EQF 6: Δημιουργία Εκπαίδευσης
Εκπαιδευτική Μονάδα 1.1
Σημείο διέλευσης ιικών σωματιδίων και λειτουργικών νανοϋλικών
Συγγραφείς & συνεργασίες Petya Hristova, Πανεπιστήμιο Σόφιας «St. Kliment Ohridski», Βουλγαρία
Εκπαιδευτικός στόχος: Στόχος αυτής της εκπαιδευτικής ενότητας είναι να παρουσιάσει γνώσεις σχετικά με τη φύση των ιικών σωματιδίων και το σημείο διέλευσης μεταξύ αυτών και των λειτουργικών νανοσωματιδίων.
Περίληψη Οι ιοί είναι υπερμοριακά σύμπλοκα υψηλής τάξης που έχουν εξελιχθεί για να εξαπλωθούν με την πειρατεία του μηχανισμού του κυττάρου ξενιστή. Οι ιοί είναι εξαιρετικά διαφορετικοί, εξαπλώνονται μέσω κυττάρων από όλα τα βασίλεια της ζωής, αλλά όλοι έχουν κοινές λειτουργίες και ιδιότητες. Ωστόσο, για να αξιοποιήσουμε καλύτερα τους ιούς και τα σωματίδια που μοιάζουν με ιούς, όπως ένα όχημα για στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων ή ως δομικά στοιχεία στα ηλεκτρονικά, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τις βασικές ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά τους. Οι μηχανισμοί που επηρεάζουν τις ιδιότητες του ιού και οι προσεγγίσεις που στοχεύουν στη χρήση των χαρακτηριστικών των ιικών σωματιδίων παρουσιάζονται σε αυτήν την εκπαιδευτική ενότητα. Λέξεις-κλειδιά/φράσεις: Κορωναϊοί, λειτουργικά νανοσωματίδια, Νανοσωματίδια που βασίζονται σε ιούς (ΙΝΣ)
1. Οι ιοί και η σημασία τους
1.1. Οι ιοί βρίσκονται σε όλο τον κόσμο
Οι ιοί ή οι μοριακές νανομηχανές μολύνουν όλες τις κυτταρικές μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένων των ευκαρυωτικών οργανισμών (σπονδυλωτά, ασπόνδυλα, φυτά και μύκητες) και προκαρυωτικών (βακτήρια). Η παρουσία ιών είναι ορατή σε ξενιστές που εμφανίζουν συμπτώματα ασθένειας. Πολλά υγιή είδη, από την άλλη πλευρά, είναι ξενιστές μη παθογόνων ιικών λοιμώξεων, μερικά από τα οποία είναι ενεργά ενώ άλλα είναι αδρανή. Επιπλέον, τα γονιδιώματα πολλών οργανισμών περιέχουν θραύσματα αρχαίων ιικών γονιδιωμάτων που έχουν ενσωματωθεί εδώ και πολύ καιρό στο γονιδίωμα του ξενιστή τους. Οι ιοί μπορούν να βρεθούν στο έδαφος, τον αέρα και το νερό και μπορούν να μολύνουν είδη που κατοικούν σε αυτά, εκτός από τους ξενιστές τους [10].
Υπάρχει ακόμα μια διαμάχη στη βιβλιογραφία σχετικά με το εάν οι ιοί είναι ζωντανοί ή μη. Η άποψη που αποφασίζεται καθορίζεται από το πώς ορίζεται η ζωή. Οι ιοί έχουν γονίδια, τα οποία διπλασιάζονται όταν μολύνουν κύτταρα, κάνοντας τους ιούς ζωντανούς με αυτή την έννοια. Ωστόσο, δεν είναι ίδιες με τις κυτταρικές μορφές ζωής. Όταν οι ιοί βρίσκονται έξω από τα κύτταρα-ξενιστές τους, υπάρχουν ως ιικά σωματίδια (virions), τα οποία είναι μη ζωντανά και άψυχα. [10].
Οι ιοί διαφέρουν από τα κύτταρα στο ότι πολλαπλασιάζονται με διαφορετικό τρόπο. Ένα νέο κύτταρο δημιουργείται πάντα από ένα προηγουμένως σχηματισμένο κύτταρο, αλλά ένα νέο ιοσωμάτιο δεν σχηματίζεται ποτέ από ένα προηγουμένως σχηματισμένο ιοσωμάτιο. Η διαδικασία αντιγραφής, η οποία λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα κύτταρο ξενιστή και περιλαμβάνει τη σύνθεση συστατικών που ακολουθείται από τη συναρμολόγησή τους σε ιοσωμάτια, παράγει νέα ιοσωμάτια. Ως αποτέλεσμα, οι ιοί είναι παράσιτα που βασίζονται στους ξενιστές τους για την πλειονότητα των αναγκών τους, όπως δομικά συστατικά όπως αμινοξέα και νουκλεοσίτες, οργανίδια πρωτεϊνοσύνθεσης (ριβοσώματα) και ενέργεια ως τριφωσφορική αδενοσίνη.
Για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας αναπαραγωγής, ένας ιός μεταβάλλει το ενδοκυτταρικό περιβάλλον του ξενιστή του. Η παραγωγή νέων μεμβρανικών δομών, η μειωμένη έκφραση των γονιδίων των κυττάρων ή η αύξηση μιας κυτταρικής διαδικασίας είναι παραδείγματα τροποποιήσεων. Μερικοί τεράστιοι φάγοι κωδικοποιούν πρωτεΐνες που αυξάνουν τη φωτοσύνθεση στα κύτταρα των φωτοσυνθετικών βακτηριακών ξενιστών τους, αυξάνοντας έτσι την παραγωγή ιών
1.2 Λόγοι για τη μελέτη των ιών
1.2.1. Οι ιοί μπορούν να προκαλέσουν ασθένειες
Οι ιοί παίζουν ρόλο σε ένα ευρύ φάσμα ανθρώπινων ασθενειών, από τις δευτερεύουσες (π.χ. κοινό κρυολόγημα) έως τις θανατηφόρες (π.χ. λύσσα). Πέντε πανδημικές αναπνευστικές λοιμώξεις που προκαλούνται από διαφορετικούς υποτύπους του ιού της γρίπης έχουν εμφανισθεί στον κόσμο τον περασμένο αιώνα, με τους χοίρους να χρησιμεύουν ως σημαντικές δεξαμενές για αυτούς τους ιούς της γρίπης. Ο H1N1 (ισπανική γρίπη) του 1918 σκότωσε περίπου 50 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως, ο H2N2 (ασιατική γρίπη) του 1957 σκότωσε περίπου 4 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως, ο H3N2 του 1968 (γρίπη του Χονγκ Κονγκ) σκότωσε 1 εκατομμύριο ανθρώπους σε όλο τον κόσμο, ο H5N1 του 2005 (γρίπη των πτηνών) περισσότερα πουλιά και ανθρώπους και ο Η1Ν1 (γρίπη των χοίρων) του 2009 σκότωσε 18.000 ανθρώπους παγκοσμίως και εμφανίσθηκε σε περισσότερες από 100 χώρες μολύνοντας ανθρώπους, χοίρους και πτηνά [39].
Μια άλλη πανδημία προέκυψε από την οικογένεια του Coronavirus. Το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS) και το αναπνευστικό σύνδρομο της Μέσης Ανατολής (MERS) είναι δύο περιφερειακές επιδημίες. Ο SARS στοίχισε τη ζωή σε 774 άτομα το 2003, ενώ ο MERS στοίχισε τη ζωή σε 858 άτομα μεταξύ 2012 και 2019. (CenMKes for Disease ConMKol & Prevention, 2005; World Health Organization, 2019). Το 2019, ένας νέος ιός ανακαλύφθηκε στην Κίνα, προκαλώντας τη νέα νόσο του κορωνοϊού 2019 (SARS-CoV-2 ή COVID-19), ο οποίος εξαπλώθηκε γρήγορα σε 216 έθνη σε Ευρώπη, Βόρεια Αμερική, Ασία, Μέση Ανατολή, Αφρική, και της Λατινικής Αμερικής. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας ανακήρυξε τον COVID-19 ως πανδημική ασθένεια στις 11 Μαρτίου 2020 [26].
1.2.2. Ορισμένοι ιοί μπορεί να είναι χρήσιμοι
Ορισμένοι ιοί εξετάζονται επειδή έχουν τρέχουσες ή μελλοντικές εφαρμογές που θα μπορούσαν να είναι ευεργετικές [10].
- Τυποποίηση βακτηρίων φάγου. Κατά τη διάρκεια εμφάνισης εστιών ασθενειών που προκαλούνται από βακτήρια, ο εντοπισμός των τύπων φάγων των βακτηριακών απομονώσεων μπορεί να παρέχει σημαντικές επιδημιολογικές πληροφορίες.
- Πηγές ενζύμων. Τα ένζυμα ιών χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών μοριακής βιολογίας (π.χ. αντίστροφη μεταγραφάση ή ανάστροφη τρανσκριπτάση από ρετροϊούς και RNA πολυμεράσες από φάγους).
- Φυτοφάρμακα.Οι βακουλοϊοί χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο ορισμένων παρασίτων εντόμων και ο ιός του μυξώματος έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο των κουνελιών.
- Αντιβακτηριδιακά μέσα. Οι ανθρώπινοι φάγοι χρησιμοποιήθηκαν για τη θεραπεία διαφόρων βακτηριακών λοιμώξεων στα μέσα του εικοστού αιώνα.
- Αντικαρκινικοί παράγοντες. Η χρήση γενετικά τροποποιημένων ιικών στελεχών για τη θεραπεία του καρκίνου βρίσκεται υπό έρευνα. Αυτά τα στελέχη έχουν υποστεί χειρισμό για να τους επιτρέψουν να μολύνουν και να καταστρέψουν συγκεκριμένα κύτταρα όγκου, ενώ αποκλείονται τα φυσιολογικά κύτταρα.
- Φορείς γονιδίων για την παραγωγή πρωτεϊνών. Οι ιοί χρησιμοποιούνται ως φορείς για την εισαγωγή γονιδίων σε καλλιεργημένα ζωικά κύτταρα.
- Φορείς γονιδίων για τη θεραπεία γενετικών ασθενειών. Οι ρετροϊοί χρησιμοποιήθηκαν ως φορείς για τη μεταφορά ενός μη μεταλλαγμένου αντιγράφου του μεταλλαγμένου γονιδίου που ευθύνεται για τη νόσο στα βλαστοκύτταρα παιδιών με σοβαρή συνδυασμένη ανοσοανεπάρκεια.
- Νανοϋλικά και νανοδομές που βασίζονται σε ιούς σε ενεργειακές και βιοϊατρικές εφαρμογέςΤα βιομιμητικά υλικά με βάση τον ιό που αναπτύχθηκαν χαρακτηρίζονται για εφαρμογές βιοαισθητήρων και νανοφορέων [39] .
1.3. Ταξινόμηση ιών
Οι ιοί ταξινομούνται επί του παρόντος σε οκτώ ομάδες από τη Διεθνή Επιτροπή για την Ταξινόμηση των Ιών (ICTV) [60]. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει χιμαιρικούς ιούς με δίκλωνο DNA και μονόκλωνο DNA, όπως ο πλειομορφικός ιός haloarcula hispanica 1. Οι δίκλωνοι ιοί DNA, όπως οι ιοί ευλογιάς, οι ιοί του έρπη και οι αδενοϊοί, βρίσκονται στο δεύτερο διαμέρισμα. Ο μονόκλωνος ιός DNA, όπως οι παρβοϊοί, είναι ο τρίτος. ο δίκλωνος ιός RNA, όπως οι ρεοϊοί, είναι ο τέταρτος. Ιοί θετικού κλώνου RNA, όπως η τρέχουσα επιδημία SARS-CoV-2, εντεροϊοί, ιός ηπατίτιδας Α, ιός πολιομυελίτιδας, ρινοϊοί, ιός χεριού και στόματος (HFM), ιός SARS, ιός κίτρινου πυρετού , τον ιό της ηπατίτιδας C (HCV) και τον ιό της ερυθράς. Η έκτη ομάδα περιλαμβάνει ιούς με γονιδιώματα μονόκλωνου RNA αρνητικού κλώνους, όπως οι θανατηφόροι ιοί Marburg και Έμπολα, καθώς και η ιλαρά, ο ιός της γρίπης και η παρωτίτιδα. Η έβδομη ομάδα περιλαμβάνει ιούς με μονόκλωνα γονιδιώματα RNA που αντιγράφονται μέσω ενός ενδιάμεσου DNA, όπως ο HIV. και η όγδοη ομάδα περιλαμβάνει ιούς με γονιδιώματα δίκλωνου DNA και αντιγραφή αντίστροφης μεταγραφάσης, όπως ο ιός της ηπατίτιδας Β (HBV).
1.3.1. Ταξινόμηση των Κορωνοϊών
Οι κοροναϊοί (CoVs) είναι μια σημαντική ομάδα ιών που ανήκουν στην τάξη Nidovirales , στην υποκατηγορία Cornidovirineae και στην οικογένεια Coronaviridae . Οι Letovirinae και Orthocoronavirinae είναι δύο υποοικογένειες της οικογένειας Coronaviridae . Το γένος Alphaletovirus ανήκει στην οικογένεια Letovirinae , ενώ η οικογένεια Orthocoronaviridae χωρίζεται σε τέσσερα γένη με βάση τη φυλογενετική ανάλυση και τη δομή του γονιδιώματος : Alphacoronavirus (CoV), Betacoronavirus (CoV), Gammacoronavirus (CoV) και Deltacoronavirus (CoV), που περιέχουν 17 , 12, 2 και 7 διαφορετικά είδη, αντίστοιχα . Το Corona είναι μια λατινική λέξη που σημαίνει “στέμμα” και ο ιός πήρε το όνομά του από την παρουσία προεκτάσεων ακίδας στο φάκελο του ιού που του δίνουν μια μορφή σαν κορώνα κάτω από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Η ικανότητα των ιών με αυτή τη σειρά να δημιουργούν ένα ένθετο σύνολο υπογονιδιωματικού mRNA αναφέρεται ως nido [3].
Ως αποτέλεσμα, οι κορωνοϊοί (CoVs) κατηγοριοποιούνται σε τέσσερις γενιές: α-, β-, γ- και δ-CoV [15]. Οι α- και β-CoV μολύνουν μόνο θηλαστικά, ενώ οι γ- και δ-CoV μπορούν να μολύνουν πτηνά και ορισμένα θηλαστικά. Η πιο πρόσφατη ταξινόμηση των Coronaviridae φαίνεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1. Ταξινομία του SARS-CoV-2 και των στενών συγγενών του [3 ] (Πηγή: Aydogdu et al., 2021 [3])
Μέχρι σήμερα, επτά CoVs είναι γνωστό ότι προκαλούν λοιμώξεις σε ανθρώπους, συμπεριλαμβανομένων των CoV-OC43, CoV-229E, HCoV-OC43, CoV-HKU1, CoVNL63, αναπνευστικής νόσου της Μέσης Ανατολής (MERS)-CoV και σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου (SARS). )-CoV και SARS-CoV-2 ή COVID-19 [50, 62 ].
Ο SARS-CoV-2, μέλος της οικογένειας Coronaviridae , ανήκει στο γένος -CoV και λέγεται ότι ταξινομικά και γενετικά είναι πανομοιότυπος με τους SARS-CoV, MERS-CoV και άλλους ανθρώπινους κοροναϊούς [3 ].
Το SARS-CoV-2 υποδεικνύει μια ξεχωριστή γενεαλογία στο υπογένος Sarbecovirus (προηγουμένως, η σειρά 2b του CoV), σύμφωνα με τους Chan et al. [14]. Δεδομένου ότι υπάρχουν πολύ περιορισμένα δεδομένα σχετικά με αυτήν την απειλή που εμφανίστηκε πρόσφατα και οι στρατηγικές πρόληψης που υιοθετήθηκαν κατά την προηγούμενη έρευνα και οι επιδημίες ιών διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη νέων στρατηγικών κατά του SARS-CoV-2, πρέπει να είναι ακριβές και χρήσιμο για τους επιστήμονες να λάβουν αυτούς τους «συγγενείς». του SARS-CoV-2 υπόψη.
Άλλοι κοροναϊοί, ωστόσο, έχουν προκαλέσει πανδημικές λοιμώξεις σε οικόσιτα και άγρια θηλαστικά και πτηνά, με αποτέλεσμα υψηλά ποσοστά θνησιμότητας και σημαντικές οικονομικές απώλειες. Ο ιός IBV κοτόπουλου, ο κοροναϊός φάλαινας Beluga SW1 (BWCoV-SW1), οι κοροναϊοί της νυχτερίδας CDPHE15 και HKU10 (ICTV 2018), ο ιός της επιδημικής διάρροιας χοίρων (PEDV), ο TGEV και το σύνδρομο ξαφνικής οξείας διάρροιας είναι μεταξύ των ιών που έχουν αναγνωριστεί (SADS-CoV ) [3].
1.4. Η φύση των ιών
1.4.1. Οι ιοί είναι μικρά σωματίδια
Τα περισσότερα ιοσωμάτια ιού είναι πολύ μικρά για να τα δει κανείς με μικροσκόπιο φωτός και μπορεί να δει μόνο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Διατίθενται σε μεγάλη γκάμα μεγεθών, σχημάτων και μορφών. Μερικά είναι τεράστια, ενώ άλλα είναι μικρά. μερικά είναι σφαιρικά, ενώ άλλα μοιάζουν με ράβδους. Πολλοί από αυτούς τους ιούς έχουν μια εξαιρετικά συμμετρική δομή. Η τυπική μονάδα μέτρησης για τα ιοσωμάτια είναι τα νανόμετρα. (1 nm = 10 −9 m). Οι παρβοϊοί, με διαστάσεις περίπου 20 nm, είναι από τους μικρότερους, ενώ ο ιός που μιμείται το μικρόβιο (mimivirus), που αναγνωρίζεται από αμοιβάδα, είναι από τους μεγαλύτερους. Τα ιοσωμάτια του κοροναϊού (CoVs) έχουν διάμετρο 60-140 nm και είναι γενικά σφαιρικά έως πλειομορφικά έγκλειστα σωματίδια [ 1 ].
Οι ιοί είναι μακρομοριακά συγκροτήματα που είναι μετασταθερά. Εκτός από τα ιοσωμάτια αρεναϊών, τα οποία έχουν συσκευασμένα κυτταρικά ριβοσώματα όταν παρήχθησαν τα ιοσωμάτια, δεν είναι κύτταρα και δεν περιέχουν οργανίδια [10].
1.4.2. Οι ιοί έχουν γενετικό υλικό.
Το γονιδίωμα του ιού περιέχεται εντός του ιού. Τα γονιδιώματα του ιού μπορεί να είναι δίκλωνο DNA, μονόκλωνο DNA, δίκλωνο RNA ή μονόκλωνο RNA, ενώ τα γονιδιώματα κυττάρων μπορεί να είναι μόνο δίκλωνο DNA.
Οι κοροναϊοί (SARS-CoV-2) έχουν ένα από τα μεγαλύτερα γονιδιώματα μεταξύ των ιών RNA, με ένα μονομερές γονιδίωμα μονόκλωνου θετικής αίσθησης RNA [(+) ssRNA] [11]. Το γονιδίωμα του κοροναϊού έχει μήκος 29903 νουκλεοτίδια και περιλαμβάνει δύο αμετάφραστες περιοχές (UMKs) στα άκρα 5′ και 3′, καθώς και 11 ανοιχτά πλαίσια ανάγνωσης (ORFs) [14].
Το μέγεθος του ιού είναι συχνά ανάλογο με το μέγεθος του γονιδιώματος. Το ιικό γονιδίωμα, από την άλλη πλευρά, συνεισφέρει σημαντικά λιγότερο στη συνολική μάζα του ιού από ό,τι οι πρωτεΐνες καψιδίου. Ως αποτέλεσμα, πολλά αντίγραφα της πρωτεΐνης καψιδίου πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους για να παραχθεί το καψίδιο (α). Η ποσότητα της γενετικής πληροφορίας που είναι απαραίτητη σε ένα τέτοιο συγκρότημα με επαναλαμβανόμενες υπομονάδες μειώνεται σημαντικά. Σε ορισμένους ιούς, ένα μόνο γονιδιακό προϊόν εμπλέκεται στην ανάπτυξη καψιδίων, αλλά σε πιο περίπλοκους ιούς εμπλέκονται πολλά γονιδιακά προϊόντα [59].
Τέσσερις δομικές πρωτεΐνες, η πρωτεΐνη νουκλεοκαψιδίου (Ν), η πρωτεΐνη μεμβράνης (Μ), η πρωτεΐνη Spike (S) και η πρωτεΐνη Envelop (E), κωδικοποιούνται από το γονιδίωμα του κοροναϊού, καθώς και αρκετές μη δομικές πρωτεΐνες (25 nsp) (Εικ. . 2). Το καψίδιο είναι ένα πρωτεϊνικό κέλυφος που περιέχει πυρηνικό καψίδιο, ή Ν-πρωτεΐνη, το οποίο συνδέεται με το μονόκλωνο RNA του ιού και του επιτρέπει να μολύνει ανθρώπινα κύτταρα και να τα μετατρέπει σε εργοστάσια ιών. Η πρωτεΐνη Ν καλύπτει το γονιδίωμα του ιικού RNA και είναι απαραίτητη για την αντιγραφή και τη μεταγραφή. Η αντιγραφή και η μεταγραφή του ιού επεξεργάζονται από το Ν-τελικό άκρο της Ν πρωτεΐνης, το οποίο συνδέεται με γονιδιωματικά και υπογονιδιωματικά RNA [5].
Σχήμα 2. Οι πρωτεΐνες της επιφάνειας του ιού (ακίδα, φάκελος και μεμβράνη) είναι ενσωματωμένες σε μια διπλοστοιβάδα λιπιδίων.
Η πρωτεΐνη Μ είναι πιο διαδεδομένη στην επιφάνεια του ιού και πιστεύεται ότι είναι ο βασικός οργανωτής του κοροναϊού. Η S-πρωτεΐνη ενσωματώνεται στην επιφάνεια του ιού και διευκολύνει την είσοδο του ιού στο κύτταρο ξενιστή διαμεσολαβώντας την προσκόλληση του ιού στους υποδοχείς της επιφάνειας του κυττάρου ξενιστή και τη σύντηξη της μεμβράνης μεταξύ των μεμβρανών του ιού και του κυττάρου ξενιστή [28]. Η πρωτεΐνη Ε είναι μια μικροσκοπική πρωτεΐνη μεμβράνης με 76-109 αμινοξέα που είναι ένα δευτερεύον συστατικό του σωματιδίου του ιού. Συμμετέχει στη συναρμολόγηση του ιού, στη διαπερατότητα της μεμβράνης του κυττάρου ξενιστή και στην επαφή ιού-κυττάρου ξενιστή. [24]. Το λιπιδικό περίβλημα βρίσκεται εξωτερικά σε ορισμένους ιούς, όπως οι κοροναϊοί. Μια διπλή στιβάδα λιπιδίων περιβάλλει την ακίδα, τον φάκελο και τη μεμβράνη των πρωτεϊνών της επιφάνειας του ιού. Το διμερές αιμοσυγκολλητίνης-εστεράσης (HE) έχει ανακαλυφθεί στην επιφάνεια του ιού. Η πρωτεΐνη HE μπορεί να παίζει ρόλο στην είσοδο του ιού. δεν είναι απαραίτητο για τον πολλαπλασιασμό του ιού, αλλά φαίνεται να είναι σημαντικό για τη φυσική μόλυνση των κυττάρων-ξενιστών [34]. Οι πρωτογενείς αντιγονικοί επίτοποι, ιδιαίτερα εκείνοι που ταυτοποιούνται από αντισώματα, μεταφέρονται από τις γλυκοπρωτεΐνες του φακέλου, οι οποίες είναι υπεύθυνες για την προσκόλληση στο κύτταρο ξενιστή. Η πλήρης δομή της πρωτεΐνης Spike (S) στην κλειστή και στην ανοικτή κατάσταση (πρόχυση) έχει προσδιοριστεί από έρευνες κρυο-ΕΜ. [61] [67]. Αυτή η γλυκοπρωτεΐνη αποτελείται από τρεις πανομοιότυπες αλυσίδες, η καθεμία με 1273 αμινοξέα, και δύο καλά καθορισμένες περιοχές πρωτεϊνικής περιοχής: υπομονάδες S1 και S2, οι οποίες εμπλέκονται στην αναγνώριση κυττάρων και τη σύντηξη μεμβράνης, αντίστοιχα. Το τελευταίο προκύπτει ως αποτέλεσμα πολλών δομικών αλλαγών πρωτεΐνης που είναι προς το παρόν άγνωστες.
