Zusammenfassung

Viren sind hochgeordnete supramolekulare Komplexe, die sich entwickelt haben, um sich zu verbreiten, indem sie die Maschinerie der Wirtszelle entführen. Viren sind äußerst vielfältig und verbreiten sich in Zellen aller Lebensbereiche, aber sie haben alle gemeinsame Funktionen und Eigenschaften. Um jedoch Viren und virusähnliche Partikel optimal zu nutzen, beispielsweise als Vehikel für die gezielte Verabreichung von Medikamenten oder als Bausteine in der Elektronik, ist es entscheidend, zunächst ihre grundlegenden Eigenschaften und Eigenschaften zu verstehen. Die Mechanismen, die virale Eigenschaften beeinflussen, und Ansätze zur Nutzung viraler Partikeleigenschaften werden in dieser Trainingseinheit vorgestellt.

Schlüsselwörter/Phrasen: Coronaviren, funktionelle Nanopartikel, virusbasierte Nanopartikel ( VNPs)

1. Viren und ihre Bedeutung

1.1. Viren kommen weltweit vor

Viren oder molekulare Nanomaschinen infizieren alle zellulären Lebensformen, einschließlich Eukaryoten (Wirbeltiere, Wirbellose, Pflanzen und Pilze) und Prokaryoten (Bakterien und Achaea). Das Vorhandensein von Viren ist bei Wirten sichtbar, die Krankheitssymptome zeigen. Andererseits sind viele gesunde Arten Wirte für nicht-pathogene Virusinfektionen, von denen einige aktiv sind, während andere inaktiv sind. Darüber hinaus enthalten die Genome vieler Organismen Fragmente alter viraler Genome, die sich längst in ihre Wirtsgenome integriert haben. Viren kommen im Boden, in der Luft und im Wasser vor und können neben ihren Wirten auch Arten infizieren, die in diesen Lebensräumen leben [10].

In der Literatur wird immer noch kontrovers darüber diskutiert, ob Viren leben oder nicht leben. Der entschiedene Standpunkt wird dadurch bestimmt, wie das Leben definiert wird. Viren haben Gene, die dupliziert werden, wenn sie Zellen infizieren, wodurch Viren in diesem Sinne lebendig werden. Sie sind jedoch nicht dasselbe wie zelluläre Lebensformen. Wenn sich Viren außerhalb ihrer Wirtszellen befinden, existieren sie als Viruspartikel (Virionen), die nicht lebend und leblos sind. [10].

Viren unterscheiden sich von Zellen dadurch, dass sie sich anders vermehren. Eine neue Zelle wird immer aus einer zuvor gebildeten Zelle erzeugt, aber ein neues Virion wird niemals aus einem zuvor gebildeten Virion gebildet. Der Replikationsprozess, der innerhalb einer Wirtszelle stattfindet und die Synthese von Komponenten gefolgt von deren Zusammenbau zu Virionen beinhaltet, produziert neue Virionen. Infolgedessen sind Viren Parasiten, die für den Großteil ihres Bedarfs auf ihre Wirte angewiesen sind, wie z. B. Baukomponenten wie Aminosäuren und Nukleoside, Proteinsynthesemaschinen (Ribosome) und Energie als Adenosintriphosphat.

Um die Effektivität des Reproduktionsprozesses zu verbessern, verändert ein Virus die intrazelluläre Umgebung seines Wirts. Beispiele für Modifikationen sind die Erzeugung neuer Membranstrukturen, die verringerte Expression von Zellgenen oder die Verstärkung eines Zellfortsatzes. Einige riesige Phagen codieren Proteine, die die Photosynthese in den Zellen ihrer photosynthetischen bakteriellen Wirte steigern und somit die Virusproduktion erhöhen

1.2 Gründe für das Studium von Viren

1.2.1. Viren können Krankheiten verursachen

Viren spielen bei einer Vielzahl menschlicher Krankheiten eine Rolle, von leichten (z. B. Erkältungen) bis hin zu tödlichen (z. B. Tollwut). Fünf pandemische Atemwegsinfektionen, die durch verschiedene Subtypen des Influenzavirus verursacht werden, haben die Welt im letzten Jahrhundert angegriffen, wobei Schweine als bedeutende Reservoire für diese Influenzaviren dienen. Die H1N1 (Spanische Grippe) von 1918 tötete weltweit rund 50 Millionen Menschen, die H2N2 (Asiatische Grippe) von 1957 tötete weltweit rund 4 Millionen Menschen, die H3N2 (Hongkong-Grippe) von 1968 tötete weltweit 1 Million Menschen, die H5N1 (Vogelgrippe) von 2005 tötete mehr Vögel und Menschen, und die H1N1 (Schweinegrippe) von 2009 tötete weltweit 18.000 Menschen und umkreiste über 100 Länder und infizierte Menschen, Schweine und Vögel [39] .

Eine weitere Pandemie ist aus der Coronavirus-Familie hervorgegangen. Das schwere akute respiratorische Syndrom (SARS) und das Middle East Respiratory Syndrome (MERS) sind zwei regionale Epidemien (MERS). SARS forderte 2003 das Leben von 774 Personen, während MERS zwischen 2012 und 2019 858 Menschen das Leben kostete (Centres for Disease Control & Prevention, 2005; World Health Organization, 2019). Im Jahr 2019 wurde in China ein neues Virus entdeckt, das die neuartige Coronavirus-Krankheit 2019 (SARS-CoV-2 oder COVID-19) verursachte, die sich schnell über 216 Nationen in Europa, Nordamerika, Asien, dem Nahen Osten, Afrika ausgebreitet hat. und Lateinamerika. Die Weltgesundheitsorganisation hat COVID-19 am 11. März 2020 zu einer Pandemie erklärt [26] .

1.2.2. Einige Viren können nützlich sein

Einige Viren werden untersucht, weil sie aktuelle oder zukünftige Anwendungen haben, die nützlich sein könnten [10].

• Phagentypisierung von Bakterien: Bei Ausbrüchen von Krankheiten, die durch Bakterien verursacht werden, kann die Identifizierung der Phagentypen von Bakterienisolaten wichtige epidemiologische Informationen liefern.
• Enzymquellen: Virusenzyme werden in einer Vielzahl molekularbiologischer Anwendungen eingesetzt (z. B. reverse Transkriptase aus Retroviren und RNA-Polymerasen aus Phagen).
• Pestizide: Baculoviren werden zur Bekämpfung einiger Insektenschädlinge eingesetzt, und Myxoma-Viren wurden bereits zur Bekämpfung von Kaninchen eingesetzt.
• Antibakterielle Wirkstoffe: Mitte des 20. Jahrhunderts wurden menschliche Phagen zur Behandlung verschiedener bakterieller Infektionen eingesetzt.
• Antikrebsmittel: Der Einsatz gentechnisch veränderter Virusstämme zur Behandlung von Krebs wird erforscht. Diese Stämme wurden manipuliert, um es ihnen zu ermöglichen, spezifische Tumorzellen zu infizieren und zu zerstören, während normale Zellen ausgeschlossen werden.
• Genvektoren für die Proteinproduktion: Viren werden als Vektoren verwendet, um Gene in kultivierte tierische Zellen einzuführen.
• Genvektoren zur Behandlung genetischer Krankheiten: Retroviren wurden als Vektoren verwendet, um eine nicht mutierte Kopie des für die Krankheit verantwortlichen mutierten Gens in die Stammzellen von Kindern mit schwerer kombinierter Immunschwäche zu übertragen.
• Virusbasierte Nanomaterialien und Nanostrukturen in Energie- und biomedizinischen Anwendungen: Die entwickelten virusbasierten biomimetischen Materialien werden für Biosensor- und Nanoträgeranwendungen charakterisiert [39] .

1.3. Klassifizierung von Viren

Viren werden derzeit vom International Committee on Virus Taxonomy (ICTV) [60] in acht Gruppen eingeteilt. Die erste Kategorie umfasst chimäre Viren mit doppelsträngiger DNA und einzelsträngiger DNA, wie z. B. Haloarcula hispanica pleomorphic Virus 1. Die doppelsträngigen DNA-Viren wie Pockenviren, Herpesviren und Adenoviren befinden sich im zweiten Kompartiment. Das einzelsträngige DNA-Virus, wie Parvoviren, ist das dritte; das doppelsträngige RNA-Virus, wie Reoviren, ist das vierte. Viren mit einzelsträngigen RNA-Genomen mit positivem Sinn, wie der aktuelle SARS-CoV-2-Ausbruch, Enteroviren, Hepatitis-A-Virus, Poliovirus, Rhinoviren, Hand-Fuß-Mund-Virus (HFM), SARS-Virus, Gelbfiebervirus, Hepatitis-C-Virus (HCV) und Rötelnvirus. Die sechste Gruppe umfasst Viren mit einzelsträngigen RNA-Genomen mit negativem Sinn, wie die tödlichen Marburg- und Ebola-Viren sowie Masern, Influenzaviren und Mumps; die siebte Gruppe umfasst Viren mit einzelsträngigen RNA-Genomen, die sich über ein DNA-Zwischenprodukt replizieren, wie etwa HIV; und die achte Gruppe schließt Viren mit doppelsträngigen DNA-Genomen und Reverse-Transkriptase-Replikation ein, wie das Hepatitis-B-Virus (HBV).

1.3.1. Taxonomie von Coronaviren

Coronaviren (CoVs) sind eine bedeutende Gruppe von Viren, die zur Ordnung der Nidovirales, zur Unterordnung der Cornidovirineae und zur Familie der Coronaviridae gehören. Letovirinae und Orthocoronavirinae sind zwei Unterfamilien der Familie Coronaviridae. Die Gattung Alphaletovirus gehört zur Familie Letovirinae, während die Familie Orthocoronaviridae basierend auf phylogenetischer Analyse und Genomstruktur in vier Gattungen unterteilt wird: Alphacoronavirus (CoV), Betacoronavirus (CoV), Gammacoronavirus (CoV) und Deltacoronavirus (CoV), die 17 enthalten , 12, 2 und 7 verschiedene Arten . Corona ist ein lateinisches Wort, das „Krone“ bedeutet, und das Virus erhielt seinen Namen von dem Vorhandensein von Stachelverlängerungen auf der Virushülle, die ihm unter dem Elektronenmikroskop eine kronenartige Form verleihen. Die Fähigkeit von Viren in dieser Reihenfolge, einen verschachtelten Satz subgenomischer mRNA zu erzeugen, wird als nido bezeichnet [3].
Daher werden Coronaviren (CoVs) in vier Generationen eingeteilt: α-, β-, γ- und δ-CoV [15]. α- und β-CoVs infizieren nur Säugetiere, während γ- und δ-CoVs Vögel und einige Säugetiere infizieren können. Die neueste Klassifikation der Coronaviridae ist in Abb. 1 dargestellt.

Abbildung 1. Taxonomie des SARS-CoV-2 und seiner nahen Verwandten [3]

Bisher ist bekannt, dass sieben CoVs Infektionen beim Menschen verursachen, darunter CoV-OC43, CoV-229E, HCoV-OC43, CoV-HKU1, CoVNL63, Middle East Respiratory Disease (MERS)-CoV und Schweres Akutes Respiratorisches Syndrom (SARS-) CoV und SARS-CoV-2 oder COVID-19 [50, 62].

SARS-CoV-2, ein Mitglied der Familie Coronaviridae, gehört zur Gattung -CoV und soll taxonomisch und genetisch mit SARS-CoV, MERS-CoV und anderen menschlichen Coronaviren identisch sein [3].

SARS-CoV-2 weist laut Chan et al. [14]. Da es nur sehr begrenzte Daten über diese neu aufgetretene Bedrohung gibt und Präventionsstrategien, die während früherer Forschungen angenommen wurden, und Virusepidemien eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung neuer Strategien gegen SARS-CoV-2 spielen, muss es für Wissenschaftler genau und nützlich sein, diese „Verwandten“ zu nehmen ‚ von SARS-CoV-2 berücksichtigt.

Andere Coronaviren haben jedoch pandemische Infektionen bei Haus- und Wildsäugetieren und Vögeln hervorgerufen, was zu hohen Sterblichkeitsraten und erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führte. Zu den Viren, die identifiziert wurden ( SADS -CoV ) [3].

1.4.Die Natur von Viren

1.4.1. Viren sind kleine Partikel

Die meisten Virusvirionen sind zu klein, um sie mit einem Lichtmikroskop zu sehen, und können nur mit einem Elektronenmikroskop gesehen werden. Sie sind in einer Vielzahl von Größen, Formen und Formen erhältlich. Einige sind riesig, während andere klein sind; einige sind kugelförmig, während andere Stäbchen ähneln. Viele dieser Viren haben eine hochsymmetrische Struktur. Die Standardmaßeinheit für Virionen ist Nanometer. (1 nm = 10 −9 m). Parvoviren gehören mit Abmessungen von etwa 20 nm zu den kleinsten, während das aus einer Amöbe identifizierte mikrobenähnliche Virus (Mimivirus) zu den größten gehört. Coronavirus-Virionen (CoVs) haben einen Durchmesser von 60–140 nm und sind im Allgemeinen kugelförmige bis pleomorphe eingeschlossene Partikel [1].
Viren sind makromolekulare Ansammlungen, die metastabil sind. Mit Ausnahme von Arenavirus-Virionen, bei denen bei der Herstellung der Virionen Zellribosomen verpackt wurden, sind sie keine Zellen und enthalten keine Organellen [10].

1.4.2. Viren haben genetisches Material.

Das Virusgenom ist im Virion enthalten. Virusgenome können doppelsträngige DNA, einzelsträngige DNA, doppelsträngige RNA oder einzelsträngige RNA sein, wohingegen Zellgenome nur doppelsträngige DNA sein können.
Coronaviren (SARS-CoV-2) haben eines der größten Genome unter den RNA-Viren, mit einem monopartiten einzelsträngigen Positiv-Sense-RNA [(+) ssRNA]-Genom [11]. Das Coronavirus-Genom ist 29903 Nukleotide lang und umfasst zwei untranslatierte Regionen (UTRs) am 5′- und 3′-Ende sowie 11 offene Leserahmen (ORFs) [14].
Ein Kapsid ist eine Proteinhülle, die das Genom umgibt. Das Virion besteht in vielen Fällen aus dem Genom, Kapsid und zusätzlichen Komponenten. Die primären Funktionen des Virions bestehen darin, das Genom zu schützen und es zu einer Zelle zu transportieren, wo es sich vermehren kann. Andere Proteine, die als Nichtstrukturproteine bekannt sind, werden zusätzlich zu den Proteinen, aus denen das Kapsid besteht, vom viralen Genom kodiert. Sie sind nicht Teil der Organisation des endgültigen Kapsids. Diese nicht-strukturellen Proteine sind erforderlich, damit die Virusreplikation innerhalb der Wirtszelle stattfinden kann [59].
Die Größe des Virus ist häufig proportional zur Größe des Genoms. Das Virusgenom hingegen trägt deutlich weniger zur Gesamtmasse des Virions bei als die Kapsidproteine. Folglich müssen zahlreiche Kopien des Kapsidproteins miteinander verknüpft werden, um das Kapsid bzw. die Kapside herzustellen. Die Menge an genetischer Information, die in einer solchen Anordnung mit sich wiederholenden Untereinheiten notwendig ist, wird erheblich reduziert. Bei bestimmten Viren ist ein einzelnes Genprodukt an der Kapsidentwicklung beteiligt, aber bei komplizierteren Viren sind zahlreiche Genprodukte beteiligt [59].
Vier Strukturproteine, Nucleocapsid (N)-Protein, Membrane (M)-Protein, Spike (S)-Protein und Envelop (E)-Protein, werden vom Coronavirus-Genom kodiert, ebenso wie mehrere Nicht-Strukturproteine (25 nsp) (Abb. 2). Das Kapsid ist eine Proteinhülle, die Kernkapsid oder N-Protein enthält, das an den einzelnen positiven RNA-Strang des Virus gebunden ist und es ihm ermöglicht, menschliche Zellen zu infizieren und sie in Virusfabriken zu verwandeln. Das N-Protein bedeckt das virale RNA-Genom und ist für die Replikation und Transkription notwendig. Die virale Replikation und Transkription werden vom N-Terminus des N-Proteins verarbeitet, das an genomische und subgenomische RNAs bindet [5].

Abbildung 2. Die viralen Oberflächenproteine (Stachel, Hülle und Membran), eingebettet in eine Lipiddoppelschicht.

Das M-Protein ist auf der viralen Oberfläche am weitesten verbreitet und gilt als der wichtigste Organisator des Coronavirus. Das S-Protein wird in die Oberfläche des Virus eingebaut und erleichtert den Eintritt des Virus in die Wirtszelle, indem es die Anheftung des Virus an die Oberflächenrezeptoren der Wirtszelle und die Membranfusion zwischen der Virus- und der Wirtszellmembran vermittelt [28]. Das E-Protein ist ein winziges Membranprotein mit 76-109 Aminosäuren, das ein untergeordneter Bestandteil des Viruspartikels ist. Es ist an der Virusassemblierung, der Membranpermeabilität der Wirtszelle und dem Kontakt zwischen Virus und Wirtszelle beteiligt [24]. Die Lipidhülle befindet sich bei einigen Viren, wie z.B. Coronaviren, außerhalb. Eine Lipiddoppelschicht umgibt die Spike, Hülle und Membran der viralen Oberflächenproteine. Auf der viralen Oberfläche wurde das Hämagglutinin-Esterase-Dimer (HE) entdeckt. Das HE-Protein kann beim Eindringen des Virus eine Rolle spielen; es ist nicht essentiell für die Virusreplikation, scheint aber wichtig für die natürliche Wirtszellinfektion zu sein [34]. Die primären antigenen Epitope, insbesondere diejenigen, die durch neutralisierende Antikörper identifiziert werden, werden von den Hüllglykoproteinen getragen, die für die Anheftung an die Wirtszelle verantwortlich sind. Die vollständige Struktur des Spike (S)-Proteins im geschlossenen und offenen (Präfusions-) Zustand wurde durch Kryo-EM-Untersuchungen bestimmt [61] [67]. Dieses Glykoprotein besteht aus drei identischen Ketten mit jeweils 1273 Aminosäuren und zwei gut definierten Proteindomänenregionen: S1- und S2-Untereinheiten, die an der Zellerkennung bzw. Membranfusion beteiligt sind. Letzteres entsteht durch mehrere derzeit unbekannte strukturelle Veränderungen von Proteinen.

1.4.3. Mechanismus der viralen Wirkung

Viren müssen sich in ihren Wirtszellen reproduzieren, und der Prozess besteht aus sechs Schritten: Anheften, Eindringen, Enthüllen, Replikation, Zusammenbau und Freisetzung [40]. Viren heften sich an eine spezifische Rezeptorstelle auf der Wirtszellmembran unter Verwendung von Bindungsproteinen im Kapsid oder von Glykoproteinen, die in die Virushülle eingebettet sind, und die Wirtszellen, die von einem bestimmten Virus infiziert werden können, werden durch diese Interaktionsspezifität bestimmt. Im Allgemeinen dringt nur die Nukleinsäure von Bakteriophagen in die Wirtszelle ein und lässt das Kapsid außen vor. Tier- und Pflanzenviren können durch Endozytose in Zellen eindringen, bei der das Virus vollständig von Zellmembranen umhüllt und absorbiert wird. Die umhüllten Viren dringen in ihre Wirtszellen ein, wenn die Virushülle direkt mit den Zellmembranen verschmilzt. Das virale Kapsid wird einmal in den Wirtszellen zerstört, wodurch die virale Nukleinsäure freigesetzt wird, die dann für die Reproduktion und Transkription verfügbar ist. Das virale Genom bestimmt den Replikationsmechanismus. DNA-Viren verwenden normalerweise die Enzyme und Proteine der Wirtszelle, um mehr DNA herzustellen, die dann in Messenger-RNA (mRNA) transkribiert und für die direkte Proteinsynthese verwendet wird. Der RNA-Kern wird üblicherweise von RNA-Viren als Matrize für die Synthese viraler genomischer RNA und mRNA verwendet. Die Freisetzung neuer Virionen, die in den Wirtszellen erzeugt werden, ist die Endphase der viralen Replikation, wodurch die Infektion benachbarter Zellen und die Selbstreplikationszyklen fortgesetzt werden können. Der virale Replikationszyklus kann dazu führen, dass Wirtszellen erhebliche strukturelle und metabolische Veränderungen sowie Schäden erfahren [69].

Abbildung 3 zeigt den Mechanismus des Eintritts, der Replikation und der RNA-Verpackung von SARS-CoV-2 in der menschlichen Zelle. Das Spike (S)-Protein des Coronavirus bindet an Angiotensin-Converting-Enzym-2 (ACE2)-Rezeptoren auf der Oberfläche zahlreicher menschlicher Zellen, einschließlich derjenigen in der Lunge, und erleichtert so das Eindringen des Virus. Wirtsproteasen (Trypsin und Furin) spalten das Coronavirus-S-Protein an zwei Stellen an der Grenze der S1/S2-Untereinheit (S1/S2-Stelle). Das Fusionspeptid wird freigesetzt, sobald die S2-Domäne (S2′-Stelle) gespalten ist. Als Ergebnis dieses Ereignisses wird der Membranfusionsmechanismus aktiviert. Endozytose ist der Prozess, durch den eine menschliche Zelle das Virus aufnimmt. Es wird angenommen, dass SARS-CoV-2 eine einzigartige dreistufige Methode zur Membranfusion verwendet, sobald es in das Zytoplasma eintritt, die Rezeptorbindung und induzierte Konformationsänderungen im Spike (S)-Glykoprotein umfasst, gefolgt von Cathepsin-L-Proteolyse durch intrazelluläre Proteasen und weitere Aktivierung des Membranfusionsmechanismus innerhalb von Endosomen [52]. Das Endosom öffnet sich dann und setzt das Virus in das Zytoplasma frei, und das virale Nukleokapsid (N) wird von Proteasomen umhüllt, die endogene Proteine hydrolysieren können, aber auch externe Proteine wie das SARS-Nukleokapsidprotein abbauen können [63]. Es wurde ein neuartiger zweistufiger Mechanismus vorgeschlagen, bei dem das Virion über seine S1-Untereinheit an einen Rezeptor auf der Oberfläche der Zielwirtszelle bindet, der Spike von Wirtsproteasen gespalten wird und dann voraussichtlich die Virus- und Zielmembranen des Wirts bei fusionieren niedriger pH-Wert über die S2-Untereinheit [25, 33]. Schließlich wird das virale genetische Material, das eine einzelsträngige RNA ist, vollständig in das Zytoplasma freigesetzt. Es finden die Replikations- und Transkriptionsprozesse statt, die durch den Replikations-/Transkriptionskomplex (RTC) vermittelt werden. Dieser Komplex besteht aus Nichtstrukturproteinen und ist im viralen Genom (nsp) kodiert. Es wird angenommen, dass das RTC Doppelmembranstrukturen im Zytoplasma der infizierten Zelle erzeugt hat [58]. Nach dem positiven RNA-Genom wird der offene Leserahmen 1a/b (ORF 1a/b) translatiert, um Replikaseproteine zu erzeugen. Diese Proteine verwenden das Genom als Matrize, um Negativ-Sense-RNAs in voller Länge zu erzeugen, die dann verwendet werden, um zusätzliche Genome in voller Länge zu erzeugen. M-, S- und E-Strukturvirusproteine werden im Zytoplasma synthetisiert, in das endoplasmatische Retikulum (ER) eingefügt und in das endoplasmatische Retikulum-Golgi-Zwischenkompartiment übertragen (Abb. 3). (ERGIC) [37]. Darüber hinaus werden Nukleokapside im Zytoplasma durch die Einkapselung replizierter Genome durch N-Protein gebildet, und infolgedessen verschmelzen sie innerhalb der ERGIC-Membran, um sich selbst zu neuen Virionen zusammenzufügen. Schließlich werden neuartige Virionen aus infizierten Zellen exportiert, indem sie in glattwandigen Vesikeln zur Zellmembran transportiert und dann über einen als Exozytose bekannten Prozess ausgeschieden werden, um andere Zellen zu infizieren. Währenddessen führt der Stress der viralen Produktion auf das endoplasmatische Retikulum zum Zelltod.

Abbildung 3. Das schematische Diagramm des Mechanismus des Eintritts, der Replikation und der viralen RNA-Verpackung von SARS-CoV-2 in der menschlichen Zelle.

2. Funktionelle Nanopartikel

2.1. Was sind Nanopartikel?

Ein Nanopartikel ist laut der Internationalen Organisation für Normung (ISO) ein Partikel mit einer Größe zwischen 1 und 100 Nanometern [6]. Nanopartikel, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, können radikal andere physikalische und chemische Eigenschaften haben als ihre größeren materiellen Gegenstücke. Wenn sich die Größe einer Substanz der atomaren Skala nähert, ändern sich ihre Eigenschaften. Dies ist auf eine Erhöhung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen zurückzuführen, wodurch die Oberflächenatome die Leistung des Materials dominieren. Im Vergleich zu Massenmaterialien wie Pulvern, Platten und Folien haben Nanopartikel aufgrund ihrer extrem geringen Größe ein relativ signifikantes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Wenn Nanopartikel klein genug sind, um ihre Elektronen einzuschließen und Quanteneffekte zu induzieren, können sie unerwartete optische, physikalische und chemische Fähigkeiten haben.

Metallische Nanopartikel unterscheiden sich von Massenmetallen in Bezug auf physikalische und chemische Eigenschaften (z. B. niedrigere Schmelztemperaturen, große spezifische Oberflächen, spezifische optische Eigenschaften, mechanische Festigkeiten und Magnetisierungen), die in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen nützlich sein könnten. Kupfer zum Beispiel wird als weiches Material betrachtet, weil seine Atome sich im 50-nm-Maßstab anhäufen, was zu einer Biegung des massiven Kupfers führt. Infolgedessen werden Kupfer-Nanopartikel, die kleiner als 50 nm sind, als sehr hartes Material eingestuft, mit einer deutlich anderen Formbarkeit und Duktilität als Bulk-Kupfer. Gold-Nanopartikel schmelzen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als massives Gold (1064 °C) (300 °C für 2,5 nm Größe).

In den letzten drei Jahrzehnten ist die Aktivität auf dem Gebiet der Nanotechnologie weltweit exponentiell gestiegen und hat sie zu einem wichtigen interdisziplinären Forschungsthema gemacht. Die Integration der Nanotechnologie in den Bereich der medizinischen Wissenschaft hat diesen Anstieg in hohem Maße vorangetrieben, da nanostrukturierte Materialien deutliche biologische Wirkungen haben.

Nanomaterialien werden in der Gesundheitsbranche auf vielfältige Weise eingesetzt, eine davon ist die Arzneimittelabgabe.

Abbildung 4. Biomedizinische Anwendungen von Nanopartikeln.

Ein Beispiel für diese Technik ist die Entwicklung von Nanopartikeln zur Unterstützung der Abgabe von Chemotherapiebehandlungen direkt an Krebsgeschwüre sowie zur Abgabe von Medikamenten an geschädigte Arterienregionen zur Bekämpfung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Kohlenstoffnanoröhren werden auch entwickelt, um in Prozessen zur Herstellung von Bakteriensensoren durch Zugabe von Antikörpern zu den Nanoröhren angewendet zu werden.
Nanopartikel haben sich aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. große Oberfläche, strukturelle Eigenschaften und im Vergleich zu kleinen Molekülen verlängerte Zirkulationsdauer im Blut, als interessante Kandidaten für eine optimierte Therapie durch personalisierte Medizin herausgestellt. Die Fähigkeit, ungünstige physikalisch-chemische Eigenschaften von bioaktiven Molekülen in wünschenswerte biopharmakologische Profile umzuwandeln, die Abgabe von therapeutischen Wirkstoffen über biologische Barrieren und Kompartimente hinweg zu verbessern, die Freisetzung von bioaktiven Wirkstoffen zu kontrollieren, die therapeutische Wirksamkeit durch selektive Wirkstoffabgabe an biologische Ziele zu verbessern und gezielte Therapiefunktionen durch Kombination multimodaler Ionen durchzuführen Kanäle sind alles potenzielle Vorteile von technisch hergestellten therapeutischen Nanopartikeln [56].

Einige Nanomaterialien und Nanopartikel werden derzeit in klinischen Studien untersucht oder sind bereits von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für die Verwendung am Menschen zugelassen, und viele Proof-of-Concept-Studien von Nanopartikeln in Zellkulturen und Kleintiermodellen für medizinische Anwendungen laufen.

Die Entwicklung antiviraler Medikamente ist entscheidend, um die Ausbreitung von Krankheiten einzudämmen und Verluste zu minimieren. Viele funktionelle Nanopartikel, wie Quantenpunkte, Gold- und Silbernanopartikel, Graphenoxid, Nanocluster, Siliziummaterialien, Kohlenstoffpunkte, Polymere und Dendrimere, haben kürzlich beeindruckende antivirale Eigenschaften. Diese auf funktionellen Nanopartikeln basierenden Materialien bieten einzigartige Qualitäten als mögliche antivirale Kandidaten, wenn man ihre Unterschiede im antiviralen Mechanismus und in der inhibitorischen Wirksamkeit berücksichtigt. SARS-CoV-2 ist ein Spike-Protein-umhülltes Virus mit einem Durchmesser von 60–140 nm und partikelähnlichen Eigenschaften. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeiten können synthetische Nanopartikel dem Virus sehr ähnlich sein und aggressiv mit seinen pathogenen Proteinen interagieren. Antivirale Nanomaterialien wie Zinkoxid-Nanopartikel haben eine Tetrapodenform, die die Zelloberfläche nachahmt, wenn sie mit dem viralen Kapsid in Kontakt treten. Aufgrund einer photokatalytischen Reaktion hemmte es virale Proteine, wenn es UV-Strahlung ausgesetzt wurde [56].

2.2. Funktionelle Nanopartikel als antivirale Wirkstoffe

Alle Bereiche der Virusforschung wurden von der Nanotechnologie beeinflusst. Die Nanotechnologie hat neben anderen antiviralen Techniken ein starkes Potenzial zur Lösung dieses Problems gezeigt, und es wurde berichtet, dass die Entwicklung von Nanopartikeln eine hervorragende Wirksamkeit gegen Virusinfektion und -reproduktion hat. Erstens wurden auf Nanotechnologie basierende Sonden in großem Umfang beim Nachweis von Viren eingesetzt, was zur Entwicklung einer Vielzahl von Biosensoren und Bioelektronik auf der Grundlage einzigartiger funktioneller Nanopartikel führte [12, 16]. Zweitens wurden mehrere Nanomaterialien unter Verwendung von Virionen und virusähnlichen Partikeln als Vorlagen hergestellt, was die Bedeutung von Biokompatibilität und biosynthetischen Methoden in der zeitgenössischen biochemischen Forschung unterstreicht [31, 35]. Drittens wurden erhebliche Anstrengungen in die Herstellung fluoreszierender Nanosonden und deren Verwendung zur Untersuchung der molekularen Mechanismen virusinfizierter Zellen gesteckt [41, 73]. Schließlich wurde eine wachsende Zahl funktionalisierter Nanopartikel als hochwirksame Viruswachstumshemmer identifiziert [66].

2.3. Die antivirale Aktivität funktioneller Nanopartikel

Anhaftung, Penetration, Replikation und Knospung sind die wesentlichen Schritte im Infektionsprozess des Virus, und antivirale funktionelle Nanopartikel sollen Viren hemmen, indem sie einige dieser Schritte hemmen oder reduzieren. In diesem Abschnitt werden wir die verschiedenen Mechanismen von Nanopartikeln anhand ihrer antiviralen Wirksamkeit klassifizieren. Die Inaktivierung von Viren ist der direkteste Weg, sie zu hemmen, und einige Nanostrukturen können mit Viren interagieren, ihre Kapsidproteinstruktur verändern und anschließend die Virulenz drastisch reduzieren, was sowohl mit physikalischen als auch mit chemischen Mechanismen zur Reduzierung der aktiven Viruspopulation in Verbindung gebracht werden kann. Die meisten Virusinfektionen beginnen mit der Anheftung von Wirtszellen, was normalerweise durch die Bindung an das Zielakzeptorprotein erreicht wird. Die Wirtszellen sind infektionsfrei, wenn Nanopartikel die Adhäsion wirksam verhindern können. Das Team von Stellacci hat eine Reihe von antiviralen Nanopartikeln mit langen und flexiblen Linkern entwickelt, die Heparansulfat-Proteoglykane nachahmen, das hochkonservierte Ziel viraler Bindungsliganden (VALs), die eine effiziente Virusprävention durch effektive virale Assoziation mit einer simulierten Bindung erreichen können stark und multivalent zu den VAL-Wiederholungseinheiten [8]. Diese Partikel sind nicht zytotoxisch und haben in vitro eine nanomolare irreversible Aktivität gegen Herpes-simplex-Virus, humanes Papillomavirus, Respiratory-Syncytial-Virus, Dengue-Virus und Lenti-Virus . Infolgedessen können die funktionellen Nanopartikel als antivirales Breitspektrum-Medikament verwendet werden, um die virale Anheftung, den ersten Schritt im Infektionsprozess, zu verhindern. Die zweite Methode der Virusunterdrückung besteht darin, zu verhindern, dass Viren in Wirtszellen eindringen und eindringen, indem die Zelloberflächenmembran und die Proteinarchitektur verändert werden. Haag und seine Kollegen stellten eine Reihe von wasserlöslichen Fulleren-Polyglycerol-Sulfaten (FPS) mit verschiedenen Fulleren- und Polymer-Gewichtsverhältnissen und Polyglycerolsulfat-Verzweigungszahlen her [19].

Table 1. Typische antivirale Wirkmechanismen von Nanomaterialien.

Nanomaterial	Virus	Mechanismus
Graphenoxid	Respiratorisches Synzytial-Virus	Virus direkt inaktivieren und Anhaftung hemmen
Nanogel	PRRSV	Schildbefestigung und -durchdringung
Silber-Nanopartike	Herpesvirus	Virusanheftung beeinflussen
Graphenoxid	Herpesvirus	Bindungshemmung
Gold-Nanopartikel	Herpesvirus	Verhindern Sie das Anhaften und Eindringen von Viren
Nano - Kohlenstoff	Herpesvirus	Hemmen Sie das Eindringen von Viren in einem frühen Stadium
Silizium-Nanopartikel	Grippe A	Reduzieren Sie die Menge an Nachkommenviren
Ag 2 S-Nanocluster	Coronavirus	Blockieren Sie die virale RNA-Synthese und das Knospen
Gd 2 O 3 :Tb 3+ /Er 3+ Nanopartikel	Zika-Virus	Als Antigen-Mikroträger für das Zk2-Peptid von ZIKV
Kupferoxid-Nanopartikel	Herpes-simplex-Virus Typ 1	Oxidation viraler Proteine und Abbau des viralen Genoms
NiO Nanostrukturen	Gurkenmosaikvirus	Erhöhen Sie die Expression von pod-, pr1- und pal1-Genen
Zirkonoxid-Nanopartikel	H5N1-Grippevirus	Förderung der Expression von Zytokinen
Zinkoxid-Nanopartikel	H1N1-Grippevirus	Virus erst nach Eintritt des Virus in Wirtszellen hemmen

FPS, das polyanionische Zweige mit einem lösungsmittelexponierten, veränderbaren hydrophoben Kern kombiniert, übertrifft Analoga, die nur eine dieser Eigenschaften haben, indem es den Kontakt des Glykoproteins der Hülle des vesikulären Stomatitis-Virus mit Nierenzellen von Babyhamstern blockiert. Daher ist die Entwicklung von Blockaden zwischen Viren und Wirtszellen ein guter Ansatz, um Virusinfektionen in Schach zu halten. Im Fall des Viruseintritts in eine Zelle besteht die dritte erfolgreiche Technik zur Blockierung des Virus darin, seine Replikation zu zerstören, was normalerweise durch Verringerung der Expression bestimmter Enzyme erreicht wird, die zuvor bei der Vervollständigung der Virus-DNA- oder -RNA-Replikation unterstützt wurden. Die letzte Strategie besteht darin, die Virusknospung zu hemmen und sie aus den Wirtszellen auszuscheiden. Die Nachkommen eines Virus können virulenter sein als seine Mutter, und wenn funktionelle Nanopartikel das Virus an der Knospung hindern und die Anzahl der Nachkommenviren drastisch einschränken, wird die Virulenz des Virus stark reduziert. Tabelle 1 zeigt einige der häufigsten antiviralen Mechanismen für funktionelle Nanopartikel.

3. Virusbasierte Nanopartikel (VNPs)

Die Schnittstelle zwischen viralen Partikeln und funktionellen Nanomaterialien sind virusbasierte Nanopartikel. Die templatgesteuerte Anordnung von Millionen identischer Nanopartikel und deren Herstellung in lebenden Zellen sind mit Bionanomaterialien auf Virenbasis möglich. Viren infizieren Bakterien, Menschen und Pflanzen, und sie alle wurden zur Herstellung virusbasierter Nanopartikel (VNPs) verwendet. Viren sind ein ausgezeichneter Ausgangspunkt, da sie sich entwickelt haben, um Nukleinsäuren auf natürliche Weise zu verteilen, und daher manipuliert werden können, um andere Verbindungen wie Therapeutika und Bildgebungsreagenzien zu liefern. Schließlich haben Viren eine hohe Replikationsrate, was die Massenproduktion von VNPs zu geringen Kosten ermöglicht.

VNPs bestehen aus regelmäßigen Anordnungen von Virushüllproteinen mit einer wohldefinierten dreidimensionalen Struktur, was sie zu einem besseren technischen Gerüst als hergestellte Partikel macht. Die Struktur von VNPs kann auch verändert werden, indem die für virale Proteine kodierende Nukleinsäure-Vorlage modifiziert wird, bevor sie synthetisiert wird, sowie sie chemisch dekoriert werden, indem Konjugate zu bestimmten Aminosäure-Seitenketten hinzugefügt werden. VNPs sind bekannt für ihre Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit, Fähigkeit zur Überwindung biologischer Barrieren und effiziente Verteilung der Fracht an Zielzellen, da sie hauptsächlich aus Protein bestehen. Viren haben sich so entwickelt, dass sie sich an spezifische zelluläre Proteine binden, Nukleinsäurefracht transportieren und intrazelluläre Maschinen entführen, um Nachkommenviruskomponenten herzustellen. Diese Eigenschaften haben zur Entwicklung von VNPs auf der Basis von Säugetierviren zur Verwendung in der Gentherapie geführt, aber schädliche Wirkungen, die von normalen Virus-Wirt-Interaktionen herrühren, sind schwer auszuschließen [23]. VNPs auf Basis von Bakteriophagen und Pflanzenviren gelten dagegen als unbedenklich, weil selbst voll funktionsfähige Viren den Menschen nicht infizieren können. Aus diesem Grund wird sich der Großteil dieser Vorlesung den medizinischen Anwendungen von VNPs widmen, die aus Bakteriophagen und Pflanzenviren stammen.

Bakteriophagen und Pflanzenviren sind Nukleoprotein-Ansammlungen mit Nukleinsäuren, die fest in einem Kapsid eingeschlossen sind, das aus vielen Kopien derselben Hüllproteine besteht. Kapside sind oft ikosaedrische (ungefähr kugelförmige), steife Röhren oder flexible Filamente, wobei die beiden letztgenannten Kategorien ein hohes Seitenverhältnis aufweisen. Pflanzenviren und Bakteriophagen sind im Gegensatz zu vielen Säugetierviren normalerweise nicht von einer empfindlichen Lipidmembran umhüllt, da sie härtere Umweltbedingungen tolerieren müssen, um ihre Wirte erfolgreich zu infizieren.

Die natürliche Funktion des Viruskapsids besteht darin, die virale DNA vor Nukleasen und anderen physikalischen Bedrohungen zu schützen. Virushüllproteine sind daher chemisch und physikalisch stabil, was für die Entwicklung von VNPs vorteilhaft ist, da sie eine lange Haltbarkeit haben und den chemischen Behandlungen standhalten können, die für die Konjugation mit Zielliganden oder das Beladen mit Nutzlasten wie Arzneimitteln, Fluorophoren oder erforderlich sind Kontrastmittel [54].

3.1. Strategien für die Änderung von VNPs

Gentechnik, Verkapselung, Biomineralisation, Injektion und Biokonjugation sind einige der Ansätze, die zum Design und zur Veränderung virusbasierter Produkte verwendet werden können. Die Grundstruktur des Hüllproteins kann gentechnisch verändert werden, indem bestimmte Aminosäurereste eingefügt, entfernt oder ausgetauscht werden [42]. Solche Modifikationen erleichtern die Funktionalisierung oder Veränderung der physikalisch-chemischen Gesamtmerkmale des VNP [20, 57]. Aufreinigungs-/Immunnachweis-Tags, Epitopsequenzen, um das VNP zu einem Impfstoff zu machen, und Targeting-Sequenzen, um das VNP zu zielspezifischen Rezeptoren zu machen, sind alles Beispiele für solche Veränderungen [70]. Unter Verwendung vergleichbarer rekombinanter Expressionstechnologien ist es auch möglich, unnatürliche Aminosäuren als einzigartige Ansatzpunkte für nachfolgende chemische Reaktionen einzubauen [55] .

Unter physiologischen Bedingungen bauen sich Virus-Hüllproteine um Nukleinsäuren selbst zusammen, und diese Eigenschaft (die VNPs gemeinsam haben) kann verwendet werden, um VNPs zu zerlegen und sie in erwünschteren Konfigurationen um andere Frachtmoleküle herum wieder zusammenzubauen. Zwei Grundprinzipien können verwendet werden, um die Ladungseinkapselung auszulösen: (a) Oberflächenladung und elektrostatische Wechselwirkungen oder (b) einzigartige Bindungswechselwirkungen, die während der Selbstorganisation auftreten [18]. Ein Translational Repression (TR)-Operatorprotein wird zum Beispiel im Bakteriophagen MS2 gefunden und bindet an eine TR-RNA-Stammschleife. Chemisch modifizierte TR-Operatorproteine können kleine therapeutische Moleküle transportieren. Wenn unbeschädigte MS2-Partikel mit modifizierten TR-Operatoren kombiniert werden, diffundieren letztere in die VNPs und binden stabil an das Kapsid. Diese Designtechniken wurden verwendet, um erfolgreich therapeutische Verbindungen wie die Ricin-A-Kette und 5-Fluoruridin in MS2-Partikel einzufügen. Der Transport der Nutzlast und das erfolgreiche Abtöten von Zielzellen wurden in der Zellforschung in vitro unter Verwendung dieser Technik demonstriert [7, 68].

Biomineralisation ist die Ablagerung von Mineralien in und um die Zellen und Gewebe von lebenden Organismen, bezieht sich jedoch auf die Fähigkeit viraler Hüllproteine, sich um einen Mineralkern herum zu bilden oder eine Mineralisierung in der Umgebung von VNPs zu bilden. Die VNP-Biomineralisation hat verschiedene Anwendungen in der Energieforschung, aber es gibt auch Beispiele in der Medizin, insbesondere wenn mineralische Ladungen als Kontrastmittel verwendet werden [43].

Einige Materialien sollten eingekapselt werden, indem die Bildung von Kapsiden um eine Fracht stimuliert wird, während andere durch das Viruspartikel und in den inneren Hohlraum diffundieren können, wo sie durch nichtkovalente Wechselwirkungen mit Nukleinsäuren oder intern hervorstehenden Aminosäureseitenketten davon überzeugt werden können, im Inneren zu bleiben , oder Biokonjugation können sie dauerhaft an Griffe binden. [64] . Diese Methode wurde verwendet, um fluoreszierende Farbstoffe für die optische Bildgebung, Gd 3+ -Ionen für die MRT und kleine medizinische Verbindungen zu laden [45, 71] .

Die Verwendung klassischer Chemie zur Funktionalisierung spezifischer Aminosäureseitenketten, wie Carboxylatgruppen an Glutaminsäure- und Asparaginsäureresten, reaktive Amine an Lysinresten, Sulfhydrylgruppen an Cysteinresten und Phenolgruppen an Tyrosinresten, ist einer der wirkungsvollsten Ansätze für die Modifizierung von VNPs. Diese Gruppen können direkt an spezifische Moleküle gebunden oder so geändert werden, dass sie funktionelle Gruppen für komplexere Konjugationsverfahren enthalten.

3.2. Virusbasierte Nanopartikel in therapeutischen Interventionen

Bakteriophagen und Pflanzenviren haben die Fähigkeit, in Säugetierzellen einzudringen und sich ohne zusätzliche Reproduktion zu replizieren, was sie zu nützlichen therapeutischen Werkzeugen macht. Virusbasierte Nanomaterialien können so entwickelt werden, dass sie auf bestimmte Zellen wie Krebszellen und Zellen des Immunsystems abzielen. Sie können auch als Impfstoffe eingesetzt werden, da sie Antigene dem Immunsystem aussetzen können. Immuntherapie und kombinierte Immun-/Chemotherapien profitieren von VNP-Wechselwirkungen mit dem Immunsystem, während Bildgebung und Arzneimittelabgabe in der Regel nicht der Fall sind. Infolgedessen wurden zahlreiche Wege entwickelt, um VNPs vor dem Immunsystem abzuschirmen und sie gleichzeitig zu spezifischen Zielzellen zu leiten. Die VNP-Clearance über das mononukleäre Phagozytensystem kann umgangen werden, indem die Oberflächenchemie oder Form der Partikel modifiziert wird [53]. Beispielsweise kann die Oberflächen-PEGylierung unspezifische Wechselwirkungen zwischen VNPs und Makrophagen reduzieren, sodass sie länger zirkulieren können [30]. Die genetische oder chemische Zugabe von Verbindungen, die an Rezeptoren binden, die auf bestimmten Zelltypen, wie z. B. Krebszellen, stark exprimiert werden, kann verwendet werden, um auf sie abzuzielen. Die Form, Größe und das Seitenverhältnis des VNP können auch die Gewebespezifität beeinflussen, daher sind dies zusätzliche Eigenschaften, die während der Designphase zu berücksichtigen sind. Insbesondere röhrenförmige oder filamentöse VNPs können in vivo Merkmale aufweisen, die kugelförmigen VNPs überlegen sind, wie z. B. erhöhter Fluss und Rand zur Arterienwand und verringerte Clearance durch das mononukleäre phagozytische System, was zu einem verbesserten Tumor-Homing und Thrombus-Targeting führt [51, 65]. VNP-Strukturen können verwendet werden, um den Einfluss der VNP-Größe und -Form auf die Effizienz der Arzneimittelverabreichung und Bildgebung zu untersuchen, da sie monodispers sind und mit feiner und wiederholbarer räumlicher Kontrolle modifiziert werden können.

3.3. Arzneimittelabgabe mit VNPs

Die Entwicklung von VNPs, die auf bestimmte Zelltypen abzielen, hat die Zugabe toxischer Nutzlasten durch Konjugation, Infusion und/oder Verkapselung ermöglicht, was zum Tod der Zielzellen führt und die selektive Eliminierung von Krebszellen oder anderen erkrankten Zellen ohne Off- Zieleffekte. Die Konjugation beinhaltet, wie oben kurz diskutiert, die selektive kovalente Addition von Nutzlastmolekülen an spezifische Aminosäurereste des Hüllproteins. Die Infusion erfolgt durch Inkubation des intakten VNP in einer Lösung, die die Fracht enthält, während die Verkapselung die Montage des Trägers um die Nutzlast erfordert [9]. Gene und kurze interferierende RNAs, photoaktive Moleküle, die die photodynamische Therapie unterstützen, herkömmliche niedermolekulare Medikamente und sogar heterologe virale Genome für die Gentherapie. [4, 17].

Toxische Ladungen können bevorzugt in den VNP-Hohlraum geladen werden, anstatt die äußere Oberfläche zu beschichten, wodurch sie vor enzymatischem und chemischem Abbau in vivo geschützt und Wechselwirkungen mit Nichtzielzellen vermieden werden. Die Kapazität und Effizienz des Ladens von VNPs werden im Allgemeinen verbessert, indem das native virale Genom verworfen wird, was durch Exprimieren der Hüllproteine von einem Plasmid (für Bakteriophagen-VNPs) oder einem Transgen (für Pflanzen-VNPs) erreicht werden kann, so dass die virale Nukleinsäure vorliegt nie vorhanden; das resultierende leere Partikel wird als virusähnliches Partikel (VLP) bezeichnet. Das virale Genom kann auch durch selektiven chemischen oder enzymatischen Abbau entfernt werden.

Die kovalente Bindung schädlicher Ladungsmoleküle an intern exponierte Seitenketten verhindert eine frühzeitige Freisetzung, aber nichtkovalente Methoden ermöglichen normalerweise eine höhere Beladungseffizienz, da innerhalb des VNP mehr Platz für mehr Ladung vorhanden ist, wenn der gesamte Hohlraum und nicht nur die innere Oberfläche verwendet wird. Die Polymerisation kann das Beste aus beiden Welten bieten, indem sie ein verzweigtes Netzwerk aus funktionalisierten Gruppen für die Nutzlastbefestigung bildet, das sich von der äußeren Oberfläche des VNP erstreckt oder sein Inneres durchdringt [27, 44]. Obwohl sich die meisten Forschungsarbeiten auf das VNP-Design und die In-vitro-Toxizität konzentriert haben, haben vorklinische Tests eines VNP-basierten Arzneimittelabgabevehikels die In-vivo-Wirksamkeit und reduzierte Kardiotoxizität eines mit Doxorubicin beladenen VNP gezeigt, insbesondere des mit Folsäure modifizierten Gurkenmosaikvirus (CMV). Ziel Eierstockkrebs [72].

VNPs wurden zusätzlich zur Standard-Chemotherapie mit Photosensibilisatoren für photodynamische Therapieanwendungen beladen. Ein auf Bakteriophage Q basierendes VLP wurde zum Beispiel mit einem Metalloporphyrin-Derivat für die photodynamische Therapie und Glykan-Bindungsstellen beladen, die auf Zellen mit dem CD22-Rezeptor abzielen [47]. Darüber hinaus wurde als erste Demonstration von theranostischen VNPs ein multifunktionales MRT-Kontrastmittel und ein photodynamisches Therapiemittel (chelatisiertes Gd 3+ – und Zn 2+ -Phthalocyanin) erfolgreich in CCMV eingekapselt [38]. Darüber hinaus wurden hybride VNP-basierte Materialien mit Metallnanopartikeln für die photothermische Therapie untersucht [21].

3.4. Immunisierung und Immuntherapie basierend auf von Viren abgeleiteten Strukturen

Da Materialien auf Virusbasis sich wiederholende proteinbasierte Strukturen aufweisen, lösen sie Immunantworten aus, was sie für die Entwicklung von Impfstoffen und Immunmodulatoren nützlich macht. Partikelbasierte Impfstoffe werden in vier Typen eingeteilt: (a) chemisch inaktivierte Virusimpfstoffe, (b) abgeschwächte Virusimpfstoffe mit geringer Virulenz, (c) genomfreie und nicht-infektiöse VLPs und (d) chimäre und Nanopartikel-Impfstoffe, wobei Die von Pathogenen stammenden Epitope werden auf einem nicht infektiösen Träger wie einem Pflanzenvirus, einem Bakteriophagen oder einer chemisch synthetisierten Plattform präsentiert [22]. Partikel-Impfstoffe wie VLPs und andere Nanopartikel-Impfstoffe haben mehrere Vorteile gegenüber DNA-Impfstoffen und Subunit-Impfstoffen [2, 29]. Der virusbasierte Träger bietet Antigenstabilität, transportiert mehrere Kopien des Antigens (multivalente Präsentation) und hat die Fähigkeit, zwei oder mehr verschiedene Antigene zu präsentieren. Die Formulierung fördert die passive oder aktive Aufnahme durch Antigen-präsentierende Zellen, worauf die Aktivierung und Vorbereitung der entsprechenden T- und B-Zell-Antworten folgt [32].

3.4.1. Impfstoffe gegen Infektionskrankheiten

VLP-Impfstoffe hatten großen Erfolg gegen Viruserkrankungen, insbesondere wenn die Struktur der nicht infektiösen Impfstoffformulierung der des natürlichen Virus sehr ähnlich ist (diese wurden als native VLPs bezeichnet) [46]]. Das erste erfolgreiche Beispiel war der Impfstoff gegen das Hepatitis-B-Virus (HBV). Es hat HBV-Infektionen in immunisierten Populationen stark reduziert. Impfstoffe gegen das humane Papillomavirus (HPV) lösen eine Immunität gegen das Virus aus, das wiederum vor HPV-induziertem Gebärmutterhalskrebs und möglicherweise anderen HPV-induzierten Krebsarten schützt [48].

Chimäre VLPs exprimieren heterologe Antigene und können antipathogene und neutralisierende Antikörper erzeugen, was darauf hindeutet, dass eine Immunisierung einen Schutz gegen eine Pathogenherausforderung bieten kann. Viele Studien zu chimären VLPs basierend auf Pflanzenviren, Bakteriophagen, Insektenviren und tierischen Polyomaviren und Papillomaviren wurden durchgeführt [48]. Chimären wurden auch aus nativen Impfstoffplattformen (z. B. HBV und HPV) erzeugt, und diese Plattformen wurden erweitert, indem zusätzliche heterologe Epitope präsentiert wurden. Diese nativ-chimären VLPs profitieren von einem von der FDA zugelassenen Impfstoff-Rückgrat.

Flock House Virus (FHV), das Insekten infiziert, wurde verwendet, um chimäre VLPs mit komplexen Antigenstrukturen zu erzeugen. Dieses multivalente Display-System wurde so modifiziert, dass es Fragmente des Anthrax-Toxin-Rezeptors (ANTXR2) enthält, der als Gerüst für die Präsentation des schützenden Antigens von Bacillus anthracis dient. In Abwesenheit von Adjuvans aktivierte der Virus-Antigen-Komplex nach einer Einzeldosis schützende Immunantworten [36]. Zusätzliche Mechanismen zur chemischen Bindung multivalenter Antigene induzieren Immunantworten auf ähnlich effiziente Weise. Das FHV-System hat die Fähigkeit, Protein- und Peptidinsertionen an einer Vielzahl von Stellen auf der Kapsidoberfläche zu akzeptieren, sowie die Verfügbarkeit detaillierter struktureller und genetischer Informationen, die eine präzise Platzierung und Anordnung der antigenen Domänen ermöglichen. Beispielsweise ist das Influenza-Hämagglutinin (HA)-Protein ein Hauptantigen für alle Influenza-Stämme, aber aufgrund der antigenen Variation ist es schwierig, breit neutralisierende Immunantworten zu entwickeln. Es gibt einige hoch konservierte Regionen des Proteins, aber sie sind in einem strukturellen Zusammenhang schwer zu erkennen, was die Initiierung spezifischer und neutralisierender Antikörperreaktionen ermöglichen würde. Die Induktion dieser Antikörper wird ermöglicht, indem die konservierten Regionen von HA in einer trimeren Anordnung auf FHV präsentiert werden. Die Nützlichkeit und Breite nativer und chimärer VLPs für Vakzinanwendungen nehmen zu. Die Kombination von biotechnologischen VLP-Impfstoffen und deren Verabreichung beispielsweise in die Atemwege wurde kürzlich als grundlegende Strategie für die zukünftige Impfstoffentwicklung und Immuntherapie demonstriert [49].

3.4.2. Impfstoffe gegen Krebs

Die Anti-Tumor-Impfung hat mehrere Vorteile gegenüber der Chemotherapie, darunter weniger Nebenwirkungen, Vermeidung von Arzneimittelresistenzen, Vorbereitung des Immunsystems auf die Eliminierung von restlichen arzneimittelresistenten Zellen und Induktion eines immunologischen Langzeitgedächtnisses zum Schutz vor Metastasen und Rückfällen.

Mehrere VNP-basierte Krebsimpfstoffstrategien wurden evaluiert, einschließlich der gemusterten Präsentation von tumorassoziierten Kohlenhydrat- oder Peptidantigenen. Tn-spezifische Antikörper wurden nach Konjugation an das virusbasierte Gerüst und multivalente Präsentation in hohen Titern produziert. In ähnlicher Weise können Antigen-spezifische IgG- und IgM-Antworten durch an TMV konjugiertes Tn-Antigen hervorgerufen werden. Die Präsentation von Krebsepitopen auf virusbasierten Gerüsten ermöglicht es, diese Selbstepitope in einer nicht-nativen molekularen Umgebung zu präsentieren, was eine vielversprechende Strategie zur Überwindung der Selbsttoleranz darstellt.

3.4.3. Impfstoffe für neurologische Erkrankungen und Sucht

VLPs wurden als Nanostrukturen verwendet, um das Protein Amyloid Beta (A) zu präsentieren, das mit dem Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wurde. In Abwesenheit von Adjuvans lösten Papillomavirus und Q-VLPs, die A-Antigene enthielten, Anti-A-Antikörper mit begrenzten T-Zell-Antworten aus. Die Antikörper-Subklassen unterschieden sich je nachdem, ob das ganze Antigen oder Peptid-Antigene verwendet wurden [13].

Ein potenzieller Impfstoff gegen Nikotinsucht wurde kürzlich unter Verwendung eines 30 nm großen ikosaedrischen Kapsids des Bakteriophagen Q entwickelt, das chemisch modifiziert wurde, um Nikotin auf multivalente Weise zu präsentieren. Die multivalente und partikuläre Natur des Q-basierten Impfstoffs stimuliert die Produktion von antinikotinneutralisierenden Antikörpern, senkt den Nikotinspiegel im Blut und begrenzt den Transport durch die Blut-Hirn-Schranke.

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Test LO 1.1

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Zusammenfassung

Das Virus, das COVID-19 verursacht, kann durch winzige Wasserpartikel, sogenannte Aerosole, und das Virus von einer Person zur anderen übertragen werden. Wir machen diese Aerosole, wenn wir atmen, und noch mehr, wenn wir sprechen, schreien oder singen. Aerosole unterscheiden sich von größeren Tröpfchen, die COVID-19 verbreiten. Größere Tröpfchen fallen schnell zu Boden und entfernen sich drei bis sechs Meter von der Person, die sie erzeugt. Aerosole können stundenlang in der Luft schweben und weite Strecken zurücklegen. Aerosole enthalten weniger Viren als größere Tröpfchen, sodass Sie mehr Aerosole einatmen müssen, um krank zu werden. Aerosole können sich bilden, wenn die Luft im Inneren nicht richtig zirkuliert. Die Übertragung von Viren über die Luft nimmt in den Wintermonaten zu, weil die Menschen mehr Zeit in Innenräumen verbringen und es oft zu kalt ist, um die Fenster offen zu halten. Im Winter ist die Luft insbesondere in beheizten Innenräumen trockener. Trockene Luft schädigt die Schleimhaut der Atemwege und kann das Eindringen des Virus in die Atemwege erleichtern. Das bedeutet auch, dass kleinere Aerosole länger in der Luft schweben. Daher wird erwartet, dass die Übertragung von COVID-19 über die Luft in den Wintermonaten häufiger auftritt. Wenn Sie nicht vollständig geimpft sind, werden das Tragen von Gesichtsmasken und ein Abstand von mindestens einem Meter zu anderen Personen sowie eine gute Luftzirkulation (Lüftung) in Gebäuden, Schulen und Wohnungen sowie Luftreiniger, die mit Nanotechnologie hergestellt wurden, die Ausbreitung von COVID- 19 in Aerosolen.

Schlüsselwörter/Phrasen:  Luftfiltersysteme, Nanotechnologie, COVID-19

1. Einführung

COVID-19 hat die menschliche Bevölkerung gezwungen, ihre Lebensweise zu überdenken. Die Bedrohung durch die potenzielle Ausbreitung des Virus durch die Luftübertragung durch Lüftungssysteme in Gebäuden und geschlossenen Räumen wurde als großes Problem erkannt. Um diese Bedrohung abzuschwächen, haben Forscher verschiedene Technologien und Methoden entdeckt, mit denen die Viruskonzentration in Lüftungssystemen und Innenräumen beseitigt oder verringert werden kann. Obwohl viele Technologien und Methoden bereits erforscht wurden, sind einige derzeit im Handel erhältlich, aber ihre Wirksamkeit und Sicherheitsbedenken wurden noch nicht vollständig untersucht. Dieser Artikel enthält einen kurzen Überblick über verschiedene anwendbare Technologien und Methoden zur Bekämpfung von luftübertragenen Viren in Lüftungsanlagen und Innenräumen, um einen breiteren Blick und Überblick über die aktuelle Forschungs- und Entwicklungssituation zu erhalten. Es umfasst effiziente Luftfiltration, Luftionisierung, Umweltkontrolle, ultraviolette keimtötende Bestrahlung, nichtthermisches Plasma und reaktive Sauerstoffspezies, Filterbeschichtungen, chemische Desinfektionsmittel und Hitzeinaktivierung. In diesem Artikel werden Informationen zu Luftfiltersystemen gegeben, die Viren verhindern.

