COVID-19-Therapeutika: Nanotechnologie in antiviralen Behandlungen und Impfstoffen

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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