на клиничния подход в терапия, базирана на нанотехнологии. Необходимо е по-тясно сътрудничество между регулаторните агенции, експертите в науката, фармакологията и токсикологията, за да бъдат преодолени другите ограничения [10].

---

Тест LO 3.2

---

Литература

1. Abdelhamid H., and Badr G.
2. (2021). Nanobiotechnology as a platform for the diagnosis of COVID‐19: a review. Nanotechnology for Environmental Engineering 6:19 https://doi.org/10.1007/s41204-021-00109-0.
3. Ahmed SR., Nagy É., and Neethirajan S. (2017). Self-assembled star-shaped chiroplasmonic gold nanoparticles for an ultrasensitive chiro- immunosensor for viruses RSC Adv. 7 40849–57
4. Alhalaili B., Popescu I.N., Kamoun O., Alzubi F., Alawadhia S., Vidu R. (2020). Nanobiosensors for the detection of novel coronavirus 2019-nCoV and other pandemic/Epidemic Respiratory viruses: A review. Sensors, 20, 6591.
5. Gupta R., Sagar P., Priyadarshi N., Kaul S., Sandhir R., Rishi V. and Singhal N.K. (2020). Nanotechnology-Based Approaches for the Detection of SARS-CoV-2. Front. Nanotechnol. 2:589832. doi: 10.3389/fnano.2020.589832
6. Jindal S., and Gopinath P. (2020). Nano Ex. 1 022003
7. Kim H.,Park M.,Hwang J.,Kim J.H., Chung D-R., Lee Kand Kang M. (2019). Development of label-free colorimetric assay for MERS-CoV using gold nanoparticles ACS Sens.
8. Mandal M., Dutta N., and Dutta G. (2021). Aptamer-based biosensors and their implications in COVID-19 diagnosis. Anal. Methods, 2021, 13, 5400
9. Ozmen E., Kartal E., Turan M., Yazicioglu A., Hiazi J., and Qureshi A. (2021). Graphene and carbon nanotubes interfaced electrochemical nanobiosensors for the detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) and other respiratory viral infections: A review. Materials Science & Engineering C 129 (2021) 112356
10. Pradhan A., Lahare P., Sinha P., Singh N., Gupta B., Kuca K., Ghosh K.K., Krejcar O. (2021). Biosensors as Nano-Analytical Tools for COVID-19 Detection. Sensors 2021, 21,7823. https://doi.org/10.3390/ s21237823
11. Rai M., Bonde S., Yadav A., Bhowmik A., Rathod S., Ingle P., Gade A. (2021). Nanotechnology as a Shield against COVID-19: Current Advancement and Limitations. Viruses 2021,13,1224. https:// doi.org/10.3390/v13071224
12. Satvekar R. (2021). Electrochemical nanobiosensors perspectives for COVID 19 pandemic.  J. Electrochem. Sci. Eng. 00(0) (2021) 000-000; http://dx.doi.org/10.5599/jese.1116
13. Tavakol S., Zahmatkeshan M., Mohammadinejad R., Mehrzadi S., Joghataei M., Alavijeh M., Seifalian A. (2021). The role of nanotechnology in current COVID-19 outbreak. Heliyon 7, e06841
14. Thevenot D.R., Toth K., Durst R.A., Wilson G.S., Biosens. (2001). Bioelectron. 16:121–131.
15. Torrente-Rodríguez R.M., Lukas H., Tu J., Min J., Yang Y., Xu C., Rossiter H.B., Gao W., (2020). Matter. 3: 1981–1998.
16. Varghese R., Salvi S., Sood P., Karsiya J., Kumar D. (2021). Carbon nanotubes in COVID-19: A critical review and prospects. Colloid and Interface Science Communications 46: 100544
17. Wang M., Fu A., Hu B., Tong Y., Liu R., et al. (2020). Nanopore target sequencing for accurate and comprehensive detection of SARS-CoV-2 and other respiratory viruses. medRxiv.
18. Waris A., Ali M., Khan AU., Ali A. (2020). Baset A. Role of nanotechnology in diagnosing and treating COVID-19 during the Pandemic. Int J Clin Virol. 2020; 4: 065-070.
19. https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/lab/point-of-care-testing.html

Резюме

Новото поколение наносистеми за транспорт и доставка на лекарства осигурява ефективна доставка на лекарства и ваксини до техните прицелни тъкани и органи със значително по-нисък риск от възникване на нежелани ефекти в сравнение с конвенционалните терапии. Този тип лекарствени препарати дават също така и възможност за модулиране на имунните реакции на организма към чужди и собствени антигени и за разработване на високочувствителни технологии за образна диагностика с цел ранно откриване на болести при човека. COVID-19 се оказа сериозно предизвикателство както за изследователската дейност, така и за клиничната медицина. медицината, така и за науката. Арсеналът за борба с тази „модерна” пандемия включва биосензори, диагностични устройства, антивирусни лекарства и ваксини, основани на нанотехнологични разработки – както предходно съществуващи, така и разработени специално за целта. Масовото разпространение и поразяващата мощ на SARS-CoV-2 създаде необходимост от тясна колаборация между секторите, занимаващи се с научноизследователска и развойна дейност. Това доведе до създаване на нови ефективни начини за предотвратяване и лечение на усложненията на COVID-19. Тези нови подходи по всяка вероятност ще продължат да се развиват и след потушаването на настоящата пандемична ситуация, за да бъдат прилагани и при други заболявания при човека.

Ключови думи/фрази: COVID-19, антивирусни средства, моноклонални антитела, ваксини, нанотехнологии

1. SARS-CoV-2 и COVID-19 – преглед на произхода на една „модерна” пандемия и ефектът й върху начина на мислене в областта на научните изследвания и в клиничната медицина

Счита се, че инфекцията със SARS-CoV-2 при човека е възникнала като зооноза през седмиците и месеците, предшествали първия документиран случай (който беше докладван в началото на декември 2019 г.) [69]. На 31. декември 2019 г. Световната здравна организация (СЗО) беше сезирана за бързо нарастващ брой случаи на атипична пневмония с неустановен причинител в град Ухан, Китай. На 7. януари 2020 г. причинителят беше идентифициран от местните здравни власти като неизвестен до този момент член на семейството на бета-коронавирусите. В края на януари 2020 г. генералният директор на СЗО д-р Тедрос Аданом Гебрейесус обяви, че новата епидемия от коронавирус е извънредна ситуация за общественото здраве от международно значение [https://www.who.int/news/item/30-01-2020-statement-on-the-second-meeting-of-the-international-health-regulations-(2005)-emergency-committee-regarding-the-outbreak-of-novel-coronavirus-(2019-ncov)]. Заслужава си да се отбележи, че по времето на това изявление броят на случаите общо беше около 100 и смъртни случаи сред инфектираните все още не бяха регистрирани, но вирусът беше успял да се разпространи в още около 20 страни освен Китай. Незабавно започнаха изследвания с цел разработване на методи за превенция на инфекцията и етиологично лечение. За тази цел се наложи да се обединят усилията на изследователи, клиницисти, биотехнологични и фармацевтични компании, като първите резултати под формата на изпитания на лекарства и ваксини се появиха още в следващите няколко месеца.

COVID-19 беше при възникването си (и все още е) предизвикателство както за изследователската дейност, така и за клиничната медицина. Неговата поява ни напомни отново за това, че еволюцията е процес, протичащ в реално време, както и ни представи за пореден път спектъра на разнообразие от еволюционни механизми и причинно-следствената връзка между промените, настъпващи на нано- и микрониво, и величината на ефектите от това върху макросвета. Тази „модерна” пандемия създаде необходимост от тясна колаборация между секторите, занимаващи се с научно-изследователска и развойна дейност с цел създадаване на нови, по-ефикасни начини за предотвратяване и лечение на заболяванията при човека. Показателен пример за тази колаборация е разработването на векторни и иРНК ваксини против инфекция със SARS-CoV-2. До края на 2019 г. одобрена за употреба при хора беше всичко на всичко една векторна ваксина (rVSV-ZEBOV или Ervebo на Merck, срещу инфекция с вируса Ебола). Въпреки че първите клинични изпитания на иРНК ваксина срещу бяс започнаха още през 2013 г., към момента на появата на SARS-CoV-2 нямаше одобрена нито една такава. Първата иРНК ваксина срещу SARS-CoV-2 (Comirnaty на Pfizer BioNTech) беше одобрена за спешна употреба на 11.12.2020 г., т.е. малко по-малко от година след началото на пандемията. Това наистина много бързо развитие в областта на ваксинопрофилактиката беше изтълкувано от широката публика като нередно или недостатъчно проверено и с това беше свързана голяма част от протестите срещу ваксинирането. Действително, за неспециалистите в областта вероятно е трудно да се оцени, че в областта на ваксинопрофилактиката на инфекциозните заболявания има много натрупани предходни данни – както по принцип, така и в областта на заболяванията, предизвикани от бета-коронавируси. Поради голямото количество предходно съществуваща информация, процесът на разработка на нови ваксини или адаптиране на налични ваксини може да бъде наистина много бърз и това не се отразява на тяхната ефикасност или безопасност на използване. Същото важи и за разработването на безопасни и ефективни лекарства срещу COVID-19. Използваните в момента антивирусни средства, за които има доказана значителна ефикасност в лечението на пациенти с COVID-19 (ремдесивир, фавипиравир и други) в по-голямата си част са лекарства, които преди това са претърпели дълги изпитания за използването им при лечението на други вирусни заболявания. Така че съвременните терапии на COVID-19 лечения не се основават на принципно нов механизъм на действие и може да се счита за експериментално доказано, че имат достатъчно добър профил на безопасност. Новостта в тези „нови“ ваксини се основава на използваните в тях нови подходи за въздействие на ваксинналния препарат върху прицелните молекули – нуклеинови киселини или белтъци.

2. Базови презумпции при развитието на платформи за насочен транспорт и доставка на лекарства, основани на нанотехнологии

По-голямата част от лекарствата навлизат в живите клетки чрез лиганд-рецепторно взаимодействие. Утвърдените консервативни терапии, най-общо казано, се основават на обогатяване на жизнената среда на прицелните клетки с лекарство, което да увеличи шанса за свързването му с мишената му на действие (напр. клетъчен рецептор). Рецептори от един и същи тип може да се експресират върху повече от един тип клетки и едно и също лекарство – лиганд може да се свърже с повече от един вид рецептор. Поради това, възможно е едно лекарство да въздейства върху повече от една прицелна тъкан, което води до плейотропни ефекти. Те могат да бъдат както положителни (благоприятно повлияване на повече от едно ниво), така и отрицателни (повишен риск от неблагоприятни ефекти, свързани с ефектите на лекарството върху тъкани и органи, различни от прицелните). Плейотропните ефекти са особено изразени при цитостатиците и лекарствата, използвани в психиатрията.

Безопасността и ефикасността на лекарствата (а също така и на ваксините) не зависят единствено от активната съставка на лекарството, но и от биологично неактивния компонент, отговорен за транспорта, доставката и освобождаването на лекарството – т.нар. вехикулум. Ролята на вехикулума се състои основно в регулация на взаимодействието на лекарството и прицелната тъкан.
Съгласно дефиницията, предоставена от Центровете за контрол и превенция на заболяванията (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) в Атланта, САЩ, нанотехнологиите представляват: „…манипулиране на материята на близко до атомното ниво с цел производство на нови структури, материали и устройства… като се използват материали с най-голямо лонгитудинално измерение 1 – 100 нанометра… при който размер материалите започват да проявяват уникални свойства, които засягат [технитe] физически , химическr и биологични свойства.” https://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/default.html#:~:text=Nanotechnology%20is%20the%20manipulation%20of,new%20structures%2C%20materials%20and%20devices.&text=Nanotechnology%20refers%20to%20engineered%20structures,between%201%20and%20100%20nanometers.

Наноматериалите се отличават със значително съотношение повърхност-обем, което значително повишава тяхната разтворимост във водна или липидна фаза (в зависимост от локацията на прицелните молекули и желания ефект) и е основа на тяхното използване за модулиране на разпределението на биоактивни вещества в различни прицелни клетки и тъкани. Размерът на частиците им е сравним с размера на биологичните макромолекули. Новото поколение нано-вехикулуми за фармацевтични продукти за хуманна употреба осигурява ефективна доставка на активното вещество до целта със значително по-нисък риск от неблагоприятни ефекти. Нанотехнологиите предоставят нови начини за преодоляване на природните бариери за навлизане на ксенобиотици, което води до подобряване на проникването на лекарствата в иначе трудно достъпни прицелни места (напр. кръвно-мозъчната бариера). Те могат да се използват за модулиране на имунните реакции към чуждите и собствените антигени и като инструмент за подпомагане на развитието на високочувствителни технологии за образна диагностика за ранно откриване на заболявания при човека. Разработени са и много други приложения на нанотехнологиите за целите на съвременната изследователска дейност. По-важните от тях са представени на на фиг. 1.

Фиг. 1. Някои от приложенията на нанотехнологиите в съвременната изследователска и развойна дейност.

Размерите на повечето вируси попада в диапазона между 20 и 250 нанометра. Това означава, че нанотехнологиите притежават много добър потенциал за използване с цел създаване на антивирусни средства.

SARS-CoV-2 притежава много висок инфекциозен потенциал (сравним с този на грипния вирус и вируса, причиняващ морбили). Лабораторните изследвания (включително молекулярно-биологични), рентеновата диагностика и компютърната томография се използват рутинно за диагностика на инфекция със SARS-CoV-2 и в клиничната диагностика на COVID-19. Находките от ренгенографското изследване и от компютърна томография, които се считат за „типични“ за COVID-19 (дифузни промени тип „матово стъкло”), обаче, се появят със значително изоставане след началото на първите симптоми и може да персистират дълго време след настъпването на подобрение в клиничния статус. Освен това провеждането им е свързано със значителна доза облъчване. Поради това, те трудно биха могли да се използват за рутинен скрининг и за диагностика на ранни етапи на заболяването. Първият лабораторен тест, разработен за целите на скрининга за COVID-19 беше основан на полимеразна верижна реакция със синтез на първа верига чрез обратна транскрипция (reverse transcriptase polymerase chain reaction, RT-PCR). Това е донякъде парадоксално, тъй като този метод на изследване има много висока чувствителност, но има сравнително дълго технологично време, включващо подготовка на пробите, анализ и интерпретация на крайния резултати. Изпълнението му изисква специализирана апаратура и обучен персонал. Това го прави сравнително скъп и времеотнемащ диагностичен метод, т.е. неподходящ за рутинен скрининг. Впоследствие в практиката бяха въведени и т.нар. „бързи тестове”, каквито обикновено са рутинните скринингови тестове за инфекциозни причинители.

PCR-базираните тестове за откриване на болести при човека и животните са по дефиниция базирани на нанотехнологии (въпреки че принципът им на работа датира от 90-те години на ХХ век). Антигенните тестове за SARS-CoV-2 (които са друг пример за аналитични средства, базирани на нанотехнологии) бяха разработени по-късно с цел да се намали технологичното време за диагностика, да се намали сложността на изпълнение и да се направи лесно достъпна за пациентите и техните близки. Тези „бързи“ тестове, обаче, като допълнение към общите ограничения, свързани с нивото на инвазивност, имат и допълнителни проблеми, свързани с голямата вариация от марка до марка в чувствителността и специфичността на теста. Серологичните тестове (откриващи наличие на антитела – IgG, IgM в серум и понякога IgA в други биологични течности) могат да дадат информация за в момента протичащи и предходно случили се инфекции със SARS-CoV-2, но са по-малко приложими за пресимптоматично откриване на инфекции. Това е свързано с техния принцип на действие – тъй като развитието на имунен отговор изисква време, серологичните тестове трябва да се извършват със значително забавяне след самия акт на инфектиране и, нерядко, след началото на симптомите. Тъй като ваксините също пораждат антителен отговор, серологичните тестове често са ненадеждни при предходно ваксинирани симптоматични пациенти.

Биосензорите (друг тип устройства, базирани на нанотехнологии) бяха разработени за целите на диагностиката на инфекции със SARS-CoV-2 на сравнително ранен етап (първите статии, посветени на тази тема бяха публикувани през м. юни 2020 г.) [76]. Понастоящем, биосензори се използват в диагностиката на инфекции със SARS-CoV-2, но са все още предимно за изследователска употреба поради високата им цена.

Вирусната частица на SARS-CoV-2 е с размер около 100 nm, което е в средата на диапазона, характерен за вирусите, причиняващи инфекции при човека, както и в рамките на нанодиапазона. Потенциалът за приложение на лечения, базирани на нанотехнологии беше подложен на сериозно проучване от самото начало на пандемията. До настоящия момент са разработени и пилотно изпитани редица нанотехнологични подходи за целите на превенцията на инфекцията, диагностиката и лечението на COVID-19.

Вече съществуват няколко базирани на нанотехнологии устройства за детекция на SARS-CoV-2 с висока чувствителност и специфичност. Понастоящем те не заместват напълно, а по-скоро допълват рутинно използваните подходи за детекция, базирани на RT-PCR и антигенни тестове. Наскоро беше представен нов биосензор на базата на златни наночастици за откриване на SARS-CoV-2 в издишван въздух [75, 78, 27]. Ефективността на екстракцията на нуклеинови киселини за целите на детекцията на SARS-CoV-2 значително се подобрява с използване на магнитни наночастици [81, 97]. Нанокристалите с полупроводникови свойства (т.нар. квантови точки) бяха успешно използвани за изготвяне на биосензор за детекция на нуклеокапсидния антиген на SARS-CoV [70]. Подобни устройства бяха изготвени и за за откриване на SARS-CoV-2 [40 ]. Порази бързото развитие в областта, може да се очаква, че базираните на наноматериали устройства за детекция, лекарства и ваксини в близко бъдеще ще съставляват основната на управлението на пандемията [65, 50].

3. Наносистеми за доставка на антивирусни лекарства

3.1. Наноформулации за транспорт и доставка на лекарства – типове и потенциалните им приложения при лечение на вирусни инфекции

По дефиниция, нанофармацевтикът (наричан понякога и нанолекарство) представлява лекарство с размер на частиците в нанодиапазона. Наночастиците в този лекарствен продукт могат да имат различна форма и химичен състав. Тази част на нанофармацевтика, която отговаря за съхранението, транспорта и освобождаването на активната съставка се нарича нановехикулум (или наноносител). Активната съставка в състава на нанофармацевтика може да бъде разтворена, опакована, капсулирана, адсорбирана, конюгирана или свързана посредством химически връзки с частиците на нановехикулума.
Нановехикулумите могат да бъдат най-разнообразни. Схематично представяне на разработените досега основни видове нановехикулуми е показано на фиг. 2.

Фиг.2. Видове нановехикулуми

Най-често срещаните видове нановехикулуми са описани накратко по-долу. Повече внимание е отделено на липозомите, тъй като те бяха първите нановехикулуми, използвани за насочена доставка на лекарства и в момента са най-често използваният тип.

3.1.1. Наноформулации, основани на използване на липиди

От гледна точка на биобезопасността, липидите са най-подходящи за изработване на нановехикулуми. Те са като цяло биоразградими, биосъвместими, нетоксични и притежават много ниска имуногенност. Технологията им за производство е сравнително лесна и имат ниска себестойност [61]. В липидните наноформулации липидите се използват заедно с други вещества – повърхностноактивни вещества, разтворители, и др. Най-често използваните наноформулации на липидна основа включват липозоми, твърди липидни наночастици (ТЛЧ, solid lipid nanoparticles, SLN), наноемулсии и наносуспензии.

Липозоми

Липозомите са затворени мехурчета (везикули), съставени от две фази – водна и липидна. Водната фаза обикновено е във вътрешността на мехурчетата (сърцевина) и е изцяло обкръжена от един или повече липидни бислоя, съставен от естествени или синтетични фосфолипиди, подредени подобно на липидите в клетъчната мембрана. Липозомите, в зависимост от предназначението си и от технологията на получаване, могат да са еднослойни или многослойни (моно-, олиго- и мултиламеларни). Диаметърът на везикулата може да варира в относително широки граници – между 10 и 1000 nm.

Първото поколение (конвенционални) липозоми, разработени за целите на клиничната медицина, съдържаше хидрофилна биоактивна съставка във водната сърцевина на липозомите. Липозомите от по-късно поколение могат да съдържат в сърцевината си и липофилни съединения и могат да имат допълнителни модификации, предназначени да се увеличи времето на циркулация in vivo на липозомата и да се осигури насочено и контролирано по време навременно доставяне на лекарствения агент [37]. Схематично, различните типове липозоми са представени на фиг. 3.

Фиг. 3. Представяне на различните видове липозомни системи за доставка на лекарства.

Липозомите се получават от лесно достъпни и евтини изходни материали – най-често воден разтвор на фосфолипиди, който се подлага на обработка чрез различни методи: ултразвук (соникация), дехидратация-рехидратация, обратнофазово изпаряване, повтарящи се цикли на замразяване-размразяване, екструзия и др. [31]. Желаният размер и ламеларността на липозомите обикновено се постига чрез екструзия, като се използват филтри с пори с определен размер. Ефективността на улавяне на активни съставки може много да се различава при липозоми, получени чрез различни технологии. Точното насочване на терапевтичните липозоми към желаното място на доставка на лекарството най-често се постига чрез добавяне на лиганди към повърхността на везикулата [37].