1.4.3. Μηχανισμός δράσης του ιού
Οι ιοί πρέπει να αναπαράγονται στα κύτταρα ξενιστές τους και η διαδικασία αποτελείται από έξι βήματα: προσκόλληση, διείσδυση, αποκάλυψη, αντιγραφή, συναρμολόγηση και απελευθέρωση [40]. Οι ιοί προσκολλώνται σε μια συγκεκριμένη θέση υποδοχέα στη μεμβράνη του κυττάρου ξενιστή χρησιμοποιώντας πρωτεΐνες προσκόλλησης στο καψίδιο ή γλυκοπρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στο ιικό περίβλημα, και τα κύτταρα ξενιστές που μπορούν να μολυνθούν από έναν συγκεκριμένο ιό προσδιορίζονται από αυτήν την εξειδίκευση αλληλεπίδρασης. Γενικά, μόνο το νουκλεϊκό οξύ των βακτηριοφάγων διεισδύει στο κύτταρο ξενιστή, αφήνοντας το καψίδιο έξω. Οι ζωικοί και φυτικοί ιοί μπορούν να εισέλθουν στα κύτταρα με ενδοκύττωση, στην οποία ο ιός περιβάλλεται πλήρως και απορροφάται από τις κυτταρικές μεμβράνες. Οι ιοί με περίβλημα θα εισέλθουν στα κύτταρα ξενιστές τους όταν ο ιικός φάκελος συγχωνευθεί απευθείας με τις κυτταρικές μεμβράνες. Το ιικό καψίδιο καταστρέφεται μία φορά μέσα στα κύτταρα-ξενιστές, απελευθερώνοντας το ιικό νουκλεϊκό οξύ, το οποίο στη συνέχεια είναι διαθέσιμο για αναπαραγωγή και μεταγραφή. Το γονιδίωμα του ιού καθορίζει τον μηχανισμό αντιγραφής. Οι ιοί DNA συνήθως χρησιμοποιούν τα ένζυμα και τις πρωτεΐνες του κυττάρου ξενιστή για να παράγουν περισσότερο DNA, το οποίο στη συνέχεια μεταγράφεται σε αγγελιοφόρο RNA (mRNA) και χρησιμοποιείται για άμεση πρωτεϊνοσύνθεση. Ο πυρήνας RNA χρησιμοποιείται συνήθως από ιούς RNA ως πρότυπο για τη σύνθεση ιικού γονιδιωματικού RNA και mRNA. Η απελευθέρωση νέων βιριόντων που δημιουργούνται στα κύτταρα-ξενιστές είναι το τελικό στάδιο της ιικής αντιγραφής, επιτρέποντας τη συνέχιση της μόλυνσης γειτονικών κυττάρων και των κύκλων αυτο-αντιγραφής. Ο κύκλος αντιγραφής του ιού μπορεί να οδηγήσει τα κύτταρα ξενιστές να υποστούν σημαντικές δομικές και μεταβολικές αλλαγές, καθώς και να βλάψουν [69].
Το Σχήμα 3 απεικονίζει τον μηχανισμό εισόδου, αντιγραφής και συσκευασίας RNA του SARS-CoV-2 στο ανθρώπινο κύτταρο. Η πρωτεΐνη ακίδας (S) του κοροναϊού συνδέεται με τους υποδοχείς του μετατρεπτικού ενζύμου 2 (ACE2) της αγγειοτενσίνης στην επιφάνεια πολλών ανθρώπινων κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων αυτών στους πνεύμονες, διευκολύνοντας την είσοδο του ιού. Οι πρωτεάσες του ξενιστή (θρυψίνη και φουρίνη) διασπούν την πρωτεΐνη S του κορωνοϊού σε δύο σημεία στο όριο της υπομονάδας S1/S2 (θέση S1/S2). Το πεπτίδιο σύντηξης απελευθερώνεται μόλις διασπαστεί η περιοχή S2 (θέση S2′). Ο μηχανισμός σύντηξης μεμβράνης θα ενεργοποιηθεί ως αποτέλεσμα αυτού του συμβάντος. Η ενδοκυττάρωση είναι η διαδικασία μέσω της οποίας ένα ανθρώπινο κύτταρο προσλαμβάνει τον ιό. Ο SARS-CoV-2 θεωρείται ότι χρησιμοποιεί μια μοναδική μέθοδο τριών σταδίων για τη σύντηξη της μεμβράνης μόλις εισέλθει στο κυτταρόπλασμα, που περιλαμβάνει δέσμευση υποδοχέα και επαγόμενες δομικές αλλαγές στη γλυκοπρωτεΐνη Spike (S), ακολουθούμενη από πρωτεόλυση καθεψίνης L από ενδοκυτταρικές πρωτεάσες και περαιτέρω ενεργοποίηση του μηχανισμού σύντηξης μεμβράνης εντός των ενδοσωμάτων [52]. Το ενδοσώμα στη συνέχεια ανοίγει, απελευθερώνοντας τον ιό στο κυτταρόπλασμα και το ιικό νουκλεοκαψίδιο (Ν) δεν είναι επικαλυμμένο από πρωτεοσώματα, τα οποία μπορεί να υδρολύουν ενδογενείς πρωτεΐνες αλλά μπορούν επίσης να αποικοδομήσουν εξωτερικές πρωτεΐνες όπως η πρωτεΐνη νουκλεοκαψιδίου SARS [63]. Ένας νέος μηχανισμός δύο σταδίων έχει προταθεί, στον οποίο το ιοσωμάτιο προσκολλάται σε έναν υποδοχέα στην επιφάνεια του κυττάρου ξενιστή μέσω της υπομονάδας S1, η ακίδα διασπάται από πρωτεάσες ξενιστή και στη συνέχεια οι μεμβράνες στόχου του ιού και του ξενιστή αναμένεται να συντηχθούν σε χαμηλό pH μέσω της υπομονάδας S2 [25, 33]. Τέλος, το ιικό γενετικό υλικό, που είναι ένα μονόκλωνο RNA, απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα στο σύνολό του. Πραγματοποιούνται οι διαδικασίες αντιγραφής και μεταγραφής, οι οποίες διαμεσολαβούνται από το σύμπλεγμα αντιγραφής/μεταγραφής (ΣΑΜ). Αυτό το σύμπλεγμα αποτελείται από μη δομικές πρωτεΐνες και κωδικοποιείται στο γονιδίωμα του ιού (nsp). Το ΣΑΜ θεωρείται ότι παρήγαγε δομές διπλής μεμβράνης στο κυτταρόπλασμα του μολυσμένου κυττάρου [58]. Μετά το θετικό γονιδίωμα RNA, το ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης 1a/b (ORF 1a/b) μεταφράζεται για τη δημιουργία πρωτεϊνών ρεπλικάσης. Αυτές οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούν το γονιδίωμα ως πρότυπο για να δημιουργήσουν πλήρους μήκους αρνητικά νοηματικά RNA, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία πρόσθετων γονιδιωμάτων πλήρους μήκους. Οι δομικές ιικές πρωτεΐνες M, S και E συντίθενται στο κυτταρόπλασμα, εισάγονται στο ενδοπλασματικό δίκτυο (EΔ) και μεταφέρονται στο ενδιάμεσο διαμέρισμα ενδοπλασματικό δίκτυο-Golgi (Εικ. 3). (ΕΔEΔΓκ) [37]. Επιπλέον, τα νουκλεοκαψίδια σχηματίζονται στο κυτταρόπλασμα με την ενθυλάκωση των αναδιπλασιασμένων γονιδιωμάτων από την πρωτεΐνη Ν, και ως αποτέλεσμα, συνενώνονται εντός της μεμβράνης ΕΔEΔΓκ για να αυτοσυναρμολογηθούν σε νέα ιοσωμάτια. Επιτέλους, νέα ιοσωμάτια εξάγονται από μολυσμένα κύτταρα μεταφέροντάς τα στην κυτταρική μεμβράνη σε κυστίδια με λεία τοιχώματα και στη συνέχεια εκκρίνοντάς τα μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως εξωκυττάρωση προκειμένου να μολύνουν άλλα κύτταρα. Εν τω μεταξύ, το στρες που προκαλείται από την παραγωγή του ιού στο ενδοπλασματικό δίκτυο έχει ως αποτέλεσμα τον κυτταρικό θάνατο.
Εικόνα 3. Το σχηματικό διάγραμμα του μηχανισμού εισόδου, αντιγραφής και συσσώρευσης ιικού RNA του SARS-CoV-2 στο ανθρώπινο κύτταρο.
2. Λειτουργικά νανοσωματίδια
2.1. Τι είναι τα νανοσωματίδια;
Ένα νανοσωματίδιο, σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (ISO), είναι ένα σωματίδιο με μέγεθος μεταξύ 1 και 100 νανόμετρα [6]. Τα νανοσωματίδια, τα οποία είναι αόρατα στο ανθρώπινο μάτι, μπορούν να έχουν ριζικά διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από τα αντίστοιχα μεγαλύτερα υλικά. Καθώς το μέγεθος μιας ουσίας πλησιάζει την ατομική κλίμακα, οι ιδιότητές της αλλάζουν. Αυτό οφείλεται στην αύξηση της αναλογίας της επιφάνειας προς τον όγκο, η οποία αναγκάζει τα άτομα της επιφάνειας να κυριαρχούν στην απόδοση του υλικού. Σε σύγκριση με υλικά χύδην όπως σκόνες, πλάκες και φύλλα, τα νανοσωματίδια έχουν σχετικά σημαντική αναλογία επιφάνειας προς όγκο λόγω του εξαιρετικά μικρού τους μεγέθους. Όταν τα νανοσωματίδια είναι αρκετά μικρά ώστε να περιορίζουν τα ηλεκτρόνια τους και να προκαλούν κβαντικά αποτελέσματα, μπορεί να έχουν απροσδόκητες οπτικές, φυσικές και χημικές ικανότητες.
Τα μεταλλικά νανοσωματίδια διαφέρουν από τα χύδην μέταλλα όσον αφορά τις φυσικές και χημικές ιδιότητες (π.χ. χαμηλότερες θερμοκρασίες τήξης, μεγάλες ειδικές επιφάνειες, ειδικές οπτικές ιδιότητες, μηχανικές αντοχές και μαγνητισμούς), οι οποίες θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες σε μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών. Ο χαλκός, για παράδειγμα, θεωρείται μαλακό υλικό επειδή τα άτομα του συγκεντρώνονται στην κλίμακα 50 nm, προκαλώντας κάμψη του χύμα χαλκού. Ως αποτέλεσμα, τα νανοσωματίδια χαλκού μικρότερα από 50 nm ταξινομούνται ως πολύ σκληρό υλικό, με σημαντικά διαφορετική ελατότητα και ολκιμότητα από τον χύμα χαλκό. Τα νανοσωματίδια χρυσού λιώνουν σε σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες από τον χύμα χρυσό (1064 °C) (300 °C για μέγεθος 2,5 nm).
Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, η δραστηριότητα στο αντικείμενο της νανοτεχνολογίας έχει αυξηθεί με εκθετικό ρυθμό σε όλο τον κόσμο, μετατρέποντάς το σε σημαντικό διεπιστημονικό ερευνητικό θέμα. Η ενσωμάτωση της νανοτεχνολογίας στον τομέα της ιατρικής επιστήμης έχει οδηγήσει σε αυτή την άνοδο σε μεγάλο βαθμό, καθώς τα νανοδομημένα υλικά έχουν ξεχωριστές βιολογικές επιδράσεις.
Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούνται με διάφορους τρόπους στη βιομηχανία υγειονομικής περίθαλψης, ένας από τους οποίους είναι η χορήγηση φαρμάκων.
Εικόνα 4. Βιοϊατρικές εφαρμογές νανοσωματιδίων.
Ένα παράδειγμα αυτής της τεχνικής είναι η ανάπτυξη νανοσωματιδίων που βοηθούν στην παροχή θεραπειών χημειοθεραπείας απευθείας σε καρκινικούς ιστούς, καθώς και για τη χορήγηση φαρμάκων σε κατεστραμμένες περιοχές των αρτηριών για την καταπολέμηση των καρδιαγγειακών παθήσεων. Οι νανοσωλήνες άνθρακα αναπτύσσονται επίσης για να εφαρμοστούν σε διαδικασίες για τη δημιουργία αισθητήρων βακτηρίων μέσω της προσθήκης αντισωμάτων στους νανοσωλήνες.
Τα νανοσωματίδια έχουν αναδειχθεί ως δυνητικά υποψήφια για βελτιστοποιημένη θεραπεία μέσω της εξατομικευμένης ιατρικής λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους, όπως η τεράστια επιφάνεια, οι δομικές ιδιότητες και η εκτεταμένη διάρκεια κυκλοφορίας στο αίμα σε σύγκριση με τα μικρά μόρια. Η ικανότητα μετατροπής των δυσμενών φυσικοχημικών ιδιοτήτων των βιοδραστικών μορίων σε αντίστοιχα με επιθυμητά βιοφαρμακολογικά προφίλ, η βελτίωση της παροχής θεραπευτικού παράγοντα μέσω βιολογικών φραγμών και διαμερισμάτων, ο έλεγχος της απελευθέρωσης βιοδραστικού παράγοντα, η βελτίωση της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας με επιλεκτική χορήγηση φαρμάκου σε βιολογικούς στόχους και η εκτέλεση στοχευμένων λειτουργιών θεραπείας συνδυάζοντας πολυτροπικά ιοντικά κανάλια. Όλα αυτά αποτελούν δυνητικά πλεονεκτήματα των τεχνητών θεραπευτικών νανοσωματιδίων [56].
Μερικά νανοϋλικά και νανοσωματίδια μελετώνται επί του παρόντος σε κλινικές δοκιμές ή έχουν ήδη εγκριθεί για χρήση σε ανθρώπους από τον Οργανισμό Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) και πολλές μελέτες με σκοπό την εφαρμογή της ιδέας για νανοσωματίδια σε κυτταροκαλλιέργεια και σε μοντέλα μικρών ζώων για ιατρικές εφαρμογές βρίσκονται σε εξέλιξη.
Η ανάπτυξη αντιικών φαρμάκων είναι κρίσιμη για τον περιορισμό της εξάπλωσης των ασθενειών και την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Πολλά λειτουργικά νανοσωματίδια, όπως κβαντικές κουκκίδες, νανοσωματίδια χρυσού και αργύρου, οξείδιο του γραφενίου, νανοσυμπλέγματα, υλικά πυριτίου, κουκκίδες άνθρακα, πολυμερή και δενδριμερή, έχουν πρόσφατα βρεθεί ότι έχουν εντυπωσιακές αντιικές ιδιότητες. Αυτά τα λειτουργικά υλικά που βασίζονται σε νανοσωματίδια προσφέρουν μοναδικές ιδιότητες ως πιθανοί υποψήφιοι παράγοντες κατά των ιών, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές τους στον αντιιικό μηχανισμό και την ανασταλτική τους αποτελεσματικότητα. Ο SARS-CoV-2 είναι ένας ιός εγκλεισμένος σε πρωτεΐνη ακίδας με διάμετρο 60–140 nm και ιδιότητες που μοιάζουν με σωματίδια. Λόγω των δομικών τους ομοιοτήτων, τα συνθετικά νανοσωματίδια μπορούν να μοιάζουν πολύ με τον ιό και να αλληλεπιδρούν επιθετικά με τις παθογόνες πρωτεΐνες του. Τα αντιικά νανοϋλικά, όπως τα νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου, έχουν σχήμα τετραπόδων που μιμείται την επιφάνεια του κυττάρου όταν εμπλέκονται με το ιικό καψίδιο. Λόγω μιας φωτοκαταλυτικής αντίδρασης, ανέστειλε τις ιικές πρωτεΐνες όταν εκτίθεται στην υπεριώδη ακτινοβολία [56].
2.2. Λειτουργικά νανοσωματίδια ως αντιιικοί παράγοντες
Όλα τα μέρη της έρευνας για τους ιούς έχουν επηρεαστεί από τη νανοτεχνολογία. Η νανοτεχνολογία έχει επιδείξει ισχυρό δυναμικό για την επίλυση αυτού του ζητήματος μεταξύ άλλων αντιικών τεχνικών, και τα αναπτυσσόμενα νανοσωματίδια έχουν αναφερθεί ότι έχουν εξαιρετική ισχύ κατά της μόλυνσης και της αναπαραγωγής του ιού. Πρώτον, οι ανιχνευτές που βασίζονται στη νανοτεχνολογία έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την ανίχνευση ιών, οδηγώντας στην ανάπτυξη μιας ποικιλίας βιοαισθητήρων και βιοηλεκτρονικών βασισμένων σε μοναδικά λειτουργικά νανοσωματίδια [12, 16]. Δεύτερον, πολλά νανοϋλικά έχουν δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας βιριόντα και σωματίδια που μοιάζουν με ιούς ως πρότυπα, υπογραμμίζοντας τη σημασία της βιοσυμβατότητας και των βιοσυνθετικών μεθόδων στη σύγχρονη βιοχημική έρευνα [31, 35]. Τρίτον, έχει γίνει σημαντική προσπάθεια για την παραγωγή φθοριζόντων νανοανιχνευτών και τη χρήση τους στη μελέτη των μοριακών μηχανισμών των μολυσμένων από ιούς κυττάρων [41, 73]. Τέλος, ένας αυξανόμενος αριθμός λειτουργικών νανοσωματιδίων έχει αναγνωριστεί ως εξαιρετικά αποτελεσματικοί αναστολείς ιικής ανάπτυξης [66].
2.3. Η αντιική δράση των λειτουργικών νανοσωματιδίων
Η προσκόλληση, η διείσδυση, η αναπαραγωγή και η εκβλάστηση είναι τα βασικά βήματα στη μολυσματική διαδικασία του ιού και τα αντιιικά λειτουργικά νανοσωματίδια έχουν σχεδιαστεί για να αναστέλλουν τους ιούς αναστέλλοντας ή μειώνοντας ορισμένα από αυτά τα βήματα. Θα ταξινομήσουμε τους διάφορους μηχανισμούς των νανοσωματιδίων με βάση την αντιϊκή τους αποτελεσματικότητα σε αυτή την ενότητα. Η απενεργοποίηση των ιών είναι ο πιο άμεσος τρόπος αναστολής τους και ορισμένες νανοδομές μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τους ιούς, να αλλάξουν τη δομή της καψιδικής πρωτεΐνης τους και στη συνέχεια να μειώσουν δραστικά τη λοιμογόνο δύναμη, η οποία μπορεί να συνδεθεί τόσο με φυσικούς όσο και με χημικούς μηχανισμούς για τη μείωση του ενεργού πληθυσμού του ιού. Οι περισσότερες ιογενείς λοιμώξεις ξεκινούν με την προσκόλληση των κυττάρων-ξενιστών, η οποία συνήθως επιτυγχάνεται με τη σύνδεση με την πρωτεΐνη-δέκτη στόχο. Τα κύτταρα ξενιστές θα είναι απαλλαγμένα από μόλυνση εάν τα νανοσωματίδια μπορούν να αποτρέψουν αποτελεσματικά την προσκόλληση. Η ομάδα του Stellacci έχει αναπτύξει μια σειρά αντιιικών νανοσωματιδίων με μακρούς και εύκαμπτους συνδέτες που μιμούνται τις πρωτεογλυκάνες θειικής ηπαράνης, τον εξαιρετικά διατηρημένο στόχο των προσδεμάτων ιικής προσκόλλησης (ΠΙΠ), τα οποία μπορούν να επιτύχουν αποτελεσματική πρόληψη του ιού μέσω αποτελεσματικής ιικής σύνδεσης με μια σύνδεση που προσομοιώνεται ότι είναι ισχυρή και πολυσθενής στις επαναλαμβανόμενες μονάδες ΠΙΠ [8]. Αυτά τα σωματίδια είναι μη κυτταροτοξικά και έχουν νανομοριακή μη αναστρέψιμη δράση έναντι του ιού του απλού έρπητα, του ιού των ανθρώπινων θηλωμάτων, του αναπνευστικού συγκυτιακού ιού, του ιού του δάγγειου πυρετού και του ιού των φακών in viMKo . Ως αποτέλεσμα, τα λειτουργικά νανοσωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντιιικό φάρμακο ευρέος φάσματος για την πρόληψη της προσκόλλησης του ιού, το πρώτο βήμα στη διαδικασία μόλυνσης. Η δεύτερη μέθοδος καταστολής του ιού είναι να αποτρέψει τους ιούς να διεισδύσουν και να εισέλθουν στα κύτταρα ξενιστές αλλάζοντας την κυτταρική επιφάνεια της μεμβράνης και την αρχιτεκτονική της πρωτεΐνης. Ο Haag και οι συνεργάτες του δημιούργησαν έναν αριθμό υδατοδιαλυτών θειικών φουλερενίων-πολυγλυκερόλης (FPS) με διάφορες αναλογίες βάρους φουλερενίου και πολυμερούς και αριθμούς κλάδων θειικής πολυγλυκερόλης [19].
Πίνακας 1. Τυπικοί αντιιικοί μηχανισμοί δράσης νανοϋλικών.
Νανοϋλικό | Ιός | Μηχανισμός |
---|---|---|
Οξείδιο του γραφενίου | αναπνευστικός συγκυτιακός ιός | Απενεργοποιήστε άμεσα τον ιό και αναστέλλετε την προσκόλλησηприкрепването |
Νανογέλη | PRRSV | Προσάρτηση και διείσδυση ασπίδας |
Νανοσωματίδιο αργύρου | Έρπης | Επηρεάστε την προσκόλληση του ιού |
Οξείδιο του γραφενίου | Έρπης | Αναστολή προσκόλλησης |
νανοσωματίδια χρυσού | Έρπης | Αποτρέψτε την προσκόλληση και τη διείσδυση του ιού |
Νανο-άνθρακας | Έρπης | Αναστέλλουν την είσοδο του ιού στο αρχικό στάδιο |
Νανοσωματίδια πυριτίου | Γρίπη Α | Μειώστε την ποσότητα του προγονικού ιού |
Νανοσυμπλέγματα Ag 2 S | Κορωνοϊός | Αποκλεισμός σύνθεσης και εκβλάστησης ιικού RNA |
Gd 2 O 3 :Tb 3+ /Er 3+ νανοσωματίδια | Ιός Ζίκα | Ως μικροφορείς αντιγόνου για το πεπτίδιο Zk2 του ZIKV |
Νανοσωματίδια οξειδίου του χαλκού | Ο ιός του απλού έρπητα τύπου 1 | Οξείδωση ιικών πρωτεϊνών και αποικοδόμηση του ιικού γονιδιώματος |
NiO νανοδομές | Ιός μωσαϊκού αγγουριού | Αυξήστε την έκφραση των γονιδίων pod, pr1 και pal1 |
Νανοσωματίδια ζιρκονίου | Ιός γρίπης H5N1 | Προωθεί την έκφραση των κυτοκινών |
Νανοσωματίδια οξειδίου ψευδαργύρου | Ιός γρίπης H1N1 | Αναστέλλετε τον ιό μόνο μετά την είσοδο του ιού στα κύτταρα-ξενιστές |
Το FPS, το οποίο συνδυάζει πολυανιονικούς κλάδους με έναν μεταβλητό υδρόφοβο πυρήνα εκτεθειμένο σε διαλύτη, ξεπερνά τα ανάλογα που έχουν μόνο μία από αυτές τις ιδιότητες στην παρεμπόδιση της επαφής της γλυκοπρωτεΐνης του περιβλήματος του ιού της φυσαλιδώδους στοματίτιδας με τα νεφρικά κύτταρα του μωρού χάμστερ. Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη μπλοκαρίσματος μεταξύ των ιών και των κυττάρων-ξενιστών είναι μια καλή προσέγγιση για την αποφυγή λοιμώξεων από ιούς. Στην περίπτωση της εισόδου του ιού σε ένα κύτταρο, η τρίτη επιτυχημένη τεχνική για τον αποκλεισμό του ιού είναι η καταστροφή της αντιγραφής του, η οποία συνήθως επιτυγχάνεται με τη μείωση της έκφρασης συγκεκριμένων ενζύμων που προηγουμένως βοηθούσαν στην ολοκλήρωση της αντιγραφής DNA ή RNA του ιού. Η τελική στρατηγική είναι η αναστολή της εκβλάστησης του ιού και η απέκκρισή του από τα κύτταρα-ξενιστές. Οι απόγονοι ενός ιού μπορεί να είναι πιο λοιμογόνοι από την προηγούμενη γενιά και εάν τα λειτουργικά νανοσωματίδια εμποδίσουν τον ιό να αναπαραχθεί και περιορίσουν δραστικά τον αριθμό των απογόνων ιών, η λοιμογόνος δράση του ιού θα μειωθεί σημαντικά. Ο Πίνακας 1 δείχνει μερικούς από τους πιο κοινούς αντιιικούς μηχανισμούς για λειτουργικά νανοσωματίδια.