COVID-19 hat die menschliche Bevölkerung gezwungen, sich schnell an das neue und hoch ansteckende Virus anzupassen. Die Übertragungswege sind nicht vollständig geklärt; Es wird jedoch akzeptiert, dass das Virus durch direkten Kontakt mit einer anderen Person oder durch Verdunsten von Atemtröpfchen als Tröpfchenkerne, die lange Zeit als Aerosole in der Schwebe bleiben können, in die Luft übertragen werden kann [23, 20, 7]. Diese Aerosole können Lüftungssysteme in Gebäuden und geschlossenen Räumen passieren und schließlich in andere Bereiche eindringen, die von infizierten Personen entfernt sind [6, 14]. Während über die Ernsthaftigkeit der Bedrohung durch diese Tröpfchen in der Luft diskutiert wird, wird anerkannt, dass diese Form der Übertragung für typischerweise enge Räume nicht ignoriert werden kann. Darüber hinaus deutet eine kürzlich durchgeführte Studie sogar darauf hin, dass die Übertragung über die Luft der dominierende Transportweg sein könnte (Abb. 1) [6].

Obwohl COVID-19 nicht vollständig verstanden wird, wurden viele Lehren aus früheren luftübertragenen Viren wie Tuberkulose und verschiedenen Grippestämmen gezogen [14, 21]. Aus einem sehr grundlegenden Verständnis der Verbreitung von Viren folgt, dass eine bestimmte Virusmenge in eine nicht infizierte Person eindringen muss, um die Viruslast zu erhöhen und eine neue Infektion zu etablieren. Traditionell wird dies in der epidemiologischen Literatur als Quantum definiert, die Anzahl infektiöser luftgetragener Partikel, die erforderlich ist, um 63 % der Personen in einem begrenzten Raum zu infizieren [22], und dient als Basiskriterium für viele Modelle, die versuchen, die Wahrscheinlichkeit einer Infektion zu quantifizieren ohne Kontakt mit einem Krankheitserreger. Dieses Modell basiert auf einer gut gemischten Kammerannahme, die in der Literatur unterstützt wird [19, 2, 26]. Und es wird einfach davon ausgegangen, dass die Partikel gleichmäßig in einem geschlossenen Raum verteilt sind, anstatt eine kleine Aerosolwolke zu erzeugen, die sich um eine infizierte Person herum ausbreitet. Die Ausbreitung und Wirkung der Infektion werden durch Faktoren wie Viruslast, Inhalationsrate, Tröpfchenvolumenkonzentration, die von der infizierten Person ausgestoßen wird, die Anzahl der Viruspartikel, die zum Auslösen einer Infektion erforderlich sind, und das Volumen des umschlossenen Raums bestimmt.

Abbildung 1. Infektionsrisiko durch Tröpfchen in der Luft.

Mathematisch wird die Quantenemissionsrate durch die Viruslast, die Inhalationsrate, die vom infizierten Individuum ausgestoßene Tröpfchenvolumenkonzentration und die Anzahl der Viruspartikel bestimmt, die zum Auslösen einer Infektion erforderlich sind. Die Auswirkungen zur Verringerung der Infektionsmöglichkeit sind Faktoren wie Luftaustausch, Luftfiltrationsrate, Tröpfchenablagerung, Tröpfchenabsetzrate, Inaktivierungsrate und Partikelradius.

Daher können mehrere Schlüsselfaktoren als mögliche Verfahren zum Entfernen von Viruspartikeln aus einem begrenzten Raum in Betracht gezogen werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Infektion zu verringern. Dies sind (Abb. 2):

• die Zufuhr von Frischluft erhöhen und folglich die Quantenkonzentration verringern;
• Erhöhen Sie die Filtrationsrate für ein HVAC-System;
• Erhöhung der Ablagerungsrate von Viruspartikeln auf Oberflächen;
• Virusinaktivierung erhöhen.

Abbildung 2. Verbesserung der Raumluftqualität zur Vorbeugung von COVID-19.

 

Obwohl die Definition unterschiedlich ist, kann die Erhöhung der Ablagerungsrate von Viruspartikeln als ähnlich angesehen werden wie die Erhöhung der Sedimentationsrate. Sedimentation bezeichnet das Absetzen von Partikeln auf dem Boden oder anderen Oberflächen aufgrund von Gravitationskräften. Luftgetragene Partikel können sich jedoch aufgrund von Mechanismen wie unnatürlicher Diffusion zur Partikelsedimentation auch an Wänden und anderen Oberflächen ansammeln. Die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) und die Weltgesundheitsorganisation (WHO) bestätigen die Entfernung von Viruspartikeln durch Luftaustausch [8, 4]. Und empfehlen, die Zufuhr von Frischluft zu erhöhen, um die Konzentration von Viruspartikeln auf engstem Raum auf einfache Weise zu reduzieren. Die Luftionisierung kann auch verwendet werden, um die Entfernungsrate von viralen Partikeln aus einem begrenzten Raum zu erhöhen, indem die Filtrationseffizienz und die Partikelablagerung erhöht werden. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, um die Luft zu sterilisieren und das Virus unschädlich zu machen, wodurch die Rate der Virusinaktivierung erhöht und die Notwendigkeit verringert wird, Partikel aus der Luft zu entfernen. Diesbezüglich kann folgendes aufgeführt werden.

• Ultraviolette keimtötende Bestrahlung (UVGI).Dies ist eine traditionell beliebte Technologie zur Bekämpfung von Viren in der Luft (Abb. 3).
• Kontrolle von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Es wurde auch vorgeschlagen, dass die direkte Kontrolle der Umweltbedingungen eines Gebiets eine ungünstige Umgebung für Viren schafft, wodurch die natürliche Rate der Virusinaktivierung erhöht wird. Dies umfasst das Steuern der Temperatur und relativen Feuchtigkeit eines Bereichs, um eine besonders allgemein feindliche Umgebung aufrechtzuerhalten.
• Nichtthermisches Plasma und reaktive Sauerstoffspezies. Diese bieten weitere Alternativen zur Virusinaktivierung, die sich als wirksam gegen Bakterien und andere Mikroben erwiesen haben.
• Filterbeschichtungen verwenden. Ein weiteres mögliches Verfahren verwendet Filterbeschichtungen, die die Virusinaktivierung durch Mechanismen wie die inhärenten antiviralen Eigenschaften der Materialien oder durch direkte Schädigung des Virus erleichtern.
• Chemische Desinfektionsmittel. Chemische Desinfektionsmittel haben sich auch als wirksam erwiesen, um Viren von Oberflächen zu entfernen, und können andere Lösungen zur Erhöhung der Virusinaktivierung bieten.
• Überhitzte Sterilisation. Die überhitzte Sterilisation kann eine weitere praktikable Lösung zur Inaktivierung von Viruspartikeln bieten, obwohl sie traditionell zur Sterilisation von chirurgischen Geräten in kleinerem Maßstab verwendet wurde.

Abbildung 3. Verbesserung der Belüftung und Luftfilterung von Wohn- und Arbeitsräumen, um die Übertragung von COVID-19 zu verhindern

2. Luftfilterung und SARS-CoV-2

In verschiedenen Anwendungen ist die Luftfiltration zu einem entscheidenden Eingriff bei der Bewältigung der Ausbreitung der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) geworden. Die richtige Platzierung der Luftfiltration wurde jedoch durch ein schlechtes Verständnis ihrer Prinzipien behindert. Diese Missverständnisse haben zu Ungewissheit über die Wirksamkeit der Luftfiltration beim Stoppen potenziell infektiöser Aerosolpartikel geführt. Ein richtiges Verständnis der Funktionsweise der Luftfiltration ist entscheidend, um weitere Entscheidungen bezüglich ihrer Verwendung zur Bekämpfung der Ausbreitung von COVID-19 zu treffen. Das Problem ist erheblich, da jüngste Beweise gezeigt haben, dass das Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom länger in der Luft bleiben und sich in der COVID-19-Pandemie weiter als bisher erwartet bewegen kann, mit reduzierten Konzentrationen und Lebensfähigkeit. SARS-CoV-2-Virionen haben einen Durchmesser von etwa 60-140 nm, während größere Atemtröpfchen und Luftverschmutzungspartikel (> 1 µm) Virionen beherbergen. Die Entfernung von Partikeln, die SARS-CoV-2 übertragen können, aus der Luft ist mit einer Luftfiltration möglich, die auf natürlicher oder mechanischer Luftbewegung basiert. Unter den verschiedenen Arten von Luftfiltern wurden hocheffiziente Partikelfilter (HEPA)-Filter empfohlen. Andere Arten von Filtern sind weniger oder effektiver und dementsprechend leichter oder schwieriger, die Luft zu bewegen. Die Verwendung von Masken, Atemschutzgeräten, Luftfiltermodulen und anderer Spezialausrüstung ist ein wichtiger Eingriff bei der Bekämpfung der Ausbreitung von COVID-19. Es ist wichtig, Luftfiltrationsmechanismen zu berücksichtigen und zu verstehen, wie Aerosolpartikel, die SARS-CoV-2-Virionen enthalten, mit Filtermaterialien interagieren, um bewährte Verfahren für die Verwendung von Luftfiltration zur Verringerung der Ausbreitung von COVID-19 zu ermitteln.

Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass das Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom lange Zeit in der Luft schweben kann. Einige der luftgetragenen SARS-CoV-2-Virionen bleiben mindestens 3 Stunden nach der Aerosolisierung lebensfähig [31]. Polymerase-Kettenreaktion-positives SARS-CoV-2 wurde in Aerosolpartikeln mit einem Durchmesser von mehr als 1 μm in Räumen nachgewiesen, in denen sich Patienten mit der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) aufhielten [5]. In einer anderen Studie wurde SARS-CoV-2-RNA in der Aerosolphase in einem Abstand von mindestens 3 m von infizierten Personen in Innenräumen nachgewiesen [15]. SARS-CoV-2-RNA wurde auch in Luftverschmutzungspartikeln gefunden, die in der Luft zirkulieren [24].

Der Durchmesser von SARS-CoV-2-Virionen beträgt etwa 60–140 nm [39]. Viele ausgeatmete Atemtröpfchen, die Virionen enthalten können, sind jedoch erheblich größer als die Virionen selbst. Die Tröpfchenverdunstung in der Luft reduziert jedoch ihre Größe [39], wodurch potenziell infektiöse Partikel deutlich länger in der Luft verbleiben können. Es wurde beobachtet, dass trockene Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 4 &mgr ; m aufgrund des Trocknens von Sprache stammende nasse Tröpfchen von 12 &mgr ;m bis 21 &mgr;m bildeten. Es dauerte etwa 8 Minuten, bis diese trockenen Tröpfchen in ruhender Luft nur 30 cm tief fielen [35]. Bei niedriger Umgebungstemperatur kann die ausgeatmete Luft mit hoher Feuchtigkeit übersättigt werden. Die Feuchtigkeit kondensiert dann auf den von einer Person ausgestoßenen Partikeln, wodurch sie sich in Tröpfchen oder Eiskristalle mit größerem Durchmesser verwandeln. In solchen Tröpfchen oder Eiskristallen können SARS-CoV-2-Virionen länger überleben, und dies ist eine wichtige Hypothese, die zukünftige Forschung testen muss. Daher können Umweltbedingungen und Aerosoldynamik das breite Spektrum eingeatmeter Partikelgrößen und die Lebensfähigkeit von SARS-CoV-2-Virionen in Aerosolpartikeln, die die Luftübertragung im Innen- und Außenbereich vermitteln, grundlegend verändern. COVID-19-Ausbrüche in Schlachthöfen und Skigebieten können zumindest teilweise auf die Dynamik von Kaltluftaerosolen zurückzuführen sein.

Das Entfernen von Partikeln, die SARS-CoV-2 beherbergen können, mit speziellen Luftfiltergeräten und Masken oder Atemschutzgeräten aus der Luft ist ein wichtiger Eingriff bei der Eindämmung der Ausbreitung von COVID-19. Ein unzureichendes Verständnis der Funktionsweise der Luftfiltration und Missverständnisse über das Konzept der Filtrationseffizienz für Aerosolpartikel unterschiedlicher Größe behindern jedoch den effektiven Einsatz der Luftfiltration. Um Best Practices für den Einsatz von Luftfiltration bei der Bekämpfung der Ausbreitung von COVID-19 zu ermitteln, ist es entscheidend, Luftfiltrationsmechanismen zu berücksichtigen und zu verstehen, wie Aerosolpartikel, die SARS-CoV-2-Virionen enthalten, mit Filtermaterialien interagieren.

Effiziente Luftfilter (EPA), hocheffiziente Luftfilter (HEPA) (Abb. 4) und Ultra-Low-Penetration-Luftfilter (ULPA) sind seit vielen Jahren in verschiedenen Branchen und Anwendungen weit verbreitet [25]. HEPA-Filter werden für die Infektionskontrolle im Gesundheitswesen empfohlen [13, 10], basierend auf einem Gleichgewicht zwischen höherer Filtrationseffizienz und geringerem Druckabfall im Vergleich zu ULPA. HEPA-Filter werden auch häufig in Nicht-Gesundheitsumgebungen verwendet, in denen in der Luft befindliche Infektionserreger vorhanden sein können. Beispiele hierfür sind die Filterung von Umluft in Passagierflugzeugen und Biosicherheitsschränke in Labors, unter anderem dort, wo SARS-CoV-2-Forschung betrieben wird [37].

GAllgemein wird die Abkürzung HEPA als „High Efficiency Particulate Air“ interpretiert. Beide Versionen des zugrunde liegenden Begriffs sind weit verbreitet und es gibt keinen Unterschied zwischen ihnen. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten und die Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten (EPA) definieren HEPA basierend auf einer Effizienz von mindestens 99,97 %, wenn es mit einem Aerosol mit einem Durchmesser von 0,3 μm getestet wird [36]. Die EPA der Vereinigten Staaten definiert einen Durchmesser von 0,3 µm als „die durchdringendste Partikelgröße“ (MPPS). Abhängig von der Art der Aerosolpartikel, der Art des Filtermaterials und der Durchflussrate kann der MPPS jedoch mit einem absoluten Wert um 0,3 μm schwanken [25]. Partikel, die größer oder kleiner als MPPS sind , werden mit einer Effizienz von mehr als 99,97 % gehalten [32]. Das Konzept von MPPS widerspricht dem verbreiteten Missverständnis, dass die Filtrationseffizienz bei Partikeln kleiner als MPPS (z. B. kleiner als 0,3 µm) sinkt. Dieses Missverständnis trug zu einer frühen Politik bei, die von der Annahme in die Irre geführt wurde, dass SARS-CoV-2-Virionen zu klein seien, um effektiv aus der Luft gefiltert zu werden.

Abbildung 4 . HEPA-Filter.

Es wird empfohlen, HEPA-Filter an den Ausgängen von Beatmungsgeräten zu installieren, die in der Intensivpflege von mit SARS-CoV-2 infizierten Personen verwendet werden. Die Verwendung von stationären (Gebäudebelüftung) und tragbaren HEPA-Filtersystemen mit und ohne Luftumwälzung (Raumluftreiniger) wird von den United States Centers for Disease Control and Prevention und der Weltgesundheitsorganisation für den Einsatz in Gesundheitseinrichtungen empfohlen, einschließlich dort, wo SARS- CoV-2-Patienten sind anwesend [10]. Nationale und internationale Normen regeln die Mindestanforderungen an die Abscheideleistung von HEPA-Filtern. Die beiden am weitesten verbreiteten Normen sind die internationale Norm ISO 29463 und die europäische Norm EN1822. Die Unterschiede zwischen den beiden Standards können ausgeglichen werden. Beispielsweise muss ein nach EN 1822, Filterklasse H14, zertifizierter HEPA-Filter mindestens 99,995 % der Aerosolpartikel im MPPS zurückhalten. Vergleichbar mit EN 1822, Filterklasse H14 Standard, ISO 45 H. Mehrstufige Testprotokolle sind verfügbar, um die Übereinstimmung von Filtern mit den Anforderungen der Normen zu überprüfen [12, 18]. Wenn zwischen Filtern mechanische Luftbewegungen auftreten, kann es wichtig sein sicherzustellen, dass keine starken Richtungsströmungen oder Zugluft gefilterter Luft auftreten. Kürzlich wurden Bedenken geäußert, dass solche gerichteten Strömungen ungefilterte Luft, die infektiöse Partikel enthalten könnte, mitreißen und sie schneller und weiter treiben könnten, als sie in ruhender Luft diffundieren könnten [11].

Filtermaterialien können mit antiviralen Eigenschaften versehen werden. Sobald sich die Aerosolpartikel jedoch auf den Filterfasern gesammelt haben, verlässt und passiert fast keiner von ihnen den Filter während oder nach ordnungsgemäßer Verwendung [25]. Somit haben die antiviralen Eigenschaften der Fasern fast keinen Einfluss auf die Entfernung lebender SARS-CoV-2-Virionen aus der Luft. Partikel, die sich auf zuvor gesammelten Partikeln angesammelt haben, kommen nicht mit dem Filtermaterial in Kontakt, wodurch alle antiviralen Eigenschaften beseitigt werden. Daher kann es keinen Mehrwert bringen, HEPA-Filtermaterialien antivirale Eigenschaften zu verleihen, es sei denn, Menschen kommen während oder kurz nach der Verwendung in direkten Kontakt mit diesen Filtern.

Die Mechanismen der Aerosolpartikelfiltration in der Gasphase – Trägheitsbeaufschlagung, Diffusion, Arretierung, elektrostatische Abscheidung und Siebung [25, 12, 18] – wurden in jahrzehntelanger Forschung eingehend untersucht. Diese Mechanismen haben abhängig vom aerodynamischen Partikeldurchmesser, anderen Partikeleigenschaften und dem Filtrationsmedium unterschiedliche Beiträge zur gesamten Partikelrückhalteeffizienz von Filtern. Die kombinierte Wirkung all dieser Filtrationsmechanismen in HEPA-Filtern erklärt die hohe Filtrationseffizienz und das MPPS-Phänomen über das gesamte Aerosolgrößenspektrum [25]. Verschiedene Arten von Aerosolpartikeln werden unabhängig von ihrer biogenen oder nicht biogenen Herkunft normgerecht hocheffizient gefiltert [12, 18].

Auf der Grundlage zahlreicher veröffentlichter Studien ist bekannt, dass einige Atemwegsinfektionen häufiger auftreten, wenn Menschen stärker verschmutzte Luft einatmen, und dass der Heilungsprozess und die Ergebnisse einiger Atemwegsinfektionen durch Luftverschmutzung beeinträchtigt werden. Ein Zusammenhang zwischen der langfristigen Luftverschmutzung durch Feinstaub und einer höheren COVID-19-Mortalität wurde bereits nachgewiesen [39]. Das Einatmen verschmutzter Luft ist auch stark mit negativen Auswirkungen auf die Atem- und Herz-Kreislauf-Funktionen verbunden [17]. Auf Luftfilterung basierende Interventionen mit angemessener Ausrüstung sollten umfassend umgesetzt werden, um sowohl die Ausbreitung von SARS-CoV-2 durch die Aerosolphase zu verringern als auch den Gesundheitszustand und die Ergebnisse von Menschen zu verbessern, die mit COVID-19 exponiert und infiziert sind.

3. Luftreiniger und Filter

Es wird geschätzt, dass die Verwendung von Luftfiltern und Luftreinigern die Viruslast in der Umwelt verringern wird. Luftreiniger können in Patientenzimmern verwendet werden, was die Wahrscheinlichkeit einer Infektion durch medizinisches Personal aufgrund von Mängeln in der PSA verringern kann. Es kann die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Infektion eines Patienten aufgrund der Übertragung von Viren über die Luft verringern. Diese Art von Filtersystem kann auch in öffentlichen Verkehrsmitteln, im Krankenhausbereich, überall bei der Aerosolerzeugung, in geschlossenen Fahrzeugen und zu Hause eingesetzt werden. Flüssigkeitströpfchen beim Husten oder Niesen einer infizierten Person sind typischerweise 5 Mikrometer oder mehr groß. Das kleinste besorgniserregende Partikel ist das einzelne Virion (das nicht an einem Flüssigkeitströpfchen haftet) mit einem Durchmesser von etwa 0,12 Mikrometern. Das kleinste Partikel, um das man sich Sorgen machen muss, ist ein einzelnes Virion (das nicht an einem Flüssigkeitströpfchen haftet) mit einem Durchmesser von etwa 0,12 Mikrometern. Diese können durch einen HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air) sinnvoll gefiltert werden [3]. ULPA -Filter (Ultra Low Penetration Air) sind fortschrittlicher, da sie fast 99,99 % der Partikel mit einer Größe von 0,12 Mikron und darüber einfangen. Der Einsatz von Nanotechnologie erhöht die Virusfangkapazität und -reinigung solcher Luftreiniger und -filter weiter. Es hat einen effizienten Filter auf Basis von Nickel (Ni)-Schaum hergestellt, um luftübertragene Viren und Mikroben, einschließlich SARS-CoV-2 und Bacillus anthracis , einzufangen und abzutöten. Da das SARS-CoV-2-Virus bei Temperaturen über 70 °C nicht überleben kann, ist der Luftfilter für den Betrieb bei 200 °C durch Erhitzen von Ni-Schaum ausgelegt. Die Effizienz des entworfenen Filters soll 99,8 % für das SARS-CoV-2-Virus und 99,9 % für Bacillus anthracis betragen [3].

Jüngste Studien zeigen, dass Nanotechnologie neben ihrer Verwendung in Reinigungsprodukten und PSA auch bei der Entwicklung von Luftreinigern eingesetzt wurde, um die Übertragung des SARS-CoV-2-Virus über die Luft zu verhindern. In diesem Zusammenhang ist der von der französischen Firma TEQOYA entwickelte Luftionisator TeqAir 200 bereits auf dem Markt (Bild 5). Da die Größe von SARS-CoV-2 nahe am Median der Partikelgrößen liegt, für die TEQOYA-Luftreiniger effizient sind, wird erwartet, dass sie die Konzentration von SARS-CoV-2 in der Luft reduzieren.

Abbildung 5. Luftionisator TeqAir 200

3.1. Nanofaser-Technologie

Forscher der University of South Florida haben ein Luftreinigungsgerät „ Molekule “ entwickelt, das angeblich Luftschadstoffe, einschließlich Bakterien, Schimmelsporen und Viren, effektiv zerstört [9]. Der Luftreiniger verwendet photoelektrochemische Oxidation (PECO), bei der UV-A-Licht verwendet wird, um einen Katalysator im mit Nanopartikeln beschichteten Filter zu aktivieren, um freie Radikale zu erzeugen, die Luftschadstoffe oxidieren [9]. Diese PECO-basierten Luftreiniger haben ein enormes Potenzial, die Ausbreitung des Virus zu verlangsamen, vor allem in Gesundheitseinrichtungen.

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Test LO 2.1

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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
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Zusammenfassung

Virusepidemien entwickeln sich aufgrund des Auftretens neuer Varianten infektiöser Viren. Der Mangel an wirksamen antiviralen Behandlungen für neue Virusinfektionen führt in Verbindung mit der raschen Ausbreitung der Infektion in der Gemeinde häufig zu enormen menschlichen und finanziellen Verlusten. Die Virusübertragung kann durch engen Kontakt von Person zu Person oder durch Kontakt mit einer kontaminierten Oberfläche erfolgen. Daher ist eine sorgfältige Desinfektion oder Sanierung unerlässlich, um die Virusausbreitung zu reduzieren. Es gibt zahlreiche Desinfektions-/Desinfektionsmittel/Biozidmittel, die Viren inaktivieren können, deren Wirksamkeit jedoch von vielen Faktoren wie Wirkstoffkonzentration, Einwirkzeit, Temperatur und organischer Belastung abhängt. Fortschritte in der Nanotechnologie sind von großer Bedeutung bei der Inaktivierung von Viren und bei der Bekämpfung der COVID-19-Epidemie.

Schlüsselwörter/Phrasen: Desinfektion, Nanotechnologie, COVID-19

1. Einführung

Virusübertragungen und -infektionen haben in der Vergangenheit ernsthafte Bedrohungen für die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen dargestellt und zu weit verbreiteten sozioökonomischen Störungen geführt. Vor einem Jahrhundert, im Jahr 1918, verursachte die Pandemie der „Spanischen Grippe“ eine weltweite Katastrophe mit mehr als 50 Millionen Toten und 500 Millionen Infektionen [33]. Als eines der Länder, das 2014 am stärksten von der Ebola-Epidemie in Westafrika betroffen war, ging das Wachstum des Bruttoinlandsprodukts (BIP) Liberias von 8,7 % im Jahr 2013 auf 0,7 % im Jahr 2014 zurück [66]. Die Bedrohung durch eine globale Viruspandemie könnte zu größeren Katastrophen führen als je zuvor in der Menschheitsgeschichte, da sich Viren aufgrund einfacherer globaler Verbindungen und Transportmöglichkeiten sowie der Leichtigkeit und Intensität der heutigen menschlichen Mobilität mit beispielloser Geschwindigkeit auf der ganzen Welt ausbreiten können. Heute sehen wir jedoch, dass eine ähnliche Pandemie zweifellos zu noch katastrophaleren Ergebnissen geführt hat [7]. Das neuartige Coronavirus, das die COVID-19-Krankheit (SARS-CoV-2 oder früher HCoV-19) verursacht, die erstmals Ende 2019 von China gemeldet wurde, hat zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels zu schätzungsweise mehr als sechs Millionen Todesfällen geführt. Die Pandemie ist immer noch nicht vorbei, und jeden Tag werden neue Fälle und neue Todesfälle gemeldet. Während Regierungen und Staaten die Häufigkeit und das Ausmaß von Ausbrüchen beeinflussen können [2], können Einzelpersonen eine wichtigere Rolle bei der Begrenzung der Ausbreitung von Viren im öffentlichen und im Gesundheitswesen spielen [47]. Eine Mensch-zu-Mensch-Übertragung gängiger Influenzaviren und Coronaviren kann durch Selbstinokulation von Schleimhäuten in Nase, Mund oder Augen durch Berühren kontaminierter trockener Oberflächen sowie virusbeladener Körperflüssigkeiten erfolgen [37]. Je nach Oberflächentyp und Umgebungsbedingungen können Viren 5 Minuten oder weniger bis zu mehr als 28 Tagen auf unbelebten Oberflächen verbleiben [22]. Die Verwendung von Desinfektionsmitteln für die Körperpflege und Oberflächendesinfektion ist von großer Bedeutung, um die Virusübertragung zu begrenzen, indem Viren inaktiviert werden, bevor sie in den menschlichen Körper eindringen können.

In dieser Schulungseinheit informieren wir über die verschiedenen Arten von Desinfektionsmitteln, die in handelsüblichen Formulierungen mit wissenschaftlich nachgewiesenen viruziden Eigenschaften zur Inaktivierung von Viren in Suspension und auf Oberflächen verwendet werden. Wir informieren auch über die antivirale Desinfektion von nanotechnologischen Materialien, eine der vielversprechenden neuen Entwicklungen, die nachweislich Viren inaktivieren, aber noch keine breite kommerzielle Nutzung erreicht haben.

2. Desinfektionsmittel gegen Viren und allgemeine Wirkprinzipien

2.1. Viren und Infektiosität

Viren bestehen typischerweise aus einem viralen Kapsid, das Nukleinsäuren enthält (Abb. 1). Die Nukleinsäure dient als Template-Information für die Replikation, während das Kapsid und seine assoziierten Proteine sowohl zum Schutz der Nukleinsäure als auch zur Bindung an Wirtszellrezeptoren dienen [29].

Abbildung 1. Arten von Viren.

Viren können sich außerhalb einer Wirtszelle nicht vermehren. In diesem Zustand können sie jedoch oft lange überleben [67]. Wenn sie auf eine geeignete Wirtszelle treffen, infizieren sie sich und dringen in die Wirtszelle ein und kapern die zelluläre Maschinerie für ihre eigene Replikation (Abb. 2). Viren können Zellen, einschließlich Bakterienzellen, infizieren und eine Reihe häufiger Krankheiten verursachen. Diese Situation wird durch das Fehlen einer wirksamen Behandlung gegen viele der Viren verschärft.

Coronaviren hingegen sind behüllte und einzelsträngige RNA-Viren, das heißt, ihr Erbgut besteht aus einem RNA-Strang und jedes Viruspartikel ist in eine Proteinhülle gehüllt (Abb. 3). Alle Viren folgen grundsätzlich dem gleichen Weg, um ihre Wirte zu infizieren. Ein Virus, das in eine Zelle eindringt, repliziert sich selbst unter Verwendung einiger Komponenten dieser Zelle, und dann infizieren seine Kopien andere Zellen. RNA-Viren haben jedoch eine andere Eigenschaft. Diese Viren können Fehler, die während der RNA-Replikation auftreten, nicht korrigieren, da sie nicht über die Fehlerkorrekturmechanismen verfügen, die Zellen normalerweise beim Kopieren von DNA verwenden.

Abbildung 2. Die vier Stadien der viralen Infektion einer Zelle im Modell.

Coronaviren sind mit 30.000 Basen die Gruppe der Viren mit dem längsten Genom unter den RNA-Viren. Diese Krankheitserreger, denen die Fähigkeit fehlt, Fehler während der Replikation zu korrigieren, erhöhen die Wahrscheinlichkeit, Fehler zu machen, wenn die Menge an Basen, die sie kopieren, zunimmt. Daher bringt jeder Fehler eine neue Mutation mit sich. Einige dieser Mutationen können dem Virus auch neue Eigenschaften verleihen, beispielsweise die Fähigkeit, neue Zelltypen oder sogar neue Stämme zu infizieren. Ein Coronavirus besteht aus vier Strukturproteinen: Nukleokapsid, Hülle, Membran und stäbchenartigen Vorsprüngen (Dornen). Da diese Ausstülpungen „Corona“ genannt werden, was auf Latein Krone bedeutet, werden diese Viren Coronavirus (Kronenvirus) genannt. Das Nukleokapsid enthält das genetische Material in einer kugelförmigen Struktur, die aus Hüll- und Membranproteinen gebildet wird. Die stacheligen Vorsprünge identifizieren die Zellen, die das Virus infizieren und an die Rezeptoren in den Zellen binden kann.

Oberflächen, einschließlich unserer Hände, spielen eine wichtige Rolle bei der Verbreitung von Viren. Viren wie Poliovirus und Bakteriophagen zeigen eine viel höhere Überlebensfähigkeit, wenn sie durch direkten Kontakt von Oberflächen übertragen werden, im Gegensatz zu Viren, die Tröpfchenaerosolisierung oder Staub enthalten. Nur 5 Sekunden Hand- und Gesichtskontakt reichen aus, um einen erheblichen Teil des Virus zu übertragen, und Viren können sich dann durch Berühren der Nasenschleimhaut oder der Bindehaut des Auges ausbreiten. Die Verbreitungswahrscheinlichkeit steht in direktem Zusammenhang mit der viralen Überlebenszeit auf der Oberfläche, die sich zwischen verschiedenen Viren erheblich unterscheidet. Eine kürzlich durchgeführte Studie berichtete, dass das Covid-19-Coronavirus (SARS-CoV-2) auf Propylenkunststoffoberflächen und Edelstahl am längsten bestehen kann und lebende Viren bis zu 72 Stunden nach der ersten Anwendung vorhanden sind, wenn auch mit einem stark reduzierten Virustiter [60].

Abbildung 3: Darstellung des SARS-CoV-2-Virus

2.2. Faktoren, die die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels beeinflussen

Das Hauptmaß für die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels ist die Verringerung der Infektiosität des Virus. Die Messung der Virusinfektiosität wird typischerweise durch Trägertests und Suspensionstests durchgeführt. Zu den Hauptparametern, die die Wirksamkeit von Desinfektionsmitteln gegen Viren beeinflussen, gehören Kontaktzeit, Konzentration des Desinfektionsmittels und verwandter Viren.

Zusätzlich kann die Desinfektionseffizienz auch durch Umgebungsfaktoren beeinflusst werden. Wenn zur Desinfektion chemische Reaktionen wie Formaldehyd erforderlich sind, ist die Desinfektionsrate bei höheren Temperaturen höher. Bei kaltem Wetter können einige Desinfektionsmittel unwirksam sein, da die Desinfektionsrate extrem niedrig ist. Feuchtigkeit ist ein weiterer Faktor, der das Eindringen des Desinfektionsmittels in das Virus beeinflussen kann. Bei Reaktionen wie Aldehyd-Desinfektionsmitteln wirkt sich eine Änderung des pH-Werts auch auf die Wirksamkeit des Desinfektionsmittels aus.

2.3. Faktoren, die die Virusanfälligkeit beeinflussen

Viren, die die Inaktivierung durch Desinfektion beeinflussen, haben bestimmte einzigartige Eigenschaften. Hier gibt es drei Haupttypen von Viren mit unterschiedlichen Strukturen, die nach zunehmender Schwierigkeit der chemischen Desinfektionsmittelinaktivierung klassifiziert werden: behüllte Viren, große unbehüllte Viren und kleine unbehüllte Viren. Obwohl es Ausnahmen gibt, sind größere Viren im Allgemeinen empfindlicher gegenüber Desinfektionsmitteln [32]. Alle der wenigen getesteten Desinfektionslösungen sind wirksam gegen die behüllten Viren Herpes-Simplex-Virus und Humanes Immundefizienz-Virus (HIV) Typ 1, aber weniger wirksam gegen das kleine unbehüllte menschliche Coxsackie-Virus. Behüllte Viren enthalten eine Lipidhülle, die für die Infektion unerlässlich ist, und daher kann eine Störung der Hülle die Virusübertragung potenziell reduzieren. Zur Inaktivierung behüllter Viren können oft lipophile Desinfektionsmittel eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu verwenden unbehüllte Viren eine Proteinhülle für die Infektion, und daher erfordert die Inaktivierung oft die Denaturierung von unnötigen viralen Kapsidproteinen oder essentiellen replikativen Proteinen [36]. Desinfektionsmittel, die Proteine abbauen, wie Glutaraldehyd oder Natriumhypochlorit, können unbehüllte Viren wirksam inaktivieren [32]. Elektronenmikroskopische Studien zeigen umfangreiche strukturelle Schäden am Phagen, einschließlich Natriumhypochlorit, das den Bakteriophagen PAO1 inaktiviert, und Schäden an Kapsidproteinen. Da Viren wie Polio jedoch nur mit RNA infektiös bleiben, muss das Desinfektionsmittel möglicherweise eindringen, um Nukleinsäuren zu zerstören [32]. Während die behüllte Virusinfluenza H1N1 durch alle getesteten Desinfektionsmittel inaktiviert werden kann [16], sind kleine unbehüllte Noroviren viel schwieriger zu inaktivieren und nur wenige allgemein verfügbare Desinfektionsmittel können die Infektion nicht ausreichend reduzieren [56].

Viren widerstehen auch einer Desinfektion wegen der zellulären Materialien, mit denen die Viren assoziiert sind. Viren sind normalerweise für die Replikation auf Wirtszellen angewiesen, daher werden sie oft in Verbindung mit Materialien wie Zelltrümmern, Erde und aerosolisierten Tröpfchen gefunden. Diese werden als virale Aggregationsschutzfaktoren bezeichnet und können sowohl das Eindringen des Desinfektionsmittels in das Virus verringern als auch die Wechselwirkung und Aktivität der Desinfektionsmittel verringern. Dies hat eine große Wirkung auf Desinfektionsmittel und erfordert eine viel höhere Konzentration für eine effektive Desinfektion. Desinfektion ist oft mit Reinigungsprozessen verbunden und abhängig, da primär die Entfernung von organischen Materialverunreinigungen einen besseren Desinfektionsprozess ermöglichen kann [14]. Darüber hinaus können sich Viren in der Umwelt anreichern, wenn sie Desinfektionsmitteln ausgesetzt sind, was es Desinfektionsmitteln erschwert, Viren zu durchdringen und zu erreichen [15].

COVID-19 ist bekanntermaßen sehr ansteckend und es gibt viele Übertragungswege. Neuere Studien haben gezeigt, dass sich SARS-CoV-2 hauptsächlich durch Mikrotröpfchen verbreitet, die von Mensch zu Mensch übertragen werden, oder durch Berührung kontaminierter Oberflächen (Abb. 4) [58]. Es ist bekannt, dass SARS-CoV-2 die Fähigkeit hat, länger als 3 Stunden in Aerosolform zu bleiben. Es wird auch angegeben, dass das menschliche Coronavirus je nach Oberfläche bis zu 9 Tage und bei Temperaturen über 30 °C überleben kann. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA), Desinfektions- und Desinfektionsmittel äußerst wichtig. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt die Verwendung physikalischer und chemischer Faktoren, um die Kontamination durch Desinfektion von Oberflächen zu reduzieren, insbesondere auf häufig berührten Oberflächen wie Türklinken, Tischen, Stühlen, Geländern und Schlüsseln, sowie die Verwendung von Masken und Hygieneverfahren für die Körperpflege . In der Literatur sind verschiedene Desinfektionsmittel beschrieben, darunter Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxid, Alkohole, Seifen/Tenside etc. [ 31].

Abbildung 4. Beispiele für Virenverbreitungspunkte.

3. Handelsübliche viruzide Desinfektionsmittel

3.1. Alkohole

Alkohole, insbesondere Isopropylalkohol (auch bekannt als Isopropanol und Propan-2-ol) und Ethylalkohol (Ethanol), können ein breites Spektrum an Bakterien-, Pilz- und Virusaktivitäten inaktivieren (Abb. 5-6). Diese Wirkstoffe spielen eine wichtige Rolle in der Gesundheitsindustrie zur Hautantiseptik und Desinfektion kleiner medizinischer Instrumente. Obwohl gezeigt wurde, dass Alkohole bei der Zerstörung infektiöser Mikroorganismen wirksam sind, sind Alkohole nicht sporizid [44] und werden oft mit anderen wichtigen bioziden Wirkstoffen kombiniert, um die Desinfektionswirksamkeit zu erhöhen.

Starke biozide Wirkstoffe zerstören Viren und Bakterien durch verschiedene Mechanismen, wie z. B. das Aufbrechen der Zellstruktur und das Koagulieren und/oder Denaturieren von Proteinen in Mikroorganismen. Obwohl nur wenige Studien durchgeführt wurden, um die biozide Aktivität von Alkohol vollständig zu verstehen, wird allgemein angenommen, dass Alkohole Zellmembranen zerstören und Proteine im Allgemeinen denaturieren [ 4]. Viren und viele andere Mikroorganismen sind im Allgemeinen für diese Wirkungsweise anfällig. Frühere Studien haben berichtet, dass die Einarbeitung von Wasser in das biozide System die Wirksamkeit von Alkohol erhöht, da Wasser eine schnellere Denaturierung von Proteinen erleichtert [44]. Darüber hinaus erhöht die Zugabe von Wasser die Wirksamkeit von Alkoholen erheblich, da sie das Verdampfen des Alkohols verzögert und seine Exposition gegenüber Viren und Bakterien erhöht.

Die viruzide Wirkung von Alkohol ist jedoch stark von der Wirkstoffkonzentration und der Art der Testviren abhängig. Die Wirksamkeit von Alkoholen bei der Inaktivierung von Viren hängt weitgehend von den Oberflächeneigenschaften des Mikroorganismus ab. Unbehüllte Viren sind allgemein bekanntermaßen widerstandsfähiger gegen Desinfektionsmittel als behüllte Viren, einschließlich Alkohole.

Während Alkohole bei der Zerstörung einiger Virustypen wirksam waren, überschatteten andere Desinfektionsmittel wie quartäre Ammoniumverbindungen (QAC), Glutaraldehyd und Wasserstoffperoxid schnell ihre Leistung [44]. Daher werden Desinfektionsmittel, deren Hauptwirkstoffe Alkohol sind, im Allgemeinen nicht zur Desinfektion kritischer Geräte oder Umgebungen im Gesundheitswesen verwendet [44]. Die Verwendung von Isopropylalkohol ist ebenfalls begrenzt, da er nur Lipidviren inaktiviert. Dies reduziert die Fähigkeiten von Alkohol als Desinfektionsmittel für den breiteren Einsatz erheblich. Da Alkohole brennbare Flüssigkeiten sind, erhöhen große Mengen Alkohol ihre Risiken und Gefahren als Desinfektionsmittel. Der Flammpunkt der höher konzentrierten Alkohollösung ist niedriger als der der niedrigeren Konzentration [4]. Darüber hinaus beeinträchtigt die längere und wiederholte Verwendung von Alkohol die Unversehrtheit von Materialien wie Kunststoffen und Farben. Materialien, die ständig Alkohol ausgesetzt sind, können aufgrund der Wirkung von Alkohol Farbveränderungen , Risse und Schwellungen erfahren. Eine weitere Herausforderung beim Alkoholkonsum besteht darin, dass er schnell verdunstet, wenn er der Luft ausgesetzt wird, wodurch die Kontaktzeit mit dem Virus verkürzt wird. Eine maximale Desinfektion ist nur schwer zu erreichen, wenn die Instrumente nicht einige Zeit in das Bad eingetaucht wurden.

Abbildung 5. Faktoren, die die Wirksamkeit von Händedesinfektionsmitteln auf Alkoholbasis gegen SARS-CoV-2 beeinflussen.

Obwohl die Fähigkeiten von Alkohol begrenzt sind, wird er immer noch häufig in einer Vielzahl von aktiven Desinfektionsverfahren verwendet. Es ist unbedingt zu beachten, dass die Rolle des Alkohols als Desinfektionsmittel zusammen mit seinen anderen Eigenschaften immer noch unersetzlich ist. Alkohole werden im Krankenhaus häufig als wirksames Desinfektionsmittel für Thermometer, unkritische Instrumente und nicht-invasive Sonden verwendet [44]. Unkritische Oberflächen wiederverwendbarer medizinischer Instrumente werden ebenfalls mit Alkohol desinfiziert. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Alkohol als Desinfektionsmittel ist die Benutzerfreundlichkeit. Alkohollösungen verfärben sich nicht, verdunsten schnell, haben im Vergleich zu anderen Desinfektionsmitteln eine geringe Toxizität und einen milden, akzeptablen Geruch . Diese Funktionen sind in Umgebungen des Gesundheitswesens von entscheidender Bedeutung, da sie zur Effizienz und notwendigen Desinfektion des Systems beitragen.

Abbildung 6. Der antivirale Wirkungsmechanismus von Alkohol gegen behüllte Viren.

3.2. Tenside

Tenside sind amphiphile Einheiten, die sowohl hydrophile als auch lipophile Segmente aufweisen, die weiter klassifiziert werden als kationische, anionische, nichtionische und zwitterionische Tenside. Sie sind Wirkstoffe, die häufig in Haushaltsdesinfektions- und Reinigungsmitteln enthalten sind und nachweislich Viren inaktivieren können. Behüllte Viren wie die Familie der Coronaviren, zu der SARS-CoV-1, MERS und die neuartigen SARS-CoV-2-Viren gehören, sind daher anfällig für diese Tenside. Einige Tenside sind jedoch nicht auf die Auflösung ihrer Lipidhülle angewiesen, um Viren zu inaktivieren.

3.2.1. Kationische Tenside (quartäre Ammoniumverbindungen)

Quartäre Ammoniumverbindungen (QAVs) bilden die Hauptmasse der kationischen Tenside und inaktivieren Viren meist durch Auflösung und Abbau ihrer Lipidhülle oder Membran. Es wird berichtet, dass sie ihre viruzide Aktivität in hartem Wasser und auch in Gegenwart von anionischen Rückständen besser beibehalten [38]. QACs sind attraktiv, weil sie relativ ungiftig, farb- und geruchlos sind [19]. Sie sind bekannt dafür, behüllte Viren zu inaktivieren, aber ihre viruzide Aktivität ist abhängig von Konzentration, Expositionszeit und Temperatur. Eine wirksame Desinfektion mit Tensiden unter Verwendung von QAVs wird am besten mit warmem Wasser und längeren Einwirkzeiten erreicht [30]. Ein Vorteil der Verwendung von QAV-basierten Desinfektionsmitteln ist ihre relativ hohe Toleranz gegenüber dem Vorhandensein von kontaminierenden organischen Stoffen. Dies liegt daran, dass ihre Fähigkeit, Viren zu inaktivieren, im Allgemeinen nicht durch das Vorhandensein organischer Stoffe verringert wird, wie dies bei anderen gängigen Desinfektionsmitteln wie Alkohol und Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis der Fall ist.

3.2.2. Anionische Tenside

Sie sind einige gängige anionische Tenside, die in Körperpflegeprodukten wie Seife, Shampoo, Zahnpasta und Reinigungsmitteln vorkommen [49].

3.2.3. Vaccines for cancer

Non-ionic surfactants are commonly used as emulsifiers. These non-ionic surfactants inactivate viruses by dissolving the viral envelope and cleaving the nucleocapsid. Zwitterionic surfactants are molecules that carry both cationic and anionic charges, but generally neutrally charged [63]. Researchers have suggested that the mechanism of disinfection by zwitterionic detergent is via viral degradation rather than solubilizing surface proteins [8]. This special ability, which inactivates viruses but preserves the biological activity of surface antigens, allows the use of zwitterionic detergent during the development of vaccines.

3.3. Oxidationsmittel

Desinfektionsmittel wie Natriumhypochlorit, Wasserstoffperoxid und Peressigsäure nutzen ihre oxidierenden Fähigkeiten, um Viren zu inaktivieren. Starke Oxidationsmittel gehören zu den wirksamsten Desinfektionsmitteln für kleine, unbehüllte und schwer zu desinfizierende Viren wie Noroviren [17].

3.3.1. Natriumhypochlorit

Natriumhypochlorit, der Wirkstoff in Haushaltsbleichmitteln, ist ein starkes Oxidationsmittel. Es löst sich in Wasser unter Bildung von hypochloriger Säure auf, die zu Wasser und Chloridanion reduziert werden kann [13]. Die Wirksamkeit der Desinfektion nimmt mit zunehmendem pH-Wert ab, wahrscheinlich aufgrund des abnehmenden Anteils der vorhandenen Hypochlorsäureeinheit [3]. Natriumhypochlorit wirkt schnell und ist in niedrigen Konzentrationen wirksam. Es wurde festgestellt, dass seine Wirkung proportional zu seiner Konzentration und Kontaktzeit ist. Natriumhypochlorit kann für unbehüllte, schwer zu desinfizierende Viren wie Noroviren verwendet werden.

3.3.2. Natriumdichlorisocyanurat

Im Vergleich zu Natriumhypochlorit hat Natriumdichlorisocyanurat eine länger anhaltende Desinfektionswirkung, ist toleranter gegenüber dem Vorhandensein von organischem Material und hat eine höhere Gesamtwirkung des Desinfektionsmittels.

3.3.3. Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid ist ein wirksames Breitspektrum-Inaktivierungsmittel. Es zerfällt zu Wasser, Sauerstoff und hochreaktiven freien Hydroxylradikalen, die eine Vielzahl von Biomolekülen, einschließlich Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden, abbauen oder vernetzen können. Wasserstoffperoxid ist auch gegen Noroviren wirksam, obwohl es normalerweise eine höhere Konzentration als Natriumhypochlorit erfordert.

3.4. Peressigsäure

Peressigsäure zersetzt sich in ähnlicher Weise unter Bildung von hochreaktiven freien Hydroxylradikalen sowie Essigsäure und Sauerstoff [42]. Peressigsäureformen wurden entwickelt, um eine größere Stabilität bereitzustellen und können in situ aufgelöst werden, um die Desinfektionslösung zu bilden.

3.5. Halogenierte Verbindungen

3.5.1. Povidon-Jod

Povidon-Jod ist ein Breitbandviruzid. Es wird in klinischen Anwendungen wie Sterilisationsmitteln, Operationstupfern, Peelings und Salben zur prä- und postoperativen Hautreinigung sowie in Alltagsprodukten wie antiseptischen Handwaschmitteln, Mundspülungen und Mundspülungen mit niedrigeren Jodophorkonzentrationen verwendet [12]. Nicht geeignet für die Verwendung mit Silikonprodukten wie Povidon-Jod-Silikonkathetern, da Jod zu einem schnelleren Abbau des Materials führen kann. Obwohl Povidon-Jod im Allgemeinen sicherer und wirksamer bei der Inaktivierung von Viren ist als viele andere Antiseptika, kann es bei längerer Anwendung zu Schilddrüsenfunktionsstörungen [27] und allergischer Kontaktdermatitis führen, die eine sorgfältige medizinische Überwachung erfordern [61]. Die Ursprünge der breiten viruziden Aktivitäten von Povidoniodid wurden noch nicht vollständig aufgeklärt und treten wahrscheinlich durch mehr als einen Mechanismus auf, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass zufällige virale Mutationen Resistenz verleihen. Es gibt Hinweise darauf, dass Jod die Rezeptoren des Virus blockieren kann, die für die Bindung an die Wirtszelloberfläche verantwortlich sind [50]. Darüber hinaus kann Jod verhindern, dass sich das Virus auf andere nicht infizierte Zellen ausbreitet, indem es die Aktivität viraler Enzyme ( z . B. Neuraminidase) hemmt, die für die Virusfreisetzung aus Wirtszellen erforderlich sind [12]. Für umhüllte Viren wurde auch vorgeschlagen, dass die Virusmembran durch die Reaktion von Jodmembranfettsäuren mit ungesättigten C=C-Bindungen destabilisiert werden kann.

3.5.2. Chlorhexidindigluconat

Chlorhexidin ist ein kationisches Bisguanid-Breitbandbiozid , das in vielen antiseptischen Produkten vorkommt. Als Wirkstoff in Handwaschmitteln, Mundwässern und Mundgelen, Desinfektionsmitteln und Konservierungsmitteln weist Chlorhexidin im Allgemeinen eine geringe Reizbarkeit, eine gute Persistenz auf der Haut und eine schnelle bakterizide Aktivität auf. Seine Aktivität hängt jedoch stark von seiner Formulierung ab, da sie durch die Anwesenheit von anionischen Tensiden und Phospholipiden sowie von organischem Material, einschließlich Serum, verringert wird, und ist auch vom pH-Wert abhängig. Im Vergleich zu Bakterien ist seine viruzide Aktivität variabler als Povidon-Jod, und es ist deutlich weniger stark und wirkt langsamer. Im Allgemeinen ist Chlorhexidin gegen unbehüllte Viren (Polio und Adenoviren) unwirksam, zeigt jedoch eine unterschiedliche Potenz zur Inaktivierung behüllter Viren.

3.5.3. Chloroxylenol

Chloroxylenol ist ein Antiseptikum vom halogenierten Phenoltyp. Weit verbreitet für Haushaltsdesinfektionsmittel, Wundreinigung und Desinfektion von chirurgischen Geräten, ist es am wirksamsten gegen Bakterien, aber seine viruzide Aktivität ist variabel. Trotz seiner umfangreichen kommerziellen Nutzung für eine lange Zeit ist überraschend wenig über seinen Wirkungsmechanismus sowohl gegen Bakterien als auch gegen Viren bekannt. Chloroxylenol ist im Allgemeinen sicher für die äußere Anwendung beim Menschen, es wurde jedoch berichtet, dass es irritative Kontaktdermatitis und Kontaktdepigmentierung verursacht [62].

3.6. Aldehyde

3.6.1. Formaldehyd/h6>
Formaldehyd ist das einfachste Aldehyd und ein starkes hochwirksames Desinfektionsmittel mit starken Virusinaktivierungseigenschaften. Normalerweise als wässrige Lösung namens Formalin verkauft, wurde es zur Inaktivierung von Viren für die Impfstoffherstellung [35] und wissenschaftliche Studien [35] verwendet. Als Desinfektionsmittel der Spitzenklasse kann es viele verschiedene Arten von Viren sowohl in Suspension als auch auf Oberflächen effektiv und schnell inaktivieren, indem es die Amino- und Sulfhydrylgruppen von Proteinen sowie die Aminogruppen von Nukleinsäurebasen von DNA und DNA chemisch alkyliert RNS [23]. Aufgrund seiner hohen Reaktivität ist es jedoch bei seiner Verwendung gesundheitsschädlich, da es Reizungen an exponierten Körperoberflächen ( z . B. Haut und Augen) hervorruft [43], abgesehen davon, dass es mutagen ist und im Verdacht steht, krebserregend zu sein [52]. Daher unterliegt es strengen Vorschriften bezüglich der Exposition von Menschen als Desinfektions- und Sterilisationsmittel in Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen, mit Ausnahme der Verwendung in gut belüfteten Bereichen, und wird daher nicht als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet.

3.6.2. Glutaraldehyd

Glutaraldehyd (manchmal auch als Glutardialdehyd bekannt) ist wie Formaldehyd ein wirksames Breitband-Desinfektions- und Sterilisationsmittel, das nach kurzer Einwirkzeit gegen viele Viren hochwirksam ist. Obwohl kein Verdacht auf Karzinogenität besteht [54], ist bekannt, dass es Dermatitis in Augen, Nase und Mund sowie Reizungen der Schleimhäute verursacht. Aus diesen Gründen wird es nicht als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet. Im Allgemeinen sind Metalle, Gummi, Kunststoffe und Linseninstrumente tolerant gegenüber Glutaraldehyd, aber es wird aufgrund seiner Kosten nicht zur Desinfektion unkritischer Oberflächen empfohlen.

3.6.3. Orthophthalaldehyd (OPA)

Orthophthalaldehyd oder 1,2-Dicarboxybenzaldehyd ist ein weiteres hochwirksames Desinfektionsmittel. Wie sowohl Formaldehyd als auch Glutaraldehyd resultieren seine viruziden Eigenschaften aus Reaktionen, die reaktive Protein- und Nukleinsäureeinheiten vernetzen. OPA hat keinen stark wahrnehmbaren Geruch und reizt Haut, Augen oder Nasenschleimhaut nicht [9]. Darüber hinaus ermöglicht seine hervorragende Materialverträglichkeit [1] den Einsatz als Desinfektionsmittel in vielen klinischen Bereichen wie Endoskopen [45] und urologischen Instrumenten. OPA kann freiliegende Haut jedoch grau werden lassen und muss daher mit reichlich Wasser abgespült oder mit persönlicher Schutzausrüstung (z. B. Handschuhen und Augenschutz) verwendet werden. Aus diesem Grund wird es nicht häufig als Haushaltsdesinfektionsmittel verwendet.

4. Nanotechnologie

4.1. Nanomaterialien zur Oberflächendekontamination

Die Nanotechnologie bietet viele Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer und vielversprechender Desinfektionssysteme (Abb. 7). Die Verwendung von auf Nanopartikeln basierenden Markern könnte die Untersuchung des Mechanismus ermöglichen, durch den Viren Wirtszellen infizieren. Untersuchungen auf Basis der Nanotechnologie für die Entwicklung neuer Materialien konzentrieren sich heute in der Regel auf Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften [39]. Diese Systeme können antimikrobielle Aktivität haben oder chemische Desinfektionsmittel langsam freisetzen, wodurch ihre Wirkungsdauer verlängert wird. Es kann auch zur Einführung zusätzlicher Funktionen wie responsiver Systeme beitragen, die Wirkstoffe als Reaktion auf verschiedene Stimuli abgeben, wie z. B. photothermische, elektrothermische, photokatalytische und andere [10]. Es ist auch bekannt, dass einige metallische Nanopartikel ein breites Wirkungsspektrum gegen Viren und andere Mikroorganismen haben [11]. Raiet al. [41] führten eine Literaturrecherche zum antibakteriellen, antimykotischen und antiviralen Potenzial von metallischen Nanopartikeln durch. Den Ergebnissen dieser Studie zufolge können metallische Nanopartikel, insbesondere Silbernanopartikel, mit oder ohne Oberflächenmodifikation als potenter und antiviraler Wirkstoff mit breitem Wirkungsspektrum eingesetzt werden. Die antivirale Aktivität dieser Nanopartikel ist jedoch noch weitgehend unerforscht.

Heute ist die Nanotechnologie eine Lösung für viele Probleme bei Desinfektionsanwendungen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Nanotechnologie zu einer vielversprechenden neuen Technologie für die Synthese von Nanomaterialien entwickelt, bei denen es sich um Partikel in Nanometergröße handelt, die aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und ihrer einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften antimikrobielle Wirkungen aufweisen. Viele Nanomaterialien, wie Metallnanopartikel und Graphen-basierte Nanoblätter, haben aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften natürliche antivirale Wirkungen [53]. Sie arbeiten im Allgemeinen durch einen gemeinsamen Wirkungsmechanismus, der eine direkte Wechselwirkung mit den Hüll- oder Kapsidproteinen von Viren umfasst, wodurch die strukturelle Integrität zerstört und die Infektiosität gehemmt wird. Darüber hinaus können einige Nanomaterialien die virale Genreplikation in infizierten Zellen stören [20, 28, 18]. Weitere Arbeiten sind zum Einsatz der Nanotechnologie für effizientere Desinfektions- und Desinfektionssysteme sowie zur Erzielung selbstdesinfizierender Oberflächen erforderlich, um die Wirksamkeit bei der Infektionskontrolle und der Gesundheits- und Umweltsicherheit zu erhöhen.

Tabelle 1 zeigt veröffentlichte Forschungsergebnisse und Patente zu verschiedenen Systemen auf Basis der Nanotechnologie zur Anwendung als Desinfektionsmittel und Desinfektionsmittel für Viren.

Abbildung 7: Schematische Darstellung der SARS-CoV-2-Infektion und der Werkzeuge der Nanotechnologie zur Prävention und Bekämpfung von COVID-19.

Das Virus dringt durch den ACE2-Rezeptor (Angiotensin-Converting-Enzym 2) in die Zelle ein und verwendet die Maschinerie der Wirtszelle, um neue Wirtszellen zu reproduzieren und zu kontaminieren. Materialien auf Nanobasis könnten dabei helfen: ( i ) die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Viruserkennung zu verbessern; (ii) Unterstützung bei der Entwicklung effizienterer und sichererer Behandlungen und Impfstoffe und (iii) Verbesserung der Sicherheit von medizinischem Personal durch die Entwicklung nanobasierter persönlicher Schutzausrüstung (PSA).

Tabelle 1. Artikel und Patente in der Literatur zu nanotechnologischen Desinfektionsmitteln und Desinfektionsmitteln.

Einstufung	Trägersystem	Matrix
Artikel	NanoFilm	Polyvinylalkohol (PVA) Polyolefin (POD) Natriumchlorit (NaClO2)
	Nanokomposit	Silica/Silber
	Nanopartikel mit Mesostruktur	Elektrisch geladenes Desinfektionsmittel (CAC-717)
	NanoStruktur	Zellulose
	Nanokomposit	Silica/Silber
	Nanopartikel	Titandioxid
	Photokatalytische Nanostruktur Filme	Titandioxid Silizium
	Polyionkomplex- Nanopartikel (PCNs)	Poly[3-( acrylamido )propyl] Trimethylammoniumchlorid (PAMPTMA)
	Biogene Nanopartikel	Eisen Silber
Patente	Polymere Nanopartikel	Einwertige C1–C4-Alkohole und verschiedene Lipide
		Poly (Milch-Co-Glykolsäure) (PLGA) ätherisches Öl
		Polyethylenimin (PEI ) Polydiallyldialkylammoniumsalz Poly(acrylamid-co-diallyl- dialkylammoniumhalogenid ) Chitosan
		Sulfonylalkylcyclodextrine
	Biogene Nanopartikel	Silber
	Photokatalytische Systeme	Wolframtrioxid Palladium
		Weinsäure Titanisopropoxid ( IV)
	Μεταλλικά νανοσωματίδια	Titandioxid Zitronenextrakte
		Silber
		Silber Quartäres Ammoniumsalz

4.2. Metallnanopartikel

Silber und seine Salze werden seit langem als Antiseptikum und Desinfektionsmittel verwendet, und ihre bioziden Breitbandeigenschaften sind bekannt [21]. Silbernanopartikel sind das am besten untersuchte antivirale Nanomaterial und es wurde gezeigt, dass blanke oder beschichtete AgNPs eine Vielzahl von Viren hemmen können [40]. Es ist für Viren schwierig, Resistenzen gegen diese Art der Behandlung zu entwickeln, was sie besonders attraktiv für diejenigen mit einer hohen Mutationsrate macht. Es wurde festgestellt, dass AgNPs sowohl bei der Blockierung des Virioneintritts von außerhalb der Zelle als auch bei der Hemmung der Replikation innerhalb infizierter Zellen wirksam sind. Insgesamt sind AgNPs in kleinen Dosen wirksame Biozide [55], aber ihre potenzielle Toxizität für den Menschen wird noch intensiv diskutiert [26]. Moderne Methoden haben die Synthese von AgNPs mit gut definierten Formen, Partikelgrößen und Polydispersität ermöglicht, die wichtige Parameter sind, die ihre endgültigen bioziden Aktivitäten, ihr biologisches Schicksal und ihre Toxizität bestimmen [25].