Въпреки многото си предимства като нановехикулуми, липозомите имат и своите недостатъци. Сред тях са тяхната сравнително ниска стабилност, налагаща използване на специални модификации за повишаване на циркулационното време in vivo и техният относително нисък капацитет на поемане на лекарства. Производството на липозомите трудна се стандартизира и трудно се адаптира до големи промишлени обеми. Също така, независимо, че липидите рядко предизвикват имунологично-обусловени реакции, някои добавки в наноформулациите имат вътрешно присъщ риск да предизвикат имунни реакции (напр. PEG3350) [11].

Към настоящия момент в клиничната медицина се използван няколко липозомни препарата – за насочено доставяне на цитотоксични агенти, за вътреочно приложение, като адювантно пост-ирадиационно лечение с препарати на Т4 ендонуклеаза V при пациенти с екстремна чувствителност към ултравиолетова светлина, и други [95, 13, 49].

Липозоми, конюгирани с полиетиленгликол (PEG) понастоящем се използват във ваксините Comirnaty (Pfizer BioNTech) и Spikevax (Moderna).

Твърди липидни наночастици (ТЛЧ)

Твърдите липидни частици съдържат липиден матрикс, който при стайна температура (или при желаната температура) е в твърдо агрегатно състояние (триглицериди, стероиди, мастни киселини, восъци и др.). За разлика от липозомите, производството на ТЛЧ може да бъде лесно адаптирано до промишлени мащаби. Твърди липидни частици досега са били употребявани като вехикулуми за различни антивирусни лекарства (ритонавир, маравирок, дарунавир, ефавиренц, зидовудин, лопинавир, долутегравир и други – за подробности виж по-долу).

Следващото поколение ТЛЧ са т.нар. наноструктурирани липидни носители (nano-structured lipid carriers, NSLC). Там липидите са в течно агрегатно състояние, което придават повишена стабилност на структурата и по-добър контрол над освобождаването на лекарството.

Наноемулсии

Наноемулсиите са глобуларни еднофазни системи, състоящи се от емулгирани масла, вода и повърхностноактивни вещества. Те могат да поемат и транспортират сравнително голямо количество лекарство и се характеризират с висока хидрофилност и висока бионаличност на освободеното лекарство. До скоро наноемулсиите се използваха предимно и изключително за разработване на иновативни формулации на някои анти-HIV препарати, напр. протеазни инхибитори (саквинавир, индинавир) [90].

Самоемулгиращите се системи за доставяне на лекарства (self-emulsifying drug delivery systems, SNEDDS) представляват друг вид еднофазни системи, съдържащи липиди, вода и повърхностноактивни вещества. Те се използват като вехикулуми на липофилни лекарства, каквото е, например, анти-HIV лекарството невирапин (виж по-долу) [Selvam and Kulkarni, 2014].
Към днешна дата са разработени и наноемулсия [68] и суспензия от твърди липидни наночастици [87], съдържащи антивирусното лекарство фавипиравир, с цел насоченото му доставяне до белодробния епител при пациенти с COVID-19. Получените до момента резултати от in vitro проучвания са обнадеждаващи.

3.1.2. Наноформулации, основани на използване на полимери

За изготвяне на полимерни наноформулации могат да се използват най-различни естествени и синтетични полимери. Често използвани хидрофилни полимери са, например, желатин, албумин, алгинова киселина, декстран, хитозан, агароза и други. От липофилните полимери, използвани за изготвяне на наноформулации, могат бъдат споменати полимерите на млечната киселина (polylactic acid, PLA), кополимери на млечната и гликоловата киселина (polylactide-co-glycolic acid, PLGA), полистирен, поликапролактон (polycaprolactone, PECL), полиметакрилат (polymethacrylate, PMMA) и други. Към полимерния скелет могат да бъдат добавени повърхностни модификации с цел подобряване на фармакокинетиката и намаляване на потенциалната имуногенност. Други специални модификации се използват, за да се осигури тригерирано (предизвикано от конкретен стимул) освобождаване на лекарството – например в отговор на промени в киселинността на средата, температурата и други стимули. За целите на онкологията бяха разработени специални полимери, инхибиращи P-gp и други белтъци, свързани с множествената лекарствена резистентност (multidrug resistance, MDR).

Използваните до момента полимерни наноформулации включват полимерни мицели, полимерни твърди наночастици, нанокапсули и наносфери.

Полимерни мицели

Полимерните мицели са наноструктури, изготвени от амфифилни кополимери, като всяка структура (унимер) се състои от хидрофобна и хидрофилна субединица. Унимерите се свързват и образуват структури с хидрофобна сърцевина ​​и хидрофилна обвивка – т.нар. мицели. В хидрофобната сърцевина могат да бъдат поети и транспортирани лекарства с лоша водоразтворимост, а хидрофилната обвивка е отговорна за транспортирането и насоченото освобождаване на лекарството. Като липофилни полимери на сърцевината могат да се използват полиестери, поликапролактон, полиаминокиселини и др. Основният компонент на хидрофилната обвивка е полиетиленгликолът, върху която могат да се въведат различни модификации в зависимост от желания ефект – напр. добавяне на остатъци от сиалова киселина. Сиализация на външната хидрофилна обвивка на наномицели беше използвана в едно проучване, в което се изследваха възможностите за предотвратяване на инфекция с грипния вирус. По-точно, сиализираните наномицели бяха предназначени за свързване на хемаглутинина на грипния вирус, за да се предотврати навлизането на вируса в клетката [1]. Засега това и подобните му проучвания са на ниво изследователска дейност.

Полимерни наночастици

Полимерните наночастици могат да бъдат произведени от различни естествени или синтетични полимери. Типични представители са т. нар. нанокапсули, които подобно на мицелите улавят и задържат лекарството в сърцевината си. Възможен е и друг вариант – лекарството се адсорбира върху повърхността или е вградено в матрицата на наночастицата. Тогава структурата се нарича наносфера. Полимерни наночастици са използвани за разработване на иновативни формулации на рутинно използвани анти-HIV лекарства – напр. ефавиренц, лопинавир, ритонавир и други.

Полимерни лекарствени конюгати

Полимерните лекарствени конюгати съдържат полимер и ковалентно свързано с него лекарство. Лекарството обикновено е с малка молекула, но може да бъде и по-голяма молекула, напр. белтък. Повечето приложения на полимерни лекарствени конюгати в момента са в клиничната онкология (даунорубицин, доксорубицин, метотрексат, мелфалан и др.) и офталмологията (даунорубицин) [62, 20]. Полимерни конюгати се прилагат и в антивирусната терапия. Например, конюгираните с ПЕГ (ПЕГилирани) интерферони бяха доста време единственото високоефективно лечение за HCV [17]. Конюгатите на зидовудина имат по-дълъг плазмен полуживот от конвенционалния препарат [38]. През 2018 г. Andersen et al. използваха кополимер на N-(2-хидроксипропил)метакриламид и албумин за подобряване на доставката на комбинация от анти-HIV лекарства до първични човешки Т клетки. Резултатите от това проучване бяха много обещаващи, и в момента този и подобните му кополимери се изследват активно с цел насочена доставка на други лекарства.

Нанокапсули

Както описаните по-горе структури, нанокапсулата също се състои от сърцевина ​​(съдържаща лекарството) и обвивка. Нанокапсулите, обаче, могат да бъдат заредени със значително по-големи количества лекарство, отколкото липозомите, което може да се насочва към желаната тъкан и да се освобождава контролирано. За целите на анти-HIV терапията са проектирани нанокапсули с полиизо-бутилцианоакрилатна сърцевина, съдържащи зидовудин и обвивка от полиетиленимин.

Наносфери

Наносферите са сферични структури, в които лекарството не е затворено в сърцевината, а се намира в обвивката или е диспергирано в липидния матрикс. Наносферите имат по-малък размер от нанокапсулите, съответно съдържат по-малко количество от лекарството и могат да бъдат бързо елиминирани от циркулацията. Разработени са формулации за локално приложение на ацикловир в наносфери от хитозан за лечение на инфекции, причинени от вируса на херпес симплекс.

Липид-полимерни хибридни наноформулации

Нерядко, при лечението на вирусни инфекция едно лекарство не е достатъчно и се налага да се приложи комбинирана терапия. От друга страна, рискът пациентът да не взима предписаните му лекарства нараства, когато му се налага да приема повече от два препарата. Това налага повече от едно лекарство (често с различни физикохимични свойства) да бъдат доставени в една и съща лекарствена форма. Едновременна доставка на повече от едно лекарство може да се постигне с помощта на липидно-полимерни хибридни наночастици. Разработени са няколко различни типа хибридни липид-полимерни системи – наночастици с полимерна сърцевина и липидна обвивка, наночастици с обвивка от липиди и полимер и куха сърцевина, полимерни наночастици с двуслойно покритие от липиди, наночастици с полимерна клетка и др. Най-общо казано, хибридните липидно-полимерни наноформулации се състоят от полимерна сърцевина, обградена от един или повече външни слоеве, изградени от липиди или от липид и друг полимер. Наночастиците с полимерна клетка са малко по-различни, тъй като те включват и липозоми, чиято повърхност е модифицирана чрез кръстосано свързване с полимери. Липид-полимерните хибридни наноформулации се характеризират с много висок капацитет за поемане на лекарства.

Биомиметичните липид-полимерни хибридни наноформулации са вариант на липид-полимерните. При тях повърхността на наночастиците е модифицирана така, че да наподобява белтъци от клетъчната повърхност. В тази категория се включват вирусоподобните частици (virus-like particles (VLP) и вирозомите виж по-долу).

Тригерираните (стимул-асоциирани) липид-полимерни хибридни наночастици са способни да освобождават капсулираното лекарство в отговор на различни стимули като промени в рН на средата, температура, магнитно поле и пр., като по този начин лекарството се доставя на желаното място и в желаното време. През 2012 г. бяха докладвани резултати от използване на естер на стеариновата киселина с метилцелулоза като термочувствителен вехикулум за бавно интравагинално освобождаване на антиретровирусното лекарство тенофовир [38]. По подобна технология по-късно беше разработен хибриден термочувствителен хидрогел за едновременно доставяне на теафлавин (хидрофилен антиоксидант) и нифевирок (хидрофобен антивирусен агент) за интравагинално приложение като пре-експозиционна профилактика на ХИВ. Термочувствителните хидрогелове се проучват и във връзка с потенциала им за интраназално доставяне на антивирусни лекарства.

Наночастиците могат да имат различни размери (в нанодиапазона) и различна форма. Съществуват един специфичен тип липид-полимерни хибридни наноформулации, при които се използва експериментално установеният факт, че формата на частица с наноразмери може да има значително влияние върху междуклетъчните взаимодействия и, съответно, върху биоразпределението на лекарството, с което е натоварена [8]. Например, установено е, че натоварените с цитостатици наночастици с форма, различна от сферичната осигуряват по-висока терапевтична ефикасност в сравнение със сферичните частици [74]. Това налага изследване на различни варианти, за да се подобрят фармакокинетичните свойства на конкретното лекарство.

3.1.3. Дендримери

Дендримерите са синтетични, силно разклонени триизмерни наноструктури с диаметър 2–10 nm. Те се състоят от сърцевина, вътрешна обвивка и външна обвивка, която може да носи върху себе си различни модификации [83]. Дендримерите се синтезират чрез последователно добавяне на субединици към инициираща молекула. Схема на един относително просто изграден полиетилениминов дендример е представена на фиг. 4.

Външната обвивка на дендримера може да бъде ковалентно модифицирана (напр. естерифицирана, гликозилирана и т.н.) или конюгирана с протеини, пептиди и т.н. Дендримерите имат дълго време на циркулация in vivo, добра стабилност, водоразтворимост и поради функционалните групи на повърхността си могат да взаимодействат със специфични прицелни молекули. В сърцевината на дендримера могат да се поместят различни субстанции.
Към момента основната изследователска и развойна дейност се извършва с дендримери, направени от полиамидоамини, полипропиленимин и поли-L-лизин. Дендримери с добавена странична тиолова група, използвани като топикално средство, осигуряват удължено освобождаване на ацикловир за защита срещу първично заразяване със вируса на Herpes simplex или срещу ерупция на характерния обрив при индивиди, които са носители на вируса [83]. Полианионни карбосиланови дендримери бяха използвани като вехикулум в топикално средство за локална защита срещу проникване на вирусите на HIV. Оказа се, че самият полимер притежава свойството да инхибира интернализацията на HIV-1 в епителните клетки и навлизането му в мононуклеарните клетки на периферната кръв [83].

Фиг. 4. Дендример от полиетиленимин

3.1.4. Въглеродни наноформулации

Въглерод-базираните наноформулации включват въглеродни нанотръбички, наночастици от графенов оксид и фулерени.

Графен

Графенът е алотропна форма на въглерода, в която атомите са подредени така, че да образуват двумерна структура от правилно подредени, свързани помежду си клетки – т.нар. листове. Материалите на основа графен, предназначени за изследователски или клинични цели, често биват модифицирани чрез прибавяне на различни функционални групи с цел за подобряване на биосъвместимостта и намаляване на потенциалната токсичност. Функционалните групи формират места за прикрепване на различни биологични молекули. Графен-базираните наноструктури могат да поемат както хидрофилни, така и липофилни лекарства.

Въглеродни нанотръбички (carbon nanotubes, CNT)
Въглеродните нанотръбички са кухи цилиндрични наноструктури със стени, направени от един или повече графенови листа. Отворите на цилиндъра могат да бъдат „запушени“ с друга структура (напр. фулерен) откъм единия или откъм двата края. Въглеродните нанотръбички имат отличен потенциал за поемане на лекарства и контролираното им освобождаване. Засега, обаче, техните приложения в медицината са ограничени поради високата им липофилност и доказаната им белодробна токсичност. Разработват се по-нови, подобрени видове въглеродни нанотръбички с по-ниска токсичност и по-висока биоразградимост.

Фулерени

Фулерените са тримерни въглеродни структури, образуващи кухи клетки с размери в нанодиапазона. Установено е, че някои фулерени инхибират репликацията на HIV, HCV и грипния вирус чрез пространствено пречене, а също така инхибират и експресията на вирусни белтъци.

3.1.5. Неорганични наноформулации

Квантови точки (Quantum dots, QT)
Квантовите точки са нанокристали с полупроводникови свойства. Те се състоят от неорганична сърцевина, отговорна за електропроводимостта ​​(силиций, кадмиев селенид, кадмиев сулфид, индиев арсенид и др.), хидрофилна обвивка и различни лиганди. Квантовите точки намират своите приложения за медицински цели предимно в образната диагностика, тъй като могат да абсорбират и излъчват светлина при предварително зададени дължини на вълната. Като лекарствени вехикулуми, модифицираните квантови точки имат потенциал за приложение при лечението на HIV [42].

Метали и наночастици от метални оксиди

Някои метали и метални оксиди имат вътрешно присъща микробицидна и антивирусна активност. Такива са сребърните, златните, медните, титановите, цериевите оксиди и др. Към тях могат да бъдат конюгирани различни биологично активни субстанции. Повърхността на металните наночастици може да бъде функционализирана чрез ковалентно свързане с различни функционални групи с цел подобряване на междумолекулните взаимодействия, бионаличността на лекарството и освобождаването му. Напмример, малки интерфериращи РНК са били конюгирани със златни наночастици и получената наноформулация е показала висока активност за инхибиране на репликацията на вируса на денга, както на и освобождаването на новосглобени вирусни частици. Установено е, че сребърните наночастици инхибират хемаглутинацията и индуцираната от H1N1-грипен вирус апоптоза в клетъчни култури. Сребърни наночастици, конюгирани с танинова киселина подтискат инфекцията с HSV-2 както in vitro, така и in vivo [43]. В миши модели на вагинални инфекции с HSV-2 използването на наночастици от цинков оксид показва обещаващи резултати по отношение на потискането на вирусната активност.

Използването на неорганични наночастици е до голяма степен ограничено поради опасения за токсичност [43]. Разработват се по-нови формулации с по-ниска токсичност, но клиничните изпитания при хора все още са силно ограничени.

3.1.6. Нанотехнологии, базирани на използване на нуклеинови киселини

Аптамери

Аптамерите са къси фрагменти от нуклеинови киселини (олигонуклеотиди) или от белтъчни последователности (пептиди), които могат специфично да се свързват с други нуклеинови киселини и белтъци [34]. Х-аптамерите са специфична отделна категория. Те представляват комбинация от естествени и изкуствено създадени или химически модифицирани ДНК или РНК олигонуклеотиди. Вместо характерния за естествените нуклеинови киселини пентозофосфатен скелет, аптамерите могат да имат тиофосфатен скелет, който се отличава с повишена резистентност към нуклеазни активности и по-висок афинитет на свързване [45].

Терапевтичният потенциал на аптамерите е известен от над 20 години. Препарат от ПЕГилирани аптамери се използва и в момента за насочено подтискане на пролиферацията на съдовия ендотел в окото. Полученият препарат (пегаптаниб, Macugen на Bausch & Lomb) е одобрен за употреба като интравитреална инжекция при дегенерация на макулата [85]. Аптамери, насочени към ключови молекули от коагулационната каскада като напр. Фактор IXa, тромбин и фактор на фон Вилебранд в момента се изпитват за приложение като потенциални антикоагуланти при разстройства на кръвосъсирването [57].

Онкологията е благодатна област за разработване на аптамери с терапевтично приложение. Аптамери, насочени срещу нуклеолин, простатно-специфичен мембранен антиген (prostate-specific membrane antigen, PSMA), карциноембрионален антиген (carcinoembryonic antigen, CEA), муцин 1 (MUC1), ErbB-2 (молекулярен таргет на моноклоналното тяло trastuzumab (Herceptin), използвано при лечение на карцином на млечната жлеза) и други белтъци, играещи роля в хода на карциногенезата са били последователно обект на изпитване като антиракови средства [72, 43, 22, 86]. Към момента все още няма одобрено онкологично лекарство, базирана на аптамери.

Установено е, че аптамерите инхибират различни етапи на HIV инфекцията чрез свързване с обратната транскриптаза и интегразата на вируса [19, 71]. Разработени са аптамери срещу хемаглутинина на грипния вирус [53]. Базирани на аптамери биосензори бяха създадени за целите на детекция на SARS-CoV и, впоследствие, на SARS-CoV-2 [16, 70; 63]. През 2021 г. аптамери бяха използвани от Sun et al. за предотвратяване на свързването на шиповия протеин на вируса към мембранно-свързаната форма на ангиотензин-конвертиращия ензим тип 2 (т.нар. АСЕ рецептор) на клетката-гостоприемник, която е основната входна врата на вируса в белодробния епител и други тъкани [82].

Антисенс олигонуклеотиди (antisense oligonucleotides, ASO)

Антисенс олигонуклеотидите са изкуствени къси едноверижни нуклеинови киселини, които са проектирани специално да свързват и инхибират иРНК. ASO, предназначени за използване при борбата с вирусни заболявания таргетират тези иРНК, които кодират ключово важни за инфекцията белтъци на вируса. Първият официално одобрен за употреба ASO беше фомивирсен (Vitravene на Novartis). Той представлява олигодеоксирибонуклеотид с дължина 21 нуклеотида, комплементарен на последователността, кодираща ранните белтъци на цитомегаловируса. Vitravene беше изтеглен „по търговски причини“от пазара през 2002 г. [Public Statement on Vitravene (fomivirsen) (europa.eu)].Подробно обяснение на причината за изтеглянето не беше дадена.

До момента са описани три поколения ASO, които се различават по своите химични характеристики, фармакокинетика, ефикасност и токсичност. ASO от първо поколение имат тиофосфатен скелет, което води до повишена устойчивост на хидролиза. Фомивирсен беше ASO от първо поколение. ASO от второ поколение са модифицирани на позиция 2 в пентозния остатък, което им позволява да създават стерично пречене при междумолекулните взаимодействия. Един от по-известните ASO от второ поколение, мипомирсен (Kynamro, от Genzyme) беше забранен за употреба от Европейската агенция по лекарствата скоро след излизането му на пазара поради тежки нежелани ефекти [http://www.fiercebiotech.com/regulatory/ema-committee-shoots-down-sanofi-s-cholesterol-drug-mipomersen]. ASO от трето поколение имат много висока нуклеазна резистентност, повишен афинитет към прицелните молекули и подобрена фармакокинетика в сравнение с предишните поколения. Такъв е, напр. напр. Етерлипсен – предлаган на пазара като препарата ExonDys на AVI BioPharma International за лечение на мускулна дистрофия на Дюшен)

През 2004 г., малко след началото на първата епидемия от човешки бета-коронавирус, беше съобщено за разработването на няколко ASO от второ поколение срещу причинителя на SARS-CoV [56]. Те таргетират, най-общо казано, отворената рамка за четене на основния полипротеин на вируса (ORF1) и неговата 5′-нетранслирана регулаторна последователност. In vitro те демонстрираха значителна антивирусна активност. След това бяха проектирани ASO, насочени към мястото за иницииране на транслацията на ORF1 и мястото, където се извършва изместването на рамката за четене, за да може от една последователност да се транскрибира повече от един полипротеин (т.нар. „псевдовъзел“) [1]. По-късно AVI Biopharma разработи ASO, насочени към 3’-нетранслираната последователност на вирусната РНК [AVI BioPharma’s NeuGene antisense drugs inhibit SARS coronavirus (pharmabiz.com)]. През 2020 г. беше съобщено за разработването на бърза и високочувствителна система за откриване на наличието на РНК на SARS-CoV-2 [51]. Тя е базирана на ASO, конюгирани със златни наночастици. Детекцията се извършва чрез колориметричен анализ. Тези ASO са от първо поколение и са специфични за гена, кодиращ нуклеокапсидния фосфопротеин на SARS-CoV-2. Според авторите на цитираното проучване, тяхната методология позволява чрез цветна реакция, неизискваща специална апаратура, да бъдат открити много ниски количества на РНК на SARS-CoV-2 (няколко копия на вирусния геном).