3. Νανοσωματίδια που βασίζονται σε ιούς (ΙΝΣ)
Το σημείο διέλευσης μεταξύ των ιικών σωματιδίων και των λειτουργικών νανοϋλικών είναι νανοσωματίδια με βάση τον ιό. Η συναρμολόγηση εκατομμυρίων πανομοιότυπων νανοσωματιδίων και η δημιουργία τους σε ζωντανά κύτταρα είναι δυνατή με βιοανοϋλικά που βασίζονται σε ιούς. Οι ιοί μολύνουν βακτήρια, ανθρώπους και φυτά και όλοι έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νανοσωματιδίων που βασίζονται σε ιούς (ΙΝΣ). Οι ιοί είναι ένα εξαιρετικό μέρος για να ξεκινήσετε, επειδή έχουν εξελιχθεί για να διανέμουν τα νουκλεϊκά οξέα με φυσικό τρόπο και έτσι μπορούν να υποστούν χειρισμό για την παροχή άλλων ενώσεων, όπως ως θεραπευτικά και απεικονιστικά αντιδραστήρια. Τέλος, οι ιοί έχουν υψηλό ρυθμό αναπαραγωγής, επιτρέποντας τη μαζική παραγωγή ΙΝΣ με χαμηλό κόστος.
Τα ΙΝΣ αποτελούνται από κανονικές σειρές πρωτεϊνών επικάλυψης ιών με μια καλά καθορισμένη τρισδιάστατη δομή, καθιστώντας τα ένα καλύτερο ικρίωμα μηχανικής από τα βιομηχανικά σωματίδια. Τα ΙΝΣ μπορούν επίσης να αλλάξουν τη δομή τους τροποποιώντας το πρότυπο νουκλεϊκού οξέος που κωδικοποιεί τις πρωτεΐνες του ιού πριν από τη σύνθεσή τους, καθώς και χημικά διακοσμώντας τα με την προσθήκη συζυγών σε ορισμένες πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων. Τα ΙΝΣ είναι γνωστά για τη βιοσυμβατότητά τους, τη βιοδιασπασιμότητά τους, την ικανότητά τους να ξεπερνούν τα βιολογικά εμπόδια και την αποτελεσματική κατανομή του φορτίου στα κύτταρα-στόχους, επειδή αποτελούνται κυρίως από πρωτεΐνη. Οι ιοί έχουν εξελιχθεί για να συνδέονται με συγκεκριμένες κυτταρικές πρωτεΐνες, να μεταφέρουν φορτίο νουκλεϊκού οξέος και να παραβιάζουν τον ενδοκυτταρικό μηχανισμό για να δημιουργήσουν συστατικά του ιού των απογόνων. Αυτά τα χαρακτηριστικά οδήγησαν στην ανάπτυξη ΙΝΣ βασισμένων σε ιούς θηλαστικών για χρήση στη γονιδιακή θεραπεία, αλλά είναι δύσκολο να αποκλειστούν οι επιβλαβείς επιπτώσεις που προκύπτουν από τις κανονικές αλληλεπιδράσεις ιού-ξενιστή [ 23 ]. Τα ΙΝΣ που βασίζονται σε βακτηριοφάγους και φυτικούς ιούς, από την άλλη πλευρά, θεωρούνται αβλαβή επειδή ακόμη και οι πλήρως λειτουργικοί ιοί δεν μπορούν να μολύνουν τους ανθρώπους. Ως αποτέλεσμα, η πλειοψηφία αυτής της διάλεξης θα αφιερωθεί στις ιατρικές εφαρμογές των ΙΝΣ που προέρχονται από βακτηριοφάγους και φυτικούς ιούς.
Οι βακτηριοφάγοι και οι φυτικοί ιοί είναι συγκροτήματα νουκλεοπρωτεϊνών με νουκλεϊκά οξέα σταθερά εγκλεισμένα σε ένα καψίδιο που αποτελείται από πολλά αντίγραφα των ίδιων πρωτεϊνών περιβλήματος. Τα καψίδια είναι συχνά εικοσαεδρικά (περίπου σφαιρικά), δύσκαμπτοι σωλήνες ή εύκαμπτα νήματα, με τις δύο τελευταίες κατηγορίες να έχουν υψηλή αναλογία διαστάσεων. Οι φυτικοί ιοί και οι βακτηριοφάγοι, σε αντίθεση με πολλούς ιούς θηλαστικών, δεν περιβάλλονται κανονικά από μια εύθραυστη λιπιδική μεμβράνη αφού πρέπει να ανέχονται πιο σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες προκειμένου να μολύνουν επιτυχώς τους ξενιστές τους.
Η φυσική λειτουργία του καψιδίου του ιού είναι να προστατεύει το DNA του ιού από νουκλεάσες και άλλες φυσικές απειλές. Οι πρωτεΐνες του περιβλήματος του ιού είναι επομένως χημικά και φυσικά σταθερές, κάτι που είναι πλεονεκτικό για την ανάπτυξη των ΙΝΣ επειδή σημαίνει ότι έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και μπορούν να αντέξουν τις χημικές επεξεργασίες που απαιτούνται για σύζευξη με συνδετήρες στόχευσης ή φόρτωση με ωφέλιμα φορτία όπως φάρμακα, φθοροφόρα ή σκιαγραφικούς παράγοντες [ 54 ].
3.1. Στρατηγικές για τροποποίηση ΙΝΣ
Η γενετική μηχανική, η ενθυλάκωση, η βιομεταλλοποίηση, η έγχυση και η βιοσύζευξη είναι μερικές από τις προσεγγίσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό και την αλλαγή προϊόντων που βασίζονται σε ιούς. Η θεμελιώδης δομή της πρωτεΐνης του περιβλήματος μπορεί να τροποποιηθεί με τη γενετική μηχανική με την εισαγωγή, διαγραφή ή εναλλαγή συγκεκριμένων υπολειμμάτων αμινοξέων [ 42 ]. Τέτοιες τροποποιήσεις διευκολύνουν τη λειτουργικότητα ή την αλλαγή των συνολικών φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του ΙΝΣ [ 20, 57] . Οι ετικέτες καθαρισμού/ανοσοανίχνευσης, οι αλληλουχίες επιτόπων για να γίνει το ΙΝΣ εμβόλιο και οι αλληλουχίες στόχευσης για την κατασκευή των ειδικών υποδοχέων στόχου ΙΝΣ είναι όλα παραδείγματα τέτοιων αλλαγών [70]. Χρησιμοποιώντας συγκρίσιμες τεχνολογίες ανασυνδυασμένης έκφρασης, είναι επίσης δυνατό να ενσωματωθούν αφύσικα αμινοξέα ως μοναδικές λαβές για επακόλουθες χημικές αντιδράσεις [55].
Υπό φυσιολογικές συνθήκες, οι πρωτεΐνες του περιβλήματος του ιού αυτοσυγκεντρώνονται γύρω από τα νουκλεϊκά οξέα και αυτή η ιδιότητα (την οποία μοιράζονται τα ΙΝΣ) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποσυναρμολόγηση των ΙΝΣ και τη συναρμολόγηση τους σε πιο επιθυμητές διαμορφώσεις γύρω από άλλα μόρια φορτίου. Δύο βασικές αρχές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενεργοποίηση της ενθυλάκωσης του φορτίου: (α) επιφανειακό φορτίο και ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις ή (β) μοναδικές αλληλεπιδράσεις δέσμευσης που συμβαίνουν κατά την αυτοσυναρμολόγηση [18]. Μια πρωτεΐνη χειριστή μεταφραστικής καταστολής (ΜΚ), για παράδειγμα, βρίσκεται στον βακτηριοφάγο MS2 και συνδέεται με έναν βρόχο στελέχους MK RNA. Οι χημικά τροποποιημένες πρωτεΐνες χειριστή MK μπορούν να μεταφέρουν μικρά θεραπευτικά μόρια. Όταν τα μη κατεστραμμένα σωματίδια MS2 συνδυάζονται με τροποποιημένους τελεστές MK, οι τελευταίοι διαχέονται στα ΙΝΣ και συνδέονται με το καψίδιο με σταθερό τρόπο. Αυτές οι τεχνικές σχεδιασμού έχουν χρησιμοποιηθεί για την επιτυχή εισαγωγή θεραπευτικών ενώσεων όπως η αλυσίδα ρικίνης Α και η 5-φθοροουριδίνη στα σωματίδια MS2. Η μεταφορά ωφέλιμου φορτίου και η επιτυχής θανάτωση των κυττάρων-στόχων έχει αποδειχθεί in vitro σε κυτταρική έρευνα που χρησιμοποιεί αυτή την τεχνική [7, 68].
Η βιομεταλλοποίηση είναι η εναπόθεση ορυκτών μέσα και γύρω από τα κύτταρα και τους ιστούς των ζωντανών οργανισμών, αλλά σχετίζεται με την ικανότητα των πρωτεϊνών του περιβλήματος του ιού να σχηματίζονται γύρω από έναν ορυκτό πυρήνα ή ανοργανοποίηση πυρήνων στο περιβάλλον των ΙΝΣ. Η βιομεταλλοποίηση ΙΝΣ έχει διάφορες χρήσεις στην ενεργειακή έρευνα, αλλά υπάρχουν και παραδείγματα στην ιατρική, ιδίως όταν τα ορυκτά φορτία χρησιμοποιούνται ως σκιαγραφικά [43].
Ορισμένα υλικά θα πρέπει να εγκλωβίζονται διεγείροντας το σχηματισμό καψιδίων γύρω από ένα φορτίο, ενώ άλλα μπορούν να διαχέονται μέσω του ιικού σωματιδίου και στην εσωτερική κοιλότητα, όπου μπορούν να πειστούν ότι θα παραμείνουν μέσα από μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις με νουκλεϊκά οξέα ή εσωτερικά προβαλλόμενες πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων , ή η βιοσύζευξη μπορεί να τα συνδέσει μόνιμα με λαβές. [64]. Αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί για τη φόρτωση χρωστικών φθορισμού για οπτική απεικόνιση, ιόντων Gd 3+ για μαγνητική τομογραφία και μικρών φαρμακευτικών ενώσεων [45, 71].
Η χρήση της κλασικής χημείας για τη λειτουργικότητα συγκεκριμένων πλευρικών αλυσίδων αμινοξέων, όπως οι καρβοξυλικές ομάδες στα υπολείμματα γλουταμικού και ασπαρτικού οξέος, οι αντιδραστικές αμίνες στα υπολείμματα λυσίνης, οι σουλφυδρυλικές ομάδες στα υπολείμματα κυστεΐνης και οι ομάδες φαινόλης στα υπολείμματα τυροσίνης, είναι μια από τις πιο ισχυρές προσεγγίσεις. για την τροποποίηση των ΙΝΣ. Αυτές οι ομάδες μπορούν να συνδεθούν απευθείας σε συγκεκριμένα μόρια ή να αλλάξουν ώστε να περιλαμβάνουν λειτουργικές ομάδες για πιο πολύπλοκες διαδικασίες σύζευξης.
3.2. Νανοσωματίδια με βάση τους ιούς σε θεραπευτικές παρεμβάσεις
Οι βακτηριοφάγοι και οι φυτικοί ιοί έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στα κύτταρα των θηλαστικών και να αναπαράγονται χωρίς πρόσθετη αναπαραγωγή, καθιστώντας τους χρήσιμα θεραπευτικά εργαλεία. Τα νανοϋλικά που βασίζονται σε ιούς μπορούν να σχεδιαστούν για να στοχεύουν συγκεκριμένα κύτταρα, όπως καρκινικά κύτταρα και κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως μέσα εμβολιασμών, καθώς μπορούν να εκθέσουν αντιγόνα στο ανοσοποιητικό σύστημα. Η ανοσοθεραπεία και οι συνδυασμένες ανοσο/χημειοθεραπείες επωφελούνται από τις αλληλεπιδράσεις ΙΝΣ με το ανοσοποιητικό σύστημα, ενώ η απεικόνιση και η χορήγηση φαρμάκων συνήθως δεν μπορούν. Ως αποτέλεσμα, έχουν επινοηθεί πολυάριθμοι τρόποι για τη θωράκιση των ΙΝΣ από το ανοσοποιητικό σύστημα καθοδηγώντας τα σε συγκεκριμένα κύτταρα στόχους. Η κάθαρση του ΙΝΣ μέσω του συστήματος μονοπύρηνων φαγοκυττάρων μπορεί να παρακαμφθεί τροποποιώντας τη χημεία ή το σχήμα της επιφάνειας των σωματιδίων [53]. Η επιφανειακή PEGylation, για παράδειγμα, μπορεί να μειώσει τις μη ειδικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ΙΝΣ και των μακροφάγων, επιτρέποντάς τους να κυκλοφορούν περισσότερο [30]. Η γενετική ή χημική προσθήκη ενώσεων που συνδέονται με υποδοχείς που εκφράζονται σε μεγάλο βαθμό σε συγκεκριμένους κυτταρικούς τύπους, όπως καρκινικά κύτταρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη στόχευσή τους. Η μορφή, το μέγεθος και η αναλογία διαστάσεων του ΙΝΣ μπορούν επίσης να επηρεάσουν την εξειδίκευση του ιστού, επομένως αυτές είναι πρόσθετες ιδιότητες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το στάδιο του σχεδιασμού. Τα σωληνοειδή ή νηματώδη ΙΝΣ, ειδικότερα, μπορούν να εμφανίσουν in vivo χαρακτηριστικά ανώτερα από τα σφαιρικά ΙΝΣ, όπως αυξημένη ροή και περιθώριο προς το αρτηριακό τοίχωμα και μειωμένη κάθαρση από το μονοπύρηνο φαγοκυτταρικό σύστημα, με αποτέλεσμα βελτιωμένη εστίαση του όγκου και στόχευση θρόμβου [51, 65] . Οι δομές ΙΝΣ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση της επίδρασης του μεγέθους και του σχήματος του ΙΝΣ στην αποτελεσματικότητα της χορήγησης και της απεικόνισης φαρμάκων, καθώς είναι μονοδιασπορά και μπορούν να τροποποιηθούν με λεπτό και επαναλαμβανόμενο χωρικό έλεγχο.
3.3. Παράδοση φαρμάκων με ΙΝΣ
Η ανάπτυξη ΙΝΣ που στοχεύουν συγκεκριμένους τύπους κυττάρων επέτρεψε την προσθήκη τοξικών ωφέλιμων φορτίων μέσω σύζευξης, έγχυσης ή/και ενθυλάκωσης, με αποτέλεσμα τον θάνατο των κυττάρων-στόχων, επιτρέποντας την επιλεκτική εξάλειψη καρκινικών κυττάρων ή άλλων νοσούντων κυττάρων χωρίς εφέ στόχου. Η σύζευξη, όπως συζητήθηκε εν συντομία παραπάνω, συνεπάγεται την επιλεκτική ομοιοπολική προσθήκη μορίων ωφέλιμου φορτίου σε συγκεκριμένα υπολείμματα αμινοξέων της πρωτεΐνης περιβλήματος. Η έγχυση επιτυγχάνεται με επώαση του ανέπαφου ΙΝΣ σε διάλυμα που περιέχει το φορτίο, ενώ η ενθυλάκωση απαιτεί τη συναρμολόγηση του φορέα γύρω από το ωφέλιμο φορτίο [9]. Γονίδια και βραχέα παρεμβαλλόμενα RNA, φωτοενεργά μόρια που υποστηρίζουν φωτοδυναμική θεραπεία, συμβατικά φάρμακα μικρών μορίων, ακόμη και ετερόλογα ιικά γονιδιώματα για γονιδιακή θεραπεία, όπως ένα γονιδίωμα αλφαϊού ενθυλακωμένο σε ένα ΙΝΣ με βάση το CCMV, έχουν παραδοθεί [4, 17] .
Τα τοξικά φορτία μπορούν να φορτωθούν κατά προτίμηση στην κοιλότητα ΙΝΣ αντί να επικαλύπτουν την εξωτερική επιφάνεια, προστατεύοντάς τα από ενζυματική και χημική αποικοδόμηση in vivo και αποφεύγοντας τις αλληλεπιδράσεις με κύτταρα μη-στόχους. Η ικανότητα και η αποτελεσματικότητα φόρτωσης των ΙΝΣ γενικά βελτιώνονται με την απόρριψη του εγγενούς ιικού γονιδιώματος, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με την έκφραση των πρωτεϊνών του περιβλήματος από ένα πλασμίδιο (για ΙΝΣ βακτηριοφάγου) ή ένα διαγονίδιο (για ΙΝΣ φυτών) έτσι ώστε το ιικό νουκλεϊκό οξύ να είναι ποτέ παρόν. Το προκύπτον κενό σωματίδιο αναφέρεται ως σωματίδιο τύπου ιού (Virus Like Particle, VLP). Το γονιδίωμα του ιού μπορεί επίσης να αφαιρεθεί μέσω επιλεκτικής χημικής ή ενζυμικής αποικοδόμησης.
Η ομοιοπολική σύνδεση επιβλαβών μορίων φορτίου σε εσωτερικά εκτεθειμένες πλευρικές αλυσίδες εμποδίζει την πρώιμη απελευθέρωση, αλλά οι μη ομοιοπολικές μέθοδοι συνήθως επιτρέπουν υψηλότερη απόδοση φόρτωσης καθώς υπάρχει περισσότερος χώρος εντός του ΙΝΣ για περισσότερο φορτίο εάν χρησιμοποιείται ολόκληρη η κοιλότητα και όχι μόνο η εσωτερική επιφάνεια. Ο πολυμερισμός μπορεί να προσφέρει το καλύτερο και των δύο κόσμων σχηματίζοντας ένα δίκτυο διακλάδωσης λειτουργικών ομάδων με σκοπό την προσάρτηση ωφέλιμου φορτίου που εκτείνεται από την εξωτερική επιφάνεια του ΙΝΣ ή διαπερνά το εσωτερικό του [27, 44]. Αν και οι περισσότερες έρευνες έχουν επικεντρωθεί στον σχεδιασμό του ΙΝΣ και στην in vitro τοξικότητα, οι προκλινικές δοκιμές ενός φορέα παροχής φαρμάκου με βάση το ΙΝΣ έχουν δείξει in vivo αποτελεσματικότητα και μειωμένη καρδιοτοξικότητα ενός ΙΝΣ φορτισμένου με δοξορουβικίνη, ιδιαίτερα του ιού μωσαϊκού αγγουριού (CMV) τροποποιημένου με φολικό οξύ, στοχεύοντας στον καρκίνο των ωοθηκών [72].
Τα ΙΝΣ έχουν φορτωθεί με φωτοευαισθητοποιητές για εφαρμογές φωτοδυναμικής θεραπείας, εκτός από την τυπική χημειοθεραπεία. Ένα VLP που βασίζεται στον βακτηριοφάγο Q, για παράδειγμα, φορτώθηκε με ένα παράγωγο μεταλλοπορφυρίνης για φωτοδυναμική θεραπεία και θέσεις δέσμευσης γλυκάνης που στοχεύουν κύτταρα με τον υποδοχέα CD22 [47]. Επιπλέον, ως πρώτη επίδειξη των θηρανωσικών ΙΝΣs, ένας πολυλειτουργικός παράγοντας αντίθεσης και φωτοδυναμικής θεραπείας MRI (χηλικοποιημένη φθαλοκυανίνη Gd 3+ και Zn 2+ ) ενθυλακώθηκε με επιτυχία σε CCMV [38]. Επιπλέον, έχουν διερευνηθεί υβριδικά υλικά βασισμένα σε ΙΝΣ που περιέχουν μεταλλικά νανοσωματίδια για φωτοθερμική θεραπεία [21].
3.4. Ανοσοποίηση και ανοσοθεραπεία βασισμένη σε δομές που προέρχονται από ιούς
Επειδή τα υλικά που βασίζονται σε ιούς έχουν επαναλαμβανόμενες δομές βασισμένες σε πρωτεΐνες, προκαλούν ανοσολογικές αποκρίσεις, καθιστώντας τα χρήσιμα για την ανάπτυξη εμβολίων και ανοσοτροποποιητών. Τα εμβόλια με βάση τα σωματίδια ταξινομούνται σε τέσσερις τύπους: (α) εμβόλια χημικά απενεργοποιημένου ιού, (β) εμβόλια εξασθενημένου ιού με χαμηλή μολυσματικότητα, (γ) χωρίς γονιδίωμα και μη μολυσματικά VLP και (δ) εμβόλια χιμαιρικών και νανοσωματιδίων, όπου οι επίτοποι που προέρχονται από παθογόνο παρουσιάζονται σε μη μολυσματικό φορέα όπως φυτικό ιό, βακτηριοφάγο ή πλατφόρμα χημικής σύνθεσης [22]. Τα εμβόλια σωματιδίων, όπως τα VLPs και άλλα εμβόλια νανοσωματιδίων, έχουν αρκετά πλεονεκτήματα έναντι των εμβολίων DNA και των υπομονάδων [2, 29]. Ο φορέας που βασίζεται στον ιό παρέχει σταθερότητα αντιγόνου, μεταφέρει πολλαπλά αντίγραφα του αντιγόνου (πολυσθενής παρουσίαση) και έχει την ικανότητα να παρουσιάζει δύο ή περισσότερα διαφορετικά αντιγόνα. Το σκεύασμα ενθαρρύνει την παθητική ή ενεργή πρόσληψη από κύτταρα που παρουσιάζουν αντιγόνο, η οποία ακολουθείται από ενεργοποίηση και εκκίνηση των κατάλληλων αποκρίσεων Τ και Β κυττάρων [32].
3.4.1. Εμβόλια για λοιμώδη νοσήματα
Τα εμβόλια VLP είχαν μεγάλη επιτυχία κατά των ιογενών ασθενειών, ιδιαίτερα όταν η δομή της σύνθεσης του μη μολυσματικού εμβολίου μοιάζει πολύ με εκείνη του φυσικού ιού (αυτά έχουν αναφερθεί ως εγγενείς VLPs) [46)]. Το πρώτο επιτυχημένο παράδειγμα ήταν το εμβόλιο κατά του ιού της ηπατίτιδας Β (HBV). Έχει μειώσει σημαντικά τις λοιμώξεις από HBV σε ανοσοποιημένους πληθυσμούς. Τα εμβόλια κατά του ιού των ανθρώπινων θηλωμάτων (HPV) προκαλούν ανοσία έναντι του ιού που με τη σειρά του προστατεύει από το επαγόμενο από τον HPV καρκίνωμα του τραχήλου της μήτρας και ενδεχομένως άλλους καρκίνους που προκαλούνται από τον HPV [48].