Die viruziden Eigenschaften von AgNPs sind noch weitgehend unerforscht, aber erste Berichte sind ermutigend. AgNPs können Viren durch eine Reihe von Mechanismen hemmen, einschließlich der Bindung an und Wechselwirkung mit viralen Oberflächenproteinen und denaturierenden Enzymen durch Reaktion mit Amino-, Carboxyl-, Imidazol- und Sulfhydrylgruppen [6].

AgNP-haltige Produkte kommen zunehmend auf den Markt, darunter Kleidung, Verbände, Salben und Lebensmittelverpackungsmaterialien, deren biozide Wirkung das Ergebnis der langsamen anhaltenden Freisetzung von Silber-Nanomaterialien ist [6]. Allerdings ist zu beachten, dass, wie bei allen oben genannten Desinfektionsmitteln, die viruzide Aktivität von AgNPs von Virus zu Virus unterschiedlich ist. Darüber hinaus hängen die Mengen, Formen, Größen und Arten der freigesetzten Silber-Nanomaterialien von ihren realen Einstellungen und Anwendungen ab, die alle ihre viruziden Eigenschaften beeinflussen. Daher müssen die Wirksamkeit dieser AgNP -haltigen Produkte gegen Viren in realen Umgebungen sowie ihre Toxizität für den Menschen sorgfältig bewertet und untersucht werden.

Neben AgNPs sind auch Goldnanopartikel (AuNPs) vielversprechende viruzide Wirkstoffe. Unter Verwendung von Knoblauchextrakt synthetisierte AuNPs mit einer durchschnittlichen Größe von 6 nm zeigten eine viruzide Aktivität gegen Masernviren , indem sie auch an virale Oberflächenrezeptoren binden und anschließend die Anheftung und Infektion von Wirtszellen verhindern [34]. Aufgrund der Kosten chemischer Goldvorläufer werden AuNPs jedoch wahrscheinlich nicht zu kostengünstigen und kommerziell weit verbreiteten Desinfektionsmitteln.

Die Verwendung von metallischen Nanomaterialien zur Herstellung selbstdesinfizierender Oberflächen hat in den letzten Jahren aufgrund der langfristigen Persistenz von Viren auf kontaminierten Oberflächen an Aufmerksamkeit gewonnen. Selbstdesinfizierende Oberflächen inaktivieren Viren, die vor Ort mit ihnen in Kontakt kommen, und verringern so die Möglichkeit einer Virusübertragung durch menschlichen Kontakt mit kontaminierten Oberflächen. In einem Design wurde die selbstdesinfizierende Oberfläche mit photoaktiven Metallnanokristallen gebildet, die zur Virusinaktivierung eine Stimulation mit sichtbarem Licht erforderten. Diese aus CuInZn4S6 (CIZS)-Nanokristallen mit Bandlücken im Bereich des sichtbaren Lichts hergestellten Oberflächen können sichtbares Licht absorbieren und aktive oxidative Spezies produzieren, die das Influenza-A-Virus durch Oxidation von Aminosäureresten in viralen Hüllproteinen inaktivieren (Abb. 8). Obwohl hochgradig viruzid, muss sichtbares Licht vorhanden sein, um den Selbstreinigungseffekt zu gewährleisten, wodurch die Praktikabilität des Systems eingeschränkt wird.

Abbildung 8. Illustration der Virendesinfektion unter Verwendung der selbstdesinfizierenden Oberfläche, die mit sichtbarem Licht betrieben wird.

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Test LO 2.2

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Zusammenfassung

Aufgrund ihrer Fähigkeit, leicht in Zellen einzudringen, mit Viren zu interagieren und die Reproduktion des Virusgenoms zu verhindern, als hervorragende Kandidaten gegen Virusinfektionen, insbesondere CoVs , angesehen werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Nanopartikeln den sofortigen Nachweis von ansteckenden Erregern in winzigen Probenvolumina in einem empfindlichen, präzisen und schnellen Format zu niedrigeren Kosten als derzeit verwendete Technologien. Dieser Fortschritt in der Früherkennung ermöglicht eine genaue und schnelle Behandlung.

Schlüsselwörter/Phrasen: Nanomaterialien, COVID-19, Nachweis

1. Einführung

Die anhaltende Explosion der neuartigen Coronavirus-Krankheit COVID-19 zieht weltweite Überlegungen aufgrund ihrer verlängerten Inkubationsdauer und erheblichen Infektiosität an. Die schnelle weltweite Ausbreitung der Pandemie, angetrieben durch das schwere akute respiratorische SARS-CoV-2, hat einen dringenden Bedarf an seiner Diagnose und Behandlung geschaffen. Infolgedessen haben viele Forscher versucht, die effizientesten und geeignetsten Methoden zum Nachweis und zur Behandlung von SARS-CoV-2 zu finden. Echtzeit-Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktionstests (RT-PCR) werden derzeit als einer der zuverlässigsten Ansätze zum Nachweis des neuen Virus verwendet. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwändig, arbeitsintensiv und erfordert geschultes Laborpersonal. Darüber hinaus werden trotz seiner hohen Wahrnehmungsfähigkeit und Spezifität falsch negative Ergebnisse dokumentiert, insbesondere bei nicht nasopharyngealen Abstrichproben, die eine geringere Viruslast ergeben. Folglich scheint die Entwicklung und Nutzung schnellerer und zuverlässigerer Methoden von entscheidender Bedeutung zu sein. In den letzten Jahren wurden viele Versuche unternommen, verschiedene Nanomaterial-basierte Biosensoren herzustellen, um Viren und Bakterien in klinischen Proben nachzuweisen [27, 46].

Eine diskrete Methode zur Diagnose der Coronavirus-Krankheit COVID-19 ist sehr gefragt, um die bestehenden und kommenden globalen Gesundheitsgefahren zu bekämpfen. Nanopartikel bieten eine günstige Implementierung und erhebliche Aussichten, als Plattform für die schnelle Diagnose einer Virusinfektion mit erhöhter Sensitivität zu fungieren. Nanopartikel wie Goldnanopartikel, magnetische Nanopartikel und Graphen (G) wurden zum Nachweis von SARS- CoV 2 eingesetzt. Sie wurden für molekularbasierte Diagnoseverfahren und serologische Ansätze eingesetzt. Nanopartikel erhöhten die Eindeutigkeit und verkürzten die für die Diagnose erforderliche Zeit. Sie können in winzige Geräte ausgeführt werden, die die Selbstdiagnose zu Hause oder an Orten wie Flughäfen und Geschäften fördern. Nanopartikelbasierte Methoden können zur Analyse viruskontaminierter Patienten-, Oberflächen- und Luftproben eingesetzt werden [1].

2. Aktuelle Methoden zum Nachweis von SARS-CoV-2

Konventionelle Methoden zum Nachweis von SARS-CoV-2 sind die Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR), die Computertomographie (CT) und Next-Generation-Sequencing (NGS) [1, 26, 40] (Abb. 1) . RT-PCR und Brust-CT-Bildgebung sind die typischsten Diagnosetechniken zum Nachweis von COVID-19. Darüber hinaus stehen mehrere diagnostische Methoden wie Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) – Specific High-Sensitivity Enzymatic Reporter Unlocking (SHERLOCK), Reverse Transcription Loop-Mediated Isothermal Amplification (RT-LAMP), Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) , und die Sequenzierung befinden sich in der Entwicklung, um das Virus in kürzester Zeit besser nachweisen zu können [1, 9]. RT-PCR wurde als führende und effektivste Methode zum Coronavirus-Nachweis anerkannt [1, 26].

Abbildung 1. Herkömmliche Methoden, die derzeit zum Nachweis des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verwendet werden. (A) Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR). cDNA, komplementäre DNA. (B) Computertomographie-Scan. (C) Enzyme-Linked Immunosorbent Assay.

2.1. Reverse Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR)

RT-PCR wird in großem Umfang zum Nachweis von COVID-19 verwendet. Es basiert auf der cDNA-Synthese aus genomischer RNA und wird von einer Amplifikation gefolgt [26, 38]. Die Amplifikation von minimalen Mengen viralen genetischen Materials in einer Mischung anderer Nukleinsäureserien wird effektiv durch RT-PCR durchgeführt. Es ist derzeit die goldene Standardtechnik zum Nachweis von SARS-CoV-2 in Proben der oberen Atemwege. Mehrere Studien haben Serum-, Augen- und Stuhlproben für den RT-PCR-basierten Nachweis verwendet. Eine zeitgemäße Methode verwendet selbst gesammelte Speichelproben als nicht-invasive und sichere Technik für Gesundheitsdienstleister vor der RT-PCR. Bei diesem Verfahren verändert die Reverse Transkriptase zuerst das virale RNA- Genom in DNA unter Verwendung eines Sequenzprimers mit kleiner Sequenz und der Generierung komplementärer DNA (cDNA). Dann beobachtet ein fluoreszierender Farbstoff oder eine fluoreszenzmarkierte sequenzspezifische DNA-Sonde die Amplifikation der DNA in Echtzeit. Schließlich zeigt ein fluoreszierendes oder elektrisches Signal die virale cDNA nach aufeinanderfolgenden Amplifikationszyklen [1, 9, 22].

Herkömmliche RT-PCR-Verfahren umfassten einstufige oder zweistufige Ansätze. Während einstufige Verfahren ein einzelnes Röhrchen enthalten, das einen Primer enthält, verwendet das zweistufige Verfahren mehr als ein Röhrchen, um die Reaktionen durchzuführen. Dennoch bietet es einen umsichtigeren und flexibleren Weg. Außerdem kann es cDNA für die Quantifizierung verschiedener Ziele mit weniger Ausgangsmaterialien vorrätig halten. Die Standardmethode zum Nachweis von SARS-CoV-2 ist jedoch der einstufige Ansatz, da er schneller ist, weniger Probenhandhabung erfordert, die Laborzeit verkürzt und Pipettierfehler verringert [9, 43].

Der RT-PCR-basierte Nachweis ist auch mit falsch-negativen Ergebnissen verbunden, was auf die niedrige Viruslast im Rachen der Patienten, den unsachgemäßen Umgang mit RNA-Proben oder das Fehlen ausreichender interner Kontrollen zurückzuführen sein könnte [8, 9, 16]. Das Hauptproblem der RT-PCR ist ihre geringe Empfindlichkeit gegenüber Brustscans aufgrund der unzureichenden Anzahl von Viren im Blut der RT-PCR. Darüber hinaus ist es aufgrund der unzureichenden Anzahl von Viren im Blut oder der Ungenauigkeit des Laborkits eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Brustscans [26].

2.2. Computertomographie (CT)

Eine weitere Methode zur Erkennung und Behandlung von COVID-19 ist der Brust-CT-Scan, bei dem Röntgenaufnahmen der Brust eines Patienten in verschiedenen Winkeln durchgeführt werden. Laut radiologischen Berichten können ungewöhnliche Merkmale auf dem CT-Scan-Ausdruck auf einen COVID-19-Befall zurückzuführen sein. Typische Merkmale, die bei einem Brustscan eines Patienten mit COVID-19 beobachtet werden, sind Milchglastrübung (GGO), insbesondere an den peripheren und tieferen Lappen, Konsolidierungen (Anstieg der Trübung des Parenchyms, was zu einer Abdeckung der darunter liegenden Gefäße führt ), Crazy-Paving-Muster (GGO mit intralobulärer und interlobulärer Septumverdickung) und lineare Trübungen. Das hochauflösende CT könnte helfen, GGOs in frühen Stadien der Infektion zu erkennen [9, 26, 40].

Die CT-Empfindlichkeit scheint bei Patienten mit positiver RT-PCR erhöht zu sein (86–97 % in verschiedenen Fallstudien) und niedriger bei Patienten mit nur konstitutionellen und nicht-respiratorischen Symptomen (ca. 50 %). Ultraschall wurde in einer minimalen Anzahl von Fällen als diagnostisches Instrument verwendet. Ultraschall hat eine sehr geringe Spezifität, und trotz der Beeinflussung durch Faktoren wie Krankheitsstringenz, Patientengewicht und Geschicklichkeit des Bedieners wird die Empfindlichkeit auf etwa 75 % geschätzt. Ultraschall kann jedoch eine Rolle bei der Beobachtung des Fortschreitens der Krankheit spielen, indem er Merkmale einer interstitiellen Lungenerkrankung erkennt [26].

2.3. SHERLOCK

Neben RT-PCR und CT-Scans wurden auch verschiedene andere Nachweisverfahren für SARS- CoV – 2-Nachweise entwickelt. Wie es in Gupta überhaupt beschrieben ist, wurde SHERLOCK von Zhang et al. [45] „zum Nachweis von RNA-Fragmenten von SARS- CoV – 2 mit 10–100 Kopien/ μl der Eingabe. Das Grundprinzip der SHERLOCK-basierten Diagnose ist die CRISPR-basierte Erkennung. Dieser Test kann in < 60 min durchgeführt werden, ohne dass spezielle Instrumente erforderlich sind. Sie wählten zwei Ziele, das S-Gen und das Orf1ab-Gen, aus dem SARS-CoV-2-Genom aus. Um die Kreuzreaktivität mit anderen Genomen von Atemwegsviren zu minimieren, wählten sie auch spezifische Leitsequenzen aus.“ [9].

2.4. RT-LAMPE

Eine optimierte RT-LAMP-basierte Nachweismethode hat eine höhere Empfindlichkeit als herkömmliche PT-PCR-Methoden und benötigt weniger Zeit (Abb. 2). Infolgedessen kann dieses Verfahren zur schnellen Diagnose des Coronavirus genutzt und die Testkapazität um das 2–2,5-fache erhöht werden [9, 13].

Abbildung 2.. Arbeitsablaufvergleich unseres RT-LAMP-Assays im Vergleich zur qRT-PCR für Notfälle (ambulant) und stationäre Patienten. Unser RT-LAMP-Assay ist 2- bis 2,5-mal schneller als die qRT-PCR-Assays und kann bei Raumtemperatur versendet werden.

Gupta et al. fasste die aktuellen Techniken zum Nachweis einer SARS-CoV-2-Infektion in Abb. 3 zusammen [9] .

Abbildung 3. Aktuelle Techniken, die zum Nachweis des Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) mit schwerem akutem respiratorischem Syndrom verwendet werden.

3. Nanomaterialien für den SARS-CoV-2-Nachweis

Nukleinsäuretests durch Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) sind die aktuelle Methode zum Nachweis einer COVID-19-Infektion. Obwohl RT-PCR weit verbreitet ist, um COVID-19 nachzuweisen, gibt es mehrere Probleme [3, 14, 29, 35].

1. Falsch negative Ergebnisse;
2. lange Reaktionszeiten / zeitaufwändig;
3. RT-PCR ist nicht in der Lage, asymptomatische Patienten zu erkennen, da sie das Vorhandensein von beobachtbarem SARS-CoV-2 in gesammelten Proben erfordert;
4. schlechte analytische Empfindlichkeit;
5. arbeitsintensiv;
6. Gesundheitszentren in nicht städtischen Umgebungen verfügen nicht über eine angemessene PCR-Infrastruktur, um einen erhöhten Probendurchsatz zu bewältigen;
7. teuer;
8. die Verfügbarkeit von RT-PCR-Kits und Reagenzien kann die erhöhte Nachfrage nicht befriedigen.

Die gegenwärtige Situation erfordert die Entwicklung von Erkennungstechniken, die schnell, kostengünstig und einfach zu bedienen sind. Um die Einschränkungen traditioneller Methoden zu überwinden, ist ein verbesserter multidisziplinärer Ansatz erforderlich. Auf Nanomaterialien basierende technologische Lösungen bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Kampf gegen das Virus [10, 32].

3.1. Eigenschaften von Nanomaterialien

Die einzigartigen Eigenschaften von Nanopartikeln spielen eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung von Pandemien und der Eindämmung künftiger Ausbrüche. Nanopartikel zeigen charakteristische Eigenschaften wie:

• winzige Größe;
• Löslichkeit;
• Multifunktionalität;
• Zielfähigkeit;
• Reizreaktionsfunktionen;
• große Oberfläche;
• Oberflächenanpassung.

Daher wurden sie für verschiedene Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen wie analytische Chemie, Pharmazie, Sensorik/Biosensorik, Biotechnologie, Nanomedizin, Arzneimittelabgabe, biologische Erkennung, Gentransfer, Optik, Wundheilung, energiebasierte Anwendungen und Landwirtschaft eingesetzt und Umweltanwendungen. Nanopartikel verbesserten diese Anwendungen, indem sie eine höhere Leistung mit einer erheblichen Aussicht auf die Umsetzung in eine miniaturisierte Maschine, einschließlich tragbarer Elektronik, lieferten. Daher zeigen sie das enorme Potenzial, die Lebensqualität zu verbessern, indem sie die Virusausbreitung durch Früherkennung regulieren. Nanopartikel haben mindestens eine Dimension im Nanometerbereich (1 nm = 10 -9) (Abb. 4) [1, 15, 30, 36].

Abbildung 4. Skala von Nanopartikeln mit einigen Beispielen.

Das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, die hohe Adsorption, die Quantengrößeneffekte und die hohe Reaktivität der Nanopartikel ermöglichen eine effiziente Wechselwirkung mit Probenanalyten. Darüber hinaus verfügen sie über außergewöhnliche Multiplexing-Fähigkeiten, die sie für die Integration in hochmoderne Technologien zur Virenerkennung geeignet machen. Darüber hinaus bieten Nanopartikel eine einfache Oberflächenfunktionalisierung, was darauf hindeutet, dass mehrere Liganden über kovalente oder nichtkovalente Bindungen gebunden werden können, was die Selektivität und Besonderheit weiter verbessert und die Nachweiszeit verkürzt. Darüber hinaus können Nanomaterialien auch als Markierungen zur Verbesserung der Signale verwendet werden, wodurch Signale mit sehr geringer Stärke erkannt werden können [32].

3.2. Kategorien von Nanomaterialien

Eine Vielzahl von Nanomaterialien für die Erkennung und Verfolgung von Viren wurde entwickelt, die zur Aufklärung von Virusinfektionsmechanismen beitragen , wie z. B. [11]:

• Metallische Nanopartikel, z. B. Gold-Nanopartikel (Au-NPs), Silber-Nanopartikel (Ag-NPs);
• Metalloxid-Nanopartikel, z. B. magnetische Eisenoxid-Nanopartikel (Fe 3 O 4 NPs);
• Kohlenstoff-Nanomaterialien einschließlich 0-dimensional (0D, z. B. Fullerene (C60), Kohlenstoffpunkte (C-Punkte)), 1D (Kohlenstoff-Nanotunes (CNTs)), 2D (z. B. Graphen (G), Graphenoxid (GO) und 3D (z. B. Graphit);
• Quantenpunkte (QDs): CdS-QDs, CdTe-QDs, Kohlenstoff-QDs ;
• Poröse Materialien: metallorganische Gerüste (MOFs), kovalente organische Gerüste (COFs);
• Polymere: natürliche Polymere (z. B. Chitosan, Cellulose) und synthetische (z. B. Polythiophen, Polypyrrol);
• Lipid-Nanopartikel (LNPs): Triglyceride, Fettsäuren, Steroide und Wachse.

Abbildung 5. Schematische Diagramme, die verschiedene Beispiele für COV-Nachweismethoden auf Nanomaterialbasis zeigen. (a) Fluoreszierende Zr-QDs und magnetische Nanopartikel werden mit Antikörpern konjugiert, die spezifisch an COV binden. In Gegenwart von COV wird ein magnetisch fluoreszierender Komplex gebildet, der magnetisch isoliert und durch Fluoreszenzmessungen nachgewiesen wird. (b) Nanofallen werden verwendet, um COV zu konzentrieren und ihre Stabilität zu verbessern, wodurch ihr Nachweis erleichtert wird. (c) Reverse Transkriptions-PCR wird in Gegenwart von Nanopartikeln durchgeführt, wodurch die Wirksamkeit der Polymerase-Kettenreaktion verbessert wird und eine bessere Nachweisempfindlichkeit dieses Verfahrens resultiert. (d) COV-Nachweisverfahren, das auf den Wechselwirkungen zwischen komplementärer DNA, die aus COV stammt, und einer acpnPNA-Sonde an der Oberfläche von Ag-NP basiert, was zu einer Trennung zwischen Ag-NPs und einer gelben Farbe führt, die mit der Lumineszenz von gut dispergiertem Ag verbunden ist NPs, die das Vorhandensein von COV weiter aufdecken.

Abbildung 6. Verschiedene Nanopartikel.

Nanomaterialien können in einer Vielzahl von Rollen für COVID-19 eingesetzt werden. Rasmi et al. fassen die Funktionen und die primäre Rolle von Nanomaterialien in der folgenden Tabelle zusammen (Abb. 7) [30].

Abbildung 7. Zusammenfassung der Rolle von Nanomaterialien für COVID-19.

3.2.1. Gold-NPs (Au-NPs)

Goldnanopartikel (AuNPs) werden aufgrund ihrer bemerkenswerten optischen Eigenschaften wie erhöhte Extinktionskoeffizienten und abstimmbare lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) zunehmend in SARS-CoV-2-Detektionsplattformen eingesetzt, die eine separate Farbauslesung mit einer einfachen Ausrüstung oder nackt ermöglichen Auge. Für den Nachweis von SARS-CoV-2-Antikörpern (IgG, IgM oder IgA) wurden AuNP- und fluoreszierende Nanopartikel-basierte Assays vorgeschlagen [17].

Gold-Nanopartikel (AuNPs) sind eines der am häufigsten verwendeten Nanomaterialien für die Schnelldiagnostik. Das Gold-Nanopartikel wurde verwendet, um die doppelsträngige DNA (dsDNA) von Zielviren nachzuweisen. Insbesondere kann einzelsträngige DNA (ssDNA) oder ssRNA mit Citrationen auf der AuNP-Oberfläche interagieren. Die Zugabe von Salz zur Lösung kann die Partikel stabilisieren und ihre Farbe ändern. Weiterhin eine einfache Farbmetrik Hybridisierungsassay wurde angewendet, um dsDNA von SARS- CoV nachzuweisen, die aus ssRNA entwickelt wurde. Dieser Assay kann das Ziel bei 4,3 nM in 10 min sehen, ohne dass ein umständliches Gerät erforderlich ist [18, 30].

Farbwechsel -Ansatz

Eine andere Analyse führte eine Methode ein, um das COVID-19-Virus ohne ausgefeilte Werkzeuge visuell zu erkennen. Der kolorimetrische Nachweis wurde unter Verwendung von Thiol-modifizierten Antisense-Oligonukleotiden (ASOs)-beschichteten AuNPs entwickelt, die explizit für die bestimmt sind. Thiol-modifizierte ASO-Cap-AuNPs wurden selektiv in der Existenz der SARS-CoV-2-Ziel-RNA-Sequenz aggregiert und lieferten eine Modifikation ihrer Oberflächenplasmonresonanz. Das Ergebnis kann in 10 min mit einer Nachweisgrenze von 0,18 ng/ μL beobachtet werden [23, 30].

Abbildung 8: Schematische Darstellung für den selektiven Nachweis von SARS-CoV-2-RNA mit bloßem Auge, vermittelt durch die geeignet gestalteten ASO-bedeckten AuNPs.

Ein effektiver Nachweis von COVID-19 wurde durch Immobilisieren von Proteinen auf der Au-Oberfläche unter Verwendung der Au-bindenden Polypeptide entwickelt. Unter Verwendung des verbesserten grün fluoreszierenden Proteins, des SARS- CoV -E -Proteins und des Kern-Streptavidins von Streptomyces avidinii als Beispiele wurde das Au-bindende Polypeptid-Fusionsprotein explizit auf AuNP immobilisiert, und die Protein-Nanomuster auf der bloßen Au-Oberfläche wurden demonstriert. Diese Komplexe interagieren mit dem Antikörper, was zu Absorption und Farbänderung führt [25, 30].

 Nicht-invasiver Ansatz

Der Nachweis von COVID-19 mit nicht-invasiven Ansätzen wurde aus der ausgeatmeten Luft unter Verwendung eines AuNP-basierten Sensors vorgeschlagen. Der Sensor bestand aus verschiedenen AuNPs, die an organische Liganden und einen Film aus anorganischem Nanomaterial gebunden waren. Der anorganische Film ist für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich. Daher reagiert der organische Film, wenn er den flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) aus der Ausatmung ausgesetzt wird, mit den VOCs, was zum Quellen oder Schrumpfen des anorganischen Films und zu Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit führt. Daher könnte dieser nicht-invasive Sensor möglicherweise zum schnellen Screening von COVID-19 verwendet werden [30, 32].

Elektrochemischer Hybridisierungsansatz

Ein AuNP-basiertes elektrochemisches Hybridisierungsverfahren wurde unter Verwendung eines Gensensors definiert, der aus einer thiolierten DNA-Sonde besteht, die auf der AuNPs-Kohlenstoffelektrode immobilisiert ist, um biotinylierte Ziel-DNA zu hybridisieren. Ein elektrochemischer Chip wurde über eine Kohlenstoffelektrode präsentiert, die aus einem AuNP-Array bestand. Das Coronavirus-Protein wurde an eine AuNP-Elektrode gebunden, und sowohl das Coronavirus-Protein als auch freie Viren konkurrieren um Bindungsstellen in der Existenz von Antikörpern. Es gab eine ausgezeichnete lineare Reaktion zwischen der Sensorantwort und den Konzentrationen des Coronavirus im Bereich von 0,001 bis 100 ng ml−1. Der Assay erreichte die Nachweisgrenze von nur 1,0 pg mL−1. Die Methode war einstufig, sensibel und präzise (Abb. 9) [17, 30].

Abbildung 9. COV-Immunsensor-Array-Chip (a), die Herstellungsschritte des Immunsensors (b), der Nachweisprozess des kompetitiven Immunsensors für das Virus (c).

Immunchromatographischer Ansatz

Ein Lateral-Flow-Assay zum schnellen Nachweis von IgM gegen COVID-19 wurde durch den Ansatz der indirekten Immunchromatographie entwickelt. Das SARS-CoV-2-Nukleoprotein (SARS-CoV-2-NP) wurde zur Zielerfassung auf eine analytische Membran aufgetragen, und Anti-Human-IgM wurde an AuNP konjugiert, das als Detektionsreporter diente. Die AuNP-LF-Analyse zeigte eine bemerkenswerte Selektivität beim IgM-Nachweis ohne Störung durch andere Viren. Jeder Assay benötigt nur 10–20 μl Serum, und das Ergebnis kann innerhalb von 15 min empfangen werden [12, 30].

3.2.2. Quantenpunkte (QDs)

Quantenpunkte (QDs) sind facettenreiche Mechanismen, die gegen das COVID-19-Virus kämpfen können. Quantenpunkte (QDs), auch als „Halbleiter-Nanomaterialien“ bekannt, spielen eine entscheidende Rolle bei der Erkennung von COVID-19. QDs wurden als neue fluoreszierende Sonde für die molekulare Bildgebung erkannt . Die Größe der QDs variiert von 1 bis 10 nm. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von QDs, einschließlich hervorragender optischer und Halbleitereigenschaften, beispielhafter Photostabilität, hoher Quantenausbeute und schmalem Emissionsspektrum mit einstellbarer Größe, haben sie zu einem bedeutenden Kandidaten für den Einsatz als Fluoreszenzmarker gemacht. Aufgrund dieser herausragenden Eigenschaften können QDs als hervorragendes Mittel zur Bekämpfung von Virusinfektionen angesehen werden. Darüber hinaus kann die Einbeziehung möglicher biokompatibler Träger interdisziplinäre Studien unterstützen und klinische Ansätze zur Bekämpfung des Virus ermöglichen. Aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften sind QDs heute dominante bildgebende Sonden ( Chemosensoren und Biosensoren) für die Sensorik [21, 30].

Abbildung 10. Beschreibung des Funktionsprinzips des AuNP=LF-Streifens.

QDs werden aufgrund ihrer Rückverfolgbarkeit unter einer bestimmten Lichtwellenlänge eingesetzt. Darüber hinaus können QDs auf die gewünschte Größe (1–10 nm) und Form abgestimmt werden, die SARS-CoV-2 mit einer Größenspanne zwischen 60 und 140 nm effizient angreifen/durchdringen. Darüber hinaus könnte die positive Oberflächenladung von kohlenstoffbasierten QDs genutzt werden, um das S-Protein von SARS-CoV-2 zu sequestrieren/deaktivieren. Darüber hinaus interagieren kationische Oberflächenladungen, die QDs aufweisen, mit dem negativen RNA-Strang des Virus, was zur Produktion reaktiver Sauerstoffspezies innerhalb von SARS-CoV-2 führt [21].

Ein QD-konjugierter RNA-Aptamer-basierter Chip wurde für den sensitiven und schnellen Nachweis des SARS- CoV -N-Proteins mit einer Nachweisgrenze von 0,1 pg mL−1 auf einem entwickelten Chip eingeführt. Das QD-konjugierte RNA-Aptamer kann an das auf dem Chip immobilisierte SARS- CoV -N-Protein binden und ein optisches Signal erzeugen. Die Verwendung von fluoreszenzbasierten QDs kann Forschern bei der Entwicklung eines einfachen, sensitiven und schnellen Diagnosewerkzeugs für COVID-19 helfen [30, 31].

Abbildung 11 . Schematische Darstellung der Wirkungen von QDs auf SARS-CoV-2. QD, Quantenpunkt; S-Protein, Spike-Protein; SARS-CoV-2, schweres akutes respiratorisches Syndrom, Coronavirus Typ 2

Kohlenstoff-Quantenpunkte

Kohlenstoff-Quantenpunkte (CQDs) können verwendet werden, um Mikroben, Biomoleküle und Infektionen zu erkennen. Darüber hinaus können sie als dominante bildgebende Sonden ( Chemosensoren und Biosensoren) mit antiviraler Aktivität als biokompatible Inaktivierungssysteme für pathogene humane Coronavirus-Infektionen verwendet werden. Die CQDs sind etwa 10 nm groß und weisen eine hohe Löslichkeit in Wasser auf. Sie wurden durch hydrothermale Karbonisierung von Kohlenstoffvorläufern hergestellt. Einige innovative Ansätze zum Nachweis von Coronaviren haben sich auf die Anwendung von CQDs konzentriert. Bei einer Methode wurden die antiviralen Aktivitäten von sieben CQD-Typen verwendet, um Ansteckungen mit dem menschlichen Coronavirus zu heilen. Es wurden verschiedene Arten von CQDs durch hydrothermale Karbonisierung und Konjugation von Boronsäure verwendet. Es wurde offengelegt, dass die Virushemmung möglicherweise auf den Austausch zwischen CQD-operierenden Gruppen mit Eintrittsrezeptoren des Virus zurückzuführen ist [10].

Zirkonium-Quantenpunkte (Zr QDs)

Zirkonium wurde aufgrund seiner Eigenschaften wie mechanische Stabilität, thermische Belastbarkeit und UV-Lichteinfang in vielen biomedizinischen Bereichen als ungiftiger Übergang verwendet. Außerdem hat die Nanogröße von Zr aufgrund seiner großen Oberfläche und der Gefangenschaft elektronischer Zustände im Vergleich zu seinem Bulk-Regime einzigartige physikalische und chemische Aspekte [10].

Im Allgemeinen ist der Einsatz von QDs gegen das Coronavirus aufgrund seiner hervorragenden kurativen Wirksamkeit eine der am besten geeigneten Optionen. Darüber hinaus können QDs als robuste bildgebende Sonde und Sensor in der Diagnose und Prognose eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Medikamente auf die Oberfläche von QDs aufgetragen werden, um auf COVID-19 abzuzielen. Dennoch ist Vorsicht geboten, um eine Nierenfiltration und zusätzliche Nebenwirkungen zu vermeiden.

3.2.3. Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien

Kohlenstoffmaterialien sind in jedem Aspekt unseres täglichen Lebens funktional, da es sich um reichlich vorhandene und schwerelose Stoffe handelt, die für eine Kombination von Anwendungen verwendet werden können. Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis können basierend auf ihren Dimensionalitäten (D) als Null-D (0D) wie Kohlenstoffpunkte, Ein-D (1D) wie in CNTs und Zwei-D (2D) in Graphen-Nanostrukturen kategorisiert werden . Diese Nanomaterialien behalten auch in extremen Umweltsituationen eine umfassendere Betriebstemperatur, Wahrnehmungsfähigkeit und einen größeren dynamischen Signalumwandlungsbereich bei [24].

Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wurden in großem Umfang bei der Entwicklung einer Plattform für den COVID-19-Nachweis eingesetzt. Ihre herausragenden physikalisch-chemischen und antiviralen Eigenschaften legen nahe, dass Nanomaterialien eine entscheidende Rolle gegen COVID-19 spielen. Diese Nanomaterialien, einschließlich Graphen und Graphenoxid, Kohlenstoff-Quantenpunkt, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Fulleren mit hervorragenden Eigenschaften, hauptsächlich sensorischen, antiviralen und antimikrobiellen Eigenschaften, sind überlegene Optionen mit potenziellen Anwendungen gegen COVID-19 in Biosensoren für die Diagnose, antivirale Beschichtung, luftgetragene Virusfiltration , Gesichtsmaske und Arzneimittelabgabe [10, 24, 30].

 Graphen und Graphenoxid

Die antimikrobiellen und antiviralen Eigenschaften der Nanomaterialien Graphen und Graphenoxid haben zwei Dimensionen, die viel Aufmerksamkeit und Untersuchung erregt haben. Zunächst wurden graphenbasierte Feldeffekttransistoren (FET) als tragbare Sensoren entwickelt, um die COVID-19-Viruslast in klinischen Nasen-Rachen-Proben zu analysieren, wobei einzigartige Antikörper gegen sein Spike-Protein verwendet werden. Die hergestellten FET-Sensoren können das SARS-CoV-2-Spike-Protein in Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung und 100 fg mL–1 medizinischem Transfersystem, bei einer Konzentration von 1 fgmL–1 und einer Nachweisgrenze von ~1,6 × 101 pfu mL–1 und erfassen ~2,42 × 10 2 pfu mL-1 für die kultivierte Probe bzw. den medizinischen Test. Dieser Sensor zeigt eine hohe Empfindlichkeit für das Screening und die Diagnose der neuartigen Coronavirus-Krankheit 2019 ohne Probenvorbehandlung. Die Existenz von Graphen führt zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis [10].

Abbildung 12. Schematische Darstellung bestimmter Allotrope von Kohlenstoff-Nanomaterialien für die Entwicklung von Nanobiosensoren.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) wurden aufgrund der folgenden Eigenschaften in großem Umfang in der Biologie und in den biomedizinischen Wissenschaften eingesetzt und eröffnen neue Horizonte für die wissenschaftliche Entwicklung [10]:

• 10− 100 nm Abmessungen;
• antivirale und antimikrobielle Aktivität;
• gute Licht-Wärme-Umwandlungseffizienz;
• großes Oberflächenvolumenverhältnis;
• geringe Dichte;
• kleine Porengröße;
• Flexibilität;
• Beständigkeit gegen Säuren und Basen;
• große mechanische Festigkeit;
• Fähigkeit, reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen ;
• Resistenz gegen Atemtröpfchen;
• biologische Kompatibilität mit mehreren Arzneimitteln.

Kohlenstoffpunkte wurden 2004 gefunden, und sie haben normalerweise Photolumineszenz, Biokompatibilität und hohe Belastbarkeit, was sie für verschiedene Anwendungen prädisponiert, einschließlich Biosensorik und Biobildgebung. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen und Kohlenstoffpunkte (CDs) können als null-(0D), ein-(1D) und zwei-(2D) dimensionale Kohlenstoffnanomaterialien klassifiziert werden [10, 30].

Abbildung 13. Zukunftsaussichten von CNTs in der Prävention, Diagnose und Behandlung einer SARS-CoV-2-Infektion.

Hoher Speicherplatz, große Oberfläche, hohe Biokompatibilität, hervorragende Durchlässigkeit biologischer Barrieren, angemessene Bioabsorptionsrate, Fähigkeit zur chemischen funktionellen Gruppe von Oberflächen/Röhren mit mehreren Energien und gezielte Biomolekül-Modifikationsstärke sind hervorragende Eigenschaften von CNTs, die neuartige Vorschläge zur Bekämpfung von COVID- 19. In ähnlicher Weise werden CNTs als Diagnosesysteme, Filter und Virusinaktivierungsmittel verwendet [10].

Ein CNT-Größenanreicherungs-Mikrogerät (CNT-STEM) wurde entwickelt, um Viren aus Rohproben anzureichern und zu konzentrieren. CNTs können zur Diagnose von Atemwegsviren, einschließlich SARS-CoV-1 und SARS-CoV-2, verwendet werden. Die Kanalseitenwand in der Mikrovorrichtung wurde aus stickstoffdotierten mehrwandigen CNTs hergestellt, wobei der intratubuläre Raum zwischen CNTs optimiert ist , um der Größe verschiedener Viren zu entsprechen. Mit diesem Gerät wurde der Stamm des Vogelgrippevirus bestimmt. Das CNT-STEM verbessert die Virenisolationsraten und die Erkennungswahrnehmung erheblich. Aufgrund der Einfachheit und Vertrauenswürdigkeit dieser Technik kann sie angepasst werden, um SARS-CoV-2-RNA oder -Proteine nachzuweisen [30, 34].

Abbildung 14. Das Arbeitsprinzip der Virusanreicherung und Konzertierung aus Feldproben. (A) Eine abgelegte Probe, die Viren (violette Kugeln) enthält, wird durch eine Watte oder als Gewebeprobe entnommen. (B) Der Überstand der Feldprobe fließt durch das CNT-STEM, und die Viren werden innerhalb des Geräts angereichert. Einschub (rechts): Illustration der größenbasierten Virusanreicherung durch die ausgerichteten N-MWCNTs. Einschub (unten rechts): SEM-Bild (Maßstab, 100 nm) der H5N2-AIV-Virionen, die in den ausgerichteten N-MWCNTs eingeschlossen sind. Einschub (unten links): Dunkelfeld-TEM-Bild (Maßstab, 100 nm) von angereichertem H5N2-AIV, nachdem die ausgerichteten N-MWCNT-Strukturen aus dem CNT-STEM abgerufen wurden.

Nanodiamanten

Aufgrund ihrer hohen Stabilität und geringen Zytotoxizität haben Nanodiamanten große Aufmerksamkeit für die COVID-19-Diagnostik erhalten. Daher wurden fluoreszierende Nanodiamanten für den Lateral-Flow-Immunoassay von COVID -19 als hochempfindliche Markierung verwendet. Diese Nanodiamanten wurden auf der Testlinie immobilisiert , und ein Mikrowellenfeld wurde verwendet, um ihr Fluoreszenzsignal selektiv vom Hintergrundsignal zu trennen, was die Nachweisempfindlichkeit erheblich verbesserte. Dieser Assay war um 105 empfindlicher als der herkömmliche Lateral-Flow-Assay auf Gold-Nanopartikelbasis. Kohlenstoffbasierte Nanomaterialien können als antivirales Therapeutikum für COVID-19 eingesetzt werden [30].

3.2.4. Magnetische NPs (MNPs)

Vor dem Nachweis werden magnetische NPs (MNPs) typischerweise zum Nachweis von SARS-CoV-2, der Antikörperantwort des Wirts und der Nukleinsäuretrennung verwendet. Es wurde gezeigt, dass mit Kieselsäure beschichtete Eisenoxid-NPs eine signifikante Assoziation mit SARS-CoV-2-RNA haben, da das Virus aufgebrochen wird. Der Magnet wurde verwendet, um die RNA-beschichteten NPs aus der Probenlösung zu isolieren. Diese Methode ist wirtschaftlich und unkompliziert und ermöglicht eine effiziente Extraktion von RNA aus Patientenproben [15, 30].

Ein präziser Nachweis erfordert eine effiziente Extraktion und Trennung von Nukleinsäuren aus Proben, die eine Zielreinigung ermöglichen. In einer Studie wurden superparamagnetische Nanopartikel (80 nm) verwendet, die mit einer komplementären Sonde an die Zielsequenz SARS -CoVs konjugiert waren. Mithilfe eines Magneten können die funktionalisierten superparamagnetischen Nanopartikel Ziel-cDNA aus Proben extrahieren. Die Menge der extrahierten DNA wurde durch PCR erhöht, die unter Verwendung von Silica-beschichteten Fluoreszenz-Nanopartikeln getestet wurde, die mit einer komplementären Sequenz konjugiert waren. Silikabeschichtete Fluoreszenz-NPs erzeugen Fluoreszenzsignale, die direkt mit der Konzentration der Ziel-cDNA korrelieren [30].

Die oberflächenfunktionalisierten MNPs adsorbieren die Nukleinsäure aus der Lyselösung und werden mit Hilfe eines externen Magnetfelds schnell von den meisten Verunreinigungen getrennt. Nach diesem kurzen Vorgang kann die Nukleinsäure zusätzlich durch den Desorptionsprozess im Eluenten von der funktionalisierten Oberfläche der MNPs getrennt werden. Obwohl dieser Prozess viel einfacher und kürzer ist als herkömmliche Verfahren, besteht der unterstützte Extraktionsprozess von MNP immer noch aus mehreren Stufen, was für einen praktischen Nachweis unzureichend ist. Die Zinkferrit-Nanopartikel wurden durch Entladung synthetisiert, und die Nanopartikeloberflächen wurden mit Silica und Carboxyl-modifiziertem Polyvinylalkohol funktionalisiert. Diese Plattform zeigt die Fähigkeit, die virale RNA automatisch aus verschiedenen Probentypen zu entfernen. Es verringert die Funktionsschritte, was eine bedeutende Perspektive für die COVID-19-Diagnostik auf molekularer Ebene darstellt [30, 34].

Für eine mögliche Extraktion und RT-PCR-basierte Diagnose von COVID-19 wird ein einfacheres und zeitgemäßeres MNP-unterstütztes RNA-Extraktionsprotokoll vorgeschlagen. Die MNPs aus Zinkferrit (ZNF) wurden durch die kosteneffiziente Sol-Gel-Selbstverbrennungsroute hergestellt, und danach wurde ihre Oberfläche mit carboxylhaltigen Polymeren ( CPoly ) funktionalisiert. Unter den Magnetmaterialien wurde Zinkferrit aufgrund seiner hohen chemischen Widerstandsfähigkeit, seines sanften magnetischen Verhaltens , seiner unkomplizierten Herstellung und seines biokompatiblen Charakters ausgewählt. Aufgrund der robusten Schnittstelle zwischen Nukleinsäuren und Carboxylgruppen fördern die oberflächenfunktionalisierten MNPs eine schnelle und mögliche virale RNA-Adsorption. Diese kostengünstige und unkomplizierte Technik kann eine qualifizierte Alternative zu herkömmlichen Methoden darstellen [34] .

Abbildung 15. Schematisches Verfahren für das oberflächenfunktionalisierte MNP-unterstützte RNA-Extraktionsprotokoll.

Darüber hinaus gibt es ein einstufiges Nukleinsäureextraktionsverfahren, das insbesondere virale RNA unter Verwendung von polycarboxylfunktionalisierten aminogruppenmodifizierten MNPs (PC-beschichtete NH2-MNP) bindet. Nukleinsäuren wurden unter Verwendung eines Magnetfelds gesammelt und dann durch Zugabe von Waschpuffer von den MNPs freigesetzt. Durch das Fangen von COVID-19-Pseudoviren zeigten Polycarboxyl-funktionalisierte MNPs perfekte Absorption und paramagnetische Eigenschaften durch schnelles Einfangen (30 s magnetisches Einfangen) von Zielen [30, 46].

Abbildung 16: Eine schematische Darstellung des pcMNP- basierten viralen RNA-Extraktionsverfahrens.

3.2.5. Nanozyme

Nanozyme sind unnatürliche Enzyme aus Nanomaterialien mit ähnlicher Effizienz wie natürliche Enzyme. Darüber hinaus haben Nanozyme überlegene katalytische Aktivitäten, schnelle Reaktion und Fähigkeit zur Selbstorganisation, die in großem Umfang für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden. Ein neuartiger Nanozym-basierter Chemilumineszenz-Papierassay zum schnellen und akuten Nachweis von SARS-CoV-2-Spike-Antigen kombiniert Nanozym- und enzymatischen Chemilumineszenz-Immunoassay mit dem geschaffenen Lateral-Flow-Streifen.

Abbildung 17: (A) Schematische Darstellung des Nanozym-Chemilumineszenz-Papiertests für SARS-CoV-2 S-RBD-Antigen. Erkennung, Trennung und katalytische Verstärkung durch Nanozym-Sonden

Konventionelle Chemilumineszenz -Immundiagnostik nutzt natürliche Proteasen wie HRP oder alkalische Phosphatase, die Einschränkungen wie geringe Lagerbeständigkeit, komplizierte Herstellungsverfahren und hohe Kosten aufzeigen. Der vorgeschlagene Biosensor verwendete Peroxidase-nachahmendes Co-Fe@ hemin- Nanozym anstelle von natürlicher Meerrettichperoxidase (HRP), die das Chemilumineszenzsignal stark verstärken könnte und die Nachweisgrenze von 0,1 ng/ ml erreicht. Es wurde gezeigt, dass das Co-Fe@ hemin-Nanozym im Vergleich zu HRP, das bei Raumtemperatur stabil gehalten werden kann, eine bessere Temperaturstabilität und Schärfe oder Alkalinität aufweist. Dieser Test kann innerhalb von 16 Minuten durchgeführt werden, viel schneller im Vergleich zu den üblichen 1-2 Stunden, die für derzeit verwendete Nukleinsäuretests benötigt werden. Darüber hinaus ist eine Signalerkennung mit der Kamera eines typischen Smartphones möglich. Komponenten für die Nanozym-Synthese sind einfach und leicht erhältlich, was die Gesamtkosten erheblich reduziert [20, 30].

3.2.6. Metallorganisches Gerüst

Poröse Nanomaterialien können zum Nachweis verschiedener Krankheitserreger verwendet werden. Der Analyt, das Pathogen, muss nicht von den porösen Nanomaterialien absorbiert werden; Der Erreger muss jedoch mit der Oberfläche des MOF interagieren, das von verschiedenen NPs modifiziert wird. Durch diese Wechselwirkung können zusätzliche optische Off-On- oder On -Off- Mechanismen optimiert werden, um den Erreger nachzuweisen, und in diesem Fall können verschiedene optisch aktive Komponenten als Quencher oder Aktivatoren eingesetzt werden. In der Frage von SARS-CoV-2 besteht aufgrund der erheblichen Diskrepanzen zwischen den Konzentrationen von SARS-CoV-2 und anderen keine Notwendigkeit, dasselbe genetische Material und dieselbe genetische Sequenz auf der Oberfläche der Maske oder sogar der Kleidung nachzuweisen. Stattdessen kann mit einem zuvor optimierten Fingerabdruck-Fluoreszenzmuster der gleiche Aufmerksamkeitsbereich von SARS-CoV-2 auf der Kontaktfläche von Gas- und Festphase durch optische Veränderungen gemessen werden. Wenn die MOF-basierten Biosensoren außerdem erfolgreich für den Nachweis von HIV-1, H1N1, ZIKA und anderen Krankheitserregern mit beträchtlicher Präzision und LOD funktionieren, dann sollte der morphologie- und optisch basierte Biosensor für den Nachweis von SARS-CoV-2 ebenfalls funktionieren. [26].

4. Herausforderungen und Grenzen von Nanomaterialien

Nanomaterialien können für biomedizinische Anwendungen von großem Wert sein. Sie haben jedoch einige Einschränkungen, wie z. B. Toxizität. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die sichere Verwendung von Nanomaterialien zu gewährleisten. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich das Verhalten von Nanomaterialien im Körper ändern kann, wenn sie durch die Bildung von Proteinkorona in den Blutkreislauf gelangen. Daher sind originalgetreue In-vivo-Modelle erforderlich, um das toxikokinetische Verhalten der Nanopartikel im Körper, insbesondere bei Langzeitexposition, ausreichend zu verstehen.

Ein weiteres Problem ist das Fehlen standardisierter Protokolle für die physikalisch-chemische und biologische Definition von Nanomaterialien und das Fehlen einer allgemein vereinbarten Definition eines Nanomaterials. Kapazitäten für die Herstellung im großen Maßstab sind eine weitere Hürde, die für die breitere Kommerzialisierung nanobasierter Formulierungen überwunden werden muss. Aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Nanomaterialien und biologischen Systemen ist es sehr anspruchsvoll, das Verhalten dieser Materialien unter physiologischen Bedingungen vorherzusagen. Sobald sie sich im Körper befinden, erreichen die Nanopartikel den Blutkreislauf, eine komplexe Matrix, die Ionen, kleine Moleküle, Proteine und Zellen enthält. [37].

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Test LO 3.1

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Referenzen

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Zusammenfassung

Die Fortschritte der Nanotechnologie sind für die Diagnose von COVID-19 von erheblicher Bedeutung. Schutz und Diagnose sind unerlässlich, um die Ausbreitung von Infektionen einzudämmen. Die Nanotechnologie bietet neuartige Techniken für die schnelle Diagnose, die Erkennung von Infektionen im Frühstadium und die Identifizierung von COVID-19. Aufgrund ihrer geringeren Größe und größeren Oberfläche können Produkte der Nanotechnologie die Krankheit mit hoher Präzision erkennen. Da die Symptome von COVID-19 denen anderer Atemwegserkrankungen sehr ähnlich sind, ist es unerlässlich, über präzise, sensitive und schnelle Diagnoseinstrumente zu verfügen, um die Infektion frühzeitig zu erkennen.

Schlüsselwörte/Phrasen: Nanotechnologie, COVID-19, Diagnose

1. Einführung

Die durch das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursachte Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) ist ein globales Gesundheitsproblem, das die WHO als Pandemie ausgerufen hat. COVID-19 hat zu einem weltweiten Lockdown geführt und die Weltwirtschaft gefährdet. SARS-CoV-2 hat sich weltweit schnell verbreitet und eine globale Pandemie in Überzahl erzeugt. Dieses Virus kann über Tröpfchen und engen Kontakt von Mensch zu Mensch übertragen werden, und Menschen jeden Alters sind diesem Virus ausgesetzt. Der Ausbruch von COVID-19 übte internationalen Druck auf moderne Gesellschaften aus, insbesondere auf die mit der Gesundheitsversorgung verbundene Infrastruktur. Daher sind diagnostische Tests speziell für diese Krankheit dringend erforderlich, um positive Fälle sicherzustellen, Patienten zu untersuchen und eine Virusüberwachung durchzuführen. Die Diagnose kann eine einflussreiche Rolle bei der Prävention von COVID-19 spielen, indem sie eine schnelle Durchführung von Managementmaßnahmen ermöglicht, die die Ausbreitung durch das Erkennen und Isolieren von Fällen und durch Kontaktverfolgung begrenzen. Folglich steht die Welt vor einer neuen Herausforderung: ultraschnelle, ultraempfindliche Geräte und Analysewerkzeuge im Nanomaßstab oder Sensorsysteme (z. B. Nanobiosensoren) zu entwickeln, die beim Nachweis des 2019 neuartigen Coronavirus (COVID-19) oder schweres akutes respiratorisches Syndrom (SARS) aufgetaucht waren.[3, 10, 17].

Mit den Fortschritten in der Nanotechnologie können ihre außergewöhnlichen Eigenschaften, einschließlich ihrer Fähigkeit zur Signalverstärkung, für die Entwicklung von Nanobiosensoren und Nanobildgebungsverfahren eingesetzt werden, die zusammen mit anderen diagnostischen Werkzeugen für die Erkennung im Frühstadium verwendet werden können. Die Nanotechnologie wird gründlich auf ihre Aussichten für die Entwicklung von Krebs, Diagnosetechniken, Therapeutika, Impfstoffen und Strategien zur Entlastung des Gesundheitswesens untersucht [10].

2. Aktuelle Labormethoden zur Diagnose von SARS-CoV-2

Die Diagnose von COVID-19 beruht auf der Analyse der Reaktion des Patienten aufgrund der Krankheit oder der Untersuchung von Virusinhalten, z. B. RNA oder deren Protein. Die Temperatur des Patienten (erhöhte Temperatur), Erschöpfungsgefühl und Atembeschwerden deuten auf eine Infektion hin. Dennoch sind diese Symptome unspezifisch und können aufgrund der Infektion mit anderen Krankheitserregern beobachtet werden. Die pathologischen Veränderungen des Patienten in Organen wie der Brust können mittels Computertomographie (CT) beobachtet werden. Ein CT-Scan kann ein zuverlässiger Test zum Screening von SARS-COV-2-Fällen wie anderen Arten von Lungenentzündung sein. Die Analyse erforderte jedoch eine spezielle Ausrüstung und erfüllte eine beträchtliche Skala von Anforderungen nicht. COVID-19 kann über Labormessungen diagnostiziert werden. Diese Methoden werden normalerweise für die Untersuchung von Patienten verwendet. Sie können nicht verwendet werden, um kontaminierte Proben wie Oberflächen und Luft zu analysieren [1].

Abbildung 1. Diagnosemethoden für COVID-19.

Für die Diagnose von COVID-19 wurden mehrere Methoden entwickelt. Die Haupttests für die Diagnose können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden [1]:

1. Gentests (virale Nukleinsäuretests):Analyse des viralen Genoms unter Verwendung von Methoden wie Echtzeit-Quantitative Reverse-Transkription-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR), isothermale Amplifikation (z. B. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP), nukleinsäuresequenzbasierte Amplifikation (NASBA), Transkription -vermittelte Amplifikation (TMA), Rolling-Circle-Amplifikation (RCA), Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)) und Nanopore Targeted Sequencing (NTS).
2. Antigen-Tests: Analyse der viralen Proteine (membrangebundene Spike-Proteine oder Nucleocapsid-Proteine) mit Techniken wie Kolorimetrie, Feldeffekttransistor (FET), Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) und Massenspektrometrie (MS)
3. Serologische Tests: Analyse der Antikörper (Immunglobulin M (IgM) und Immunglobulin G (IgG)) gegen das Virus [18, 19]. Die Untersuchung der Antikörper des Patienten kann mit Methoden wie elektrischen (EC) Biosensoren, lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS), Quarzkristall-Mikrowaage (QCM), fluoreszenzbasiertem Biosensor, Kolorimetrie durchgeführt werden oder mit Gold-Immunchromatographie, ELISA, Chemilumineszenz-Immunoassay und piezoelektrische Microcantilever-Sensoren (PEMS).

Leider haben viele herkömmliche Nachweisverfahren für Atemwegsviren, wie RT-PCN, viele Nachteile. Diese sind zeitaufwändig, kostenintensiv, nicht immer bestimmbar oder reproduzierbar und erfordern qualifiziertes Personal und andere technische Einrichtungen [3].

Abbildung 2. Nachteile traditioneller Methoden .

3. Nanotechnologie

Die Nanotechnologie bietet neue Techniken für die schnelle Diagnose, die Erkennung von Infektionen im Frühstadium und die Identifizierung von virulenten Krankheitserregern, die die Pandemie verursachen, insbesondere durch die Verbesserung der Effizienz und Qualität des Erkennungsprozesses durch den Einsatz von Nanobiosensoren. Darüber hinaus zeigen neue Nanostrukturen und Nanosensoren Eigenschaften und Leistungen, die auf makroskopischer Ebene nicht sichtbar sind, was für die Erkennung und Erfassung von Ereignissen auf Nanoebene von Bedeutung ist [3].

Nanotechnologie kann die Diagnose von COVID-19 verbessern und eine hochmoderne Diagnosemethode basierend auf einer Point- of – Care (POC)-Sensortechnologie vorschlagen. Darüber hinaus kann es mit Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) und in das Internet of Medical Things (IoMT) integrierten Biosensoren zum Studium der praktischen Informatik über Datenspeicherung, -freigabe und -analyse verbunden werden. Außerdem können sie traditionelle Verfahren wie geringe Empfindlichkeit, geringe Selektivität, hohe Kosten und verlängerte Diagnosezeit umgehen. Neue Methoden können für eine schmerzfreie Probenanalyse verwendet werden, wie z. B. die Analyse des Speichels des Patienten mit einer Sonde mit Graphenoxid (GO)/Au/Faser-Bragg-Gitter (FBG). Die Nanotechnologie kann Technologien wie markierungsfreie Biosensoren, Papier-Lateral-Flow-Assays, optische Technologien und digitale Technologien vorantreiben [1].

3.1. Nanobiosensoren

Das höhere Überwiegen von Virusausbrüchen kann auf die ungeeigneten Erkennungsinstrumente zurückgeführt werden, die zum Nachweis der ansteckenden Erreger verwendet werden. Folglich erfordert dies ein Detektions- oder Diagnosewerkzeug, das in seinen biosensorischen Eigenschaften kräftig, schnell, anspruchsvoll und präzise ist. Die Biosensoren können als analytische Instrumente charakterisiert werden, die geringe Konzentrationen eines Analyten in biologischen Proben (wie menschliches Serum, Blut, Tränen, Speichel usw.) bestimmen können. Im Vergleich zu herkömmlichen qualitativen und quantitativen Testkits sind diese Biosensoren vorteilhaft präzise und empfindlich gegenüber dem gerichteten Ziel [15].

Abbildung 3. Klassifizierung und Anwendungen verschiedener Biosensoren.

Der Bedarf an Genauigkeit und Schnelligkeit bei der Diagnose von COVID-19 wird durch die traditionellen Methoden der serologiebasierten Tests und der reversen Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) nicht erfüllt, die routinemäßig zum Nachweis und zur Diagnose von COVID -19 eingesetzt werden. Diese Bedingung kann durch den Einsatz ultraempfindlicher Nanobiosensoren erfüllt werden, die eine wichtige Rolle beim Nachweis des neuartigen Coronavirus spielen. Nanobiosensoren bieten eine schnelle, kostengünstige, präzise und miniaturisierte Plattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 [10] . Biosensoren umfassen typischerweise ein biologisches Erkennungsmolekül, das auf der Oberfläche eines Signalwandlers immobilisiert ist, und können zur Analyse, Diagnose, zum Schutz, zur Sicherheit und zum Testen größerer Populationen verwendet werden [3].

Nanobiosensoren bieten mehrere Vorteile, die eine effektive Erkennung bewirken, wie z. B. [3]:

• Kosteneffizient;
• Langes Selbstleben;
• Einfach zu verwenden;
• Autonom;
• Präzision;
• Portabilität;
• Schnelle Antwort;
• Hohe Empfindlichkeit;
• Multiplexing-Fähigkeiten;
• Lebensfähiger Prozess.

Nanobiosensoren sind Geräte, bei denen der Wandler so verändert wird, dass er die Zielkomponente einfängt, die biologische Antwort in elektrische Signale umwandelt und sie schnell und mit hoher Präzision erkennt. Die physikalischen Reaktionen können berechnet werden, indem die geeigneten Biorezeptoren wie Nukleinsäuren, Antigene, DNA-Sonden, Peptide, ganze Zellen, Mikroorganismen und Gewebe bestimmt werden. Diese Rezeptoren sind leicht erkennbar, hochempfindlich und detektieren spezifische Bioanalyten. Verschiedene Arten von Biorezeptoren wurden untersucht, um die Viren zu fangen, wie Nukleinsäuren (NA), Immunaffinität und Protein in mehreren Nanobiosensoren basierend auf Elektrochemie, Impedanz, Quarzkristallmikrobalance und optischer und Oberflächenplasmonresonanz. Das Zielmolekül bindet an den Biorezeptor, um durch eine ungewöhnliche Reaktion ein biologisches Molekül einzufangen. Dann gibt der Wandler mit integriertem Molekül eine bestimmte Antwort durch. Anschließend wandelt der Transducer mit integrierten Nanostrukturen die Detektion in ein vom Detektor definiertes elektrisches Signal um (Abb. 4) [3].

Abbildung 4. Das schematische Diagramm verschiedener Analyten, Biorezeptoren für Bioerkennungselemente, Transducer mit integrierten Nanostrukturen als Teile eines typischen Nanobiosensor- Designs für Atemwegsviren.

Nanobiosensoren zum Nachweis von SARS- oder MERS-Coronaviren verwendet werden , können basierend auf dem biologischen Molekül des viralen Ziels (Nukleinsäuren, Antigene oder Antikörper) in Nukleinsäure-basiert, Nukleinsäure-Biosensor, Antigen-basierter Biosensor und Antikörper-basiert kategorisiert werden Biosensor (Abb. 5) [3] .

Abbildung 5. Schematische Darstellung verschiedener Biosensorklassifikationen zum Nachweis von SARS- und MERS-Coronaviren

3.1.1. Elektrochemische Nanobiosensoren

Elektrochemische Biosensoren sind am weitesten verbreitet und am günstigsten bevorzugte Art von Messorten. Gemäß der Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ist ein elektrochemischer Biosensor „ein in sich geschlossenes integriertes Gerät, das in der Lage ist, spezifische quantitative oder halbquantitative analytische Informationen unter Verwendung eines biologischen Erkennungselements (biochemischer Rezeptor) zu liefern, das erhalten bleibt in direktem räumlichen Kontakt mit einem elektrochemischen Transduktionselement.“ [8, 13].