Малки интерфериращи РНК (small interfering RNAs, siRNA)

Малките интерфериращи РНК са изкуствено създадени къси двуверижни РНК молекули, които имат свойството да подтискат експресията на специфични гени. Някои от тях се използват (сравнително отскоро) в клиничната медицина. По-важни техни представители са патисиран и живосиран, които в момента намират приложение в специфичното лечение на генетични заболявания. И двете имат статут на „първо по рода си“ лекарство [9]. Според дефиницията на FDA, „първо по рода си“е лекарство, което действа чрез „нов и уникален механизъм на действие“за лечение на определено заболяване или състояние [FDA approves first-of-its kind targeted RNA-based therapy to treat a rare disease | FDA].

Патисиран (Onpattro на Alnylam) е одобрен за лечение на полиневропатия при пациенти с наследствена транстиретинова амилоидоза (причинена от мутации в транстиретиновия (TTR) ген при човека) [Onpattro | European Medicines Agency (europa.eu)]. Лекарството таргетира специфично иРНК на мутантната форма на hTTR гена. Мутантният алел кодира белтък, който се конформира неправилно, поради което се метаболизира неправилно и продуктите от неговото разграждане се отлагат в много тъкани и органи. Лекарство за лечение на транстиретинова амилоидоза от същия клас, но от по-ново поколение, е ревусиран, който се произвежда от същата компания. Живосиран (Givlaari на Alnylam) е друго siRNA лекарство, използвано при лечението на остра чернодробна порфирия (генетично заболяване, причинено от мутации в гена ALAS1). Установено е, че живосиран намалява честотата на пристъпите на остра порфирия при пациентите-носители на мутации в този ген и намалява хроничната болка, която е основният симптом при това заболяване [Balwani et al., 2020].

И трите лекарства на Alnylam, съдържащи малки интерфериращи РНК, се основават на нанотехнологии. Патисиран се доставя насочено до черния дроб (където се експресира прицелният ген), опакован в липидни наночастици. По този начин се повишава резистентността на препарата към разграждане от нуклеази. РНК в живосиран и ревусиран също е опакована в липидни наночастици и е ковалентно свързана с лиганд, съдържащ остатъци от сиалова киселина, което осигурява по-добро свързване с прицелните клетки в черния дроб. Проникването на малките интерфериращи РНК в клетката се извършва чрез трансфекция и се осигурява от полимерни или липидни нановехикулуми (липозоми или липидни наночастици).

Една от по-ранните ваксини срещу инфекции с вируса Ебола (TKM-Ebola на Arbutus Biopharma Corporation) се основаваше на siRNA, капсулирана в липидни наночастици. Тази ваксина, обаче, не стигна до по-напреднали фази на клинични изпитания поради повишен риск от алергични реакции при пациентите.
Към момента, данните от експерименти върху животински модели показват, че, малки интерфериращи РНК, специфични за висококонсервативните участъци на генома на SARS-CoV-2 и опаковани в твърди липидни наночастици, могат да бъдат много ефикасни [4, 33]. Наноформулацията позволява фармацевтичният продукт да се достави преференциално в белия дроб, който е основно място за репликация на SARS-CoV-2. Авторите на цитираните проучвания, обаче, показаха експериментално, че натоварените с лекарство наночастици могат, с неголеми модификации, да се насочат и към други таргетни органи – черен дроб, слезка, и, вероятно и на други места. Това е изключително ценно при COVID-19, който е мултисистемно заболяване и може да увреди практически всяка тъкан и орган, а не само белите дробове. Към януари 2022 г.в базата данни за малките интерфериращи РНК, насочени към SARS-CoV-2, се съдържаха над 100 000 siRNA с дължина от18 до 21 нуклеотида [47] и броят им непрекъснато нараства. Очаква се това да допринесе за ускоряване на процеса на създаване на нови базирани на siRNA лекарства срещу COVID-19.

3.2. Наноформулации, разработени специално с цел доставка на антивирусни лекарства

Съвременните антивирусни лекарства имат висока ефикасност, но имат и своите ограничения. При немалка част от пациентите се налага прием на повече от едно лекарство, но антивирусните лекарства могат да взаимодействат помежду си, както и с други лекарства. Антивирусните лекарства често имат ниска бионаличност и кратък полуживот, което води до необходимост от многократно дозиране и, съответно, рискът пациентът да не взима лекарствата точно както е предписано се повишава. Прилагането на по-високи дози от лекарствата в опит да се компенсира ниската бионаличност може да доведе до токсични ефекти, особено при пациенти с генетично обусловени особености на метаболизма. Много вируси могат да проникнат в места, които са недостъпни за повечето лекарства (т.нар. „вирусни убежища“ – такива са, например, централната нервна система, лимфната система и синовиалната течност. При някои пациенти се налага продължително лечение. COVID-19 е сред инфекциозните заболявания, които могат да имат дълго протичане (честотата на синдрома на продължителен COVID достига 40-50% в някои проучвания) [54]. Развитието на лекарствена резистентност е често срещано при пациенти, които се нуждаят от лечение, което продължава повече от няколко дни или седмици. Накрая (но не по важност) е фактът, че тъй като вирусът използва клетъчния апарат на гостоприемника за синтез на своите белтъци и нуклеинови киселини, селективността на антивирусните агенти спрямо вируса и целевите клетки може да бъде критично важна. Новите платформи за доставка на лекарства, базирани на нанотехнологии могат да помогнат при намирането на решения на много от тези проблеми.

Допреди появата на SARS-CoV-2, най-честите заболявания при човека, причинени от РНК-съдържащи вируси бяха грип, хепатит С и HIV-свързаните състояния. Поради това, по-голямата част от информацията в тази връзка касае лечението на тези заболявания. Много лекарства, използвани успешно за лечение на инфекции с HIV и HCV, са изпитани или са в момента в изпитания за активност срещу SARS-CoV-2, като няколко от тях вече си използват успешно при лечението на COVID-19.

Поради това за целите на изложението може да се използва стандартната класификация на антивирусните средства, одобрени за лечение на HCV и HIV. Най-общо казано, по място на действие и патогенетичен механизъм тези лекарства могат да бъдат:

1. Интерферони;
2. Лекарства, инхибиращи навлизането на вируса в клетката (entry blockers);
3. Нуклеозидни/нуклеотидни аналози, инхибиращи репликацията на вируса (nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTI);
4. Лекарства, инхибиращи репликацията, които не са нуклеозиди (non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NNRTI);
5. Лекарства, инхибиращи хидролизата на полипротеините на вируса (протеазни инхибитори, protease inhibitors, PI);
6. Лекарства, инхибиращи интеграцията на копия от вирусния геном в генома на клетката – гостоприемник (интегразни инхибитори, integrase inhibitors, II);
7. Антисенс нуклеотиди (ASO);
8. Малки интерфериращи РНК;
9. Други.

Антисенс нуклеотидите и малките интерфериращи РНК с активност при COVID-19 вече бяха разгледани по-горе.

Последната група, „Други“, се състои от различни лекарства, които обикновено се използват в клиничната медицина при други заболявания, като антималарици (напр. хидроксихлорохин), антихелминтни агенти (левамизол, ивермектин), антидепресанти (флувоксамин) и др. Тяхната активност при COVID-19 се дължи на това, че действат на принципа на действие на лекарствата от някоя от описаните по-горе групи (инхибитори на репликацията, протеазни инхибитори и др.). Някои от тях, като ивермектин, имат документирана антивирусна активност in vitro, но резултатите in vivo все още не са налице или не са обнадеждаващи [39]. Други (като бромхексин хидрохлорид, за който се предполага, че има протеазно-инхибиторна активност) са показали в експериментални условия известна активност in vivo по отношение на предотвратяване на симптоматично заболяване, но ефектите не са били достатъчно значими, за да оправдаят повече изследвания в областта или клиничните изпитвания в ранната фаза още не са приключили [48]. Експериментално е демонстрирано, че хлорохинът подтиска навлизането на вируса по ендозомния механизъм в клетката при SARS-CoV, инхибира гликозилирането на ACE2 рецепторите [93, 94] и има противовъзпалително действие поради инхибиране на активността на фосфолипаза А2 и блокиране на производството и освобождаването на цитокини [2]. Засега, обаче, при изпитанията при болни със SARS-CoV-2, значителни антивирусни ефекти не са наблюдавани. Флувоксаминът е антидепресант от групата на селективните инхибитори на обратния захват на серотонин (SSRI), който първоначално беше считан за обещаващо лечение при пациенти с COVID-19. Засега, обаче, данните от клиничните изпитания не са обнадеждаващи, макар че теоретически е възможно да са необходими по-обширни проучвания, за да се изясни дали приложението на флувоксамин има ефект върху тежестта на заболяването [91]. През 2019 г. беше докладвано за разработване на нова наноформулация на флувоксамин, основана на твърди липидни наночастици, която осигурява ефикасно насочено освобождаване на лекарството [35]. Все още, обаче, на пазара няма флувоксамин- съдържащ препарат с тези свойства.

Повсеместното разпространение на COVID-19 доведе до значително повишаване на нивата на стрес за всички – засегнатите от вируса, техните близки, хората с висок риск от развитие на усложнения при евентуално заразяване, както и напълно здрави хора с нисък риск, които се опасяват от потенциалните последствия на една инфекция. Както е типично в подобни ситуации, още от самото начало на пандемията се появиха „чудотворни лекарства“, широко рекламирани от медиите. Повечето от тях не показаха никакви значителни ползи за тези, които ги приемаха. Вместо това, при много пациенти се развиха потенциално предотвратими усложнения поради факта, че са пропуснали момента да потърсят подходящо лечение. Хидроксихлорохин, ивермектин, бромхексин, както и други лекарства, имаха на своите кратки периоди на (все още) незаслужена слава. Нито едно от тях досега не е показало значителни клинични ползи. Приложението им при пациенти с COVID-19 не бива да се окуражава, поне докато добре организирани и проведени големи проучвания не докажат категорично, че употребата им намалява нивата на хоспитализация и смъртност. Засега проучванията не показват такива резултати.

3.2.1. Интерферони

Интерфероните са сигнализационни белтъци, които се произвеждат от имунната система на заразения организъм-гостоприемник и пречат, т.е. интерферират (откъдето е и името им) на репликацията на вируса в клетката. Интерфероните бяха много използвани в близкото минало в терапията на вирусен хепатит, но тъй като рискът от нежелани ефекти беше висок, индикациите им бяха силно ограничени. Понастоящем интерферони се използват предимно при лечението на множествена склероза и различни видове тумори. Използваните в клиничната практика интерферони често се подлагат на ПЕГилиране с цел удължаване на времето на циркулация, за да може да се осигури време да се свържат с прицелните клетки и тъкани [89]. PegIntron (на Merck) беше търговски препарат на пегилиран интерферон алфа-2b, който се използваше в лечението на хепатит B и C до 2016 г., след което беше спрян от производство. Към настоящия момент, Pegasys (на Genentech) е единственият ПЕГилиран интерферон, одобрен за употреба от и от FDA, и EMA за лечение на хепатит В при възрастни [https://www.natap.org/2005/HBV/051605_02.htm; https://www.ema.europa.eu/en/documents/product-information/pegasys-epar-product-information_en.pdf]. PEG-интерферон алфа-2а (Roferone на Roche) е друго лекарство, което беше използвано при лечението на левкемия, злокачествен меланом, полицитемия вера, есенциална тромбоцитемия и др. и наскоро беше спряно поради тежки нежелани реакции и наличието на лекарства с по-добър профил на безопасност за тези заболявания [https://pharmac.govt.nz/medicine-funding-and-supply/medicine-notices/interferon-alfa-2a/]. Интерферон бета-1а (Rebif на Merck и Pfizer) понастоящем е одобрен за лечение на пациенти с множествена склероза с чести пристъпи [https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/emd_serono_and_pfizer_announce_fda_approval_of_rebif_rebidose_interferon_beta_1a#:~:text=announced%20today%20that%20the%20U.S.,of%20multiple%20sclerosis%20(MS).].

Свързването на ПЕГ не е единственият нанотехнологичен подход, използван спрямо интерфероните. Златни наночастици бяха изследвани като потенциален вехикулум на интерферон алфа за лечение на инфекции с HCV [36]. Наноформулация с удължено освобождаване на интерферон бета-1а, основана на полимерни наночастици от кополимер на млечната и гликоловата киселина, беше разработена и тествана in vitro през 2020 г. [24]. По отношение на COVID-19 засега проучванията показват, че приложението на интерферон алфа при пациенти намалява отделянето на вируса в околната среда и потискат възпалението, докато приложението на интерферон бета е асоциирано с по-бързо очистване на организма от вируса [46]. В едно проучване беше показано, че приложението на пегилиран интерферон алфа 2b като допълнение към стандартната терапия за COVID-19 подобрява клиничния статус на пациента и води до по-бързо очистване на организма от вируса [12]. Проучванията на групата на Sodeifian върху животински модели, обаче, показват, че приложението на интерферони в ранната фаза на COVID-19 или при леко до умеренотежко протичащо заболяване може да има положителен ефект, но приложени по време на по-късни фази или при тежко заболяване могат да доведат до сериозни нежелани ефекти за пациента [80]. Резултатите от различните проучвания по отношение на ефекта на интерфероните при пациенти с COVID-19 засега изобщо са противоречиви. Едно рандомизирано контролирано проучване за употребата на интерферон бета при пациенти с тежка форма на COVID-19 съобщава за по-ниска смъртност в групата, получаваща интерферон. Самите автори, обаче, отбелязват, че пациентите, които са получили интерферон, са получавали в същата терапевтична схема и други лекарства, включително стандартни антивирусни средства (лопинавир/ритонавир или атазанавир/ритонавир) [44]. Друго проучване съобщава, че употребата на интерферон бета при пациенти с COVID-19 не води до значителна разлика в смъртността между изследваната за ефект на лекарството група и контролната група [21]. Противоречивите резултати от използването на интерферони при COVID-19 засега възпират изследователите и клиницистите от разгръщането на обширни клинични изпитания.

3.2.2.Нуклеозидни/нуклеотидни инхибитори на обратната транскриптаза (nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NRTI)

Нуклеозидните инхибитори на обратната транскриптаза подтискат репликацията на вирусната нуклеинова киселина, като предоставят като градивен материал за синтез нуклеозиден аналог, който при добавяне към растящата полинуклеотидна верига би прекратил удължаването на веригата. Инхибиторите на обратната транскриптаза са подробно изследвани лекарства, тъй като са едни от основните лекарства за лечение на HIV-свързани състояния. Понастоящем, протоколите за антиретровирусна терапия (antiretroviral therapy (ART), доскоро наричана високо активна антиретровирусна терапия (highly active antiretroviral therapy, HAART)) предлагат анти-HIV терапията от първа линия да се състои от комбинация от няколко лекарства: два (или повече) NRTI, един представител на групата на ненуклеозидните инхибитори на обратната транскриптаза (NNRTI) и един протеазен или интегразен инхибитор. В зависимост от характеристиките на пациента към тази комбинация може да се добави и инхибитор на навлизането на вируса в клетката, но те не са подходящи за всеки пациент, повечето са доста скъпи, могат да имат сериозни неблагоприятни ефекти и често се налага да се прилагат повече от един път на ден, понякога парентерално. Това намалява обхвата на действие на тези лекарства и повишава риска пациентите да не вземат всичките предписани им лекарства.

Най-често използваните в момента лекарства от групата на NRTI са ламивудин, ставудин, зидовудин, емрицитабин, залцитабин, тенофовир, както и други.

NRTI (както и, впрочем, NNRTI) са много ефикасни лекарства. Разбира се, те имат и своите недостатъци – кратък полуживот, ефект на първо преминаване при орално приложение (бързо инактивиране на активната съставка при преминаването й през черния дроб), което води до ниска бионаличност; както и вариации в серумните нива, дължащи се на генетично обусловените индивидуални вариации на активността на CYP системата при различните хора. Поради тези причини, до настоящия момент за подобряване на доставката и стабилността на нуклеозидните аналози са изпитани много и различни технологии. Нанотехнологиите осигуряват набор от вехикулуми за ефикасно и насочено доставяне на лекарства за лечение на HIV инфекция – липозоми, дендримери, мицели, твърди липидни наночастици, наносуспензии и полимерни наночастици [73, 29].

Данните за използването на нанотехнологии за подобряване на доставката на антивирусни средства срещу COVID-19 в организма все още са оскъдни, но тази област се развива бързо. Повечето антивирусни лекарства, използвани при COVID-19 в момента, са от групата на NRTI. Такива са: фавипиравир (гуанозинов аналог); молнупиравир (аналог на пиримидиновите рибонуклеозиди) и ремдесивир (аденозинов аналог). По-голямата част от лекарствата от групата на NRTI са одобрени за пациенти с лека до умерена форма на COVID-19, при които има висок риск от усложнения. Поради тове тяхното приложение трябва да започне рано в хода на заболяването, преди развитието на усложненията. Само ремдесивирът беше одобрен за лечение на хоспитализирани пациенти с тежко заболяване и дихателна недостатъчност [https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/management/clinical-management/hospitalized-adults–therapeutic-management/], въпреки че по-късно беше одобрен за използване и при селектирани групи амбулаторни пациенти [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-actions-expand-use-treatment-outpatients-mild-moderate-covid-19]. В едно проучване от 2020 г. беше показано, че HIV-позитивните пациенти, получаващи комбинацията тенофовир/емрицитабин, имат по-нисък риск да развият COVID-19 след заразяване със SARS-CoV-2 и да бъдат хоспитализирани за това в сравнение с тези, които получават други терапии [5]. Към настоящия момент, се провеждат изпитания на наноформулации, които доставят ремдесивир и други антиретровирусни лекарства директно до белодробния епител. Такива са: натоварени с ремдесивир полимерни нановезикули, наноемулсии на фавипиравир, заредени с фавипиравир твърди липидни частици, и други. Засега изпитанията се провеждат in vitro [68, 92, 87], а проучванията in vivo в областта тепърва предстоят.

3.2.3. Ненуклеозидни инхибитори на обратната транскриптаза (NNRTI)

Ненуклеозидните инхибитори на обратната транскриптаза се използват главно в терапията на HIV-свързани състояния. Те инхибират директно обратната транскриптаза на HIV-1 чрез свързване по обратим и неконкурентен начин с ензима. Понастоящем най-използваните NNRTI са невирапин (Viramune на Boehringer Ingelheim), делавирдин (Rescriptor на ViiV Healthcare) и ефавиренц (генеричен на Mylan и Sustiva на Bristol Myers Squibb). Проблемите с бионаличността са подобни на тези при NRTI. В опит да се подобри бионаличността и да се осигури контролирано освобождаване на лекарството, Manyarara et al. през 2018 разработиха наноемулсия на невирапин за приложение в педиатрията. Впоследствие беше разработена и самоемулсифицираща се система, натоварена с невирапин с цел повишаване на бионаличността на лекарството [60]. От проведените до момента изследвания чрез моделиране и in vitro, NNRTI засега не показват клинична ефикасност срещу SARS-CoV-2 [15, 25].

3.2.4. Инхибитори на навлизането на вируса в клетката

Инхибиторите на навлизане предотвратяват навлизането на вируса в клетката, като намаляват пропускливостта на обичайното входно място на вируса, напр. предпочитаният от него за свързване и проникване повърхностен рецептор. Инхибиторите на навлизането в клетката като маравирок (Celzentry на GlaxoSmithKline), енфивуртид (Fuzeon на Genentech), булевиртид (Hepcludex на Gilead Sciences) и др. се използват при лечението на инфекции с HIV и хепатит D. През 2015 г. наночастици от железен оксид, покрити с амфифилен полимер бяха използвани за доставяне на енфивуртид до „вирусни убежища“ при миши модели на HIV [23]. През 2020 г. полимерно-липидни хибридни наночастици, натоварени с комбинация от енфивуртид и ненуклеозиден инхибитор на обратната транскриптаза (ефавиренц) бяха използвани за доставяне на лекарствата до Т-клетки и макрофаги, изолирани във вирусни убежища. Експериментите по отношение на насочена доставка на лекарства от този клас при COVID-19 предстоят.