Τα χιμαιρικά VLP εκφράζουν ετερόλογα αντιγόνα και μπορούν να δημιουργήσουν αντιπαθογόνα και εξουδετερωτικά αντισώματα, υποδηλώνοντας ότι η ανοσοποίηση μπορεί να παρέχει προστασία έναντι πρόκλησης παθογόνων. Έχουν διεξαχθεί πολλές μελέτες για χιμαιρικούς VLPs που βασίζονται σε φυτικούς ιούς, βακτηριοφάγους, ιούς εντόμων και ιούς πολυομάκων και θηλωμάτων ζώων [48]. Οι χίμαιρες έχουν επίσης δημιουργηθεί από εγγενείς πλατφόρμες εμβολίων (π.χ. HBV και HPV) και αυτές οι πλατφόρμες έχουν επεκταθεί με την εμφάνιση πρόσθετων ετερόλογων επιτόπων. Αυτά τα εγγενή χιμαιρικά VLP επωφελούνται από μια ραχοκοκαλιά εμβολίου που έχει εγκριθεί από τον FDA.
Ο ιός Flock House (FHV), ο οποίος μολύνει τα έντομα, έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία χιμαιρικών VLP με πολύπλοκες δομές αντιγόνου. Αυτό το πολυσθενές σύστημα απεικόνισης έχει τροποποιηθεί για να περιλαμβάνει θραύσματα του υποδοχέα τοξίνης άνθρακα (ANTXR2), ο οποίος χρησιμεύει ως ικρίωμα για την επίδειξη του προστατευτικού αντιγόνου Bacillus anthracis. Απουσία ανοσοενισχυτικού, το σύμπλεγμα ιού-αντιγόνου ενεργοποίησε προστατευτικές ανοσολογικές αποκρίσεις μετά από μία μόνο δόση [36]. Πρόσθετοι μηχανισμοί για χημικό δεσμό πολυσθενών αντιγόνων επάγουν ανοσοαποκρίσεις με παρόμοιο αποτελεσματικό τρόπο. Το σύστημα FHV έχει την ικανότητα να δέχεται εισαγωγές πρωτεϊνών και πεπτιδίων σε μια ποικιλία θέσεων στην επιφάνεια του καψιδίου, καθώς και τη διαθεσιμότητα λεπτομερών δομικών και γενετικών πληροφοριών που επιτρέπουν την ακριβή τοποθέτηση και διάταξη αντιγονικής περιοχής. Για παράδειγμα, η πρωτεΐνη της αιμοσυγκολλητίνης της γρίπης (ΗΑ) είναι ένα κύριο αντιγόνο για όλα τα στελέχη της γρίπης, αλλά λόγω της αντιγονικής διαφοροποίησης, είναι δύσκολο να αναπτυχθούν ευρέως εξουδετερωτικές ανοσοαποκρίσεις. Υπάρχουν ορισμένες εξαιρετικά διατηρημένες περιοχές της πρωτεΐνης, αλλά είναι δύσκολο να τις δούμε σε ένα δομικό πλαίσιο, το οποίο θα επέτρεπε την έναρξη ειδικών και εξουδετερωτικών αποκρίσεων αντισωμάτων. Η επαγωγή αυτών των αντισωμάτων είναι δυνατή με την εμφάνιση των διατηρημένων περιοχών της ΗΑ σε τριμερή διάταξη σε FHV. Η χρησιμότητα και το εύρος των εγγενών και χιμαιρικών VLPs για εφαρμογές εμβολίων διευρύνονται. Ο συνδυασμός εμβολίων VLP βιομηχανικής και η χορήγησή τους στην αναπνευστική οδό, για παράδειγμα, έχει πρόσφατα αποδειχθεί ως θεμελιώδης στρατηγική για μελλοντική ανάπτυξη εμβολίων και ανοσοθεραπεία [49].
3.4.2. Εμβόλια για τον καρκίνο
Ο αντικαρκινικός εμβολιασμός έχει πολλά πλεονεκτήματα έναντι της χημειοθεραπείας, συμπεριλαμβανομένων λιγότερων παρενεργειών, αποφυγής αντοχής στα φάρμακα, προετοιμασίας του ανοσοποιητικού συστήματος για την εξάλειψη των υπολειμματικών ανθεκτικών στα φάρμακα κυττάρων και πρόκλησης μακροπρόθεσμης ανοσολογικής μνήμης για προστασία από μεταστάσεις και υποτροπή.
Έχουν αξιολογηθεί αρκετές στρατηγικές εμβολίου κατά του καρκίνου που βασίζονται σε ΙΝΣ, συμπεριλαμβανομένης της διαμορφωμένης εμφάνισης αντιγόνων υδατανθράκων ή πεπτιδίων που σχετίζονται με τον όγκο. Τα ειδικά για Tn αντισώματα παρήχθησαν σε υψηλούς τίτλους μετά από σύζευξη με το ικρίωμα με βάση τον ιό και την πολυσθενή οθόνη. Ομοίως, οι ειδικές για το αντιγόνο αποκρίσεις IgG και IgM μπορούν να προκληθούν από αντιγόνο Tn συζευγμένο με TMV. Η παρουσίαση των καρκινικών επιτόπων σε ικριώματα με βάση τον ιό επιτρέπει σε αυτούς τους αυτο-επιτόπους να παρουσιάζονται σε ένα μη εγγενές μοριακό περιβάλλον, το οποίο είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την υπέρβαση της αυτοανοχής.
3.4.3. Εμβόλια για νευρολογικές παθήσεις και εθισμό
Τα VLPs έχουν χρησιμοποιηθεί ως νανοδομές για την εμφάνιση της αμυλοειδούς πρωτεΐνης βήτα (Α), η οποία έχει συνδεθεί με την εξέλιξη της νόσου του Αλτσχάιμερ. Ελλείψει ανοσοενισχυτικού, ο ιός των θηλωμάτων και τα Q VLP που περιέχουν αντιγόνα Α προκάλεσαν αντισώματα αντι-Α με περιορισμένες αποκρίσεις Τ κυττάρων. Οι υποκατηγορίες αντισωμάτων διέφεραν ανάλογα με το αν χρησιμοποιήθηκε ολόκληρο το αντιγόνο ή τα πεπτιδικά αντιγόνα [13].
Ένα πιθανό εμβόλιο εθισμού στη νικοτίνη αναπτύχθηκε πρόσφατα χρησιμοποιώντας ένα εικοσαεδρικό καψίδιο 30 nm του βακτηριοφάγου Q που έχει τροποποιηθεί χημικά για να εμφανίζει τη νικοτίνη με πολυσθενή τρόπο. Η πολυδύναμη και σωματιδιακή φύση του εμβολίου με βάση το Q διεγείρει την παραγωγή αντισωμάτων εξουδετέρωσης της αντινικοτίνης, μειώνοντας τα επίπεδα νικοτίνης στο αίμα και περιορίζοντας τη μεταφορά μέσω του αιματοεγκεφαλικού φραγμού.
Τεστ LO 1.1
Βιβλιογραφία
- Alimardani V., Abolmaali S. and Tamaddon A. (2021). Recent Advances on Nanotechnology-Based Strategies for Prevention, Diagnosis, and Treatment of Coronavirus Infections. Hindawi J of Nanomaterials, Article ID 9495126, 1-20.
- Awate S., Babiuk L and Mutwiri G. (2013). Mechanisms of action of adjuvants. Front Immunol, 4, 114.
- Aydogdu M., Altun E., Chung E., Ren G., Homer-Vanniasinkam S., Chen B and Edirisinghe M. (2021). Surface interactions and viability of coronaviruses. J. R. Soc. Interface, 18, 20200798.
- Azizgolshani O., Garmann R., Cadena-Nava R., Knobler C and Gelbart W. (2013). Reconstituted plant viral capsids can release genes to mammalian cells.Virology, 441, 12–17.
- Boopathi, PomaA and Kolandaivel P. (2020). Novel 2019 coronavirus structure, mechanism of action, antiviral drug promises and rule out against its treatment. J Biomol Struct Dyn,39, 9, 1-10.
- British Standards Institution. (2007). Terminology for Nanomaterials, Publicly Available Specification BS PAS 136, British Standards Institution, London.
- Brown W., Mastico R., Wu M, Heal K and Adams C. (2002). RNA bacteriophage capsid-mediated drug delivery and epitope presentation. Intervirology, 45, 371–380.
- Cagno V., Andreozzi P., Alicarnasso M., Silva P., Mueller M., Galloux M., Goffic R., et al. (2018). Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Mater, 17, 195–205.
- Cao J., Guenther R., Sit T., Opperman C., Lommel S and Willoughby J. (2014). Loading and release mechanism of Red clover necrotic mosaic virus derived plant viral nanoparticles for drug delivery of doxorubicin. Small, 10, 5126–5136.
- Carter J. and Saunders.V. (2007). Virology. Principales and applications, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,West Sussex PO19 8SQ, England.
- Cascella M., Rajnik M., Cuomo A., Dulebohn S abd Di Napoli R. (2021). Features, evaluation and treatment coronavirus (COVID-19),” in Statpearls, StatPearls Publishing.
- Caygill R., Blair G and Millner P. (2010). A review on viral biosensors to detect human pathogens. Anal. Chim. Acta, 681, 8–15.
- Chackerian B. (2010). Virus-like particle based vaccines for Alzheimer disease. Hum Vaccines, 6, 926–930.
- Chan J., Kok K., Zhu Z., Chu H., To K., Yuan S and Yuen K. (2020) Genomic characterization of the 2019 novel human-pathogenic coronavirus isolated from a patient with atypical pneumonia after visiting Wuhan. Emerg Microbes Infect, 9(1), 221-236.
- Chan J., To K., Tse H., Jin D and Yuen K. (2013). Interspecies transmission and emergence of novel viruses: lessons from bats and birds. Trends Microbiol, 21(10), 544-55.
- Chen L., Zhang X., Zhou G., Xiang X., Ji X., Zheng Z., He Z. and Wang H. (2012). Simultaneous determination of human enterovirus 71 and coxsackievirus B3 by dual-color quantum dots and homogeneous immunoassay. Anal. Chem, 84, 3200–3207.
- Choi K., Kim K., Kwon I., Kim I. and Ahn H. (2012). Systemic delivery of siRNA by chimeric capsid protein: tumor targeting and RNAi activity in vivo. Mol Pharm, 10, 18–25.
- Daniel M., Tsvetkova I., Quinkert Z., Murali A. and De M, (2010). Role of surface charge density in nanoparticle-templated assembly of bromovirus protein cages. ACS Nano,3853–3860.
- Donskyi L., Druke M., Silberreis K., Lauster D., Ludwig K., Kuhne C., Unger W., et al. (2018). Interactions of fullerene-polyglycerol sulfates at viral and cellular interfaces. Small, 14, 1800189.
- Douglas T., Strable E and Willits D. (2002). Protein engineering of a viral cage for constrained material synthesis. Adv Mater, 14, 415–418.
- Everts M., Saini V., Leddon J., Kok R and Stoff-Khalili M. (2006). Covalently linked Au nanoparticles to a viral vector: potential for combined photothermal and gene cancer therapy. Nano Lett, 6, 587–591.
- Garcea R. and Gissmann L. (2004). Virus-like particles as vaccines and vessels for the delivery of small molecules. Curr Opin Biotechnol,15, 513–517.
- Guenther C., Kuypers B., Lam M., Robinson T., Zhao J, and Suh J. (2014). Synthetic virology: engineering viruses for gene delivery. WIRES Nanomed Nanobiotechnol,6, 548–58.
- Gupta M., Vemula S., Donde R., Gouda G., Behera L., and Vadde R. (2021). In silico approaches to detect inhibitors of the human severe acute respiratory syndrome coronavirus envelope protein ion channel. J Biomol Struct Dyn, 39 (7):2617-2627.
- Hasan A., Paray B., Hussain A., Qadir F., Attar F., Aziz F., and Falahati M. (2020). A review on the cleavage priming of the spike protein on coronavirus by angiotensin-converting enzyme-2 and furin. J Biomol Struct Dyn, 1-13.
- Helmy Y., Fawzy M., Elaswad A., Sobieh A., Scott P., Kenney S. and Awad A. (2020). The COVID-19 Pandemic: A Comprehensive Review of Taxonomy, Genetics, Epidemiology, Diagnosis, Treatment, and Control. J. Clin. Med, 9.
- Hovlid M., Lau J., Breitenkamp K. Higginson C. and Laufer B. (2014). Encapsidated atom-transfer radical polymerization in Qβ virus-like nanoparticles. ACS Nano, 8, 8003–8014.
- Kirchdoerfer R., Cottrell, C., Wang, N., Pallesen, J., Yassine, H., Turner, H., Corbett, et al. (2016). Pre-fusion structure of a human coronavirus spike protein. Nature, 531(7592), 118–121.
- Klinman D., Takeno M., Ichino M., Gu M., Yamshchikov G. (1997). DNA vaccines: safety and efficacy issues. Springer Semin Immunopathol, 19, 245–256.
- Kwon O., Kang E., Choi J., Kim S. and Yun C. (2013). Therapeutic targeting of chitosan-PEG-folate-complexed oncolytic adenovirus for active and systemic cancer gene therapy. J Control Release, 169, 257–265.
- Lee S., Krishnamurthy S., Cho C. and Yun Y. (2016). Biosynthesis of gold nanoparticles using ocimum sanctum extracts by solvents with different polarity, ACS Sustain. Chem. Eng. 4, 2651–2659.
- Leleux J. and Roy K. (2013). Micro and nanoparticle-based delivery systems for vaccine immunotherapy: an immunological and materials perspective. Adv Healthc Mater, 2, 72–94.
- Li F. (2016). Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Ann. Rev. of Virol., 3 (1), 237–261.
- Lissenberg A., Vrolijk M., van Vliet A., Langereis M., de Groot-Mijnes J., Rottier, P. and de Groot R. J. (2005). Luxury at a Cost? Recombinant mouse hepatitis viruses expressing the accessory hemagglutinin esterase protein display reduced fitness in vitro. J Virol, 79(24), 15054–15063.
- Luo K., Jung S., Park K. and Kim Y. (2018). Microbial biosynthesis of silver nanoparticles in different culture media, J. Agric. Food Chem. 66, 957–962.
- Manayani D., Thomas D., Dryden K., Reddy V. and Siladi M. (2007). A viral nanoparticle with dual function as an anthrax antitoxin and vaccine. PLOS Pathog, 3, 1422–1431.
- Masters P. (2006). The molecular biology of coronaviruses. Adv. Virus Res., 65(06), 193–292.
- Millán J., Brasch M., Anaya-Plaza E., de la Escosura A. and Velders A. (2014). Self-assembly triggered by self-assembly: optically active, paramagnetic micelles encapsulated in protein cage nanoparticles. J Inorg Biochem, 136, 140–146.
- Oh J. and Han D. (2020). Virus-Based Nanomaterials and Nanostructures. Nanomaterials, 10, 567.
- Oswald M., Geissler S. and Goepferich A. (2017). Targeting the central nervous system (CNS): a review of rabies virus-targeting strategies, Mol. Pharm. 14, 2177–2196.
- Pan H., Zhang P., Gao D., Zhang Y., Li P., Liu L., Wang C., et al. (2014) Noninvasive visualization of respiratory viral infection using bioorthogonal conjugated near infrared-emitting quantum dots, ACS Nano 8, 5468–5477.
- Peabody D. (2003). A viral platform for chemical modification and multivalent display. J Nanobiotechnol, 1,
- Pokorski J., Breitenkamp K., Liepold L., Qazi S. and Finn M. (2011). Functional virus-based polymer-protein nanoparticles by atom transfer radical polymerization. J Am Chem Soc, 133, 9242–9245.
- Pokorski J. and Steinmetz N. (2011). The art of engineering viral nanoparticles. Mol Pharm, 8, 29–43.
- Prasuhn D., Jr, Yeh R., Obenaus A., Manchester M. and Finn M. (2007). Viral MRI contrast agents: coordination of Gd by native virions and attachment of Gd complexes by azide-alkyne cycloaddition. Chem Commun, 2007,1269–1271.
- Pushko P. and Pumpens P. (2013). Grens E. Development of virus-like particle technology from small highly symmetric to large complex virus-like particle structures. Intervirology, 56, 141–165.
- Rhee J., Baksh M., Nycholat C., Paulson J., Kitagishi H. and Finn M. (2012). Glycan-targeted virus-like nanoparticles for photodynamic therapy. Biomacromolecules, 13, 2333–2338.
- Roldao A., Mellado M., Castilho L., Carrondo M. and Alves P. (2010). Virus-like particles in vaccine development. Expert Rev Vaccines, 9, 1149–1176.
- Rynda-Apple A., Patterson D. and Douglas T. (2014). Virus-like particles as antigenic nanomaterials for inducing protective immune responses in the lung. Nanomedicine, 9, 1857–1868.
- Shen K., Yang Y. and Wang T. (2020). Diagnosis, treatment, and prevention of 2019 novel coronavirus infection in children: experts’ consensus statement World J Pediatr, 16(3), 223-231.
- Shukla S., Ablack A., Wen A., Lee K., Lewis J. and Steinmetz N. (2013). Increased tumor homing and tissue penetration of the filamentous plant viral nanoparticle Potato virus X. Mol Pharm, 10, 33–42.
- Simmons G., Gosalia D., Rennekamp A., Reeves J., Diamond S. and Bates P. (2005). Inhibitors of cathepsin L prevent severe acute respiratory syndrome coronavirus entry. PNAS, 102(33), 11876–11881.
- Singh P., Prasuhn D., Yeh R., Destito G. and Rae C. (2007). Bio-distribution, toxicity and pathology of cowpea mosaic virus nanoparticles in vivo. J Control Release, 120, 41–50.
- Steinmetz N. (2010). Viral nanoparticles as platforms for next-generation therapeutics and imaging devices. Nanomedicine, 6:634–641.
- Strable E, Prasuhn D. Jr, Udit A., Brown S. and Link A. (2008). Unnatural amino acid incorporation into virus-like particles. Bioconjug Chem,19, 866–875.
- Tharayil A., Rajakumari R., Kumar A., Choudhary M., Palit P. and Thomas S. (2021). New insights into application of nanoparticles in the diagnosis and screening of novel coronavirus (SARS-CoV-2). Emergent Materials, 4,101–117.
- Udit A., Brown S., Baksh M. and Finn M. (2008). Immobilization of bacteriophage Qβ on metal-derivatized surfaces via polyvalent display of hexahistidine tags. J Inorg Biochem,102, 2142–2146.
- Van Hemert M., Van Den Worm, S., Knoops K., Mommaas A., Gorbalenya A. and Snijder E. (2008). SARS-coronavirus replication/transcription complexes are membrane-protected and need a host factor for activity in vitro. PLoS Pathogens, 4(5).
- Venkataram P. and Schmid M. (2012). Principles of Virus Structural Organization. Viral Molecular Machines,726, 17–47.
- Virus taxonomy: the classification and comenclature of viruses, ICTV reports are freely available online: https://talk.ictvonline.org/ictv-reports/ictv_online_report/.
- Walls A., Park Y., Tortorici M., Wall A., McGuire A. and Veesler D. (2020). Structure, function, and antigenicity of the SARS-CoV-2 Spike glycoprotein. Cell, 181(2), 281–212.
- Wang,WangY., Ye D, and Liu Q. (2020). A review of the 2019 Novel Coronavirus (COVID-19) based on current evidence. Int J Antimicrob Agents, 55(6), 105948.
- Wang Q., Li C., Zhang Q., Wang T., Li J., Guan W., Yu J., Liang M.and Li D. (2020). Interactions of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein with the host cell proteasome subunit p42. Virology J, 7(1), 99–98.
- Wen A., Shukla S, Saxena P, Aljabali A. and Yildiz I. (2012). Interior engineering of a viral nanoparticle and its tumor homing properties. Biomacromol,13, 3990–4001.
- Wen A., Wang Y., Jiang K., Hsu G. and Gao H. (2015). Shaping bio-inspired nanotechnologies to target thrombosis for dual optical-magnetic resonance imaging. J Mater Chem B, 3, 6037–6045.
- White K., Jr P., Wang H., Jesus P., Manicassamy B., García-Sastre A., Chanda S., et al. (2018). Broad spectrum inhibitor of influenza A and B viruses targeting the viral nucleoprotein, ACS Infect. Dis, 4,146–
- Wrapp D., Wang N., Corbett K., Goldsmith J., Hsieh C., Abiona O., Graham B. and McLellan J. (2020). Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, 367(6483), 1260–1263.
- Wu M., Brown W. and Stockley P. (1995). Cell-specific delivery of bacteriophage-encapsidated ricin A chain. Bioconjug Chem, 6, 587–595.
- Yang M., Sunderland K. and Mao C. (2017). Virus-derived peptides for clinical applications. Chem. Rev, 117, 10377–10402.
- Yildiz I., Shukla S. and Steinmetz N. (2011). Applications of viral nanoparticles in medicine. Curr Opin Biotechnol, 22, 901– 908.
- Yildiz I., Lee K., Chen K., Shukla S. and Steinmetz N. (2013). Infusion of imaging and therapeutic molecules into the plant virus-based carrier cowpea mosaic virus: cargo-loading and delivery. J Control Release, 172, 568–578.
- Zeng Q., Wen H., Wen Q., Chen X. and Wang Y. (2013). Cucumber mosaic virus as drug delivery vehicle for doxorubicin. Biomaterials, 34, 4632–4642.
- Zhang Y., Ke X., Zheng Z., Zhang C., Zhang Z., Zhang F., Hu Q., et al. (2013). Encapsulating quantum dots into enveloped virus in living cells for tracking virus infection, ACS Nano, 7, 3896–3904.
Ενότητα 2.1.
Βελτιωμένα συστήματα φιλτραρίσματος αέρα που απενεργοποιούν τους ιούς
Συγγραφείς και συνεργασίες İbrahim Örün και Belda Erkmen, Πανεπιστήμιο Aksaray, Turekey
Εκπαιδευτικός στόχος: Ο στόχος αυτού του TU είναι να παρουσιάσει γνώσεις σχετικά με βελτιωμένα συστήματα φιλτραρίσματος αέρα που απενεργοποιούν τους ιούς.
Περίληψη
Ο ιός που προκαλεί το COVID-19 μπορεί να μεταδοθεί από το ένα άτομο στο άλλο μέσω μικροσκοπικών σωματιδίων νερού που ονομάζονται αερολύματα και του ιδίου του ιού. Φτιάχνουμε αυτά τα αερολύματα όταν αναπνέουμε και περισσότερο όταν μιλάμε, φωνάζουμε ή τραγουδάμε. Τα αερολύματα διαφέρουν από τα μεγαλύτερα σταγονίδια που μεταδίδουν τον COVID-19. Μεγαλύτερα σταγονίδια πέφτουν στο έδαφος γρήγορα και απομακρύνονται τρία έως έξι μέτρα από το άτομο που τα δημιουργεί. Τα αερολύματα μπορούν να παραμένουν στον αέρα για ώρες και να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις. Τα αερολύματα περιέχουν λιγότερους ιούς από τα μεγαλύτερα σταγονίδια, επομένως πρέπει να εισπνεύσετε περισσότερα αερολύματα για να αρρωστήσετε. Τα αερολύματα μπορούν να συσσωρευτούν εάν ο αέρας στο εσωτερικό δεν κυκλοφορεί σωστά. Η μετάδοση ιών κατά τις πτήσεις αυξάνεται κατά τους χειμερινούς μήνες, επειδή οι άνθρωποι περνούν περισσότερο χρόνο σε εσωτερικούς χώρους και συχνά έχει πολύ κρύο για να κρατήσουν τα παράθυρα ανοιχτά. Το χειμώνα, ο αέρας είναι πιο ξηρός, ειδικά σε θερμαινόμενους εσωτερικούς χώρους. Ο ξηρός αέρας καταστρέφει την επένδυση της αναπνευστικής οδού και μπορεί να διευκολύνει την είσοδο του ιού στους αεραγωγούς. Σημαίνει επίσης ότι μικρότερα αερολύματα επιπλέουν περισσότερο στον αέρα. Ως εκ τούτου, η μετάδοση του COVID-19 κατά τις πτήσεις αναμένεται να είναι πιο συχνή κατά τους χειμερινούς μήνες. Εάν δεν είστε πλήρως εμβολιασμένοι, φορώντας μάσκες προσώπου και παραμένετε τουλάχιστον ένα μέτρο μακριά από άλλους ανθρώπους, καθώς και να υπάρχει καλή κυκλοφορία του αέρα (αερισμός) σε κτίρια, σχολεία και σπίτια, καθώς και συσκευές καθαρισμού του αέρα που κατασκευάζονται με χρήση νανοτεχνολογίας, θα μειώσετε την εξάπλωση του COVID- 19 στα αερολύματα.