Ein elektrochemischer Nanobiosensor ist ein molekulares Sensorgerät, das ein biologisches Erkennungsereignis mit einem Elektrodenwandler koppelt, um ein nutzbares elektrisches Signal zu erzeugen. Da elektrochemische Nanosensoren Elektroden enthalten, sind die Halbleitereigenschaften, die dielektrischen Eigenschaften und die Ladungsverteilung kritische Elemente [3].

Abbildung 6. Schema, das Designkomponenten von Biosensoren zeigt, die zum Erfassen von Zielanalytproben verwendet werden, mit besonderem Schwerpunkt auf der Verwendung einer elektrochemischen Bioerfassungsplattform, die biochemische Informationen in Strom- oder Spannungssignale auf einer elektrochemischen Wandleroberfläche umwandelt.

Die Hauptvorteile elektrochemischer Biosensoren sind [5, 11]:

• Einfache Entwicklung;
• Möglichkeit der Miniaturisierung;
• Hohe Empfindlichkeit ;
• Relativ niedrige Kosten.

Elektrochemische Sensoren sind eine attraktive Wahl für den Nachweis einer Vielzahl von Biomolekülen, da sie problemlos mit mehreren Modulen kombiniert werden können, a. kostengünstige mikroelektronische Schaltungen, b. miniaturisiertes Lab-on-a-Chip, c. Schnittstellen mit elektronischer Auslesung und d. eine Signalverarbeitungseinheit. Elektrochemische Biosensoren sind empfindlich, leicht zu miniaturisieren, erfordern geringe Analytvolumina, die überlegene Grenze des Analytnachweises und die Anzeige von Ergebnissen vor Ort werden in der medizinischen Diagnostik und vielen anderen Forschungsbereichen, einschließlich Lebensmittelsicherheit und Umweltüberwachung, am meisten bevorzugt [8].

Der elektrochemische Biosensor kann basierend auf den für Signalmessungen verwendeten Wandlermodi kategorisiert werden. Dazu gehören Transduktionsplattformen für Konduktometrie und Oberflächenladung, Amperometrie und Potentiometrie. Das allgemeine Prinzip der elektrochemischen Biosensorik (Bioelektrochemie) basiert auf der elektrochemischen Reaktion, die auf oder in der Nähe der Elektrode und/oder zwischen den Elektroden stattfindet, die zu führen; ( i ) ein messbares Stromsignal ( amperometrisch ), (ii) akkumulierte Ladung oder Potenzial (potentiometrisch) oder (iii) Änderungen in der Leitfähigkeit des Mediums ( konduktometrisch ). [8].

Abbildung 7. Klassifizierung der elektrochemischen Biosensoren nach Art des Wandlers und Signalmodi.

Elektrochemische Nanobiosensoren können auch verwendet werden, um virale Nukleinsäuren zu identifizieren. Ein zum Nachweis von SARS entwickelter elektrochemischer Genosensor wurde unter Verwendung einer Monoschicht aus thiolierten Oligonukleotiden entwickelt, die sich selbst auf mit Goldnanopartikeln beschichteten Kohlenstoffelektroden anordnen. Die Oligonukleotidsequenzen entsprechen genau dem Nukleokapsidprotein von SARS, und die virale Infektion wird durch enzymatische Amplifikation viraler DNA nachgewiesen. Der Nanobiosensor hilft beim sensitiven Nachweis von SARS. Ein elektrochemischer Nanobiosensor , der unter Verwendung von Goldnanopartikeln hergestellt wurde, die mit einer Kohlenstoffelektrode und rekombinantem Spike-Protein S1 als Biomarker verändert wurden, wurde entwickelt, um MERS -CoVs zu erkennen. Dieser Ansatz ist jedoch auch für den Nachweis von Coronaviren vielversprechend. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit wurde der Biosensor mit einem fluordotierten Substrat und Gold-Nanopartikeln als Signalverstärker hergestellt. [10].

Die Modifizierung elektrochemischer Sensorgrenzflächen mit Goldnanopartikeln (AuNPs) zeigt verbesserte Anwendungen und kann zum Nachweis von MERS- CoV verwendet werden. AuNPs fungieren als Arbeitsgrenzflächen mit elektrokatalytischen Eigenschaften und ermöglichen eine Verstärkung der elektrischen Reaktion (Abbildung 8). Ein Immunsensor wurde zum Nachweis des MERS – CoV -Virus entwickelt, der die Aussicht auf elektrochemische Sensoren und Goldnanopartikel verbindet. Der Nanobiosensor wird mit einem Bündel von mit Kohlenstoffelektroden beschichteten Goldnanopartikeln entwickelt.

Abbildung 8. Betriebsschritte für die elektrochemische COVID-19-Sensorplattform: (A) Probenentnahme über den Nasenabstrich oder Speichel, (B) RNA-Extraktion, (C) Immobilisierung des RNA-Extrakts auf der Oberseite der graphenessDNA-AuNP-Plattform, (D) Inkubation von 5 min und (E) Aufzeichnung der digitalen elektrochemischen Ausgabe.

Es wurde beobachtet, dass das rekombinante Spike (S1)-Protein an Gold-Nanopartikeln immobilisiert wird und mit den Viruspartikeln um die Bindung an den Antikörper konkurriert. Wenn keine Virusinfektion vorliegt, heftet es sich an das immobilisierte Spike-Protein. Da diese Nanobiosensor- Methode über eine Gruppe von Elektroden verfügt, kann sie zum Nachweis verschiedener Coronaviren verwendet werden [5, 10].

 Graphen-gekoppelter elektrochemischer Nachweis von SARS-CoV-2

Elektrochemische Transduktionsplattformen können Viren oder alle lebenden mikrobiellen Krankheitserreger mithilfe ihrer spezifischen Bioerkennungselemente erkennen. Es gibt mehrere alternative Wege für den elektrochemischen Nachweis von krankheitsverursachenden Mechanismen. Der Nachweis genetischer Marker mit elektrochemischen Sensorplattformen ist jedoch aufgrund ihrer nicht nachweisbaren Virustiter nicht für Virusnachweise geeignet, insbesondere zu Beginn von Virusinfektionen [8, 14].

In den letzten Jahren wurden mehrere Versuche unternommen, Strategien anzuwenden, die elektrochemischen Glukometern ähneln, um Viren oder Virusinfektionen nachzuweisen. Torrente-Rodríguez et al. entwickelten einen kostengünstigen tragbaren elektrochemischen Biosensor mit integriertem Graphen für die schnelle Diagnose und biochemische Überwachung von Markern in Serum- und Speichelproben für COVID-19 [8, 14].

Die elektrochemischen Sensorelektroden waren Graphen, das auf einem flexiblen Polyimid (PI)-Polymersubstrat für den Multiplex-Nachweis von Virusinfektions-Biomarkern (Antigene und Antikörper) eingeschrieben war. Torrente-Rodríguez et al. demonstrierten den quantitativen Nachweis spezifischer Biomarker von COVID-19, wie z. B. SARS-CoV-2-Spike-Protein (S1), Nukleokapsidprotein von SARS, CRP, ein Protein-Biomarker für Entzündungen innerhalb physiologisch relevanter Bereiche sowohl im Blut als auch im Speichel und spezifische Immunglobuline ( Igs ) wie S1-IgM und S1-IgG. Dieser Ort verwendet Antigene und Antikörper auf Graphen-Elektroden mit erhöhter Empfindlichkeit und Multiplexing-Kapazität zur Erkennung mehrerer SARS-Co-V2-Marker, während die resultierenden Reaktionsdaten drahtlos an ein tragbares mobiles Gerät übertragen werden. Diese Art von miniaturisierter elektrochemischer Plattform ist ein großes Versprechen für die zukünftigen elektrochemischen PoC- und personalisierten Gesundheitsgeräte [8, 14].

3.1.2. Optische Nanobiosensoren

Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften optischer Biosensoren, wie z. B. hohe Empfindlichkeit, Markierungsfreiheit, Robustheit, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen, berechenbare optische Ausgänge, Miniaturisierbarkeit , Integrationsfähigkeit, Portabilität, Multiplexing-Kapazität und gleichzeitige Erkennung verschiedener Ziele werden optische Biosensoren als diagnostische Werkzeuge für respiratorische Virusinfektionen eingesetzt. Damit kommen optische Biosensoren für den Point-of-Care-Bereich in Frage [9, 10].

Abbildung 9. Eine drahtlose Graphen-basierte Telemedizinplattform (SARS-CoV-2 RapidPlex) für den elektrochemischen Schnell- und Multiplex-Nachweis von SARS-CoV-2 in Blut und Speichel (A) Schematische Darstellung der SARS-CoV-2 RapidPlex-Multisensor-Telemedizinplattform zum Nachweis von viralen SARS-CoV-2-Proteinen, Antikörpern (IgG und IgM) und dem entzündlichen Biomarker C-reaktives Protein (CRP). Daten können drahtlos an eine mobile Benutzerschnittstelle übertragen werden. WE, Arbeitselektrode; CE, Gegenelektrode; RE, Referenzelektrode. (B) Massenproduzierbare lasergravierte Graphen-Sensorarrays. (C) Foto eines Einweg- und flexiblen Graphen-Arrays. (D) Bild eines SARS-CoV-2 RapidPlex-Systems mit einem Graphen-Sensorarray, das zur Signalverarbeitung und drahtlosen Kommunikation mit einer Leiterplatte verbunden ist.

Kohlenstoffnanoröhren. Goldnanoinseln und Graphen werden hauptsächlich in optischen und elektrochemischen Biosensoren eingesetzt. Gold- Nanoinseln aus winzigen Gold-Nanostrukturen können mit künstlich synthetisierten DNA-Rezeptoren und komplementären RNA-Sequenzen von SARS-CoV-2 auf einem Glassubstrat konstruiert werden. Da es sich bei COVID-19 um ein einzelsträngiges RNA-Virus handelt, fungiert der Rezeptor des Nanobiosensors als komplementäre Nachfolge zur RNA-Sequenz des Coronavirus und weist das Virus nach. LSPR (lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz) wurde verwendet, um die Bindung der RNA-Sequenz an den Sensor nachzuweisen. Nach Bindung der Moleküle auf der Oberfläche des Nanobiosensors ändert sich der lokale Infrarotindex, und ein optischer Nanobiosensor berechnet die Modifikationen und bestimmt das Vorhandensein von RNA-Strängen [9, 10].

Insbesondere wurde ein hochwirksamer, auf optischen Biosensoren basierender Nachweis von SARS-CoV-2 mit Oberflächenplasmonenresonanz und Fluoreszenz vorgestellt. Wenn ein optischer Biosensor mit dem Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Verfahren verbunden wird, ist das resultierende Verfahren für die schnelle Diagnose einer SARS-Infektion wertvoller als enzymgebundene Immunosorbent-Assays (ELISA). Ein faseroptikfähiger Biosensor, der auf lokalisierter Oberflächenplasmonen-assoziierter Fluoreszenz (LSPCF) basiert, kann das rekombinante N-Protein (SARS- CoV-N) unter Verwendung von AuNPs erkennen. Es wurde festgestellt, dass ein viraler Bestand von nur 106 Partikeln/ml mit einem faseroptikbasierten nanofähigen Biosensor innerhalb von 15 min nachgewiesen werden kann. Diese Umfragen weisen darauf hin, dass virale Atemwegsinfektionen durch die Verwendung von Nanomaterialien schnell und umgehend diagnostiziert werden können [9] .

Abbildung 10. Schematische Darstellung eines optischen Biosensors

3.1.3. Graphenbasierte Biosensoren

Ein graphembasiertes FET (Feldeffekttransistor)-Gerät wird eingesetzt, um die SARS-CoV-2-Viruslast in Nasen-Rachen-Abstrichen von COVID-19-Patienten zu bestimmen. Der graphenbasierte FET- Nanobiosensor besteht aus einer Graphenfolie als Erfassungsbereich, die auf ein SiO2/Si-Substrat verschoben wird, und einem SARS-CoV-2-Spike-Antikörper, der auf der Graphenfolie immobilisiert ist. Die Biosensoren helfen beim Nachweis von SARS-CoV-2-Antigenspitzen sogar bei einer Konzentration von 1 fg /ml in Phosphatpuffer [10].

Graphen-basierte Biosensoren sind wertvoll für die Prüfung und den hochmodernen Nachweis von [9]:

• Blutzucker;
• Atemfrequenz;
• Körpertemperatur in Echtzeit;
• Blutdruck;
• Virus;
• kleine Moleküle.

Aufgrund der Kosteneffizienz, der hohen Assoziation und der einfachen Herstellung sind Nanomaterialien auf Graphenbasis die attraktivsten Materialien für Biosensoren. Beispielsweise wurde erfolgreich ein transistorbasierter Biosensor zum Nachweis von SARS-CoV-2 (Spike-Protein) entwickelt. Der Biosensor wurde unter Verwendung von mit Feldeffekttransistoren (FET) beschichteten Graphenfolien mit einem spezifischen Antikörper hergestellt (Abbildung 9). Graphen und seine Derivate zeigen geeignete Integritäts-FET-basierte Biosensorgeräte zum Einfangen von Viren, da sie Vorteile gegenüber anderen derzeit verfügbaren Diagnosemethoden haben [9].

FET-basierte Biosensor-Geräte können empfindliche und sofortige Messungen durchführen, indem sie kleine Mengen von Analyten verwenden. Darüber hinaus sind Biosensoren auf FET-Basis wahrscheinlich und von Nutzen bei der klinischen Diagnose, der On-Sight-Erkennung und dem Point-of-Care-Testen. Es wurde eine unverstärkte und schnelle Nanosensor -Plattform geschaffen, um SARS-CoV-2-RNA in menschlichen Rachenabstrichproben nachzuweisen. Ein Graphen-Feldeffekttransistor (G-FET)-Sensor wurde entwickelt, um Gold-Nanopartikel (AuNP) zu veranschaulichen. Auf den Oberflächen von AuNPs wurden komplementäre Phosphordiamidat – Morpholino-Oligo(PMO)-Sonden immobilisiert. Dieser Sensor weist auf ein niedriges Hintergrundsignal hin, da das PMO sehr empfindlich auf SARS-CoV-2 RdRp reagiert. Wenn ein Graphen-Feldeffekttransistor mit einem CRISPR-Cas9-basierten Biosensor verbunden wird, ist er in der Lage, nicht amplifizierte Zielgene zu erkennen, und könnte somit auf virale Ziele wie die Nukleinsäuren von SARS-CoV-2 untersucht werden [9]:

3.1.4. Chirale Nanobiosensoren

Chirale Nanobiosensoren werden aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und schnellen Reaktionszeit bald an der Spitze der Bionanotechnologie stehen. Sie werden maßgeblich an der SARS-CoV-2-Pandemie beteiligt sein. Die Popularität der Nanochiroptik ist aufgrund neuartiger Methoden zur Herstellung künstlicher metallischer Nanostrukturen mit einer abstimmbaren Oberflächenmorphologie und zur Vervollständigung ihrer Nanoanordnung explodiert. Dies bietet eine beispiellose Leistung über ihre elektronischen und optischen Eigenschaften. Der wichtigste Vorteil solcher Nanohybridstrukturen besteht darin, dass sie die chiroptische Reaktion verbessern, was für verschiedene Anwendungen im Zusammenhang mit der chiralen Biosensorik von erheblichem Interesse sein könnte und neue Forschungsgebiete erschließt. Im Vergleich zu natürlichen chiralen Molekülen führen chirale plasmonische Nanostrukturen nicht nur zu signifikanten chiroptischen Effekten, sondern präsentieren auch völlig einzigartige Ideen von superchiralem Licht in technologischen Anwendungen [2, 5].

Abbildung 11. Nachweis von SARS-CoV-2 mithilfe von FETs: Das Schema zeigt eine Sammlung biologischer Proben eines Patienten und ihre Anwendung auf dem graphenbasierten Erfassungsbereich eines FET-Biosensors. Bindungsereignisse im Zusammenhang mit dem SAR-CoV2-Virus können vom Sensor in Echtzeit erfasst werden.

Ahmed et al. entwickelten eine selbstorganisierte Technik für die Entwicklung eines chiralen Immunsensors unter Verwendung von Goldnanopartikeln und Quantenpunkten. Zirkonium-Quantenpunkte und magnetische Nanopartikel wurden mit Coronavirus-spezifischen Antikörpern konjugiert und gemischt. In Gegenwart eines viralen Targets heften sich sowohl die Quantenpunkte als auch die Nanopartikel an das virale Target und entwickeln magneto-plasmonisch fluoreszierende Nanohybride, die ein äußerer Magnet teilen kann. Die Analytkonzentration wurde dann durch Berechnen der Fluoreszenzdurchsetzungsfähigkeit der divergierten Nanohybride bestimmt. Dieses Sensing-Verfahren hat eine Nachweisgrenze von 79,15 EID/50 μl [2, 5, 10].

3.1.5. Aptamer-basierter Biosensor

Aufgrund der robusten Screening-Methode können Aptamere virale Gene, Proteine oder andere virale Infektionsmarker erkennen. Durch Anpassung der entwickelten Assays können Aptamer-basierte Sensoren zwischen infizierten und nicht infizierten Wirtszellen oder aktiven und inaktiven Virusformen unterscheiden. Aufgrund ihrer Eigenschaften hat der Aptamer-basierte Nachweis erhebliche Vorteile gegenüber Antikörpern, darunter eine hohe Widerstandsfähigkeit bei einer Vielzahl von Temperaturen und Situationen, eine unkomplizierte Synthese durch eine systematische Evolution von Liganden durch die Methode der exponentiellen Anreicherung (SELEX) und eine einfache Transformation je nach Bedarf des Assays [4].

Abbildung 12. Nachweis von SARS- CoV und SARS-CoV-2 mit Aptamer-basierten Biosensoren.

Biosensoren verwenden Antikörper- und Aptamer-basierte Nachweismechanismen. Aptamere sind haltbarer, günstiger und schneller zu synthetisieren als Antikörper. Aptamere, auch als „chemische Antikörper“ oder „künstliche Antikörper“ bekannt, werden aufgrund ihrer entscheidenden Besonderheit gegenüber ihren Zielen häufig mit Antikörpern verglichen. Einige Aptamere wurden in SARS-CoV-2 isoliert und in Aptasensing – Plattformen eingebaut [7].

Aptamere sind Oligonukleotidsequenzen, die so gestaltet werden können, dass sie verschiedene Biomoleküle spezifisch erkennen und daran binden:

• winzige Moleküle wie Aminosäuren, Nukleotide und Antibiotika;
• 67,68 Makromoleküle wie Nukleinsäuren und Proteine;
• 69 und sogar Oberflächenepitop tragende ganze Bakterien, Viren70 und andere Zellen.

Aptamere bilden einzigartige dreidimensionale (3D) Strukturen, während sie sich spezifisch an Analyten befestigen. Diese lassen sich schnell modellieren und stabil auf der Oberfläche von Biosensoren immobilisieren. Aptamer-basierte Biosensoren (Aptasensoren) können Zielanalyten quantitativ nachweisen, indem sie das aus den gekoppelten chemischen und/oder biochemischen Oberflächenwechselwirkungen entwickelte Signal berechnen. Aptamere gelten als vielversprechendes diagnostisches Werkzeug zum Nachweis von Viren [7].

Aptasensoren sind Aptamer-basierte Biosensoren, die zur Erforschung und Quantifizierung von Zielanalyt-Biomolekülen über unterschiedliche biochemische Reaktionen im Zusammenhang mit einem quantifizierbaren Signalerzeugungsmechanismus entwickelt wurden. Der Austausch spezifischer Aptamere mit Zielbiomolekülen stellt die Bioerkennung und das Einfangen des Ereignisses dar, das zusätzlich in ein entsprechendes Signal umgewandelt wird. Aptasensoren, über die kürzlich zum Nachweis von SARS-CoV-2 berichtet wurde, können basierend auf der Art der Signalübertragung grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: optische und elektrochemische Aptasensoren [7].

3.2. Point-of-Care-Tests

Point-of-Care-Tests, wie sie vom Centers for Disease Control and Prevention Center definiert werden, sind „diagnostische Tests, die an oder in der Nähe des Ortes durchgeführt werden, an dem eine Probe entnommen wird, und sie liefern Ergebnisse innerhalb von Minuten statt Stunden. Dies können Nucelic Acid Amplification Test (NAAT), Antigen- oder Antikörpertests sein.“ [18].

Der Markt für Point-of-Care-Tests (POCT) für Infektionskrankheiten stellt einen vielversprechenden und erheblichen Anstieg der globalen In-vitro-Diagnostika (IVD) der Branche dar. Die zunehmende Ausbreitung des Humanen Immundefizienzvirus (HIV), Tuberkulose (TB) und Malaria in Entwicklungsländern und die Gefahr neu auftretender und wiederauftretender ansteckender Krankheiten wie dem Nahost-Atemwegssyndrom (MERS), dem schweren akuten Atemwegssyndrom (SARS), ZIKA, verschiedene Influenza-Stämme und das West-Nil-Virus sind Faktoren, die den Bedarf für POCT erhöhen [6].

Ansteckende Krankheiten stellen eine erhebliche Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar und führen weltweit zu mehr als der Hälfte der Todesfälle. Darüber hinaus haben weit verbreitete ansteckende Krankheiten die Sterblichkeitsraten in Entwicklungsländern kontinuierlich erhöht. Der effizienteste Weg zur Eindämmung der Epidemie ist eine frühzeitige Diagnose, die aufgrund teurer und umfangreicher Geräte, Spezialisten und langsamer Datenausgabe schwierig ist, gängige Ansätze anzuwenden. Daher sind schnelle POCT-Methoden unerlässlich, um diese Belastungen zu überwinden, indem die Gerätekosten miniaturisiert und gesenkt werden und zugängliche, schnelle und einfach zu handhabende diagnostische Tests ohne spezielle Schulung bereitgestellt werden [6].

POC-Tests ermöglichen die Diagnose infizierter Personen, ohne Patientenproben an Labore zu senden. Dies ist äußerst wichtig für Orte oder Einwohner, die keine geeignete Laborinfrastruktur für Probentests haben. Der wesentliche Teil des PoC-Tests ist der Biosensor, der verwendet wird , um einen biochemischen Assay zum Nachweis des Pathogens zu erreichen.

Die Vorteile der Verwendung von PoC-Tests sind [4]:

1. minimale Platzverhältnisse für Prüfung und Lagerung;
2. breit angelegte Analyse;

• Tests können an verschiedenen Orten durchgeführt werden;

1. anpassungsfähig bei der Erfüllung verschiedener medizinischer Bedürfnisse.

Abbildung 13. Schematische Darstellung der quantitativen Auswertung von SARS-CoV-2 mit dem SERS-basierten Aptasensor. (a) Nachdem SARS-CoV-2-Lysate die Ziel-Spike-Proteine freigesetzt haben, werden sie von den Aptamer-DNAs auf den Au-Nanopopcorn-Oberflächen erkannt. Die S-Protein-gebundenen Aptamere bewegen sich von den Au-Nanopopcorn-Oberflächen weg, was zu einer verringerten Raman-Peak-Intensität von Cy3-Reportern führt. (b) Cy3-markierte Aptamer-DNAs werden mit Einfang-DNAs auf dem Au-Nanopopcorn-Substrat hybridisiert. Die 4-MBAs des internen Standards werden zusammen mit Aptamer-DNAs auf dem Au-Nanopopcorn-Substrat immobilisiert. (c) Die Erkennung des SARS-CoV-2-S-Proteins induziert eine Konformationsänderung von Aptamer-DNAs, die es den Aptamer-DNAs ermöglicht, an die RBD auf dem Spike-Protein zu binden.

Einer der attraktivsten POCTs sind diejenigen, die auf kolometrischen Biosensoren basieren, da sie den Nachweis des Analyten durch einfache Farbänderungen ermöglichen, die mit bloßem Auge beobachtbar sind [5] .

Abbildung 14: Nanopartikelbasierter kolorimetrischer Virusnachweis. Diese Abbildung zeigt den Mechanismus, durch den das Virus die Aggregation von Nanopartikeln verursacht, was zu einer Farbänderung von rot nach violett führt.

Kimet al. erstellten einen kolorimetrischen Assay mit Goldnanopartikeln zum Nachweis des MERS – CoV -Virus. Sie schlugen einen kolorimetrischen Assay vor, der auf einer erweiterten Struktur von doppelsträngiger DNA (dsDNA) mit selbstorganisiertem, abgeschirmtem Gold basiert. Dieser Assay verwendet zwei Thiol-modifizierte Sonden und Citrat-bedeckte Gold-Nanopartikel (AuNPs) Nanopartikel (AuNPs) unter positivem Elektrolyt (z. B. 0,1 M MgCl2) [5, 6].

Der auf Gold-Nanopartikeln basierende kolorimetrische Test stellt eine Gold-Nanopartikel-Lösung her, die das Virus sammelt und eine beobachtbare Farbänderung in der Flüssigkeit zeigt. Dies ergibt einen Schnelltest für COVID-19, indem die Farbe von Gold-Nanopartikeln geändert wird. Dieser kostengünstige Test wirkt viel besser als die anderen diagnostischen Techniken, ähnlich wie die Standard-PCR-Tests. Der Hauptvorteil dieses Tests besteht darin, dass Goldnanopartikel spezifische Farben zeigen, weil sie bestimmte Wellenlängen absorbieren. Zu den Gold-Nanopartikeln wird die Probe gezählt, die SARS-CoV-2 enthält, was zu einer Akkumulation des Virus führt und eine Veränderung der Absorptionshöhe hervorruft, die zu einer Farbänderung der Lösung führt. Diese Farbverschiebung ist mit bloßem Auge erkennbar, und der Nachteil ist, dass dies nur möglich ist, wenn die Viruslast sehr hoch ist [12].

Die Sonden sind über beträchtliche Au-S-Austausche an AuNPs konjugiert. In Abwesenheit eines Ziels führt die Gesamtheit der AuNPs (in einem positiven Elektrolyten) zu einer Farbänderung , die entweder mit bloßem Auge sichtbar ist oder durch lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR)-Verschiebung nachgewiesen wird. Nichtsdestotrotz verursacht die Existenz eines viralen Ziels eine umfassende Selbstorganisation von doppelsträngiger DNA, wodurch die Akkumulation von Goldnanopartikeln in der Existenz positiver Elektrolyte kontrolliert wird, wodurch eine Verschiebung der optischen Eigenschaften von AuNPs verhindert wird [5, 6].

Die potenzielle Nachweisgrenze dieses Assays beträgt 1 pmol μl−1, was den Nachweis geringerer Mengen des viralen Ziels ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines solchen kolorimetrischen Assays eine kostengünstige und schnelle Krankheitsdiagnose, ohne dass hochentwickelte Werkzeuge erforderlich sind [5].

3.3. Nanoporen-Target-Sequenzierung (NTS)

Die Nanoporen-Metagenom-Methode (NTS) hat gezeigt, dass sie bakterielle Atemwegsinfektionen und Viren sofort aus klinischen Proben erkennt. Darüber hinaus können Krankheitserreger und Antibiotika-Resistenzgene in mehreren Stunden erkannt werden, viel schneller als herkömmliche Kulturverfahren wie die Echtzeit-Datengenerierung von Nanoporen-Sequenzierern. Darüber hinaus wurde die Nanoporensequenzierung verwendet, um Sequenzen im Transkriptom von SARS-CoV-2 zu steuern. Das NTS-Verfahren weist innerhalb von nur 6–10 Stunden gleichzeitig SARS-CoV-2 und zehn weitere Atemwegsviren nach. Daher ist es für die aktuelle Diagnose von COVID-19 geeignet. Dennoch kann der Rahmen erweitert werden, um andere Viren und Krankheitserreger zu diagnostizieren. NTS basiert auf der Amplifikation von 11 virulenzbezogenen und außergewöhnlichen Genfragmenten von SARS-CoV-2 (z. B. orf1ab) unter Verwendung eines inneren primären Panels, gefolgt von der Sequenzierung des verstärkten Fragments auf einer Nanoporenplattform. Diese Aufgabe verwendet eine Nanoporenplattform für die Sequenzierung, um lange Nukleinsäurefragmente zu sequenzieren und gleichzeitig die Datenausgabe in Echtzeit zu analysieren. Dies ermöglicht die Verifizierung von SARS-CoV-2-Infektionen innerhalb von Minuten nach der Sequenzierung durch Zuordnung der Sequenz-Reads zum SARS-CoV-2-Genom und Analyse der Originalität, Gültigkeit und Read-Nummernsequenz der Ausgangssequenz [16, 17].

4. Herausforderungen und Grenzen der Nanotechnologie bei COVID-19

Auf Nanotechnologie basierende Systeme stoßen trotz ihrer Vorteile auf mehrere Hindernisse, bevor sie sicher auf dem Markt präsentiert werden können. Die häufigsten Probleme sind:

1. Skalierbarkeit und Produktionskosten,
2. Geistige und regulatorische Eigenschaften,
3. mögliche Toxizität und Auswirkungen auf die Umwelt.

Einige Probleme bei Anwendungen der Nanotechnologie müssen angegangen werden, bevor sie im Gesundheitssystem breite Anwendung finden. Primäre Aufgabe wird es sein, die Sicherheit von Nanomaterialien durch In-vitro-Untersuchungen ihrer Biokompatibilität zu gewährleisten. Das Schicksal von Nanomaterialien kann sich aufgrund der Proteinkoronabildung in den Körper übertragen, wenn sie durch Blut wandern. Daher müssen In-vivo-Studien sorgfältig durchgeführt werden, um die Toxizität von Nanopartikeln im Körper besser zu verstehen. Aufgrund von Einschränkungen wurden generische Protokolle für die Kategorisierung in einem frühen Stadium der Forschung und Entwicklung verwendet, die die Wahrscheinlichkeit von Fehlschlägen bei der klinischen Umsetzung einer auf Nanotechnologie basierenden Therapie falsch einschätzen. Eine engere Zusammenarbeit zwischen Zulassungsbehörden, Experten für Materialwissenschaften, Pharmakologie und Toxikologie ist erforderlich, um andere Einschränkungen zu überwinden [10].

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Test LO 3.2

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Referenzen

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Zusammenfassung

SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2) ist der Erreger von COVID-19. Die Infektion mit SARS-CoV-2 führt normalerweise zu leichten bis mittelschweren respiratorischen Symptomen, aber einige Patienten benötigen möglicherweise einen Krankenhausaufenthalt und eine Intensivpflege. Die tragende Säule der konservativen Therapie von COVID-19 ist eine Kombination aus Kortikosteroiden, Antikoagulanzien oder Antiaggregativa und bei bakterieller Lungenentzündung Antibiotika. Es wurden mehrere spezialisierte Behandlungen für COVID-19 (virale Medikamente, monoklonale Antikörper und andere) entwickelt, die als Präexpositionsprophylaxe oder als Behandlung in den frühen Stadien der Infektion bei Patienten mit hohem Komplikationsrisiko eingesetzt werden können. Die moderne Nanotechnologie bietet eine Vielzahl von High-Tech-Lösungen für die Zwecke der Infektionsprävention, Diagnostik, Postexpositionsprophylaxe sowie wirksame Behandlungen in Fällen, in denen sich eine SARS-CoV-2-bedingte Krankheit bereits entwickelt hat. Es ist zu erwarten, dass auf Nanomaterialien basierende Sensoren, Medikamente und Impfstoffe in naher Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der Pandemie spielen werden.

Schlüsselwörter/Phrasen: COVID-19, Virostatika, monoklonale Antikörper, Impfstoffe, Nanotechnologie

1. Impfstoffe und Behandlungen für COVID-19 – ein Überblick

1.1. SARS-CoV-2 und COVID-19 – ein Überblick über Kausalität, Pathogenese und mögliche Ansätze zur Verringerung der Belastung durch COVID-bedingte Komplikationen

Am 31. Dezember 2019 wurde die Weltgesundheitsorganisation (WHO) über eine schnell wachsende Zahl von Fällen von Lungenentzündung unbekannter Ursache in Wuhan City, China, informiert. Der Erreger wurde am 07.01.2020 von den örtlichen Behörden als bisher unbekanntes Mitglied der Familie der Beta-Coronaviren identifiziert.

SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2) ist der Erreger einer Infektionskrankheit namens COVID-19 (abgekürzt von Coronavirus Disease of 2019). In den meisten Fällen führt die Infektion mit SARS-CoV-2 nur zu leichten bis mittelschweren Symptomen. Dazu können einige oder alle der folgenden gehören: Asthenoadynamie, respiratorische Symptome, Anosmie/Dysosmie, Kopfschmerzen, Gelenk- und Muskelschmerzen, Durchfall und/oder Bauchschmerzen und andere. In den meisten Fällen erfolgt die Erholung spontan innerhalb weniger Tage bis zu zwei Wochen. Einige Patienten können jedoch ein akutes Atemnotsyndrom (ARDS) und/oder ein fortschreitendes Atemversagen entwickeln. Im Vergleich zu seinen Verwandten SARS und MERS (Middle East Respiratory Syndrome) weist COVID-19 mildere klinische Symptome und niedrigere Sterblichkeitsraten auf. Dennoch kann jeder an SARS-CoV-2 erkranken und daran sterben, unabhängig von Geschlecht und Alter (obwohl das Todesrisiko bei Männern und Kindern sowie bei Erwachsenen mit Grunderkrankung höher ist).

1.2 Pathogenese

SARS-CoV-2 dringt ähnlich wie die meisten Coronaviren durch Endozytose über den ACE2-Rezeptor auf der Zelloberfläche in die Zelle ein. Der Prozess wird durch die Bindung der Rezeptorbindungsdomäne (RSD) des S-(Spike)-Proteins an den ACE2-Rezeptor der Zielzelle vermittelt [67]. Wenn das Virus in die Zelle eindringt, enthüllt es sein einzelsträngiges Genom mit positivem Sinn. Die genomische RNA wird in zwei Replikase-Polyproteine übersetzt, die anschließend in 16 Nicht-Strukturproteine gespalten werden, die den RNA-Replikase-Transkriptase-Komplex bilden, der das virale Genom und die subgenomischen Kopien produziert, die offene Leserahmen für die Proteinsynthese tragen. Die virale RNA und die Strukturproteine werden dann zu neuen viralen Partikeln zusammengesetzt, die durch Exozytose freigesetzt werden, um andere Zellen zu infizieren [66, 38]. Da das ACE2 -Rezeptorgen in vielen Geweben neben der Lunge exprimiert wird (nämlich im Gastrointestinaltrakt, den Nieren und anderen [74, 15]), können die Patienten eine Lungenverletzung und/oder eine Verletzung mehrerer Gewebe und Organe entwickeln.

1.3. Pathomorphologie und Laborbefunde

Der hauptsächlich pathomorphologische Befund bei Patienten mit COVID-19 ist eine diffuse Alveolarschädigung in Kombination mit pathologischen Veränderungen im pulmonalen Gefäßbett und einem alveolären hämorrhagischen Syndrom [Pathologie von COVID-19: Atlas, 2020]. Auch systemische Entzündungen mit entzündlicher lymphozytärer und monozytärer Infiltration sind für die Auswirkungen auf die Zielgewebe, insbesondere Lunge und Herz, verantwortlich [22, 38]. Typische Laborbefunde bei schwerem COVID-19 sind Lymphopenie (obwohl einige Patienten Lymphozytose, Thrombozytopenie, erhöhtes Fibrinogen, D-Dimer, LDH, Ferritin, IL-2, IL-7, IL-6, Monozyten-Chemoattractant-Protein 1 (MCP1) aufweisen können), Makrophagen-Entzündungsprotein 1-alpha (MIP-1-alpha) und Tumornekrosefaktor (TNF-α)-Spiegel.

1.4. Übertragung und Prävention von Infektionen

SARS-CoV-2 ist außerhalb des menschlichen Körpers instabil und wird durch engen Kontakt mit der infizierten Person übertragen. Es wird hauptsächlich über luftgetragene Mechanismen verbreitet. Die wirksamsten Mittel, um die Übertragung zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen, sind Selbstisolation, Einhaltung eines Sicherheitsabstands zu anderen, häufiges Händewaschen (und/oder die Verwendung von 70 %igen Händedesinfektionsmitteln auf Ethanolbasis), regelmäßiges Reinigen der Oberflächen und Gegenstände, die häufig berührt werden, und das Tragen von richtig sitzenden Gesichtsmasken in Innenräumen. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) veröffentlicht regelmäßig aktualisierte Richtlinien zur Prävention der Infektion mit SARS-CoV-2: https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/about-the-guidelines/whats-new/

1.5. Pathogenetische Targets zur Behandlung der SARS-CoV-2-Infektion

Das SARS-CoV-2-Genom kodiert 4 wichtige Strukturproteine, nämlich: Spike (S), Hülle (E), Membran (M) und Nukleokapsid (N), zusammen mit nicht-strukturellen und akzessorischen Proteinen. Sowohl die virale RNA als auch die Strukturproteine des Virus wurden als Ziele für die Behandlung angesehen. Die am häufigsten verwendeten antiviralen Medikamente zielen normalerweise auf die RNA-abhängige RNA-Polymerase des Virus ab, während die monoklonalen Antikörper häufiger auf die Strukturproteine des Virus abzielen.

1.6. Risikofaktoren für Komplikationen einer SARS-CoV-2-Infektion

Hauptrisikofaktoren für unerwünschte Ergebnisse sind das männliche Geschlecht und zugrunde liegende Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Nierenerkrankungen, Diabetes, chronische Atemwegserkrankungen und Krebs [51]. Obstruktive Schlafapnoe ist ein spezifischer Risikofaktor, der das Risiko für Krankenhauseinweisungen und respiratorische Insuffizienz fast um das Achtfache erhöht [36]. Ursprünglich wurde angenommen, dass das fortgeschrittene Alter ein Hauptrisikofaktor für unerwünschte Folgen ist, aber später wurde erkannt, dass das Vorhandensein einer Grunderkrankung signifikant mehr Gewicht hat als das Alter allein [ https://www.cdc.gov/aging/covid19/covid19-older-erwachsene.html ; https://gis.cdc.gov/grasp/COVIDNet/COVID19_5.html ].

1.7. Behandlungen der SARS-CoV-2-Infektion und ihrer Komplikationen

1.7.1. Konservatives Management

Unkomplizierte Fälle von COVID-19 werden am besten mit häuslicher Selbstisolation von anderen, Ruhe und symptomatischer Behandlung behandelt. Etwa 10-20 % der Infizierten sind gefährdet, schwer zu erkranken und benötigen möglicherweise eine spezialisierte medizinische Versorgung [ https://www.uptodate.com/contents/covid-19-clinical-features ]. Komplizierte Fälle werden gemäß den festgelegten Protokollen der WHO und des Center for Control of Disease (CDC) und lokalen Modifikationen dieser Protokolle behandelt. Da COVID-19 mit Hyperinflammation und prothrombotischen Zuständen assoziiert ist, sind entzündungshemmende und Antikoagulations- und/oder Antiaggregationstherapie wichtige Bestandteile praktisch jedes Protokolls [ https://covidprotocols.org/en/chapters/inpatient-management/ ]. Die Hauptstütze der entzündungshemmenden Therapie von COVID-19 sind Kortikosteroide, hauptsächlich lang wirkende wie Dexamethason. Bei Patienten mit schwerer Ateminsuffizienz kann Methylprednisolon hinzugefügt werden. Heparin mit niedrigem Molekulargewicht wird am häufigsten zur Antikoagulation in den Protokollen zur Behandlung von COVID-19 verwendet, aber andere Optionen sind verfügbar, wie unfraktioniertes Heparin, indirekt wirkende Antikoagulanzien, neuartige orale Antikoagulanzien, Aspirin, Clopidogrel, Dihydropyridamol und andere. Die starken entzündungshemmenden Eigenschaften von Kortikosteroiden werden neben anderen Nebenwirkungen mit Magenreizungen erkauft. Daher ist die Verwendung von Magenschutz durch H2-Antagonisten oder Protonenpumpenhemmer normalerweise die Norm. Antibiotika kommen bei COVID-19-Patienten zum Einsatz, wenn Hinweise auf eine sekundäre bakterielle Lungenentzündung vorliegen. Letzteres ist eine häufige Komplikation von schwerem COVID-19, da das Virus neben seinen anderen Wirkungen eine schwere Unterdrückung der angeborenen Immunität und eine tiefgreifende Fehlregulation der Immunsignalisierung im Wirt hervorruft [76]. Daher umfasst die Behandlung von schwerem COVID-19 häufig Breitbandantibiotika. Bakterizide Antibiotika ( zB Penicilline , 4-Chinolone und Aminoglykoside) werden typischerweise gegenüber Bakteriostatika (z. B. Makroliden und Tetracyclinen) bevorzugt. Etwa 2 % der infizierten Patienten können eine fortschreitende respiratorische Insuffizienz entwickeln und benötigen möglicherweise eine Intensivpflege [ https://www.uptodate.com/contents/covid-19-clinical-features ].

1.7.2. Spezifische Behandlungen gegen SARS-CoV-2-bedingte Krankheiten

Eine Vielzahl antiviraler und monoklonaler Antikörper wurde auf Aktivität gegen SARS-CoV-2 erprobt und getestet. Meistens handelt es sich dabei um bereits vorhandene Medikamente, die zuvor für andere durch RNA-basierte Viren verursachte Krankheiten wie Favipiravir, Remdesivir, Lopinavir/Ritonavir, Tocilizumab und andere erprobt wurden. Andere wie Nirmatrelvir (eine Verbindung von Pfizers kürzlich zugelassenem Medikament Paxlovid ) und Sotrovimab wurden speziell für die Zwecke der Behandlung von COVID-19 entwickelt, wenn auch auf der Basis bereits bekannter Medikamente oder Antikörper.

Das Aufkommen von Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 brachte neue Möglichkeiten für die Behandlung von Infektionen und die Prognose für diejenigen, die COVID-19 entwickelt haben. Das Virus wurde Ende 2019 isoliert [70] und die erste genetische Sequenz wurde weniger als zwei Wochen später veröffentlicht [71]. Die wissenschaftliche und medizinische Gemeinschaft sowie die pharmazeutische Industrie waren also frühzeitig gewarnt und konnten ihre Bemühungen auf die Entwicklung wirksamer Behandlungen für COVID-19 und Impfstoffe gegen Infektionen mit SARS-CoV-2 ausrichten, bevor die erste Welle der Pandemie im März und April 2020 den Globus erreichte. Der erste experimentelle Impfstoff gegen SARS-CoV-2 (Convidecia, entwickelt von CanSino Biologics) wurde Ende Juni 2020 in China zugelassen. Innerhalb der nächsten Monate wurden etwa ein Dutzend Impfstoffe des Vektor-, Peptid- und mRNA-Typs im Schnellverfahren für die Verwendung bei Erwachsenen und später auch bei Kindern zugelassen. Bis zum 21. Dezember war die Bewertung von mindestens 14 Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 abgeschlossen, und etwa 10 weitere befanden sich derzeit in der Entwicklung (z. B. EpiVac Corona vom Vector State Research Center of Virology and Biotechnology und andere) oder in der abschließenden Bewertung (z. B. Impfstoffe von BioCubaPharma, CanSinoBio, Sanofi, Clover Pharmaceuticals und andere). Weitere Daten können unter Status_COVID_VAX_23Dec2021.pdf (who.int)eingesehen werden.

Die Anträge für mehrere Produkte wurden zurückgezogen. Eines davon war leider der erste vollständig auf Nanopartikeln basierende Impfstoff gegen die Infektion mit SARS-Cov-2 (Zorecimeran, von CureVac). Für diesen Impfstoff wurde von der WHO eine Interessenbekundung abgegeben, der Antrag wurde jedoch später vom Hersteller zurückgezogen, da die nachgewiesene Wirksamkeit des Impfstoffs gegen symptomatische Erkrankungen in allen Altersgruppen unter 50 % lag (nämlich 48 %). Der Impfstoff zeigte eine Wirksamkeit von 100 % gegen Krankenhausaufenthalte und Todesfälle in der Studiengruppe, aber da diese nur 134 Objekte umfasste, wies die abschließende Analyse darauf hin, dass für eine ordnungsgemäße Bewertung mindestens 80 weitere Fälle erforderlich waren [https://www.reuters.com/business/healthcare-pharmaceuticals/curevacs-covid-19-vaccine-misses-efficacy-goal-mass-trial-2021-06-16/]. Daher gab CureVac das Zorecimeran-Projekt auf und begann eine Zusammenarbeit mit Sanofi-GlaxoSmithCline bei der Arbeit an einer eigenen Impfstoffmarke [https://www.reuters.com/business/healthcare-pharmaceuticals/curevac-withdraw-first-generation-covid-19-vaccine-candidate-2021-10-12/]. Bis Januar 2021 hat die WHO insgesamt 63 Impfstoffkandidaten in der klinischen Entwicklung und weitere 173 in der präklinischen Entwicklung aufgelistet.

2. Nano-Einblicke in die Behandlung und Prävention von COVID-19

Nanotechnologie, wie sie vom Center for Disease Control in Atlanta, USA, definiert wird, ist … „ die Manipulation von Materie auf nahezu atomarer Ebene, um neue Strukturen, Materialien und Geräte herzustellen … unter Verwendung von Materialien mit einer Längenskala zwischen 1 und 100 Nanometern … bei denen Größenmaterialien zeigen einzigartige Eigenschaften, die [ihr] physikalisches, chemisches und biologisches Verhalten beeinflussen” ” https://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/default.html#:~:text=Nanotechnology%20is%20the %20Manipulation%20von,neuen%20Strukturen%2C%20Materialien%20und%20Geräten.&text=Nanotechnologie%20bezieht sich%20auf%20konstruierte%20Strukturen zwischen%201%20und%20100%20Nanometern Nanomaterialien haben in der Regel eine gute Löslichkeit in biologischen Flüssigkeiten und ein hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, das ihnen eine gute Wechselwirkung mit biologischen Membranen ermöglicht und eine bessere Kontrolle der Wirkstofffreisetzung als klassische Pharmazeutika ermöglicht.

SARS-CoV-2 ist ein mittelgroßes Virus (sein Partikel liegt im Bereich von 60-140 nm), das sehr gut in den Nanobereich passt. Die moderne Nanotechnologie bietet vielfältige Hightech-Lösungen zur Infektionsprävention (Entwicklung effizienter persönlicher Schutzausrüstung (PSA), Entwicklung von Impfstoffen, Präexpositionsprophylaxe etc.), Diagnostik (Nachweis des Virus in biologischen Proben und Umweltproben) und dem Management der frühen Stadien der Infektion (Postexpositionsprophylaxe) sowie wirksame Behandlungen in Fällen, in denen sich eine SARS-CoV-2-bedingte Krankheit bereits entwickelt hat. Es ist zu erwarten, dass auf Nanomaterialien basierende Sensoren, Medikamente und Impfstoffe in naher Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der Pandemie spielen werden [52, 41].

Bisher wurde eine Vielzahl von Nanomaterialien zum Nachweis von SARS-CoV2, zur Verhinderung der Übertragung, zur Verabreichung von Medikamenten und Impfstoffen eingesetzt. Eine der besten und umfassendsten Übersichten über die Verwendung von Nanomaterialien kann hier eingesehen werden: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8308319/table/nanomaterials-11-01788-t001/?report =nur Objekt

2.1. Nanomaterialien zur Verhinderung der Übertragung von SARS-CoV-2

Die höchste Belastung mit SARS-CoV-2-Viruspartikeln findet sich in feinen Atemtröpfchen, die freigesetzt werden, wenn der Patient (oder der präsymptomatische Träger) spricht, hustet und niest. Aber auch große Tröpfchen mit Viruspartikeln haben ein hohes Infektionspotential, wenn sie auf Oberflächen und Gegenständen vorhanden sind, die häufig berührt werden [https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/sars-cov-2 -Übertragung.html]. Das erhebliche Infektionspotenzial von SARS-CoV-2 wurde bereits in einem frühen Stadium der Pandemie erkannt, obwohl es deutlich geringer war als die Infektiosität der späteren Varianten Delta und Omicron [https://www. Protectivemasksdirect.co.uk/ffp3-masks-hse-guidance].

Die Größe der SARS-CoV-2-Viruspartikel ermöglicht es ihnen, die übliche Schutzausrüstung, die sich beim Einsatz gegen andere häufige Atemwegserkrankungen (Grippe, Windpocken und andere) als wirksam erwiesen hat, leicht zu durchdringen. Die Entwicklung modifizierter Arten von PSA erforderte den Einsatz von Nanotechnologie. Neuartige Nanofasern und Nanofasergewebe wurden zur Verwendung in Gesichtsschutzmasken entwickelt, die von medizinischem Personal und Ersthelfern getragen werden. Hochleistungs-Gesichtsmasken (FFP2-, FFP3- und N95-Standard) verwenden eine Kombination aus Nanofasergeweben und elektrostatischer Ladung, die vor großen Atemtröpfchen schützen könnte, die vom Patienten verteilt werden [9]. FFP-Standardmasken werden 3D-gedruckt, um sich eng an das Gesicht des Trägers anzupassen, und können ein geformtes Nasenstück enthalten, um eine luftdichte Abdichtung zu schaffen. Die Filtrationseffizienz für Hochleistungsmasken für die stark virenbeladenen größeren Tröpfchen (>0,3 μm ) wird voraussichtlich mindestens 78 % für FFP1-, 92 % für FFP2- und 98 % für FFP3-Masken betragen [https://www.protectivemasksdirect.co.uk/ffp3-masks-hse-guidance].

Zusätzlicher Schutz kann durch Imprägnieren der Schichten der Maske mit Verbindungen mit antimikrobieller und antiviraler Aktivität erreicht werden. Nanomaterialien wie Silber- und Kupferoxid-Nanopartikel, allein oder mit anderen bakteriziden und/oder viriziden Wirkstoffen ( z . B. Jod), wurden erfolgreich eingesetzt [6, 1].

Spezielle Nanobeschichtungen (Silizium-basiert, Graphen-basiert und andere) wurden entwickelt, um sicherzustellen, dass die Masken nach der Reinigung wiederverwendbar sind [14, 75].

Zusätzlich kann die Größe der Poren im Filter der Maske durch Imprägnierung mit Polymeren wie ß-Cyclodextrin verringert werden. Es muss jedoch beachtet werden, dass die Sicherheit für den Träger der Maske zwar entscheidend ist, eine perfekt sitzende Gesichtsmaske jedoch tatsächlich zu einer verringerten Compliance des Trägers führen kann. Typische chirurgische Masken und Atemschutzmasken aus der Zeit vor der Nanotechnologie waren für ihre geringe Luftdurchlässigkeit bekannt, was dazu führte, dass der Träger herumzappelte und versuchte, die Maske zu berühren und anzupassen. Moderne Nanofasern, die durch Elektrospinnen hergestellt werden, erzeugen ein exquisites Gewebe mit ausgezeichneter Luftdurchlässigkeit, verbessern die Funktionalität von Masken und erhöhen die antibakterielle Wirkung.

Ähnlich wie bei Gesichtsmasken hat die Nanotechnologie auch zur Herstellung von medizinischen Handschuhen und anderen PSA beigetragen. Handschuhe mit Silber-Nanopartikeln haben bakterizide und viruzide Wirkungen gezeigt.

Ein sehr interessanter Vorschlag zum nanotechnologischen Einfangen von Viruspartikeln durch Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung wurde 2021 gemacht. Er basierte auf der Tatsache, dass SARS-CoV-2 über den ACE2-Rezeptor bindet und in die Zelle eindringt. Daher wurde vorgeschlagen, Nasenfilter, Masken, Handschuhe und andere PSA mit nanotechnologisch hergestellten ACE2-Rezeptoren zu imprägnieren, die den Angriffsstoff binden und das Risiko für den Träger minimieren könnten [2]. Die Ergebnisse stehen allerdings noch aus.

Da SARS-CoV-2 (wie auch Influenzavirus, HCV, HBV und HIV) ein behülltes Virus ist, basieren die meisten derzeit verwendeten Hand- und Flächendesinfektionsmittel auf Ethanol oder 2-Isopropanol. Es wird angenommen, dass die kritische Konzentration von Ethanol, die das Virus vollständig inaktiviert, über 35 % v/v liegt [44]. Ethanol und Isopropanol sind jedoch flüchtig, brennbar, können gesundheitsschädliche Verbindungen enthalten. Sie sind auch relativ teuer und können Nebenwirkungen wie Kopfschmerzen, Übelkeit und Schwindel haben, wenn sie als Sprays, Flüssigkeiten und Einreibegele verwendet werden. Mehrere auf Nanopartikeln basierende Desinfektionsmittel wurden unter Verwendung von Titanoxid- und Silber-Nanopartikeln sowie konstruierten Wasser-Nanostrukturen entwickelt [49, 7]. Andere Arten von auf Nanotechnologie basierenden Händedesinfektionsmitteln verwenden Wasserstoffperoxid, um eine bakterizide und viruzide Wirkung sicherzustellen [65].

2.2. Nanomaterialien in der Diagnostik von SARS-CoV-2 Viruspartikeln

Nahezu alle Aspekte der SARS-CoV-2-Infektion stellen eine Herausforderung dar. Das Virus ist hoch ansteckend, aber nicht alle Menschen, die dem Virus ausgesetzt sind, infizieren sich. Die infizierte Person produziert, selbst wenn sie symptomatisch ist, keinen eindeutigen klinischen und Labor-Phänotyp, der eine zuverlässige Diagnose von COVID-19 aufgrund des klinischen Erscheinungsbilds oder der Ergebnisse von Labortests ermöglichen würde. Die Inkubationszeit kann zwischen 2 und 14 Tagen variieren (obwohl derzeit davon ausgegangen wird, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Person infiziert ist, wenn sie länger als 7 Tage asymptomatisch bleibt). Die Differentialdiagnose von leichten und mittelschweren Fällen kann praktisch jede andere Atemwegsinfektion umfassen und in schweren Fällen andere Ursachen für eine rasche Verschlechterung des klinischen Zustands vortäuschen, so kann ein erheblicher Teil der Fälle nur mit radiologischen Beweisen vorliegen, was wiederholt zu negativen Tests auf virale RNA führt. Daher steht die Entwicklung eines schnellen, hochempfindlichen und hochspezifischen COVID-19-Diagnosetests noch aus, insbesondere im Hinblick auf das enorme Potenzial des Virus, weiter zu mutieren und sich der Routinediagnostik zu entziehen.

Da es sich bei COVID-19 um eine moderne Pandemie handelt, wird seit den ersten Monaten nach dem ersten Ausbruch Nanotechnologie eingesetzt, um die Zuverlässigkeit der Diagnose einer Infektion mit SARS-CoV-2 zu verbessern. Die meisten Technologien und Geräte, die zum Nachweis von SARS-CoV-2 verwendet werden, basieren auf denen, die zuvor für den Nachweis von SARS und MERS entwickelt wurden.

Vor dem Ausbruch von COVID-19 wurden verschiedene Nanomaterialien für den sensitiven und spezifischen Nachweis viraler Erreger getestet und zugelassen. Dazu gehören Silber- und Gold-Nanopartikel, die mit Gold-bindenden Polypeptiden und Proteinen beladen sind [32, 47], DNA-Sonden, die auf einer Kohlenstoffelektrode immobilisiert sind, die mit Goldnanopartikeln überzogen ist, mit Antisense-Oligonukleotiden bedeckte Goldnanopartikel, die mit einem Farbsubstrat gekoppelt sind, um einen schnellen visuellen Nachweis zu gewährleisten [39, 30, 42] und andere.

Der typische SARS-CoV-2-Test verwendet Material aus einem Nasen-Rachen- oder Rachenabstrich. Obwohl diese Probennahmemethode auf der Invasivitätsskala niedrig abschneidet, kann sie von den Patienten als Eingriff in ihre Privatsphäre angesehen werden. Dies kann zu einer schlechten Abstrichtechnik führen, um Beschwerden zu vermeiden, bzw. zu einer erhöhten Rate falsch negativer Ergebnisse. Weniger invasive Ansätze wurden für den Nachweis und das schnelle Screening auf SARS-CoV-2 in der ausgeatmeten Luft unter Verwendung von Biosensor-basierten Goldnanopartikeln vorgeschlagen [57, 19].

Magnetische Nanopartikel wurden als Werkzeug in der molekularen Diagnostik von Coronaviren zur Extraktion von Nukleinsäuren aus biologischen und Umweltproben verwendet [20]. Dies war die Grundlage für die Entwicklung eines speziellen Extraktionsprotokolls für SARS-CoV-2 unter Verwendung von Zinkferrit-Nanopartikeln [58; 76].

Quantenpunkte sind nanoskalige Kristalle künstlichen Ursprungs, die anregbare Elektronen mit Anregungs- und Emissionswellenlängen enthalten, die vom Benutzer variiert werden können. Sie besitzen Halbleiter- und Fluoreszenzeigenschaften. Die optischen Eigenschaften von Quantenpunkten und insbesondere die Korrelation zwischen Größe und optischen Eigenschaften ermöglichen ihre Verwendung als bildgebende Sonden in Biosensoren. Nach dem ersten SARS-Ausbruch wurden Quantenpunkte in einem Biosensor zum Nachweis des SARS-Nukleokapsid-Protein-Antigens verwendet [56]. Im Jahr 2020 schlugen Liu et al. vor, dass dieselbe Technologie möglicherweise für den Nachweis von SARS-CoV-2 angepasst werden könnte [33].

Kohlenstoffpunkte, Kohlenstoffnanoröhren und Nanodiamanten wurden zur Anreicherung und Konzentration von Proben zum Zwecke der verbesserten Empfindlichkeit von viraler Nukleinsäure mit geringer Kopienzahl verwendet [72].

Nanozyme sind nanoskalige Moleküle künstlichen Ursprungs, die katalytische Aktivität besitzen. Kürzlich wurde ein schneller und empfindlicher papierstreifenbasierter Assay für SARS-CoV-2 unter Verwendung von Co-Fe-Häminperoxidase-Nanozym anstelle von natürlicher Peroxidase entwickelt [33]. Der Test lieferte laut den Autoren eine untere Nachweisgrenze von nur 10 pg /ml des S-Protein-Antigens, wobei der Test in etwa 15 Minuten abgeschlossen war.

Auch der serologische Nachweis von SARS-CoV-2 hat von der Entwicklung der Nanotechnologie profitiert. Im Jahr 2020 haben Huang et al. entwickelten einen Assay zum schnellen Nachweis von IgM gegen SARS-CoV-2 unter Verwendung von viralem Nukleoprotein, das an Goldnanopartikel konjugiert ist, und erzielte Ergebnisse in weniger als 15 Minuten [ 23].

3. Nanotechnologie zur Bekämpfung von COVID-19: Therapeutikaforschung

Nanotechnologien haben das Potenzial, ein integraler Bestandteil der Entwicklung von Behandlungen für COVID-19 zu werden, indem sie neue Plattformen für die Arzneimittelabgabe sowie die Regulierung und Koordination der zeitlichen und räumlichen Freisetzung von bioaktiven Substanzen wie Virostatika und monoklonalen Antikörpern bieten. Das Gebiet entwickelt sich schnell, obwohl die Ergebnisse der Entwicklung von Arzneimitteln mit antiviralen und immunmodulatorischen Eigenschaften hinterherhinken. Dennoch haben sich Forschung, Technologie und klinische Medizin so geeint wie nie zuvor präsentiert, als die Menschheit SARS- CoV gegenüberstand. Es war vernünftigerweise zu erwarten, dass die Entwicklung neuartiger nanobasierter Medikamente und Impfstoffe gegen das Virus in naher Zukunft erheblich beschleunigt würde.

3.1. Virostatika für COVID-19

3.1.1. Favipiravir

Favipiravir ist ein Guanosin-Analogon-Inhibitor der RNA-abhängigen RNA-Polymerase. Es wurde in Japan als Behandlung gegen Influenza unter dem Markennamen Avigan (Fujifilm Toyama Chemical Co, Ltd.) vermarktet. Später, nach dem Ausbruch von SARS-CoV-2, wurde Favipiravir in ein Studienmedikament für COVID-19 aufgenommen. Im Februar 2020 wurde in China der Status eines umfunktionierten Anti-COVID-19-Medikaments bekannt ( Favilavir , Zhejiang Hisun Pharmaceutical) https://www.pharmaceutical-technology.com/news/china-favilavir-testing-approval/. Später im Jahr 2020 wurde Favipiravir in Italien für den experimentellen Einsatz gegen COVID-19 zugelassen [13]. Favipiravir wird oral verabreicht und ist verschreibungspflichtig. Es wurde berichtet, dass Favipiravir bei leichten Fällen von COVID-19 Vorteile bringen kann, insbesondere bei Patienten mit Fieber [27, 62], aber das Medikament wird immer noch als nicht wirksam genug angesehen. Die offizielle Erklärung von Fujifilm Toyama Chemical Co. lautet : „ … in diesem Stadium wird die klinische Anwendung von Avigan Tablet zur Behandlung der Coronavirus-Krankheit (Covid-19) untersucht und vorbereitet, um eindeutige Beweise für die Wirksamkeit und Sicherheit des Arzneimittels zu erhalten.“ [hhttps://www.fujifilm.com/fftc/en/avigan ].