3.2.5. Протеазни инхибитори

Протеазните инхибитори подтискат активността на протеазата, която хидролизира вирусния полипротеин, за да се образуват отделните вирусни белтъци. Протеазните инхибитори, подобно на описаните по-горе нуклеозидни аналози, са много добре проучени поради честата им употреба в лечението на HIV. Също както нуклеозидните аналози, протеазните инхибитори, приети през устата, са обект на метаболизъм при първо преминаване и са субстрати на CYP. Това води до значителна вариация на нивата на едно и също лекарство, приемано в една и съща доза при различните индивиди. Това се преодолява отчасти чрез съвместното им прилагане с лекарства, които инхибират активността на CYP3A и по този начин водят до повишаване на серумното ниво на протеазните инхибитори. Такива лекарства са, например, ритонавир и кобицистат. Разработени са нанотехнологични подходи с цел подобряване на бионаличността на най-често използаните протеазни инхибитори. Такива са, например, твърди липидни наночастици и наночастици на полимерна основа, натоварени с лопинавир, наноемулсии и наносуспензии на атаназавир, липидни наночастици, натоварени с дарунавир, полимерни наночастици, натоварени с нелфинавир, и други [55, 66, 88, 28, 79, 7, 18]. Установено е, че бионаличността на саквинавир във вирусни убежища се повишава значително чрез използване на квантови точки [42].

Протеазните инхибитори са един от заменимите компоненти на антиретровирусната терапия за HIV, тъй като към задължителните в протокола ART инхибитори на обратната транскриптаза може да се добави или протеазен, или интегразен инхибитор, в зависимост от особеностите на пациента и опита на лекаря. При COVID-19, обаче, протеазните инхибитори имат потенциал (поне засега) да се окажат специфично и незаменимо лекарство. През 2020 г. групата на Beck използва математически модел за предсказване на взаимодействие между лекарството и прицелните молекули, за да оцени потенциалната активност при COVID-19 на група лекарства от различни класове, които рутинно се използват за лечение на HIV и други инфекции с РНК вируси – ремдесивир, ефавиренц, ритонавир и долутегравир [10] ]. Резултатите им показаха, че атазанавирът има много висок афинитет към вирусната протеаза на SARS-CoV-2. Това потенциално действие на атаназавир се изследва в момента с цел клинични приложения при пациенти с COVID-19. Paxlovid на Merck е ново лекарство за перорално приложение при пациенти с COVID-19 и риск от тежки усложнения, което съдържа като активна съставка протеазен инхибитор. То беше одобрено за употреба през декември 2020 г. Съдържа протеазния инхибитор нирматрелвир и споменатия по-горе ритонавир като инхибитор на CYP3A [59]. След като бъдат събрани достатъчно данни за ефикасността на пероралния препарат, вероятно ще бъдат разработени и наноформулации на същото лекарство.

3.2.6. Интегразни инхибитори

Интегразните инхибитори подтискат инсертирането на ДНК копие на РНК на вируса в генома на клетката гостоприемник. Интегразните инхибитори, напр. долутегравир (Tivicay на ViiV Healthcare), елвитегравир (част от фиксираната комбинация Stribild на Gilead Sciences) или ралтегравир (Isentress на Merck) са ключови компоненти в ART за HIV инфекции. Както повечето антиретровирусни лекарства, и интегразните инхибитори имат като недостатък слаба водоразтворимост и ниска бионаличност. Разработват се различни наноформулации на интегразни инхибитори с цел да се увеличи тяхната разтворимост и за контрол на доставката до таргетните клетки и тъкани. Още през 2006 г. беше постигнато значимо удължаване на времето на полуживот на долутегравир чрез миристоилиране и беше пусната на пазара форма с удължено действие [90]. През 2015 г. въз основа на наблюдението, че златните наночастици лесно се интернализират от лимфоцити и макрофаги беше разработен конюгат на ралтегравир със златни наночастици, който може да инхибира репликацията на HIV в периферните мононуклеарни клетки [26]. През 2020 г. беше установено, че долутегравирът има значим ефект за подтискане на активността на вирусната протеаза на SARS-CoV-2 [10]. Проучванията в областта продължават.

4. Изкуствени вирусоподобни частици, използвани за доставка на лекарства

Вирусоподобните частици (virus-like particles, VLP) са самосглобяващи се частици, които се образуват при смесване на вирусни протеини от капсида или вирусната обвивка с различни естествени белтъци като феритин или бактериалния белтък енкапсулин. От тази смес спонтанно се сглобяват структури, съдържащи както вирусните, така и невирус белтъци. Белтъците обикновено се произвеждат в хетероложни системи. Белтъците в състава на вирусоподобните частици могат да бъдат модифицирани или конюгирани с пептиди, токсини, химиотерапевтици, малки интерфериращи РНК, квантови точки и т.н., за да се постигне насочване към специфично прицелно място и/или да се контролира по време освобождаването на активната съставка.

VLP имат потенциал да се използват в широк спектър от приложения, включително разработване на лекарства, имунотерапии, ваксини, генни терапии, в образната диагностика, и др. Вирозомите са VLP, които имат допълнителен фосфолипиден двоен слой, който включва и гликопротеините на вирусната обвивка (напр. хемаглутинин). Схематично това е представено на фиг. 5.

Естествените вирусни частици имат свойството под действието на фактори от околната среда (промени в рН или в температурата на средата и пр.) да се саморазглобяват с освобождаване на вирусния геном или да отделят от обвивката си субединици от капсида или части от липидната обвивка, в които не присъства вирусна нуклеинова киселина. В разглобено състояние вирусните частици могат да се самосглобят отново във вирусоподобни частици при специфични условия [58]. Вирусоподобните частици наподобяват по своята морфология естествените вирусни частици и проявяват същия тропизъм към прицелните клетки, но не включват нуклеиновата киселина на вируса. На практика те са еквиваленти на вируси, но без геном. Когато бъдат натоварени с някакво активно вещество (лекарства, антитела, флуоресцентни багрила, контрастни вещества и пр.), то може да бъде доставено до специфични целеви клетки, използвайки взаимодействията вирус-клетка, характерни за естествения вирус. Свайствата на VLP се изучават активно и се използват за разработване на нови биоматериали с каталитична активност, биомиметични молекули или агенти за целите на образната диагностика със селективна насоченост [14, 58].

Фиг. 5. Схематично представяне на вирусоподобна частица (без фосфолипидната обвивка).

VLP се използват за проектиране на ваксини срещу човешки заболявания сравнително отскоро – по-точно от 2017 г., когато групата на Kanekiyo създаде фузионен белтък хемаглутинин-феритин, способен на спонтанно самосглобяване с образуване на наночастици, експониращи хемаглутининови тримери на повърхността си. На подобен принцип по-късно, през 2020 г. беше разработена ваксина срещу човешкия респираторно-синцитиален вирус (RSV), при която върху вирусоподобни частици е представен F-антигенът на RSV [30]. Тази ваксина (на компанията Novavax, която разработи и наскоро пусна на пазара ваксината Nuvaxovid срещу инфекция със SARS-CoV-2) все още е в период на клинични изпитания.

Вирусоподобните частици имат голям потенциал за подобряване на безопасността и ефективността на лекарствата. Използването на VLP засега се оказва с профил на безопасност, подобен на другите методологии, базирани на използване на вирусни компоненти, и по-добър от този на вирусните вектори. Един сериозен недостатък на VLP е тяхната висока потенциална имуногенност поради съдържанието на вирусни белтъци в тях. Все още не е напълно изяснено магнитудът на този проблем, тъй като вирусните белтъци се произвеждат в хетероложни системи (обикновено – бактериални) и съответно тяхната експресия не включва пост-транслационна обработка (напр. гликозилиране, което е един от основните източници на имуногенни епитопи) [3,58]. Тази особеност реално може да намали риска от имунен отговор от страна на гостоприемника, но са необходими много допълнителни изследвания в тази връзка, за да се оцени надеждно профилът на безопасност на вирусоподобните частици.

Счита се, че лекарства, които имат висока токсичност (каквито са, например, цитостатиците), биха могли сравнително безопасно и ефикасно да бъдат доставени до таргетните клетки с помощта на VLP. Ashley et al. още през 2011 г. използваха VLP за доставяне на доксорубицин до клетки на човешкия хепатоцелуларен карцином (Hep3B), за които се знае, че използват т.нар. Pgр-помпен механизъм за изхвърляне на химиотерапевтици [6]. Резултатите засега показват, че използването на вирусоподобни частици, натоварени с доксорубицин, цисплатина и 5-флуороурацил може да доведе до подтискане на деленето на раковите клетки при значително по-ниски серумни нива на химиотерапевтика, и, съответно, при много по-слабо изразени нежелани ефекти за пациента.

Въвеждането на допълнителни модификации (функционализация, наричана понякога в специализираната литература и „декорация“) на белтъците в състава на VLP повишава техния афинитет към прицелните клетки и подобрява освобождаването на лекарството. През 2007 г. беше съобщено за „декориране“ на VLP с биотин, осигуряващо насочване към прицелните места чрез взаимодействие авидин-биотин [67].

През 2020 г. бяха проведени изпитания в миши модели на три кандидат-ваксини срещу SARS-CoV-2, базирани на VLP. Те съдържаха иРНК на шиповия, мембранния и капсидния белтък на вируса. Най-общо казано, принципът на създаването и действието на тези VLP e следният: експресираните белтъци се опаковат в липидни наночастици и се трансфектират в култивирани клетки, след което VLP се отделят от клетките в културалната среда. Началните резултати бяха обнадеждаващи, въпреки че автори докладваха, че нивата на антителата при ваксинираните мишки бележат бърз спад скоро след ваксинацията [41]. През 2022 г. Yilmaz et al. докладва първите резултати от предклинично изпитание на базирана на VLP ваксина срещу SARS-CoV-2, предходно изпитана в култивирани клетки и върху животински модели. Тези VLP експресират всичките 4 структурни белтъка на SARS-CoV-2. Засега резултатите показват, че ваксината предизвиква мощен Т-клетъчен отговор и значително намалява вирусния товар при ваксинираните животни [96].

Covifenz (на Medicago и GSK) е ваксина, базирана на VLP. Нейните изпитания от фаза III приключиха в началото на февруари 2022 г. Според производителите, Covifenz вече е одобрен за употреба в Канада от местната регулаторна агенция Health Canada [Medicago’s Canada-made COVID-19 vaccine approved by Health Canada | Globalnews.ca].

Към м. февруари 2022 г. все още нямаше одобрени от FDA и EMA лекарствени форми на основата на вирусоподобни частици за лечение на COVID-19. Необходими са допълнителни, по-обширни изследвания за евентуалните приложения на VLP при лечението на инфекции със SARS-CoV-2, преди да бъдат одобрени продукти на тази основа.