Λέξεις-κλειδιά: συστήματα φιλτραρίσματος αέρα, νανοτεχνολογία, COVID-19
1. Εισαγωγή
Ο COVID-19 ανάγκασε τον ανθρώπινο πληθυσμό να ξανασκεφτεί τον τρόπο ζωής. Η απειλή που συνιστά η πιθανή εξάπλωση του ιού μέσω του αερομεταφερόμενου τρόπου μετάδοσης μέσω συστημάτων αερισμού σε κτίρια και περιορισμένους χώρους έχει αναγνωριστεί ως μείζον θέμα ανησυχίας. Για τον μετριασμό αυτής της απειλής, οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει διαφορετικές τεχνολογίες και μεθόδους που μπορούν να εξαλείψουν ή να μειώσουν τη συγκέντρωση του ιού στα συστήματα εξαερισμού και στους εσωτερικούς χώρους. Αν και πολλές τεχνολογίες και μέθοδοι έχουν ήδη ερευνηθεί, ορισμένες είναι επί του παρόντος εμπορικά διαθέσιμες, αλλά οι ανησυχίες για την αποτελεσματικότητά τους και την ασφάλειά τους δεν έχουν διερευνηθεί πλήρως. Αυτό το άρθρο περιέχει μια σύντομη ανασκόπηση διαφόρων εφαρμοστέων τεχνολογιών και μεθόδων για την καταπολέμηση των αερομεταφερόμενων ιών σε συστήματα αερισμού και εσωτερικούς χώρους, προκειμένου να αποκτηθεί μια ευρύτερη εικόνα και επισκόπηση της τρέχουσας κατάστασης έρευνας και ανάπτυξης. Περιλαμβάνει αποτελεσματική διήθηση αέρα, ιονισμό αέρα, περιβαλλοντικό έλεγχο, υπεριώδη μικροβιοκτόνο ακτινοβολία, μη θερμικό πλάσμα και αντιδρώντα είδη οξυγόνου, επικαλύψεις φίλτρων, χημικά απολυμαντικά και απενεργοποίηση θερμότητας. Σε αυτό το άρθρο, θα δοθούν πληροφορίες σχετικά με τα συστήματα φιλτραρίσματος αέρα που αποτρέπουν τους ιούς.
Ο COVID-19 ανάγκασε τον ανθρώπινο πληθυσμό να προσαρμοστεί γρήγορα στον απόηχο του νέου και εξαιρετικά μεταδοτικού ιού. Οι τρόποι μετάδοσης δεν είναι πλήρως κατανοητοί. Ωστόσο, είναι αποδεκτό ότι ο ιός μπορεί να μεταδοθεί στον αέρα με άμεση επαφή με άλλο άτομο ή με εξάτμιση σταγονιδίων του αναπνευστικού ως πυρήνες σταγονιδίων που μπορούν να παραμείνουν αιωρούμενοι για μεγάλο χρονικό διάστημα ως αερολύματα [23, 20, 7]. Αυτά τα αερολύματα μπορεί να περάσουν μέσα από συστήματα εξαερισμού σε κτίρια και περιορισμένους χώρους, εισβάλλοντας τελικά σε άλλες περιοχές μακριά από μολυσμένα άτομα [6, 14]. Ενώ υπάρχει κάποια συζήτηση σχετικά με τη σοβαρότητα της απειλής που αποτελούν αυτά τα αερομεταφερόμενα σταγονίδια, αναγνωρίζεται ότι αυτή η μορφή μετάδοσης για τυπικά περιορισμένους χώρους δεν μπορεί να αγνοηθεί. Επιπλέον, μια πρόσφατη μελέτη υποδηλώνει ακόμη ότι η αεροπορική μετάδοση μπορεί να είναι ο κυρίαρχος τρόπος μεταφοράς (Εικ. 1) [6].
Αν και το COVID-19 δεν είναι πλήρως κατανοητό, πολλά μαθήματα έχουν αντληθεί από προηγούμενους αερομεταφερόμενους ιούς όπως η φυματίωση και διάφορα στελέχη της γρίπης [14, 21]. Από μια πολύ βασική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξαπλώνονται οι ιοί, προκύπτει ότι μια ορισμένη ποσότητα ιού πρέπει να εισέλθει σε ένα μη μολυσμένο άτομο προκειμένου να αυξηθεί το ιικό φορτίο και να δημιουργηθεί μια νέα μόλυνση. Παραδοσιακά, αυτό ορίζεται στην επιδημιολογική βιβλιογραφία ως ένα κβάντο, ο αριθμός των μολυσματικών αερομεταφερόμενων σωματιδίων που απαιτούνται για τη μόλυνση του 63% των ατόμων σε έναν περιορισμένο χώρο [22] και χρησιμεύει ως βασικό κριτήριο για πολλά μοντέλα που προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν την πιθανότητα μόλυνσης χωρίς έκθεση σε παθογόνο. Αυτό το μοντέλο βασίζεται σε μια υπόθεση θαλάμου που υποστηρίζεται στη βιβλιογραφία [19, 2, 26]. Και απλώς υποθέτει ότι τα σωματίδια είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα σε έναν κλειστό χώρο αντί να δημιουργούν ένα μικρό σύννεφο αερολυμάτων που διαχέονται γύρω από ένα μολυσμένο άτομο. Η εξάπλωση και η επίδραση της μόλυνσης καθορίζονται από παράγοντες όπως το ιικό φορτίο, ο ρυθμός εισπνοής, η συγκέντρωση όγκου σταγονιδίων που αποβάλλονται από το μολυσμένο άτομο, ο αριθμός των ιικών σωματιδίων που απαιτούνται για την έναρξη μιας μόλυνσης και ο όγκος του κλειστού χώρου.
Φιγούρα 1. Κίνδυνος μόλυνσης από αερομεταφερόμενα σταγονίδια.
Μαθηματικά, ο ρυθμός κβαντικής εκπομπής καθορίζεται από το ιικό φορτίο, τον ρυθμό εισπνοής, τη συγκέντρωση όγκου σταγονιδίων που αποβάλλονται από το μολυσμένο άτομο και τον αριθμό των ιικών σωματιδίων που απαιτούνται για την έναρξη μιας μόλυνσης. Τα αποτελέσματα για τη μείωση της πιθανότητας μόλυνσης είναι παράγοντες όπως η ανταλλαγή αέρα, ο ρυθμός διήθησης αέρα, η καθίζηση σταγονιδίων, ο ρυθμός καθίζησης σταγονιδίων, ο ρυθμός αδρανοποίησης και η ακτίνα σωματιδίων.
Ως εκ τούτου, αρκετοί βασικοί παράγοντες μπορούν να θεωρηθούν ως πιθανές μέθοδοι αφαίρεσης ιικών σωματιδίων από έναν περιορισμένο χώρο για τη μείωση της πιθανότητας μόλυνσης. Αυτά είναι (Εικ. 2):
- Αύξηση της παροχής φρέσκου αέρα και κατά συνέπεια μείωση της κβαντικής συγκέντρωσης.
- Αύξηση του ρυθμού φιλτραρίσματος για ένα σύστημα HVAC.
- αύξηση του ρυθμού εναπόθεσης ιικών σωματιδίων στις επιφάνειες.
- αύξηση της αδρανοποίησης του ιού.
Σχήμα 2. Βελτίωση της ποιότητας του αέρα σε εσωτερικούς χώρους για την πρόληψη του COVID-19.
Αν και διαφέρει στον ορισμό, η αύξηση του ρυθμού εναπόθεσης των ιικών σωματιδίων μπορεί να θεωρηθεί παρόμοια με την αύξηση του ρυθμού καθίζησης. Η καθίζηση αναφέρεται στην καθίζηση σωματιδίων στο έδαφος ή σε άλλες επιφάνειες λόγω βαρυτικών δυνάμεων. Ωστόσο, τα αιωρούμενα σωματίδια μπορούν επίσης να συσσωρευτούν σε τοίχους και άλλες επιφάνειες λόγω μηχανισμών όπως η αφύσικη διάχυση για την καθίζηση σωματιδίων. Τα Κέντρα Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC) και ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) επιβεβαιώνουν την απομάκρυνση των ιικών σωματιδίων μέσω ανταλλαγής αέρα [8, 4]. Και προτείνουμε την αύξηση της παροχής φρέσκου αέρα ως έναν απλό τρόπο μείωσης της συγκέντρωσης των ιικών σωματιδίων σε έναν περιορισμένο χώρο. Ο ιονισμός αέρα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση του ρυθμού απομάκρυνσης των ιικών σωματιδίων από έναν περιορισμένο χώρο αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της διήθησης και την εναπόθεση σωματιδίων. Διάφορες μέθοδοι είναι διαθέσιμες για την αποστείρωση του αέρα και για να καταστήσουν τον ιό ακίνδυνο, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό αδρανοποίησης του ιού και μειώνοντας την ανάγκη απομάκρυνσης σωματιδίων από τον αέρα. Από αυτή την άποψη, μπορούν να αναφερθούν τα ακόλουθα.
- Μικροβιοκτόνος υπεριώδης ακτινοβολία (UVGI).Αυτή είναι μια παραδοσιακά δημοφιλής τεχνολογία για την καταπολέμηση των αερομεταφερόμενων ιών (Εικ. 3).
- Έλεγχος θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας. Έχει επίσης προταθεί ότι ο άμεσος έλεγχος των περιβαλλοντικών συνθηκών μιας περιοχής δημιουργεί ένα δυσμενές περιβάλλον για τους ιούς, αυξάνοντας έτσι τον φυσικό ρυθμό αδρανοποίησης των ιών. Αυτό περιλαμβάνει τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας μιας περιοχής για τη διατήρηση ενός ιδιαίτερα γενικά εχθρικού περιβάλλοντος.
- Μη θερμικό πλάσμα και δραστικά είδη οξυγόνου. Αυτά προσφέρουν άλλες εναλλακτικές λύσεις για την απενεργοποίηση του ιού που έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικές έναντι των βακτηρίων και άλλων μικροβίων.
- Χρήση επιστρώσεων φίλτρου. Μια άλλη πιθανή μέθοδος χρησιμοποιεί επικαλύψεις φίλτρων που διευκολύνουν την αδρανοποίηση του ιού με μηχανισμούς όπως οι εγγενείς αντιικές ιδιότητες των υλικών ή καταστρέφοντας άμεσα τον ιό.
- Χημικά απολυμαντικά. Τα χημικά απολυμαντικά έχουν επίσης αποδειχθεί ότι απομακρύνουν αποτελεσματικά τους ιούς από τις επιφάνειες και μπορεί να παρέχουν άλλες λύσεις για την αύξηση της αδρανοποίησης του ιού.
- Αποστείρωση με Υπερθέρμανση.. Η αποστείρωση αυτή μπορεί να προσφέρει μια άλλη βιώσιμη λύση για την απενεργοποίηση ιικών σωματιδίων, αν και παραδοσιακά χρησιμοποιείται για την αποστείρωση χειρουργικού εξοπλισμού σε μικρότερη κλίμακα.
Εικόνα 3. Βελτίωση του εξαερισμού του χώρου διαβίωσης και της εργασίας και του φιλτραρίσματος αέρα για την πρόληψη της μετάδοσης του COVID-19
2. Φιλτράρισμα αέρα και SARS-CoV-2
Σε διάφορες εφαρμογές, το φιλτράρισμα του αέρα έχει γίνει μια κρίσιμη παρέμβαση για τη διαχείριση της εξάπλωσης της νόσου του κοροναϊού του 2019 (COVID-19). Ωστόσο, η σωστή τοποθέτηση του φιλτραρίσματος αέρα έχει παρεμποδιστεί από την κακή κατανόηση των αρχών του. Αυτές οι παρεξηγήσεις οδήγησαν σε αβεβαιότητα σχετικά με την αποτελεσματικότητα του φιλτραρίσματος αέρα στην αναστολή δυνητικά μολυσματικών σωματιδίων αερολύματος. Η σωστή κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του φιλτραρίσματος αέρα είναι κρίσιμη για τη λήψη περαιτέρω αποφάσεων σχετικά με τη χρήση του στη διαχείριση της εξάπλωσης του COVID-19. Το πρόβλημα είναι σημαντικό επειδή πρόσφατα στοιχεία έδειξαν ότι το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2 (SARS-CoV-2) μπορεί να παραμείνει στον αέρα περισσότερο και να ταξιδέψει μακρύτερα από ό,τι αναμενόταν προηγουμένως στην πανδημία COVID-19, με μειωμένες συγκεντρώσεις και βιωσιμότητα. Τα ιοσωμάτια του SARS-CoV-2 έχουν διάμετρο περίπου 60-140 nm, ενώ μεγαλύτερα αναπνευστικά σταγονίδια και σωματίδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης (>1 μm) έχουν βρεθεί ότι φιλοξενούν ιοσωμάτια. Η απομάκρυνση των σωματιδίων που μπορούν να μεταφέρουν τον SARS-CoV-2 από τον αέρα είναι δυνατή με φιλτράρισμα αέρα που βασίζεται στη φυσική ή μηχανική κίνηση του αέρα. Μεταξύ των διαφόρων τύπων φίλτρων αέρα, έχουν προταθεί φίλτρα παγίδας σωματιδίων υψηλής απόδοσης (HEPA). Άλλοι τύποι φίλτρων είναι λιγότερο ή πιο αποτελεσματικά και, κατά συνέπεια, καθιστούν ευκολότερη ή δυσκολότερη τη μετακίνηση του αέρα. Η χρήση μασκών, αναπνευστικών συσκευών, μονάδων φιλτραρίσματος αέρα και άλλου ειδικού εξοπλισμού είναι μια σημαντική παρέμβαση στη διαχείριση της εξάπλωσης του COVID-19. Είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι μηχανισμοί φιλτραρίσματος αέρα και να κατανοηθεί πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια αερολύματος που περιέχουν ιοσωμάτια SARS-CoV-2 με τα υλικά φίλτρων, προκειμένου να εντοπιστούν οι βέλτιστες πρακτικές για τη χρήση φιλτραρίσματος αέρα για τη μείωση της εξάπλωσης του COVID-19.
Υπάρχουν αυξανόμενες ενδείξεις ότι το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2 (SARS-CoV-2) μπορεί να παραμείνει αιωρούμενο στον αέρα για μεγάλες χρονικές περιόδους. Ορισμένα από τα αερομεταφερόμενα ιοσωμάτια SARS-CoV-2 παραμένουν βιώσιμα για τουλάχιστον 3 ώρες μετά την απελευθέρωση τους [31]. Ο θετικός SARS-CoV-2 κατά τον έλεγχο με αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) ανιχνεύθηκε σε σωματίδια αερολύματος με διάμετρο μεγαλύτερη από 1 μm σε δωμάτια όπου διέμεναν ασθενείς με νόσο του κοροναϊού 2019 (COVID-19) [5]. Σε άλλη μελέτη, το RNA του SARS-CoV-2 ανιχνεύθηκε στη φάση του αερολύματος σε απόσταση τουλάχιστον 3 μέτρων από μολυσμένα άτομα σε εσωτερικούς χώρους [15]. Το RNA του SARS-CoV-2 έχει επίσης βρεθεί σε σωματίδια ατμοσφαιρικής ρύπανσης που κυκλοφορούν στον αέρα [24].
Η διάμετρος των ιοσωμάτων SARS-CoV-2 είναι περίπου 60-140 nm [39]. Ωστόσο, πολλά εκπνεόμενα αναπνευστικά σταγονίδια που μπορεί να περιέχουν ιοσωμάτια είναι σημαντικά μεγαλύτερα από τα ίδια τα ιοσωμάτια. Ωστόσο, η αερομεταφερόμενη εξάτμιση σταγονιδίων μειώνει το μέγεθός τους [39], επιτρέποντας στα δυνητικά μολυσματικά σωματίδια να παραμείνουν στον αέρα για πολύ περισσότερο. Παρατηρήθηκε ότι ξηρά σταγονίδια με διάμετρο περίπου 4 μm σχημάτισαν υγρά σταγονίδια που προέρχονται από την ομιλία των 12 μm έως 21 μm λόγω ξήρανσης. Χρειάστηκαν περίπου 8 λεπτά για να πέσουν αυτά τα ξηρά σταγονίδια μόνο 30 cm σε ακίνητο αέρα [35]. Σε χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος, η εκπνεόμενη αναπνοή με υψηλή υγρασία μπορεί να γίνει υπερκορεσμένη. Στη συνέχεια, η υγρασία συμπυκνώνεται στα σωματίδια που εκπέμπονται από ένα άτομο, με αποτέλεσμα να μετατρέπονται σε σταγονίδια ή σε παγοκρυστάλλους μεγαλύτερης διαμέτρου. Σε τέτοια σταγονίδια ή κρυστάλλους πάγου, τα ιοσωμάτια του SARS-CoV-2 μπορεί να επιβιώσουν περισσότερο και αυτή είναι μια σημαντική υπόθεση που πρέπει να ελέγξει η μελλοντική έρευνα. Ως εκ τούτου, οι περιβαλλοντικές συνθήκες και η δυναμική του αερολύματος μπορούν να αλλάξουν βαθιά το ευρύ φάσμα μεγεθών εισπνεόμενων σωματιδίων και τη βιωσιμότητα των ιοσωμάτων SARS-CoV-2 σε σωματίδια αερολύματος που μεσολαβούν στη μετάδοση αερομεταφερόμενης σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους. Οι εστίες COVID-19 σε σφαγεία και χιονοδρομικά κέντρα μπορεί να οφείλονται, τουλάχιστον εν μέρει, στη δυναμική των αερολυμάτων ψυχρού αέρα.
Η απομάκρυνση σωματιδίων που μπορεί να φιλοξενούν τον SARS-CoV-2 από τον αέρα χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο εξοπλισμό φιλτραρίσματος αέρα και μάσκες ή αναπνευστήρες είναι μια σημαντική παρέμβαση για τη διαχείριση της εξάπλωσης του COVID-19. Ωστόσο, η κακή κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του φιλτραρίσματος αέρα και οι παρεξηγήσεις σχετικά με την έννοια της αποτελεσματικότητας του φιλτραρίσματος για σωματίδια αερολύματος διαφορετικών μεγεθών εμποδίζουν την αποτελεσματική ανάπτυξη του φιλτραρίσματος αέρα. Για τον εντοπισμό βέλτιστων πρακτικών για τη χρήση του φιλτραρίσματος αέρα στη διαχείριση της εξάπλωσης του COVID-19, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι μηχανισμοί φιλτραρίσματος αέρα και να κατανοηθεί πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια αερολύματος που περιέχουν ιούς SARS-CoV-2 με τα υλικά φίλτρου.
Για τη διήθηση αέρα, τα αποδοτικά φίλτρα αέρα (EPA), τα φίλτρα αέρα υψηλής απόδοσης (HEPA) (Εικ. 4) και τα φίλτρα αέρα εξαιρετικά χαμηλής διείσδυσης (ULPA) χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες και εφαρμογές εδώ και πολλά χρόνια [25]. Τα φίλτρα HEPA συνιστώνται για έλεγχο λοιμώξεων σε περιβάλλοντα υγειονομικής περίθαλψης [13, 10] με βάση μια ισορροπία υψηλότερων αποδόσεων φιλτραρίσματος και χαμηλότερων πτώσεων πίεσης σε σύγκριση με το ULPA. Τα φίλτρα HEPA χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως σε μη υγιεινά περιβάλλοντα όπου μπορεί να υπάρχουν αερομεταφερόμενοι μολυσματικοί παράγοντες. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το φιλτράρισμα του ανακυκλοφορούμενου αέρα σε επιβατικά αεροσκάφη και τα ερμάρια βιοασφάλειας σε εργαστήρια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων όπου διεξάγεται έρευνα SARS-CoV-2 [37].
Γενικά, η συντομογραφία HEPA ερμηνεύεται ως “σωματιδιακός αέρας υψηλής απόδοσης”. Και οι δύο εκδοχές του υποκείμενου όρου χρησιμοποιούνται ευρέως και δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ τους. Το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών και η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Ηνωμένων Πολιτειών (EPA) ορίζουν το HEPA με βάση την ελάχιστη απόδοση 99,97% όταν δοκιμάζεται με αεροζόλ με διάμετρο 0,3 μm [36]. Η EPA των Ηνωμένων Πολιτειών ορίζει μια διάμετρο 0,3 μm ως “το πιο διεισδυτικό μέγεθος σωματιδίων” (MPPS). Ωστόσο, το MPPS μπορεί να ποικίλλει περίπου 0,3 μm με απόλυτη τιμή ανάλογα με τη φύση των σωματιδίων του αερολύματος, τον τύπο του υλικού του φίλτρου και τον ρυθμό ροής [25]. Σωματίδια μεγαλύτερα ή μικρότερα από το MPPS διατηρούνται με απόδοση μεγαλύτερη από 99,97% [32]. Η έννοια του MPPS έρχεται σε αντίθεση με την κοινή εσφαλμένη αντίληψη ότι η απόδοση του φιλτραρίσματος πέφτει για σωματίδια μικρότερα από MPPS (για παράδειγμα, μικρότερα από 0,3 μm). Αυτή η παρεξήγηση συνέβαλε σε πρώιμες πολιτικές που παραπλανήθηκαν από την υπόθεση ότι τα ιοσωμάτια του SARS-CoV-2 ήταν πολύ μικρά για να φιλτράρονται αποτελεσματικά από τον αέρα.
Εικόνα 4. Φίλτρο HEPA.
Συνιστάται η εγκατάσταση φίλτρων HEPA στις εξόδους των αναπνευστήρων που χρησιμοποιούνται στην εντατική θεραπεία ατόμων που έχουν μολυνθεί με SARS-CoV-2. Η χρήση σταθερών (αερισμού κτιρίου) και φορητών συστημάτων φιλτραρίσματος HEPA με και χωρίς ανακύκλωση αέρα (καθαριστές αέρα εσωτερικού χώρου) συνιστάται για χρήση σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης από τα Κέντρα Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων των Ηνωμένων Πολιτειών και τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, συμπεριλαμβανομένων των περιπτώσεων SARS- Υπάρχουν ασθενείς με CoV-2 [10]. Τα εθνικά και διεθνή πρότυπα διέπουν τις προδιαγραφές ελάχιστης απόδοσης φιλτραρίσματος των φίλτρων HEPA. Τα δύο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα πρότυπα είναι το διεθνές πρότυπο ISO 29463 και το ευρωπαϊκό πρότυπο EN1822. Οι διαφορές μεταξύ των δύο προτύπων μπορούν να συμβιβαστούν. Για παράδειγμα, ένα φίλτρο HEPA πιστοποιημένο κατά EN 1822, κατηγορίας φίλτρου H14, πρέπει να διατηρεί τουλάχιστον το 99,995% των σωματιδίων αερολύματος στο MPPS. Συγκρίσιμο με το EN 1822, πρότυπο κλάσης φίλτρου H14, ISO 45 H. Διατίθενται πρωτόκολλα δοκιμής πολλαπλών βημάτων για την επαλήθευση της συμμόρφωσης των φίλτρων με τις απαιτήσεις των προτύπων [12, 18]. Όταν συμβαίνει μηχανική κίνηση του αέρα μεταξύ των φίλτρων, μπορεί να είναι σημαντικό να διασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν ισχυρές κατευθυντικές ροές ή ρεύματα φιλτραρισμένου αέρα. Πρόσφατα, εκφράστηκαν ανησυχίες ότι τέτοιες κατευθυντικές ροές θα μπορούσαν να παρασύρουν αφιλτράριστο αέρα, ο οποίος μπορεί να περιέχει μολυσματικά σωματίδια, και να τα ωθήσει πιο γρήγορα και μακρύτερα από ό,τι θα μπορούσαν να διαχυθούν στον ακίνητο αέρα [11].