Im Jahr 2020 wurde ein neuartiger Weg zur Abgabe von Favipiravir direkt an das Lungenepithel mittels einer Nanoemulsion vorgeschlagen [55]. Im Jahr 2021 wurden feste Lipid-Nanopartikel für die Zwecke der lokalen Abgabe von Favipiravir durch Vernebelung entwickelt [64]. Diese Studien finden ausschließlich in In-vitro– Umgebungen statt. In-vivo -Studien auf diesem Gebiet stehen noch aus.

3.1.2. Molnupiravir ( Lagevrio von Merck)

Molnupiravir ist ein Pyrimidin-Ribonukleosid-Analogon, das die RNA-abhängige RNA-Polymerase von SARS-CoV-2 hemmt [46]. Ähnlich wie Favipiravir wurde Molnupiravir ursprünglich zur Behandlung der Influenza entwickelt. Die Emergency Use Authorization (EUA) für Molnupiravir wurde von der Federal Drug Agency der USA am 23. Dezember 2021 erteilt, am nächsten Tag nach der Erteilung der EUA von Paxlovid (siehe unten) [https://www.fda.gov/news -events/pressemitteilungen/coronavirus-covid-19-update-fda-autorisiert-zusätzliche-orale-antivirale-behandlung-covid-19-sicher]. Molnupiravir wird oral verabreicht. Seine Anwendung ist verschreibungspflichtig und indiziert bei nicht hospitalisierten Patienten mit „… leichter bis mittelschwerer Coronavirus-Erkrankung bei Erwachsenen mit positiven Ergebnissen direkter SARS-CoV-2-Virustests und einem hohen Risiko für eine Progression zu einer schweren COVID -19, einschließlich Krankenhausaufenthalt oder Tod, und für die von der FDA zugelassene alternative COVID-19-Behandlungsoptionen nicht zugänglich oder klinisch angemessen sind.“ Derzeit erweitert die EUA für Molnupiravir seine Anwendung bei Kindern nicht. Die Behandlung mit Molnupiravir muss bei geeigneten Patienten innerhalb von fünf Tagen nach Auftreten der Symptome begonnen werden. Aktuelle Studien berichten, dass Molnupiravir bei Risikopatienten das Risiko einer Hospitalisierung oder des Todes um 50 % senken kann [37, 25, 69]. Die Inzidenz von arzneimittelbedingten unerwünschten Ereignissen ist vergleichbar mit der Inzidenz, die bei anderen Behandlungen auftritt [69]. Molnupiravir ist eines der Anti-COVID-Medikamente, die für die Entwicklung in Richtung des Einsatzes von Nanotechnologien in Betracht gezogen werden, um eine bessere Abgabe und höhere Bioverfügbarkeit sicherzustellen [25], obwohl Versuche mit neuartigen Nanoformulierungen noch ausstehen.

3.1.3. Remdesivir

Remdesivir (Veklury, Gilead Sciences) gehörte zu den ersten spezifischen Behandlungen, die bei Patienten mit COVID-19 signifikante Wirkungen zeigten. Remdesivir wurde ursprünglich zur Behandlung von Hepatitis C entwickelt und erwies sich als wirksam bei der Unterdrückung der Replikation von Virus-RNA bei mit dem Ebola-Virus infizierten Tieren [68], aber anderen Therapeutika für Ebola beim Menschen unterlegen [43]. Es ist ein Adenosin-Analogon, das an die virale RNA-abhängige RNA-Polymerase bindet und die virale Replikation durch vorzeitige Termination hemmt [21]. Im Gegensatz zu den meisten anderen antiviralen Medikamenten für COVID-19 wird Remdesivir nur parenteral als langsame IV-Infusion verwendet. Außerdem ist Remdesivir im Gegensatz zu anderen antiviralen Mitteln, die gegen COVID eingesetzt werden, nur zur Anwendung in Krankenhäusern und bei Patienten mit schwerer Erkrankung indiziert. Es wurde ursprünglich für die Anwendung bei hospitalisierten erwachsenen und pädiatrischen Patienten (vorausgesetzt, sie waren ≥ 12 Jahre alt und ≥ 40 kg gewogen) mit COVID-19 zugelassen, die an einer schweren Erkrankung und Atemstillstand litten (erkennbar an der Notwendigkeit, zusätzlichen Sauerstoff zu verwenden) und bereits an waren Dexamethason [https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/management/clinical-management/hospitalized-adults–therapeutic-management].

Diejenigen, die für eine Behandlung mit Remdesivir in Frage kommen, müssen COVID-19 dokumentiert haben, was durch positive Ergebnisse direkter SARS-CoV-2-Tests belegt ist (obwohl in Fällen, in denen kein positiver Test vorliegt, Beweise aus Röntgen- oder CT-Scan-Bildern wie Milchglas-Lungentrübungen vorliegen, das kann zur Rechtfertigung der Anwendung von Remdesivir ausreichen). Später wurde Remdesivir für die Anwendung bei kleineren Kindern und bei bestimmten Gruppen von nicht hospitalisierten Patienten zugelassen [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-actions-expand-use-treatment-outpatients-mild-moderate-covid-19]. Die Anwendung von Remdesivir wird im Einzelfall geprüft, ist aber generell bei Patienten mit Leber- und Nierenversagen kontraindiziert und wird nur nach negativem Hauttest auf Überempfindlichkeit verabreicht.

Bisher wurden nur wenige Forschungsarbeiten über den Einsatz von Nanotechnologie zur Verbesserung der Abgabe von Remdesivir veröffentlicht. Eine, die auf der Verwendung von mit Remdesivir beladenen Nanovesikeln aus Poly(milchsäure-co-glykolsäure) basiert, könnte anscheinend als Grundlage für die Schaffung einer Plattform für eine verbesserte Abgabe von Remdesivir dienen, aber die Ergebnisse sind noch nicht weit vom Computerdesign entfernt [71].

3.1.4. Nirmatrelvir /Ritonavir ( Paxlovid , Pfizer)

Ende Dezember 2002 erteilte die FDA eine EUA für Pfizers kombiniertes Anti-COVID-Medikament Paxlovid ( Nirmatrelvir und Ritonavir). Nirmatrelvir ist ein 3C-ähnlicher Proteaseinhibitor, der die wichtigste virale Protease 3CLpro hemmt, die das durch Translation der viralen mRNA erzeugte Polyprotein spaltet, um separate Proteinprodukte zu erzeugen [45]. Es wurde auf der Vorlage eines anderen kovalenten Protease-Inhibitors, Lufotrelvir , entwickelt . Letzteres war zuvor auch ein Kandidatenmedikament in präklinischen Studien zur Behandlung von COVID-19 [5]. Ritonavir, ein bekannter Proteaseinhibitor, der häufig in Co-Formulierungen in der hochaktiven antiretroviralen Therapie (HAART) zur Behandlung von HIV-Infektionen verwendet wird, wirkt durch Hemmung von CYP3A. Dies führt zu einem verringerten Abbau von Nirmatrelvir durch Proteasen und damit zu einem Anstieg seines Serumspiegels [40]. Laut einer aktuellen Pressemitteilung von Pfizer reduzierte Paxlovid das Risiko einer Krankenhauseinweisung oder des Todes um 89% [https://www.pfizer.com /news/press-release/press-release-detail/pfizers-novel-covid-19-oral-antiviral-treatment-candidate]. Paxlovid wird oral verabreicht und ist für die Behandlung der leichten bis mittelschweren Coronavirus-Krankheit (COVID-19) bei Erwachsenen und pädiatrischen Patienten (12 Jahre und älter mit einem Gewicht von mindestens 40 Kilogramm oder etwa 88 Pfund) mit hohem Risiko indiziert für das Fortschreiten zu schwerem COVID-19, einschließlich Krankenhausaufenthalt oder Tod [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-first-oral-antiviral-treatment -Covid19]. FUm die besten Ergebnisse zu erzielen, muss die Behandlung mit Paxlovid innerhalb von fünf Tagen nach Auftreten der Symptome begonnen werden. Es ist nur auf Rezept erhältlich.

Die Studien zur Wirkung von Paxlovid auf den Verlauf von COVID-19 bei Hochrisikopatienten sind noch spärlich und erfordern weitere Studien, um aufzuklären, ob es das Risiko für Krankenhausaufenthalte und Tod wirklich verringert. Eine Metaanalyse zeigte, dass Patienten unter Paxlovid eine geringere Inzidenz von Nebenwirkungen hatten und dass die Rate von Nebenwirkungen im Zusammenhang mit der Therapie mit Paxlovid nahe an der Rate in der Placebogruppe lag [69], aber die Datenmenge wird immer noch als unzureichend angesehen, um Rückschlüsse auf die Wirksamkeit und Sicherheit des Arzneimittels zu ziehen. Dennoch haben Nanotechnologien bei der Entwicklung neuartiger Formulierungen von Paxlovid oder seinen Bestandteilen keine bedeutende Rolle gespielt.

3.1.5. Lopinavir/Ritonavir

Lopinavir/Ritonavir ( Kaletra oder Aluvia von AbbVie) ist eine weitere Kombination von Protease-Inhibitoren, die bei der Behandlung von COVID-19 erprobt wurde. Es ist ein bekanntes und sicheres Medikament zur Behandlung von HIV-Infektionen. Einer seiner bekannten Nachteile ist seine schlechte Wasserlöslichkeit, was zu einer unregelmäßigen Bioverfügbarkeit führt. Im Jahr 2016 wurde über die Entwicklung von Lopinavir-Granulaten berichtet, die bei Kontakt mit Wasser spontan arzneimittelbeladene, selbstorganisierende Nanopartikel produzierten, wodurch die Abgabe des Arzneimittels erheblich verbessert wurde [48]. Dies könnte als Grundlage für die weitere Entwicklung von antiviralen Wirkstoffen auf Nanopartikelbasis mit verbessertem Sicherheitsprofil und wirksamerer Verabreichung dienen. Kaletra wurde einst als COVID-19-Medikament für Krankenhauspatienten umfunktioniert. Studien (einschließlich der RECOVERY-Studie) zeigen, dass die Anwendung von Kaletra bei COVID-19-Patienten das Risiko für Komplikationen und Todesfälle nicht signifikant senkt [53]. Später haben Patel et al. zeigten, dass die Nebenwirkungsrate bei Patienten, die mit Lopinavir/Ritonavir behandelt wurden, höher war als bei Patienten, die andere Behandlungen erhielten [60]. Daher wird derzeit meist von seiner Verwendung abgeraten.

3.2. Monoklonale Antikörper ( mAbs ) zur Behandlung von SARS-CoV-2-Infektionen und COVID-19

Monoklonale Antikörper wurden erfolgreich bei der Behandlung von Immun- und Autoimmunerkrankungen wie rheumatoider Arthritis, Psoriasis-Arthritis, Colitis ulcerosa und Morbus Krohn, einigen Krebsarten, Zytokinstürmen, die im Verlauf von Infektionen und bei transplantierten Patienten auftreten, usw. eingesetzt. Ähnlich wie Favipiravir wurde Molnupiravir ursprünglich für die Behandlung der Influenza entwickelt. Die Notfallzulassung (Emergency Use Authorisation, EUA) für Molnupiravir wurde von der Federal Drug Agency der USA am 23. Dezember 2021 erteilt, am nächsten Tag nach der EUA für Paxlovid (siehe unten) [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-additional-oral-antiviral-treatment-covid-19-certain].

Das die meisten gemeinsames nachteilig Auswirkungen von monoklonalen Antikörpern sind infusionsbezogen Reaktionen, inkl. allergisch Reaktionen und Anaphylaxie.

Alle derzeit in der Therapie von COVID-19 verwendeten monoklonalen Antikörper sind für Patienten mit leichter und mittelschwerer Erkrankung zugelassen, bei denen das Risiko besteht, dass schwere Komplikationen auftreten. Die meisten mAbs, die zur Behandlung einer SARS-CoV-2-Infektion verwendet werden, zielen auf Strukturproteine des Virus ab oder können gegen Schlüsselakteure der entzündungsfördernden Signalwege gerichtet sein, die der Pathogenese der systemischen Entzündung bei COVID-19 inhärent sind (wie sie sind Tocilizumab, siehe unten). Derzeit haben nur monoklonale Antikörper, die auf das Spike-Protein abzielen, einen klinischen Nutzen bei infizierten Patienten gezeigt [28]. Andere monoklonale Antikörper können als Prä-Expositions-Prophylaxe verwendet werden (Einzelheiten siehe unten).

Mehrere neutralisierende monoklonale Antikörper haben EUAs von der FDA für den Einsatz im ambulanten Bereich bei Patienten mit bestätigtem SARS-CoV-2 erhalten. Vier davon werden in Kombination verwendet (Bamlanivimab und Etesevimab; Casirivimab und Imdevimab), während Sotrovimab , Bebtelovimab und Redganvimab allein verwendet werden können. Zwei Antikörper sind nur zur Verwendung als Prä-Expositions-Prophylaxe zugelassen.

3.2.1. Bamlanivimab und Etesevimab (von Ely Lilly)

Bamlanivimab und Etesevimab (nur generisch) binden an verschiedene, wenn auch überlappende Epitope in der Spike-Protein-Rezeptor-Bindungsdomäne von SARS-CoV-2. Sie werden in Form einer intravenösen Infusion verabreicht. Die BLAZE-1-Studie zeigte einen klinischen Nutzen der Kombination bei Patienten mit leichter bis mittelschwerer Erkrankung ab 2 Jahren [12]. Da die beiden Kombinationen jedoch eine verringerte Aktivität gegen die besorgniserregende Omicron-Variante gezeigt haben, wurde ihre Verwendung von der FDA eingeschränkt [ https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19- update-fda-limits-use-certain-monoclonal-antibodies-treat-covid-19-due-omicron ].

3.2.2. Casirivimab und Imdevimab ((REGEN-COV von Regeneron, Ronapreve von Roche)

Casirivimab und Imdevimab binden an nicht überlappende Epitope der rezeptorbindenden Domäne des Spike-Proteins. Der Ausschuss für Humanarzneimittel der Europäischen Arzneimittelagentur (CHMP) stellte fest, dass das Kombinationspräparat Ronapreve die Zahl der Krankenhausaufenthalte und Todesfälle bei COVID-19-Patienten mit dem Risiko einer schweren COVID-19-Erkrankung deutlich reduziert [COVID-19: EMA empfiehlt Zulassung von zwei monoklonalen Antikörpermedikamenten | European Medicines Agency (europa.eu)].

3.2.3. Sotrovimab ( Xevudy von GlaxoSmithKline)

Sotrovimab zielt auf ein Epitop in der Rezeptorbindungsdomäne des Spike-Proteins ab, das zwischen dem verwandten SARS- CoV und SARS-CoV-2 hochgradig konserviert ist. Bisher hat Sotrovimab Wirksamkeit gegen die bedenkliche Omicron-Variante (VOC) gezeigt [ https://www.fda.gov/media/149534/download ]. Es wird innerhalb von 10 Tagen nach Auftreten der Symptome als einzelne intravenöse Infusion oder subkutan bei nicht hospitalisierten Patienten mit leichtem bis mittelschwerem COVID-19 verabreicht, bei denen ein hohes Risiko für eine klinische Progression besteht. Sotrovimab wird nur erwachsenen Patienten oder Kindern im Alter von ≥ 12 Jahren und einem Körpergewicht von ≥ 40 kg verabreicht.

3.2.4. Bebtelovimab (generisch, von Ely Lilly)

Bebtelovimab ist ein weiterer auf Spike-Proteine ausgerichteter mAb, der Berichten zufolge seine Aktivität gegen die Omicron-Variante beibehält. Es wurde von der FDA im Februar 2022 eine EUA für die Anwendung bei erwachsenen und pädiatrischen Patienten mit leichter bis mittelschwerer Erkrankung erteilt [ https://investor.lilly.com/news-releases/news-release-details/lillys-bebtelovimab- erhält-Notfall-Benutzungserlaubnis ]. Bebtelovimab wird als einzelne IV-Injektion verabreicht.

3.2.5. Tixagevimab und Cilgavimab ( Evusheld von Astra Zeneca)

Tixagevimab und Cilgavimab binden an nicht überlappende Epitope der Rezeptorbindungsdomäne des Spike-Proteins [10]. Die FDA hat eine EUA für die Kombination Tixagevimab und Cilgavimab zur Präexpositionsprophylaxe erteilt. Zur Behandlung kommen Personen in Frage, die nicht mit SARS-CoV-2 infiziert sind und kürzlich keinen Kontakt mit einer infizierten Person hatten, aber möglicherweise ein hohes Risiko für eine unzureichende Immunantwort auf die COVID-19-Impfung oder eine dokumentierte Vorgeschichte haben mit einer schweren unerwünschten Reaktion auf einen verfügbaren COVID-19-Impfstoff oder einen seiner Bestandteile [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-new-long -wirkende-monoklonale-antikörper-vor-exposition].

3.2.6. Regdanvimab ( Regkirona , von Celltrion )

Regdanvimab ist ein humaner monoklonaler Antikörper, der gegen das Spike-Protein von SARS-CoV-2 gerichtet ist. Er wird parenteral in einer einzigen Infusion verabreicht. Regdanvimab ist für die Behandlung von Erwachsenen mit leichter bis mittelschwerer COVID-19 indiziert, die keinen zusätzlichen Sauerstoff benötigen und bei denen ein erhöhtes Risiko für das Fortschreiten zu schwerer COVID-19 besteht [https://www.ema.europa.eu/en/documents/product-information/regkirona-epar-product-information_en.pdf]. Der CHMP stellte fest, dass die Anwendung von Regkirona die Zahl der Krankenhausaufenthalte und Todesfälle bei COVID-19-Patienten mit dem Risiko einer schweren COVID-19 signifikant reduziert [COVID-19: EMA empfiehlt Zulassung von zwei monoklonalen Antikörpern | European Medicines Agency (europa.eu)].

3.2.7. Tocilizumab (Actemra, RoActemra von Roche)

Tocilizumab wurde erfolgreich als biologische Behandlung für eine Vielzahl von Autoimmunerkrankungen eingesetzt, darunter rheumatoide Arthritis und systemische juvenile idiopathische Arthritis. Es ist ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen den Interleukin-6-Rezeptor. Da IL-6 eine wichtige Rolle bei Entzündungen spielt und zu den frühen Entzündungsmarkern bei COVID-19 gehört, wurde ursprünglich vorgeschlagen, dass der gezielte Einsatz von IL-6 die Todesrate bei Krankenhauspatienten senken könnte. Damals wurde angenommen, dass der wichtigste pathogenetische Mechanismus von COVID-19-bedingten Komplikationen der Zytokinsturm war, der aus einer Fehlregulation der Immunsignalwege resultiert. Tocilizumab wurde von der FDA im Juni 2021 eine EUA für die Behandlung von COVID-19 erteilt [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-Drogenbehandlung-Covid-19]. Mehrere große Studien (RECOVERY, REMAP-CAP) zeigten, dass die Reduktion der Todesfälle durch die Anwendung von Tocilizumab zu denen durch die Anwendung von Dexamethason hinzukam [73]. Der anfängliche Enthusiasmus wurde jedoch bald gemildert, da bei den meisten hospitalisierten Patienten mit COVID-19, die mit Tocilizumab behandelt wurden, durchgehend ein signifikanter Transaminasenanstieg (eine bekannte Komplikation der Behandlung mit Tocilizumab) auftrat. Tatsächlich kommt es bei vielen Patienten infolge der Behandlung von COVID-19 zu einem Anstieg der Transaminasen, aber die Anwendung von Tocilizumab erhöhte das Risiko einer schweren Leberschädigung. Im Juli 2020 gab Hoffmann-LaRoche bekannt, dass die Behandlung mit Tocilizumab den klinischen Zustand von Patienten mit COVID-19-assoziierter Pneumonie nicht verbessert und die Patientensterblichkeit nicht verringert hat: [[Roche stellt ein Update zur Phase-III-COVACTA-Studie mit Actemra/ RoActemra bei Krankenhauspatienten bereit mit schwerer COVID-19-assoziierter Pneumonie“ „]. Daher wird Tocilizumab nicht zur Anwendung bei Patienten mit COVID-19 empfohlen. Im Frühjahr 2021 wurde eine Studie mit einem Kombinationspräparat aus Favipiravir-Tocilizumab, das in mukoadhäsive Vesikel verkapselt und über einen Vernebler verabreicht wurde, durchgeführt begonnen [61] Bisher sind keine ermutigenden Ergebnisse durchgekommen.

3.3. Andere Arzneimittel mit Potenzial zur Anwendung bei Patienten mit COVID-19

3.3.1. SQAd / VitE- Nanopartikel

Eine 2020 veröffentlichte Studie beschrieb die Entwicklung eines entzündungshemmenden Medikaments auf Basis von Nanopartikeln [11]. Diese Nanopartikel wurden hergestellt, indem die natürlichen Verbindungen Squalen (eine Verbindung mit entzündungshemmenden Aktivitäten) und Adenosin (ein natürlicher Immunmodulator) konjugiert und zusammen mit einer anderen biologischen Verbindung, α-Tocopherol (einem Antioxidans), eingekapselt wurden. Die Autoren schlugen vor, dass ihr nanobasiertes Medikament als neuartiger therapeutischer Ansatz zur sicheren Behandlung von Entzündungen dient. Die praktischen Anwendungen stehen noch aus.

3.3.2. Baricitinib

Im November 2020 erteilte die FDA eine Zulassung für die Anwendung der Kombination Remdesivir- Baricitinib bei hospitalisierten Erwachsenen und pädiatrischen Patienten ab zwei Jahren mit COVID-19 und schwerer Ateminsuffizienz [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-drug-combination-treatment-covid-19]. Baricitinib (Olumiant, von Ely Lilly) ist ein bereits existierendes Medikament, das auf der Hemmung der Januskinase (JAK)-vermittelten Signalwege basiert. Es wird normalerweise als Zweitlinienbehandlung bei rheumatoider Arthritis eingesetzt. Baricitinib wurde ursprünglich nicht als eigenständige Behandlung für COVID-19 zugelassen. Baricitinib plus Remdesivir erwies sich 2021 als überlegen gegenüber Remdesivir. Bei Patienten mit schwerem COVID-19, insbesondere bei Patienten, die nicht-invasiv beatmet wurden, wurde ein zufriedenstellendes Sicherheitsprofil festgestellt[26]. Im Juli 2021 wurde die EUA für die Kombination überarbeitet. Derzeit kann Baricitinib allein zur Behandlung von COVID-19 verwendet werden [https://www.thepharmaletter.com/article/fda-authorizes-baricitinib-alone-as-treatment-for-covid-19, https://www.fda.gov/media/143822/download]

3.3.3. Fluvoxamin ( Fevarin von Mylan und Luvox von Solvay Pharmaceuticals, Inc.)

Fluvoxamin ist ein selektiver Serotonin -Wiederaufnahmehemmer, der seit Jahrzehnten in der klinischen Psychiatrie eingesetzt wird. Es wird normalerweise bei schweren depressiven Störungen und Zwangsstörungen (OCD) verschrieben, kann aber auch bei Angststörungen eingesetzt werden [17]. Es hat ein gutes Sicherheitsprofil mit einem geringeren Auftreten der typischen Nebenwirkungen, die mit der Verwendung von SSRI verbunden sind – Kopfschmerzen, Angstzustände, Reizungen, sexuelle und Schlafprobleme und kardiovaskuläre Komplikationen. Psychopharmaka haben in der Regel mehrere Ziele und viele potenzielle Nebenwirkungen. Daher war die Möglichkeit der Abgabe von Arzneimitteln speziell an die Zielstelle schon immer ein Hauptproblem in der klinischen Psychiatrie. Im Jahr 2019 wurde über das Design von mit Fluvoxaminmaleat beladenen festen Lipid-Nanopartikeln berichtet, die eine hohe Einschlusseffizienz und eine effektive Freisetzung des Arzneimittels zeigen [29].

Es wurden mindestens drei randomisierte Studien durchgeführt, um die Wirkung von Fluvoxamin bei der Behandlung von ambulanten Patienten mit COVID-19 zu untersuchen. Die erste (STOP COVID) – zeigte eine Verringerung der Rate der klinischen Verschlechterung bei den mit Fluvoxamin behandelten Patienten [ 69 ]. Die zweite wurde von der Datensicherheitsüberwachungsbehörde aus Untersuchungsgründen gestoppt, da die Behandlungseffekte deutlich geringer waren als erwartet [ 69 ]. Die dritte war die TOGETHER-Studie, die 2022 zeigte, dass Fluvoxamin zu einer Verringerung der Schwere von COVID-19-assoziierten Symptomen führen kann [54]. Bei oraler Anwendung durch nicht hospitalisierte Patienten mit früh diagnostiziertem COVID-19 und hohem Komplikationsrisiko reduzierte Fluvoxamin in therapeutischen Standarddosen offenbar das Risiko für die Krankenhauseinweisung und Tod [54, 69]. Die Wirkung von Fluvoxamin bei COVID-19-Patienten bleibt in weiteren Studien abzuwarten. Ein Antrag auf eine EUA für die Verwendung von Fluvoxamin bei Patienten mit COVID-19 wurde bei der FDA [https://www.medpagetoday.com/special-reports/exclusives/96431] eingereicht, aber bis heute gibt es keine Informationen über eine EUA erteilt.

4. Impfstoffe aus Nanopartikeln

4.1. Geschichte und Grundlagen der Impfung als Methode zur Vorbeugung übertragbarer Krankheiten

Impfstoffe sind seit dem späten 18. Jahrhundert, als Edward Jenner seine praktischen Beobachtungen auf die offensichtliche Immunität gegen Pocken von Personen anwendete, die zuvor Kuhpocken hatten, zu einer Hauptwaffe im Arsenal der Medizin gegen Infektionskrankheiten geworden. Dies war streng genommen nicht Jenners eigene Erfindung, da er mit der östlichen Praxis der „Variolisierung“ vertraut gewesen sein muss, die Anfang des Jahrhunderts in Großbritannien von Mary Wortley Montagu und den Studien von Dr. John Fewster eingeführt wurde, die eine Kontraktion verhinderten an Pocken erkrankt, indem er seine Probanden zuvor mit Kuhpocken infizierte [63]. In jedem Fall trugen der glänzende Ruf von Jenner und sein hoher sozialer Status zweifellos zur positiven Aufnahme seiner Impfpraktiken bei. Im 20. Jahrhundert wurden Impfstoffe für eine Vielzahl verbreiteter Infektionskrankheiten schnell entwickelt und wurden zu einem obligatorischen Bestandteil des Impfkalenders auf der ganzen Welt. Impfstoffe gegen endemische Infektionskrankheiten wie Gelbfieber, Zeckenenzephalitis, Japanische Enzephalitis, Typhus und andere sind ebenfalls erhältlich und einige sind für Reisende in Gebieten mit durch Impfung vermeidbaren endemischen Krankheiten obligatorisch.

Impfstoffe wirken, indem sie dem Immunsystem des Wirts ein für den Infektionserreger typisches Antigen präsentieren, ohne dass eine Infektion auftritt. Somit kann der Wirt vor der Begegnung oder in sehr frühen Stadien der Infektion einen wirksamen Abwehrmechanismus gegen das angreifende Agens aufbauen. Impfung und Immunisierung sind unterschiedliche Begriffe, die jedoch sehr häufig verwechselt werden. Die Immunität gegen ein bestimmtes Agens kann angeboren oder erworben sein und kann entweder nach der Impfung oder nachdem der Wirt mit dem infektiösen Agens in Kontakt gekommen ist und den natürlichen Verlauf der Infektionskrankheit durchlaufen hat, entwickelt werden. Bei der Impfung wird dem Immunsystem des Wirts nur das Antigen (oder mehr als ein Antigen, wie im Fall von inaktivierten Impfstoffen) präsentiert, ohne das Risiko (oder, wie bei Lebendimpfstoffen, mit einem sehr geringen Risiko), an der damit verbundenen Krankheit zu erkranken .

4.2. Arten von Impfstoffen

Für eine einzelne Krankheit können mehrere Arten von Impfstoffen existieren. Historisch gesehen gab es vier Haupttypen von Impfstoffen:

• Inaktiviert (z. B. Salk-Impfstoff gegen Poliomyelitis, Tollwut-Impfstoff, Hepatitis-A-Impfstoff und andere);
• Abgeschwächtes Leben (Sabin-Impfstoff gegen Poliomyelitis, Impfstoffe gegen Masern, Mumps, infektiöse Parotitis und andere);
• Toxoid-Impfstoffe (z. B. Tetanus- und Diphtherie-Toxoide);
• Subunit-Impfstoffe (z. B einige der Impfstoffe gegen Influenza (z. B FluMist Quadrivalent von MedImmune), Impfstoffe gegen Hepatitis B und andere). Dazu gehören Peptid-Polysaccharid- und Konjugatimpfstoffe.

Kürzlich wurden dieser Liste zwei weitere Arten von Impfstoffen hinzugefügt: nämlich Vektorimpfstoffe (z. Zabdeno (gegen Ebola) und mehrere Impfstoffe gegen SARS-CoV-2) und mRNA-Impfstoffe (gegen SARS-CoV-2).

Für einige der ältesten Impfstoffe (wie den Polio-Impfstoff) wurden möglicherweise mehrere Typen ausprobiert (im Fall von Polio ein attenuierter oder inaktivierter Lebendimpfstoff, der auf verschiedenen Wegen verabreicht wird). Verschiedene Länder können unterschiedliche Richtlinien bezüglich der Art des Impfstoffs haben, der in der allgemeinen Bevölkerung und in besonderen Fällen verwendet wird. Bis zur COVID-19-Ära gab es jedoch keine so große Auswahl an Impfstoffen gegen denselben Infektionserreger.

mRNA-Impfstoffe haben ein vergleichbares oder überlegenes Sicherheitsprofil wie die meisten anderen Impfstoffe gezeigt und bei Verabreichung in mindestens zwei Dosen das höchste Schutzniveau (94-95 %) gegen die Entwicklung von COVID-19 und damit verbundene Komplikationen geboten [ 50, 3 ]. Die durch die meisten derzeit verwendeten mRNA-Impfstoffe gegen SARS-CoV-2 induzierte humorale Immunantwort neigt dazu, über 6 Monate nach der zweiten Dosis hinaus abzunehmen, was vorübergehend durch die Verwendung einer Auffrischungsdosis überwunden wurde [31]. Es wurde auch berichtet, dass die Auffrischungsdosis die Wirksamkeit des Impfstoffs in Bezug auf etwa 75 % weniger COVID-19-bedingte Besuche in der Notaufnahme und 80 % weniger Krankenhauseinweisungen erhöht [16].

4.3. Impfstoffe gegen SARS-CoV-2

Derzeit gehören zugelassene SARS-CoV-2-Impfstoffe zu drei der vier oben aufgeführten „klassischen“ Haupttypen oder können zu den neueren mRNA- oder Vektortypen gehören.

4.3.1. Impfstoffe, die mit „klassischen“ Techniken entwickelt wurden

Totimpfstoffe gegen SARS-CoV-2 sind beide Impfstoffe entwickelt von Sinopharm (Sinopharm BIBP und Sinopharm WIBP), Turkovac (von Health Institutes of Turkey), CoronaVac (SinoVac Biotech), Covaxin (von Bharat Biotech), QazVac (von Kazakh Biosafety Research Institute).

Subunit-Impfstoffe basieren üblicherweise auf der Präsentation des S-(Spike)-Proteins gegenüber dem Immunsystem des geimpften Wirts. Dies sind: EpiVacCorona (von VECTOR center of biotechnology, Corbevax (von Biological E. Ltd.), Novavax, Soberana und der noch unbenannte Sanofi-GSK-Impfstoff;

Attenuierte Lebendimpfstoffe gegen SARS-CoV-2 gehören insbesondere zu den am wenigsten verbreiteten Impfstoffen gegen SARS-CoV-2. Derzeit ist der einzige attenuierte Lebendimpfstoff COVI-VAC von Codagenix Inc. in einer Phase-1-Studie.

4.3.2. Nanotechnologie zur Entwicklung von Impfstoffen gegen eine SARS-CoV-2-Infektion

Die neuere Generation von Vektorimpfstoffen ist in der Liste der Anti-SARS-CoV-2-Impfstoffe stark vertreten. Dies sind Vaxzevria von Oxford/Astra Zeneca, der von Janssen- Cilag entwickelte Impfstoff, Sputnik V, Convidecia (CanSino Biologics) und andere.

mRNA-basierte Impfstoffe befinden sich seit mindestens 20 Jahren in der Entwicklung, aber bis zur pandemischen Ausbreitung von SARS-CoV-2 konzentrierten sich die Bemühungen hauptsächlich auf die Entwicklung von Impfstoffen gegen Krebs und neuartigen Impfstoffen gegen Influenza. Repräsentative Mitglieder der mRNA-Impfstoffe sind Comirnaty (von Pfizer-BioNTech) und Spikevax (von Moderna). Grundsätzlich erzeugen und stärken sie die Immunität des Wirts gegen SARS-CoV-2 durch die Präsentation von künstlich erzeugter und modifizierter mRNA, die Teile der Proteinsequenz des S-Proteins von SARS-CoV-2 codiert. Die Entwicklung der mRNA-Vakzine ist par excellence eine Nanotechnologie, da die für das S-Protein kodierende mRNA in Nanopartikel (z. B. Liposomen) verpackt ist. Die Partikel werden von dendritischen Zellen aufgenommen und die mRNA wird leicht von den Wirtsribosomen translatiert. Das fremde Protein wird auf der Oberfläche der Antigen-präsentierenden Zellen exportiert und den T-Zellen präsentiert, um eine Immunantwort auszulösen.

Liposomen sind geschlossene Vesikel, die aus einer (oder mehreren) Phospholipid-Doppelschichten bestehen. Ihre Struktur ähnelt der Struktur von Zellmembranen. Die Phospholipide können natürlichen oder künstlichen Ursprungs sein. Verschiedene Verbindungen können in die Vesikel eingekapselt und an ein spezifisches Zielgewebe oder auf zeitabhängige Weise abgegeben werden, was die Verwendung von Liposomen für die kontrollierte Arzneimittelabgabe ermöglicht. Die Phospholipide in den Doppelschichten können modifiziert werden, um die vom Benutzer gewünschten Eigenschaften zu erreichen – erhöhte Lipo- oder Hydrophilie (je nach Ziel), langsamer oder schneller Zerfall der Vesikel beim Erreichen ihres Ziels (um die Arzneimittelfreisetzung zu kontrollieren) usw. Polyethylenglykol (PEG)-Konjugation (PEGylierung) wird üblicherweise beim Arzneimitteldesign verwendet. Es erhöht ihre hydrophoben Eigenschaften und verlängert die Zirkulationszeit der Liposomen in lebenden Geweben [ 24] (obwohl eine wiederholte Verabreichung zum genauen Gegenteil führen kann – siehe unten). PEG3350 (Polyethylen Glykol [PEG])-2000] -N ,N – Ditetradecylacetamid ) ist ein häufiger Inhaltsstoff in vielen routinemäßig verwendeten Präparaten – z. B. Tabletten, injizierbaren Depotpräparaten, oralen Abführmitteln und anderen. PEG3350-konjugierte Liposomen werden derzeit sowohl in Comirnaty (Pfizer BioNTech) als auch in Spikevax (Moderna)-Impfstoffen verwendet. Wenn der Wirkstoff in den Muskel injiziert wird, bildet er ein Depot, das langsam über mehrere Stunden bis zu mehreren Tagen freigesetzt wird und die Migration dendritischer Zellen zum Ort der Ablagerung und Aufnahme, Verarbeitung und Präsentation des Antigens ermöglicht, um eine Immunantwort auszulösen .

Im Allgemeinen sind Liposomen biokompatible und ungiftige Träger für die Arzneimittelabgabe. Sie wurden erfolgreich in vivo zur Arzneimittelabgabe an spezifische Ziele eingesetzt, hauptsächlich in der klinischen Onkologie [34, 35]. Modifikationen (einschließlich PEGylierung) können jedoch zu einer erhöhten Immunogenität des resultierenden Präparats führen. Anaphylaktische und andere Immunreaktionen sind für eine Vielzahl von PEG-haltigen Präparaten ( z . B. Laxantien, Depotsteroide) beschrieben worden [59]. mRNA-Impfstoffen wird normalerweise ein ausgezeichnetes Sicherheitsprofil zugeschrieben, das leicht durch eine Gesamtinzidenz von 0,2 % unerwünschter Ereignisse nach der Impfung belegt wird [https://www.cdc.gov/mmwr/volumes/70/wr/mm7002e1.htm]. Anaphylaktoide Reaktionen wurden jedoch sowohl für Comirnaty als auch für Spikevax berichtet [4, 8]. Derzeit wird angenommen, dass fast alle Fälle von Anaphylaxie nach Verabreichung des Pfizer-BioNTech-Impfstoffs mit dem Vorhandensein von PEG3350 in der Zubereitung verbunden sind [18]. Da Moderna PEG nicht im Sicherheitsdatenblatt für sein Spikevax aufführt, ist es schwierig zu wissen, ob die gemeldeten Fälle von Anaphylaxie nach der Impfung mit dem PEG-Gehalt oder einer anderen Verbindung zusammenhängen. Derzeit lautet die offizielle Empfehlung der FDA: „Wenn Sie allergisch gegen PEG sind, sollten Sie keinen mRNA-COVID-19-Impfstoff erhalten … Wenn Sie allergisch gegen Polysorbat sind, sollten Sie den J&J/Janssen-COVID-19-Impfstoff nicht erhalten.” https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/vaccines/recommendations/specific-groups/allergies.html

Liposome und die damit verbundene Verkapselungstechnologie sind nur frühe Vorläufer einer viel breiteren Palette von Technologien, die auf der Verwendung von Lipid-Nanopartikeln basieren. Mögliche nächste Schritte sind: Verbesserung der Zielspezifität, bessere Kontrolle der Arzneimittelfreisetzung, Entwicklung von stimuliresponsiven Liposomen (empfindlich gegenüber Auslösern wie Temperaturänderungen, pH-Wert, Bindung spezifischer Liganden usw.) und viele andere. Der Einsatz der Nanotechnologie verbessert zweifellos die Verteidigung gegen die neuen Pandemien auf allen Ebenen und ermöglicht die Entwicklung zuverlässiger, robusterer und leicht zugänglicher diagnostischer Tests, persönlicher Schutzausrüstung, von Medikamente und Impfstoffen.

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Test LO 4.1

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Zusammenfassung

Die neue Generation von Nanoträgern ist vielversprechend für die effektive Abgabe von Medikamenten und Impfstoffen an ihre Ziele mit einem deutlich geringeren Risiko für Nebenwirkungen, die Modulation von Immunreaktionen auf körpereigene und körperfremde Antigene und die Entwicklung empfindlicher Bildgebungstechnologien zur Früherkennung von menschlichen Krankheiten. COVID-19 war (und ist) eine Herausforderung für Medizin und Wissenschaft. Neuartige auf Nanotechnologie basierende Biosensoren, Diagnosegeräte, antivirale Medikamente und Impfstoffe wurden entwickelt oder umfunktioniert, um die moderne Pandemie zu bekämpfen. Der Ausbruch von SARS-CoV-2 veranlasste die Forschungs- und Entwicklungssektoren, zusammenzuarbeiten, um neuartige, vielseitige und effiziente Wege zur Vorbeugung und Behandlung menschlicher Krankheiten zu schaffen, die sich wahrscheinlich über die gegenwärtige Pandemie hinaus rasch weiterentwickeln werden.

Schlüsselwörter/Phrasen: COVID-19, Virostatika, monoklonale Antikörper, Impfstoffe, Nanotechnologie

1. SARS-CoV-2 und COVID-19 – ein Überblick über die Entstehung einer modernen Pandemie und ihre Auswirkungen auf das Denken in Forschung und klinischer Medizin

Bei der Infektion des Menschen mit SARS-CoV-2 kam es in den Wochen und Monaten vor dem ersten gemeldeten Fall Anfang Dezember 2019 zu einem zoonotischen Spill-over [69]. Am 31. Dezember 2019 wurde die Weltgesundheitsorganisation (WHO) über eine schnell wachsende Zahl von Fällen von Lungenentzündung unbekannter Ursache in Wuhan City, China, informiert. Der Erreger wurde am 07.01.2020 von den örtlichen Behörden als bisher unbekanntes Mitglied der Familie der Beta-Coronaviren identifiziert. Ende Januar 2020 erklärte der Generaldirektor der WHO, Dr. Tedros Adhanom Ghebreyesus, dass der Ausbruch des neuartigen Coronavirus eine öffentliche Gesundheitsnotlage von internationaler Tragweite sei [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)]. Bemerkenswerterweise gab es zu diesem Zeitpunkt insgesamt etwa 100 Fälle und noch keine Todesfälle, aber das Virus hat es geschafft, sich in fast 20 Ländern außerhalb Chinas zu verbreiten. Die Erforschung des Entwicklungspotenzials der ätiologischen Behandlung und Prävention begann sofort und vereinte die Bemühungen von Klinikern, Wissenschaftlern und biotechnologischen und pharmazeutischen Unternehmen.

COVID-19 war (und ist) eine Herausforderung für Medizin und Wissenschaft. Nichtsdestotrotz ist es auch eine Gelegenheit, (wieder einmal) von der Natur über die unbegrenzte Vielfalt der Evolutionsmechanismen, die kausale Beziehung zwischen Veränderungen im Nano- und Mikromaßstab und das Ausmaß ihrer Auswirkungen auf die Makrowelt zu lernen. Diese moderne Pandemie veranlasste die Forschungs- und Entwicklungssektoren, zusammenzuarbeiten, um neuartige, vielseitige und effiziente Wege zur Vorbeugung und Behandlung menschlicher Krankheiten zu schaffen, die sich wahrscheinlich über die gegenwärtige Epidemie hinaus rasch weiterentwickeln werden. Ein Paradebeispiel ist die Entwicklung von Vektor- und mRNA-Impfstoffen. Bis Ende 2019 gab es bestenfalls einen für den Menschen zugelassenen Vektorimpfstoff (rVSV-ZEBOV oder Ervebo, by Merck) und keine zugelassenen mRNA-Impfstoffe, obwohl die ersten klinischen Studien für einen Tollwut-mRNA-Impfstoff im Jahr 2013 begannen.

Der Zeitplan für die Entwicklung von Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 ist in der Tat auffällig, aber nicht, weil sie „zu schnell“ entwickelt wurden, sondern weil anscheinend das gesamte Wissen bereits vorhanden war und „ein großer Schub“ alles nötig war neue Arten von Impfstoffen erfinden, die sicher und effizient eingesetzt werden könnten, um schwere Krankheiten bei Millionen von Menschen zu verhindern. Gleiches gilt für die Entwicklung sicherer und effizienter Anti-COVID-19-Medikamente. Die Virostatika, die in der heutigen Zeit signifikante Wirkungen bei der Behandlung von Patienten mit COVID-19 gezeigt haben (Remdesivir, Favipiravir und andere), sind in ihrer Mehrzahl umfunktionierte Medikamente, die zuvor bei der Behandlung anderer Viruserkrankungen erprobt wurden. Die Neuheit der heutigen Anti-COVID-Behandlungen liegt also nicht gerade in ihrem Wirkungsprinzip auf ihre Ziele, sondern eher in der Art und Weise, wie diese Ziele angegangen werden.

2. Entwicklung vielseitiger nanoskaliger Trägerplattformen

Die altbewährten konservativen Therapien wirken ganz allgemein so, dass sie das Milieu lebender Zellen mit einem Medikament sättigen, so dass die Chance für dessen Bindung an das Target (z. B. einen zellulären Rezeptor) stark erhöht wird. Die meisten Medikamente gelangen über eine Rezeptor-Liganden-Wechselwirkung in die lebenden Zellen. Da Rezeptoren eines bestimmten Typs auf mehr als einem Zelltyp exprimiert werden und derselbe Arzneimittelligand an mehr als einen Rezeptortyp binden kann, besteht ein (manchmal erhebliches) Risiko für unerwünschte Wirkungen im Zusammenhang mit den Wirkungen des Arzneimittels auf Gewebe anders als das Zielgewebe. Dies gilt insbesondere für Zytostatika und Psychopharmaka. Daher hängen sichere und wirksame medikamentöse Behandlungen (und Impfstoffe in diesem Zusammenhang) nicht nur vom Wirkstoff im Medikament ab, sondern auch von seinem Träger und der Art und Weise, wie dieser Träger mit dem Zielgewebe interagiert.

Nanotechnologie ist … „ die Manipulation von Materie auf nahezu atomarer Ebene, um neue Strukturen, Materialien und Geräte herzustellen … unter Verwendung von Materialien mit einer Längenskala zwischen 1 und 100 Nanometern … bei dieser Größe beginnen Materialien, einzigartige Eigenschaften zu zeigen, die [ihre] physikalische beeinflussen , chemisches und biologisches Verhalten “, gemäß der Definition des Center for Disease Control (CDC) in Atlanta, USA: 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.

Die Größe (vergleichbar mit der Größe biologischer Makromoleküle) und das signifikante Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der nanoskaligen Partikel erhöhen ihre Löslichkeit und können verwendet werden, um die Segregation von Nanoträgern, die mit bioaktiven Substanzen beladen sind, in verschiedene Zellen zu modulieren und Gewebekompartimente (je nach gewünschter Wirkung). Die neuartige Generation von Nanoträgern für Humanarzneimittel gewährleistet eine effektive Abgabe der Wirkstoffe an das Ziel mit einem deutlich geringeren Risiko für Nebenwirkungen. Die Nanotechnologie kann Möglichkeiten bieten, die von der Natur bereitgestellten Barrieren zu überwinden, um das Eindringen von Arzneimitteln in bestimmte Zielorte (z. B. die Blut-Hirn-Schranke) zu verbessern, die Immunreaktionen auf körpereigene und körperfremde Antigene zu modulieren und bei der Entwicklung von zu helfen empfindliche Bildgebungstechnologien zur Früherkennung menschlicher Krankheiten. Es gibt auch viele andere Anwendungen der Nanotechnologie in der modernen Forschung und Entwicklung, von denen einige in Abb. 1\

Abbildung 1. Einige Anwendungen der Nanotechnologie in der modernen Forschung und Entwicklung

Die Größe der meisten Viren kann zwischen 20 und 250 nm variieren, was die auf Nanotechnologie basierende Technologie zu einer hervorragenden Option für die Zwecke der antiviralen Forschung macht.

SARS-CoV-2 besitzt ein hohes Infektiositätspotential (vergleichbar mit der Infektiosität des Influenza- und Masernvirus). Röntgenbildgebung, Computertomographie und Labortests (molekularbiologische Tests) werden routinemäßig verwendet, um das Screening auf Infektionen und die klinische Diagnose von COVID-19 zu unterstützen. Röntgen- und CT-Befunde, die als „typisch“ für COVID-19 gelten (disseminierte interstitielle Veränderungen, Milchglastrübungen), bleiben deutlich hinter dem Einsetzen der Symptome zurück und können bestehen bleiben, nachdem sich der klinische Zustand verbessert hat. Paradoxerweise war der erste für COVID-19 entwickelte Labortest der hochempfindliche, aber aufwändige, teure und zeitaufwändige RT-PCR-Test. PCR-basierte Tests zum Nachweis von Krankheiten sind im Wesentlichen auf Nanotechnologie basierende Testgeräte (obwohl die Technologie auf die 90er Jahre des 20. Jahrhunderts zurückgeht). Antigentests für SARS-CoV-2 (die ein weiteres Beispiel für auf Nanotechnologie basierende Tests sind) wurden später entwickelt, um die Diagnose zu beschleunigen und sie für Patienten und Betreuer leicht verfügbar zu machen, aber abgesehen von den üblichen Einschränkungen bei der Verwendung von Nasen-Rachen- und Rachenabstrichen , haben sie zusätzliche Probleme, wie z. B. eine unterschiedliche Empfindlichkeit und Spezifität von Marke zu Marke. Serologische Tests (auf das Vorhandensein von IgG, IgM und manchmal IgA) können aktuelle und frühere SARS-CoV-2-Infektionen aufzeigen, sind jedoch weniger geeignet für Neuinfektionen, da sie mit erheblicher Verzögerung ab dem Auftreten von Symptomen durchgeführt werden müssen und können bei zuvor geimpften symptomatischen Patienten unzuverlässig sein. Biosensoren (ein weiterer auf Nanotechnologie basierender Gerätetyp) wurden relativ früh für Diagnosezwecke entwickelt (der erste ähnliche Bericht von Seo et al. wurde im Juni 2020 veröffentlicht) [76], werden aber aufgrund ihrer hohen Kosten immer noch hauptsächlich für Forschungszwecke verwendet .

TDie Größe des SARS-CoV-2-Virions beträgt etwa 100 nm (mittlerer Bereich). Daher wurde das Potenzial von COVID-19 als Ziel für Behandlungen auf Nanopartikelbasis von Beginn der Pandemie an berücksichtigt. Bisher wurden auf Nanotechnologie basierende Ansätze zur Infektionsprävention, Diagnostik und Behandlung von COVID-19 entwickelt und erprobt.

Für den sensitiven und spezifischen Nachweis von COVID-19 wurden mehrere auf Nanotechnologie basierende Geräte entwickelt. Derzeit ergänzen sie die routinemäßig verwendeten Ansätze auf Basis von RT-PCR und Antigentests. Ein neuartiger Biosensor auf Basis von Goldnanopartikeln wurde zum Nachweis von SARS-CoV-2 in der ausgeatmeten Luft vorgeschlagen [75, 78, 27]. Magnetische Nanopartikel wurden in einem speziellen Extraktionsprotokoll für SARS-CoV-2 verwendet [81, 97]. Nanoskalige Kristalle mit Halbleitereigenschaften (allgemein bekannt als Quantenpunkte) wurden erfolgreich in einem Biosensor zum Nachweis von SARS-CoV-1-Nukleokapsid-Proteinantigen [70] verwendet und könnten durchaus zum Nachweis von SARS-CoV-2 verwendet werden [40 ]. Es ist zu erwarten, dass auf Nanomaterialien basierende Detektionsgeräte, Sensoren, Medikamente und Impfstoffe in absehbarer Zeit die Hauptstütze des Managements der Pandemie sein werden [65, 50].

3. Nanobasierte Verabreichungssysteme für antivirale Medikamente

3.1. Nanotechnologische Formulierungen – Arten und mögliche Anwendungen bei der Behandlung viraler Infektionen

Ein Nanopharmakon ist per Definition ein Material mit Partikelgrößen im Nanobereich, das therapeutisches Potenzial hat. Nanopartikel können unterschiedliche Formen und chemische Zusammensetzungen haben. Der Wirkstoff im Nanopartikel kann gelöst, eingeschlossen, eingekapselt, adsorbiert , konjugiert oder chemisch gebunden sein, wodurch der Träger des Wirkstoffs als Nanoträger bezeichnet wird. Eine schematische Darstellung der Haupttypen von Nanocarriern ist in Abb. 2 gezeigt.

Abbildung 2. Arten von Nanocarriern.

Die gebräuchlichsten Arten von Nanocarriern sind im Folgenden kurz aufgelistet. Besondere Aufmerksamkeit wird Liposomen geschenkt, da sie die ersten waren und derzeit die am häufigsten verwendete Art von Arzneimittel-Nanoträgern sind.

3.1.1. Lipidbasierte Nanoformulierungen

Lipide sind bei weitem die sicherste Art von Trägern. Sie sind einfacher und billiger herzustellen, biologisch abbaubar, biokompatibel, nicht toxisch und im Allgemeinen nicht immunogen [61]. Die Lipide in der Formulierung werden zusammen mit anderen Mitteln wie Tensiden und Lösungsmitteln verwendet. Zu den üblicherweise verwendeten Lipid-basierten Nanoformulierungen gehören Liposomen, feste Lipid-Nanopartikel (SLN), Nanoemulsionen und Nanosuspensionen.

Liposomen

Liposome sind Vesikel, in denen ein wässriger Kern vollständig von einer membranösen Lipiddoppelschicht eingeschlossen ist, die aus natürlichen oder synthetischen Phospholipiden besteht. Je nach Herstellungsverfahren können Lipidvesikel multi-, oligo- oder unilamellar sein und viele, wenige oder eine Doppelschichthülle(n) enthalten. Der Durchmesser des Vesikels kann stark variieren – zwischen 10 und 1000 nm.

Der wässrige Kern der (konventionellen) therapeutischen Liposomen der ersten Generation enthielt die hydrophile bioaktive Verbindung. Liposomen der späteren Generation können auch hydrophobe Verbindungen einschließen und zusätzliche Modifikationen tragen, um die Zirkulationszeit in vivo zu verlängern und eine gezielte und zeitlich abgestimmte Abgabe des Arzneimittels sicherzustellen [37]. Eine schematische Darstellung der verschiedenen Arten von Liposomen ist in Abb. 3 zu sehen.

Abbildung 3. Eine Darstellung der verschiedenen Arten von liposomalen Arzneimittelabgabesystemen.

Liposomes are prepared from an aqueous solution of phospholipids by a variety of methods: ultrasound sonication, dehydration-rehydration, reverse phase evaporation, freeze-thaw cycles, vesicle extrusion, etc. [31]. Liposomen werden aus einer wässrigen Lösung von Phospholipiden durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt: Ultraschallbeschallung, Dehydratation-Rehydratation, Umkehrphasenverdampfung, Gefrier-Tau-Zyklen, Vesikelextrusion usw. [31]. Die resultierende Einfangeffizienz kann sehr unterschiedlich sein. Eine optimale Kontrolle der Größe und Lamellarität der resultierenden Liposomen wird üblicherweise durch Extrusion unter Verwendung von Filtern mit Poren definierter Größe erreicht. Das Zielen therapeutischer Liposomen an die gewünschte Stelle wird erreicht, indem Liganden auf die Oberfläche des Vesikels gegeben werden [37].

Liposomen haben als Nanocarrier ihre Nachteile. Dazu gehören ihre relativ geringe Wirkstoffbeladungskapazität und Instabilität sowie das potenzielle Risiko einer Immunogenität aufgrund verschiedener Zusatzstoffe (z. B. PEG3350) [ 11 ].

Gegenwärtig befinden sich mehrere liposomale Formulierungen im klinischen Einsatz. Zu den Anwendungen gehören die gezielte Verabreichung von Zytostatika, intraokulare Anwendungen, Nachbestrahlungsbehandlungen für Patienten mit extremer UV-Sensibilität mit Präparaten der T4-Endonuklease V [95, 13, 49].

Polyethylenglycol (PEG)-konjugierte Liposomen werden derzeit sowohl in Comirnaty (Pfizer BioNTech) als auch in Spikevax (Moderna)-Impfstoffen verwendet.

Feste Lipid-Nanopartikel (SLNs)

SLNs bestehen aus einer festen Lipidmatrix (Triglyceride, Steroide, Fettsäuren, Wachse usw.). Im Gegensatz zu Liposomen sind SLNs industriell skalierbar. SLNs werden in der Vergangenheit als Träger für eine Vielzahl antiviraler Medikamente (Ritonavir, Maraviroc, Darunavir, Efavirenz, Zidovudin, Lopinavir, Dolutegravir und andere – Einzelheiten siehe unten) verwendet.

Eine spätere Generation von SLNs sind die nanostrukturierten Lipidträger (NSLCs). Im Gegensatz zu SLNs befinden sich die Lipide in den NSLCs in flüssigem Zustand, was eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes kontrolliertes Freisetzungsmuster verleiht.

Nanoemulsionen

Nanoemulsionen (NE) sind globuläre Einphasensysteme aus emulgierten Ölen, Wasser und Tensiden. NEs haben eine hohe Beladungskapazität, erhöhte Hydrophilie und verbesserte Bioverfügbarkeit. Nanoemulsionen wurden verwendet, um Formulierungen von Anti-HIV-Medikamenten wie Protease-Inhibitoren (Saquinavir, Indinavir) zu entwickeln [90].

Self-nanoemulsifying Drug Delivery Systems (SNEDDS) sind ein weiterer Formulierungstyp von einphasigen Öl-Wasser-Tensid-Systemen, die als Träger von hydrophoben Arzneimitteln verwendet werden, wie z. B. dem NNRTI-Medikament Nevirapin (siehe unten) [ Selvam und Kulkarni, 2014 ] . Bisher wurden eine Nanoemulsion [68] und eine Suspension fester Lipid-Nanopartikel [87] mit dem antiviralen Medikament Favipiravir zur gezielten Abgabe an das Lungenepithel entwickelt. Bisher sind die Ergebnisse aus In-vitro-Studien ermutigend.

3.1.2. Polymerbasierte Nanoformulierungen

Bei der Herstellung von Nanoformulierungen kann eine Vielzahl natürlicher und synthetischer Polymere verwendet werden. Hydrophile Polymere können Gelatine, Albumin, Alginat, Dextran, Chitosan, Agarose und andere umfassen. In Nanoformulierungen verwendete hydrophobe Polymere können Polymilchsäure (PLA), Polylactid-co-Glykolsäure (PLGA), Polystyrol, Polycaprolacton (PECL), Polymethacrylat (PMMA) und andere umfassen. Oberflächenmodifikationen können eingeführt werden, um die Pharmakokinetik zu verbessern, die potenzielle Immunogenität zu reduzieren und eine durch einen Stimulus ausgelöste Freisetzung des Arzneimittels als Reaktion auf Änderungen des pH-Werts, der Temperatur und anderer Stimuli einzuführen. Speziell für die Onkologie wurden spezielle Polymere entwickelt, die P-gp und andere Multidrug-Resistance (MDR)-Proteine hemmen.

Nanoformulierungen auf Polymerbasis umfassen polymere Mizellen, polymere feste Nanopartikel, Nanokapseln und Nanosphären.

Polymere Mizellen

Polymermizellen sind nanoskalige Strukturen aus amphiphilen Copolymeren, wobei jede Struktur (Unimer) aus einer hydrophoben und einer hydrophilen Untereinheit besteht. Unimere verbinden sich zu Strukturen mit einem hydrophoben Kern und einer hydrophilen Hülle, die Micellen genannt werden. Der hydrophobe Kern enthält Wirkstoffe mit schlechter Wasserlöslichkeit, während die Wirkstoffladung der hydrophilen Hülle für den Transport und die gezielte Freisetzung des Wirkstoffs verantwortlich ist.

Die hydrophoben kernbildenden Polymere können Polyester, Polycaprolacton, Poly(1-aminosäuren) und andere sein. Polyethylenglycol ist normalerweise der Hauptbestandteil der hydrophilen Schale. Verschiedene Modifikationen wie das Hinzufügen von Sialinsäureresten zur hydrophilen Hülle wurden versucht. In einer Studie wurde sialylierte Außenhülle verwendet, um das Hämagglutinin des Influenzavirus zu binden, um das Eindringen des Virus zu verhindern [1].

Polymere Nanopartikel

Polymere Nanopartikel können mit einer Vielzahl von natürlichen oder synthetischen Polymeren hergestellt werden. Nanokapseln sind polymere Nanopartikel, die das Medikament in ihrem Kern einschließen. Wenn das Medikament auf der Oberfläche adsorbiert oder in die Matrix des Nanopartikels eingebettet ist, wird die Struktur als Nanosphäre bezeichnet. Polymere Nanopartikel wurden zur Entwicklung neuerer Formulierungen von Anti-HIV-Medikamenten wie Efavirenz, Lopinavir, Ritonavir und anderen verwendet.

Polymer-Wirkstoff-Konjugate

Polymer-Wirkstoff-Konjugate bestehen aus einem Polymer und einem kovalent gebundenen Wirkstoff. Das Medikament ist typischerweise ein kleines Molekül, kann aber auch ein größeres Molekül sein, z. B. ein Protein. Die meisten Anwendungen von Polymer-Wirkstoff-Konjugaten liegen in der klinischen Onkologie (z. B. Daunorubicin, Doxorubicin, Methotrexat, Melphalan) und der Augenheilkunde (z. B. Daunorubicin) [62, 20], aber auch in der antiviralen Therapie. PEGylierte Interferone waren lange Zeit die einzige hochwirksame Behandlung von HCV [17]. Zidovudin (AZT)-Konjugate weisen typischerweise längere Plasmahalbwertszeiten auf als herkömmliches AZT [38]. Im Jahr 2018 haben Andersen et al. verwendeten N-(2-Hydroxypropyl)methacrylamid (PHPMA)-Albumin-Copolymer zur Abgabe einer Kombination von Anti-HIV-Arzneimitteln der ART an primäre menschliche T-Zellen mit sehr vielversprechenden Ergebnissen.