---

Тест LO 4.2

---

Литература

1. Ahn D., Lee W., Choi J.K., Kim S.J., Plant E.P., Almazán F., Taylor D.R., et al. (2011).  Interference of ribosomal frameshifting by antisense peptide nucleic acids suppresses SARS coronavirus replication. Antiviral Res, 91(1), 1-10.
2. Al-Bari M. (2015). Chloroquine analogues in drug discovery: new directions of uses, mechanisms of actions and toxic manifestations from malaria to multifarious diseases. J Antimicrob Chemother, 70, 1608–1621.
3. Aljabali A., Hassan S., Pabari R., Shahcheraghi S., Mishra V., Charbe N., Chellappan D., et al. (2021). The viral capsid as novel nanomaterials for drug delivery. Future Sci OA, 7(9), FSO744.
4. Ambike S., Cheng C., Feuerherd M., Velkov S., Baldassi D., Afridi S.Q., Porras-Gonzalez D., et al., (2022). Targeting genomic SARS-CoV-2 RNA with siRNAs allows efficient inhibition of viral replication and spread. Nucleic Acids Res, 50(1), 333-349.
5. Del Amo J., Polo R., Moreno S., Díaz A., Martínez E., Arribas J., Jarrín I., et al., and The Spanish HIV/COVID-19 Collaboration. (2020). Incidence and Severity of COVID-19 in HIV-Positive Persons Receiving Antiretroviral Therapy: A Cohort Study Ann Intern Med, 173(7), 536-541.
6. Ashley C., Carnes E., Phillips G., Durfee P., Buley M., Lino C., Padilla D., et al. (2011). Cell-specific delivery of diverse cargos by bacteriophage MS2 virus-like particles. ACS Nano, 5(7), 5729-45.
7. Augustine R., Ashkenazi D.L., Arzi R.S., Zlobin V., Shofti R. and Sosnik A. (2018). Nanoparticle-in-microparticle oral drug delivery system of a clinically relevant darunavir/ritonavir antiretroviral combination. Acta Biomater, 74, 344-359.
8. Auría-Soro C., Nesma T., Juanes-Velasco P., Landeira-Viñuela A., Fidalgo-Gomez H., Acebes-Fernandez V., Gongora R., et al. (2019). Interactions of Nanoparticles and Biosystems: Microenvironment of Nanoparticles and Biomolecules in Nanomedicine.Nanomaterials (Basel), 9(10), 1365.
9. Balwani M., Sardh E., Ventura P., Peiró P., Rees D., Stölzel U., Bissell D., et al., and ENVISION Investigators. (2020). Phase 3 Trial of RNAi Therapeutic Givosiran for Acute Intermittent Porphyria. Clinical Trial N Engl J Med, 382(24):2289-2301.
10. Beck B., Shin B., Choi Y., Park S. and Kang K. (2020). Predicting commercially available antiviral drugs that may act on the novel coronavirus (SARS-CoV-2) through a drug-target interaction deep learning mode. Comput Struct Biotechnol J, 18, 784-790.
11. Bigini P., Gobbi M., Bonati M., Clavenna A., Zucchetti M., Garattini S. and Pasut G. (2021). The role and impact of polyethylene glycol on anaphylactic reactions to COVID-19 nano-vaccines. Nature Nanotechnol, 16, 1169-1171.
12. Bhushan B., Wanve S., Koradia P., Bhomia V., Soni P., Chakraborty S., Khobragade A., et al., and Study Investigators Group. (2021). Efficacy and safety of pegylated interferon-α2b in moderate COVID-19: a phase 3, randomized, comparator-controlled, open-label study. Clinical Trial Int J Infect Dis, 111, 281-287.
13. Chakarov S., Petkova R., Russev G. (2008). Rapid and efficient method for production of T4 endonuclease V by heterologous expression in E. coli. Biotechnol Biotechnol Equip, 22(4), 1011-1012.
14. Chakravarty M. and Vora A. (2021). Nanotechnology-based antiviral therapeutics. Drug Deliv Transl Res, 11(3), 748-787.
15. Chang Y., Tung Y., Lee K., Chen T., Hsiao Y., Chang H., Hsieh T., et al. (2020). Potential Therapeutic Agents for COVID-19 Based on the Analysis of Protease and RNA Polymerase Docking. Preprint. February 2020, DOI:10.20944/preprints202002.0242.v1.
16. Cho S., Woo H., Kim K., Oh J. and Jeong Y. (2011). Novel system for detecting SARS coronavirus nucleocapsid protein using an ssDNA aptamer. J Biosci Bioeng, 112(6), 535-40.
17. Davoudi-Monfared E., Rahmani H., Khalili H., Hajiabdolbaghi M., Salehi M., Abbasian L., Kazemzadeh H. and Yekaninejad M. (2020). A Randomized Clinical Trial of the Efficacy and Safety of Interferon β-1a in Treatment of Severe COVID-19. Antimicrob Agents Chemother, 64(9), e01061-20.
18. Desai J. and Thakkar H. (2018). Darunavir-Loaded Lipid Nanoparticles for Targeting to HIV Reservoirs. AAPS PharmSciTech, 19(2), 648–660.
19. Ditzler M., Bose D., Shkriabai N., Marchand B., Sarafianos S., Kvaratskhelia M., Burke D. (2011). Broad-spectrum aptamer inhibitors of HIV reverse transcriptase closely mimic natural substrates. Nucleic Acids Res, 39(18), 8237-8247.
20. Duncan R., Vicent M., Greco F. and Nicholson R. (2005). Polymer–drug conjugates: towards a novel approach for the treatment of endrocine-related cancer. Endocr Relat Cancer, 12(Suppl. 1), S189–S199.
21. Estébanez M., Ramírez-Olivencia G., Mata T., Martí D., Gutierrez C., de Dios B., Herrero M., et al., and COVID 19 Central Defense Hospital “Gomez Ulla” Team. (2020). Clinical evaluation of IFN beta1b in COVID-19 pneumonia: a retrospective study. Preprint from medRxiv, 19 May 2020, DOI: 10.1101/2020.05.15.20084293.
22. Ferreira D., Barbosa J., Sousa D.A., Silva C., Melo L.D.R., Avci-Adali M., Wendel H.P., et al. (2021). Selection of aptamers against triple negative breast cancer cells using high throughput sequencing. Sci Rep, 11(1), 8614.
23. Fiandra L., Colombo M., Mazzucchelli S., Truffi M., Santini B., Allevi R., Nebuloni M., et al. (2015). Nanoformulation of antiretroviral drugs enhances their penetration across the blood brain barrier in mice. Nanomedicine, 11(6), 1387-1397.
24. Fodor-Kardos A., Kiss A., Monostory K. and Feczkó T. (2020). Sustained in vitro interferon-beta release and in vivo toxicity of PLGA and PEG-PLGA nanoparticles. RSC Adv, 10, 15893.
25. Frediansyah A., Tiwari R., Khan S., Dhama K. and Harapan H. (2021). Antivirals for COVID-19: A critical review. Clin Epidemiol Glob Health, 9, 90-98.
26. Garrido C., Simpson C., Dahl N., Bresee J., Whitehead D., Lindsey E., Harris T., et al. (2015). Gold nanoparticles to improve HIV drug delivery. Future Med Chem, 7(9): 1097–1107.
27. Giovannini G., Haick H. and Garoli D. (2021). Detecting COVID-19 from Breath: A Game Changer for a Big Challenge. ACS Sens, 6(4), 1408–1417.
28. Ghosh A., Osswald H., Prato G. (2016). Recent Progress in the Development of HIV-1 Protease Inhibitors for the Treatment of HIV/AIDS. J Med Chem, 59(11), 5172–5208.
29. Gong Y., Chowdhury P., Nagesh P., Cory T., Dezfuli C., Kodidela S., Singh A., et al. (2019). Nanotechnology approaches for the delivery of cytochrome P450 substrates in HIV treatment. Expert Opin Drug Deliv, 16(8), 869–882.
30. Ha B., Yang J., Chen X., Jadhao S., Wright E. and Anderson L. (2020). Two RSV Platforms for G, F, or G+F Proteins VLPs. Viruses, 12(9), 906.
31. Huang L., Luo Y., Sun X., Ju H., Tian J. and Yu B.Y. (2017). An artemisinin-mediated ROS evolving and dual protease light-up nanocapsule for real-time imaging of lysosomal tumor cell death. Biosens Bioelectron, 92, 724-732.
32. Hung I., Lung K., Tso E., Liu R., Chung T., Chu M., Ng Y., et al. (2020). Triple combination of interferon beta-1b, lopinavir-ritonavir, and ribavirin in the treatment of patients admitted to hospital with COVID-19: an open-label, randomised, phase 2 trial. Lancet, 395(10238), 1695-1704.
33. Idris A., Davis A., Supramaniam A., Acharya D., Kelly G., Tayyar Y., West N., et al. (2021). A SARS-CoV-2 targeted siRNA-nanoparticle therapy for COVID-19. Mol Ther, 29(7), 2219-2226.
34. Kinghorn A., Dirkzwager R., Liang S., Cheung Y., Fraser L., Shiu S., Tang M., Tanner J. (2016). Aptamer Affinity Maturation by Resampling and Microarray Selection. Anal Chem., 88(14), 6981-5.
35. Kumar A., Mancy S., Manjunath K., Kulkarni S. and Jagadeesh R. (2019). Formulation and Evaluation of Fluvoxamine Maleate Loaded Lipid Nanoparticle. Int J Pharm Sci Nanotechnol, 12(4), 4593-4600.
36. Lee M., Yang J., Jung H., Beack S., Choi J., Hur W., Koo H. et al. (2012).  Hyaluronic Acid–Gold Nanoparticle/Interferon α Complex for Targeted Treatment of Hepatitis C Virus Infection. ACS Nano, 6(11), 9522–9531.
37. Li H., Tatematsu K., Somiya M., Iijima M. and Kuroda S. (2018). Development of a macrophage-targeting and phagocytosis-inducing bio-nanocapsule-based nanocarrier for drug delivery. Acta Biomater, 73, 412-423.
38. Li W., Wu J., Zhan P., Chang Y., Pannecouque C., De Clercq E. and Liu X. (2012). Synthesis, drug release and anti-HIV activity of a series of PEGylated zidovudine conjugates. Int J Biol Macromol, 50(4), 974-980.
39. Lim S., Hor C., Tay K., Mat Jelani A., Tan W., Ker H., Chow T., et al., and I-TECH Study Group. (2022). Efficacy of Ivermectin Treatment on Disease Progression Among Adults With Mild to Moderate COVID-19 and Comorbidities: The I-TECH Randomized Clinical Trial. JAMA Intern Med, 2022 Feb 18. doi: 10.1001/jamainternmed.2022.0189. (online ahead of print).
40. Liu S., Wang Z., Xie H., Liu A., Lamb D. and Pang D. (2020). Single-Virus Tracking, From Imaging Methodologies to Virological Applications. Chem Rev, 120, 1936-1979.
41. Lu J., Lu G., Tan S., Xia J., Xiong H., Yu X., Qi Q., et al. (2020). A COVID-19 mRNA vaccine encoding SARS-CoV-2 virus-like particles induces a strong antiviral-like immune response in mice. Cell Res, 30(10), 936-939.
42. Mahajan S., Roy I., Xu G., Yong K.T., Ding H., Aalinkeel R., Reynolds J., et al. (2010). Enhancing the delivery of anti retroviral drug Saquinavir across the blood brain barrier using nanoparticles. Curr HIV Res, 8, 396–404.
43. Kawata Mahlknecht G., Sela M. and Yarden Y. (2015). Aptamer Targeting the ERBB2 Receptor Tyrosine Kinase for Applications in Tumor Therapy. Methods Mol Biol, 1317, 3-15.
44. Malhani A., Enani M., Saheb Sharif-Askari F., Alghareeb M., Bin-Brikan R., AlShahrani S., Halwani R., et al. (2021). Combination of (interferon beta-1b, lopinavir/ritonavir and ribavirin) versus favipiravir in hospitalized patients with non-critical COVID-19: A cohort study. PLoS One, 16(6), e0252984.
45. Mann A., Somasunderam A., Nieves-Alicea R., Li X., Hu A., Sood A., Ferrari M., et al. (2010). Identification of thioaptamer ligand against E-selectin: Potential application for inflamed vasculature targeting. PLoS ONE, 5, e13050.
46. Mary A., Hénaut L., Macq P.Y., Badoux L., Cappe A., Porée T., Eckes M., et al. (2020). Rationale for COVID-19 Treatment by Nebulized Interferon-β-1b–Literature Review and Personal Preliminary Experience. Front Pharmacol, 11, 592543.
47. Medeiros I., Khayat A., Stransky B., Santos S., Assumpção P. and de Souza J. (2021). A small interfering RNA (siRNA) database for SARS-CoV-2. Nature Sci Rep, 11, 8849.
48. Mikhaylov E., Lyubimtseva T., Vakhrushev A., Stepanov D., Lebedev D., Vasilieva E., Konradi A., et al. (2022). Bromhexine Hydrochloride Prophylaxis of COVID-19 for Medical Personnel: A Randomized Open-Label Study. Interdiscip Perspect Infect Dis, 2022, 4693121.
49. Mishra S., Malhotra P., Gupta A.K., Singh P.K., Mishra A.K., Javed S. and Kumar R. (2014). Novel method for screening of radioprotective agents providing protection to DNA ligase against gamma radiation induced damage. Int J Radiat Biol, 90(2), 187-192.
50. Mohammed S. and Shaaban E. (2019). Efficacious nanomedicine track toward combating COVID-19. Randomized Controlled Trial. N Engl J Med, 381(24), 2293-2303.
51. Moitra P., Alafeef M., Dighe K., Frieman M. and Pan D. (2020). Selective Naked-Eye Detection of SARS-CoV-2 Mediated by N Gene Targeted Antisense Oligonucleotide Capped Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 14, 7617-7627.
52. Monk P., Marsden R., Tear V., Brookes J., Batten T., Mankowski M., Gabbay F., et al., and Inhaled Interferon Beta COVID-19 Study Group. (2021). Collaborators, Safety and efficacy of inhaled nebulised interferon beta-1a (SNG001) for treatment of SARS-CoV-2 infection: a randomised, double-blind, placebo-controlled phase 2 trial. Clinical Trial Lancet Respir Med, 9(2), 196-206.
53. Musafia B., Oren-Banaroya R. and Noiman S. (2014). Designing anti-influenza aptamers: novel quantitative structure activity relationship approach gives insights into aptamer-virus interaction. PLoS One, 9(5), e97696.
54. Nasserie T., Hittle M. and Goodman S. (2021). Assessment of the Frequency and Variety of Persistent Symptoms Among Patients With COVID-19: A Systematic Review. JAMA Network Open, 4 (5), e2111417.
55. Negi J., Chattopadhyay P., Sharma A.K., and Ram V. (2013). Development of solid lipid nanoparticles (SLNs) of lopinavir using hot self nano-emulsification (SNE) technique. Eur J Pharm Sci, 48(1–2), 231-239.
56. Neuman B., Stein D., Kroeker A., Bestwick R., Iversen P., Moulton H., and Buchmeier M. (2006). Inhibition and Escape of SARS-CoV Treated with Antisense Morpholino Oligomers. In: The Nidoviruses, 581, 567–571.
57. Nimjee S., Povsic T., Sullenger B. and Becker R. (2016). Translation and Clinical Development of Antithrombotic Aptamers. Nucleic Acid Ther, 26(3), 147-155.
58. Nooraei S., Bahrulolum H., Hoseini Z., Katalani C., Hajizade A., Easton A. and Ahmadian G. (2021). Virus-like particles: preparation, immunogenicity and their roles as nanovaccines and drug nanocarriers. J Nanobiotechno, 19, 59.
59. Owen D., Allerton C., Anderson A., Aschenbrenner L., Avery M., Berritt S., Boras B., et al. (2021). An oral SARS-CoV-2 M(pro) inhibitor clinical candidate for the treatment of COVID-19. Science 374(6575), 1586-1593.
60. Panner Selvam R. and Kulkarni P. (2014). Design and Evaluation of Self Nanoemulsifying Systems for Poorly Water Soluble HIV Drug. J PharmaSciTech, 4(1).
61. Puri A., Loomis K., Smith B., Lee J-H., Yavlovich A., Heldman E. and Blumenthal R. (2009). Lipid-based nanoparticles as pharmaceutical drug carriers: from concepts to clinic. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst, 26, 523–580.
62. Rabowsky J., Dukes A., Lee D. and Leong K. (1996). The use of bioerodible polymers and daunorubicin in glaucoma filtration surgery. Clin Trial Ophthalmol, 103(5), 800-807.
63. Samson R., Navale G. and Dharne M.  (2020). Biosensors: frontiers in rapid detection of COVID-19. J Biotech, 10(9), 385.
64. Rahmani H., Davoudi-Monfared E., Nourian A., Khalili H., Hajizadeh N., Jalalabadi N., Fazeli M., et al (2020). Interferon beta-1b in treatment of severe COVID-19: A randomized clinical trial. Int Immunopharmacol, 88, 106903.
65. Rasmi Y., Saloua K., Nemati M., and Choi J. (2021). Recent Progress in Nanotechnology for COVID-19 Prevention, Diagnostics and Treatment.  Review Nanomaterials (Basel), 11(7), 1788.
66. Ravi P., Vats R., Dalal V., Nitin Gadekar N. (2015). Design, optimization and evaluation of poly-ɛ-caprolactone (PCL) based polymeric nanoparticles for oral delivery of lopinavir. Drug Dev Ind Pharm,41(1), 131–140.
67. Reches M. and Gazit E. (2007). Biological and chemical decoration of peptide nanostructures via biotin-avidin interactions.  J Nanosci Nanotechnol, 7(7), 2239-2245.
68. de M Ribeiro N. and Fonseca B. (2020). The role of pharmaceutical nanotechnology in the time of COVID-19 pandemic Review Future Microbiol, 15, 1571-1582.
69. Roberts D., Rossman J. and Jarić I. (2021). Dating first cases of COVID-19. PLOS Pathogens, June 24, 2021, https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009620.
70. Roh C. and Jo S. (2011). Quantitative and Sensitive Detection of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Using Quantum Dots-Conjugated RNA Aptamer on Chip. J Chem Technol Biotechnol, 86, 1475-1479.
71. Rose K., Alves Ferreira-Bravo I., Li M., Craigie R., Ditzler M., Holliger P. and DeStefano J. (2019). Selection of 2′-Deoxy-2′-Fluoroarabino Nucleic Acid (FANA) Aptamers That Bind HIV-1 Integrase with Picomolar Affinity. ACS Chem Biol, 14(10), 2166-2175.
72. Rosenberg J., Bambury R., Van Allen E., Drabkin H., Lara P. Jr., Harzstark A., Wagle N., et al. (2014). A phase II trial of AS1411 (a novel nucleolin-targeted DNA aptamer) in metastatic renal cell carcinoma. Invest New Drugs, 32(1), 178-187.
73. Roy U., Rodríguez J., Barber P., das Neves J., Sarmento B. and Nair M. (2015). The potential of HIV-1 nanotherapeutics: from in vitro studies to clinical trials. Nanomedicine (London, England), 10(24), 3597–3609.
74. Sabourian P., Yazdani G., Ashraf S., Frounchi M., Mashayekhan S., Kiani S. and Kakkar A. (2020). Effect of Physico-Chemical Properties of Nanoparticles on Their Intracellular Uptake. Int J Mol Sci, 21(21), 8019.
75. Shan B., Broza Y.Y., Li W., Wang Y., Wu S., Liu Z., Wang J., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano, 14(9):12125-12132.
76. Seo G., Lee G., Kim M., Baek S., Choi M., Ku K., Lee C., et al. (2020). Rapid Detection of COVID-19 Causative Virus (SARS-CoV-2) in Human Nasopharyngeal Swab Specimens Using Field-Effect Transistor-Based Biosensor. ACS Nano, 14(4), 5135-5142.
77. Sercombe L., Veerati T., Moheimani F., Wu S.Y., Sood A.K. and Hua S. (2015). Advances and Challenges of Liposome Assisted Drug Delivery. Front Pharmacol, 6, 286.
78. Shan B., Broza Y., Li W., Wang Y., Wu S., Liu Z., Wang J., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano, 14, 12125-12132.
79. Singh G. and Pai RS. (2016). Atazanavir-loaded Eudragit RL 100 nanoparticles to improve oral bioavailability: optimization and in vitro/in vivo appraisal. Drug delivery, 23(2), 532–539.
80. Sodeifian F., Nikfarjam M., Kian N., Mohamed K. and Rezaei N. (2022). The role of type I interferon in the treatment of COVID-19. J Med Virol, 94(1), 63-81.
81. Somvanshi S., Kharat B., Saraf S., Somwanshi S., Shejul S., and Jadhav K. (2020). Multifunctional Nano-Magnetic Particles Assisted Viral RNA-Extraction Protocol for Potential Detection of COVID-19. Mater Res Innov, 25, 169-174.
82. Sun M., Liu S., Wei X., Wan S., Huang M., Song T., Lu Y., et al. (2021). Aptamer Blocking Strategy Inhibits SARS-CoV-2 Virus Infection. Angew Chem Int Ed Engl, 60(18), 10266-10272.
83. Svenson S. and Tomalia DA. (2005). Dendrimers in biomedical applications-reflections on the field. Adv Drug Deliv Rev, 57(15), 2106-2129.
84. Tran S., DeGiovanni P-J., Piel B. and Rai P. (2017). Cancer nanomedicine: a review of recent success in drug delivery. Clin Transl Med, 6, 44.
85. Trujillo C., Nery A., Alves J., Martins A. and Ulrich H. (2007). Development of the anti-VEGF aptamer to a therapeutic agent for clinical ophthalmology. Clin Ophthalmol, 1(4), 393-402.
86. Tsogtbaatar K., Sousa D.A., Ferreira D., Tevlek A., Aydın H.M., Çelik E. and Rodrigues L. (2022). In vitro selection of DNA aptamers against human osteosarcoma. Invest New Drugs, 40(1), 172-181.
87. Tulbah A. and Lee W-H. (2021). Physicochemical Characteristics and In Vitro Toxicity/Anti-SARS-CoV-2 Activity of Favipiravir Solid Lipid Nanoparticles (SLNs). Pharmaceuticals (Basel), 14(10), 1059.
88. Venkatesh D., Baskaran M., Karri V., Mannemala S., Radhakrishna K. and Goti S. (2015). Fabrication and in vivo evaluation of Nelfinavir loaded PLGA nanoparticles for enhancing oral bioavailability and therapeutic effect. Saudi Pharm J, 23(6), 667–674.
89. Veronese F. and Mero A. (2008). The impact of PEGylation on biological therapies. BioDrugs, 22(5), 315-329.
90. Vyas T., Shah L and Amiji M. (2006). Nanoparticulate drug carriers for delivery of HIV/AIDS therapy to viral reservoir sites. Expert Opin Drug Deliv, 3(5), 613–628.
91. Wen W., Chen C., Tang J., Wang C., Zhou M., Cheng Y., Zhou X., et al. (2022). Efficacy and safety of three new oral antiviral treatment (molnupiravir, fluvoxamine and Paxlovid) for COVID-19：a meta-analysis. Ann Med, 54(1), 516-523.
92. Wu J., Wang H. and Li B. (2020). Structure-aided ACEI-capped remdesivir-loaded novel PLGA nanoparticles, toward a computational simulation design for anti-SARS-CoV-2 therapy. Phys Chem Chem Phys, 22, 28434-28439.
93. Vincent M., Bergeron E., Benjannet S., Erickson B., Rollin P., Ksiazek T., Seidah N., et al. (2005). Chloroquine is a potent inhibitor of SARS coronavirus infection and spread. Virol J, 2, 69.
94. Yang Z., Huang Y., Ganesh L., Leung K., Kong W., Schwartz O., Subbarao K., et al. (2004). pH-dependent entry of severe acute respiratory syndrome coronavirus is mediated by the spike glycoprotein and enhanced by dendritic cell transfer through DC-SIGN. J Virol, 78(11), 5642-5550.
95. Yarosh D. (2002). Enhanced DNA repair of cyclobutane pyrimidine dimers changes the biological response to UV-B radiation. Mutat Res, 509(1-2), 221-226.
96. Yilmaz I., Ipekoglu E., Bulbul A., Turay N., Yildirim M., Evcili I., Yilmaz N., et al. (2022). Development and preclinical evaluation of virus-like particle vaccine against COVID-19 infection. Allergy, 77(1), 258-270.
97. Zhao Z., Cui H., Song W., Ru X., Zhou W. and Yu X. (2020), A Simple Magnetic Nanoparticles-Based Viral RNA Extraction Method for Efficient Detection of SARS-CoV-2. bioRxiv, 2020, doi: 10.1101/2020.02.22.961268.

Резюме

COVID-19 наруши предлагането и търсенето на храни в комплексен аспект и свърза кризата в здравеопазването с тази в хранителния сектор. Вирусът SARS-CoV-2 представлява постоянна опасност за продоволствената сигурност. В световен мащаб, най-големият проблем за хранителния сектор е свързан с мерките срещу COVID-19 и необходимостта от преструктуриране на този сектор, което да отговори на тези мерки. Друго предизвикателство е необходимостта да се намерят алтернативни пазари за продукти, свързани с променените потребителски навици в отговор на COVID-19.

За спиране или контрол на разпространението на коронавирусната инфекция бяха предприети различни мерки на правителствено ниво. Промените в потребителското търсене, както и промените в хранителните навици на населението доведоха до сериозни загуби в различни подсектори на хранително-вкусовата индустрия, като млечна и захарна промишленост, месо- и птице-производство. „Планът за стратегическа готовност и реагиране“ на СЗО предвижда здравните мерки, които всички страни трябва да включат като отговор на пандемията от COVID-19. Понастоящем няма доказателство за това, че SARS-CoV-2 или която и да е друга респираторна инфекция, може да се предава чрез храна или хранителни опаковки. Необходими са обаче, стандартни процедури за почистване и дезинфекция на SARS-CoV-2, физическо дистанциране, участие на операторите и работниците в хранително-вкусовата промишленост, за да се спазват глобалните стандарти за безопасност на храните и да се гарантира качеството и безопасността на хранителните продукти.

Ключови думи/фрази: хранителен бизнес, доставка на храни, преработка на храни, постпандемия

1. Въведение

В световен мащаб има достатъчно храна, но COVID-19 наруши предлагането и търсенето на храни в комплексен аспект и свърза кризата в здравеопазването с тази в хранителния сектор. В допълнение, селскостопанският сектор на икономиката е определен от повечето държави да бъде изключен от ограниченията за бизнеса и локдаун мерките. Прякото въздействие на пандемията от COVID-19 върху първичното селско стопанство е ограничено за много страни, тъй като заболяването не оказва влияние върху природните ресурси, на които се основава производството на храни. Вирусът обаче, представлява постоянна опасност за продоволствената сигурност и поминъка в страните с по-нисък жизнен стандарт, където системите за земеделска продукция са с по-малък капацитет да се справят с такъв силен макроикономически шок.
Тъй като храната е основна потребност, нивото на търсене на храна трябва да бъде повлияно по-малко от кризата, отколкото търсенето на други стоки и услуги. Въпреки това, появи се сериозна промяна в структурата на търсенето, свързана със строгите изисквания на ресторантските, хотелиерските и кетъринг услуги, затварянето на откритите пазари и скока на търсенето в супермаркетите. Понастоящем има признаци, че предприятията по хранителната верига вече се адаптират към промените в търсенето, като използват различни подходи:
-Смяна на производствени линии;
-Подобряване на потенциала за управление на по-големи каталози;
-Организиране на електронна търговия чрез използване на онлайн платформи;
-Използване на схеми за директна доставка;
-Наемане на персонал на временни длъжности.
В световен мащаб, и особено в най-бедните страни, най-големият проблем за хранителния сектор е свързан с мерките срещу COVID-19 и необходимостта от реципрочни действия в сектора, които да отговорят на тези мерки (което може да увеличи разходите). Друго предизвикателство е необходимостта да се намерят алтернативни пазари за продуктите, свързани с променените потребителски навици в отговор на COVID-19. Как се отразяват всички тези промени на хранителната система?

2. Въздействие на пандемията върху хранителния сектор

Промените в потребителското търсене, както и промените в хранителните навици на населението доведоха до сериозни загуби в различни подсектори на хранително-вкусовата индустрия, като млечна и захарна промишленост, месо- и птице-производство. [7].
-По време на прилагането на мерките за безопасност различни страни по света въведоха строги локдаун режими, които оказаха влияние върху млечната индустрия. Намаляването на търсенето на млечни продукти доведе до намаляване на тяхната цена и нивото на износа. [37]. Това се отрази и на социално-икономическия статус на работещите в млечната индустрия.
-Работата на захарната индустрия също беше ограничена, поради пандемията от COVID-19. Вносът и износът на захар бяха силно повлияни, което доведе до сериозен спад в производството. Това се отрази и на производството на алкохол. Отрицателното влияние върху захарната промишленост беше свързано и с недостига на подходящи опаковъчни материали. Подобно отрицателно въздействие впрочем се наблюдава и върху млечната промишленост.
Освен в млечната и захарната промишленост, същият ефект се наблюдава и в производството на месо, птици и морски дарове. Индустриите за преработка на месо и птици са особено уязвими поради тяхната критична инфраструктура в хранителния сектор. Увеличаването на случаите (в т.ч. и смъртните) на корона вирус в производствените мощности на месната и птичата промишленост доведе до пълно спиране на заводите. Според данни от м. Май 2020 г. двадесет промишлени завода в САЩ бяха затворени, сред които Tyson foods, Plant in Waterloo, Lowa, други заводи като JBS, Sanderson farms, Hormel foods, National beef и Smithfield food след доклади за COVID-19 инфекции [11]. Тези тревожни данни породиха паника относно консумацията на месо и морски дарове по време на пандемията. Поради тази причина СЗО препоръча намаляване на посещенията на пазарите за прясно месо и консумацията на сурово месо или недопечени животински продукти. За овладяване на пандемията бяха въведени хигиенни мерки за работниците, обслужващи оборудването, свързано с производство и преработка на месо. Освен това, насърчи се обучението на ангажирания с тези дейности персонал и въвеждането на добри практики за чисто производство, обработка и опаковане на месо и осигуряване на неговото качество. [43].

2.1. Ефекти от пандемията върху храните и селското стопанство

„Планът за стратегическа готовност и реагиране“ на СЗО [44] предвижда здравните мерки, които всички страни трябва да включат като отговор на пандемията от COVID-19. СЗО показа придобитите знания за вируса и трансформира тази информация, за да изгради стратегически план за действие, който да насочва националните и международните партньори в изготвянето на национални и регионални оперативни планове. Тези планове определят приоритетни стъпки и действия по осем основни теми:

• Координиране, планиране и мониторинг на национално ниво;
•  Комуникация на риска и участие на обществото;
•  Наблюдение, екипи за бързо реагиране и разследване на случаи;
•  Входни точки;
•  Национални лаборатории;
•  Превенция и контрол на инфекцията;
•  Управление на ситуацията;
•  Оперативна поддръжка и логистика.