Οι αντιικές ιδιότητες μπορούν να προστεθούν στα υλικά φίλτρου. Ωστόσο, μόλις συλλεχθούν τα σωματίδια αερολύματος στις ίνες του φίλτρου, σχεδόν κανένα από αυτά δεν φεύγει και δεν περνά μέσα από το φίλτρο κατά τη διάρκεια ή μετά τη σωστή χρήση [25]. Έτσι, οι αντιικές ιδιότητες των ινών δεν έχουν σχεδόν καμία επίδραση στην αερομεταφερόμενη αφαίρεση ζωντανών ιοσωμάτων SARS-CoV-2. Τα σωματίδια που έχουν συσσωρευτεί σε προηγουμένως συλλεχθέντα σωματίδια δεν έρχονται σε επαφή με το υλικό του φίλτρου, εξαλείφοντας τυχόν αντιικές ιδιότητες. Επομένως, η μετάδοση αντιικών ιδιοτήτων σε υλικά φίλτρου HEPA μπορεί να μην προσθέτει αξία εκτός από την περίπτωση που οι άνθρωποι έρχονται σε άμεση επαφή με αυτά τα φίλτρα κατά τη διάρκεια ή λίγο μετά τη χρήση.
Οι μηχανισμοί διήθησης σωματιδίων αερολύματος στην αέρια φάση – αδρανειακή πρόσκρουση, διάχυση, ανάσχεση, ηλεκτροστατική εναπόθεση και κοσκίνισμα [25, 12, 18] – έχουν διερευνηθεί σε βάθος για δεκαετίες έρευνας. Αυτοί οι μηχανισμοί έχουν ποικίλες συνεισφορές στη συνολική απόδοση σύλληψης σωματιδίων των φίλτρων, ανάλογα με την αεροδυναμική διάμετρο των σωματιδίων, άλλες ιδιότητες σωματιδίων και το μέσο διήθησης. Η συνδυασμένη επίδραση όλων αυτών των μηχανισμών φιλτραρίσματος στα φίλτρα HEPA εξηγεί την υψηλή απόδοση φιλτραρίσματος και το φαινόμενο MPPS σε ολόκληρο το φάσμα μεγέθους αερολύματος [25]. Διάφοροι τύποι σωματιδίων αερολύματος φιλτράρονται με υψηλή απόδοση σύμφωνα με τα σχετικά πρότυπα, ανεξάρτητα από τη βιογενή ή μη βιογενή τους προέλευση [12, 18].
Είναι γνωστό, με βάση πολυάριθμες δημοσιευμένες μελέτες, ότι ορισμένες αναπνευστικές λοιμώξεις εμφανίζονται πιο συχνά όταν οι άνθρωποι αναπνέουν περισσότερο μολυσμένο αέρα και ότι η διαδικασία επούλωσης και τα αποτελέσματα ορισμένων αναπνευστικών λοιμώξεων επηρεάζονται αρνητικά από την ατμοσφαιρική ρύπανση. Έχει ήδη αποδειχθεί συσχέτιση μεταξύ μακροπρόθεσμου επιπέδου ατμοσφαιρικής ρύπανσης από σωματίδια και υψηλότερης θνησιμότητας από COVID-19 [39]. Η αναπνοή μολυσμένου αέρα συνδέεται επίσης έντονα με δυσμενείς επιπτώσεις στις αναπνευστικές και καρδιαγγειακές λειτουργίες [17]. Οι παρεμβάσεις που βασίζονται στο φιλτράρισμα του αέρα με χρήση επαρκούς εξοπλισμού θα πρέπει να εφαρμόζονται ευρέως τόσο για τη μείωση της εξάπλωσης του SARS-CoV-2 κατά τη φάση του αερολύματος όσο και για τη βελτίωση της κατάστασης της υγείας και των αποτελεσμάτων των ατόμων που εκτίθενται και έχουν μολυνθεί από τον COVID-19.
3. Καθαριστές αέρα και φίλτρα
Εκτιμάται ότι η χρήση φίλτρων αέρα και καθαριστών θα μειώσει το ιικό φορτίο στο περιβάλλον. Οι καθαριστές αέρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δωμάτια ασθενών, γεγονός που μπορεί να μειώσει την πιθανότητα μόλυνσης από τους εργαζόμενους στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης λόγω ελλείψεων σε ΜΑΠ. Μπορεί να μειώσει την πιθανότητα επαναμόλυνσης σε έναν ασθενή λόγω αερομεταφερόμενης μετάδοσης ιών. Αυτός ο τύπος συστήματος φιλτραρίσματος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στα μέσα μαζικής μεταφοράς, στο νοσοκομειακό περιβάλλον, οπουδήποτε στη διαδικασία παραγωγής αερολύματος, σε κλειστά οχήματα και στο σπίτι. Τα σταγονίδια υγρού κατά τον βήχα ή το φτέρνισμα από ένα μολυσμένο άτομο έχουν συνήθως μέγεθος 5 micron ή περισσότερο. Το μικρότερο σωματίδιο που προκαλεί ανησυχία είναι το μονό ιοσωμάτιο (δεν συνδέεται με κανένα σταγονίδιο υγρού) με διάμετρο περίπου 0,12 μικρά. Το μικρότερο σωματίδιο για το οποίο πρέπει να ανησυχείτε είναι ένα μεμονωμένο ιοσωμάτιο (που δεν συνδέεται με κανένα σταγονίδιο υγρού) με διάμετρο περίπου 0,12 μικρά. Αυτά μπορούν εύλογα να φιλτραριστούν από ένα φίλτρο HEPA (υψηλής απόδοσης σωματιδίων αέρα) [3]. Τα φίλτρα ULPA (πολύ χαμηλής διείσδυσης αέρα) είναι πιο προηγμένα στο να παγιδεύουν σχεδόν το 99,99% των σωματιδίων 0,12 micron και άνω. Η χρήση της νανοτεχνολογίας αυξάνει περαιτέρω την ικανότητα δέσμευσης ιών και τον καθαρισμό τέτοιων συσκευών καθαρισμού αέρα και φίλτρων. Έχει παραγάγει ένα αποτελεσματικό φίλτρο με βάση τον αφρό νικελίου (Ni) για τη σύλληψη και τη θανάτωση των αερομεταφερόμενων ιών και μικροβίων, συμπεριλαμβανομένων των SARS-CoV-2 και Bacillus anthracis . Δεδομένου ότι ο ιός SARS-CoV-2 δεν μπορεί να επιβιώσει σε θερμοκρασίες πάνω από 70 °C, το φίλτρο αέρα έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί στους 200 °C με θέρμανση αφρού Ni. Η αποτελεσματικότητα του σχεδιασμένου φίλτρου υποστηρίζεται ότι είναι 99,8% για τον ιό SARS-CoV-2 και 99,9% για τον Bacillus anthracis [3].
Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι, εκτός από τη χρήση της σε προϊόντα καθαρισμού και ΜΑΠ, η νανοτεχνολογία έχει επίσης χρησιμοποιηθεί στην ανάπτυξη καθαριστικών αέρα για την πρόληψη της μετάδοσης του ιού SARS-CoV-2 μέσω του αέρα. Σε αυτό το πλαίσιο, ο ιονιστής αέρα TeqAir 200 που αναπτύχθηκε από τη γαλλική εταιρεία TEQOYA βρίσκεται ήδη στην αγορά (Εικ. 5). Δεδομένου ότι το μέγεθος του SARS-CoV-2 είναι κοντά στο διάμεσο των μεγεθών σωματιδίων για τα οποία είναι αποτελεσματικά τα καθαριστικά αέρα TEQOYA, αναμένεται να μειώσουν τη συγκέντρωση του SARS-CoV-2 στον αέρα.
Εικόνα 5. Ιονιστής αέρα TeqAir 200.
3.1. Τεχνολογία νανοϊνών
Το Mack Antonoff HVAC έχει σχεδιάσει συστήματα καθαρισμού και φιλτραρίσματος αέρα που χρησιμοποιούν τεχνολογία νανοϊνών και ακτινοβολία UV για την καταπολέμηση του COVID-19 [16]. Οι Environmental Consultants έχουν αναπτύξει ένα σύστημα φιλτραρίσματος αέρα που βασίζεται σε ένα πυκνό δίκτυο νανοϊνών (τεχνολογία φιλτραρίσματος IQAirHyperHEPA®) που συλλαμβάνει τα ρυπογόνα σωματίδια όλων των μεγεθών. Υποστηρίζεται ότι δεσμεύει το 99,5% των ρύπων, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων και των ιών με μέγεθος περίπου 0,003 microns [16].
3.2. Τεχνολογία φωτοηλεκτροχημικής οξείδωσης
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Νότιας Φλόριντα ανέπτυξαν μια συσκευή καθαρισμού αέρα “Molekule” που ισχυρίζεται ότι καταστρέφει αποτελεσματικά τους ατμοσφαιρικούς ρύπους, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, των σπορίων μούχλας και των ιών [9]. Το φίλτρο αέρα χρησιμοποιεί φωτοηλεκτροχημική οξείδωση (PECO), στην οποία το φως UV-A χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει έναν καταλύτη στο φίλτρο επικαλυμμένο με νανοσωματίδια για τη δημιουργία ελεύθερων ριζών που οξειδώνουν τους ατμοσφαιρικούς ρύπους [9]. Αυτοί οι καθαριστές αέρα με βάση το PECO έχουν τεράστιες δυνατότητες να επιβραδύνουν την εξάπλωση του ιού, κυρίως σε εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης.
Test LO 2.1
βιβλιογραφια
- Bazant, M. Z., & Bush, J. W. (2021). A guideline to limit indoor airborne transmission of COVID-19. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(17).
- Buonanno, G., Stabile, L., & Morawska, L. (2020). Estimation of airborne viral emission: Quanta emission rate of SARS-CoV-2 for infection risk assessment. Environment international, 141, 105794.
- Chaudhary, V., Royal, A., Chavali, M., & Yadav, S. K. (2021). Advancements in research and development to combat COVID-19 using nanotechnology. Nanotechnology for Environmental Engineering, 6(1), 1-15.
- Centres for Disease Control and Prevention, Feb. 9, 2021. COVID-19 ventilation FAQs, pp. 1–8 [Online]. Available. https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov /community/ventilation.html. (Accessed 4 May 2021).
- Chia, P. Y., Coleman, K. K., Tan, Y. K., Ong, S. W. X., Gum, M., Lau, S. K., … & Marimuthu, K. (2020). Detection of air and surface contamination by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in hospital rooms of infected patients. MedRxiv.
- Correia, G., Rodrigues, L., Da Silva, M. G., & Gonçalves, T. (2020). Airborne route and bad use of ventilation systems as non-negligible factors in SARS-CoV-2 transmission. Medical hypotheses, 141, 109781.
- Dancer, S. J., Tang, J. W., Marr, L. C., Miller, S., Morawska, L., & Jimenez, J. L. (2020). Putting a balance on the aerosolization debate around SARS-CoV-2. The Journal of Hospital Infection, 105(3), 569.
- Ding, J., Yu, C. W., & Cao, S. J. (2020). HVAC systems for environmental control to minimize the COVID-19 infection. Indoor and Built Environment, 29(9), 1195-1201.
- Elias, B., & Bar-Yam, Y. (2020). Could air filtration reduce COVID-19 severity and spread. New England Complex Systems Institute, 9.
- EMW filtertechnik. ISO 29463: new test standard for HEPA filters [cited 2020 Jun 3]. Available from: https://www.emw.de/en/filter-campus/iso29463.html.
- Ham, S. (2020). Prevention of exposure to and spread of COVID-19 using air purifiers: challenges and concerns. Epidemiology and Health, 42.
- Hick, J. L., Hanfling, D., Wynia, M. K., & Pavia, A. T. (2020). National Academy of Medicine. Duty to Plan: Health Care, Crisis Standards of Care, and Novel Coronavirus SARS-CoV.
- Hinds, W. C. (1999). Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. John Wiley & Sons.
- Li, Y., Leung, G. M., Tang, J. W., Yang, X., Chao, C. Y. H., Lin, J. Z., … & Qian, H. (2007). AC 587 Sleigh, H.-JJ Su, J. Sundell, TW Wong, PL Yuen, Role of ventilation in airborne transmission of 588 infectious agents in the built environment-a multidisciplinary systematic review. Indoor Air, 17(589), 2-18.
- Liu, Y., Ning, Z., Chen, Y., Guo, M., Liu, Y., Gali, N. K., … & Lan, K. (2020). Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals. Nature, 582(7813), 557-560.
- Look, M., Bandyopadhyay, A., Blum, J. S., & Fahmy, T. M. (2010). Application of nanotechnologies for improved immune response against infectious diseases in the developing world. Advanced drug delivery reviews, 62(4-5), 378-393.
- Nadadur, S. S., & Hollingsworth, J. W. (Eds.). (2015). Air pollution and health effects. Springer.
- Nazarenko, Y. (2020). Air filtration and SARS-CoV-2. Epidemiology and health, 42.
- Nicas, M., & Miller, S. L. (1999). A multi-zone model evaluation of the efficacy of upper-room air ultraviolet germicidal irradiation. Applied Occupational and Environmental Hygiene, 14(5), 317-328.
- Peters, A., Parneix, P., Otter, J., & Pittet, D. (2020). Putting some context to the aerosolization debate around SARS-CoV-2. The Journal of Hospital Infection, 105(2), 381.
- Riley, R. L. (1982). Indoor airborne infection. Environment international, 8(1-6), 317-320.
- Riley, E. C., Murphy, G., & Riley, R. L. (1978). Airborne spread of measles in a suburban elementary school. American journal of epidemiology, 107(5), 421-432.
- Santos, A. F., Gaspar, P. D., Hamandosh, A., Aguiar, E. B. D., Guerra Filho, A. C., & Souza, H. J. L. D. (2020). Best practices on HVAC design to minimize the risk of COVID-19 infection within indoor environments. Brazilian Archives of Biology and Technology, 63.
- Setti, L., Passarini, F., De Gennaro, G., Barbieri, P., Perrone, M. G., Borelli, M., … & Miani, A. (2020). SARS-Cov-2RNA found on particulate matter of Bergamo in Northern Italy: first evidence. Environmental research, 188, 109754.
- Stadnytskyi, V., Bax, C. E., Bax, A., & Anfinrud, P. (2020). The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(22), 11875-11877.
- Stilianakis, N. I., & Drossinos, Y. (2010). Dynamics of infectious disease transmission by inhalable respiratory droplets. Journal of the Royal Society Interface, 7(50), 1355-1366.
- URL-1: https://aeramaxpro.com/covid19-1/
- URL-2: https://www.usatoday.com/in-depth/graphics/2020/10/18/improving-indoor-air-quality-prevent-covid-19/3566978001/
- URL-3:https://www.sentryair.com/blog/indoor-air-quality/improving-ventilation-and-air-filtration-to-help-prevent-covid-transmission-in-the-workplace/
- URL-4: https://www.microcovid.org/blog/hepafilters
- URL-5: https://product.statnano.com/product/11653/teqoya-teqair-200-air-ionizer
- S. Department of Energy. DOE-STD-3020-2005, specification for HEPA filters used by DOE contractors; 2015 [cited 2020 Jul 15]. Available from: https://www.standards.doe.gov/standards-documents/3000/3020-astd-2005
- Van Doremalen, N., Bushmaker, T., Morris, D. H., Holbrook, M. G., Gamble, A., Williamson, B. N., … & Munster, V. J. (2020). Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. New England journal of medicine, 382(16), 1564-1567.
- Vejerano, E. P., & Marr, L. C. (2018). Physico-chemical characteristics of evaporating respiratory fluid droplets. Journal of The Royal Society Interface, 15(139), 20170939.
- Wells, W. F. (1934). ON AIR-borne infection: study II. Droplets and droplet nuclei. American journal of Epidemiology, 20(3), 611-618.
- World Health Organization. Laboratory biosafety guidance related to coronavirus disease 2019 (COVID-19): interim guidance, 12 February 2020 [cited 2020 Jun 3]. Available from: https://apps.who.int/iris/handle/10665/331138.
- World Health Organization. (2020). Severe acute respiratory infections treatment centre: practical manual to set up and manage a SARI treatment centre and a SARI screening facility in health care facilities(No. WHO/2019-nCoV/SARI_treatment_center/2020.1). World Health Organization.
- Wu, X., Nethery, R. C., Sabath, B. M., Braun, D., & Dominici, F. (2020). Exposure to air pollution and COVID-19 mortality in the United States: A nationwide cross-sectional study. medRxiv 2020.04. 05.20054502.
- Zhu, N., Zhang, D., Wang, W., Li, X., Yang, B., Song, J., … & Tan, W. (2020). A novel coronavirus from patients with pneumonia in China, 2019. New England journal of medicine.
Εκπαιδευτική Μονάδα 2.2.
Άψυχες επιφάνειες και μέθοδοι απολύμανσης
Συγγραφείς & συνεργασίες: İİbrahim Örün και Belda Erkmen, Πανεπιστήμιο Aksaray, Τουρκία
Εκπαιδευτικός στόχος: Ο στόχος αυτού του TU είναι να παρουσιάσει γνώσεις για άψυχες επιφάνειες και μεθόδους απολύμανσης.
Περίληψη
Οι ιογενείς επιδημίες αναπτύσσονται λόγω της εμφάνισης νέων παραλλαγών μολυσματικών ιών. Η έλλειψη αποτελεσματικών αντιικών θεραπειών για νέες ιογενείς λοιμώξεις, σε συνδυασμό με την ταχεία εξάπλωση της λοίμωξης στην κοινότητα, συχνά οδηγεί σε τεράστιες ανθρώπινες και οικονομικές απώλειες. Η μετάδοση του ιού μπορεί να συμβεί μέσω στενής επαφής από άτομο σε άτομο ή επαφής με μολυσμένη επιφάνεια. Επομένως, η προσεκτική απολύμανση ή απολύμανση είναι απαραίτητη για τη μείωση της εξάπλωσης του ιού. Υπάρχουν πολλά απολυμαντικά/απολυμαντικά/βιοκτόνα που μπορούν να αδρανοποιήσουν τους ιούς, αλλά η αποτελεσματικότητά τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η συγκέντρωση του παράγοντα, ο χρόνος αντίδρασης, η θερμοκρασία και το οργανικό φορτίο. Η πρόοδος της νανοτεχνολογίας έχει μεγάλη σημασία για την αδρανοποίηση των ιών και τον έλεγχο της επιδημίας COVID-19.
Λέξεις-κλειδιά: απολύμανση, νανοτεχνολογία, COVID-19
1. Εισαγωγή
Οι ιογενείς μεταδόσεις και οι λοιμώξεις αποτελούν ιστορικά σοβαρές απειλές για την ανθρώπινη υγεία και ευημερία και έχουν οδηγήσει σε εκτεταμένες κοινωνικοοικονομικές διαταραχές. Πριν από έναν αιώνα, το 1918, η πανδημία της «ισπανικής γρίπης» προκάλεσε μια παγκόσμια καταστροφή με περισσότερους από 50 εκατομμύρια θανάτους και 500 εκατομμύρια μολύνσεις [33]. Μία από τις χώρες που επλήγησαν περισσότερο από την επιδημία του Έμπολα στη Δυτική Αφρική το 2014, η αύξηση του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της Λιβερίας μειώθηκε από 8,7% το 2013 σε 0,7% το 2014 [66]. Η απειλή μιας παγκόσμιας πανδημίας ιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγαλύτερες καταστροφές από οποιαδήποτε άλλη στιγμή στην ανθρώπινη ιστορία, καθώς οι ιοί μπορούν να εξαπλωθούν σε όλο τον κόσμο με πρωτοφανείς ρυθμούς λόγω των ευκολότερων παγκόσμιων συνδέσεων και μεταφοράς και της ευκολίας και της έντασης της ανθρώπινης κινητικότητας σήμερα. Σήμερα, ωστόσο, βλέπουμε ότι μια παρόμοια πανδημία έχει αναμφίβολα οδηγήσει σε πιο καταστροφικά αποτελέσματα [7]. Ο νέος κορωνοϊός, ο οποίος προκαλεί τη νόσο COVID-19 (SARS-CoV-2 ή πρώην HCoV-19), που αναφέρθηκε για πρώτη φορά από την Κίνα στα τέλη του 2019, έχει οδηγήσει σε περισσότερους από έξι εκατομμύρια θανάτους κατά τη στιγμή που γράφεται αυτό το άρθρο. Η πανδημία δεν έχει ακόμη τελειώσει και καθημερινά αναφέρονται νέα κρούσματα και νέοι θάνατοι. Ενώ οι κυβερνήσεις και οι πολιτείες μπορούν να επηρεάσουν τα ποσοστά και το εύρος των κρουσμάτων [2], τα άτομα μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικότερο ρόλο στον περιορισμό της εξάπλωσης των ιών σε δημόσιους χώρους και χώρους υγειονομικής περίθαλψης [47]. Η μετάδοση από άνθρωπο σε άνθρωπο κοινών ιών γρίπης και κοροναϊών μπορεί να συμβεί μέσω αυτοενοφθαλμισμού των βλεννογόνων στη μύτη, το στόμα ή τα μάτια αγγίζοντας μολυσμένες ξηρές επιφάνειες καθώς και σωματικά υγρά που είναι φορτωμένα με ιούς [37]. Ανάλογα με τον τύπο της επιφάνειας και τις περιβαλλοντικές συνθήκες, οι ιοί μπορούν να παραμείνουν σε άψυχες επιφάνειες για 5 λεπτά ή λιγότερο έως περισσότερες από 28 ημέρες [22]. Η χρήση απολυμαντικών παραγόντων για προσωπική φροντίδα και απολύμανση επιφανειών είναι μεγάλης σημασίας για τον περιορισμό της μετάδοσης των ιών με την απενεργοποίηση των ιών προτού έχουν την ευκαιρία να εισέλθουν στο ανθρώπινο σώμα.
Σε αυτήν την εκπαιδευτική μονάδα, παρέχουμε πληροφορίες για τους διάφορους τύπους απολυμαντικών παραγόντων που χρησιμοποιούνται σε εμπορικά διαθέσιμα σκευάσματα με επιστημονικά αποδεδειγμένες ιοκτόνες ιδιότητες για την αδρανοποίηση των ιών σε εναιώρημα και σε επιφάνειες. Παρέχουμε επίσης πληροφορίες σχετικά με τη χρήση αντιιικής απολύμανσης νανοτεχνολογικών υλικών, μια από τις πολλά υποσχόμενες νέες εξελίξεις που έχει αποδειχθεί ότι αδρανοποιεί τους ιούς, αλλά δεν έχει ακόμη φθάσει σε ευρεία εμπορική χρήση.
2. Απολυμαντικά κατά των ιών και γενικές αρχές λειτουργίας
2.1. Ιοί και μολυσματικότητα
Οι ιοί τυπικά αποτελούνται από ένα ιικό καψίδιο που περιέχει νουκλεϊκά οξέα (Εικ. 1). Το νουκλεϊκό οξύ χρησιμεύει ως πληροφορία μήτρας για την αντιγραφή, ενώ το καψίδιο και οι σχετικές πρωτεΐνες λειτουργούν τόσο για την προστασία του νουκλεϊκού οξέος όσο και για τη σύνδεση με τους υποδοχείς του κυττάρου ξενιστή [29].
Φιγούρα 1. Τύποι ιών.