Nanokapseln

Eine Nanokapsel besteht aus einem Kern (wo das Medikament eingeschlossen ist) und einer Hülle. Nanokapseln können mit wesentlich größeren Wirkstoffmengen beladen werden als Liposome und können für eine kontrollierte und gezielte Wirkstoffabgabe verwendet werden. Es wurden Nanokapseln aus Poly(isobutylcyanoacrylat)-Kern, einschließendem AZT-Triphosphat und Polyethylenimin-Hülle entworfen.

Nanokugeln

Nanosphären sind kugelförmige Strukturen, in denen das Medikament nicht eingeschlossen, sondern vielmehr in der Matrix dispergiert ist. Nanokügelchen sind kleiner als Nanokapseln und können einer schnellen Arzneimittel-Clearance unterzogen werden. Topische Formulierungen von Aciclovir in Nanokügelchen wurden zur Behandlung von Infektionen versucht, die durch das Herpes-simplex-Virus verursacht werden.

Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen

Oft reicht ein einzelnes Medikament zur Behandlung einer Virusinfektion nicht aus. Andererseits nimmt die Patienten-Compliance ab, wenn der Patient aufgefordert wird, mehr als zwei Arzneimittel einzunehmen. Somit kann es erforderlich sein, mehr als ein Medikament mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften durch einen einzigen Abgabeträger abzugeben. Dies kann unter Verwendung von Lipid-Polymer-Hybrid-Nanopartikeln erreicht werden. Es wurden mehrere Hybrid-Nanoträgersysteme entwickelt, darunter Polymerkern-Lipid-Hülle-Nanopartikel, hohle Kern/Hülle-Lipid-Polymer-Lipid-Hybrid-Nanopartikel, Lipid-Doppelschicht-beschichtete Polymer-Nanopartikel und Polymer-Käfig-Nanopartikel. Grundsätzlich bestehen hybride Lipid-Polymer-Nanoformulierungen aus einem inneren Polymerkern, der von einer oder mehreren äußeren Lipid- oder Lipid-Polymer-Schichten umschlossen ist. Nanopartikel mit Polymerkäfig sind etwas anders, da sie auf der Liposomentechnologie basieren, wobei die Liposomenoberfläche durch Vernetzung mit Polymeren modifiziert wird. Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen weisen eine sehr hohe Kapazität für die Wirkstoffbeladung und hohe Verkapselungseffizienzen auf.

Eine Variante von Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen sind biomimetische Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen, bei denen die Oberflächen der Nanopartikel so modifiziert werden, dass sie Zelloberflächenproteine imitieren. Diese Kategorie umfasst virusähnliche Partikel (VLPs) und Virosomen (siehe unten).

Auf Stimuli basierende Lipid-Polymer-Hybrid-Nanopartikel sind eine weitere Variante von Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen, die in der Lage sind, das eingekapselte Medikament als Reaktion auf verschiedene Stimuli wie pH, Temperatur und Magnetfeld freizusetzen. Somit ist eine zeitgesteuerte Lieferung an den gewünschten Ort durchführbar. Im Jahr 2012 wurde Methylcellulosestearat als thermosensitiver Nanocarrier für die langsame intravaginale Verabreichung von Tenofovir vorgeschlagen [38]. In ähnlicher Weise wurde ein wärmeempfindliches Hybrid-Hydrogel für die gleichzeitige Verabreichung von Theaflavin (einem Antioxidans, das hydrophil ist) und Nifeviroc (einem antiviralen Mittel, das hydrophob ist) zur intravaginalen Anwendung als Prä-Expositions-Prophylaxe der Übertragung von HIV entwickelt. Thermosensitive Hydrogele wurden auch für die intranasale Verabreichung von antiviralen Arzneimitteln erprobt.

Nanopartikel können unterschiedliche Größen und Formen haben. Formbasierte Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen basieren auf der Beobachtung, dass die Form eines nanoskaligen Partikels einen signifikanten Einfluss auf die Zell-Zell-Interaktion, die Arzneimittelaufnahme und die Bioverteilung haben kann [8]. Beispielsweise wurde festgestellt, dass nicht-sphärische Nanopartikel im Vergleich zu sphärischen Partikeln eine höhere therapeutische Wirksamkeit bei der Behandlung von Krebs bieten [74]. Daher wurden verschiedene Formen und Aufbauten untersucht, um die pharmakokinetischen Eigenschaften von Arzneimitteln zu verbessern.

3.1.3. Dendrimere

Dendrimere sind hochverzweigte dreidimensionale synthetische Nanoarchitekturen mit einem Durchmesser von 2–10 nm, die aus einem zentralen Kern, einer inneren Hülle und einer äußeren Hülle bestehen, die verschiedene Modifikationen trägt [83]. Eine schematische Darstellung eines sehr einfachen Dendrimers ist in Abb. 4 zu sehen.

Der Dendrimerkern ermöglicht den Einschluss verschiedener Moleküle und die funktionellen Gruppen auf der Oberfläche ermöglichen die Wechselwirkung mit den gewünschten Zielen. Dendrimere weisen längere Zirkulationszeiten und eine verbesserte Löslichkeit und Stabilität sowie eine gezielte Abgabe auf. Dendrimere werden durch sequentielle Addition von Bausteinmolekülen an ein Initiatormolekül synthetisiert. Kommerziell erhältlich sind derzeit Dendrimere aus Polyamidoamin, Polypropylenimin und Poly-1-lysin-Dendrimeren. Die Außenhülle kann kovalent modifiziert (z. B. verestert, glykosyliert usw.) oder an Proteine, Peptide usw. konjugiert sein. Polyanionische Carbosilan -Dendrimere wurden als topische Mikrobizide zum Barriereschutz gegen HIV- und Herpes-simplex-Viren verwendet. García-Gallego et al. im Jahr 2015 gezeigt, dass Carbosilan-Dendrimere die Internalisierung von HIV-1 in die Epithelzellen und den Eintritt in periphere mononukleäre Blutzellen hemmen können. Thiolierte Dendrimere zeigten eine verzögerte Freisetzung von Acyclovir.

Abbildung 4. Erzeugung von Polyethylenimin-Dendrimeren.

3.1.4. Nanoformulierungen auf Kohlenstoffbasis

Nanoformulierungen auf Kohlenstoffbasis umfassen Kohlenstoffnanoröhren, Graphenoxid-Nanopartikel und Fullerene.

Graphen

Graphen ist ein zweidimensionales planares Derivat von Graphit. Für biomedizinische Zwecke werden Materialien auf Graphenbasis mit verschiedenen funktionellen Gruppen modifiziert, um die Biokompatibilität zu verbessern und die Toxizität zu verringern. Sowohl hydrophile als auch hydrophobe Arzneimittel können eingekapselt werden. Die funktionellen Gruppen können so gestaltet sein, dass sie Stellen für die Bindung verschiedener biologischer Moleküle bereitstellen.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind hohle zylindrische Nanoröhren mit Wänden aus einer oder mehreren Graphenschichten. Der Zylinder kann an einem oder beiden Enden mit Fulleren bedeckt sein. CNTs haben hervorragende Eigenschaften in Bezug auf die Wirkstoffbeladung und das Potenzial für eine kontrollierte Freisetzung, aber ihre medizinischen Anwendungen sind aufgrund der Lungentoxizität und der hohen Hydrophobie ziemlich begrenzt. Neuere CNT-Typen weisen eine verringerte Toxizität und eine erhöhte biologische Abbaubarkeit auf.

Fullerene

Fullerene sind Kohlenstoffstrukturen, die einen hohlen Käfig in Nanogröße bilden. Es wurde festgestellt, dass Fullerene die Replikation von HIV-, HCV- und Influenzaviren durch sterische Blockierung hemmen und die Expression von viralem Nukleoprotein hemmen.

3.1.5. Anorganische Nanoformulierungen

Quantenpunkte (QDs) sind Nanokristalle mit Halbleitereigenschaften. Sie bestehen aus einem anorganischen Kern (aus Silizium, Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid oder Indiumarsenid, verantwortlich für die Halbleitereigenschaften), einer hydrophilen Hülle und einer Kappe. Quantenpunkte finden ihre Anwendungen vor allem in der biomedizinischen Bildgebung, da sie Licht bei voreingestellten Wellenlängen absorbieren und emittieren können. Als Wirkstoffträgersysteme wurden modifizierte QDs in der Behandlung von HIV eingesetzt [42].

Metall- und Metalloxid-Nanopartikel

Metallnanopartikel können eine eigene mikrobizide und antivirale Aktivität haben. Dies sind Silber-, Gold-, Kupfer-, Titan-, Ceroxid und andere. Die Oberfläche von Metallnanopartikeln kann mit verschiedenen Gruppen funktionalisiert werden, um die molekulare Wechselwirkung, Bioverfügbarkeit und Freisetzung des konjugierten Arzneimittels zu verbessern. Kleine interferierende RNAs wurden an AuNPs konjugiert und die resultierende Formulierung hemmte die Replikation des Dengue-Virus und die Freisetzung des Virions. Es wurde festgestellt, dass Silber-Nanopartikel die Hämagglutination und die durch das H1N1-Influenza-A-Virus induzierte Apoptose in Zellkulturen hemmen. Es wurde gezeigt, dass mit Gerbsäure konjugierte Silbernanopartikel die HSV-2-Infektion in vitro und in vivo reduzieren. Zinkoxid-Nanopartikel wurden in Mausmodellen vaginaler Infektionen mit HSV-2 mit vielversprechenden Ergebnissen hinsichtlich der Unterdrückung der Virusaktivität untersucht.

Die Verwendung von anorganischen Nanopartikeln ist aufgrund von Toxizitätsbedenken weitgehend eingeschränkt [43]. Neuere Formulierungen werden entwickelt, aber klinische Studien am Menschen sind immer noch stark eingeschränkt.

3.1.6. Nukleinsäurebasierte Nanotechnologien

Aptamere

Aptamere sind im Grunde kurze Nukleinsäuren (Oligonukleotide) oder Proteinsequenzen (Peptide), die spezifisch an andere Moleküle wie andere Nukleinsäuren und Proteine binden können [34]. In eine spezifische dritte Kategorie fallen X-Aptamere, die eine Kombination aus natürlichen und chemisch modifizierten DNA- oder RNA-Oligonukleotiden sind. Aptamere können ein Thiophosphat-Rückgrat haben, um die Nukleasestabilität und Bindungsaffinität zu verbessern [45].

Aptamere werden seit mindestens 20 Jahren auf ihr therapeutisches Potenzial getestet. Beispielsweise wurden PEGylierte Aptamere verwendet, um das vaskuläre Endothelwachstum anzugreifen, und das resultierende Präparat (Pegaptanib, Macugen von Bausch & Lomb) wurde als intravitrealer Injektionsfaktor bei Makuladegeneration zugelassen [85]. Aptamere, die auf wichtige Mitglieder der Gerinnungskaskade wie Faktor I Xa, Thrombin und von-Willebrand-Faktor abzielen, wurden als potenzielle Antikoagulantien getestet [57].

Die Onkologie ist ein sehr weites Feld für die Entwicklung von therapeutischen Aptameren. Aptamere gegen Nucleolin, prostataspezifisches Membranantigen (PSMA), karzinoembryonales Antigen (CEA), MUC1, ErbB-2 und andere Proteine mit bedeutender Rolle bei der Prokarzinogenese wurden ebenfalls als Krebsbehandlungsstrategien untersucht [72, 43, 22, 86 ]. Dennoch ist noch kein Aptamer zur Behandlung von Krebs zugelassen.

Auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten wurde festgestellt, dass Aptamere verschiedene Stadien der HIV-Infektion durch Bindung an reverse Transkriptase und Integrase hemmen [19, 71]. Das Hämagglutinin des Influenzavirus wurde erfolgreich von Aptameren angegriffen [53]. Aptamer-basierte Biosensoren für SARS-CoV und SARS-CoV-2 wurden entwickelt [16, 70; 63]. Im Jahr 2021 wurden Aptamere von Sun et al. um die Bindung des Spike-Proteins an den ACE-Rezeptor zu verhindern [82].

Antisense-Nukleotide (ASOs)

Antisense-Nukleotide sind kurze, einzelsträngige, künstlich hergestellte Nukleinsäuren, die speziell entwickelt wurden, um mRNAs zu binden und zu hemmen. ASOs mit Potenzial für Anwendungen zur Bekämpfung von Viruserkrankungen zielen auf mRNAs ab, die für Proteine codieren, die für die Entfaltung des Infektionspotenzials des Virus von entscheidender Bedeutung sind. Das erste zugelassene Mitglied dieser Familie war Fomivirsen (Vitravene, von Novartis), ein 21-bp-Oligodesoxyribonukleotid, das komplementär zu einer Sequenz ist, die die wichtigsten frühen Proteine kodiert, die für das Cytomegalovirus (CMV) verantwortlich sind. Vitravene wurde 2002 „aus kommerziellen Gründen“ vom Markt genommen [Öffentliche Erklärung zu Vitravene (fomivirsen) (europa.eu)].

Es gibt drei Generationen von ASOs, die sich in ihren chemischen Eigenschaften hinsichtlich Potenz, Pharmakokinetik und Toxizität unterscheiden. ASOs der ersten Generation weisen ein Phosphorothioat-Rückgrat auf, um die Hydrolysebeständigkeit zu erhöhen. Fomivirsen war ein ASO der ersten Generation. ASOs der zweiten Generation werden an Position 2 der Zuckereinheit modifiziert, wodurch sie als sterische Blocker wirken können. Eines der bekannteren ASOs der zweiten Generation, Mipomirsen (Kynamro, von Genzyme), wurde von der Europäischen Arzneimittelagentur kurz nach seiner Freigabe wegen schwerwiegender Nebenwirkungen abgelehnt [http://www.fiercebiotech.com/regulatory/ema-committee -schießt-sanofi-s-cholesterin-medikament-mipomersen-ab]. ASOs der dritten Generation (z. B. Eterlipsen, vermarktet als ExonDys von AVI BioPharma International zur Behandlung der Duchenne-Muskeldystrophie) haben im Vergleich zu früheren Generationen eine überlegene Nukleaseresistenz, erhöhte Zielaffinität und Pharmakokinetik.

Im Jahr 2004, kurz vor dem ersten Ausbruch des humanen Beta-Coronavirus, wurden mehrere ASOs der zweiten Generation gegen den Erreger SARS-CoV gemeldet [56]. Sie wurden entwickelt, um auf den offenen Leserahmen des Hauptpolyproteins des Virus (ORF1) und seine regulatorische 5′-UTR-Sequenz abzuzielen. In vitro zeigten sie eine signifikante antivirale Aktivität. Anschließend wurden ASOs entwickelt, die auf die Translationsinitiationsstelle von ORF1 und die Stelle, an der ein Frameshift auftritt, um mehr als ein Polyprotein zu transkribieren (allgemein als „Pseudoknoten“ bezeichnet), abzielen [1]. Später entwickelte AVI Biopharma ASOs, die auf die 3-UTR der viralen RNA abzielen [AVI BioPharma’s NeuGene antisense drugs inhibit SARS coronavirus (pharmabiz.com)]. Im Jahr 2020 wurde über ein schnelles und empfindliches Nachweissystem für das Vorhandensein von SARS-CoV-2-RNA auf der Grundlage von an Goldnanopartikel (AuNPs) gebundenen ASOs berichtet [51]. Die ASOs gehörten zur ersten Generation und waren spezifisch für das Nukleokapsid-Phosphoprotein-Gen von SARS-CoV-2. Die Autoren behaupteten, dass ihr kolorimetrischer Assay mit bloßem Auge mehrere Kopien des SARS-CoV-2-Virusgenoms nachweisen könne, ohne dass eine spezielle Ausrüstung erforderlich sei.

Kleine interferierende RNAs (siRNAs)

siRNAs sind kleine doppelsträngige RNA-Moleküle, die bei der Behandlung von COVID-19 vielversprechend sind. Schlüsselmitglieder der siRNA-Familie sind Patisiran und Givosiran, die derzeit zur Behandlung von genetischen Erkrankungen eingesetzt werden. Sowohl Patisiran als auch Givosiran waren First-in-Class-Medikamente [9]. Gemäß der Definition der FDA ist ein „erster seiner Klasse“ ein Medikament, das durch einen „neuen und einzigartigen Wirkmechanismus“ zur Behandlung eines bestimmten medizinischen Zustands wirkt [seltene Krankheit | FDA].

Patisiran (Onpattro, von Alnylam) ist für die Behandlung von Polyneuropathie bei Patienten mit hereditärer Transthyretin (hTTR) -Amyloidose zugelassen [Onpattro | Europäische Arzneimittel-Agentur (europa.eu)]. Patisiran zielt auf die mRNA einer mutierten Form des TTR -Gens ab, das ein fehlgefaltetes Protein produziert, dessen Abbauprodukte sich in vielen Geweben und Organen ablagern. Ein neueres siRNA-Medikament, das von Alnylam zur Behandlung von hTTR-Amyloidose hergestellt wird, ist Revusiran. Givosiran (Givlaari von Alnylam) ist ein weiteres siRNA-Medikament, das zur Behandlung von akuter hepatischer Porphyrie verwendet wird, einer genetischen Erkrankung, die durch Mutationen im ALAS1 -Gen verursacht wird. Es wird angenommen, dass Givosiran die Inzidenz von akuten Porphyrie-Attacken bei den betroffenen Patienten verringert und chronische Schmerzen, das Hauptsymptom von AHP, verringert [Balwani et al., 2020]. Einer der früher entwickelten Ebola-Impfstoffe, nämlich TKM-Ebola (von Arbutus Biopharma Corporation), bestand aus in LNPs eingekapselter siRNA. TKM-Ebola erreichte jedoch aufgrund des erhöhten Risikos für allergische Reaktionen keine späteren Phasen klinischer Studien.

Die Nanotechnologie hat bereits bei allen drei Alnylam-siRNA-Formulierungen ihre Leistungsfähigkeit zur Verbesserung der Wirkstofffreisetzung unter Beweis gestellt. Patisiran wird in einer Lipid-Nanopartikel-Formulierung an die Leber (wo das mutierte Gen normalerweise exprimiert wird) abgegeben, die den Abbau der Nukleaseresistenz erhöht und die Abgabe an die Zielzellen erleichtert. Die siRNA in Givosiran und Revusiran ist kovalent an einen Liganden gebunden, der Sylsäurereste enthält, um eine bessere Bindung an das Ziel zu gewährleisten, und ist für eine effiziente hepatische Abgabe in Lipid-Nanopartikel verpackt. siRNAs werden unter Verwendung von Polymerträgern oder kationischen Lipiden (Liposomen oder Lipidnanopartikeln) in Zellen transfiziert.

In feste Lipid-Nanopartikel verpackte siRNAs waren bei der Verwendung in Tiermodellen hochwirksam gegen SARS-CoV-2 [33, 4]. Die siRNA zielt spezifisch auf die konservierten Regionen des SARS-CoV-2-Genoms ab. Die Formulierung ermöglicht, dass das Arzneimittel bevorzugt in die Lunge als Hauptort für die Replikation von SARS-CoV-2 abgegeben wird, aber durch Variation der Parameter haben die Autoren gezeigt, dass die beladenen Nanopartikel auf die Leber und die Milz und möglicherweise auf andere Gewebe abzielen können. Diese Vielseitigkeit kann bei COVID-19 sehr wertvoll sein, da es sich um eine Multisystemerkrankung handelt und ihr Schaden weit über die Lunge hinausgehen kann. Derzeit (Stand Januar 2022) wird eine Datenbank mit siRNAs aufgebaut, die auf SARS-CoV-2 abzielen und mehr als 100.000 siRNAs mit einer Länge von 18 bis 21 Nukleotiden enthält [47]. Es ist zu erwarten, dass dies den Entwicklungsprozess neuartiger siRNA-basierter Medikamente gegen COVID-19 beschleunigen wird.

3.2. Nanoformulierungen, die speziell für die Abgabe antiviraler Medikamente entwickelt wurden

Die moderne antivirale Behandlung ist sehr effektiv, hat aber ihre Grenzen. Viele Patienten benötigen eine Therapie mit mehreren Medikamenten, aber antivirale Medikamente können miteinander sowie mit anderen verschreibungspflichtigen Medikamenten interagieren. Einige Patienten benötigen eine Langzeitbehandlung (COVID-19 macht da keine Ausnahme, da die Inzidenz des langen COVID-Syndroms in einigen Studien 40–50 % erreicht [54]). Die antiviralen Medikamente können eine schlechte Bioverfügbarkeit und kurze Halbwertszeiten aufweisen, was zu einer Notwendigkeit einer Mehrfachdosierung und entsprechend einer schlechten Patienten-Compliance führt. Die Verabreichung höherer Dosen, um die geringe Bioverfügbarkeit auszugleichen, kann zu toxischen Wirkungen führen. Die Entwicklung einer Arzneimittelresistenz tritt häufig bei Patienten auf, die eine Behandlung über mehrere Tage oder Wochen benötigen. Viele Viren können sich an Stellen ausbreiten, die normalerweise für die meisten Medikamente unzugänglich sind (normalerweise als Virenschutzgebiete bezeichnet, wie z. B. das ZNS, das Lymphsystem und die Synovialflüssigkeit. Schließlich (aber nicht von Bedeutung) ist die Tatsache, dass das Virus die Zellen des Wirts verwendet Apparatur zur Synthese seiner Proteine und Nukleinsäuren, kann die unterschiedliche Selektivität von antiviralen Mitteln gegenüber dem Virus und den Zielzellen von entscheidender Bedeutung sein.

Auf Nanotechnologie basierende neuartige Plattformen für die Arzneimittelabgabe können dabei helfen, Lösungen für viele dieser Probleme zu finden. Die größte Menge an Daten, die wir über die medikamentöse Behandlung von Krankheiten haben, die durch RNA-haltige Viren verursacht werden, sind HCV- und HIV-assoziierte Zustände und Influenza. Viele Medikamente, die erfolgreich zur Behandlung von HIV- und HCV-Infektionen eingesetzt werden, wurden auf ihre Aktivität gegen SARS-CoV-2 getestet, und einige wurden bei COVID-19 wiederverwendet.

Virostatika, die für die Behandlung von HCV und HIV (und einige von ihnen für COVID-19) zugelassen sind, können je nach Wirkort und Hauptmechanismus sehr grob in mehrere Klassen eingeteilt werden:

1. Interferone (IFNs);
2. Zugangssperren;
3. Nucleosid/Nucleotid-Analoga;
4. Nicht-Nucleosid-Analoga;
5. Protease-Inhibitoren;
6. Integrase-Inhibitoren;
7. Antisense-Nukleotide;
8. Kleine interferierende RNAs (siRNAs);
9. Sonstiges.

Die derzeit auf Aktivität gegen COVID-19 getesteten ASOs und siRNAs wurden bereits im vorherigen Abschnitt erwähnt.

Die letztere Gruppe „Andere“ umfasst eine Vielzahl von Arzneimitteln, die normalerweise in der Klinik für andere Zwecke verwendet werden, wie Malariamittel (z. B. Hydroxychloroquin), Antihelminthika (Levamisol, Ivermectin), Antidepressiva (Fluvoxamin) usw zeigen für die erstgenannten Gruppen typische Aktivitäten (Replikationsinhibitoren, Proteaseinhibitoren etc.). Einige davon, wie Ivermectin, haben in vitro eine antivirale Aktivität, aber die Ergebnisse in vivo liegen noch nicht vor oder sind nicht ermutigend [39]. Andere (wie Bromhexinhydrochlorid mit potenzieller Protease-Inhibitor-Aktivität) haben in vivo eine gewisse Aktivität zur Vorbeugung symptomatischer Erkrankungen gezeigt, aber die Wirkungen waren nicht signifikant genug, um mehr Forschung auf diesem Gebiet zu rechtfertigen, oder die klinischen Studien in der Frühphase sind noch nicht abgeschlossen doch [48]. Es wurde gezeigt, dass Chloroquin die Virus-Endosom-Fusion von SARS-CoV stört, die Glykosylierung von ACE2-Rezeptoren hemmt [93, 94] und entzündungshemmende Wirkungen durch Hemmung der Phospholipase-A2-Aktivität und Blockierung der Zytokinproduktion und -freisetzung besitzt [2], Für SARS-CoV-2 wurden jedoch keine signifikanten antiviralen Wirkungen beobachtet. Fluvoxamin, ein Antidepressivum aus der Gruppe der selektiven Serotonin-selektiven Wiederaufnahmehemmer ( SSRI), zeigte sich zunächst als vielversprechendere Behandlung für Patienten mit COVID-19, aber laufende Studien zeigen nichts, außer dass möglicherweise größere Studien erforderlich sind, um zu klären, ob es einen gibt Wirkung von Fluvoxamin auf die Schwere der Erkrankung [91]. Ein Bericht über eine Fluvoxamin-Formulierung mit festen Lipid-Nanopartikeln, die Berichten zufolge eine wirksame gezielte Freisetzung des Arzneimittels gewährleistete, wurde 2019 veröffentlicht [35]. Es ist noch kein kommerzielles Präparat auf der Grundlage dieser Studien herausgekommen.

Die COVID-19-Pandemie verursachte sowohl bei den vom Virus Betroffenen als auch bei denen, die den Kampf ihrer Angehörigen mit der Krankheit miterlebt haben, erhebliche psychische Belastungen. Wie es für solche Zeiten typisch ist, entstanden „Wunderbehandlungen“, die von den Medien weithin proklamiert wurden. Die meisten davon zeigten langfristig keinen signifikanten Nutzen für diejenigen, die sie einnahmen. Stattdessen ging es vielen betroffenen Patienten schlechter, nachdem sie ihre „Wundermittel“ angewendet bzw. den richtigen Zeitpunkt für eine angemessene Behandlung verpasst hatten. Hydroxychloroquin, Ivermectin, Bromhexin und andere genossen alle ihre kurzen Perioden von (noch) unverdientem Ruhm. Keines von ihnen hat einen signifikanten klinischen Nutzen gezeigt, und von ihrer Anwendung durch Patienten mit COVID-19 sollte abgeraten werden, bis zuverlässige weitere Studien schlüssig bewiesen haben, dass sie die Krankenhausaufenthalts- und Mortalitätsraten senken.

3.2.1. Interferone

Interferone sind Signalproteine, die normalerweise vom Immunsystem des infizierten Wirts produziert werden und (daher ihr Name) die Replikation des Virus innerhalb der Zelle stören. Früher in der Therapie viraler Hepatitis verwendet, wird die Fähigkeit von IFNs, in die Synthese von Proteinen einzugreifen, die für die Replikation benötigt werden, gegenwärtig überwiegend in der Behandlung von Multipler Sklerose und verschiedenen Krebsarten genutzt. Die PEGylierung von Interferonen als grundlegende Technologie im Nanomaßstab wurde verwendet, um ihre Clearance-Zeit zu verlängern, um sicherzustellen, dass das Medikament effektiv an sein Ziel bindet [89]. PegIntron (von Merck, eingestellt) ist ein kommerzielles Präparat von Interferon alpha-2b , das bis 2016 zur Behandlung von Hepatitis B und C verwendet wurde. Pegasys (Genentech) ist bis heute das einzige PEGylierte Interferon, das von der FDA zur Verwendung zugelassen wurde und EMA zur Behandlung von Hepatitis B bei Erwachsenen [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-Interferon alpha-2a (Roferone von Roche, verwendet zur Behandlung von Leukämie, malignem Melanom, Polycythaemia vera, essentieller Thrombozythämie und anderen) ist ein weiteres Interferon-Medikament, das kürzlich aufgrund schwerer Nebenwirkungen und der Verfügbarkeit sichererer Medikamente eingestellt wurde [https://pharmac.govt.nz/medicine-funding-and-supply/medicine-notices/interferon-alfa-2a/]. Interferon beta-1a (Rebif von Merck und Pfizer) ist derzeit für die Behandlung von schubförmiger Multipler Sklerose zugelassen [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).].

Gold-Nanopartikel wurden als potenzieller Träger von Interferon alpha für die klinische Behandlung einer Infektion mit dem Hepatitis-C-Virus (HCV) untersucht [36]. Im Jahr 2020 wurde eine IFN-β-1a-Formulierung mit verzögerter Arzneimittelabgabe auf Basis von Nanopartikeln aus Poly(milch-co-glycolsäure und Polymeren) entwickelt und in vitro getestet [24]. Die Autoren berichten, dass die Formulierung die Effizienz der Interferonabgabe erhöht und hatte das Potenzial, die damit verbundenen unerwünschten Wirkungen von IFN-β-1a zu verringern. Es gibt zahlreiche Berichte über Studien mit IFNs bei der Behandlung von Patienten mit COVID-19 [32, 64, 52]. IFN-alpha reduzierte nachweislich das Virus Ausscheidung und Unterdrückung der mit COVID-19 verbundenen Entzündung, während IFN-beta mit einer schnelleren Virusclearance assoziiert war [46].Sodeifian et al. weisen darauf hin, dass Daten aus Tierstudien zeigen, dass die Verabreichung von IFNs in den frühen Stadien von COVID- 19 oder bei leichter bis mittelschwerer Erkrankung kann eine schützende Wirkung haben, kann aber in späteren Stadien und bei schwerer Erkrankung den Patienten erheblichen Schaden zufügen [80] Die Wirkung von IFNs auf die Sterblichkeit durch COVID-19 kann als drastisch unterschiedlich berichtet werden in verschiedenen Studien. Eine randomisierte kontrollierte Studie zur Anwendung von IFN-beta bei Patienten mit schwerem COVID-19 berichtete über eine niedrigere Sterblichkeitsrate in der Gruppe, die IFN erhielt, aber die Patienten erhielten auch andere Medikamente, einschließlich antiviraler Standardmedikamente (Lopinavir/Ritonavir oder Atazanavir/Ritonavir). [44] Eine andere Studie berichtete, dass die Verwendung von IFN-beta keinen signifikanten Unterschied in der Mortalität zeigte [21] Studien zur Verwendung von PEGyliertem IFN-alpha 2b als Zusatz zur Standardtherapie zeigten, dass es zu einer schnellen viralen Clearance führte und sich verbesserte klinischer Status [ 12] Es ist möglich, dass die zuvor entwickelten auf Nanotechnologie basierenden Systeme zur effizienten Verabreichung von Virostatika bei Patienten mit COVID-19 verwendet werden können, aber die umstrittenen Ergebnisse aus der Verwendung von Interferonen haben die Durchführung großer klinischer Studien bisher verhindert.

3.2.2.Nukleosid-/Nukleotid-Reverse-Transkriptase-Hemmer (NRTIs)

NRTIs wirken, indem sie die Replikation viraler Nukleinsäuren stören, wobei sie normalerweise ein Nukleosid-Analogon präsentieren, das, wenn es der wachsenden Polynukleotidkette hinzugefügt wird, die Verlängerung der Kette beenden würde, die Replikation der Nukleinsäure des Virus hemmen würde. Reverse-Transkriptase-Inhibitoren wurden ausführlich in Bezug auf ihre Verwendung bei der Behandlung von HIV untersucht. Die derzeitige klinische Praxis der antiretroviralen Therapie (ART) schlägt eine Anti-HIV-Therapie der ersten Wahl vor, die aus einer Kombination von zwei (oder mehr) NRTIs und einem NNRTI oder einem Protease- oder Integrase-Inhibitor besteht. Abhängig von den Merkmalen des Patienten kann ein Entry-Inhibitor hinzugefügt werden, obwohl sie teuer sind, Compliance-Probleme verursachen (z. B. subkutane Anwendung zweimal täglich, was problematisch sein kann) und schwerwiegende Nebenwirkungen haben können. Lamivudin, Stavudin, Zidovudin, Emtricitabin, Zalcitabin, Tenofovir und andere sind einige der am häufigsten verwendeten NRTIs.

NRTIs und NNRTIs sind sehr wirksame Medikamente. Dennoch haben sie ihre Mängel, wie kurze Halbwertszeit, hoher First-Pass-Effekt (was zu geringer Bioverfügbarkeit führt) und Schwankungen der Serumspiegel aufgrund individueller Schwankungen der Aktivität des CYP-Systems. Zur Verbesserung der Abgabe und der Stabilität von Nukleosidanaloga wurde eine Vielzahl von Technologien ausprobiert.

Die Nanotechnologie hat eine Reihe von hocheffizienten Vehikeln für die Abgabe von NRTs bereitgestellt, die bei der Behandlung von HIV-Infektionen verwendet werden. Liposomen, Dendrimere, Mizellen, feste Lipid-Nanopartikel, Nanosuspensionen und polymere Nanopartikel wurden alle verwendet, um die Arzneimittelabgabe bei HIV zu verbessern [73, 29].

Die Daten über den Einsatz von Nanotechnologie zur Verbesserung der Verabreichung von antiviralen Anti-COVID-19-Mitteln sind noch spärlich, aber das Feld wächst schnell. Die meisten der bei COVID-19 verwendeten Virostatika sind NRTIs. Dazu gehören: Favipiravir (ein Guanosin-Analogon); Molnupiravir (ein Pyrimidin-Ribonukleosid-Analogon) und Remdesivir (ein Adenosin-Analogon). Die meisten von ihnen sind für Patienten mit leichter bis mittelschwerer Erkrankung mit hohem Komplikationsrisiko zugelassen und müssen früh im Krankheitsverlauf begonnen werden. Nur Remdesivir ist für die Behandlung von Krankenhauspatienten mit schwerer Erkrankung und Atemstillstand zugelassen [https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/management/clinical-management/hospitalized-adults–therapeutic-management/] , obwohl es später zugelassen wurde Anwendung in ausgewählten Gruppen von ambulanten Patienten auch [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-actions-expand-use-treatment-outpatients-mild-moderate-covid-19]. In einer Studie aus dem Jahr 2020 zeigten HIV-positive Patienten, die Tenofovir/Emricitabin erhielten, ein geringeres Risiko für COVID-19 und eine damit verbundene Krankenhauseinweisung als Patienten, die andere Therapien erhielten [5]. Remdesivir-beladene Polymer-Nanovesikel, eine Favipiravir-Nanoemulsion und Favipiravir-beladene SLNPs, die das Medikament direkt an das Lungenepithel abgeben sollen, wurden entwickelt und in vitro getestet [68, 92, 87]. In-vivo-Studien auf diesem Gebiet stehen noch aus.

3.2.3. Nicht-nukleosidische Reverse-Transkriptase-Hemmer (NNRTIs)

Die nicht-nukleosidischen Reverse-Transkriptase-Inhibitoren (NNRTIs) hemmen direkt die Reverse Transkriptase von HIV-1, indem sie auf reversible und nicht kompetitive Weise an das Enzym binden. Die derzeit verfügbaren NNRTIs sind Nevirapin (Viramune, von Boehringer Ingelheim), Delavirdin (Rescriptor, ViiV Healthcare, und Efavirenz (generisch, von Mylan und Systiva, von Bristol Myers Squibb). Nanobasierte Formulierungen wurden versucht, um die Bioverfügbarkeit zu verbessern und die kontrollierte Freisetzung von NNRTIs. Manyarara et al. entwickelten 2018 eine Nevirapin-Nanoemulsion für pädiatrische Anwendungen. Ein selbstnanoemulgierendes Arzneimittelabgabesystem (SNEDDS) wurde erfolgreich für Nevirapin entwickelt, um seine Bioverfügbarkeit zu erhöhen [60]. NNRTIs wurden auf anti -COVID-19-Aktivität durch molekulare Docking-Studien, aber ihre klinische Wirksamkeit bei COVID-19 muss noch nachgewiesen werden [15, 25].

3.2.4. Eintrittshemmer (Fusionsblocker)

Entry-Inhibitoren verhindern grundsätzlich, dass ein Virus in eine Zelle eindringt, indem sie den viralen Eintrittspunkt blockieren, zB einen bevorzugten Rezeptor. Gegenwärtig werden Eintrittsblocker wie Maraviroc (Celzentry, von GlaxoSmithKline), Enfivurtide (Fuzeon, von Genentech), Bulevirtide (Hepcludex, von Gilead Sciences) und andere) bei der Behandlung von HIV- und Hepatitis-D-Infektionen verwendet. Im Jahr 2015 wurden mit amphiphilem Polymer beschichtete Eisenoxid-Nanopartikel für die Abgabe von Enfivurtid an die HIV-Heiligtümer bei Mäusen verwendet [23]. Im Jahr 2020 wurden Polymer-Lipid-Hybrid-Nanopartikel (PLN), die mit einer Kombination aus einem Nicht-Nukleosid-Reverse-Transkriptase-Infibitor (Efavirenz) und Enfivurtid beladen waren, verwendet, um das Potenzial für die Abgabe der Medikamente an T-Zellen und Makrophagen zu untersuchen, die in Virenschutzgebieten abgesondert wurden.

3.2.5. Protease-Inhibitoren (PIs)

Protease-Inhibitoren hemmen die Protease, die das virale Polyprotein spaltet, um separate Proteine zu bilden. PIs sind, ähnlich wie die oben genannte Gruppe von Nukleosidanaloga, aufgrund ihrer häufigen Verwendung bei der Behandlung von HIV sehr gut untersucht. Wiederum unterliegen PIs, ähnlich wie Nukleosidanaloga, einem umfangreichen First-Pass-Metabolismus und sind Substrate von CYP, daher die große Varianz der Spiegel desselben Arzneimittels in derselben Dosierung, die von einer anderen Person eingenommen wird. Dies wird teilweise durch die gleichzeitige Verabreichung mit Serumspiegel-erhöhenden Mitteln (im Wesentlichen CYP3A-Blockern) wie Ritonavir oder Cobicistat überwunden. Auf Nanotechnologie basierende Ansätze wurden entwickelt, um die Bioverfügbarkeit der gängigsten PIs wie Lopinavir (feste Lipid-Nanopartikel, Polymer-basierte Nanopartikel), Atazanavir (Nanoemulsion, Nanosuspension), Darunavir (Lipid-Nanopartikel), Nelfinavir (Polymer-basierte Nanopartikel) und andere [55, 66, 88, 28, 79, 7, 18]. Saquinavir-konjugierte Quantenpunkte wurden versucht, um die Bioverfügbarkeit des Medikaments in Virusschutzgebieten zu verbessern [42].

Protease-Inhibitoren sind eine der austauschbaren Komponenten der antiretroviralen Standardtherapie für HIV, da entweder Protease- oder Integrase-Inhibitoren zu den Reverse-Transkriptase-Blockern bei ART hinzugefügt werden können. Die PIs scheinen jedoch zu einem neuartigen Medikament für die SARS-CoV-2-Infektion aufgestiegen zu sein. Im Jahr 2020 haben Beck et al. verwendeten ein Deep-Learning-basiertes Vorhersagemodell für Wechselwirkungen zwischen Arzneimitteln, um die potenzielle Anti-COVID-19-Aktivität einer Gruppe von Arzneimitteln verschiedener Klassen vorherzusagen, die zur Behandlung von HIV-Infektionen verwendet werden (Remdesivir, Efavirenz, Ritonavir und Dolutegravir) [10 ]. Sie fanden heraus, dass Atazanavir die höchste Affinität zur viralen Protease von SARS-CoV-2 hatte. Ein neues orales Medikament (Paxlovid, von Merck) wurde erst im Dezember 2020 für die Anwendung bei Patienten mit COVID-19 zugelassen. Es besteht aus Nirmatrelvir, einem Aprotase-Inhibitor, und Ritonavir, einem bekannten Augmentierungsmittel, das in ART verwendet wird [59]. Zweifellos werden, nachdem genügend Daten über die Wirksamkeit des oralen Präparats gesammelt wurden, in Kürze bessere und effizientere auf Nanotechnologie basierende Formulierungen entwickelt werden.

3.2.6. Integrase-Inhibitoren

Integrase-Inhibitoren wirken, indem sie die Insertion einer DNA-Kopie des RNA-Genoms in das Genom der Wirtszelle verhindern. Typischerweise ist ein Integrase-Inhibitor wie Dolutegravir (Tivicay, von ViiV Healthcare), Elvitegravir (Teil der Festdosis-Kombination Stribild, von Gilead Sciences) oder Raltegravir (Isentress, von Merck) eine Schlüsselkomponente in der ART für HIV-Infektionen. Nanoformulierungen von Integrase-Inhibitoren wurden entwickelt, um ihre Löslichkeit zu erhöhen und für eine kontrollierte Abgabe. Myristoyliertes Dolutegravir wurde als lang wirkende Formulierung gegen HIV-Infektionen mit langsam freisetzendem Potenzial vorgeschlagen [ 90]. Im Jahr 2015 wurde gezeigt, dass Goldnanopartikel leicht von Lymphozyten und Makrophagen internalisiert werden, und es wurde ein AuNP-Konjugat von Raltegravir vorgeschlagen, das die Replikation von HIV in peripheren mononukleären Zellen hemmen könnte [26]. Im Jahr 2020 wurde bei Dolutegravir eine potenzielle hemmende Wirkung auf die virale Protease von SARS-CoV-2 festgestellt [10]. Die Studien auf dem Gebiet sind im Gange.

4. Viruskapside, die für die Arzneimittelabgabe verwendet werden

Virusähnliche Partikel (VLPs) sind selbstorganisierende Partikel, die durch den Einbau von viralen Proteinen des Kapsids oder der Virushülle in verschiedene natürlich vorkommende Proteine wie Ferritin oder bakterielles Encapsulin gebildet werden. Die Proteine werden typischerweise in heterologen Systemen hergestellt. VPLs können möglicherweise in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich der Entwicklung von Arzneimitteln, Immuntherapien, Impfstoffen, Gentherapien, Bildgebung und anderen. Virosomen sind VLPs, die eine zusätzliche Phospholipid-Doppelschicht aufweisen, die die Glykoproteine der Virushülle (z. B. Hämagglutinin) enthält. Ein Schema ist in Abb. 5 zu sehen.

Die Proteine können mit Peptiden, Toxinen, Chemotherapeutika, siRNA, Quantenpunkten usw. modifiziert oder konjugiert werden, um ein Targeting auf eine spezifische Stelle und/oder einen Zeitpunkt der Freisetzung des eingekapselten Mittels zu erreichen.

Natürliche Viruspartikel können als Reaktion auf Auslöser wie pH- oder Temperaturänderungen Einheiten oder Teile ihres Kapsids oder ihrer Hülle freisetzen, denen das Genom des Virus fehlt. In ähnlicher Weise können virale Partikel unter bestimmten Bedingungen zerlegt und wieder zu VLPs zusammengesetzt werden [58]. VLPs ähneln der Morphologie der Wildtyp-Viruspartikel, weisen den gleichen Tropismus und die gleiche intrazelluläre Verteilung auf, enthalten jedoch nicht die Nukleinsäure des Virus, die sie tatsächlich zu genomfreien Äquivalenten von Viren macht. Somit kann die Fracht des Vesikels (Arzneimittel, Antikörper, Fluoreszenzfarbstoffe, Kontrastmittel usw.) unter Verwendung von Zell-Zell-Wechselwirkungen, die der Virus-Zell-Wechselwirkung ähnlich sind, an einen bestimmten Typ der Zielzelle geliefert werden. VNPs können für die Entwicklung neuartiger Materialien wie Katalysatoren, Biomimetika oder selektiv zielgerichtete Bildgebungsmittel verwendet werden [ 14, 58 ].

Abbildung 5. Schematische Darstellung eines virusähnlichen Partikels (die Phospholipidhülle ist nicht gezeigt).

VLPs werden seit 2017 zur Entwicklung von Impfstoffen gegen menschliche Krankheiten verwendet, als Kanekiyo et al. schufen ein Hämagglutinin-Ferritin-Fusionsprotein, das sich spontan zu Nanopartikeln zusammenfügt, die Hämagglutinin-Trimere auf ihrer Oberfläche präsentieren. In ähnlicher Weise wurde später ein Anti-RSV-Impfstoff entwickelt, der das F-Antigen von RSV präsentierte [30].

Unter den modernen nanobasierten Ansätzen sind virusähnliche Partikel ein großes Versprechen, um die Sicherheit und Wirksamkeit von Arzneimitteln zu verbessern. VLPs sind im Allgemeinen sicherer in der Anwendung als virale Vektoren im Prozess der Impfstoffentwicklung. Ein möglicher Nachteil von VLPs ist ihre Immunogenität aufgrund der Anwesenheit viraler Proteine. Da die Proteine jedoch in Bakterien produziert werden, beinhaltet ihre Expression typischerweise keine posttranslationale Verarbeitung, die das Risiko einer Immunantwort nach der Translation tatsächlich verringern könnte [58, 3].

Arzneimittel mit hoher Toxizität können unter Verwendung von VLPs sicher und effizient an das Ziel abgegeben werden. Ashleyet al. verwendeten VLPs, um verkapseltes Doxorubicin an humane hepatozelluläre Karzinomzellen (Hep3B) zu liefern, von denen bekannt war, dass sie den Pgp-Efflux-Mechanismus verwenden, um Chemotherapeutika auszustoßen [6]. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit Doxorubicin, Cisplatin und 5-Fluorouracil beladenen viralen Partikel das Wachstum von Krebszellen bei deutlich niedrigeren Wirkstoffkonzentrationen hemmen konnten.

Modifikation (Funktionalisierung, Dekoration) der Proteine in VLPs kann ihre Affinität zum Ziel erhöhen und die Freisetzung des Arzneimittels verbessern. Die Dekoration von VLPs mit Biotin-Einheiten, um das Targeting über die Avidin-Biotin-Wechselwirkung sicherzustellen, wurde 2007 berichtet [67].

Im Jahr 2020 wurden drei Arten von mRNA-Impfstoffkandidaten auf der Basis von VLPs in Mausmodellen getestet. Die VLPs präsentierten den Spike, die Membran und das Hüllprotein von SARS-CoV-2. Die exprimierten Proteine wurden in Lipid-Nanopartikel eingekapselt und in kultivierte Zellen transfiziert, dann wurden VLPs von den Zellen in das Kulturmedium sezerniert. Die Ergebnisse waren ermutigend, obwohl die Antikörperspiegel der geimpften Mäuse kurz nach der Impfung schnell abfielen [41]. Im Jahr 2022 haben Yilmaz et al. berichteten über die ersten Ergebnisse der Entwicklung und präklinischen Bewertung eines VLP-basierten Impfstoffs gegen SARS-CoV-2, der in kultivierten Zellen und in Tiermodellen getestet wurde. Die VLPs exprimierten alle 4 Strukturproteine des SARS-CoV-2. Die Ergebnisse zeigten, dass der Impfstoff eine starke T-Zell-Antwort auslöste und die Viruslast bei den geimpften infizierten Tieren signifikant reduzierte [96].

Covifenz (von Medicago und GSK) ist ein Impfstoff, der auf VLPs basiert. Seine Phase-III-Studien wurden Anfang Februar 2022 abgeschlossen. Nach Angaben der Hersteller ist Covifenz bereits für die Verwendung durch Health Canada zugelassen [In Kanada hergestellter COVID-19-Impfstoff von Medicago, von Health Canada zugelassen | Globalnews.ca].

Bis Februar 2022 wurden keine VLP-basierten Arzneimittelformulierungen zur Behandlung von COVID-19 gemeldet oder zugelassen. Zukünftige Forschung über die möglichen Anwendungen von VLPs bei der Behandlung von SARS-CoV-2 und den damit verbundenen Erkrankungen kann erforderlich sein, bevor Produkte zugelassen werden können.

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Test LO 4.2

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Zusammenfassung

Die Methodik der Nanomedizin stellt die vielleicht wichtigste „Schlüsseltechnologie“ der Zukunft dar: Kein anderes Feld wird von so vielen Hoffnungen begleitet und wird vergleichbare gesellschaftliche Folgen nach sich ziehen wie die zu erwartenden Entwicklungen in der Nanomedizin. Und in diesem Zusammenhang wird sicherlich der Einsatz von RNA-Technologien im therapeutischen, diagnostischen und präventiven (immunologischen) Bereich eine wesentliche Rolle spielen (sei es in Form von mRNA, cRNA oder auch „freier RNA“). Der Einsatz von mRNA-Impfstoffen ist nur der Auftakt zu dieser Entwicklung. Während die ethische Problematik hier noch relativ einfach ist (zumal reine Sicherheitsrisiken nur empirisch zu klären sind und daher nicht in den Fokus der Bioethik fallen), wird sich der Kreis der (nano-)ethischen Fragen enorm erweitern, sobald die RNA-Technologie dies getan hat auch in anderen Bereichen der gentechnikbasierten Nanomedizin Fuß gefasst.

Schlüsselwörter/Phrasen: Bioethik, Nanoethik, Technikfolgenabschätzung, Vorsorgeprinzip, Gesellschaftliche Akzeptanz, Sicherheit von mRNA-Impfstoffen, Datenschutz.

1. Einführung: Nanotechnologie und „Nanoethik“

Nanotechnologische Verfahren und Produkte spielen – weitgehend unbemerkt von der breiten Öffentlichkeit¹ – seit vielen Jahren eine erhebliche Rolle. Dies gilt auch für den Bereich der Medizin, in dem immer mehr vornehmlich gentechnisch hergestellte Produkte (z.B. über gentechnisch veränderte Bakterien gewonnenes Humaninsulin) in Diagnostik und Therapie zum Einsatz kommen. Für die sogenannte „somatische Gentherapie“ ist dies sogar unabdingbar, da hier therapeutisch wirksame Gensequenzen die Fehlfunktion „kranker“ Gene beispielsweise mit Hilfe von Gen-Shuttles (meist vermehrungsunfähig gemachte Viren) kompensieren sollen kodiert für lebenswichtige Proteine, die der erkrankte Organismus nicht oder nicht in ausreichender Menge selbst herstellen kann. Dabei werden Entitäten im Nanomaßstab sogar doppelt genutzt: einerseits in Form der „gesunden“ Gensequenz und andererseits durch den Einsatz von viralen Transfersystemen (Vektoren).

Doch abgesehen von solchen oft eher „exotischen“ Anwendungsgebieten ist der Öffentlichkeit die Bedeutung der Nanotechnologie (und hier insbesondere mit den Mitteln der Gentechnik) erst durch die Entwicklung einer völlig neuen Klasse von Impfstoffen bewusst geworden: nämlich durch die mRNA-Impfstoff zur Bekämpfung der Covid-19- oder SARS-CoV2-Pandemie. Bisher waren gentechnische Produkte vor allem im Bereich der Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion ins Blickfeld gerückt und dort wegen möglicher Umwelt- und Gesundheitsrisiken teilweise sehr scharf kritisiert worden. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die innovativen mRNA-Impfstoffe von vielen Menschen – zumindest anfangs – mit großem Misstrauen betrachtet wurden, da gentechnische Produkte keinen guten Ruf genießen. Zudem war (und ist) wenig über die möglichen Nebenwirkungen dieser Impfstoffe bekannt, da zu Beginn der Impfkampagnen keine klinischen Langzeitstudien durchgeführt wurden. Erst als sich im Zuge der Massenimpfkampagnen nach und nach die Wirksamkeit und relative Sicherheit des mRNA-Impfstoffs abzeichnete, verbesserte sich auch die öffentliche Akzeptanz dieses neuen Verfahrens. Und womöglich trägt der Erfolg der neuen Impfstoffe dazu bei, die allgemeine Wahrnehmung und Akzeptanz der Gentechnik zu verbessern, sodass ihr auch in anderen (nicht- medizinischen) Anwendungsbereichen mehr als bisher vertraut werden könnte.² Dennoch sind noch lange nicht alle „kritischen“ Fragen im Zusammenhang mit der sogenannten „Nanomedizin“ auf Basis der Gentechnik geklärt, insbesondere nicht alle ethischen Fragen. Und die Debatte um die Gentechnik wird Bioethiker und Nanoethiker noch lange beschäftigen.

Der anhaltende Klärungsbedarf hat auch damit zu tun, dass Nanotechnologien im mikroskopischen Maßstab angewendet werden, sich also der unmittelbaren Sichtbarkeit entziehen und darüber hinaus in das hochkomplexe System von Zellen und Organismen eingreifen, dessen Strukturen und Mechanismen es ebenfalls sind mikroskopisch klein und noch lange nicht im Detail verstanden. Vor allem die Proteomik, die das dynamische Verhalten von Proteinen beschreibt, die von Genen innerhalb der Zelle exprimiert werden, steckt noch in den Kinderschuhen. Daher weiß niemand genau, ob ein DNA- oder RNA-Molekül, wenn es in einen Organismus eingebracht wird, wirklich nur die gewünschte Wirkung (wenn überhaupt) hat oder ob es auch nachteilige (unbeabsichtigte) Folgen haben kann. Außerhalb des Labors mit seinen sicheren „Containment“-Bedingungen, nämlich direkt am lebenden Menschen getestet (wie im Fall der mRNA-Vakzinierung), gleicht eine klinische oder gar alltagsmedizinische Anwendung von gentechnisch hergestellten Arzneimitteln einem „echten Experiment“ mit der Gesellschaft [25]. Solche realen Experimente kennt man sonst nur vom Bau innovativer Kernkraftwerke oder einzigartiger Bauwerke (z.B. Brücken, Deponien oder Flughäfen), deren Standsicherheit und Eigendynamik unter Laborbedingungen oft kaum oder gar nicht simuliert werden können.

Grundsätzlich ist hier also immer äußerste Vorsicht geboten: Angesichts der schrecklichen, oft tödlichen Auswirkungen der Pandemie kam es aber bereits zu einer sehr raschen (teilweise über „Notzulassungen“) flächendeckenden Anwendung des innovativen Impfstoffs um dadurch Schlimmeres zu verhindern. Doch obwohl die Studienlage insgesamt sehr unsicher war (insbesondere da noch keine Langzeitdaten vorlagen), ging der Zulassung des neuen Impfstoffes selbstverständlich eine ausführliche Bewertung durch die zuständigen Institutionen und Gremien (u.a. nationale Ethikkommissionen) voraus, bei dem vor allem auch ethische Aspekte berücksichtigt wurden: Insbesondere war abzuwägen, ob es angesichts der ernsten Pandemielage zulässig sei, die Durchführung klinischer Studien zu verkürzen. Es kann jedoch nicht gesagt werden, dass die Genehmigung leichtfertig oder völlig „blind“ erteilt wurde. Insgesamt ist der wissenschaftlichen Gemeinschaft aus Immunologen, Epidemiologen, Infektiologen und Virologen sowie den politischen Entscheidungsträgern ein erhebliches ethisches Bewusstsein zu attestieren. Und aus heutiger Sicht kann der Einsatz des mRNA-Impfstoffs als großer Erfolg gewertet werden – und als Durchbruch für die Nanomedizin insgesamt.

In welchem Umfang operieren Nanotechnologien und welchen Zwecken dienen sie? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir unseren Blick weiten und das gesamte Feld der nanotechnologischen Entwicklungen betrachten. Generell kann man sagen, dass Nanotechnologien Strukturen beschreiben, die 80.000 mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares (1 Nanometer = 10^-9 Meter). Allerdings unterscheiden sich die Einstufungen von Materialien als Nanomaterialien häufig, wenn beispielsweise die britische Regierung eine Größe von bis zu 200 Nanometern annimmt, während die USA eine Größe von bis zu 1.000 Nanometern zulassen [18]. In jedem Fall werden diese Technologien es ermöglichen, grundlegende Zusammenhänge auf molekularer und atomarer Ebene zu erforschen und neue Materialien mit vielversprechenden Eigenschaften zu entwickeln. Nanotechnologien gelten daher als Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, die unsere „Eintrittskarten“ in die Zukunft sind [16].

Im Folgenden konzentrieren wir uns wieder stärker auf den Bereich der medizinisch bedeutsamen Nanotechnologie. Unter den zahlreichen vielversprechenden Anwendungen der Nanotechnologien nimmt die Medizin eine Sonderstellung ein, da mit ihr besonders hohe Erwartungen und Hoffnungen verbunden sind. Neue Krebstherapien werden bereits in klinischen Studien getestet³ und innovative Nano-Transportsysteme für Medikamente ermöglichen eine effizientere Behandlung mit weniger Wirkstoffen. Unerwünschte Nebenwirkungen sollten somit reduziert werden. Erprobt werden miniaturisierte mobile Diagnoseeinheiten für Schnelltests in Arztpraxen und bildgebende Verfahren zur für Patienten weniger belastenden Krankheitsdiagnostik. Und innovative Oberflächenbeschichtungen für Implantate oder neue Materialien in der Zahntechnik könnten helfen, Verträglichkeit und Haltbarkeit deutlich zu verbessern und damit Kosten zu senken.

Dieser kleine Auszug aus der Bandbreite der Anwendungen in der Medizin verdeutlicht das große Potenzial der Nanotechnologien.⁴Nicht wenige Beobachter sprechen hier sogar von einem „Paradigmenwechsel im Gesundheitswesen“. In der EU wurden im 7. Forschungsrahmenprogramm für den Zeitraum 2007-2013 rund 100 Millionen Euro für Nanomedizin-Projekte bereitgestellt. Angesichts des Erfolgs von mRNA-Vakzinen dürfte das Fördervolumen in Zukunft noch dramatischer steigen. Auch in den USA haben das Project on Emerging Nanotechnologies und das National Cancer Institute [24] umfassende Förderprogramme für die Anwendung von Nanotechnologien entwickelt. Die nationale und internationale Politik setzt daher auf Forschungs- und Standortförderung im Bereich der Nanomedizin.

2. „Nanoethik“ als neue bioethische Teildisziplin

Bei all dem geht es nicht nur um die Förderung von Grundlagenforschung und Produktentwicklung, denn die EU verlangt in ihrem neuen Verhaltenskodex [12], dass alle Forschungsprojekte mögliche Risiken berücksichtigen und in soziale und ethische Fragen eingebettet sein müssen. Denn die Möglichkeit, die Grenzen aktueller Therapieformen zu überschreiten, wirft gleichzeitig die Frage nach neuen Grenzen auf. Und damit kommt ein spezielles Anwendungsgebiet der Ethik (oder Praktischen Philosophie) ins Spiel, das allgemein als „Bioethik“ bezeichnet wird und selbst viele Teilgebiete hat.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung nanotechnologischer Verfahren hat sich innerhalb der Bioethik ein neues Forschungs- und Reflexionsfeld etabliert: die sogenannte „ Nanoethik “. In diesem Bereich geht es im Wesentlichen darum, die Wirkungen einer neuen Nanotechnologie unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten zu beobachten und ihre Ergebnisse im Hinblick auf das Wohl der Gesellschaft zu bewerten. Im Mittelpunkt der nanoethischen Expertise steht somit das „Gemeinwohlinteresse“ im Sinne der Verbesserung der Lebensqualität der Gemeinschaft.

Um die Nanoethik besser einordnen zu können, ist es zunächst notwendig, die Ziele und Aufgaben der Bioethik zu verstehen. Denn ebenso wie die Nanoethik ein Teilgebiet der Bioethik darstellt, kann die Bioethik ihrerseits als Teilgebiet der Technikfolgenabschätzung (TA) im Bereich der Anwendung biotechnologischer Verfahren verstanden werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn TA im Zusammenhang mit der Anwendung gentechnischer Verfahren in biomedizinischen, lebensmitteltechnologischen oder landwirtschaftlichen Anwendungsgebieten steht. Der Geltungsbereich der TA umfasst dabei nicht nur ethische Fragen im engeren Sinne, sondern auch Fragen der Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie soziale und politische Aspekte, indem beispielsweise gefragt wird: „Sind die gesellschaftlichen Auswirkungen einer neuen Technologie politisch? und gesellschaftsfähig?“ Zum Beispiel, wenn es eines Tages möglich sein sollte, mit Hilfe der Gentechnik das menschliche Leben weit über die normale Lebensdauer hinaus zu verlängern. Wäre das überhaupt wünschenswert? Begeben wir uns nicht auf eine grundsätzlich „schiefe Bahn“, die verheerende Folgen für die Zukunft der Gesellschaft haben könnte? Und was würde es für unser Menschenbild bedeuten, wenn wir alle Erbkrankheiten mittels Gentechnik ausrotten oder das Erbgut des Menschen beliebig gestalten oder optimieren könnten?

Mit anderen Worten umfasst der Bereich der Bioethik oder bioethisch sensiblen TA alle ethischen, rechtlichen und sozialen Implikationen (abgekürzt ELSI), die sich aus der Anwendung biotechnologischer Verfahren ergeben. Und nur durch ihre Verortung in den Kontext der breiteren ELSI-Themen der TA können die Fragen der Bioethik überhaupt angemessen adressiert werden, so dass die ethische Reflexion nicht im „Vakuum“, dh losgelöst von anderen Sachfragen stattfindet. So gibt es zwar grundlegende ethische Prinzipien, die sich bei jeder Anwendung von Technik ergeben, aber deren sinnvolle Anwendung auf bestimmte Fachgebiete (z.B. Nanomedizin) sollte nie losgelöst von den Besonderheiten des jeweiligen Technikfeldes erfolgen.

