Пресечна точка на вирусните частици и функционалните наноматериали

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.