Neue Plattformen zur Bekämpfung von Virusinfektionen: nanoskalige Träger und Arzneimittelabgabesysteme

Zusammenfassung

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

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

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

Bei der Infektion des Menschen mit SARS-CoV-2 kam es in den Wochen und Monaten vor dem ersten gemeldeten Fall Anfang Dezember 2019 zu einem zoonotischen Spill-over [69]. Am 31. Dezember 2019 wurde die Weltgesundheitsorganisation (WHO) über eine schnell wachsende Zahl von Fällen von Lungenentzündung unbekannter Ursache in Wuhan City, China, informiert. Der Erreger wurde am 07.01.2020 von den örtlichen Behörden als bisher unbekanntes Mitglied der Familie der Beta-Coronaviren identifiziert. Ende Januar 2020 erklärte der Generaldirektor der WHO, Dr. Tedros Adhanom Ghebreyesus, dass der Ausbruch des neuartigen Coronavirus eine öffentliche Gesundheitsnotlage von internationaler Tragweite sei [https://www.who.int/news/item/30-01-2020-statement-on-the-second-meeting-of-the-international-health-regulations-(2005)-emergency-committee-regarding-the-outbreak-of-novel-coronavirus-(2019-ncov)]. Bemerkenswerterweise gab es zu diesem Zeitpunkt insgesamt etwa 100 Fälle und noch keine Todesfälle, aber das Virus hat es geschafft, sich in fast 20 Ländern außerhalb Chinas zu verbreiten. Die Erforschung des Entwicklungspotenzials der ätiologischen Behandlung und Prävention begann sofort und vereinte die Bemühungen von Klinikern, Wissenschaftlern und biotechnologischen und pharmazeutischen Unternehmen.

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

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

2. Entwicklung vielseitiger nanoskaliger Trägerplattformen

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

Nanotechnologie ist … „ die Manipulation von Materie auf nahezu atomarer Ebene, um neue Strukturen, Materialien und Geräte herzustellen … unter Verwendung von Materialien mit einer Längenskala zwischen 1 und 100 Nanometern … bei dieser Größe beginnen Materialien, einzigartige Eigenschaften zu zeigen, die [ihre] physikalische beeinflussen , chemisches und biologisches Verhalten “, gemäß der Definition des Center for Disease Control (CDC) in Atlanta, USA: https://www.cdc.gov/niosh/topics/nanotech/default.html#:~:text=Nanotechnology%20is%20the%20manipulation%20of,new%20structures%2C%20materials%20and%20devices.&text=Nanotechnology%20refers%20to%20engineered%20structures,between%201%20and%20100%20nanometers.

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

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

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

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

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

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

3. Nanobasierte Verabreichungssysteme für antivirale Medikamente

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

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

Abbildung 2. Arten von Nanocarriern.

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

3.1.1. Lipidbasierte Nanoformulierungen

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

Liposomen

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

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

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

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

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

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

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

Feste Lipid-Nanopartikel (SLNs)

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

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

Nanoemulsionen

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

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

3.1.2. Polymerbasierte Nanoformulierungen

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

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

Polymere Mizellen

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

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

Polymere Nanopartikel

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

Polymer-Wirkstoff-Konjugate

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

Nanokapseln

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

Nanokugeln

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

Lipid-Polymer-Hybrid-Nanoformulierungen

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

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

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

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

3.1.3. Dendrimere

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

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

Abbildung 4. Erzeugung von Polyethylenimin-Dendrimeren.

3.1.4. Nanoformulierungen auf Kohlenstoffbasis

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

Graphen

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

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

Fullerene

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

3.1.5. Anorganische Nanoformulierungen

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

Metall- und Metalloxid-Nanopartikel

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

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

3.1.6. Nukleinsäurebasierte Nanotechnologien

Aptamere

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

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

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

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

Antisense-Nukleotide (ASOs)

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

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

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

Kleine interferierende RNAs (siRNAs)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2.1. Interferone

Interferone sind Signalproteine, die normalerweise vom Immunsystem des infizierten Wirts produziert werden und (daher ihr Name) die Replikation des Virus innerhalb der Zelle stören. Früher in der Therapie viraler Hepatitis verwendet, wird die Fähigkeit von IFNs, in die Synthese von Proteinen einzugreifen, die für die Replikation benötigt werden, gegenwärtig überwiegend in der Behandlung von Multipler Sklerose und verschiedenen Krebsarten genutzt. Die PEGylierung von Interferonen als grundlegende Technologie im Nanomaßstab wurde verwendet, um ihre Clearance-Zeit zu verlängern, um sicherzustellen, dass das Medikament effektiv an sein Ziel bindet [89]. PegIntron (von Merck, eingestellt) ist ein kommerzielles Präparat von Interferon alpha-2b , das bis 2016 zur Behandlung von Hepatitis B und C verwendet wurde. Pegasys (Genentech) ist bis heute das einzige PEGylierte Interferon, das von der FDA zur Verwendung zugelassen wurde und EMA zur Behandlung von Hepatitis B bei Erwachsenen [https://www.natap.org/2005/HBV/051605_02.htm; https://www.ema.europa.eu/en/documents/product-information/pegasys-epar-product-information_en.pdf]. PEG-Interferon alpha-2a (Roferone von Roche, verwendet zur Behandlung von Leukämie, malignem Melanom, Polycythaemia vera, essentieller Thrombozythämie und anderen) ist ein weiteres Interferon-Medikament, das kürzlich aufgrund schwerer Nebenwirkungen und der Verfügbarkeit sichererer Medikamente eingestellt wurde [https://pharmac.govt.nz/medicine-funding-and-supply/medicine-notices/interferon-alfa-2a/]. Interferon beta-1a (Rebif von Merck und Pfizer) ist derzeit für die Behandlung von schubförmiger Multipler Sklerose zugelassen [https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/emd_serono_and_pfizer_announce_fda_approval_of_rebif_rebidose_interferon_beta_1a#:~:text=announced%20today%20that%20the%20U.S.,of%20multiple%20sclerosis%20(MS).].

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2.4. Eintrittshemmer (Fusionsblocker)

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

3.2.5. Protease-Inhibitoren (PIs)

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

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

3.2.6. Integrase-Inhibitoren

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

4. Viruskapside, die für die Arzneimittelabgabe verwendet werden

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Test LO 4.2

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