Ziel der Bioethik bzw. TA ist es jedoch nicht, neue biotechnologische Entwicklungen zu behindern oder gar zu verhindern, nur weil sie neuartig und hinsichtlich ihres Gefahrenpotentials unklar sind, sondern als eine Art „Frühwarnsystem“ zu dienen, das rechtzeitig auf sich aufmerksam macht zu Fehlentwicklungen oder ethisch und sozial bedenklichen Anwendungen neuer biotechnologischer Verfahren. Daher ist es wichtig, bioethische Überlegungen möglichst von Anfang an in die Erforschung und Entwicklung neuartiger Biotechnologien (im Sinne einer bereits in den Forschungsprozess eingebundenen Begleitforschung) einzubeziehen. Dies verhindert nicht nur ethisch bedenkliche Entwicklungen, sondern vermeidet auch unnötige Kosten und schützt das öffentliche Ansehen der Biotechnologie. Ideal wäre es jedenfalls, wenn die ethische Reflexion „ex ante“ und nicht nur „ex post“ zur Technikgestaltung beitragen würde [17]. Dabei müsste sich die ethische Analyse und Bewertung primär auf (1.) die Ziele und Zwecke der technischen Innovation, (2.) die Instrumente und Mittel (z. B. Tier- oder Feldversuche) und (3.) die unbeabsichtigte Seite konzentrieren Wirkungen (d.h. Ermittlung des Risikoprofils z.B. hinsichtlich möglicher Toxizität und Einhaltung des Vorsorgeprinzips bei Unwissenheit).

3. Warum brauchen wir Ethik angesichts der Einführung neuer Technologien?

Jeder Ethik liegt immer ein bestimmtes Wertesystem zugrunde. Ohne Bezugnahme auf die für eine Gesellschaft maßgeblichen Wertbestimmungen und Ideale könnten keine Handlungsentscheidungen getroffen werden, die vor anderen Personen zu rechtfertigen wären. Jede Form verantwortlichen Handelns findet immer in einem Horizont legitimierter Wertesysteme statt, die als Argumente für eine bestimmte Entscheidung herangezogen werden können. Viele dieser Werte haben Eingang in gesetzliche Regelungen (Gesetze und Verordnungen) gefunden, so dass sie den Gerichten als normative Kriterien für die Beurteilung von Rechtsstreitigkeiten oder vor sie gebrachten Ansprüchen dienen. In der westlichen Kultur ist es vor allem eine humanistische Ethik, oft verbunden mit christlichen Werten, die als Grundlage für die Entscheidungsfindung und -begründung dient und sich beispielsweise in den allgemeinen Menschenrechten und in demokratischen Freiheitsrechten (als Rechte der Verteidigung gegen den Staat).

Auf der Grundlage des Wertesystems fragt die Ethik, was der Mensch in einer bestimmten Situation tun soll oder darf. Dabei kann es um die Einhaltung bestimmter grundlegender Wertprinzipien gehen, die bedingungslos (ausnahmslos) eingehalten werden müssen (somit sind nach „deontologischer Ethik“ nicht einmal Notlügen erlaubt), oder es geht um mögliche unerwünschte Folgen eines bestimmten Verhalten (daher versucht die „konsequenzialistische Ethik“, die potenziellen Auswirkungen von Handlungen abzuschätzen). Ethik dient dabei in erster Linie der Lösung von Wertekonflikten (was jedoch nicht immer gelingt oder möglich ist) durch eine rationale Abwägung der Argumente für oder gegen eine bestimmte Handlungsentscheidung. Ethik schließlich ist jener Bereich, in dem die oft nur unbewusst gültigen Wertvorstellungen explizit gemacht werden , damit die Etablierung eines Wertemaßstabs (oder Wertekanons) möglich wird, an dem sich Menschen orientieren können. Ethik kann als „Einstellungsethik“ zur Durchsetzung „ideologischer“ Werthaltungen dienen, in denen ein bestimmtes Menschenbild oder auch ein gesellschaftliches Ideal (eine „Utopie“) zum Ausdruck kommt, oder sie kann als „Verantwortungsethik“ den Versuch unternehmen. den empirischen Besonderheiten der jeweiligen Handlungssituation gerecht zu werden, indem alle Umstände und möglichen Folgen einer Bewertung unterzogen werden. So oder so geht es bei der Ethik immer darum, Fragen der Gerechtigkeit zu beantworten (z. B. nach der gerechten Verteilung knapper Güter oder Chancen und Belohnungen) und mögliche Schäden (z. B. an Leib und Leben) oder eine Einschränkung von Freiheiten durch Abwägen unterschiedlicher Interessen zu vermeiden, rechtlich Ansprüche und Erwartungen gegeneinander.

Besonders deutlich wurde dies bei der politischen Rechtfertigung sozial einschneidender „Lockdown“-Maßnahmen im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie: Das Recht auf wirtschaftliche Betätigungs- und Bewegungsfreiheit stand hier im Konflikt mit dem Recht auf körperliche Unversehrtheit und Schutz vor Ansteckung , die zu den höchsten gesetzlichen Rechten und zu den wichtigsten Aufgaben des demokratischen Staates gehören. Obwohl es in den Verfassungen – wie etwa im Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland – keine Rangordnung der Grundrechte gibt, musste angesichts der Pandemie entschieden werden, welchem Grundrecht Vorrang eingeräumt werden soll. Am Ende wurde entschieden, dass dem Schutz von Gesundheit und Leben ethische Priorität einzuräumen ist, da schwerkranke oder gar verstorbene Menschen ihre anderen Grundrechte nicht mehr wahrnehmen können. Ein zusätzliches Argument für die Einschränkung anderer bürgerlicher Freiheiten durch die Verhängung eines „Lockdown“ oder gar der Masken- und Quarantänepflicht war, dass dies nicht nur dem Selbstschutz Einzelner, sondern vor allem dem Schutz Dritter, die unbeabsichtigt sein könnten, diene infiziert. Andererseits ist es schwieriger, eine generelle Impfpflicht zu fordern, um Impfverweigerer einbeziehen zu können, da eine solche Pflicht gravierend in das Selbstbestimmungsrecht eingreifen würde. Die ethische Bewertung der Zulässigkeit der neuen mRNA-Impfstoffe muss daher nicht nur die Sicherheitsaspekte dieser Impfstoffe betreffen, sondern muss auch den gesellschaftlichen Kontext berücksichtigen, in dem diese Impfstoffe eingesetzt werden sollen: sei es freiwillig oder aufgrund a gesetzliche Verpflichtung: Wie könnte eine Impfpflicht begründet werden, wenn weder die möglichen Impfrisiken noch die langfristige Schutzwirkung der neuen Impfstoffe bereits hinreichend bekannt sind?

4. Nanoethische Fragestellungen: Akzeptanzprobleme und Sicherheitsrisiken

Wie oben bereits erwähnt, halten immer mehr nanotechnologische Verfahren und deren Produkte Einzug in den medizinischen Alltag. Und das liegt vor allem an der wachsenden Bedeutung der Gentechnik im Bereich der medizinischen Diagnostik ⁵ und Therapie bzw. Prophylaxe, wobei mRNA-Impfstoffe in den Bereich der Präventivmedizin fallen, sofern sie dazu dienen, den Ausbruch einer Krankheit zu verhindern. Die Entwicklung dieser Impfstoffe wäre jedoch ohne die vorherige molekulargenetische Aufklärung des viralen Erregers nicht möglich gewesen, so dass hier sowohl bei der deskriptiven Sequenzierung der viralen RNA als auch bei der konstruktiven Entwicklung gentechnische Verfahren im Nanomaßstab zum Einsatz kommen die Impfstoffe (zumal auch die immunologisch aktive mRNA-Sequenz in eine Hülle aus Nanolipidpartikeln verpackt werden muss , um sicher und stabil in den menschlichen Organismus gelangen zu können). Es reicht daher nicht aus, die neuen Impfstoffe allein aus bioethischer Sicht zu betrachten: Einerseits muss der gesamte Forschungs- und Produktionsprozess und andererseits die Gesamtheit der Impfwirkungen in die Betrachtung einbezogen werden, Dazu gehören nicht nur die möglichen physiologischen Nebenwirkungen, sondern auch die sozialen und wirtschaftlichen Folgen einer weit verbreiteten Verwendung der Impfstoffe. Ebenso muss darüber nachgedacht werden, was es bedeuten würde, diese neuen Impfstoffe nicht zu verwenden. Die technikbezogene Ethik muss immer versuchen, einerseits die Risiken und andererseits die Chancen einer innovativen Technologie abzuschätzen und zu bewerten (weshalb sie, wie oben angedeutet, am besten als Teilgebiet der Technikfolgenabschätzung zu betrachten ist).

Als grobe Annäherung können die ethisch relevanten Aspekte, die sich (1) aus der Anwendung von mRNA-Impfstoffen in der medizinischen Praxis in Form einer breit angelegten Impfkampagne ergeben, von den ethisch relevanten Aspekten dieser Impfstoffe, die sich (2) aus der Anwendung ergeben, unterschieden werden gentechnischer Verfahren im nanotechnologischen Größenbereich. Im Folgenden wird auf beide Fragestellungen ausführlich eingegangen, wobei im Rahmen unseres Projektes „Nanocode“ die unter (2) genannten ethischen Aspekte von besonderer Bedeutung sind.

4.1. Medizinische und sozialethische Aspekte der Impfkampagne

In den verschiedenen von der Covid-Pandemie betroffenen Gesellschaften wird immer noch viel diskutiert und sogar gestritten, für wen eine Impfung mit mRNA-Impfstoffen sinnvoll, d.h. vorteilhaft ist. Es besteht weitgehend Einigkeit darüber, dass vor allem sogenannte „vulnerable groups“ von einer Impfung mit mRNA-Impfstoffen profitieren können: Dies gilt insbesondere für ältere Menschen, deren Immunsystem oft bereits erheblich geschwächt ist, und Menschen mit bestimmten Vorerkrankungen, so dass ein besonders Bei ihnen ist mit schweren (ggf. sogar tödlichen) Verläufen einer Corona-Erkrankung zu rechnen. Schwangeren hingegen wird aus guten Gründen von einer Impfung abgeraten. Bekannt ist auch, dass bei Menschen mit bestimmten rheumatischen Erkrankungen kein oder allenfalls mäßiger Impferfolg zu erwarten ist. Schließlich ist auch abzuwägen, ob es zu unerwünschten „Kreuzwirkungen“ zwischen dem Impfstoff und Medikamenten kommen kann, die ein Patient aufgrund seiner aktuellen oder chronischen Erkrankungen regelmäßig einnehmen muss. All dies sind jedoch keine ethischen Fragen, sondern rein medizinische oder pharmakologische Fragestellungen, die nur empirisch sowie in Bezug auf den Einzelfall (Anamnese) geklärt werden können. Daher entsprechen die üblichen Anforderungen an die klinische Erprobung jedes neuen Arzneimittels (einschließlich Impfstoffen) dem: Erst wenn der „Kandidat“ alle klinischen Tests auf Wirksamkeit und Sicherheit erfolgreich bestanden hat, nur dann kann er eine patentgeschützte Marktzulassung für sein Arzneimittel erhalten Verwendung in der medizinischen Praxis. Und dabei kann es durchaus vorkommen, dass ein neues Medikament nur eingeschränkt zugelassen wird, wenn es nicht für jeden möglichen Patienten wirksam oder sicher ist. Aus diesem Grund müssen klinische Prüfungen immer an unterschiedlichen Probandengruppen durchgeführt werden: z.B. an Frauen und Männern, an Jugendlichen und Kindern, an Schwangeren und Diabetikern etc., um alle möglichen Risiken abschätzen zu können. In der Regel ziehen sich solche klinischen Studien (selbst durchgeführt an Versuchstieren in der ersten präklinischen Phase) über viele Jahre hin, wobei die meisten „Kandidaten“ scheitern und abgebrochen werden müssen, so dass sie nicht einmal die Marktreife erreichen.

Beim innovativen mRNA-Impfstoff wurde jedoch aufgrund der Dringlichkeit und außerordentlichen Gefahr der Pandemie ein verkürztes klinisches Prüfverfahren gewählt, insbesondere durch Verzicht auf Langzeitstudien, um keine Zeit zu verlieren. Schließlich wurde der Einsatz des Impfstoffs zunächst auf gefährdete Gruppen und Hochbetagte beschränkt, um umfangreiche Erfahrungen (d.h. Daten) zu sammeln, auf deren Grundlage dann weitere Impfempfehlungen für andere Erwachsene ausgesprochen werden könnten. Eine solche Priorisierung oder Differenzierung der Patientenpopulation (aller potenziellen Begünstigten) ist sowohl aus medizinischer als auch aus ethischer Sicht notwendig, um potenzielle Nebenwirkungen zu minimieren. Aber sollen zum Beispiel auch Jugendliche oder gar Kinder geimpft werden? Das Ausmaß der Schutzwirkung einer Impfung bei Kindern und Jugendlichen bzw. die Milde des Covid-Erkrankungsverlaufs ohne eine solche Impfung lässt sich natürlich nur durch empirische Untersuchungen ermitteln. Es handelt sich also nicht um eine ethische Frage. Dementsprechend kann auch nur empirisch festgestellt werden, ob bei Kindern und Jugendlichen die möglichen Nebenwirkungen der Impfung (die Impfsymptome) die möglicherweise schweren Krankheitssymptome im Falle einer Infektion überwiegen. Vielleicht ist es besser, es der „Natur“ des normalerweise robusten Immunsystems von Kindern und Jugendlichen zu überlassen, eine Corona-Infektion selbst zu bewältigen. Andererseits können auch Kinder und Jugendliche Überträger von Covid-19-Viren auf Erwachsene sein, sodass man der Meinung sein könnte, dass die Impfung von Kindern und Jugendlichen zumindest in der Lage ist, die Viruslast so zu senken, dass eine Übertragung erfolgt der Erreger an nicht geimpfte Erwachsene soll deren Risiko, einen schweren Krankheitsverlauf zu erleiden, relevant reduzieren.

Aus ethischer Sicht ist hier anzumerken, dass eine Impfung von Kindern und Jugendlichen, die primär dem Schutz ungeimpfter Erwachsener (und weniger ihrem eigenen Schutz) dient, nur dann zulässig ist, wenn die möglichen schädlichen Nebenwirkungen einer Impfung von Kindern und Jugendlichen nicht stärker ins Gewicht fallen als der gesundheitliche Nutzen, den die Kinder und Jugendlichen selbst aus der Impfung ziehen können. Es darf nicht sein, dass Kinder und Jugendliche unnötigen potenziellen Impfrisiken ausgesetzt werden, nur um ungeimpfte Erwachsene besser vor einer Ansteckung zu schützen. ⁶Stattdessen könnte argumentiert werden, dass ein Erwachsener, der sich impfen lässt, das Risiko einer Ansteckung und damit auch eines möglicherweise schweren Krankheitsverlaufs eigenverantwortlich tragen muss.

Die Stichhaltigkeit dieses Arguments hängt jedoch davon ab, dass bereits ausreichend empirisch belegt ist, dass die Impfung mit den neuartigen mRNA-Impfstoffen sowohl ausreichend wirksam als auch sicher im Hinblick auf gefährliche Langzeitwirkungen des Impfstoffs ist. Das Problem dabei ist, dass es sich um eine völlig neue Klasse von Impfstoffen handelt, mit der die medizinische Wissenschaft noch keine Erfahrungen sammeln konnte. Es obliegt daher letztlich der klinischen Forschung, nachzuweisen, dass die Schutzwirkung der mRNA-Vakzine hoch ist und (über statistisch nicht signifikante schädliche Impfreaktionen hinaus ⁷) keine Spätfolgen der Impfung zu erwarten sind ( z . B. dadurch , dass sich die mRNA-Moleküle dauerhaft einlagern könnten auf das menschliche Genom, irgendwann Krebs oder Demenz auslösen, die Fruchtbarkeit verringern oder das Immunsystem nachhaltig schädigen). Bisher sieht es jedoch recht ermutigend aus, dass Forscher sowohl die hohe Wirksamkeit als auch die gesundheitliche Unbedenklichkeit der mRNA-Impfstoffe bestätigen können. Und dazu gehören auch mögliche langfristige Spätfolgen, da noch kein physiologischer Mechanismus entdeckt wurde, der ernsthaft Anlass zur Sorge geben könnte, dass das mRNA-Molekül dem Immunsystem nicht nur als Bauplan für die Produktion des viralen Antigens dient (um dann Antikörper dagegen bilden), könnten aber auch unerwünschte Stoffwechselvorgänge oder zelluläre Gewebeveränderungen anregen. Denn das mRNA-Molekül dringt offenbar weder in den genomischen Zellkern ein, noch verbleibt es längere Zeit im Organismus, bevor es wieder abgebaut wird, dh in seine Nukleinbasen zerfällt und damit unwirksam wird.

Darüber hinaus wird derzeit heftig darüber diskutiert, wie oft und in welchen Abständen eine solche Impfung wiederholt werden sollte, um die Schutzwirkung sowohl zu gewährleisten als auch zu erhöhen⁸: Auch dies sind Fragen, die nur auf der Grundlage immunologischer Studien und Statistiken beantwortet werden können Auswertungen des Impferfolges. Aus ethischer Sicht kann nur gesagt werden, dass alles getan werden muss, um die Schutzwirkung eines ansonsten harmlosen Impfstoffs so weit wie möglich zu erhöhen. Das gilt auch für die Weiterentwicklung des Impfstoffs: zum Beispiel seine modifizierende Anpassung an neue Virusvarianten.⁹ .

Wie oben bereits angedeutet, sind Fragen der Wirksamkeit und Sicherheit grundsätzlich keine ethischen, sondern rein wissenschaftliche Fragen. Etwas anders verhält es sich bei der Frage, ob immer das „Vorsorgeprinzip“ gelten soll, indem man darauf besteht, dass die Unbedenklichkeit eines neuen Arzneimittels vorab geprüft wird. Dies ist aber bereits durch das im Arzneimittelrecht detailliert geregelte Erfordernis mehrphasiger klinischer Prüfungen erfüllt. Auf diesen Aspekt wird daher hier nicht näher eingegangen, zumal er im Trainingsmodul „Rechtliche und soziale Aspekte“ behandelt wird. Dort wird auch diskutiert, wer (und in welcher Hinsicht) im Falle eines Impfschadens haftbar gemacht werden soll (der behandelnde Arzt, der Hersteller oder die Gesundheitsbehörden).

„Vorsorge“ betrifft aber auch die Frage, ob größere Vorräte an Impfstoffen angelegt werden sollten und ob sichergestellt werden sollte, dass die Produktion von lebenswichtigen Impfstoffen im nationalen Rahmen abgesichert wird, um einerseits die Impfstoffe überwachen zu können Qualitätssicherung der Stoffe in Eigenregie zu ermöglichen und andererseits das Risiko eines „Abrisses“ der Lieferketten eindämmen zu können. Aus ethischer Sicht gehört zur staatlichen Gesundheitsvorsorge für seine Bevölkerung auch ein gewisses Maß an Autarkie bei der Versorgung mit Medikamenten, sodass es als riskant angesehen werden muss, die Produktion rein ins Ausland (z. B. nach Indien oder China) zu verlagern aus logistischen und wirtschaftlichen Gründen (Kosteneinsparung). Nur im Rahmen einer nationalen und damit relativ autonomen Arzneimittelversorgung können Knappheitssituationen verhindert werden, die Ärzte zu ethisch höchst fragwürdigen „Triage“-Entscheidungen zwingen könnten (wie man es aus der Lazarettmedizin kennt, wo es in Extremsituationen oft sein muss entschieden, bei welchen Verwundeten die knapp gewordenen Medikamente am erfolgversprechendsten eingesetzt werden können und bei welchen nicht, damit sie ihnen vorenthalten werden). Dies betrifft jedoch nicht nur die verfügbare Menge an hochwertigen Arzneimitteln, sondern auch die sonstige Infrastruktur der medizinischen Versorgung: etwa die Zahl der in den Krankenhäusern verfügbaren Intensivbetten oder die Kapazität des medizinischen und pflegerischen Personals, das für den Betrieb benötigt wird Geräte (z. B. Beatmungsgeräte) und zur körperlichen Versorgung von Patienten. Dies sind jedoch allgemeine Fragen der Medizinethik, die die Organisation der medizinischen Versorgung betreffen und daher den Rahmen des ethisch korrekten Einsatzes von mRNA-Impfstoffen sprengen und daher hier nicht weiter erörtert werden müssen.

Ein weiterer Punkt betrifft Fragen der Verteilungsgerechtigkeit und des Zugangs zu den neuen nanomedizinischen Möglichkeiten: So sei angesichts der anfänglichen Knappheit von mRNA-Impfstoffen nicht zu übersehen, dass finanzstarke Länder diese leichter beschaffen könnten als ärmere Länder. Obwohl die WHO ein bestimmtes Kontingent an Impfstoffen für die „Dritte Welt“ reserviert hatte, erwies sich dieses als völlig unzureichend. Auch die Mehrheit der Hersteller der neuen Impfstoffe weigerte sich aus Profitgründen, den ärmeren Ländern zu erlauben, die Impfstoffe ohne Zahlung von Patentgebühren selbst herzustellen, also eigene Produktionsstätten aufzubauen. Auch dies benachteiligte die Entwicklungsländer erheblich. Generell gab es zwischen den reicheren Ländern zunächst auch einen harten Wettbewerb um den Bezug der seltenen Impfstoffe, was aus ethischer Sicht negativ zu bewerten ist, da auch ein konzertierteres Vorgehen für eine gerechte Verteilung möglich gewesen wäre. Grundsätzlich stellt sich hier die Frage, wie erreicht werden kann, dass kostenintensive Nanotechnologien auch ärmeren Begünstigten zugänglich gemacht werden können, z.B. um eine „Zwei-Klassen-Medizin“ zu verhindern.

Was die Wirksamkeit und Sicherheit mRNA-basierter Impfstoffe betrifft, können ohnehin nur empirische Studien Auskunft darüber geben. Ethik hat in diesem Zusammenhang nur insofern ein Mitspracherecht, als man fragen kann, nach welchen Kriterien der Nutzen einer Impfung zu bewerten ist: Die Verhinderung einer schweren, vielleicht sogar tödlichen Krankheit ist hier sicherlich das entscheidende Kriterium, sofern sie tatsächlich erfüllt ist. Gegen schwere Krankheiten wie früher Pocken und Pest oder heute Zika-Fieber oder Ebola seien die vorhandenen Impfstoffe sicherlich das „Mittel der Wahl“. Es gibt aber auch eine Minderheitsmeinung, dass zu viel und zu voreilig geimpft wird (z.B. gegen die saisonale Grippe), so dass unser „natürliches“ Immunsystem tendenziell überlastet (gestresst) und damit in der Entwicklung seines spontanen „Selbst-Heilung“ gehindert wird. Ausgerechnet die großen Erfolge von Impfkampagnen – insbesondere bei weniger bedrohlichen Krankheiten – könnten sich am Ende als „Pyrrhussiege“ erweisen, da wir uns zu sehr auf die moderne Pharmakologie und Apparatemedizin verlassen und andere dementsprechend vernachlässigen („sanftere“) Wege zur Erhaltung und Steigerung der Gesundheit. Im Fall von Covid-19 scheint jedoch kein Weg an der Impfung vorbei zu führen, zumal es noch keine wirklich wirksamen Therapeutika gibt, sodass einer möglichen Ansteckung mit einiger Gelassenheit begegnet werden könnte. Generell mag es viele Möglichkeiten geben, das angeborene Immunsystem zu stärken (etwa eine gesunde Ernährung, ausreichend Bewegung und Schlaf sowie eine stressreduzierende Lebensweise), aber gegen eine wirklich schwere Infektionskrankheit hilft wahrscheinlich nur eine passende Impfung Vorauszahlung.

Auf der anderen Seite könnte man gerade im Fall von Corona überlegen, ob von Tieren ausgehende Epidemien und Pandemien nicht auch verhindert werden könnten, indem man die Gelegenheiten einschränkt, aus denen ein Virus (oder ein anderer gefährlicher Erreger: ein Bakterium oder ein Parasit) springen kann Tiere zu Menschen. Tatsächlich handelt es sich bei dem Covid-19-Erreger immerhin um eine „Zoonose“ (zumindest deutet wenig darauf hin, dass sie ungewollt aus einem chinesischen Labor entwichen ist¹⁰), die vermutlich dadurch begünstigt wurde, dass Schuppentiere oder bestimmte Fledermäuse zum Verzehr angeboten wurden auf einem Markt in Wuhan, die hervorragende Wirte für zahlreiche Viren sind, deren Übertragung für den Menschen potenziell gefährlich sein kann. Das heißt: Auch eine Umstellung unserer Ernährungsgewohnheiten kann den Ausbruch schwerer Infektionskrankheiten verhindern. Die Idee ist, dass wir im Austauschbereich von menschlicher Zivilisation und Natur das Übertragungsrisiko so weit wie möglich begrenzen oder zumindest kontrollieren sollten. In der Tat erhöhen beispielsweise der (illegale) Wildtierhandel sowie neue Formen der technologieintensiven Waldbewirtschaftung die Wahrscheinlichkeit des menschlichen Kontakts mit bisher unbekannten Krankheitserregern durch das Eindringen in zuvor weitgehend unberührte Wildnisgebiete. Von besonderem soziologischem Interesse sind darüber hinaus das oft häusliche Zusammenleben mit Nutztieren (z.B. Geflügel) und die oft unzureichenden Hygienestandards vor Ort (z.B. bei der Trinkwasserqualitätskontrolle oder Abfallentsorgung). Generell breiten sich menschliche Siedlungen und der damit verbundene Straßenbau offenbar immer weiter in die Wildnis aus; ebenso wie umgekehrt Wildtiere (ua Vögel und Insekten) zunehmend aus ihren angestammten natürlichen Lebensräumen verdrängt werden und sich in den Siedlungen ansiedeln.

Zur Vermeidung von Zoonosen wird daher das „epidemiologische Management“ der vielfältigen Mensch-Natur-Beziehungen im Grenzgebiet zur Wildnis immer dringlicher. Neben der wissenschaftlichen Überwachung der möglichen Ausbreitung von Wildarten mit zoonotischem Potenzial sind daher auch rechtliche und praktische Maßnahmen erforderlich: z.B. im Bereich Siedlungs- und Infrastrukturentwicklung, wirtschaftliche Nutzung der Regenwälder, Verbesserung der Hygiene, (naturnahe) Ernährung Produktion und Gesundheitserziehung. Hier trifft medizinische Bioethik auf Umweltethik. Aber das sind alles umfassendere Themen, die gewissermaßen im Vordergrund der mRNA-Strategien gegen die Covid-19-Pandemie stehen: Denn ist eine Pandemie erst einmal ausgebrochen, kommen alle Überlegungen zu präventiven Maßnahmen gegen zoonotische Risiken zu spät, sodass wir müssen Versuchen Sie nun einerseits, die weitere Ausbreitung des Infektionsgeschehens möglichst einzudämmen (z.B. durch das Tragen von Schutzmasken, durch die Verwendung einer Schutzkleidung etc.). (z.B. durch das Tragen von Schutzmasken, Hände- und Oberflächendesinfektion, Lüften von Innenräumen, vorübergehende Quarantäne bis hin zu einem vorübergehenden „Lockdown“) und zweitens durch breit angelegte Impfkampagnen. Und bei letzterem haben wir das Glück, dass die mRNA-Impfstoffe so erstaunlich schnell zur Einsatzreife entwickelt werden konnten, was sicherlich unzählige Leben gerettet hat.

4.2. Nanoethische Aspekte von mRNA-Impfstoffen als gentechnische Produkte

Nachdem wir kurz die allgemeinen medizinischen und sozialethischen Implikationen des praktischen Einsatzes der neuartigen mRNA-Impfstoffe diskutiert haben, werden wir nun die möglichen Probleme betrachten, die sich aus dem gentechnischen Charakter dieser Impfstoffe ergeben könnten: dh aus der Tatsache, dass diese Wirkstoffe sind einerseits das Ergebnis konstruktiver Operationen (sozusagen „RNA-Engineering“) im molekulargenetischen Maßstab; und dass sie andererseits dazu bestimmt sind, in die biologischen Funktionen von Zellen oder in das Immunsystem eines lebenden Organismus (dh des menschlichen Organismus) einzugreifen. im Immunsystem eines Lebewesens (nämlich des menschlichen Organismus). Wie oben bereits erwähnt, wird der Bereich Nanoethik im Rahmen dieser Trainingseinheit auf den Bereich der Humanmedizin beschränkt. Wobei – um das Feld noch weiter einzugrenzen – Nanoethik hauptsächlich (aber nicht nur) mit der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen zu tun haben wird. Tatsächlich kodieren alle „Manipulationen“ von RNA- und DNA-Molekülen, also auch alle Konstruktionen von Gensequenzen (und das mRNA-Molekül schließlich auch für ein spezifisches Spike-Protein auf der Hülle des Covid-19-Virus, also für ein virales Gen) können als nanotechnische Verfahren betrachtet werden. Die Entwicklung mRNA-basierter Impfstoffe ist hier nur ein Sonderfall. Da sich in diesem speziellen Fall aber auch ethische Fragen stellen, die sich insgesamt für gentechnische Verfahren bzw. für die medizinische Anwendung der Produkte dieser Verfahren stellen, ist es sinnvoll, den Fokus der ethischen Reflexion entsprechend zu erweitern, d.h. das gesamte Spektrum der gentechnikbasierte Entwicklungen im Bereich der Humanmedizin in der ethischen Bewertung. Tatsächlich wird sich zeigen, dass auch in diesem speziellen Fall praktisch alle ethischen Fragen auftauchen, die sich im Zusammenhang mit der Gentechnik im Gesundheitsbereich stellen.¹¹ .

Es kann durchaus bestritten werden, dass eine spezielle „Nanoethik“ als Spezialdisziplin notwendig ist, insofern es sich lediglich um eine weitere Anwendung der „Bioethik“ oder „Genethik“ handeln würde und somit die Fragestellungen der Nanobiotechnologie bereits sehr gut bekannt sind andere Kontexte ethischer Reflexion. Allerdings sollte man den Querschnittscharakter ethischer Reflexion nicht verkennen, denn auch inhaltlich völlig andere (Nano-) Technologien stehen oft vor ganz ähnlichen ethischen und gesellschaftlichen Herausforderungen.

Grundsätzlich ist der Einsatz gentechnischer Methoden zur Bekämpfung von (Infektions-)Krankheiten durchaus zu begrüßen. Allerdings gibt es im Zusammenhang mit der gentechnischen Herstellung (Konstruktion) von mRNA-Vakzinen und bei deren Handhabung beim Transfer in den menschlichen Körper nicht nur Sicherheitsbedenken, sondern z.B. auch im Zusammenhang mit der gentechnischen Herstellung (Konstruktion) von mRNA-Impfstoffe und deren Handhabung beim Transfer in den menschlichen Körper stellen sich nicht nur Sicherheitsfragen, sondern auch Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz, insofern die Gentechnik (sowohl als Verfahren als auch hinsichtlich ihrer Produkte) keinen besonders guten Ruf genießt: sie wird oft argumentiert, der Mensch würde in „Gottes Schöpfung“ eingreifen, ja sogar „Gott spielen“, indem er den „Bauplan des Lebens“ verändert (was bei mRNA-Molekülen jedoch kaum der Fall ist, da sie lediglich das Immunsystem des Menschen versorgen System mit Vorlagen für die eigene Aktivität). Auch die Umweltverträglichkeit von gentechnisch hergestellten Arzneimitteln wird mitunter angezweifelt (obwohl z.B. über gentechnisch veränderte Bakterien gewonnenes Humaninsulin von Diabetikern gerne akzeptiert wird). Dem Bau von mRNA-Molekülen zur Bekämpfung schwerer Infektionen ist jedenfalls schwer abzuraten, da deren Vorteile offensichtlich alle Bedenken überwiegen. Man müsste ein grundsätzlicher Technikgegner oder zumindest „ideologisch“ überzeugter Gentechnikfeind sein, um den gesundheitlichen Nutzen gerade dieser Anwendung der Gentechnik nicht einsehen und einschätzen zu können. Bei der landwirtschaftlichen Nutzung von GV-Pflanzen mag dies etwas anders sein, da die Sicherheitslage und die Umweltverträglichkeit unter „Freilandbedingungen“ in letzter Konsequenz noch nicht klar sind; und auch beim reproduktiven Klonen von Nutztieren sowie der „Rekonstruktion“ von Organismen mit Hilfe von „Synthetischer Biologie“ oder „Genome Editing“ sind noch nicht alle Risiken und ethischen Fragen geklärt (wir werden kommen später darauf zurück).

Interessanterweise haben wir es bei den „maßgeschneiderten“ mRNA-Vakzinen eigentlich mit zwei Nanostrukturen zu tun: einerseits mit der mRNA selbst, also dem Wirkstoff, und andererseits mit den Lipid-Nanopartikeln, in die die mRNA eingebettet ist wird „verpackt“ und anschließend in den menschlichen Organismus eingebracht.₁₂ Das nanotechnologische Verfahren findet somit auf zwei unterschiedlichen Konstruktionsebenen statt und bildet somit einen äußerst komplexen Prozess.

Auch wenn die Suche nach Impfstoffen gegen das Corona-Virus in seinen verschiedenen Varianten (sowie deren ethische Bewertung) im Mittelpunkt dieses Trainingsmoduls steht, kann der medizinische Einsatz von maßgeschneiderten mRNA-Hosts mehr als nur Infektionskrankheiten bekämpfen: Es gibt sie berechtigte Hoffnung, dass künstliche mRNA-Produkte auch für innovative Ansätze im Bereich der Gentherapie erfolgreich eingesetzt werden können; oder bei der Behandlung von Krebs sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen.₁₃ Um jedoch mittels mRNA gezielt in das Erbgut erkrankter Zellen eingreifen zu können, bedarf es geeigneter Einfügungsverfahren („Erase and Paste“). Und hier kommt die CRISPR-Cas-Technologie des „Genome Editing“ ins Spiel. Schließlich könnten mRNA-Sequenzen in Zukunft zumindest indirekt auch in der Entwicklung diagnostischer Verfahren (z. B. in der Genomanalyse, beim Nachweis von Tumormarkern etc.) an Bedeutung gewinnen. Daher werden diese Anwendungsbereiche auch nachfolgend adressiert, da eine vollständige Bewertung der mRNA-Nanotechnologie auch aus ethischer Perspektive nur dann erfolgen kann, wenn diese Technik im breiteren Kontext anderer RNA- und DNA-basierter gentechnischer Anwendungen betrachtet wird. Begründet wird diese Erweiterung des Reflexionsrahmens auch damit, dass der RNA-Technologie bald weitere Anwendungsfelder erschließen dürften: etwa in der Krebs- oder Gentherapie, aber auch in der Diagnostik. Und spätestens dann muss auch der Fokus der ethischen Betrachtung erweitert werden, da dann ethische Aspekte relevant werden, die nicht nur den Einsatz dieser Technologie zu Impfzwecken betreffen: Denn erst dann erschließt sich das enorme Potenzial dieser Methode deutlich werden. Da jedoch jede ethische Reflexion über die gesellschaftlichen Implikationen einer neuen Technologie so früh wie möglich erfolgen sollte, ist es sinnvoll, bereits heute zu versuchen, diese Implikationen in den verschiedenen Anwendungsfeldern der RNA-Technologie zu bewerten. Der Vorteil einer „vorausschauend“ betriebenen Nanoethik besteht auch in der Vorbereitung einer „proaktiv“ orientierten Technologiepolitik, indem die Nanoethik frühzeitig auf mögliche Risiken oder Nachteile der neuen Technologie aufmerksam macht.

Jedenfalls werfen die zu erwartenden unterschiedlichen medizinischen Anwendungen der (RNA-basierten) Gentechnik je nach Konstruktionsumfang und Eingriffstiefe in den Organismus bzw. je nach Zielsetzung besondere wissenschaftliche (empirische) und ethische Probleme auf. Die Variation und das Gewicht dieser Probleme hängen zum Beispiel von dem erreichten Konstruktionsniveau durch die Manipulation jener molekularen Strukturen oder Organismen ab, die entweder dazu bestimmt sind, pharmakologisch wertvolle Proteine zu produzieren (z.B. bei der bakteriellen Produktion von Humaninsulin) oder als solche zu dienen „Fähren“ (Vektoren) zum Einschleusen von Therapeutika in den menschlichen Körper. Aber auch genmedizinische Verfahren, die bereits im Nanomaßstab zu rein diagnostischen Zwecken angewendet werden, produzieren Daten, die oft sehr persönlich sind (z.B. genetische Daten, die für eine bestimmte Person charakteristisch sind und diese Person teilweise „genetisch transparent“ machen) und die daher missbraucht werden könnten (z.B. von Versicherungen, wenn die erhobenen Daten aufgrund bestimmter genetischer Dispositionen auf zukünftige Erkrankungen hinweisen; oder auch von staatlichen Stellen, um bestimmte Personen zu identifizieren, obwohl kein Strafverfolgungsbezug besteht). In diesem Fall sind entsprechende datenschutzrechtliche Vorkehrungen zu treffen: z.B. durch geeignete Verfahren zur Anonymisierung oder zumindest Pseudonymisierung der Daten (oder auch durch hohe Zugriffsbarrieren oder durch zeitlich begrenzte Vorhaltung der Daten) . Auch die Nutzung genetischer Daten, beispielsweise für epidemiologische Zwecke, darf nicht ohne die ausdrückliche Einwilligung des Datenspenders erfolgen (eine „Einwilligung nach Aufklärung“) (dies gilt beispielsweise für klinische Gewebesammlungen oder Forschungsbiobanken, in denen genetisch aussagekräftige Gewebeproben gespeichert und ausgewertet werden).

Somit ist ersichtlich, dass die Entwicklung von mRNA-Techniken im breiteren Kontext der Entwicklung molekulargenetischer Werkzeuge betrachtet werden sollte, die alle im Nanomaßstab wirksam sind oder sein werden: sei es

(a) ür diagnostische Zwecke (z.B. in der Genomanalyse zum Nachweis erblicher Krankheitsprädispositionen);

(b) oder zu therapeutischen Zwecken (z.B. bei der Durchführung einer somatischen oder sogar keimbahnbeeinträchtigenden Gentherapie);

(c) oder für immunologische Zwecke (z.B. bei der Konstruktion von mRNA-Sequenzen, die „maßgeschneidert“ sind, um spezifische Krankheitserreger zu bekämpfen);

(d) oder zu biokonstruktiven Zwecken, wenn es darum geht, ganze Organismen (Einzeller) so zu gestalten, dass sie zur Herstellung von diagnostisch oder therapeutisch wirksamen Arzneimitteln verwendet werden können (z.B. mittels „Genome Editing“ im Bereich der „Synthetischen Biologie“, um neue Stoffwechselwege „top down“ in einen gegebenen Organismus einzubauen; daneben wäre aber auch der komplette Neuaufbau eines lebenden Organismus „bottom up“ denkbar, was könnte sogar Nukleinbasen in seiner DNA oder RNA haben, die in der Natur nicht vorkommen).

Leider ist es im begrenzten Rahmen dieser Arbeit nicht möglich, hier alle relevanten Anwendungsbereiche der Gentechnik in der Medizin darzustellen. Abschließend betrachten wir daher nur die Vektoren, mit deren Hilfe die mRNA-Vakzine in den menschlichen Organismus eingebracht werden. Diese Transportsysteme stellen neben den Impfstoffen selbst die zweite Anwendung nanotechnologischer Verfahren im Rahmen der Bekämpfung von Covid-19 dar.

5. „Nanotransportsysteme“: Funktionen und Risiken

Da der sichere Transport des mRNA-Agens in das menschliche Immunsystem entscheidend für den Impferfolg ist, soll dieser Aspekt zunächst näher betrachtet werden. Es wurde oben bereits erwähnt, dass der mRNA-Wirkstoff in eine Hülle aus Lipid-Nanopartikeln verpackt werden muss, um stabil in das menschliche Immunsystem gelangen zu können, um dort als Matrize (Antigen) für die Produktion dienen zu können von Antikörpern gegen Covid-19. Dies ist jedoch nur ein Beispiel für eine Vielzahl sogenannter „Transportsysteme“ im Nanomaßstab, die ganz unterschiedliche Transportfunktionen übernehmen können.

Nanomaterialien werden im menschlichen Körper auf vielfältige Weise eingesetzt. Auf zwei besonders vielversprechende Anwendungsgebiete wird im Folgenden eingegangen: Zum einen die Gruppe verschiedener Nano-Transportsysteme („Nano-Delivery-Systeme“), die der Verteilung von Wirkstoffen im Körper dienen. Andererseits werden verschiedene metallische Nanopartikel in der Krebstherapie eingesetzt, wo magnetische Wechselfelder für eine Erwärmung und Zerstörung von Tumorzellen sorgen (Hyperthermie-Verfahren). Hier wird nur der erste Fall näher betrachtet.

Nanoskalige Systeme dienen dem Transport von Wirkstoffen im Körper (Drug Delivery). Die Nanomaterialien umschließen den Wirkstoff mit winzigen Schutzhüllen, die dann als verkapselte Systeme oder Micellen bezeichnet werden. Sie ermöglichen es, die Wirkstoffe durch biologische Mimikry [6] so zu schützen oder zu tarnen, dass sie in bestimmte Anwendungsbereiche transportiert werden können. Je nach Struktur können sie biologische Barrieren wie Zellwände, die Magen-Darm-Wand oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden [19]. Gerade die Blut-Hirn-Schranke verhinderte bislang einen praxistauglichen pharmazeutischen Ansatz zur wirksamen Behandlung von Krankheiten wie der Alzheimer-Krankheit. Entsprechend groß sind die Hoffnungen, die mit dem Einsatz von Nanomaterialien verbunden sind. Je nach Zielsetzung und gewünschtem Einsatzort erfüllen die Nano-Transportsysteme unterschiedliche Aufgaben. So umhüllen sie zum Beispiel schwer wasser- oder fettlösliche Vitamine und Wirkstoffe [2] und machen sie so für den Körper besser verfügbar.

Andere Verfahren erlauben es, Wirkstoffe zeitlich zu dosieren oder Stoffe, die im Körper zu schnell abgebaut würden, erst am Ort der Anwendung freizusetzen oder über einen sehr langen Zeitraum gleichmäßig zu verteilen. Es gibt eine ganze Reihe von Verkapselungssystemen, z.B. für Kosmetika, für neue pharmazeutische Produkte oder für Kontrastmittel. Viele Systeme verwenden natürliche Materialien, die vom Körper leicht abgebaut werden, ihnen aber durch ihre Nanoform mehr Stabilität verleihen oder vom Körper leichter aufgenommen werden können. Dazu gehören winzige Fetttröpfchen (Nanolipidstrukturen), natürliche Eiweißverbindungen, wie sie aus den Extrakten von Schalentieren (Chitosan) gewonnen werden können, oder Gelatine. Viele Systeme sind der Natur nachempfunden, etwa abbaubare Polylactogluconate (Eiweiß-Zucker-Verbindungen) oder Dendrimere (baumartige Polymerstrukturen), die bei Krebstherapien, Herpes und schwer behandelbaren Pilzerkrankungen eingesetzt werden sollen.

Andere Systeme arbeiten mit Materialien wie Kohlenstoff. Diese bilden nicht abbaubare, nanometergroße fußballähnliche Strukturen (Fullerene) oder winzige Kohlenstoffnanoröhren, in denen die Wirkstoffe transportiert werden können [7, 22]. Ein weiterer Entwicklungsschritt, an dem Forscher arbeiten, sind zielgerichtete Abgabesysteme, die mit spezifischen Rezeptoren für Zelltypen, Viren oder andere Krankheitserreger ausgestattet werden können, um ihren Zielort zu „erkennen“ [30, 13]. Dadurch würde sichergestellt, dass Wirkstoffe am beabsichtigten Wirkort wirken, z.B. an bestimmten Organen wie der Leber oder an bestimmten Tumorzellen, aber nicht in anderen Körperregionen. Meist werden monoklonale Antikörper verwendet, die sich an die Tumorzellen anheften. Gemeinsam ist den verschiedenen Arten von Verabreichungssystemen, dass eine verbesserte oder gezieltere Aufnahme die Wirkstoffmenge und unerwünschte Nebenwirkungen deutlich reduzieren könnte [1].

Der gesellschaftliche Nutzen von Drug-Delivery-Systemen wird vor allem in einer verbesserten medizinischen Heilung und einer gesteigerten Lebensqualität der Patienten gesehen [11]. Weitere Nutzenaspekte sind die mögliche Senkung der Gesundheitskosten und die erwartete positive wirtschaftliche Entwicklung. Verschiedene Versuche, diese Vorteile zu quantifizieren, sind unten zusammengefasst.

An erster Stelle stehen Ansätze zur Krebsbehandlung. Krebs ist mit etwa 7,6 Millionen Todesfällen im Jahr 2005 weltweit eine der häufigsten Todesursachen. In den Industrienationen ist Krebs die zweithäufigste Todesursache. Die WHO prognostiziert, dass die krebsbedingten Todesfälle im Jahr 2015 auf 9 Millionen und bis 2030 auf 11,4 Millionen ansteigen werden [32]. Jeder therapeutische Fortschritt könnte Heilungen oder Zeitverzögerungen für Millionen von Betroffenen und ihre Familien bedeuten, und die größere Effizienz von Behandlungsmethoden könnte möglicherweise zu einer Senkung der Gesundheitskosten führen.

In dem 2004 für das Bundesministerium für Bildung und Forschung verfassten Forschungsbericht „Nanotechnologie pro Gesundheit: Chancen und Risiken“ [3] berufen sich die Autoren auf amerikanische Studien [14], die am Beispiel von Viruskarzinomen mögliche Berechnungen anstellten Kostensenkungen durch den Einsatz von Nanomaterialien, da die geringeren Nebenwirkungen weniger Nachbehandlungen erforderten. Dies galt insbesondere für ältere Patientinnen mit einer höheren Anfälligkeit für Nebenwirkungen. Allerdings rät die BMBF-Studie dazu, die Schätzungen der volkswirtschaftlichen Einsparpotenziale aufgrund der schlechten Vergleichbarkeit der verschiedenen internationalen Behandlungsmethoden und Gesundheitssysteme sowie möglicher Preisentwicklungen von Medikamenten und Verfahren mit Vorsicht zu genießen [3].

Insgesamt sind unerwünschte Nebenwirkungen ein ernstes Problem. In den USA waren sie beispielsweise für schätzungsweise 100.000 Todesfälle innerhalb eines Jahres verantwortlich und damit die zehnthäufigste Todesursache [33].

Die meisten quantitativen Schätzungen der Vorteile von Nanomaterialien in der pharmazeutischen Industrie beziehen sich auf Prognosen zum Marktwachstum. Sie prognostizieren für den Zeitraum von 2005 bis 2012 ein Wachstum von etwa 50 % pro Jahr. Gleichzeitig wird ein stetig steigender Anteil der Nanotechnologie am gesamten Pharmamarkt prognostiziert. Die Prognose eines Marktvolumens von 4,8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 zeigt die optimistische Einschätzung des Marktpotenzials der Nanotechnologie in diesem Bereich [23]. Offen bliebe dann die Frage, ob die hohen Wachstumszahlen mit hohen Medikamentenpreisen einhergehen, die einen Teil der Kosteneinsparungen im Gesundheitswesen zunichte machen würden.

Eine generelle Risikobewertung von Nano-Delivery-Systemen ist angesichts der oben skizzierten Vielzahl von Anwendungen und eingesetzten Materialien nicht möglich. Aussagen zur Gefährlichkeit oder Ungefährlichkeit von Nanomaterialien in diesem Anwendungsbereich sollten immer auf den Einzelfall bezogen sein. Dabei sind nicht nur die verwendeten Formen der Nanomaterialien, sondern auch deren mögliche Bindungs- oder Abbauprozesse (Agglomeration und Desagglomeration) zu berücksichtigen [4].

Beim Einsatz im medizinischen Bereich gelten spezifische Sicherheitsprüfungen, bevor ein Produkt zugelassen wird. Dies gilt selbstverständlich auch für Produkte, die Nanomaterialien als Wirk- oder Hilfsstoff enthalten, oder für Medizinprodukte. Unter Wirkstoffen versteht man natürliche oder synthetisch hergestellte chemische Elemente, deren Verbindungen sowie Mischungen oder Lösungen, die eine pharmakologische Wirkung entfalten. Sie müssen in präklinischen Studien daraufhin untersucht werden, ob sie langfristig toxisch auf Tiere oder Menschen wirken (akute und chronische Toxizität), ob sie Krebs erzeugen (Kanzerogenität), das Erbgut beeinflussen (Mutagenität) oder negative Auswirkungen auf das ungeborene Kind haben (Teratogenität). In der Regel ist eine zusätzliche Risikobewertung für Umweltauswirkungen erforderlich. Hilfsstoffe hingegen bezeichnen Stoffe, die notwendig sind, um dem Medikament eine bestimmte Form zu geben, es haltbar zu machen, es zu aromatisieren, zu färben oder es anderweitig hinsichtlich seiner Anwendung zu verbessern. Als Beispiele für Hilfsstoffe nennt der Pharmaverband Interpharma Stärke, Zucker, Gelatine, Fette, Öle, Wasser und Alkohole [20].

Nanomaterialien können je nach Anwendungskontext sowohl unter Wirkstoffe als auch Hilfsstoffe fallen, wenn sie nur als Transportsystem verwendet werden. Das Arzneimittelgesetz (AMG; 14. AMG-Novelle) und die Verordnung über die Anwendung guter klinischer Praxis bei der Durchführung klinischer Prüfungen von Humanarzneimitteln (GCP-Verordnung) legen genau fest, in welchem Umfang Unbedenklichkeitsprüfungen durchgeführt werden müssen Wirkstoffe und Hilfsstoffe. Dies betrifft die Konsultationsverfahren und klinischen Prüfungen vor der Zulassung, die Zulassungsverfahren selbst sowie die laufende Überwachung und Berichterstattung (Pharmakovigilanz) nach der Zulassung, die das Auftreten von Nebenwirkungen dokumentiert. In die Begutachtungsverfahren zur Genehmigung einbezogen sind Konsultationen von Ethikkommissionen, die klinische Prüfungen genehmigen müssen.

Derzeit wird in Fachkreisen diskutiert, inwieweit Nanomaterialien als Transportsysteme durch Zulassungsverfahren für Hilfsstoffe ausreichend geprüft werden. Seit 2002 gilt jedoch der Zulassungsbescheid nach § 21 Arzneimittelgesetz, der Angaben zur Bioverfügbarkeit und Bioäquivalenz von Arzneimitteln verlangt. Die verbesserte Bioverfügbarkeit durch die Verwendung von Nanomaterialien in Hilfsstoffen muss daher bei Neuzulassungen angegeben werden, auch wenn bestehende Formulierungen modifiziert werden.

In den verschiedenen wissenschaftlichen Abhandlungen zu Drug-Delivery-Systemen finden sich meist ausführliche Beschreibungen von Funktionen und Nutzen, aber nur wenige Hinweise auf mögliche Risikopotentiale. Es wird zwischen abbaubaren und nicht abbaubaren Abgabesystemen unterschieden. Die Mehrheit der Experten geht davon aus, dass abbaubare Nanotransportsysteme wie die oben beschriebenen Fett-, Protein- oder Zuckerverbindungen vom Körper genauso verarbeitet werden wie größere Verbindungen und kein nanospezifisches Risiko darstellen [7]. Im Mittelpunkt der geäußerten Bedenken stehen mögliche Überdosierungen und Verschleppungseffekte von toxischen Stoffen aus der Umwelt, die mit den Drug-Delivery-Systemen quasi im Huckepack-Prinzip in den Organismus gelangen könnten. Dies sind jedoch alles Fragen, die empirisch beantwortet werden müssen und nur indirekt von ethischer Relevanz sind.

Als weitaus problematischer werden nicht abbaubare (persistente) Nanomaterialien bewertet. Verschiedene Studien zeigen negative gesundheitliche Auswirkungen z.B. für Fullerene [26] und Kohlenstoffnanoröhren, die ihren Einsatz für Transportsysteme in der Medizin nicht empfehlen [34]. Neuere Studien zu Nanoröhren weisen jedoch wiederum darauf hin, dass eine Risikobewertung stark von der gewählten Form und Anwendung abhängt und nur im Einzelfall erfolgen kann. Auch bei nicht abbaubaren, persistenten Nanomaterialien stellen sich Fragen zu Umweltrisiken – selbst wenn sie für den Menschen ungefährlich sein sollten. Dabei ist zu untersuchen, wie sie sich nach der Ausscheidung in die Umwelt verhalten, d.h. welche Auswirkungen sie auf Wasser, Boden und Luft haben können. Allerdings steckt die Forschung auf diesem Gebiet noch in den Kinderschuhen.

Nanotransportsysteme in der Medizin ergeben sich verschiedene ethische und soziale Fragen . Generell gelten Anwendungen in der Medizin als Sonderfall in der gesellschaftlichen Risikobewertung von Nanomaterialien. Die Kernfrage, wie viel Risiko eine Gesellschaft beim Einsatz neuer Technologien angesichts noch bestehender Wissenslücken einzugehen bereit ist, wird in der Medizin sehr individuell betrachtet [17]. Dabei werden die Gesundheit des Einzelnen und der potenzielle Nutzen durch den Einsatz von Nanomaterialien gegen die individuellen Risiken von Nebenwirkungen abgewogen. Je nach Schwere der Erkrankung und vorangegangenem Therapieversagen ist die Risikobereitschaft sehr hoch, wenn eine Therapie mit Nanomaterialien als erfolgsversprechende Methode oder „letzter Ausweg“ angesehen wird. Dies gilt sicherlich insbesondere für Krebstherapien, aber im weiteren Sinne auch für die anderen Anwendungen, bei denen Nanomaterialien die Wirksamkeit von Medikamenten erhöhen und Nebenwirkungen reduzieren.

Besonderes Augenmerk legen Ethiker auf die Überwindung der Blut-Hirn-Schranke und die daraus resultierenden potenziellen Anwendungsfelder [21, 15]. Die Möglichkeit, die Gehirnleistung bei Alzheimer positiv zu beeinflussen, könnte zur Leistungssteigerung bei Gesunden genutzt werden. Ein wichtiges Thema der ethischen Debatte ist daher die Möglichkeit des Missbrauchs dieser Anwendung zur nicht therapeutisch indizierten Verbesserung des Menschen (Human Enhancement) durch Medikamente. Die EU schließt in ihrem Verhaltenskodex die Forschung an Verfahren oder Materialien zur Verbesserung gesunder Menschen aus und macht die Reflexion ethischer und sozialer Aspekte von Forschungsprojekten für alle EU-Projekte verbindlich [12].

Auch im Zusammenhang mit militärischen Anwendungen wird die Missbrauchsproblematik angesprochen. Dabei geht es vor allem um die Medikation von Soldaten zur Konzentrationssteigerung oder zur Daueranwendung ohne Schlafbedürfnis sowie im weiteren Sinne um den Einsatz von Nano-Delivery-Systemen bei der Entwicklung biologischer Kampfstoffe [15]. Problematisch an der Debatte um die militärische Nutzung oder den Missbrauch von Nanomaterialien ist, dass sie aufgrund der Geheimhaltung der eigentlichen Projekte überwiegend im Bereich der Spekulation bleibt.

Neben der individuellen Risikobewertung und den Möglichkeiten des Missbrauchs ist die entscheidende Frage für Nano-Transportsysteme der mögliche Eintrag in die Umwelt. Umweltorganisationen und Ethiker beschäftigen sich gleichermaßen mit den offenen Fragen der Risikobewertung für die Umwelt [29]. Dies betrifft Forschung, Produktion und Entsorgung der Produkte sowie einen möglichen Eintrag in die Umwelt durch menschliche oder tierische Ausscheidungen. Da derzeit keine Langzeitstudien zum Einsatz von Nanomaterialien in der Medizin vorliegen, ist es schwierig, mögliche Gefahren abzuschätzen. Bis zum Vorliegen belastbarer Erkenntnisse gilt sowohl in der pharmazeutischen als auch in der chemischen Industrie der Grundsatz, den Kontakt zwischen Mensch und Umwelt mit Nanomaterialien über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu vermeiden. Besonderes Augenmerk wird auf die Verwendung von nicht abbaubaren kohlenstoffbasierten Nanomaterialien (Fullerene und Carbon Nanotubes) gelegt. Ethiker plädieren daher für einen verantwortungsvollen Umgang mit Nanomaterialien und setzen auf eine kritische Auseinandersetzung mit notwendigen Zulassungskriterien [15].

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In der Trainingseinheit 6.2 zu den „rechtlichen Aspekten“ molekulargenetischer Covid-19-Strategien werden wir dann sehen, wie einige der ethischen Fragen von der Gesetzgebung verschiedener Staaten sowie von der EU angegangen werden.

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¹ Dass die Nanotechnologie immer noch weitgehend im Schatten stattfindet, ist durchaus kritisch zu sehen: Denn obwohl Nanomaterialien nicht selten Bestandteil marktfähiger Produkte sind, muss der Hersteller bisher fast nirgendwo Auskunft geben (im Gegensatz z Meldepflicht bei Zusatzstoffen in Lebensmitteln). Wünschenswert wäre daher eine Kennzeichnungspflicht, wie sie innerhalb der EU für Produkte mit gentechnisch veränderten Inhaltsstoffen gilt, beispielsweise für Nanopartikel enthaltende Kosmetika und Textilien [9].

² Das Anwendungspotenzial von RNA-Vakzinen ist enorm: Künftig könnten damit zum Beispiel hartnäckige Krankheiten wie Tuberkulose, Aids und Malaria wirksam bekämpft werden; sowie die jährliche Grippeimpfung deutlich zu verbessern [10].

³ Manche Hoffnungen gehen dabei sehr weit: Molekulare Maschinen, die in den Körper eingebracht werden, können eines Tages autonom Diagnosen stellen und dann Maßnahmen ergreifen, um zum Beispiel erkannte Ablagerungen in den Arterien zu entfernen oder geschädigtes Gewebe gezielt zu rekonstruieren. Doch gerade solche Vorstellungen von einsatzfähigen „Nanorobotern“ machen vielen Menschen Angst. Was würde passieren, wenn diese Roboter außer Kontrolle geraten würden? Könnten sie dann wieder deaktiviert oder aus ihrem eigenen Körper „abgerufen“ werden? Hier besteht offensichtlich ein erhebliches Vertrauensdefizit.

⁴ Nicht unerwähnt bleiben soll, dass die relativ einfach herzustellenden mRNA-Wirkstoffe auch dazu beitragen könnten, seltenen (und oft erblichen) Krankheiten, den sogenannten „Orphan Diseases“, Heilungsmöglichkeiten zu eröffnen. Gerade diese Krankheiten finden in der Pharmaindustrie oft wenig Beachtung, da ihre Bekämpfung kaum rentabel ist.

⁵ So wurde kürzlich ein Bluttest für werdende Mütter entwickelt, der mit Hilfe „freier“ RNA das Risiko einer gefährlichen Schwangerschaftskomplikation (der „Präeklampsie“) frühzeitig bestimmen lässt.

⁶ Aber eine Impfempfehlung für Kinder (etwa im Alter von 6 bis 11 Jahren) kann natürlich schon ausgesprochen werden: und das gilt besonders für Kinder, die Kontakt zu gefährdeten älteren Erwachsenen haben. Denn welches Kind will schon seine Großeltern gefährden? Die Entscheidung zur Impfung liegt aber letztlich immer bei den Eltern mit elterlicher Sorge.

⁷ Beispielsweise treten beim Moderna- Impfstoff gelegentlich Anfälle von Müdigkeit, Fieber und Muskelschmerzen auf.

⁸ Dabei ist nicht entscheidend, dass die Impfung gegen Corona nicht in der Lage ist, absolut zu schützen ( dh eine langfristige Immunität zu gewährleisten): Es genügt der Nachweis, dass die Impfung im Falle einer Infektion die Krankheitssymptome deutlich abschwächen kann.

⁹ Dabei ist es äußerst hilfreich, dass RNA-Impfstoffe sehr schnell entwickelt und modifiziert werden können. Wie Ron Renaud, CEO der Firma Translate Bio , sagte: „Man kann die Sequenz fast im Handumdrehen ändern und an die aktuell zirkulierenden Erregerstämme anpassen“ (zitiert nach Dolgin, 2021 [10])

¹⁰ Bemerkenswert ist allerdings, dass ausgerechnet in Wuhan ein Labor beheimatet ist, das über die weltweit größte Sammlung von Coronaviren verfügt [5].