Οι ιοί δεν μπορούν να αναπαραχθούν και να αυξηθούν σε αριθμό εκτός ενός κυττάρου ξενιστή. Ωστόσο, συχνά μπορούν να επιβιώσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε αυτή την κατάσταση [67]. Όταν συναντήσουν ένα κατάλληλο κύτταρο ξενιστή, θα μολύνουν και θα εισέλθουν στο κύτταρο ξενιστή και θα κατακτήσουν τον κυτταρικό μηχανισμό για τη δική τους αναπαραγωγή (Εικ. 2). Οι ιοί μπορούν να μολύνουν κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων των βακτηριακών κυττάρων, και να προκαλέσουν μια σειρά κοινών ασθενειών. Αυτή η κατάσταση επιδεινώνεται από την έλλειψη αποτελεσματικής θεραπείας ενάντια σε πολλούς από τους ιούς.
Οι κορωνοϊοί, από την άλλη πλευρά, είναι ιοί με περίβλημα και μονόκλωνοι RNA, δηλαδή το γενετικό τους υλικό αποτελείται από έναν κλώνο RNA και κάθε ιικό σωματίδιο είναι τυλιγμένο σε έναν πρωτεϊνικό φάκελο (Εικ. 3). Όλοι οι ιοί βασικά ακολουθούν την ίδια διαδρομή στη μόλυνση των ξενιστών τους. Ένας ιός που εισβάλλει σε ένα κύτταρο αναπαράγεται χρησιμοποιώντας ορισμένα συστατικά αυτού του κυττάρου και στη συνέχεια τα αντίγραφά του μολύνουν άλλα κύτταρα. Ωστόσο, οι ιοί RNA έχουν διαφορετικό χαρακτηριστικό. Αυτοί οι ιοί δεν μπορούν να διορθώσουν σφάλματα που εμφανίζονται κατά την αντιγραφή του RNA επειδή δεν διαθέτουν τους μηχανισμούς διόρθωσης σφαλμάτων που χρησιμοποιούν συνήθως τα κύτταρα κατά την αντιγραφή του DNA.
Σχήμα 2. Τα τέσσερα στάδια της ιογενούς μόλυνσης ενός κυττάρου στο μοντέλο.
Οι κοροναϊοί είναι η ομάδα των ιών με το μεγαλύτερο γονιδίωμα, με 30.000 βάσεις, μεταξύ των ιών RNA. Αυτά τα παθογόνα, τα οποία δεν έχουν την ικανότητα να διορθώνουν σφάλματα κατά την αναπαραγωγή, αυξάνουν την πιθανότητα να κάνουν λάθη καθώς αυξάνεται η ποσότητα της βάσης που αντιγράφουν. Επομένως, κάθε λάθος φέρνει μαζί του μια νέα μετάλλαξη. Ορισμένες από αυτές τις μεταλλάξεις μπορεί επίσης να προσδώσουν νέες ιδιότητες στον ιό, όπως την ικανότητα να μολύνει νέους τύπους κυττάρων ή ακόμα και νέα στελέχη. Ένας κορωνοϊός αποτελείται από τέσσερις δομικές πρωτεΐνες: νουκλεοκαψίδιο, περίβλημα, μεμβράνη και ραβδοειδείς προεξοχές (αγκάθια). Δεδομένου ότι αυτές οι προεξοχές ονομάζονται “corona”, που σημαίνει στέμμα στα λατινικά, αυτοί οι ιοί ονομάζονται κοροναϊός (κορωνοϊός). Το νουκλεοκαψίδιο περιέχει το γενετικό υλικό σε μια σφαιρική δομή που σχηματίζεται από πρωτεΐνες φακέλου και μεμβράνης. Οι ακανθώδεις προεξοχές προσδιορίζουν τα κύτταρα που μπορεί να μολύνει ο ιός και να προσκολληθούν στους υποδοχείς των κυττάρων.
Οι επιφάνειες, συμπεριλαμβανομένων των χεριών μας, παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξάπλωση των ιών. Οι ιοί όπως ο ιός της πολιομυελίτιδας και ο βακτηριοφάγος παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη ικανότητα επιβίωσης όταν μεταφέρονται με άμεση επαφή με τις επιφάνειες, σε αντίθεση με ιούς που περιέχουν σταγονίδια αεροζόλ ή σκόνη. Μόλις 5 δευτερόλεπτα επαφής χεριού και προσώπου αρκούν για τη μεταφορά ενός σημαντικού μέρους του ιού και οι ιοί μπορούν στη συνέχεια να εξαπλωθούν αγγίζοντας τον ρινικό βλεννογόνο ή τον επιπεφυκότα του ματιού. Η πιθανότητα εξάπλωσης σχετίζεται άμεσα με τον χρόνο επιβίωσης του ιού στην επιφάνεια, ο οποίος διαφέρει σημαντικά μεταξύ διαφορετικών ιών. Μια πολύ πρόσφατη μελέτη ανέφερε ότι ο κορωνοϊός Covid-19 (SARS-CoV-2) μπορεί να επιμείνει περισσότερο σε πλαστικές επιφάνειες προπυλενίου και ανοξείδωτο χάλυβα, ενώ ζωντανοί ιοί υπάρχουν έως και 72 ώρες μετά την αρχική εφαρμογή, αν και με πολύ μειωμένο τίτλο ιού [60].
Εικόνα 3: Απεικόνιση του ιού SARS-CoV-2
2.2. Παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα του απολυμαντικού
Ο κύριος δείκτης μέτρησης της αποτελεσματικότητας του απολυμαντικού είναι η μείωση της μολυσματικότητας του ιού. Η μέτρηση της μολυσματικότητας του ιού πραγματοποιείται συνήθως με δοκιμές φορέα και δοκιμές εναιώρησης. Οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα των απολυμαντικών έναντι των ιών περιλαμβάνουν τον χρόνο επαφής, τη συγκέντρωση του απολυμαντικού και τον σχετικό ιό.
Επιπλέον, η αποτελεσματικότητα της απολύμανσης μπορεί επίσης να επηρεαστεί από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Εάν η απολύμανση απαιτεί χημικές αντιδράσεις, όπως η φορμαλδεΰδη, ο ρυθμός απολύμανσης θα είναι υψηλότερος σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε κρύο καιρό, ορισμένα απολυμαντικά μπορεί να είναι αναποτελεσματικά καθώς το ποσοστό απολύμανσης θα είναι εξαιρετικά χαμηλό. Η υγρασία είναι ένας άλλος παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει τη διείσδυση του απολυμαντικού στον ιό. Για αντιδράσεις όπως τα απολυμαντικά αλδεΰδης, μια αλλαγή στο pH θα επηρεάσει επίσης την αποτελεσματικότητα του απολυμαντικού.
2.3. Παράγοντες που επηρεάζουν την ευαισθησία στον ιό
Οι ιοί που επηρεάζουν την αδρανοποίηση με απολύμανση έχουν ορισμένες μοναδικές ιδιότητες. Εδώ υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι ιών με διαφορετικές δομές, που ταξινομούνται ανάλογα με την αυξανόμενη δυσκολία της αδρανοποίησης των χημικών απολυμαντικών: ιοί με περίβλημα, μεγάλοι ιοί χωρίς περίβλημα και μικροί ιοί χωρίς περίβλημα. Αν και υπάρχουν εξαιρέσεις, οι μεγαλύτεροι ιοί είναι γενικά πιο ευαίσθητοι στα απολυμαντικά [32]. Όλα τα λίγα απολυμαντικά διαλύματα που δοκιμάστηκαν είναι αποτελεσματικά έναντι των ιών με περίβλημα του ιού του απλού έρπητα και του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV) τύπου 1, αλλά λιγότερο αποτελεσματικά έναντι του μικρού ανθρώπινου ιού coxsackie χωρίς περίβλημα. Οι ιοί με περίβλημα περιέχουν ένα λιπιδικό περίβλημα που είναι απαραίτητο για τη μόλυνση και επομένως η παρέμβαση στο φάκελο μπορεί ενδεχομένως να μειώσει τη μετάδοση του ιού. Τα λιπόφιλα απολυμαντικά μπορούν συχνά να χρησιμοποιηθούν για την αδρανοποίηση ιών με περίβλημα. Αντίθετα, οι ιοί χωρίς περίβλημα χρησιμοποιούν μια πρωτεϊνική επικάλυψη για μόλυνση και έτσι η αδρανοποίηση απαιτεί συχνά τη μετουσίωση περιττών ιικών πρωτεϊνών καψιδίου ή απαραίτητων αναδιπλασιαζόμενων πρωτεϊνών [36]. Τα απολυμαντικά που αποικοδομούν πρωτεΐνες, όπως η γλουταραλδεΰδη ή το υποχλωριώδες νάτριο, μπορούν να είναι αποτελεσματικά στην αδρανοποίηση ιών χωρίς περίβλημα [32]. Μελέτες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας δείχνουν εκτεταμένη δομική βλάβη στον φάγο, συμπεριλαμβανομένου του βακτηριοφάγου PAO1 που απενεργοποιεί το υποχλωριώδες νάτριο και βλάβης στις πρωτεΐνες καψιδίου. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι ιοί όπως η πολιομυελίτιδα διατηρούν τη μολυσματικότητα μόνο με RNA, το απολυμαντικό μπορεί να χρειαστεί να διεισδύσει για να καταστρέψει τα νουκλεϊκά οξέα [32]. Ενώ ο ιός γρίπης H1N1 με περίβλημα μπορεί να αδρανοποιηθεί από όλα τα απολυμαντικά που έχουν δοκιμαστεί [16], οι μικροί νοροϊοί χωρίς περίβλημα είναι πολύ πιο δύσκολο να απενεργοποιηθούν και λίγα κοινά διαθέσιμα απολυμαντικά δεν μπορούν να μειώσουν επαρκώς τη μόλυνση [56].
Οι ιοί αντιστέκονται επίσης στην απολύμανση λόγω των κυτταρικών υλικών με τα οποία συνδέονται οι ιοί. Οι ιοί εξαρτώνται κανονικά από τα κύτταρα ξενιστές για αντιγραφή, έτσι συχνά βρίσκονται σε συνδυασμό με υλικά όπως κυτταρικά υπολείμματα, χώμα και σταγονίδια αεροζόλ. Αυτοί ονομάζονται προστατευτικοί παράγοντες συσσωμάτωσης ιών και μπορούν να μειώσουν τη διείσδυση του απολυμαντικού στον ιό και να μειώσουν την αλληλεπίδραση και τη δραστηριότητα των απολυμαντικών παραγόντων. Αυτό έχει μεγάλη επίδραση στα απολυμαντικά και απαιτεί πολύ μεγαλύτερη συγκέντρωση για αποτελεσματική απολύμανση. Η απολύμανση συχνά συνδέεται και εξαρτάται από τις διαδικασίες καθαρισμού, καθώς η αφαίρεση ακαθαρσιών οργανικών υλικών μπορεί να επιτρέψει μια καλύτερη διαδικασία απολύμανσης [14]. Επιπλέον, οι ιοί μπορούν να συσσωρευτούν στο περιβάλλον όταν εκτεθούν σε απολυμαντικά, καθιστώντας δύσκολη τη διείσδυση και την πρόσβαση των απολυμαντικών στους ιούς [15].
Ο COVID-19 είναι γνωστό ότι είναι πολύ μεταδοτικός και υπάρχουν πολλοί τρόποι μετάδοσης. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι ο SARS-CoV-2 εξαπλώνεται κυρίως μέσω μικροσταγονιδίων που μεταδίδονται από άτομο σε άτομο ή αγγίζοντας μολυσμένες επιφάνειες (Εικ. 4) [58]. Ο SARS-CoV-2 είναι γνωστό ότι έχει την ικανότητα να παραμένει σε μορφή αερολύματος για περισσότερες από 3 ώρες. Αναφέρεται επίσης ότι ανάλογα με την επιφάνεια, ο ανθρώπινος κορωνοϊός μπορεί να επιμείνει έως και 9 ημέρες και σε θερμοκρασίες άνω των 30 °C. Στο πλαίσιο αυτό, η χρήση ατομικού προστατευτικού εξοπλισμού (ΜΑΠ), απολυμαντικού και απολυμαντικού είναι εξαιρετικά σημαντική. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) συνιστά τη χρήση φυσικών και χημικών παραγόντων για τη μείωση της μόλυνσης μέσω απολύμανσης επιφανειών, ειδικά σε επιφάνειες που αγγίζονται συχνά, όπως πόμολα πορτών, Πίνακαςα, καρέκλες, κάγκελα και κλειδιά, καθώς και χρήση μάσκας και διαδικασίες προσωπικής υγιεινής . Στη βιβλιογραφία έχουν περιγραφεί διάφοροι απολυμαντικοί παράγοντες, όπως υποχλωριώδες νάτριο, υπεροξείδιο του υδρογόνου, αλκοόλες, σαπούνια/επιφανειοδραστικά κ.λπ. [31].
Εικόνα 4. Παραδείγματα σημείων εξάπλωσης του ιού.
3. Εμπορικά διαθέσιμα ιοκτόνα απολυμαντικά μέσα
3.1. Αλκοόλ
Οι αλκοόλες, ιδιαίτερα η ισοπροπυλική αλκοόλη (επίσης γνωστή ως ισοπροπανόλη και προπαν-2-όλη) και η αιθυλική αλκοόλη (αιθανόλη), μπορούν να αδρανοποιήσουν ένα ευρύ φάσμα βακτηριακής, μυκητιακής και ιικής δραστηριότητας (Εικ. 5-6). Αυτά τα ενεργά συστατικά παίζουν σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία υγειονομικής περίθαλψης για την αντισηψία του δέρματος και την απολύμανση μικρών ιατρικών οργάνων. Αν και έχει αποδειχθεί ότι είναι αποτελεσματικό στην καταστροφή μολυσματικών μικροοργανισμών, οι αλκοόλες δεν είναι σποριοκτόνες [44] και συχνά συνδυάζονται με άλλα κύρια βιοκτόνα δραστικά για να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα της απολύμανσης.
Ισχυροί βιοκτόνοι παράγοντες καταστρέφουν ιούς και βακτήρια με διάφορους μηχανισμούς, όπως διαταραχή της κυτταρικής δομής και πήξη ή/και μετουσίωση πρωτεϊνών σε μικροοργανισμούς. Αν και λίγες μελέτες έχουν διεξαχθεί για την πλήρη κατανόηση της βιοκτόνου δράσης του αλκοόλ, γενικά πιστεύεται ότι οι αλκοόλες διαταράσσουν τις κυτταρικές μεμβράνες και γενικά μετουσιώνουν τις πρωτεΐνες [4]. Οι ιοί και πολλοί άλλοι μικροοργανισμοί είναι γενικά ευαίσθητοι σε αυτόν τον τρόπο δράσης. Προηγούμενες μελέτες έχουν αναφέρει ότι η ενσωμάτωση νερού στο βιοκτόνο σύστημα αυξάνει την αποτελεσματικότητα του αλκοόλ, καθώς το νερό διευκολύνει την ταχύτερη μετουσίωση των πρωτεϊνών [44]. Επιπλέον, η προσθήκη νερού αυξάνει σημαντικά την αποτελεσματικότητα των αλκοολών καθώς καθυστερεί την εξάτμιση του αλκοόλ και αυξάνει την έκθεσή του σε ιούς και βακτήρια.
Ωστόσο, η ιοκτόνος δράση του αλκοόλ εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκέντρωση των δραστικών ουσιών και τον τύπο των δοκιμαστικών ιών. Η αποτελεσματικότητα των αλκοολών στην αδρανοποίηση των ιών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις επιφανειακές ιδιότητες του μικροοργανισμού. Οι ιοί χωρίς περίβλημα είναι γενικά γνωστό ότι είναι πιο ανθεκτικοί στα απολυμαντικά από τους ιούς με περίβλημα, συμπεριλαμβανομένων των αλκοολών.
Ενώ οι αλκοόλες ήταν αποτελεσματικές στην καταστροφή ορισμένων τύπων ιών, άλλα απολυμαντικά όπως οι ενώσεις τεταρτοταγούς αμμωνίου (QAC), η γλουταραλδεΰδη και το υπεροξείδιο του υδρογόνου επισκίασαν γρήγορα την απόδοσή τους [44]. Επομένως, τα απολυμαντικά των οποίων τα κύρια δραστικά συστατικά είναι το αλκοόλ δεν χρησιμοποιούνται γενικά για την απολύμανση κρίσιμου εξοπλισμού ή περιβάλλοντος σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης [44]. Η χρήση της ισοπροπυλικής αλκοόλης είναι επίσης περιορισμένη, καθώς απενεργοποιεί μόνο τους ιούς των λιπιδίων. Αυτό μειώνει σημαντικά τις ικανότητες του αλκοόλ ως απολυμαντικού ευρύτερης χρήσης. Επειδή οι αλκοόλες είναι εύφλεκτα υγρά, οι μεγάλες ποσότητες αλκοόλ θα αυξήσουν τους κινδύνους και τους κινδύνους ως απολυμαντικό. Το σημείο ανάφλεξης του διαλύματος αλκοόλης υψηλότερης συγκέντρωσης είναι χαμηλότερο από αυτό της χαμηλότερης συγκέντρωσης [4]. Επιπλέον, η παρατεταμένη και επαναλαμβανόμενη χρήση αλκοόλ θέτει σε κίνδυνο την ακεραιότητα υλικών όπως τα πλαστικά και τα χρώματα. Υλικά που εκτίθενται συνεχώς σε αλκοόλ μπορεί να εμφανίσουν αλλαγή χρώματος, σκάσιμο και πρήξιμο λόγω της επίδρασης του αλκοόλ. Μια άλλη πρόκληση με τη χρήση αλκοόλ είναι ότι εξατμίζεται γρήγορα όταν εκτίθεται στον αέρα, μειώνοντας έτσι τον χρόνο επαφής με τον ιό. Η μέγιστη απολύμανση είναι δύσκολο να επιτευχθεί εκτός εάν τα εργαλεία έχουν βυθιστεί στο λουτρό για κάποιο χρονικό διάστημα.
Εικόνα 5. Παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα των απολυμαντικών χεριών με βάση το αλκοόλ κατά του SARS-CoV-2.
Αν και οι δυνατότητες του αλκοόλ είναι περιορισμένες, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως σε μια ποικιλία ενεργών απολυμαντικών διαδικασιών. Είναι επιτακτική ανάγκη να σημειωθεί ότι ο ρόλος του αλκοόλ ως απολυμαντικού μαζί με τις υπόλοιπες ιδιότητές του είναι ακόμα αναντικατάστατος. Οι αλκοόλες χρησιμοποιούνται συχνά στο νοσοκομείο ως αποτελεσματικό απολυμαντικό για θερμόμετρα, μη κρίσιμα όργανα και μη επεμβατικούς ανιχνευτές [44]. Οι μη κρίσιμες επιφάνειες των επαναχρησιμοποιήσιμων ιατρικών εργαλείων απολυμαίνονται επίσης με οινόπνευμα. Ένα άλλο πλεονέκτημα της χρήσης αλκοόλης ως απολυμαντικού είναι ότι είναι φιλικό προς το χρήστη. Τα διαλύματα οινοπνεύματος δεν λερώνουν, εξατμίζονται γρήγορα, έχουν χαμηλή τοξικότητα σε σύγκριση με άλλες μορφές απολυμαντικού και έχουν ήπια, αποδεκτή οσμή. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι κρίσιμα σε περιβάλλοντα υγειονομικής περίθαλψης καθώς συμβάλλουν στην αποτελεσματικότητα και την απαραίτητη εξυγίανση του συστήματος.
Εικόνα 6. Ο αντιϊκός μηχανισμός δράσης του αλκοόλ κατά των ιών με περίβλημα.
3.2. Τασιενεργά
Τα επιφανειοδραστικά είναι αμφίφιλα τμήματα που έχουν τόσο υδρόφιλα όσο και λιπόφιλα τμήματα, ταξινομημένα περαιτέρω ως κατιονικά, ανιονικά, μη ιονικά και αμφιτεριονικά τασιενεργά. Είναι ενεργά συστατικά που βρίσκονται συχνά σε οικιακά απολυμαντικά και απορρυπαντικά και έχει αποδειχθεί ότι μπορούν να αδρανοποιούν τους ιούς. Οι ιοί με περίβλημα όπως η οικογένεια των κοροναϊών, η οποία περιλαμβάνει τους SARS-CoV-1, MERS και τους νέους ιούς SARS-CoV-2, είναι επομένως ευαίσθητοι σε αυτά τα επιφανειοδραστικά. Ωστόσο, ορισμένα επιφανειοδραστικά δεν βασίζονται στη διάλυση του περιβλήματος των λιπιδίων τους για την αδρανοποίηση των ιών.
3.2.1. Κατιονικές επιφανειοδραστικές ουσίες (ενώσεις τεταρτοταγούς αμμωνίου)
Οι ενώσεις τεταρτοταγούς αμμωνίου (QACs) σχηματίζουν την κύρια μάζα κατιονικών επιφανειοδραστικών και αδρανοποιούν τους ιούς ως επί το πλείστον διαλύοντας και διασπώντας το λιπιδικό περίβλημα ή τη μεμβράνη τους. Αναφέρεται ότι διατηρούν καλύτερα την ιοκτόνο δράση στο σκληρό νερό και επίσης παρουσία ανιονικών υπολειμμάτων [38]. Τα QAC είναι ελκυστικά επειδή είναι σχετικά μη τοξικά, άχρωμα και άοσμα [19]. Είναι ευρέως γνωστά για την απενεργοποίηση των ιών με περίβλημα, αλλά η ιοκτόνος δράση τους εξαρτάται από τη συγκέντρωση, τον χρόνο έκθεσης και τη θερμοκρασία. Η αποτελεσματική απολύμανση με τασιενεργά που χρησιμοποιούν QAC επιτυγχάνεται καλύτερα με ζεστό νερό και μεγαλύτερους χρόνους αντίδρασης [30]. Ένα πλεονέκτημα της χρήσης απολυμαντικών με βάση το QAC είναι η σχετικά υψηλή ανοχή τους στην παρουσία μολυσματικών οργανικών ουσιών. Αυτό συμβαίνει επειδή η ικανότητά τους να αδρανοποιούν τους ιούς γενικά δεν μειώνεται από την παρουσία οργανικής ύλης, όπως φαίνεται με άλλα κοινά απολυμαντικά όπως το αλκοόλ και τα απολυμαντικά με βάση το χλώριο.
3.2.2. Ανιονικά τασιενεργά
Είναι μερικές κοινές ανιονικές επιφανειοδραστικές ουσίες που βρίσκονται σε προϊόντα προσωπικής φροντίδας όπως σαπούνι, σαμπουάν, οδοντόκρεμα και απορρυπαντικά [49].
3.2.3. Μη ιοντικές και αμφιτεριονικές επιφανειοδραστικές ουσίες
Τα μη ιονικά τασιενεργά χρησιμοποιούνται συνήθως ως γαλακτωματοποιητές. Αυτά τα μη ιονικά τασιενεργά απενεργοποιούν τους ιούς διαλύοντας το ιικό περίβλημα και διασπώντας το νουκλεοκαψίδιο. Τα αμφιτεριονικά επιφανειοδραστικά είναι μόρια που φέρουν τόσο κατιονικά όσο και ανιονικά φορτία, αλλά γενικά ουδέτερα φορτισμένα [63]. Οι ερευνητές έχουν προτείνει ότι ο μηχανισμός απολύμανσης με αμφιτεριονικό απορρυπαντικό είναι μέσω της ιικής αποικοδόμησης αντί της διαλυτοποίησης των επιφανειακών πρωτεϊνών [8]. Αυτή η ειδική ικανότητα, η οποία αδρανοποιεί τους ιούς αλλά διατηρεί τη βιολογική δραστηριότητα των επιφανειακών αντιγόνων, επιτρέπει τη χρήση αμφιτεριονικού απορρυπαντικού κατά την ανάπτυξη εμβολίων.
3.3. Οξειδωτικοί παράγοντες
Τα απολυμαντικά όπως το υποχλωριώδες νάτριο, το υπεροξείδιο του υδρογόνου και το υπεροξικό οξύ χρησιμοποιούν τις οξειδωτικές τους ικανότητες για να αδρανοποιήσουν τους ιούς. Οι ισχυροί οξειδωτικοί παράγοντες είναι από τα πιο αποτελεσματικά απολυμαντικά για μικρούς ιούς χωρίς περίβλημα που είναι δύσκολο να απολυμανθούν, όπως οι νοροϊοί [17].