Изпълнението на тези мерки е свързано със съкращаване на работни места и учебни заведения, както и временно ограничаване на пътуванията и социалните срещи. Гъвкавата работа от дома и онлайн срещите се наложиха като стандартни практики. Въпреки това хората, работещи в хранително-вкусовата промишленост, които нямат възможност за дистанционна работа, трябва да продължават да изпълняват обичайните си задължения по традиционния за това начин [29, 18, 45]. Като следствие от кризата с COVID-19 бяха изработени насоки за работещите в хранително-вкусовата промишленост, съдържащи последователност от операции, които трябва да се предприемат за промяна в хардуера за преработка на храни и управление на вируса в хранително-вкусовата промишленост. Планът включва изисквания за контрол на почистването, хигиенизирането, дезинфекцията на оборудването, скрининга и наблюдението на хората, работещи с COVID-19, управлението на заболелите работници и използването на образователни програми за ръководители за спиране на разпространението на коронавируса [8].

Всяка страна по света трябва да открие начина, по който епидемията от COVID-19 може да повлияе на нейното производство и особено на хранително-вкусовата й промишленост.

Хранителната промишленост се различава от другите, защото произвежда продукти, важни за ежедневието и ако преработвателите и дистрибуторите са заразени, всички хора са изложени на риск [41]. Освен това, по време на пандемии хранително-вкусовата промишленост е много важен икономически отрасъл, тъй като среща сериозни предизвикателства в сравнение с други сектори, като туризма и авиацията например, които не са отговорни за ежедневието на обществото. В момента, поради ситуацията COVID-19, някои хранителни компании са принудени да работят по-усилено, за да отговорят на нарастващите изисквания на търговците на дребно, докато други са изправени пред икономически предизвикателства поради спада на приходите си. Те налагат дори необходимост от закриване (временно или окончателно) на предприятия. Настоящата пандемия показа, че компаниите с обхват на дейност в рамките на различни бизнеси са тясно свързани по целия свят [11, 37]. Независимо за кой подотрасъл говорим, основна грижа на хранителните компании е:

• Да запазят здравето на своите служители;
• Да осигурят достатъчно работна сила за протичане на нормални производствени цикли и избягване на недостиг поради болни или нежелаещи да работят заради страх от коронавирус служители.

Това означава, че е от жизненоважно значение да се защити и поддържа здравето на хората, които са ангажирани със снабдяването с храна по време на криза [18, 44].

Поддържането на активно работеща дистрибуторска верига чрез стратегии за управление на доставките, е подходящ подход за отговор на потребителските изисквания [12]. Този процес се реализира благодарение на активното участие и принос на всички заинтересовани страни и гарантира на потребителите доверие в безопасността и сигурността на храните [18, 44]. По време на криза продоволствената сигурност е свързана с достъпа на потребителите до храна, а не с наличността на храна [31]. По принцип потребителите не се интересуват от начина, по който храната достига до техните домове. Притесненията относно безопасността на храните по време на глобалната пандемия обаче, имат смисъл за огромната инфраструктура и работна сила, способни да формират безопасни и надеждни хранителни доставки в световен мащаб. Когато започна тази глобална криза, нуждите на потребителите от храна се повишиха; те реализираха ненужни покупки на основни продукти и някои от рафтовете в магазините за известно време бяха празни.

Независимо от световния мащаб на пандемията, досега няма съобщение, че COVID-19 се разпространява чрез консумация на храна. Следователно, както отбелязва Европейският орган за безопасност на храните, няма данни, показващи риск за общественото здраве, свързан с COVID-19 [16]. Въпреки това, за инфекциите, които са наблюдавани на пазара Xinfandi в Китай, причинени от преработката на сьомга, може да се заключи, че рискът от предаване на COVID-19 чрез храни е по-нисък от предполагаемия. Като се има предвид периода на оцеляване на SARS-CoV-2 в различни материали като пластмаса, стомана или картон, е възможно животинските тъкани (месо, риба или домашни птици) да се считат за постоянен източник на предаване на болести, предавани с храна. Контролът върху хигиената на операторите в хранително-вкусовата промишленост има за цел да спре замърсяването на храната от който и да е патоген и по този начин – да спре предаването на COVID-19 чрез храните, за които отговарят [3, 10, 15, 32]. Отбелязано е при предишни огнища, че храните не са източник на разпространение на коронавируси като MERS и SARS-CoV поради киселото pH на стомаха (pH <3,5). Въпреки това, някои начини на готвене и хранене могат да причинят предаване на коронавируса от животни на хора [33].

За да обобщим, няколко проблема са установени в хранително-вкусовата промишленост и веригата за доставка на храни по време на избухването на COVID-19. Пандемията и политическите мерки, приети за справяне с нея, засегнаха хранителните системи от глобално до местно ниво. Въздействията на пандемията върху хранителните системи в света са многопосочни. Сред основните ефекти можем да посочим следните:

• Пропуснати приходи: въздействието на пандемията от COVID-19 върху продоволствената сигурност се дължи главно на пропуснатите приходи. Световната банка съобщи, че световната икономика се е свила с 5 % през 2020 г., като най-голяма тежест поемат хората с най-ниски доходи. Например, ограниченията върху глобалните пътувания и превози, въведени за да се спре разпространението на вируса, представляват по-голям икономически товар за бедните страни, отколкото техните собствени пандемични ограничения. Ограничаването на мобилността на хората през границите и националните локдауни са причина за недостига на пазара на труда в селското стопанство в много страни, особено тези, които се нуждаят от пикови сезонни заявки за работа или трудоемко производство. Например, нововъведените забрани за пътуване в рамките на Европейския съюз, както и затварянето на Шенгенското пространство значително намалиха наличната работна сила за сектора на бране на плодове и зеленчуци в няколко европейски страни.
• Прекъсване на веригите за доставка на храни: веригите за доставка на храни бяха нарушени от трудовите ограничения и намаляващото търсене. Въздействията обаче варират по веригите на стойността и между държавите и стоките.
• Продоволствена несигурност и загуба на хранителна стойност: Мерките за безопасност на храните трябва да бъдат поставени на фокус, за да се предотврати предаването на коронавирус сред производителите, търговците на дребно и потребителите. Загрижеността за продоволствената сигурност се увеличава паралелно с локдаун ограниченията. Въздействието на нарастващата бедност и ограничените средства за препитание се отразяват в понижаване на качеството на диетата и повишаване на нивата на продоволствена несигурност. Освен това, по време на пандемии хората трябва да следват здравословна диета, за да се самопрофилактират и да подсилят имунната си система. Това е пряко свързано с увеличаването на нуждата от функционални храни, съдържащи биоактивни съставки [32].

Устойчивост на храната: увеличаване на недостига и повишаване на разликата: в реалността на пандемията от COVID-19 се появиха проблемите с устойчивостта на храните [20]. Пандемията доказа за пореден път уязвимостта на бедните и групите от хора в неравностойно положение.

2.2. Насоки за предотвратяване на влиянието на COVID-19 върху хранителния бизнес

Повечето от известните организации като Центровете за контрол и превенция на заболяванията (CDC), Европейската комисия (ЕК), Организацията по прехрана и земеделие (FAO), Международния съвет за информация за храните (IFIC), Международния изследователски институт за хранителна политика (IFPRI), Международната организация на труда (ILO), Международният търговски център (ITC), Организацията за икономическо сътрудничество и развитие (ОИСР) и Световната здравна организация (СЗО) са ангажирани с предоставянето на насоки за справяне с последните предизвикателства пред веригата за доставка на храни, наложени от COVID-19.

Пандемията от COVID-19, причинена от SARS-CoV-2, е безпрецедентна заплаха за човешката популация и като цяло представлява риск за общественото здраве. Тя също така представлява опасност за професионалната безопасност на работещите във всеки вид бизнес или индустрия, където хората работят в близък контакт. Текущите данни сочат, че самият SARS-CoV-2 не се приема като пряка опасност за безопасността на храните. Много държави следват съветите на СЗО относно включването на стъпки за физическо дистанциране като подход за намаляване на предаването на заболяването [45]. Това изискване за физическо дистанциране доведе до спиране на дейността на много фирми и образователни институции и наложи ограничения за пътуване и провеждане на социални събития. В резултат на това за много хора дистанционната работа и провеждането на онлайн или интернет дискусии и срещи в момента станаха реалност в сравнение с практиките преди пандемията. Междувременно, много служители в хранително-вкусовата промишленост нямат възможност за дистанционна работа и трябва да продължат работата си на обичайните си работни места.

Големи огнища на COVID-19 възникват сред земеделски работници и във фабрики за преработка на храни. Това вероятно е свързано с работната среда, която не предоставя достатъчно физическо пространство за осигуряване на лична безопасност. В светлината на това се наложи изработването на насоки за всички хора, работещи в хранително-вкусовата промишленост, които имат контакт с храни или хранителни повърхности. Тук се включват работниците, участващи физически в зоната за обработване, опаковане или преработка на храни. Към този персонал се добавят още мениджъри, чистачи, изпълнители по поддръжката, доставчици, инспектори по храните и други. Поради това, здравата и достатъчна на брой работна сила е от особено значение за поддържане на ефективни вериги за доставки на храна.

Важно е също така хранителните предприятия да са задължени да вземат под внимание настоящите разпоредби за храните, както и всички допълнителни съвети от компетентните органи и мерки, които трябва да бъдат приложени във връзка с пандемията. Всички тези усилия са основни за поддържане на доверието на потребителите в безопасността и наличността на храните.

2.3. Непряко разпространение на COVID-19 чрез храна

Странно е, че хората могат да бъдат заразени с COVID-19 от храни или опаковки на храни [23, 30]. Досегашните констатации не посочват, че храната или опаковането на храни е важен начин за разпространение на човешки респираторни заболявания, включително SARS-CoV-2.

Първичното разпространение на COVID-19 е свързано с близък контакт между хората по дихателен път. Вирусът се освобождава чрез капчици и аерозоли, генерирани от действия като кашляне, кихане, викане, пеене и говорене [43]. Произведените дихателни капчици от заразен човек могат да попаднат на различни повърхности. Коронавирусите не могат да се размножават в храни или върху неодушевени повърхности; те могат да се размножават само в хора и определени животни. При продължително персистиране в околната среда вирусите могат да се разградят и да намалят своята вирулентност. Различни изследователски проучвания обаче, показват стабилност на SARS-CoV-2, съхраняван върху различни повърхности. Заключението е, че вирусът може да остане жизнеспособен до 72 часа върху повърхност от пластмаса и неръждаема стомана, до 4 часа върху мед и до 24 часа върху картон [42]. Други изследвания оценяват стабилността на вируса върху различни повърхности при различни температури или чрез промяна на други важни параметри [13]. Всички тези открития обогатиха нашето възприятие за вирусната устойчивост и оцеляване, изследвани в лабораторни условия. Тези изследвания са извършени при контролирана влажност, температура и други фактори. Следователно, получените данни трябва да се приемат с повишено внимание, когато се оценява стабилността на вируса при определени условия (напр. на хладно или в замръзнало състояние), във връзка с висока влажност по време на обработката на храната, както и поведението му в транспортната среда.

По този начин, независимо от откриването на вируса или вирусната рибонуклеинова киселина (РНК) в храни и опаковки на храни, което дава индикация за предишно замърсяване, няма доказателство за SARS-CoV-2 или друга респираторна инфекция, която да бъде предавана от храни или хранителни опаковки. Така че заразените с вируси хранителни продукти или опаковки не се считат за истински проблем за човешкото здраве. Вирусът SARS-CoV-2 е чувствителен към най-често използвани в хранително-вкусовата промишленост дезинфектанти и почистващи агенти.

2.4. Стандартни процедури за почистване и дезинфекция на SARS-CoV-2

В светлината на гореспоменатото, процедурите за почистване и дезинфекция на вируса SARS-CoV-2 се основават на тези, базирани на дезинфектанти/повърхностни дезинфектанти, които са определени в инструкциите на производителите.

Обикновено дезинфектантите на базата на алкохол (етанол, пропан-2-ол, пропан-1-ол) водят до намаляване на вирулентността на вирусите с обвивка, като SARS-CoV-2. Следователно, те трябва да бъдат ефективни и при дезинфекция на оборудването за преработка на храни и средата като цяло.

СЗО се застъпва за прилагането на дезинфектанти с процентно съдържание на алкохол по-високо от 70 за адекватно време на контакт при дезинфекция [44].

Обикновените дезинфектанти, които съдържат активни съединения, базирани на кватернерни амониеви соли и хлор, също проявяват вирицидни свойства и могат да се прилагат за целите на дезинфекция.

Тестването за SARS-CoV-2 в съоръженията за преработка на храни или върху опаковката на храните е скъпа процедура и в сравнение с микробиологичното вземане на проби, което се провежда съгласно санитарните протоколи, то не е от основно значение. Освен това, отнема много време и не помага в процесите на вземане на решения, основани на риска, за защита на потребителите. Това е причината да не се препоръчва.

Мерките за почистване/дезинфекция трябва да се основават на риска и да са свързани с нивото на очакваното излагане на работниците на SARS-CoV-2. В този контекст, на местата където SARS-CoV-2 не се разпространява активно, е достатъчно да се практикуват процедурите на системите за управление на безопасността на храните, които са в съответствие със ситуацията. В случай на увеличаване на заплахата от инфекция с COVID-19 на обществото, приетите мерки за профилактика трябва да бъдат разширени. В този последен случай е необходимо да се предприемат мерки за контрол на COVID-19 в хода на хранителните операции, за да се гарантира безопасността на работниците и безопасността на доставките на храни. Тези мерки не трябва да компрометират стандартния контрол на безопасността на храните и управлението на безопасността на храните; по-скоро те трябва да допълват текущите мерки за безопасност на храните. Тъй като COVID-19 е глобална пандемия, появата на вируса може да се различава сериозно в рамките на и между страните, а мерките, предприети от националните и местните органи за обществено здраве, трябва да са от значение за тези местни или национални особености и съответно, добре координирани.

Следните ключови съображения в указанията за ФАО/СЗО трябва да бъдат взети под внимание [18, 43]:

• COVID-19 не е болест, предавана с храната. Вижте „Международната комисия по микробиологични спецификации на храните“ за мнение относно SARS-CoV-2 и връзката му с безопасността на храните [23];
• Предприятията трябва да предприемат ключови мерки, препоръчани за COVID-19 и да въведат в действие план за безопасност за COVID-19 и да се регистрират като безопасен по отношение на COVID-19 бизнес;
• Предприятията трябва да преразгледат своите операции и да вземат предвид някои допълнителни мерки, които трябва да бъдат приложени, за да намалят въздействието на COVID-19;

Фирмите с добра подготовка и процедури могат да сведат до минимум въздействието на всеки служител, диагностициран с COVID-19.

2.5. Физическо дистанциране

Физическото дистанциране е много важно за подпомагане на ограничаването на разпространението на COVID-19. Вероятността за предаване на COVID-19 намалява с увеличаването на разстоянието между индивидите. Когато е регистрирано разпространение в рамките на определена общност, всички хранителни предприятия трябва да спазват физическото дистанциране и да следват насоките за ограничаване на физическите контакти, доколкото това е възможно на практика. СЗО препоръчва да се поддържа разстояние между работниците от поне един метър (около три фута). Изискванията за разстояние могат да варират в рамките на страните и регионите. Когато процедурите за производство на храни не позволяват лесно да се спазват изискванията за дистанция, работодателите трябва да вземат предвид някои допълнителни мерки, които трябва да бъдат въведени за защита на служителите. В това отношение контролът на оперативно и структурно ниво, изпълняван за намаляване на предаването на вируса, обхваща:

• Поддържане на физическо разстояние между лицата от поне един метър (три фута) или както е препоръчано от властите;
• Организиране на работните места от поточната линия за обработка на храна по начин, по който работниците по храните не са изправени един срещу друг;
• Осигуряване на достатъчно място между работните места; това може да се отрази негативно върху скоростта на производствените линии;
• Изграждане на физически бариери между отделните работни места;
• Осигуряване на по-добър обмен на въздух;
• Планиране на времето за почивки, където е възможно, по начин, който улеснява временното дистанциране.
• Организиране на персонала в работни групи или екипи, за да се улесни намаляването на взаимодействията между групите;
• Организиране на работа на смени за намаляване на наличието на голям брой работници в помещенията за обработка на храните;
• Почистване и дезинфекция на всички контактни повърхности с общи характеристики и специализираните устройства на оборудването.
• Разпространение на писмени известия и осигуряване на разяснения и обучение на персонала за насърчаване на добрата хигиена на ръцете, носенето на маски и физическото дистанциране.
• Насърчаване на ваксинацията. Ваксините се оказаха ефективни за намаляване на тежестта от COVID-19 и намаляване на риска от предаване на болестта. Предоставяне на възможност на всички работници по храните да бъдат ваксинирани, ако желаят, като се осигури необходимата гъвкавост в работния график;

Спазване на добра лична хигиена. Осигуряване на адекватни санитарни съоръжения (сапун и топла течаща вода), за гарантиране, че работниците в хранителния бизнес старателно и често мият ръцете си. Използване на дезинфектанти за ръце като допълнителна мярка, без да заменя измиването на ръцете.

2.6. Участие на операторите и работниците в хранително-вкусовата промишленост

Операторите и работниците в хранително-вкусовата промишленост (Food Business Operators, FBO) трябва да извършват необходимите корпоративни мерки, които се предвиждат за запазване на безопасността на техните продукти и за защита на своите работници. Поради тази причина, FBO трябва да разработят съответните системи за управление на безопасността на храните (FSMS), свързани с принципите на анализа на опасността и критичните контролни точки (HACCP), за да управляват рисковете за безопасност на храните и да защитят замърсяването на храните. Ако те не се проектират, по-специално за защита от предаване на COVID-19, предприетите FSMS са тези от задължителните програми, включително добрите хигиенни практики. Такива програми включват:

• Почистване и дезинфекция;
• Зониране на области за обработка;
• Контрол на доставчика;
• Съхранение, разпространение и транспорт;
• Лична хигиена.
• Те трябва и да са подходящи за оценка на работата.

Всички тези основни условия и дейности са задължителни за поддържане на хигиенна среда за обработка на храни. В случай, че бизнесът с хранителни стоки притежава FSMS и/или организира HACCP, неговият персонал трябва да участва в подходящи дискусии и обучение, за да гарантира минимизирането на всяко разпространение от човек на COVID-19. Целта е да се запази целостта на FSMS и ефективността на мерките на HACCP. Отделите в хранителния бизнес, които носят отговорност за подбора и прилагането на адекватни мерки и консултации с органите на общественото здраве, ако е необходимо, са „Професионално здраве“ и „Човешки ресурси“. Освен това, Общите принципи за хигиена при производство на храни очертават основата за изпълнение на ключов контрол на хигиената на всеки етап от хранителната преработка, производство и маркетингова мрежа за защита срещу замърсяване на храните [43]. Всеки FBO трябва да притежава подходящи планове за спиране на предаването на болести чрез операциите и да гарантира съгласието с тези мерки за предотвратяване на заразяването на работниците с COVID-19 и за защита от излагането или предаването на вируса.

Плановете за предотвратяване на предаване на болести трябва да включват следните мерки [25, 42]:

• да се насърчават работниците да останат вкъщи в случай, че са болни;
• да се въведе оперативен и структурен контрол за поддържане на физическото дистанциране между работниците;
• да се осигурят разделителни прегради или бариери между работните станции;
• да се спазват строги мерки за хигиена и дезинфекция и да се стимулира ефективното измиване на ръцете;
• да се стимулира носенето на маски и дезинфекцията на всеки етап от производството, преработката и маркетинга на храни.

Тези мерки са важни за хранителните предприятия, където операционната среда е свързана с предаване на вируса между работниците, особено сред онези лица, които са изложени на ограничена вентилация. Прилагането на тези мерки трябва да се осигурява чрез цялата верига за производство на храни, включително местата, различни от поточните линии, както и други области, където работниците общуват (заседателни зали, шкафчета или помещения за почивка, зони за хранене и т.н.). Мерките се отнасят и до жилищата и груповия транспорт на служителите, предоставени от FBO.

Въвеждането на мерките трябва да се основава на риска и съответно на нивото на очакваната експозиция на работниците в хранителния бизнес: практиката за безопасност на храните в един ефективен FSM може да бъде надеждна за защита на работниците в случай, че няма случаи в общността на COVID-19. Въпреки това, когато се регистрира нарастващо разпространение на случаите на COVID-19 в местната общност, тогава се оформя повишена необходимост от допълнителни профилактични мерки.

3. Мерки за безопасност в хранителния сектор

След лавинообразното разпространение на инфекциите с COVID-19 сред оперативния персонал в хранителния сектор, се появи необходимост от спешно осигуряване на безопасността на хората, които манипулират и доставят хранителните стоки. Това наложи необходимостта сред операторите на храни и работниците да поддържат добри производствени практики (ДПП) и добри хигиенни практики (ДХП).