¹¹ Auf die Bezüge der Coronavirus-Forschung zur „Synthetischen Biologie“ und zur sogenannten „Gain-of-Function“ (GoF)-Forschung, bei der ein Organismus mit neuen Fähigkeiten ausgestattet wird, soll hier nicht näher eingegangen werden. Bemerkenswert ist jedoch, dass ein Forscherteam um den Biologen Ralph Baric 2015 ein künstliches Coronavirus herstellte, indem es Spike-Proteine eines Fledermaus-Erregers mit einem Sars- CoV – Derivat kombinierte: Solche konstruktiven Forschungsprojekte sind nicht harmlos, solange keine absolute Gewissheit besteht dass die veränderten Organismen nicht in die Umwelt gelangen und dort vielleicht eine Pandemie auslösen können. Andererseits können GoF- Experimente auch dazu beitragen, weit verbreitete Epidemien zu verhindern, indem sie zeigen, welche Modifikationen eines potenziellen Erregers gefährlich werden könnten. Laut der deutschen GoF – Expertin Silke Stertz „profitieren wir in der aktuellen Pandemie auch davon, dass sich Forscher seit Jahrzehnten mit Sars- CoV und anderen Coronaviren beschäftigen und nach Möglichkeiten suchen, sich dagegen zu impfen“ (zitiert nach Spektrum der Wissenschaft, 2022 [27]).

¹² Die Bedeutung dieser Lipid-Nanopartikel sollte nicht unterschätzt werden. Wie es der norwegische Experte Nick Jackson ausdrückte: „Lipid Nanoparticles have endlich erlaubt, dass RNA-Moleküle gegen ein breites Spektrum von Krankheiten eingesetzt werden können“ (zitiert nach Dolgin, 2021 [10])

¹³ Künftig sollen beispielsweise mRNA-basierte Krebstherapien gezielt Signale und Signalwege blockieren, indem sogenannte „kleine Moleküle“ auf der Oberfläche von Tumorzellen als Rezeptorblocker wirksam werden. Vorteilhaft wäre hier, dass die Sequenz der mRNA leicht individuell angepasst werden könnte [28].

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Test LO 6.1

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Zusammenfassung

Trotz des Fehlens spezifischer Regulierungsrichtlinien sind viele Nanomedikamente auf dem Markt, und ihre Zahl nimmt stetig zu. Sie werden vor allem in der Krebstherapie eingesetzt, da sie hartnäckige toxische Verbindungen erfordern und die Tumorlandschaft sehr schwierig ist, was eine wirksame medikamentöse Behandlung behindert. Das Fehlen einer formellen Regulierung von Nanomedikamenten und der Herstellung von Nanomaterialien für gesundheitsbezogene Anwendungen ist ein weltweites Problem. Die Inkonsistenz zwischen den verschiedenen Regierungsbehörden führt dazu, dass einige Nanomedikamente als Medizinprodukte und andere als Arzneimittel eingestuft werden.
Daher sollte ein globales Konsortium für die Regulierung von Nanomaterialien gebildet werden, um diese Agenden voranzutreiben und formelle Leitlinien für die Forschungsgemeinschaften herauszugeben. Derzeit haben wir es im Zusammenhang mit Nanomaterialien in der Europäischen Union sowohl mit verbindlichen Rechtsakten als auch mit nicht verbindlichen Rechtsakten zu tun, wie z. B. Empfehlungen zur fairen Durchführung wissenschaftlicher Forschung oder zur Anwendung einer einheitlichen Definition von Nanomaterialien.

Schlüsselwörter/Phrasen: Rechtliche Regulierung, Sicherheit von Nanomaterialien, Europäische Union: REACH, Vorsorgeprinzip, internationale Entwicklungen

1. Einleitung

Die COVID-19-Pandemie ist zu einer der größten globalen Gesundheitsbedrohungen der modernen Geschichte geworden. Fortschritte in der Entwicklung der Nanotechnologie haben Abhilfe in Form von diagnostischen Schnelltests und schnell entwickelten Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 geschaffen [43]. Bei der Entwicklung nanotechnologischer Lösungen für globale Gesundheitsprobleme müssen jedoch rechtliche Erwägungen berücksichtigt werden [43, 23]. In der Europäischen Union (EU) wurde dies als Schlüsseltechnologie anerkannt, die neue und innovative medizinische Lösungen für unerfüllte medizinische Bedürfnisse bieten kann [44]. Es gibt immer mehr Anwendungen und Produkte, die Nanomaterialien oder zumindest auf Nanotechnologie basierende Angaben enthalten. Der Einsatz von Nanotechnologie bei der Entwicklung neuer Medikamente ist heute ein Teil der pharmazeutischen Forschung [2, 35, 37, 47].

Die Anwendung der Nanotechnologie für medizinische Zwecke wird als Nanomedizin bezeichnet. Es ist definiert als die Verwendung von Nanomaterialien zur Diagnose, Überwachung, Kontrolle, Prävention und Behandlung von Krankheiten [47]. Es bedarf jedoch weiterer Forschung mit besonderer Relevanz für regulatorische Fragen, insbesondere im Hinblick auf die Umsetzung der Definition von Nanomaterialien, die Durchsetzung der Produktkennzeichnung, die Entwicklung von Methoden für Sicherheitsprüfungen und Risikobewertungen sowie eine verbesserte Verfügbarkeit von Qualitätsdaten zu Nanomaterialien für regulatorische Zwecke [39]. Während die Definition von Nanomaterialien bei verschiedenen wissenschaftlichen und internationalen Regulierungsbehörden umstritten ist, wurden einige Anstrengungen unternommen, um eine einheitliche Definition zu finden.

Aufgrund ihrer geringen Größe besitzen Nanomaterialien neuartige physikalisch-chemische Eigenschaften, die sich von denen ihrer konventionellen chemischen Äquivalente unterscheiden. Diese physikalisch-chemischen Eigenschaften eröffnen eine Reihe von Möglichkeiten für die Arzneimittelentwicklung. Einige Beispiele für die Anwendung von Nanomaterialien umfassen.

• Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Nanoformulierung, die zu Veränderungen der Pharmakokinetik führen können, dh Resorption, Verteilung, Elimination und Metabolismus,
• das Potenzial, biologische Barrieren leichter zu überwinden,
• toxische Eigenschaften und
• ihre Persistenz in der Umwelt und
• Stoffwechselwege im menschlichen Körper [2, 47].

Während die Forschungsgemeinschaft die Nanomedizin, ihre Wirksamkeit und damit verbundene Sicherheitsfragen weiter erforscht, wird es entscheidend sein, die wissenschaftlichen und regulatorischen Lücken zu schließen, um sicherzustellen, dass die Nanomedizin die nächste Generation biomedizinischer Innovationen erreichen kann.

Erstens ist es angebracht, eine klare Definition für das Vorhandensein von Nanomaterialien festzulegen. Die Europäische Kommission (EC) hat eine Definition auf der Grundlage der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission und des Wissenschaftlichen Ausschusses für neu auftretende und neu identifizierte Gesundheitsrisiken erstellt. Diese Definition wird nur als Referenz verwendet, um zu bestimmen, ob ein Material als Nanomaterial gilt oder nicht. Die Europäische Kommission hält daran fest, dass es als Referenz für zusätzliche regulatorische und politische Rahmenbedingungen in Bezug auf Qualität, Sicherheit, Wirksamkeit und Risikobewertung verwendet werden sollte [4]. Die EMA-Arbeitsgruppe führt Nanoarzneimittel als zielgerichtet entwickelte Systeme für klinische Anwendungen ein, die mindestens eine Komponente im Nanomaßstab aufweisen und reproduzierbare Eigenschaften und Merkmale in Bezug auf die spezifische Nanotechnologieanwendung und Merkmale für den beabsichtigten Gebrauch (Verabreichungsweg, Dosis) aufweisen erwarteter klinischer Nutzen der Nanotechnologie (z.B. bevorzugte Organ-/Gewebeverteilung) [35]. Nach ersterer Definition gibt es drei grundlegende Aspekte, um das Vorhandensein eines Nanomaterials festzustellen, nämlich.

• Größe,
• Partikelgrößenverteilung (PSD) und
• Oberfläche [10].

Idealerweise sollte die Charakterisierung eines Nanomaterials in verschiedenen Stadien seines Lebenszyklus durchgeführt werden, vom Design bis zur Bewertung seiner In-vitro- und In-vivo-Leistung. Wechselwirkungen mit dem biologischen System oder sogar Probenvorbereitungs- oder Extraktionsverfahren können einige Eigenschaften verändern und einige Messungen beeinflussen. Darüber hinaus ist die Bestimmung physikalisch-chemischer Eigenschaften in vivo und in vitro wichtig, um das potenzielle Risiko von Nanomaterialien zu verstehen [7].

2. Gesamtrechtliche Regelungen

Nanotechnologie ist somit ein sehr weites Feld, das eine Reihe von Nanotechnologien umfasst, darunter Pharmazeutika, Biotechnologie, Genomik, Neurowissenschaften, Robotik und Informationstechnologien [1]. Die Regulierungsbehörden haben daher seit dem Jahr 2000 begonnen, sich mit den potenziellen Risiken von Nanopartikeln zu befassen [41]. Seit 2004 entwickelt die EU eine Regulierungspolitik, um die Kontrolle zu verschärfen und die Angemessenheit der Regulierung und das Wissen über die Risiken der Nanotechnologie zu verbessern [30].

Derzeit gibt es spezifische Regelungen zu Nanomaterialien für Biozide, Kosmetika, Lebensmittelzusatzstoffe, Lebensmittelkennzeichnung und Lebensmittelkontaktmaterialien [1]. Die Beobachtung ist, dass Nanotechnologien zwangsläufig Fragen aufwerfen, wie z.

• Öffentliches Vertrauen,
• mögliche Risiken,
• Probleme mit Umweltauswirkungen,
• Transparenz von Informationen,
• verantwortliche Nanowissenschaften und
• Nanotechnologieforschung.

Die Nanotechnologie wird als Dual-Use-Technologie definiert, da sie Chancen für den menschlichen Fortschritt und die Entwicklung bietet, aber auch eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit und das menschliche Leben sowie für die Umwelt darstellen kann [1, 13, 30]. Es ist ein sehr junges Gebiet, und die Auswirkungen von Nanomaterialien auf den menschlichen Körper und die Umwelt, insbesondere langfristig, sind nicht immer bekannt [38]. Nanomaterialien können eine erhöhte biologische Aktivität aufweisen, da sie biologische Membranen leicht durchdringen und daher toxische Eigenschaften haben und eine Gefahr für Menschen und Tiere darstellen können.

Relevante gesetzliche Regelungen in der Europäischen Union adressieren die Nanotechnologie nicht direkt, daher sollten neue Instrumente geschaffen werden, um die möglichen schädlichen Auswirkungen der Verwendung von Nanomaterialien zu verhindern [38]. Die Möglichkeit, zukünftig eine kollektive Rechtsordnung zu schaffen, wird in der Regel nicht in Betracht gezogen, da dies nur unter der Bedingung möglich ist, vollständige Kenntnisse über die Eigenschaften von Nanomaterialien zu erlangen. Es geht also um die Anwendung einer einheitlichen Definition von Nanomaterialien, die Entwicklung von Messinstrumenten in Bezug auf Nanomaterialien, die Entwicklung von Sicherheitstests und Methoden der Risikobewertung.

Ziel der EU-Gesetzgebung ist es,

• der Öffentlichkeit Zugang zu innovativen Anwendungen der Nanotechnologie zu verschaffen, und
• gleichzeitig die Sicherheit und den Schutz von Gesundheit und Umwelt gewährleisten.

3. Das Thema Nanomaterialsicherheit

Der Rechtsrahmen der Europäischen Union (EU), der aus mehreren horizontalen und sektorspezifischen Rechtsvorschriften besteht, deckt Nanomaterialien explizit oder implizit ab. Somit sind Nanomaterialien und insbesondere die damit verbundenen potenziellen Risiken grundsätzlich von der bestehenden Gesetzgebung erfasst, auch wenn Nanomaterialien nicht explizit erwähnt werden [39]. Darüber hinaus befassen sich kürzlich aktualisierte produktspezifische EU-Rechtsvorschriften sowie neu vorgeschlagene Rechtsvorschriften ausdrücklich mit Nanomaterialien, einschließlich spezifischer Informationsanforderungen zu Nanomaterialien, der Zulassung von Nanomaterialien für bestimmte Verwendungen und einer Sicherheitsbewertung, die nanospezifische Eigenschaften berücksichtigt [39]. Die Überprüfung der Rechtsvorschriften zu Nanomaterialien durch die Europäische Kommission kam zu dem Schluss, dass Nanomaterialien normalen Chemikalien/Substanzen darin ähneln, dass einige toxisch sein können, während andere dies nicht sind. Potenzielle Risiken beziehen sich auf bestimmte Nanomaterialien und bestimmte Verwendungen. Die Risikobewertung von Nanomaterialien sollte von Fall zu Fall anhand relevanter Informationen durchgeführt werden. Aktuelle Risikobewertungsmethoden sind anwendbar, obwohl weitere Forschung zu bestimmten Aspekten der Risikobewertung erforderlich ist [39].

Obwohl die Europäische Kommission eine Empfehlung für eine Definition von Nanomaterial verabschiedet hat, ist dieser Begriff derzeit nicht eindeutig und rechtsverbindlich definiert, seine Definition und Umsetzung hängen jedoch vom spezifischen rechtlichen Kontext ab.

• Zunächst stellt sich die Frage, ob „zukünftiges Recht zur [Nanotechnologie] wohl auf Vorrecht analoger Vorprodukte oder Verfahren gestützt werden muss“, also ob sie beispielsweise mit der Biotechnologie vereinbar sind [6, 33].
• Einige Autoren sehen die Möglichkeit, die Sicherheit der Verwendung von Nanomaterialien auf außergerichtlichem Wege zu erhöhen [29].
• Andere sehen aufgrund der Veränderungsdynamik in diesem Bereich einen dringenden Bedarf für den Einsatz von Soft Law [29]. Die in der internationalen Literatur aufgeworfene Hauptfrage lautet, ob die Nanotechnologie in den Rechtsrahmen aufgenommen werden sollte oder ob die sogenannten Soft-Law-Mechanismen genutzt werden können.
• Aktuell beschäftigen wir uns im Zusammenhang mit Nanomaterialien in der Europäischen Union sowohl mit verbindlichen Rechtsakten (Verordnungen, Richtlinien) als auch mit unverbindlichen Rechtsakten, wie z. B. Empfehlungen zur fairen Durchführung wissenschaftlicher Forschung oder der Anwendung einer einheitlichen Definition von Nanomaterialien [45].¹ .

Soft Law umfasst :

• Beschlüsse,
• Richtlinien,
• Erklärungen,
• Mitteilungen,
• Programme,
• Pläne, in der Regel von den am Gesetzgebungsverfahren beteiligten Behörden erlassen, deren Ergebnis ein allgemein gültiger Rechtsakt ist.

Die Konstruktion von Soft-Law-Instrumenten soll eine Grundlage für die zukünftigen Hard-Legal-Regelungen liefern.

• Die Literatur weist auch auf die Notwendigkeit hin, die Aspekte des geistigen Eigentums im Zusammenhang mit der Nanotechnologie zu regulieren. Auch im Rahmen des Patentrechts stellt sich die Frage, ob nanotechnologische Erfindungen wegen der unbekannten potenziellen Risiken für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt ebenso wie biotechnologische Erfindungen von der Patentierung ausgeschlossen werden sollten [6, 33]. Wenn es sich später um eine Technologie handelt, werden einige der Probleme der Nanotechnologie spezifisch sein und können daher „nur durch die Schaffung völlig neuer Regeln angegangen werden“. [18, 50].
• Wichtig sind übrigens auch die freiwilligen Programme, die darauf abzielen, Informationen zu sammeln, die für die Gestaltung von Rechtsinstrumenten nützlich sind.
• In Übereinstimmung mit der Position der EU-Gremien schlagen einige Autoren vor, bestehende Formen der Zusammenarbeit im Bereich der Nanotechnologie zu stärken und die Staaten zu ermutigen, interne gesetzliche Regelungen zu schaffen [16, 17].
• Ein schwieriges Thema ist die Möglichkeit, die Nanotechnologie im Rahmen künftiger Rahmenabkommen auf internationaler Ebene zu regulieren [28]. Einige Autoren sind sich einig, dass die Regulierung der Nanotechnologie auf internationaler Ebene eine große Herausforderung darstellt, da Nanomaterialien auf unterschiedliche Weise verwendet werden. Es zeichnet sich jedoch ab, dass in Zukunft umfassende Regelungen im Bereich der Nanotechnologie geschaffen werden. Die Schaffung von Best Practices für den Umgang mit Nanomaterialien zur Anwendung auf internationaler Ebene könnte hierauf einen wesentlichen Einfluss haben. Nanotechnologien sind ein interdisziplinäres Fach, was sich in einem sehr breiten Spektrum möglicher Anwendungen widerspiegelt. Nanotechnologien umfassen heute die meisten Bereiche der Technik [28].

In der Literatur taucht das Konzept der Nanoethik auf, definiert als moralische Reflexion über die Entwicklung und Anwendung der Nanotechnologie oder die Manipulation von Materie auf molekularer Ebene. In diesem Zusammenhang beginnen sich Dilemmata hinsichtlich der potenziellen Schädlichkeit von Nanopartikeln zu ergeben. Bei der Nanotechnologie stellt sich die Frage nach ihrer Verfügbarkeit und ihren Auswirkungen auf das Wohlergehen der Menschheit. Es besteht die begründete Befürchtung, dass die Nanotechnologie zu einem weiteren Element wird, das die Teilung der Welt in entwickelte und rückständige Länder oder kontrollierte und kontrollierte Länder verstärkt [43].² .

4. Gesetzliche Regelungen im Bereich der Nanotechnologie

4.1. Vorsorgeprinzip als Grundlage der Nanotechnologie-Regulierung

Gemäß Grundsatz 15 der Rio-Erklärung sollte das Fehlen vollständiger wissenschaftlicher Gewissheit kein Grund sein, kostenwirksame Maßnahmen zur Vermeidung von Umweltschäden aufzuschieben [42]. Kurz gesagt, das Vorsorgeprinzip spiegelt einen „better safe than sorry“-Ansatz für potenzielle Umweltrisiken wider [36]. Das heißt, nach derzeitigem Kenntnisstand ähneln Nanomaterialien Naturstoffen darin, dass einige toxisch sein können, andere nicht [21]. Das potenzielle Risiko hängt mit bestimmten Nanomaterialien und bestimmten Anwendungen zusammen. Daher ist im Falle von Nanomaterialien eine Risikobewertung erforderlich und sollte von Fall zu Fall anhand relevanter Informationen durchgeführt werden. Derzeit besteht die größte Herausforderung darin, validierte Methoden und Werkzeuge für den Nachweis, die Charakterisierung und Analyse von Nanomaterialien zu entwickeln, vollständige Informationen über die mit Nanomaterialien verbundenen Risiken zu erhalten und Methoden zur Bewertung der Exposition gegenüber Nanomaterialien zu entwickeln.

Trotz der bisher durchgeführten Studien können wir die damit verbundenen Risiken nicht quantitativ abschätzen. Die Toxizität einzelner Nanopartikel ist sehr unterschiedlich, was es schwierig macht, ein gemeinsames Kriterium festzulegen. Die Toxizität von Nanopartikeln wird in Bezug auf einzelne Organismen bewertet: Säugetiere, Protozoen, Krebstiere, Algen und Pflanzen. Die Toxizität gegenüber Säugetieren wird an Nagetieren getestet. Es gibt nur wenige Versuche, den Gesundheitszustand von Menschen zu bewerten, die beruflich exponiert sind. Wenige Studien an menschlichen Zelllinien zeigten signifikante DNA-Schäden [27].

Da die von Nanomaterialien ausgehenden Risiken noch nicht vollständig verstanden sind, sollten sie durch eine vielschichtige und vielfältige Gesetzgebung abgedeckt werden. Die neuen Vorschriften müssen auf der Grundlage des Vorsorgeprinzips und des Grundsatzes der Herstellerverantwortung entworfen werden, um die sichere Herstellung, Verwendung und Entsorgung von Nanomaterialien zu gewährleisten, bevor sie auf den Markt gebracht werden. Das Vorsorgeprinzip ermöglicht eine schnelle Reaktion auf potenzielle Risiken für die Gesundheit von Mensch, Tier oder Pflanze oder den Schutz der Umwelt. Nach Ansicht der Kommission kann das Vorsorgeprinzip geltend gemacht werden, wenn das Phänomen, Produkt oder die Tätigkeit potenzielle Sicherheitsrisiken birgt, die durch eine wissenschaftliche und objektive Bewertung identifiziert wurden, wenn eine solche Bewertung es ermöglicht, eine solche Bedrohung mit hinreichender Sicherheit zu erkennen [24].

Bei Nanomaterialien müssen wir uns sicherlich mit der Situation auseinandersetzen, dass keine vollständige Kenntnis über die Risiken besteht, die sich aus ihrer Verwendung ergeben. Dieses Prinzip ist in den Rechtsordnungen vieler Länder verankert. Die Europäische Union hat ihn in Artikel 191 Absatz 2 des Vertrags über die Arbeitsweise der Europäischen Union (AEUV) aufgenommen, wodurch die Mitgliedstaaten verpflichtet sind, diesen Grundsatz in ihren Rechtsvorschriften anzuwenden. Die Umsetzung dieser Bestimmung hilft bei der Einschätzung des potenziellen Risikos. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass selbst wenn das Vorhandensein von Nanopartikeln in den Elementen der Umwelt oder im Abfall nachgewiesen werden kann, es technisch schwierig wäre, sie zu beseitigen. Daher können die Maßnahmen, die am Ende der Kontaminationskette ergriffen werden, um die möglichen negativen Folgen für die Umwelt und die menschliche Gesundheit zu verhindern, nicht wirksam sein [21].

Bereits 2009 empfahl das Europäische Parlament den Mitgliedstaaten, in eine angemessene Bewertung der Risiken im Zusammenhang mit der Verwendung von Nanomaterialien zu investieren, um die Wissenslücken zu schließen und Bewertungsmethoden sowie geeignete und harmonisierte Metrologie und Nomenklatur rasch zu entwickeln und umzusetzen. Es gibt keine Methoden zur Bewertung der mit Nanomaterialien verbundenen Risiken, was es unmöglich macht, wirksame Regulierungsmechanismen in diesem Bereich zu entwickeln [40].

Nur mit einer detaillierteren und umfassenderen wissenschaftlichen Forschung können Wissenschaftler die potenziellen Risiken von Nanomaterialien bewerten und eine angemessene Risikobewertung durchführen, wie es das Vorsorgeprinzip erfordert [36]. Folglich unterstützt das Vorsorgeprinzip die Verbesserung neuer Technologien und verhindert nur den Einsatz neuer umweltschädlicher Technologien. Das Vorsorgeprinzip behindert neue Technologien nicht. Vielmehr findet es ein umsichtigeres Gleichgewicht zwischen technologischem Fortschritt und Umweltsicherheit und gibt der Umwelt den Vorteil des Zweifels.

Rechtlich unverbindliche Vorschriften haben jedoch viele Vorteile, die verbindliche Vorschriften nicht haben. Erstens kann es einfacher sein, zu einem bestimmten Thema einen Konsens zu erzielen, da die Hemmschwelle aufgrund der niedrigeren Hemmschwelle für Parteien erreicht wird, nicht bindenden Regelungen zuzustimmen [3]. Diese niedrigere Hemmschwelle kann sehr hilfreich sein, um einen gemeinsamen Diskurs über mögliche Regelungen anzustoßen. Zweitens sind Soft Laws kostengünstiger und flexibler in ihrer Aushandlung und Umsetzung [46]. Drittens ist der Zwangscharakter eines Gesetzes keine Garantie dafür, dass betroffene Personen sich daran halten. Vielmehr gibt es viele Gründe, warum Individuen sich an rechtlich unverbindliche Regeln halten, wie ihre Sozialisation, ihr Eigennutz, die Moralvorstellungen ihrer Gesellschaft sie daran hindern.

Die internationale Gemeinschaft sollte nicht nur die Bedeutung des Schutzes der Umwelt vor den negativen Auswirkungen von Nanomaterialien im Auge behalten, sondern auch über zukünftige Vorschriften für andere neue Technologien nachdenken. Da die Risiken durch neue Technologien eine der größten Umweltherausforderungen der Zukunft sein werden, muss die internationale Gemeinschaft ihre Fähigkeit unter Beweis stellen, die Herausforderungen dieser neuen Technologien erfolgreich anzugehen. Eine wirksame internationale Regulierung von Nanomaterialrisiken muss daher einen wichtigen Schritt in eine neue Ära des Umweltrechts gehen.

4.2. Behandlung in der Europäischen Union

In der Mitteilung der Europäischen Kommission (EK) „Nanowissenschaften und Nanotechnologien: Ein Aktionsplan für Europa für 2005-2009. Zweiter Umsetzungsbericht für 2007-2009“ wurde festgestellt, dass die Nanotechnologie ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Lebensqualität und der industriellen Wettbewerbsfähigkeit bietet Europa [26]. Seine Entwicklung und Anwendung sollte nicht verzögert, unausgewogen oder dem Zufall überlassen werden [25]. Damals wurde eine erste Überprüfung des regulatorischen Rahmens im Bereich der Nanotechnologie durchgeführt, um zu untersuchen, ob neue regulatorische Maßnahmen erforderlich sind, um die mit Nanomaterialien verbundenen Risiken abzudecken.

Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass die bestehenden Vorschriften Gesundheitsfragen und Umweltauswirkungen grundsätzlich abdecken. Die Regulierungsbehörden der Mitgliedstaaten wurden beauftragt, die nationalen Rechtsvorschriften zu bewerten und darin bestehende Lücken zu identifizieren. Schon damals wurde ein präventiver Umgang mit der Nanotechnologie empfohlen. In Ermangelung vollständiger Kenntnisse über Nanomaterialien wurde empfohlen, bestehende rechtliche Mechanismen in Bezug auf Schwellenwerte, die Zulassung von Stoffen und Inhaltsstoffen, die Einstufung gefährlicher Abfälle, die Stärkung der Konformitätsbewertungsverfahren, die Beschränkung des Inverkehrbringens chemischer Stoffe und Zubereitungen und deren Verwendung zu nutzen. Angesichts der begrenzten Ressourcen und der sich schnell entwickelnden Technologie ist es jedoch wahrscheinlicher, dass ein selbstregulierender Ansatz verfolgt wird, „vielleicht unterstützt durch starke Anreize in Form von Haftungsansprüchen aus unerlaubter Handlung oder Strafgesetzen“. [18].

2009 verabschiedete das Europäische Parlament (EP) einen Bericht zu den regulatorischen Aspekten von Nanomaterialien, der auch die Mitteilung der Kommission vom 17. Juni 2008 mit dem Titel „Regulatorische Aspekte von Nanomaterialien“ (COM (2008) 366) berücksichtigte. Der Bericht zeigt, dass die Europäische Kommission die Vorteile der nanotechnologischen Entwicklung sieht, sich aber gleichzeitig der Risiken bewusst ist, die diese Entwicklung für Mensch und Umwelt mit sich bringt. Die Europäische Kommission bestätigt, dass das Wissen über die potenziellen Risiken von Nanomaterialien unvollständig ist. Es gibt keine Hinweise auf die Risiken, die von bestimmten Nanomaterialien ausgehen, und es fehlt insgesamt an Methoden, um die Risiken angemessen zu bewerten, die mit Bedenken gegenüber Nanomaterialien verbunden sind. Angesichts der vielen Zweifel an der Verwendung von Nanomaterialien erscheint es dringend notwendig, diesen Bereich in den Rechtsrahmen aufzunehmen.

Aus diesem Grund überprüft die Europäische Kommission seit 2008 die bestehenden Regelungen zur Verwendung von Nanomaterialien und identifiziert zukünftige Maßnahmen. In der zweiten Überprüfung der Rechtsvorschriften zu Nanomaterialien betont die Europäische Kommission die Notwendigkeit, die EU-Rechtsvorschriften zu verbessern, um die sichere Verwendung von Nanomaterialien zu gewährleisten. Die Mitteilung hebt die vielfältigen Eigenschaften und Arten von Nanomaterialien hervor, die von alltäglichen Materialien, wie sie seit Jahrzehnten verwendet werden (z.B. in Reifen oder als Antikoagulanzien in Lebensmitteln), bis hin zu fortschrittlichen Materialien, die in der Industrie und in der Krebstherapie verwendet werden. Immer mehr wird über die gefährlichen Eigenschaften von Nanomaterialien bekannt.

Sie können nicht kategorisiert werden, was die Notwendigkeit einer Risikobewertung für bestimmte Anwendungen rechtfertigt. Die Europäische Kommission betont, dass bei der Risikobewertung ein individueller Ansatz verfolgt werden sollte, wobei Strategien verwendet werden sollten, die auf Informationen über die potenziellen Risiken in Bezug auf Exposition oder Gefährdung basieren. In den letzten Jahren hat die Mehrheit der Mitgliedstaaten an Rechtsvorschriften gearbeitet, um die Verwendung von Nanomaterialien zu regulieren. Die aktuellen Regelungen zur Verwendung von Nanomaterialien bestehen im Wesentlichen aus zwei Regelungen,

• die sogenannte REACH-Verordnung (Registrierung, Bewertung und Zulassung von Chemikalien) ((EG) Nr. 1907/2006) und
• die CLP-Verordnung (Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung) ((EG) Nr. 1272/2008).

Nanomaterialien werden bereits in zahlreichen Produkten des täglichen Gebrauchs eingesetzt, die Risiken sind jedoch noch nicht ausreichend erforscht, denn für viele Nanomaterialien gibt es kaum belastbare Daten, um deren potenzielle Risiken abzuschätzen. Diese Wissenslücke zu schließen, ist eigentlich Aufgabe des europäischen Chemikalienrechts. Allerdings enthalten die meisten Chemikalien- und Produktgesetze bisher keine oder nur begrenzte Vorgaben zum Umgang mit Nanomaterialien.

REACH, die Abkürzung für Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals, ist ein Meilenstein zum Schutz von Mensch und Umwelt vor gesundheitsschädlichen Stoffen. Die EU-Verordnung verpflichtete die Industrie erstmals ab Juni 2007, Daten zu den Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen ihrer Chemikalien vorzulegen – als Voraussetzung dafür, dass sie überhaupt in Verkehr gebracht werden können [21]. Bis dahin mussten schädliche Wirkungen vom Gesetzgeber nachgewiesen werden, bevor eine Chemikalie verboten werden konnte. REACH hat nun die Beweislast umgekehrt. Es gilt der Grundsatz: Keine Daten, kein Markt.

REACH hat auch die Informationsrechte der Verbraucher gestärkt. Verbraucher haben das Recht, beim Hersteller oder Vertreiber eines Produkts nachzufragen, ob es einen besonders gefährlichen Stoff enthält. Unternehmen sind verpflichtet, darauf zu reagieren.

REACH legt strenge Regeln für die Verwendung besonders gefährlicher Stoffe fest. Sie dürfen nur dann weiterverwendet werden, wenn hierfür eine Sondergenehmigung erteilt wird oder wenn es keine sicheren Alternativen gibt. Chemikalien gelten als „besonders besorgniserregende Stoffe“, wenn sie:

• Krebs verursachen und das Erbgut oder die Fortpflanzungsfähigkeit schädigen,
• bauen sich nicht in der Umwelt ab, reichern sich bei Mensch und Tier an und sind giftig,
• in der Umwelt praktisch nicht abgebaut werden und sich sehr stark im Körper anreichern, für die aber noch keine toxische Wirkung nachgewiesen wurde,
• ähnliche gefährliche Wirkungen haben, z.B. hormonelle Wirkungen.

Darüber hinaus berät die ECHA-Arbeitsgruppe für Nanomaterialien (NMWG), die sich aus Experten aus EU-Mitgliedstaaten, der Europäischen Kommission, der ECHA und anerkannten Interessenverbänden zusammensetzt, informell zu wissenschaftlichen und technischen Fragen im Zusammenhang mit der Umsetzung von REACH und der Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung (CLP)-Gesetzgebung in Bezug auf Nanomaterialien. Darüber hinaus organisierte die ECHA eine Arbeitsgruppe zur Bewertung bereits registrierter Nanomaterialien (GAARN), um sich mit bewährten Verfahren für die Bewertung und Verwaltung der Sicherheit von Nanomaterialien gemäß REACH zu befassen. Die ECHA berücksichtigt die Ergebnisse dieser Expertengruppen bei der Entwicklung neuer oder aktualisierter Leitlinien. Die Arbeit der wissenschaftlichen Ausschüsse fließt auch in die Arbeit anderer EU-Gremien wie der EFSA, der Europäischen Arzneimittelagentur (EMA) und der ECHA ein. Alle wissenschaftlichen Gutachten der Wissenschaftlichen Ausschüsse werden im Internet veröffentlicht.

Gemeinsam mit dem Center for International Environmental Law (CIEL) und der Interessenvertretung ClientEarth hat der BUND in Deutschland einen eigenen Vorschlag zur Regulierung von Nanomaterialien vorgelegt [5]. Dieser Vorschlag sieht eine neue horizontale EU-Verordnung vor. Sie enthält einerseits allgemeine Grundsätze zur Regulierung von Nanomaterialien und andererseits konkrete Anpassungen einzelner EU-Verordnungen, insbesondere der europäischen Chemikalienverordnung REACH.

Das fordert der BUND im Hinblick auf die Regelungen von REACH:

• Übernahme der bereits 2011 von der EU-Kommission vorgeschlagenen Definition für Nanomaterialien in alle relevanten Gesetze. Diese sind bisher jedoch unverbindlich.
• Eine generelle Meldepflicht für alle Nanomaterialien und Nanoprodukte. Diese sollen in einem EU-weiten Nanoregister geführt werden.
• Kennzeichnung von Nanomaterialien auf Produkten in der Zutatenliste.
• Lücken für Nanomaterialien in REACH schließen.
• Ein Nanoregister [5].

4.3. Vorschriften

Regelungen zu Nanomaterialien finden sich auch in Verordnungen. Da Nanotechnologien auch in der Medizin Anwendung finden, erschien 2001 eine Richtlinie zum Gemeinschaftskodex für Humanarzneimittel (Richtlinie 2001/83/EG) [41]. Auch Verfahren zur Zulassung von Arzneimitteln wurden etabliert ((EG) Nr. 726/2004) [8]. Um die Sicherheit zu gewährleisten, ist es ratsam, ein Register von Nanomaterialien und Produkten, die Nanomaterialien enthalten, zu erstellen. Ein solches Register erleichtert die Überwachung von Unternehmen, die Nanomaterialien in Verkehr bringen, und gewährleistet die Transparenz von Produktdaten für Käufer. Es sollte anerkannt werden, dass die Europäische Union konsequent daran arbeitet, die Nanotechnologie zu regulieren.

Einzelne EU-Mitgliedsstaaten haben mit der Umsetzung von Initiativen begonnen, die darauf abzielen, die Öffentlichkeit besser über Entwicklungen in der Nanotechnologie zu informieren. Im Vereinigten Königreich wurde das Projekt DEEPEN (Deepening Ethical Engagement and Participation with Emerging Nanotechnologies) ins Leben gerufen, um eine Grundlage für die gesellschaftliche Akzeptanz der Nanotechnologieentwicklung zu schaffen [11]. In den Niederlanden war es das Programm Nanopodium, eines der wichtigsten Programme für den sozialen Dialog in der Europäischen Union [49]. Belgien hat das Nanosoc- Programm ins Leben gerufen, das darauf abzielt, eine gemeinsame Plattform für Diskussionen über Nanotechnologie für Forscher, Unternehmen und die Gesellschaft zu schaffen. Obwohl die Nanotechnologie nicht die Art von Kontroversen hervorruft wie die Biotechnologie, und die Gesellschaften den diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten der Nanotechnologie tendenziell positiver gegenüberstehen, fordern sie zunehmend detaillierte Informationen über die langfristigen Auswirkungen von Nanopartikeln auf den Körper.

In Deutschland wurde das Projekt Nanologue ins Leben gerufen, um die Vorteile und Folgen der Nanotechnologie aufzuzeigen, die ethischen, sozialen und rechtlichen Fragen im Zusammenhang mit ihrer Nutzung aufzuklären und den Dialog zwischen der Öffentlichkeit und anderen interessierten Kreisen zu fördern [48]. Die gesellschaftliche Akzeptanz und der Abbau von Bedenken gegenüber Nanomaterialien werden sich positiv auf die Zukunft und Entwicklung der Nanotechnologie auswirken. Der soziale Dialog sollte Vertreter der Zivilgesellschaft und Wissenschaftler sowie andere Interessenträger umfassen.

Das EU4Health-Programm ist die ehrgeizigste gesundheitspolitische Reaktion der EU auf die COVID-19-Pandemie, die erhebliche Auswirkungen auf Patienten, medizinisches und medizinisches Fachpersonal sowie Gesundheitssysteme in Europa hat [15]. Gemäß der Verordnung (EU) 2021/522 wird EU4Health über eine bloße Krisenreaktion hinausgehen, um die Gesundheitssysteme krisenfester zu machen. Das etablierte Programm wird Fördermittel für förderfähige Institutionen, Gesundheitsorganisationen und NGOs aus EU-Ländern oder mit dem Programm assoziierten Nicht-EU-Ländern bereitstellen. EU4Health ebnet den Weg zu einer Europäischen Gesundheitsunion und konzentriert sich auf dringende Gesundheitsprioritäten [15].

Die unter den vier allgemeinen Zielen formulierten zehn spezifischen Ziele lauten: Verbesserung und Förderung der Gesundheit in der Union; Krankheitsprävention und Gesundheitsförderung; Gesundheitsinitiativen und Zusammenarbeit auf internationaler Ebene; Bekämpfung grenzüberschreitender Gesundheitsbedrohungen; Prävention, Vorsorge und schnelle Reaktion im Hinblick auf grenzüberschreitende Gesundheitsbedrohungen; Ergänzung nationaler Lagerbestände mit wesentlichen krisenbezogenen Produkten, Einrichtung einer Reserve an medizinischem, gesundheitlichem und unterstützendem Personal, Verbesserung von Arzneimitteln, Medizinprodukten und krisenbezogenen Produkten, verfügbare und erschwingliche Arzneimittel, medizinische Geräte und krisenbezogene Produkte, Stärkung der Gesundheitssysteme, ihre Resilienz und Ressourceneffizienz, Stärkung von Gesundheitsdaten, digitalen Tools und Diensten; Digitalisierung der Gesundheitssysteme, Verbesserung des Zugangs zur Versorgung, Entwicklung und Durchsetzung des EU-Gesundheitsrechts sowie evidenzbasierte Entscheidungsfindung und Abstimmung zwischen den nationalen Gesundheitssystemen [15].

Die EU-Länder werden zu den Prioritäten und strategischen Ausrichtungen des Programms konsultiert und stellen zusammen mit der Kommission die Kohärenz und Komplementarität der nationalen Gesundheitspolitik durch die „EU4Health-Lenkungsgruppe“ sicher. Vor der Annahme der Jahresarbeitsprogramme geben sie ihre Stellungnahme im EU4Health-Programmausschuss ab.

Die Europäische Kommission bereitet die jährlichen Arbeitsprogramme vor, verabschiedet sie und setzt sie um. Es überwacht und berichtet auch über die Fortschritte bei der Erreichung der Programmziele. Sie kann die Stellungnahmen der zuständigen dezentralen Stellen und unabhängigen Angehörigen der Gesundheitsberufe zu technischen oder wissenschaftlichen Fragen einholen, die für die Durchführung des Programms relevant sind. Die Health and Digital Executive Agency ( HaDEA ) wird das Programm umsetzen [15].

Schließlich hat die Europäische Kommission im Jahr 2018 Änderungen an den REACH-Anhängen I, III, VI, VII, VIII, IX, X, XI und XII vorgenommen, die am 1. Januar 2020 in Kraft traten [9]. Nach den überarbeiteten REACH-Anforderungen müssen alle Nanoformen registriert werden, wobei der Schwerpunkt auf der Stoffsicherheitsbeurteilung liegt. Nanoformen von Stoffen müssen im Rahmen des Registrierungsprozesses zusätzlich identifiziert und charakterisiert werden. Am wichtigsten ist, dass Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit anhand von OECD-Mandatsrichtlinien bewertet werden müssen, die entweder bereits vorhanden sind oder entwickelt werden. Eine weitere Verfeinerung der Richtlinien kann erforderlich sein, da die Industrie und ihre Wissensbasis weiter wachsen, aber die EU hat wie immer hohe Standards gesetzt, wenn es um die Aufrechterhaltung der Qualität der menschlichen Gesundheit und der Umwelt geht.

5. Internationale Entwicklungen

Auch auf internationaler Ebene wurden Aktivitäten zur Regulierung der Nanotechnologie unternommen, da die potenziellen Risiken, die sich aus Entwicklungen in diesem Bereich ergeben, von vielen Ländern gesehen werden [23].

Gemäß der OECD-Definition bestehen „regulative Rahmenwerke aus den Normen und Regeln, die eine bestimmte Gruppe von Personen, Handlungen oder Gegenständen regeln und die von staatlichen Stellen aufgrund gesetzlicher Ermächtigung erlassen werden.“ [34]. Auf globaler Ebene startete die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) 2006 ein strategisches Programm innerhalb ihres Rahmenwerks für Chemikaliensicherheit, um ein globales Forum für die Diskussion über hergestellte Nanomaterialien, insbesondere ihre Sicherheitsbewertung und Risikobewertung, bereitzustellen die verantwortungsvolle Entwicklung dieser Technologien fördern. Die OECD-Arbeitsgruppe zu hergestellten Nanomaterialien (WPMN) fördert die internationale Zusammenarbeit zu Aspekten der menschlichen Gesundheit und der Umweltsicherheit bei hergestellten Nanomaterialien und konzentriert sich auf die Entwicklung geeigneter Methoden und Strategien zur Gewährleistung einer sicheren Anwendung der Nanotechnologie [12]. Im Rahmen des WPMN-Programms zum Testen hergestellter Nanomaterialien haben OECD-WPMN-Mitglieder zusammen mit Nicht-OECD-Ländern und der Industrie eine ausgewählte Liste hergestellter Nanomaterialien auf Endpunkte getestet, die für physikalisch-chemische Eigenschaften, Umweltverhalten und Toxikologie, Säugetiertoxikologie und Materialsicherheit relevant sind [12 ]. Daten, die nach diesen Richtlinien erhoben werden, fallen unter die OECD-Vereinbarung zur gegenseitigen Anerkennung von Daten (MAD) bei der Bewertung von Chemikalien. MAD ist ein wesentlicher Bestandteil der internationalen Harmonisierung von Ansätzen zur Chemikaliensicherheit durch die behördliche Anerkennung dieser Prüfrichtlinien. Daher werden Daten zu Nanomaterialien, die gemäß den für Nanomaterialien geltenden OECD-Prüfrichtlinien gewonnen wurden, ebenfalls von MAD erfasst.

5.1. Die USA

In den Vereinigten Staaten veröffentlichte der US National Research Council 2008 einen Bericht, der ebenfalls eine stärkere Regulierung der Nanotechnologie forderte.

Die breite Palette von Geräten und Produkten, die von Nanotechnologieunternehmen hergestellt werden, kann viele Behörden auf den Weg schicken, wie die Food and Drug Administration, die Environmental Protection Agency, das National Institute of Health oder das Department of Health and Human Services Health and Human Services entweder einen eigenen regulatorischen Ansatz verfolgen oder einen koordinierten regulatorischen Ansatz entwickeln [50].

Als Teil ihrer Führungsrolle in diesem Bereich hat die Bundesregierung das 21st Century Nanotechnology Research and Development Act („Gesetz“), 15 USCA §7501-§7509, autorisiert, zwischen 2004 und 2008 4,7 Milliarden US-Dollar für die National Nanotechnology Initiative, a Nanotechnologie-Initiative bestehend aus neun Behörden: der National Science Foundation, dem Energieministerium, der National Aeronautics and Space Administration, den National Institutes of Health , dem National Institute of Standards and Technology, der Environmental Protection Agency, dem Department of Justice, dem Department des Heimatschutzes und des Landwirtschaftsministeriums. Die Programme dieser Agenturen werden von externen und zwischenstaatlichen Komitees überwacht, während das Office of Science and Technology Policy für die Koordinierung und Verwaltung der National Nanotechnology Initiative verantwortlich ist (weitere Informationen finden Sie unter www.nano.gov). Eines der Hauptziele des Gesetzes ist es, eine Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie zu schaffen, um die Nanotechnologie auf koordinierte und effiziente Weise zu entwickeln und zu kommerzialisieren.

Eine weitere Organisation, die sich derzeit mit den Auswirkungen der Nanotechnologie befasst, ist die American Bar Association. Der Ständige Ausschuss für Nanotechnologie der Sektion organisiert derzeit Foren, um zu versuchen, die mit der Nanotechnologie verbundenen potenziellen Risiken und Gefahren zu identifizieren, und wo Wissenschaftler, Befürworter und Gesetzgeber die ethischen und sozialen Auswirkungen der Nanotechnologie diskutieren können [12]. Mittelfristig besteht der beste Ansatz darin, Regulierung oder Änderungen des Schutzes in gemäßigterer Weise und auf der Grundlage der bei der Lösung von Problemen gesammelten Erfahrungen zu diskutieren. Langfristig, wenn die Nanotechnologie reift und sich als Industrie etabliert, ist es wahrscheinlich, dass die Umstände so anders sein werden als heute in der Welt, dass alle aktuellen „Vorschläge zwangsläufig weit über das Ziel hinausschießen werden“.

Der Überblick über die wichtigsten Gesetze, die im Zusammenhang mit Nanotechnologie verabschiedet wurden, zeigt, dass die Priorität der US-Regierung bisher darin bestand, Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie zu fördern und zu finanzieren.

Das wohl größte Problem bei der Regulierung von Nanoarzneimitteln ist die Tatsache, dass Regulierungsbehörden wie die FDA Sicherheitsdaten verwenden, die auf Massenmaterialien basieren, die nicht die gleiche pharmakodynamische und pharmakokinetische Aktivität wie Nanoarzneimittel aufweisen [22]. Das bedeutet, dass die gesammelten Sicherheits- und Wirksamkeitsdaten nicht repräsentativ dafür sind, was tatsächlich passieren könnte, wenn die Nanomedizin nach Erhalt der Zulassung in klinischen Situationen verwendet wird. Dies führt zu Problemen bei der Festlegung von Vorschriften für die Sicherheits- und Wirksamkeitsparameter von Nanoarzneimitteln, da eine Nicht -Nano-Version regulatorische Standards erfüllen kann, ein Nanoarzneimittel jedoch möglicherweise nicht. Das bedeutet, dass ein Nanoarzneimittel in einem Land als Arzneimittel und in einem anderen als Medizinprodukt eingestuft werden kann, sodass die zu erfüllenden Vorschriften je nach Einstufung unterschiedlich sind. Daher variieren die spezifischen Sicherheits- und Wirksamkeitsstandards, die das Produkt erfüllen muss, um vermarktet werden zu können, sodass ein Nanoarzneimittel in einigen Ländern verwendet werden kann, das in einem anderen möglicherweise nicht den regulatorischen Standards entspricht [29]. Aufgrund ihrer hochkomplexen Strukturen und Eigenschaften ist es schwierig, einen soliden und konsistenten Herstellungsprozess zu etablieren, der die Qualität, Wirksamkeit, Stabilität und Sicherheit von Nanoarzneimitteln definiert.

Nanomedizinische Produkte würden produktspezifisch bewertet. Den Herstellern wird empfohlen, sich bei der Entwicklung ihrer Nanotechnologie-Produkte mit der FDA abzustimmen, um ein gemeinsames Verständnis für regulatorische Fragen zu schaffen.

Diese Untätigkeit in der sich verändernden Landschaft hat zu viel Kritik an der FDA geführt. Infolgedessen scheinen Nanoformulierungen, die aus bereits zugelassenen Bausteinen bestehen, schnell durch das System geleitet zu werden, ohne dass eine neue Arzneimittelzulassung oder eine vollständige Überprüfung vor dem Inverkehrbringen erforderlich ist. Diese Strategie ist extrem riskant und nur die Zeit wird zeigen, ob sie angemessen ist [19].

Es gab nur sehr wenige gesetzgeberische Bemühungen zur Regulierung der Nanotechnologie. Tatsächlich wurden keine Gesetze verabschiedet, die sich direkt mit der Regulierung der Nanotechnologie befassen. Vielleicht ist dies der richtige Ansatz für eine aufstrebende Technologie. Es lässt jedoch Raum für die Frage, ob dies ein Ansatz ist, der es der Nanotechnologie ermöglicht hat, sich in einem blinden Fleck zu entwickeln. Der Grund für diesen blinden Fleck ist der Mangel an gesammelter Forschung zur Bestimmung der Sicherheit dieser Nanomaterialien.

Trotz dieser Bedenken wird die Regulierung durch Rechtsvorschriften nicht als Lösung für einen Regulierungsrahmen empfohlen. Dies bedeutet, dass eine gesetzliche Regelung als Reaktion auf die Entdeckung eines großen Risikos oder nach einer Katastrophe getroffen wird. Daher ist das Versagen der Aufsicht und Regulierung in der Asbestindustrie leicht zu erkennen, aber es war nicht leicht, diesen Mangel zu erkennen, als Unternehmen Asbest in fast allen Neubauten verwendeten. Da Regulierungsgesetze in der Regel nur als Reaktion auf ein Katastrophenereignis oder erdrückende Beweise erlassen werden, werden sie nicht als tragfähiges Element des in diesem Papier empfohlenen Regulierungsrahmens angesehen [14].³ .

5.2. Australien, Kanada und andere Länder

Auch Australien und Kanada sind recht aktiv in der Nanoregulierung. Beide Länder haben große Forschungsprogramme für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (EHS) und haben eingehende Überprüfungen ihrer Vorschriften veröffentlicht, um etwaige Grenzen bei der Verwendung von Nanotechnologie zu identifizieren. Obwohl keine spezifischen Rechtsvorschriften erlassen wurden, sehen beide Länder die Anwendung des Vorsorgeprinzips beim Einsatz von Nanotechnologie vor.

Japan, China, Korea und Taiwan, die stark in Nanotechnologie involviert sind, haben ebenfalls wichtige Forschungsinitiativen auf verschiedenen Ebenen, die sich mit EHS-Themen wie Risikobewertung und Risikomanagement von Nanomaterialien und Nanoprodukten befassen. Obwohl sie sich an der globalen Debatte über Nanoregulierung beteiligen, wurden in diesen Ländern keine spezifischen Initiativen zu diesem Thema unternommen [14]. Derzeit konzentrieren sich die Aktivitäten zur Regulierung der Nanotechnologie auf nationaler Ebene, und auf internationaler Ebene sind Initiativen in Form gemeinsamer Forschungsprogramme zu beobachten.

Health Canada hat eine Arbeitsdefinition von Nanomaterialien erstellt, die besagt, dass „jedes hergestellte Produkt, Material, Substanz, Inhaltsstoff, Gerät, System oder Struktur als Nanomaterial betrachtet wird, wenn es in mindestens einem Nanobereich (1–100 nm) vorliegt räumliche Dimension oder in allen räumlichen Dimensionen kleiner oder größer als die Nanoskala ist und ein oder mehrere nanoskalige Phänomene aufweist.“ [20]. Bei der Zulassung von Nanotechnologie-Produkten stützt sich Kanada auf den bestehenden Rechtsrahmen. Health Canada empfiehlt den Herstellern, sich frühzeitig in der Entwicklungsphase an die zuständige Aufsichtsbehörde zu wenden, um die Risiken und Eigenschaften des Produkts zu identifizieren und zu bewerten. In Kanada wurde die Nanotechnologie-Arbeitsgruppe für das Gesundheitsportfolio eingerichtet, um Fragen im Zusammenhang mit der Nanotechnologie zu sammeln und zu diskutieren. Es besteht aus Vertretern von Aufsichtsbehörden wie Health Canada und den Canadian Institutes of Health Research (CIHR). Ein allgemeines Leitliniendokument zur Überprüfung von auf Nanotechnologie basierenden Biomaterialien für Gesundheitsprodukte und Lebensmittel wurde ebenfalls von Health Canada herausgegeben [20].

In Japan werden Arzneimittel durch das Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Wohlfahrt (MHLW)/Pharmaceuticals and Medical Devices Agency (PMDA) reguliert [31]. Japanische Regulierungsbehörden müssen noch eine Definition und nanomedizinspezifische Vorschriften für Nanoarzneimittel entwickeln. Im Jahr 2016 wurde ein Leitfaden für die Entwicklung von Liposomen-Medikamenten veröffentlicht. Nanoarzneimittel werden im Arzneimittelgesetz, einem allgemeinen Arzneimittelgesetz, von Fall zu Fall geregelt. Es sei darauf hingewiesen, dass Regulierungsbehörden und Gutachter Daten zu Nanoarzneimitteln sammeln und analysieren. Die MHLW/PMDA hat auch mit der EMA bei der Herausgabe von Reflexionspapieren zusammengearbeitet, insbesondere zur Entwicklung von Blockcopolymer-Micellen-basierten Arzneimitteln und Nukleinsäure (siRNA)-beladenen Nanotechnologie-basierten Arzneimitteln.

Obwohl es in diesem Bereich in Asien nur wenige Vorschriften gibt, führen Länder wie Indien, Japan, China und Thailand derzeit Regierungs- und Regulierungsrichtlinien ein, um die wachsenden Probleme in der Nanotechnologie anzugehen. In Indien haben das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und die indische Regierung eine Gruppe zur Regulierung der Nanotechnologie eingerichtet und eine Reihe von Richtlinien entworfen, die einen dreistufigen Regulierungsrahmen geschaffen haben, um politischen Entscheidungsträgern dabei zu helfen, einen Weg zur Regulierung der Nanomedizin zu entwickeln. Dies wird das kontinuierliche Wachstum dieser Technologie sicherstellen und gleichzeitig die mit der Nanomedizin verbundenen Risiken angehen.

6. Schlussfolgerungen und Zukunftsaussichten

Trotz des Fehlens spezifischer regulatorischer Richtlinien sind viele Nanoarzneimittel auf dem Markt und ihre Zahl wächst stetig. Diese werden hauptsächlich in der Krebstherapie eingesetzt, da sie persistente toxische Verbindungen erfordern und die Tumorlandschaft sehr schwierig ist, was eine effektive medikamentöse Behandlung behindert. Zu den bekanntesten zählen die liposomalen Präparate Doxil®, AmBisome® und die neueren Erfolge mit Albumin-Wirkstoff-Nanopartikeln wie Abraxane® und polymeren Mizellen wie Eligard®, um nur einige zu nennen.
Das Fehlen einer formellen Regulierung von Nanoarzneimitteln und der Herstellung von Nanomaterialien für gesundheitsbezogene Anwendungen ist ein weltweites Problem. Unstimmigkeiten zwischen verschiedenen Regierungsbehörden führen dazu, dass einige Nanoarzneimittel als Medizinprodukte und andere als Arzneimittel eingestuft werden. Was in einer Gerichtsbarkeit als angemessen angesehen wird, lässt sich nicht auf andere Länder übertragen, und obwohl kleine Moleküle aus diesem Grund häufig nicht weltweit zugelassen sind, benötigt die Nanomedizin-Community dringend einen einheitlichen Ansatz, damit die Entwicklung den Erwartungen entsprechend fortgesetzt werden kann. Die Bildung von Clustern und Arbeitsgruppen hat sich bisher nicht geändert, da Nanomaterialien nicht neu sind und der Bedarf und die Dringlichkeit von Behandlungen für bestimmte Krankheiten oder Zustände mit der derzeitigen Regulierungsstruktur nicht erfüllt werden können.
Während akademische Gemeinschaften und Regierungsbehörden einige Anstrengungen unternommen haben, um nationale Charakterisierungslabors einzurichten, sind explizitere und strengere Leitlinien von Schlüsselbehörden wie der FDA und MHRA erforderlich.
Daher sollte ein globales Konsortium für die Regulierung von Nanomaterialien gebildet werden, um diese Agenden voranzutreiben und formelle Leitlinien für die Forschungsgemeinschaften herauszugeben. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden Milliarden von Dollar in die Entwicklung der Nanomedizin gesteckt. Ohne eine klare Führung und Anleitung durch die Regulierungsbehörden werden diese Bemühungen nicht zu Produkteinführungen führen, und zukünftige Investitionen könnten woanders getätigt werden.
Derzeit beschäftigen wir uns im Zusammenhang mit Nanomaterialien in der Europäischen Union sowohl mit verbindlichen Rechtsakten als auch mit nicht verbindlichen Rechtsakten, wie z. B. Empfehlungen zur fairen Durchführung wissenschaftlicher Forschung oder zur Anwendung einer einheitlichen Definition von Nanomaterialien.
Eine wichtige Maßnahme ist die Regulierung von Aktivitäten im Bereich der Nanotechnologie, die aufgrund der Anwendung der Nanotechnologie in verschiedenen Wirtschaftsbereichen leider nicht einfach ist. Insbesondere sollte eine einheitliche Definition des Begriffs „Nanomaterial“ angestrebt werden, die die Identifizierung von Materialien für die Anwendung der einschlägigen Regulierungsvorschriften erleichtert. Wichtige Herausforderungen betreffen vor allem die Einführung validierter Methoden und Werkzeuge zum Nachweis, zur Charakterisierung und Analyse, die Vervollständigung von Informationen über Gefahren von Nanomaterialien und die Entwicklung von Methoden zur Bewertung der Exposition gegenüber Nanomaterialien. Die Bedeutung der öffentlichen Debatte über Nanotechnologie wurde von mehreren Gremien in der EU hervorgehoben. Die Europäische Kommission fordert, dass die Mitgliedstaaten die öffentliche Debatte über die Vorteile, Risiken und Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Nanotechnologie verstärken sollten. Einzelne EU-Mitgliedstaaten haben mit der Umsetzung von Initiativen begonnen, die darauf abzielen, die Öffentlichkeit besser über Entwicklungen im Bereich der Nanotechnologie zu informieren. Der gesellschaftliche Dialog sollte Vertreter der Zivilgesellschaft und Wissenschaftler einbeziehen.

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¹ Dies gilt auch für die Haftung, siehe [45]: „Das hat sich mit der neuen EU-Verordnung über Medizinprodukte geändert. Im Legislativvorschlag der Europäischen Kommission (Herbst 2012) 78 sind neben einer konkreten Definition für Nanomaterialien auch Regelungen zur Kennzeichnung sowie eine Einstufung für Produkte, die Nanomaterialien enthalten, vorgesehen. Demnach werden alle Produkte, die Nanomaterialien enthalten oder aus Nanomaterialien bestehen, der Klasse III (höchste Gefahrenkategorie) zugeordnet, es sei denn, das Nanomaterial ist verkapselt oder so fixiert, dass es nicht freigesetzt wird, wenn das Produkt nicht freigesetzt wird bestimmungsgemäß verwendet wird.“

² Nanojustice und die E3LSC-Herausforderungen: Es geht jedoch nicht nur darum, technische Probleme zu identifizieren und technologische Lösungen zu ihrer Überwindung zu entwickeln. Eines der schwerwiegendsten moralischen Versäumnisse bei der Bewältigung globaler Gesundheitsprobleme und der Umsetzung von Maßnahmen zur Bekämpfung der aktuellen Pandemie war der Mangel an Gerechtigkeit bei der Verteilung und Verwendung von COVID-19-Nanoimpfstoffen, dh ein Patentproblem: Nicht nur wohlhabende Bevölkerungen und Länder wurden bei der Einführung der Impfstoffe bevorzugt, aber die entwickelten Länder haben die vorbestellten Impfstoffdosen zum Nachteil der großen Mehrheit der Menschen in den Entwicklungsländern gehortet. Dr. Tedros Adhanom Ghebreyesus, Generaldirektor der Weltgesundheitsorganisation (WHO), erklärte: „Die Welt steht am Rande eines katastrophalen moralischen Versagens, und der Preis für dieses Versagen wird mit Menschenleben und Existenzgrundlagen in den ärmsten Ländern der Welt bezahlt werden.“
Gesellschaftspolitische Probleme können auch Bedenken hinsichtlich der Klassenunterschiede zwischen wohlhabenderen Gesellschaften und Ländern wecken, die die Vorteile der Nanotechnologie entwickeln oder nutzen, und solchen, die dies nicht können [50].

³ Trotz des Fehlens eines spezifischen rechtlichen Instruments für den Zugang zu Informationen über neue Technologien und in der Entwicklung befindliche Produkte. Unternehmen, die mit [Arzneimittelzulassungs- oder Biologika-Zulassungsanforderungen] konfrontiert sind, haben einen erheblichen Anreiz, der FDA die Informationen zur Verfügung zu stellen, die die Behörde benötigt, um neue Produkte zu verstehen und effizient zu überprüfen, da die Produkte später auch sehr unterschiedlich gewichtet werden.

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Test LO 6.2

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