Kreuzungspunkt zwischen viralen Partikeln und funktionellen Nanomaterialien

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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