Производството на храна постоянно изисква практиките за производство на храни (FMP) да спазват глобалните стандарти за безопасност на храните.

За да се гарантира кохерентността в качеството и безопасността на хранителните продукти, вниманието е фокусирано върху пет ключови елемента: хора, помещения, процеси, продукти и процедури. Последните се отнасят до основните правила на личната хигиена, напр. миене на ръце; използване на дезинфектанти; насоки за социално дистанциране [19]. Фигура 1 показва петте основни правила на личната хигиена.

Фигура 1. Пет основни правила на личната хигиена.

3.1. Измервания извършвани от оперативни органи

• Социално дистанциране: The social distancing provision is reached through suitable marking for the workers. The shift systems have been applied where they are permitted to work in shifts to diminish the chances of mass meetings;
• Здравен надзор: Ранните симптоми на COVID-19 са треска, кашлица, главоболие и задух. Препоръчва се правилен термичен скрининг на всички лица, влизащи в работната зона. Работните помещения трябва да са разрешени за работници с добро здравословно състояние, удостоверено на записите от термокамерите. По този начин хората с тежки случаи на заболявания като астма, диабет или сърдечни заболявания се чувстват сигурни, а тези които се чувстват неразположени, се изключват от работния процес. Така се осигурява намаляване на експозицията на здравните работници и се идентифицира риска за други хора, които имат COVID-19 инфекция.
• Оборудване за безопасност: Следвайки официалните указания, работниците в хранителната индустрия са екипирани с комплекти за безопасност, включително маски за лице, ръкавици и дезинфектанти. Съществуват и препоръки за хранителните оператори да продължават приемането на имуностимулатори и да не практикуват употребата на алкохол, тютюн и др., които могат да компрометират здравето на персонала.
• Дезинфекция на работните помещения: Хранителната индустрия силно зависи от процеса на дезинфекция и правилно почистване. Секторите за производство, опаковка, съхранение и пералните помещения трябва да се дезинфекцират и почистват със сапун, вода и дезинфектанти (1% до 2% разтвор на белина).

Комуникативни събития: трябва да се провеждат кампании за информираност и осведоменост, за да се покажат симптоми на COVID-19, действията в случай на инфекция и основните правила за лична хигиена, използвани като норма в различни стандарти за безопасност на храните.

3.2. Задължения на работещите с храни в хранително-вкусовата и опаковъчната промишленост

• Да се избягва контакт с дръжките на вратите на асансьорите и използването на биометрия;
• Да се практикува режим за поддържане на социална дистанция (поне 2-метра отстояние), наличност и правилно използване на оборудване за безопасност като маски, ръкавици и комплекти за лична хигиена;
• Да се предоставят на здравните власти детайли за здравословното състояние на работниците и служителите и да се поддържа правилна изолация и карантина в случай на грипоподобни симптоми;
• Да се поддържат добрите практики при опаковането на храни, правилното измиване на всички опаковъчни материали, което трябва да се извърши със сапун и вода;
• Да се изхвърля опаковката след изваждането на пакетирани стоки за съхранение в чисти контейнери;
• Да се съхраняват хранителни продукти три дни, преди докосване;
• Да се следват нормите на СЗО за правилна дезинфекция.

Въпреки че няма доказателства за заразяване с вируса след докосване на контейнери за храна и опакована храна, трябва да се предприемат мерки за безопасност при обработка на опакована храна, прясна храна, хранителни стоки и контейнери за храна (виж Фиг. 2).

Фигура 2. Мерки за безопасност при боравене с храна

В случай, че опаковъчният материал пропуска, продуктите трябва да бъдат прехвърлени във вторичен контейнер, който е дезинфекциран и поставен близо до превозното средство. Ако се появят течове, повърхността трябва да се измие старателно с гореща сапунена вода или разтвор на белина, в случай че влезе в контакт със сурово месо, домашни птици или морски дарове или техни сокове.

3.3. Доставка на храна и кетъринг услуги

Съществуват одобрени насоки за работниците, които управляват доставката на храна, тъй като е установено, че обработката и доставката на хранителни стоки е една от основните причини за разпространението на инфекцията [18]. Основните мерки за правилното почистване, дезинфекциране, поддръжка на хранителни стоки и социални разстояния са изброени на Фиг. 3, по-долу.

Фигура 3. Мерки за безопасност при спомагателни дейности за производство на храни.

 

4. Въздействие на COVID-19 върху хранително-вкусовия сектор

С разпространението на инфекцията от коронавируса, правителствата приложиха различни подходи и процедури за справяне или спиране на пандемията. Те бяха последвани от промени в нуждите на потребителите, както и в техните модели на хранене. И накрая, всичко това доведе до големи загуби за различни сектори за преработка на храни като млечни продукти, захар, месо и домашни птици [7].

Млечна и захарна промишленост

В процеса на предприемане на мерки за безопасност, различни страни по целия свят приложиха строги правила за локдаун, които силно засегнаха млечната промишленост, а оттам и социално-икономическото състояние на работниците в бранша. Нивото на цените на млечните продукти намаля поради намаляването на търсенето на млечни продукти и поради намаляване на износа на млечни продукти [39]. Пандемичните ограничения и мерки наложиха трудности в нормалния работен процес и на индустриите за преработка на захар. Например, в Индия вносът и износът на захар са силно засегнати и тъй като търсенето е намаляло до 50%, има рязък спад в производството. Производството на алкохол и нерафинирана захар беше повлияно неблагоприятно поради намаляването на сектора за преработка на захарта. Индустриите за преработка на захар също бяха засегнати поради недостиг на консумативи като опаковъчни материали [40].

Производство на месо и морски дарове

Освен млечната и захарната промишленост, производството на месо и морски дарове също беше засегнато до голяма степен поради коронавирусната пандемия. Увеличаващите се положителни случаи и смърт, дължащи се на коронавируса в производството на месо и домашни птици, доведоха до спирането на заводите. Според статията в списание Food Processing от 13 Май 2020 г., около 20 индустриални инсталации са били затворени в САЩ, включително Tyson foods, a Plant in Waterloo, Iowa, other plants like JBS, Sanderson farms, Hormel foods, National beef, and Smithfield food след съобщения за инфекции с COVID-19 [11].

Горепосочените факти създадоха паника и слухове около консумацията на месо и морски дарове по време на пандемията. СЗО посъветва да се намалят посещенията на пазарите за животни и консумацията на месо и алармира за проявяване на предпазливост при консумацията на сурови или недостатъчно обработени животински продукти. За да се справят с кризата по време на пандемията, организираните търговци на дребно инвестираха сериозно в тази насока, като въведоха хигиенни изисквания в техниките за производство и преработка на месо и за работниците от месната индустрия; обучението им в практики за производство и преработка на чисто месо, неговото опаковане и осигуряване на качеството [44].

5. Промени в консумацията на храна по време на пандемията от COVID-19

Производството и потреблението на храни оказват огромно въздействие върху околната среда, ключово както за личното здраве, така и за здравето на света като цяло. От друга страна, ситуации като пандемията COVID-19 могат да нарушат хранителната система [20] и да променят връзката с храната. Например, властите прилагат логистични ограничения на потока от стоки и хора, за да намалят разпространението на инфекцията. Тези мерки увеличават риска от недостиг на храна поради увредените вериги за доставки, включително тези, свързани с дефицита на работна сила (както се вижда в САЩ и Европа) [22, 28]. Когато се прилагат частични или пълни мерки за локдаун на регионално и национално ниво, образователните институции и работни места са затворени, някои магазини и ресторанти също, събитията са забранени, а пътуването е ограничено. Мерките на локдаун промениха и начина, по който хората получават храната си, мястото, където я консумират и начина, по който се приготвя храната. Горепосочените мерки действат като допълнителна пречка за доставката на храни на уязвимите популации. Например, някои хранителни програми, осигуряващи основно хранене за деца в училище, не работят по време на ограниченията. В допълнение, карантината поради болест или контакт със заразени хора допълнително ограничава достъпа на хората до храна. Също така, различни психологически промени, свързани с COVID-19, могат да повлияят на поведението, свързано с храните. Всъщност, дори в случай на сравнително ниски рискове от заболяването, хората бяха подложени на сериозен риск от заплашителните измерения на инфекцията COVID-19, което им причини стрес. Този стрес се свързва с така нареченото „хранене, свързано със стреса“, състояние, при което хората се опитват да се почувстват по-добре, като се хранят или пият [9, 24]. По този начин, по време на локдаун в Италия, хората разширяват използването на преработени „комфортни храни“, като шоколад, чипс и снаксове [5, 36]. Този факт е свързан с депресия, причинена от COVID-19 и промяна на техните хранителни навици [14]. Разследване, направено в Дания, също показва повишено ниво на емоционално хранене по време на локдауна, например по-висока консумация на сладкиши и алкохол [21]. Същата тенденция се наблюдава и в Норвегия, където хората с повишена депресия във връзка с COVID-19 и общи психологически страдания, по-високи от средното ниво за популацията, консумират повече храни и напитки с високо захарно съдържание [4].

Възприемането на риска, свързан с COVID-19, повлия на закупуването на храна и поведението на хората при консумацията на храна. По този начин хората се опитаха да намалят риска от инфекцията чрез използването на главно удобни услуги за доставка и закупуване на храна, за предпочитане пакетирана. Това поведение е рационално, тъй като реализира по-добро хигиенно въздействие чрез закупуване на храна с по-дълъг срок на годност, ограничавайки пътуванията за пазаруване, както и засилване на имунната система [34]. Пандемичната ситуация увеличи загрижеността на хората към очаквания недостиг на храна и промени покупателното поведение на хората, като ги накара да се запасяват по отношение на определени храни [5]. Междувременно беше показано, че COVID-19 може да представлява допълнителен риск за здравето, свързан с метаболитното въздействие на преяждането при условия на домашно застояване [26].

Ammar et al. [2] съобщават за еволюция на вредните за здравето модели на хранене, открити чрез международно проучване за физическата активност и поведението на хранене, извършени с повече от 1000 участници през април 2020 г. Подобни резултати са открити и в полско национално проучване (N = 1,097), проведено от Sidor и Rzymski [38]. Почти половината от участващите хора (главно хора с наднормено тегло) обявяват повече хранене и закуски [38]. В Италия, засегната от COVID-19 по-рано и по-сериозно от другите европейски страни, след локдауна през Март 2020 г. около 20% от пациентите, преминали коронавирусна инфекция, наддават на тегло. Тези наблюдения бяха частично потвърдени от проучване на консумацията на храна, което изследва промените в продажбата на храна в над 10 000 италиански магазина [5]. Резултатите от това проучване показват повишено закупуване на макаронени изделия, брашно, яйца, мляко с дълъг срок на съхранение и замразени храни, заедно с намаляване на закупуването на прясна храна. Гореспоменатите проучвания се фокусират върху общото население. Що се отнася до конкретни възрастови сегменти, проучване на 820 юноши (на възраст 10 – 19 години) от Европа и Южна Америка показа, че COVID-19 локдауна е наложил промени в хранителните навици и консумацията както на преработените храни, така и на плодовете и зеленчуците [35].

Изследвания, проведени от консултантски компании, целящи да проучат промяната в поведението на пазаруване по време на COVID-19 във връзка с разнообразието от категории продукти (храна и други), показват значително изменение във всички изследвани категории. Наблюдавана е определена тенденция за промяна към „внимателно“ пазаруване, „търгуване“ на по-евтини предмети [27], със силен акцент върху „стоките от първа необходимост“ [27, 1, 17]. Хранителните стоки са продуктовите категории, в която закупуването във всички страни означаваше да се харчи повече [27, 36].

Гореспоменатите данни относно изместването на тенденциите за закупуване/консумация на храна по време на COVID-19 илюстрират общите тенденции, но не илюстрират специфичните промени в състоянието на хората, причинени от пандемията и водещи до локдаун. Тези данни са съществени за идентифициране на механизмите, подкрепящи описаните по-горе измествания и за точно прогнозиране на ефектите на COVID-19. Те могат да определят мерките относно минимизиране на неблагоприятните ефекти върху консумацията на храна.

6. След пандемията от COVID-19: постпандемичната трансформация на хранителните системи

Коронавирусната пандемия и свързаните с нея политически дебати и отговори доведоха до безпрецедентна здравна катастрофа, икономическа бедност, смущения в услугите, невероятни ограничения за движение. Тази изключителна ситуация обаче предлага възможности глобалната хранителна система да се трансформира в по-издръжлива, приобщаваща, ефективна, устойчива и здрава. С напредването на пандемията от COVID-19 и паралелните ограничителни икономически и социални мерки много държави въведоха мерки, предвидени за осигуряване на потока на хранителните продукти и въведоха програми, разработени за осигуряване на продоволствената сигурност по нови начини. Иновациите се въвеждат по веригата за доставки на храни, разработени главно от големите компании и МСП от частния сектор, за да помогнат за преодоляване на ограниченията, наложени от повтарящите се локдауни. В допълнение, те стимулират инвестициите в технологии и партньорства, за да поддържат жизнеспособни веригите за доставка на храни.

В пандемичната ситуация хранителни системи реагираха както с бързи темпове, така и с гъвкавост. Постпандемичната реалност предлага уникална възможност хранителните системи да се трансформират коренно, за да се защити съдбата на милиарди хора, изложени на бедност, хранителна несигурност и недохранване. В това отношение са ангажирани петте основни жалона на хранителната система.

• Ефективността на хранителната система: осигуряване на умения по цялата верига за доставки на храни, включително производство на зърнени култури, инфраструктура, съхранение на храни и транспортиране и консумация на храни;
• Приносът на хранителната система за глобалното здраве: производство на достъпна за всички храна с добро качество и запазване на безопасността на храните;
• Хранителната система трябва да е приобщаваща за всички: тя допринася за изграждането на поминък и позволява всички да се възползват – както като участници, така и като потребители във вземането на решения;
• Екологичната устойчивост на хранителната система: Тя използва технологични иновации, местни и глобални регулации и подходи за управление за опазване и защита на природните местообитания, ресурси и биоразнообразие;
• Хранителната система трябва да е устойчива: тя трябва да може да преодолее икономическите, здравните и климатичните шокове и да осигурява на хората стабилен поминък и защита срещу подобни шокове. С тенденцията природните бедствия (вкл. пандемии) да станат по -чести, фокусът на хранителните системи трябва да бъде тяхната устойчивост от фермата до глобално ниво.

Консолидирането на тези пет атрибута на хранителната система изисква координирани усилия на нивото на политиките, управлението и отчетността на хранителната система.

---

Тест LO 5.1

---

Литература

1. COVID-19 Will Permanently Change Consumer Behavior. (2020). Available online at: https://www.accenture.com/us-en/insights/consumer-goods-services/coronavirus-consumer-behavior-research
2. Ammar A, Brach M, Trabelsi K, Chtourou H, Boukhris O, Masmoudi L, et al. (2020). Effects of COVID-19 home confinement on eating behaviour and physical activity: results of the ECLB-COVID19 international online survey. Nutrients. 12:1583. doi: 10.3390/nu12061583
3. Arellano, N. (2020). Norway denies seafood link to new COVID-19 infections in China. Rastech Magazine [Online]. https://www.rastechmagazine.com/norway-denies-seafood-link-to-new-covid-19-infections-in-china/. Accessed on Jul. 6, 2020.
4. Bemanian M, Mæland S, Blomhoff R, Rabben ÅK, Arnesen EK, Skogen JC, et al. (2021). Emotional eating in relation to worries and psychological distress amid the COVID-19 pandemic: a population-based survey on adults in Norway. Int J Environ Res Public Health. 18:130. doi: 10.3390/ijerph18010130
5. Bracale R, Vaccaro CM. (2020). Changes in food choice following restrictive measures due to COVID-19. Nutr Metab Cardiovasc Dis. 30:1423–6. doi: 10.1016/j.numecd.2020.05.027
6. Byrd K., Her E.S., Fan A. and Almanz B. (2021). Restaurants and COVID-19: What are consumers’ risk perceptions about restaurant food and its packaging during the pandemic? April 2021 International Journal of Hospitality Management 94(1):102821 DOI:10.1016/j.ijhm.2020.102821
7. Ceballos, F., Kannan, S., and Kramer, B.(2020). Impacts of a national lockdown on smallholder farmers’ income and food security: Empirical evidence from two states in India. World Development, 135(11)
8. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). (2020). Interim guidance for businesses and employers responding to Coronavirus Disease. Available in: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/community/guidance-business-response.html
9. Conway TL, Vickers RR Jr, Ward HW, Rahe RH. (1981). Occupational stress and variation in cigarette, coffee, and alcohol consumption. J Health Soc Behav. 22:155–65. doi: 10.2307/2136291
10. Dalton, J. (2020). Coronavirus: Fears of second wave in China as dozens test positive in outbreak at Beijing food market. Independent [Online]. https:// independent.co.uk/news/world/asia/coronavirus-beijing-chinaoutbreak-xinfandi-food-meat-market-a9564816.html. Accessed on Jul. 5, 2020.
11. Demetrakakes P, Senior Editor. (2020). How and Why Coronavirus Slammed Meat and Poultry. Food processing, May.
12. De Sousa Jabbour, A. B. L., Jabbour, C. J. C., Hingley, M., et al. (2020). Sustainability of supply chains in the wake of the coronavirus (COVID-19/SARS-CoV-2) pandemic: lessons and trends. Modern Supply Chain Research and Applications.
13. Dev Kumar G., Mishra A., Dunn L., Townsend A., Oguadinma I.C., Bright K.R., Gerba C.P. (2020). Biocides and novel antimicrobial agents for the mitigation of coronaviruses. Front. Microbiol.;11:1351. doi: 10.3389/fmicb.2020.01351.
14. Di Renzo L, Gualtieri P, Cinelli G, Bigioni G, Soldati L, Attinà A, et al. (2020). Psychological aspects and eating habits during COVID-19 home confinement: results of EHLC-COVID-19 Italian online survey. Nutrients. 12:2152. doi: 10.3390/nu12072152
15. EC (European Commission). (2020). COVID-19 and food safety-questions and answers, European Commission [Online]. https://ec.europa.eu/food/sites/food/files/safety/docs/biosafety_crisis_covid19_qandas_en.pdf. Accessed on Apr. 10, 2020.
16. EFSA newsroom Coronavirus: no evidence that food is a source or transmission route. Published: 9 March 2020
17. Ernst and Young. Future Consumer Index: How COVID-19 Is Changing Consumer Behaviors. (2020). Available online at: https://www.ey.com/en_ gl/consumer-products-retail/how-COVID-19-could-change-consumer-behavior
18. FAO (Food and Agriculture Organization). (2020). Q&A: COVID-19 pandemic – impact on food and agriculture. Available in: http://www.fao.org/2019-ncov/q-and-a/en/
19. FDA (The U.S. Food and Drug Administration). (2020). FDA Provides Temporary Flexibility Regarding Packaging and Labeling of Shell Eggs Sold to Consumers by Retail Food Establishments During COVID-19 Pandemic [Online]. https://www.fda.gov/food/cfsan-constituent-updates/fdaprovides-temporary-flexibility-regarding-packaging-and-labeling-shelleggs-sold-consumers-retail. Accessed on Jul. 22, 2020
20. Galanakis, C. M., (2020). The food systems in the Era of the Coronavirus (COVID-19) Pandemic Crisis. Food, 9: 523.
21. Giacalone D, Frøst MB, Rodríguez-Pérez C. Reported changes in dietary habits during the Covid-19 lockdown in the Danish population: the Danish COVIDiet study. Front Nutr. (2020). 7:592112. doi: 10.3389/fnut.2020.592112
22. Guarascio F. Coronavirus Border Curbs Disrupt EU Food Supplies: Industry. (2020). Available online at: https://www.reuters.com/article/us-health-coronavirus-eu-food/coronavirus-border-curbs-disrupt-eu-food-supplies-industry-idUKKBN2161OQ (accessed January 21, 2021)
23. ICMS (2020) https://www.foodauthority.nsw.gov.au/sites/default/files/2020-09/ICMSF%202020-COVID-19-final%20opinion.pdf
24. Laitinen J, Ek E, Sovio U. Stress-related eating and drinking behavior and body mass index and predictors of this behavior. Prev Med. (2002). 34:29–39. doi: 10.1006/pmed.2001.0948
25. LeJeune J. T. and Vaughn Grooters S. (2021). Control of Virus Transmission in Food Processing Facilities. Food Protection Trends, 41, 1, 163-171.
26. Martinez-Ferran M, De La Guía-Galipienso F, Sanchis-Gomar F, Pareja-Galeano H. Metabolic impacts of confinement during the COVID-19 pandemic due to modified diet and physical activity habits. Nutrients. (2020). 12:1549. doi: 10.3390/nu12061549
27. Consumer Sentiment and Behaviour Continue to Reflect the Uncertainty of the COVID-19 Crisis. (2020). Available online at: https://www.mckinsey.com/business-functions/marketing-and-sales/our-insights/a-global-view-of-how-consumer-behavior-is-changing-amid-COVID-19
28. Nature Plants. Food in a time of COVID-19. Nat Plants. (2020). 6:429. doi: 10.1038/s41477-020-0682-7
29. Nicola M., Alsafi Z., Sohrabi C., Kerwan A., Al-Jabir A., Iosifidis Ch., Agha M., and Aghaf R. (2020). The socio-economic implications of the coronavirus pandemic (COVID-19): A review. Int J Surg., 78: 185–193. doi: 10.1016/j.ijsu.2020.04.018
30. NZFSSRC (2020). Potential for foodborne transmission of Covid-19: literature review update.
31. OECD (The Organisation for Economic Co-operation and Development). (2020). Food Supply Chains and COVID-19: Impacts and Policy Lessons [Online]. http://www.oecd.org/coronavirus/policy-responses/food-supplychains-and-covid-19-impacts-and-policy-lessons-71b57aea/. Accessed on May. 2, 2022
32. Pressman, P., Naidu, A. S., Clemens, R. (2020). COVID-19 and food safety: risk management and future considerations. Nutrition Today, 55: 125–128.
33. Rizou, M., Galanakis, I. M., Aldawoud, T. M. S., et al. (2020). Safety of foods, food supply chain and environment within the COVID-19 pandemic. Trends in Food Science & Technology, 102: 293–299.
34. Rodríguez-Pérez, C., Molina-Montes, E., Verardo, V., et al. (2020). Changes in Dietary Behaviours during the COVID-19 Outbreak Confinement in the Spanish COVIDiet Study. Nutrients, 12: 1730.
35. Ruiz-Roso MB, De Carvalho Padilha P, Mantilla-Escalante DC, Ulloa N, Brun P, Acevedo-Correa D, et al. (2020). COVID-19 confinement and changes of adolescent’s dietary trends in Italy, Spain, Chile, Colombia and Brazil. Nutrients. 12:1807. doi: 10.3390/nu12061807
36. Scarmozzino F, Visioli F. (2021). COVID-19 and the subsequent lockdown modified dietary habits of almost half the population in an Italian sample. Foods. (2020) 9:675. doi: 10.3390/foods9050675
37. Shahidi, F. (2020). Does COVID-19 Affect Food Safety and Security? A Summary Report on the Extraordinary Scientific Roundtable of IUFoST-CIFST on March 21, 2020 Journal of Food Bioactives, 9: 1–3.
38. Sidor A, Rzymski P. Dietary choices and habits during COVID-19 lockdown: experience from Poland. Nutrients. (2020). 12:1657. doi: 10.3390/nu12061657
39. Sohrabi, AlsafiZ., O’Neill N., Khan M., Kerwan M., Al-Jabir A., Iosifidis Ch., and Agha R. (2020). World Health Organization declares global emergency: A review of the 2019 novel coronavirus (COVID-19). Int J Surg., 76:71-76.  doi: 10.1016/j.ijsu.2020.02.034.
40. Solomon, S., Rao, G. P. and Swapna, M. (2020). Impact of COVID-19 on Indian sugar industry. Sugar Tech, 22, 547-551.
41. Staniforth, J. (2020). COVID-19 update: Worker health, absenteeism present largest risks to U.S. food supply chain [Online]. https://www.foodqualityandsafety.com/article/covid-19-update-worker-health-andabsenteeism-present-largest-risk-to-u-s-food-supply-chain. Accessed on Mar. 20, 2020
42. Van Doremalen N., Bushmaker T., Morris D.H., Holbrook M.G., Gamble A., Williamson B.N., Tamin A., Harcourt J.L., Thornburg N.J., Gerber S.I., Lloyd-Smith J.O., de Wit E., Munster V.J. (2020). Aerosol and surface stability of HCoV-19 (SARS-CoV-2) compared to SARS-CoV-1. medRxiv. doi: 10.1101/2020.03.09.20033217.
43. WHO (World Health Organization). Nutrition and Food Safety (NFS) and COVID-19 https://www.who.int/teams/nutrition-and-food-safety/covid-19Accessed on May. 2, 2022
44. WHO (World Health Organization). (2019). Novel Coronavirus (2019-nCoV): Strategic preparedness and response plan [Online]. https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/srp-04022020.pdf?sfvrsn=7ff55ec0_4&download=true. Accessed on Mar. 13, 2020.
45. WHO (World Health Organization). (2020). Novel Corona-virus (2019-nCoV). Situation Report – 1. 21 January 2020. 5 pp. Available in: https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/situation-reports/

Резюме

Пандемията от корона вируса, наред с човешкото здраве и благосъстояние, засегна сериозно и хранителния сектор. Наблюдава се непрекъснато и силно нарастване на инфекциите с COVID-19 в световен мащаб, докладвани за работещите в хранително-вкусовата промишленост. Въпреки че няма доказано разпространение на вируса чрез консумация на храна, докладвани са различни стомашно-чревни симптоми, поради което откриването на SARS-CoV-2 в храни или опаковки на храни може да предизвика опасения относно безопасността на храните. Съществуват редица физични фактори и антивирусни хранителни компоненти, които оказват влияние върху предаването на SARS-CoV-2. Предаването на COVID-19 се влияе и от опаковките на храните. Понастоящем са проведени значителни изследвания относно антимикробните опаковки за храни, но все още съществува недостиг в разработването на антивирусни опаковки за храни. В този смисъл приносът на нанотехнологиите и наноматериалите (наночастици и нанокомпозити) в изследването на антивирусните опаковки за храни е несъмнен и обещаващ, тъй като допринася за подобряване на качеството, безопасността и устойчивостта на хранителните продукти.

Ключови думи/фрази: медиирано от храна предаване на коронавирус, наноопаковки на храни, антивирусна активност на наночастиците

1. Въведение

Пандемията от коронавируса, наред с човешкото здраве и благосъстояние, засегна сериозно и хранителния сектор [11]. Наблюдава се непрекъснато и силно нарастване на инфекциите с COVID-19 в световен мащаб, докладвани за работещите в хранително-вкусовата промишленост. Заради бързото разпространение на заразата се пораждат различни митове за предаване на вируса при консумация на месо и птичи продукти. Както показа проучване, проведено в арабските страни, по-голямата част от хората не знаят за SARS-CoV-2; те не са загрижени за предаването, свързано с храната. Това показва, че местните власти и държавни органи трябва да контролират фалшивите слухове за храната и нейната безопасност [28].

Понастоящем не е докладвано разпространение на вируса чрез консумация на храна. Съобщава се обаче, за различни стомашно-чревни симптоми като гадене, повръщане и диария [75]. Поради тази причина откриването на SARS-CoV-2 в храни или опаковки на храни може да породи опасения относно безопасността на храните, но на практика не представлява риск за общественото здраве. Това не е причина за ограничаване на търговията с храни или изземването на храни, но интегрирането на хранителната сигурност и устойчивост в хранителната верига трябва да се разглежда като важна част от подходите за контролиране на предполагаеми бъдещи пандемии.

2. Прогнозираните начини на предаване на коронавирус, медиирани от храната

Вирусите са вътреклетъчни паразити, които се нуждаят от жива клетка гостоприемник, за да осигурят репликация на своя геном чрез тази клетка гостоприемник. Тази особеност на вирусите не позволява култивирането им в среда без живи клетки.

Като цяло вирусната диагноза е трудна поради наличието на ограничени диагностични и аналитични инструменти за откриване на вируси [74]. Известно е, че норовирус (гастроентерит), хепатовирус А (хепатит А) и ортореовирус А (хепатит Е) са типичните вируси, пренасяни с храни, които могат да бъдат предадени на хранителни стоки по различни пътища като замърсена вода, орално-фекален път, заразени оператори на храни (Фиг. 1).

Фигура 1. Типичните хранителни вируси, предавани по хранителната верига.

При проучване на предишни огнища като SARS и MERS не е установено, че заразата се предава чрез храна. В това отношение и понастоящем няма ясни констатации, че SARS-CoV-2 се предава чрез такъв механизъм. Въпреки че предаването на SARS-CoV-2 чрез храна не е научно доказано, тази възможност не трябва да се изключва, тъй като SARS-CoV-2 е свързан с търговията и консумацията на животни [11]. Освен това, замразената прясна храна като източник на SARS-CoV-2, по аналогия с MERS и SARS COV-1, също може да бъде среда за предаване на вируса, тъй като е установено, че той остава активен в замразено състояние до 2 години [33].
Предаването на вирусите чрез храната може да се осъществи по време на етапите на производство, преработка, опаковане и транспортиране. Също така, кръстосаното заразяване от вече заразени лица, работещи с храни, е един от основните пътища на предаване [72]. Съществува и риск от разпространение на COVID-19 инфекция чрез опаковки на храни посредством заразен оперативен персонал, за които случаи потребителите бяха уведомени от Комисията на ЕС [25]. Фиг. 2 описва различните възможни пътища за предаване на COVID-19 чрез храна.

Фигура 2. Възможни начини на предаване на SARS CoV-2 по веригата за производство на храни.

2.1. Влияние на температурата, налягането, влажността и киселинността върху предаването на SARS-CoV-2

Хранителните вируси могат да бъдат унищожени с помощта на външни и вътрешни фактори на храната и различни химични подходи, както и по време на технологиите за обработка на храни. Факторите, влияещи върху вируса SARS-CoV-2 са мултидисциплинарни. Следователно, необходимо е да се вземат под внимание различните състояния на околната среда, включващи температура, налягане, влажност и киселинност, които прогнозират жизнеността, оцеляването и степента на инфекция на вируса.
Счита се, че важните присъщи характеристики на храната, като активността на водата, рН и температурите на съхранение в затворено и замразено състояние, контролират и поддържат храната микробиологично безопасна. Ефектът на тези фактори е свързан с техния капацитет да инхибират микробното замърсяване на храната. Когато вирусите са заразяващите агенти, някои от тези контролни практики могат да бъдат пропуснати, тъй като вирусната инфекциозност силно се различава от тази на патогенните или развалящите храната бактерии. Вирусите, подобно на различни бактериални патогени, са сравнително стабилни при съхранение в хладилник и замразяване. В литературата има данни за персистиране на различни вируси в различни хранителни продукти след различни режими на съхранение. Например, не е регистрирано намаляване на миши норовирус (MNV) в спанак и пролетен лук след 6 месеца съхранение в замразено състояние; след 28 дни съхранение е измерено намаление от <1,2 log10N за ягоди. Установено е, че SARS-CoV-2 е стабилен до 72 часа при охлаждане (4 oC) и 2 години при дълбоко замразяване (-20 oC). SARS-CoV се деактивира за 15 минути при температура от 75 oC, докато MERS може да се дезактивира при 65 oC за 1 минута. Тест за термостабилност, проведен за SARS-CoV-2, доказва, че той се инактивира при минимална температура от 70 oC за най-малко 5 минути. Тези данни показват, че стандартните температури за готвене са подходящи за дезактивиране на вируса. Пресните и замразените храни обаче, могат да се използват като средство за предаване на вируса. За тях е много важно стриктното спазване на протоколите за безопасност и задължителното измиване на ръцете след работа. Съществува и по-малка вероятност за предаване на вируса чрез храната, когато доставката се извършва за няколко дни. Подобно на храната, питейната вода не се третира като начин за предаване на SARS-CoV-2 според докладите на Агенцията за опазване на околната среда (ЕРА) и Центъра за контрол на заболяванията (CDC). Това е така, защото обичайните процедури за пречистване на водата са подходящи за дезактивирането на вирусите. По този начин, термичната обработка на храната се счита за една от най-добрите полезни техники за дезактивиране на вируси, пренасяни с храни. Вирусите на HAV, хепатит Е (HEV) и NoV са толкова уязвими на това третиране, колкото и патогенните бактерии. По време на температури на пастьоризация е показано, че MNV и HAV регистрират намаление повече от 3,5 log10N при 72 oC след 1 минута във водата. Също така, MNV и TuV се дезактивират след нагряване при 70 °С за 2 минути. Бланширането на пара на продукти като спанак за 1 минута при 80 oC намалява инфекциозността на MNV с минимум 2,4 log10N. По подобен начин, FCV и HAV също се инактивират след бланширане при 95 oC за 2,5 минути. Стратегическата комбинация от подкиселяване (понижаване на рН) на храни в допълнение към термична обработка също се съобщава за много ефективна срещу инактивирането на HAV. Независимо от изискванията за минимална температура и време за инактивиране на различните вируси, в повечето случаи минимум 90 секунди термична обработка при минимална температура от 90 oC обикновено е достатъчна за инактивиране на чревни вируси, независимо от сложността на хранителната матрица. Обикновено се смята, че кипяща течна среда като вода е в състояние ефективно да инактивира вируса само след около 1 минута за повече от 4 log10N за повечето ентеровируси, включително човешки NoV, човешки риновирус (HRV), HEV и HAV. Съобщава се, че изсушеният вирус запазва инфекциозността си при 22-25 oC и относителна влажност 40-50% в продължение на 5 дни. При по-високи температури (38 oC) и относителна влажност (> 95%) той бързо губи жизнеспособността си (> 3 log10N).
Външни промени в нивата на рН, които възникват по време на ферментация или подкисляване на въглехидратните субстрати и нивата на водната активност на храните, например чрез добавяне на разтворени вещества като захар или сол или техни комбинации, или дори свързване на тези обработки с динамиката на условията на съхранение, имат различни ефекти върху инфекциозността на вирусите. Установено е, че MNV и TuV например, понасят ниски рН нива (рН 2.0) поради протичането на млечнокисела ферментация. Въпреки че се съобщава, че ферментацията е способна да произвежда съединения с потенциална употреба като хранителни добавки, като по този начин стимулира антивирусните свойства, основните антивирусни механизми все още не са напълно разбрани.

2.2. Ефект на облъчването върху предаването на SARS-CoV-2

Съобщава се, че ултравиолетовата (UV) радиация е ефективна при дезактивирането на някои вируси. Нейната ефикасност срещу SARS-CoV-2 все още не е тествана. Коронавирусът SARS беше изключително податлив на ултравиолетово облъчване. Поради това то се препоръчваше като допълнително ниво на безопасност по време на физическия процес на дезинфекция. Сравнение на ефективността на дезинфекцията: ръчните химични методи намаляват замърсяването с 36% и се постига намаление от 96 до 99,99% чрез ултравиолетово облъчване от системата PurpleSun® ЕЗ00 UV. При по-ниски вирусни концентрации, ниските дози UVC радиация (200 – 280 nm) напълно инактивират SARS-CoV-2, а по-високите дози напълно деактивират по-високите концентрации на вируса.
Гама облъчването между 3 000 до 15 000 rad не повлиява инактивирането на SARS-CoV, което показва, че обхватът на дозата на облъчване е твърде нисък, за да повлияе на вируса. За сравнение, вирусът се инактивира от UVC (за разлика от UVA D, 320 – 400 nm) след около 6 минути експозиция. Това означава, че UVC радиацията с ниска дължина на вълната може да бъде ефективна за дезактивиране на вируса от предполагаеми хранителни продукти.

2.3. Антивирусни хранителни компоненти и хранителни опаковки

Доказано е, че вирусите, пренасяни с храни, причиняват по-голямата част от епидемиите, пренасяни с храни. През 2010 г. 15% от епидемиите, причинени от храни, се дължат на вируси като причинители [21] и според тези доклади е установено, че човешките норовируси (HuNoV) и вирусът на хепатит А (HAV) предизвикват най-голяма загриженост в контекста на хранителната безопасност. HEV наскоро беше идентифициран като вирус, пренасян от храната, причиняващ зоонозно предаване от продукти от свинско месо на хора при консумация.
Природни биоактивни съединения (флавоноиди, полифеноли, танини, катехини, сапонини, полизахариди, проантоцианини, протеини и пептиди) присъстват в екстрактите от много растения: червена боровинка, нар, синя боровинка, къпинаа, гроздови семена и др. Те показват висока антивирусна активност чрез унищожаване на вирусната структура или чрез предотвратяване на навлизането на вируса в тялото на гостоприемника [18]. Освен растителни екстракти, има различни етерични масла, екстракти от водорасли и протеини, които също се съобщават като антивирусни. Установено е също, че различни водораслови продукти като карагенан, навикулар и ламинарин имат антивирусна активност [3]. Разширен списък на такива природни съединения е представен в Таблица 1.
Понастоящем се провеждат обширни изследвания върху антимикробните опаковки за храни, които имат за цел да удължат срока на годност на хранителните продукти и да запазят безопасността и качеството на храните. Антимикробните опаковки играят важна роля в инхибирането на микробния растеж и развалянето на храната. При разработването на антимикробни опаковки за храни трябва да има директен контакт на опаковъчния материал с повърхността на храната за миграцията на антимикробните съединения.
Антивирусните опаковъчни материали за храни първоначално са проектирани с цел контрол на човешки чревен вирус. Следователно, в случай на антивирусно опаковане на храни, е необходимо да се инактивира присъствието на човешкия чревен вирус в храната, заразена чрез сурови и преработени хранителни продукти. Присъщите характеристики на материала (които се отнасят до полярността и химичния му състав) са отговорни за свойствата на освобождаване на биоцидните съединения [29] и условията на обработка за разработване на материали, които пряко влияят на неговите механични, термични и физични свойства (стабилност и свойства на освобождаване на антивирусното съединение) са съответните фактори, които трябва да се вземат предвид при създаването на антимикробен опаковъчен материал [22]. Въпреки това, има по-малко изследвания върху антивирусните съединения в биополимери поради тяхната несъвместимост с полимерната структура и бързото освобождаване или разграждане на антивирусните агенти.
Martinez-Abad et al. [51] разработват 1% Ag-PLA филм и установяват, че той елиминира котешки калицивирус (FCV) от маруля след 6 дни съхранение. Разработени са и антивирусни опаковъчни материали чрез включване на растителни екстракти в биополимери. Многослоен опаковъчен материал, разработен с ултратънка наноструктура на цинамалдехид и зеин, покрита с външен слой от полихидроксибутират (PHB), работи срещу сурогати на норовирус [27]. Един от обещаващите кандидати е хитозанът, тъй като той притежава отлични противогъбни, антимикробни и антиоксидантни свойства и е универсален за направата на покрития или филми. Наблюдавано е, че покрития или филми с хитозан намаляват пренасяните от храната патогени при добавяне на етерични масла или прополис в него [70].
Наскоро хитозановата матрица беше използвана в проучване за защита на епигалокатехин галат, притежаващ антивирусна активност срещу HAV и MNV [35]. Въпреки че са разработени само няколко опаковъчни материала, които имат антивирусна активност, за много от тях е установено, че променят физикохимичните свойства на хранителните продукти. Тази промяна може да се контролира чрез прилагане на ядливи филми или покрития. Това е нововъзникваща технология с контролирано освобождаване на антимикробни съединения чрез използване на различни техники като нанотехнологии, капсулиране и имобилизиране на антимикробни агенти от матрицата [4, 34]. Разработването на ядливо покритие или филм може да бъде осъществено чрез добавяне на антимикробни съединения в тях, които могат да намалят замърсяването, причинено от храната. Въпреки че има много литературни източници за включване на антибактериални и противогъбни съединения в такива ядливи покрития, няма данни за антивирусни ядливи покрития или филми. Следователно, очаква се изследванията върху антивирусното ядивно покритие да имат голямо бъдеще. За направата на антивирусни ядливи опаковъчни материали карвакролът, екстрактът от зелен чай и екстрактът от гроздови семки могат да се използват като естествени антивирусни агенти. По същия начин, много природни съединения като карамфил и риган, за които е установено, че имат антивирусна активност срещу MNV и FCV, могат да бъдат включени в разработването на антивирусни опаковки за храни [23]. Много изследователи са заинтригувани от възможността за микро- и нано-капсулиране на чувствителни антивирусни съединения. Този подход не само помага за стабилизирането на съединенията, но също така подобрява тяхната активност. Установено е, че капсулирането повишава стабилността на антимикробните съединения дори при облъчване [34]. Има обаче ограничени данни за капсулирането на антивирусни съединения и техните приложения в хранително-вкусовата промишленост.

Таблица 1. Природни източници с антивирусна активност

Virus	Natural source	Type
-PIV 3 - Параинфлуенца тип 3 вирус -FIPV – Вирус на котешки инфекциозен перитонит -VSV – Везиколор стоватитис вирус -HSV – Херпес симплекс вирус -FHV – Флок наус вирус -PR8, H1N1 и H6N1 респираторен синцитиален вирус	Curcuma longa (L.)	Екстракт от коренище и куркумин
-CHIKV - Чикунгуня вирус	Kalanchoe pinnata (L.) Pers.	Екстракт от цяло растение
-CHIKV - Чикунгуня вирус	Aristolochia tomentosa Sims	Екстракт от цяло растение
-CHIKV - Чикунгуня вирус	Paris polyphylla Sm.	Екстракт от цяло растение
-Вирус на жълтата треска	Clerodendrum serratum (L.) Moon	Екстракт от цяло растение
-Ентеровирус 71