3.3.1. Υποχλωριώδες νάτριο
Το υποχλωριώδες νάτριο, το δραστικό συστατικό της οικιακής χλωρίνης, είναι ένας ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας. Διαλύεται στο νερό για να σχηματίσει υποχλωριώδες οξύ, το οποίο μπορεί να αναχθεί για να σχηματίσει νερό και ανιόν χλωρίου [13]. Η αποτελεσματικότητα της απολύμανσης μειώνεται με την αύξηση του pH, πιθανώς λόγω της φθίνουσας αναλογίας του υποχλωριώδους οξέος που υπάρχει [3]. Το υποχλωριώδες νάτριο είναι ταχείας δράσης και αποτελεσματικό σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Η επίδρασή του βρέθηκε να είναι ανάλογη της συγκέντρωσης και του χρόνου επαφής. Το υποχλωριώδες νάτριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ιούς χωρίς περίβλημα που είναι δύσκολο να απολυμανθούν, όπως οι νοροϊοί.
3.3.2. Διχλωροϊσοκυανουρικό νάτριο
Σε σύγκριση με το υποχλωριώδες νάτριο, το διχλωροϊσοκυανουρικό νάτριο έχει μεγαλύτερης διάρκειας απολυμαντική δράση, είναι πιο ανεκτικό στην παρουσία οργανικού υλικού και έχει υψηλότερη συνολική απολυμαντική αποτελεσματικότητα.
3.3.3. Υπεροξείδιο του υδρογόνου
Το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι ένας ισχυρός παράγοντας απενεργοποίησης ευρέος φάσματος. Αποσυντίθεται για να σχηματίσει νερό, οξυγόνο και εξαιρετικά δραστικές ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου που μπορούν να αποικοδομήσουν ή να διασυνδέσουν μια μεγάλη ποικιλία βιομορίων, συμπεριλαμβανομένων πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξέων και λιπιδίων. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι επίσης αποτελεσματικό έναντι των νοροϊών, αν και συνήθως απαιτεί υψηλότερη συγκέντρωση από το υποχλωριώδες νάτριο.
3.4. Υπεροξικό οξύ
Το υπεροξικό οξύ παρομοίως αποσυντίθεται για να σχηματίσει ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου υψηλής αντίδρασης καθώς και οξικό οξύ και οξυγόνο [42]. Μορφές υπεροξικού οξέος έχουν αναπτυχθεί για να παρέχουν μεγαλύτερη σταθερότητα και μπορούν να διαλυθούν in situ για να σχηματίσουν το απολυμαντικό διάλυμα.
3.5. Αλογονωμένες ενώσεις
3.5.1. Ποβιδόνη ιωδίου
Το Povidone-iodine είναι ένας ιοκτόνος παράγοντας ευρέος φάσματος. Χρησιμοποιείται σε κλινικές εφαρμογές όπως αποστειρωτικούς παράγοντες, χειρουργικά επιχρίσματα, απολέπιση και αλοιφές για προ και μετεγχειρητικό καθαρισμό δέρματος, καθώς και σε καθημερινά προϊόντα όπως αντισηπτικά πλύσεις χεριών, στοματικά διαλύματα και στοματικά διαλύματα που περιέχουν χαμηλότερες συγκεντρώσεις ιωδοφόρου [12. ]. Δεν είναι κατάλληλο για χρήση με προϊόντα σιλικόνης, όπως καθετήρες σιλικόνης ποβιδόνης-ιωδίου, καθώς το ιώδιο μπορεί να προκαλέσει την ταχύτερη αποικοδόμηση του υλικού. Αν και γενικά είναι ασφαλέστερη και πιο αποτελεσματική στην αδρανοποίηση των ιών από πολλούς άλλους αντισηπτικούς παράγοντες, η ποβιδόνη-ιώδιο μπορεί, με παρατεταμένη χρήση, να προκαλέσει δυσλειτουργία του θυρεοειδούς [27] και αλλεργική δερματίτιδα εξ επαφής που απαιτεί προσεκτική ιατρική παρακολούθηση [61]. Η προέλευση των ευρειών ιοκτόνων δράσεων της ιωδιούχου ποβιδόνης δεν έχει ακόμη πλήρως αποσαφηνιστεί και είναι πιθανό να προκύψει με περισσότερους από έναν μηχανισμούς, μειώνοντας την πιθανότητα τυχαίων ιικών μεταλλάξεων που προσδίδουν αντίσταση. Υπάρχουν ενδείξεις ότι το ιώδιο μπορεί να μπλοκάρει τους υποδοχείς του ιού που είναι υπεύθυνοι για τη δέσμευση στην επιφάνεια του κυττάρου ξενιστή [50]. Επιπλέον, το ιώδιο μπορεί να αποτρέψει την εξάπλωση του ιού σε άλλα μη μολυσμένα κύτταρα αναστέλλοντας τη δραστηριότητα των ιικών ενζύμων (π.χ. νευραμινιδάση) που είναι απαραίτητα για την απελευθέρωση του ιού από τα κύτταρα ξενιστές [12]. Για ιούς με περίβλημα, έχει επίσης προταθεί ότι η μεμβράνη του ιού μπορεί να αποσταθεροποιηθεί από την αντίδραση ιωδίου, λιπαρών οξέων μεμβράνης με ακόρεστους δεσμούς C=C.
3.5.2. Διγλυκονική χλωρεξιδίνη
Η χλωρεξιδίνη είναι ένα ευρέως φάσματος κατιονικό βιοκτόνο διςγουανιδίου που βρίσκεται σε πολλά αντισηπτικά προϊόντα. Η χλωρεξιδίνη, ως ενεργό συστατικό σε πλύσεις χεριών, στοματικά διαλύματα και στοματικά τζελ, απολυμαντικά και συντηρητικά, έχει γενικά χαμηλή ευερεθιστότητα, καλή αντοχή στο δέρμα και ταχεία βακτηριοκτόνο δράση. Ωστόσο, η δραστηριότητά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεσή του, καθώς μειώνεται από την παρουσία ανιονικών τασιενεργών και φωσφολιπιδίων καθώς και οργανικής ύλης, συμπεριλαμβανομένου του ορού, και εξαρτάται επίσης από το pH. Σε σύγκριση με τα βακτήρια, η ιοκτόνος δράση του είναι πιο μεταβλητή από την ποβιδόνη-ιώδιο και είναι σημαντικά λιγότερο ισχυρή και βραδύτερη δράση. Γενικά, η χλωρεξιδίνη είναι αναποτελεσματική έναντι ιών χωρίς περίβλημα (πολιομυελίτιδα και αδενοϊοί), αλλά παρουσιάζει μεταβλητή ισχύ για την αδρανοποίηση ιών με περίβλημα.
3.5.3. Χλωροξυλενόλη
Η χλωροξυλενόλη είναι ένα αντισηπτικό αλογονωμένου φαινολικού τύπου. Χρησιμοποιείται ευρέως για οικιακά απολυμαντικά, καθαρισμό τραυμάτων και απολύμανση χειρουργικού εξοπλισμού, είναι πιο αποτελεσματικό κατά των βακτηρίων, αλλά η ιοκτόνος δράση του είναι μεταβλητή. Παρά την εκτεταμένη εμπορική χρήση του για μεγάλο χρονικό διάστημα, παραδόξως λίγα είναι γνωστά για τον μηχανισμό δράσης του τόσο έναντι των βακτηρίων όσο και των ιών. Η χλωροξυλενόλη είναι γενικά ασφαλής για εξωτερική χρήση στον άνθρωπο, αλλά έχει αναφερθεί ότι προκαλεί ερεθιστική δερματίτιδα εξ επαφής και αποχρωματισμό εξ επαφής [62].
3.6. Αλδεΰδες
3.6.1. Φορμαλδευγή
Η φορμαλδεΰδη είναι η απλούστερη αλδεΰδη και είναι ένα ισχυρό απολυμαντικό υψηλού επιπέδου με ισχυρές ιδιότητες απενεργοποίησης των ιών. Συνήθως πωλείται ως υδατικό διάλυμα που ονομάζεται φορμαλίνη, έχει χρησιμοποιηθεί για την αδρανοποίηση ιών για παραγωγή εμβολίων [35] και επιστημονική μελέτη [35]. Ως απολυμαντικό υψηλού επιπέδου, μπορεί να απενεργοποιήσει αποτελεσματικά και γρήγορα πολλούς διαφορετικούς τύπους ιών, τόσο σε εναιώρημα όσο και σε επιφάνειες, αλκυλιώνοντας χημικά τις αμινο και σουλφυδρυλ ομάδες των πρωτεϊνών, καθώς και τις αμινομάδες των βάσεων νουκλεϊκών οξέων του DNA και RNA [23]. Ωστόσο, λόγω της υψηλής αντιδραστικότητάς του, η χρήση του το καθιστά επιβλαβές για την υγεία προκαλώντας ερεθισμό σε εκτεθειμένες επιφάνειες του σώματος (π.χ. δέρμα και μάτια) [43], εκτός από μεταλλαξιογόνο και ύποπτο καρκινογόνο [52]. Ως αποτέλεσμα, υπόκειται σε αυστηρούς κανονισμούς σχετικά με την έκθεση του ανθρώπου ως απολυμαντικό και αποστειρωτικό παράγοντα σε νοσοκομεία και εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης, εκτός από τη χρήση σε καλά αεριζόμενο χώρο, και επομένως δεν χρησιμοποιείται ως οικιακό απολυμαντικό.
3.6.2. Γλουταραλδεΰδη
Όπως η φορμαλδεΰδη, η γλουταραλδεΰδη (ή μερικές φορές επίσης γνωστή ως γλουταρδιαλδεΰδη) είναι ένας ισχυρός απολυμαντικός και αποστειρωτικός παράγοντας ευρέος φάσματος που είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός έναντι πολλών ιών μετά από σύντομους χρόνους έκθεσης. Αν και δεν υπάρχει υποψία ότι είναι καρκινογόνος [54], είναι γνωστό ότι προκαλεί δερματίτιδα στα μάτια, τη μύτη και το στόμα και ερεθισμό των βλεννογόνων. Για αυτούς τους λόγους δεν χρησιμοποιείται ως οικιακό απολυμαντικό. Γενικά, τα μέταλλα, το καουτσούκ, τα πλαστικά και τα εργαλεία φακών είναι ανεκτικά στη γλουταραλδεΰδη, αλλά δεν συνιστάται η χρήση τους για την απολύμανση μη κρίσιμων επιφανειών λόγω του κόστους της.
3.6.3. Ορθο-φθαλδεΰδη (OPA)
Η ορθο-φθαλαλδεΰδη ή η 1,2-δικαρβοξυβενζαλδεΰδη είναι ένα άλλο απολυμαντικό υψηλού επιπέδου. Όπως και η φορμαλδεΰδη και η γλουταραλδεΰδη, οι ιοκτόνες ιδιότητές της προκύπτουν από αντιδράσεις που συνδέουν σταυρωτά τμήματα αντιδραστικής πρωτεΐνης και νουκλεϊκού οξέος. Το OPA δεν έχει έντονη ανιχνεύσιμη οσμή και δεν ερεθίζει το δέρμα, τα μάτια ή τον ρινικό βλεννογόνο [9]. Επιπλέον, η εξαιρετική συμβατότητα του υλικού [1] του επιτρέπει να χρησιμοποιείται ως απολυμαντικό σε πολλά κλινικά περιβάλλοντα όπως τα ενδοσκόπια [45] και τα ουρολογικά όργανα. Ωστόσο, το OPA μπορεί να γίνει γκρι το εκτεθειμένο δέρμα και επομένως πρέπει να ξεπλυθεί με άφθονη ποσότητα νερού ή να χρησιμοποιηθεί με ατομικό προστατευτικό εξοπλισμό (π.χ. γάντια και προστασία ματιών). Για το λόγο αυτό, δεν χρησιμοποιείται ευρέως ως οικιακό απολυμαντικό.
4. Νανοτεχνολογία
4.1. Νανοϋλικά για απολύμανση επιφανειών
Η νανοτεχνολογία προσφέρει πολλές ευκαιρίες για την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών και πολλά υποσχόμενων συστημάτων απολύμανσης (Εικ. 7). Η χρήση δεικτών που βασίζονται σε νανοσωματίδια θα μπορούσε να επιτρέψει τη μελέτη του μηχανισμού με τον οποίο οι ιοί μολύνουν τα κύτταρα-ξενιστές. Σήμερα, οι μελέτες που βασίζονται στη νανοτεχνολογία για την ανάπτυξη νέων υλικών γίνονται γενικά σε επιφάνειες με ιδιότητες αυτοκαθαρισμού [39]. Αυτά τα συστήματα μπορεί να έχουν αντιμικροβιακή δράση ή να απελευθερώνουν αργά χημικά απολυμαντικά, παρατείνοντας τη διάρκεια δράσης τους. Μπορεί επίσης να συμβάλει στην εισαγωγή πρόσθετων χαρακτηριστικών, όπως συστήματα απόκρισης που παρέχουν δραστικές ουσίες ως απόκριση σε διαφορετικά ερεθίσματα, όπως φωτοθερμικά, ηλεκτροθερμικά, φωτοκαταλυτικά και άλλα [10]. Είναι επίσης γνωστό ότι ορισμένα μεταλλικά νανοσωματίδια έχουν ένα ευρύ φάσμα δράσης έναντι ιών και άλλων μικροοργανισμών [11]. Οι Rai et al. [41] διεξήγαγε μια βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τις αντιβακτηριακές, αντιμυκητιακές και αντιικές δυνατότητες των μεταλλικών νανοσωματιδίων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης, τα μεταλλικά νανοσωματίδια, ιδιαίτερα τα νανοσωματίδια αργύρου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ισχυρός και ευρέως φάσματος αντιιικός παράγοντας με ή χωρίς τροποποίηση της επιφάνειας. Ωστόσο, η αντιϊκή δράση αυτών των νανοσωματιδίων είναι ακόμη σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητη.
Σήμερα, η νανοτεχνολογία έχει αποτελέσει λύση σε πολλά προβλήματα στις εφαρμογές απολύμανσης. Τις τελευταίες δεκαετίες, η νανοτεχνολογία έχει αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη νέα τεχνολογία για τη σύνθεση νανοϋλικών, τα οποία είναι σωματίδια μεγέθους νανομέτρου που παρουσιάζουν αντιμικροβιακά αποτελέσματα λόγω της υψηλής αναλογίας επιφάνειας προς όγκο και των μοναδικών χημικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Πολλά νανοϋλικά, όπως τα νανοσωματίδια μετάλλων και τα νανοφύλλα με βάση το γραφένιο, έχουν φυσικά αντιικά αποτελέσματα λόγω των μοναδικών φυσικοχημικών ιδιοτήτων τους [53]. Γενικά λειτουργούν με έναν κοινό μηχανισμό δράσης που περιλαμβάνει άμεση αλληλεπίδραση με τις πρωτεΐνες περιβλήματος ή καψιδίου των ιών, διαταράσσοντας έτσι τη δομική ακεραιότητα και αναστέλλοντας τη μολυσματικότητα. Επιπλέον, ορισμένα νανοϋλικά μπορεί να παρεμβαίνουν στην αντιγραφή ιικών γονιδίων μέσα σε μολυσμένα κύτταρα [20, 28, 18]. Απαιτείται περαιτέρω εργασία για τη χρήση της νανοτεχνολογίας για πιο αποτελεσματικά συστήματα απολύμανσης και απολύμανσης, καθώς και για την επίτευξη αυτοαπολυμανόμενων επιφανειών για την αύξηση της αποτελεσματικότητας για τον έλεγχο των λοιμώξεων και την ασφάλεια της υγείας και του περιβάλλοντος.
Ο Πίνακας 1 δείχνει δημοσιευμένες έρευνες και διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε διαφορετικά συστήματα που βασίζονται στη νανοτεχνολογία για εφαρμογή ως απολυμαντικό και απολυμαντικό για ιούς.
Εικόνα 7: Σχηματική αναπαράσταση της μόλυνσης από SARS-CoV-2 και τα εργαλεία νανοτεχνολογιών για την πρόληψη και τον έλεγχο του COVID-19.
Ο ιός εισέρχεται στο κύτταρο από τον υποδοχέα του μετατρεπτικού ενζύμου 2 (ACE2) της αγγειοτενσίνης και χρησιμοποιεί τον μηχανισμό του κυττάρου ξενιστή για την αναπαραγωγή και τη μόλυνση νέων κυττάρων-ξενιστών. Τα υλικά με βάση το νανο θα μπορούσαν να βοηθήσουν: (i) να ενισχύσουν την ταχύτητα και την ευαισθησία της ανίχνευσης ιών. (ii) να βοηθήσει στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικής και ασφαλέστερης θεραπείας και εμβολίων και (iii) να βελτιώσει την ασφάλεια των εργαζομένων στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης μέσω της ανάπτυξης εξοπλισμού ατομικής προστασίας (ΜΑΠ) με βάση τη νανοτεχνολογία.
Πίνακας 1. Άρθρα και πατέντες στη βιβλιογραφία για απολυμαντικά και απολυμαντικά που βασίζονται στη νανοτεχνολογία.
Ταξινόμηση | Σύστημα μεταφορέα | Μήτρα |
---|---|---|
Αρθρο | NanoFilm | Πολυβινυλική αλκοόλη (PVA) Πολυολεφίνη (POD) Χλωριώδες νάτριο (NaClO2) |
Νανοσύνθετο | Πυρίτιο/ασήμι | |
Νανοσωματίδια μεσοδομής | Ηλεκτρικά φορτισμένο απολυμαντικό (CAC-717) | |
Νανοδομή | Κυτταρίνη | |
Νανοσύνθετο | Πυρίτιο/ασήμι | |
Νανοσωματίδια | Διοξείδιο τιτανίου | |
Φωτοκαταλυτική νανοδομή ταινίες | Διοξείδιο τιτανίου Πυρίτιο |
|
Νανοσωματίδια συμπλόκου πολυιονίου (PCN) | Πολυ[3-(ακρυλαμιδο)προπυλ] χλωριούχο τριμεθυλαμμώνιο (PAMPTMA) |
|
Βιογενή νανοσωματίδια | Σίδερο Ασήμι |
|
Διπλώματα ευρεσιτεχνίας | Πολυμερικά νανοσωματίδια | C1–C4 μονοϋδρικές αλκοόλες και διαφορετικά λιπίδια |
Πολυ (γαλακτικό-συν-γλυκολικό οξύ) (PLGA) αιθέριο έλαιο | ||
Πολυαιθυλενιμίνη (PEI) άλας πολυδιαλλυλδιαλκυλαμμωνίου Πολυ(ακρυλαμίδιο-συν-διαλλυλ-διαλκυλαμμωνιοαλογονίδιο) Χιτοζάνη |
||
Σουλφονυλαλκυλοκυκλοδεξτρίνες | ||
Βιογενή νανοσωματίδια | Ασήμι | |
Φωτοκαταλυτικά συστήματα | Τριοξείδιο του βολφραμίου Παλλάδιο |
|
Τρυγικό οξύ Ισοπροποξείδιο του τιτανίου (IV) |
||
Μεταλλικά νανοσωματίδια | Διοξείδιο τιτανίου Εκχυλίσματα κιτρικού |
|
Ασήμι | ||
Ασήμι Άλας τεταρτοταγούς αμμωνίου |
4.2. Μεταλλικά νανοσωματίδια
Ο άργυρος και τα άλατά του έχουν μακρά ιστορία χρήσης ως αντισηπτικό και απολυμαντικό και οι βιοκτόνες ιδιότητές τους ευρέως φάσματος είναι ευρέως γνωστές [21]. Τα νανοσωματίδια αργύρου είναι το πιο μελετημένο αντιικό νανοϋλικό και έχει αποδειχθεί ότι τα γυμνά ή επικαλυμμένα AgNPs μπορούν να αναστείλουν μια μεγάλη ποικιλία ιών [40]. Είναι δύσκολο για τους ιούς να αναπτύξουν αντίσταση σε αυτό το είδος θεραπείας, καθιστώντας την ιδιαίτερα ελκυστική σε όσους έχουν υψηλό ποσοστό μετάλλαξης. Τα AgNPs έχουν βρεθεί ότι είναι αποτελεσματικά τόσο στην παρεμπόδιση της εισόδου ιοσωμάτων από το εξωτερικό του κυττάρου όσο και στην αναστολή της αντιγραφής εντός των μολυσμένων κυττάρων. Συνολικά, τα AgNPs είναι αποτελεσματικά βιοκτόνα σε μικρές δόσεις [55], αλλά η πιθανή τοξικότητά τους για τον άνθρωπο είναι ακόμα υπό έντονη συζήτηση [26]. Οι σύγχρονες μέθοδοι έχουν επιτρέψει τη σύνθεση AgNPs με καλά καθορισμένα σχήματα, μεγέθη σωματιδίων και πολυδιασπορά, τα οποία είναι σημαντικές παράμετροι που καθορίζουν τις τελικές βιοκτόνες δραστηριότητες, τη βιολογική μοίρα και την τοξικότητά τους [25].
Οι ιοκτόνες ιδιότητες των AgNPs παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητες, αλλά οι αρχικές αναφορές είναι ενθαρρυντικές. Τα AgNPs μπορούν να αναστείλουν τους ιούς με διάφορους μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένης της δέσμευσης και της αλληλεπίδρασης με πρωτεΐνες της επιφάνειας του ιού και των μετουσιωτικών ενζύμων αντιδρώντας με ομάδες αμινο, καρβοξυλίου, ιμιδαζολίου και σουλφυδρυλίου [6].
Τα προϊόντα που περιέχουν AgNP εμφανίζονται όλο και περισσότερο στην αγορά, συμπεριλαμβανομένων ρούχων, επιδέσμων, αλοιφών και υλικών συσκευασίας τροφίμων, των οποίων οι βιοκτόνες δραστηριότητες είναι αποτέλεσμα της αργής παρατεταμένης απελευθέρωσης νανοϋλικών αργύρου [6]. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι, όπως όλοι οι απολυμαντικοί παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω, οι ιοκτόνες δραστηριότητες των AgNPs διαφέρουν από ιό σε ιό. Επιπλέον, οι ποσότητες, τα σχήματα, τα μεγέθη και οι τύποι των νανοϋλικών αργύρου που απελευθερώνονται εξαρτώνται από τις ρυθμίσεις και τις εφαρμογές τους στον πραγματικό κόσμο, τα οποία επηρεάζουν όλες τις ιοκτόνες τους ιδιότητες. Ως εκ τούτου, η αποτελεσματικότητα αυτών των προϊόντων που περιέχουν AgNP έναντι των ιών σε πραγματικό περιβάλλον καθώς και η τοξικότητά τους για τον άνθρωπο πρέπει να αξιολογηθούν και να μελετηθούν προσεκτικά.
Εκτός από τα AgNP, τα νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs) είναι επίσης πολλά υποσχόμενοι ιοκτόνοι παράγοντες. Τα AuNPs που συντέθηκαν χρησιμοποιώντας εκχύλισμα σκόρδου με μέσο μέγεθος 6 nm έδειξαν ιοκτόνο δράση κατά του ιού της ιλαράς δεσμεύοντας επίσης στους επιφανειακούς ιικούς υποδοχείς και στη συνέχεια αποτρέποντας την προσκόλληση και τη μόλυνση του κυττάρου ξενιστή [34]. Ωστόσο, λόγω του κόστους των χημικών πρόδρομων ουσιών χρυσού, τα AuNP είναι απίθανο να γίνουν φθηνοί και ευρέως διαθέσιμοι στο εμπόριο απολυμαντικοί παράγοντες.
Η χρήση μεταλλικών νανοϋλικών για τη δημιουργία αυτο-απολυμανόμενων επιφανειών έχει κερδίσει την προσοχή τα τελευταία χρόνια λόγω της μακροχρόνιας επιμονής των ιών σε μολυσμένες επιφάνειες. Οι επιφάνειες που αυτοαπολυμαίνονται απενεργοποιούν τους ιούς που έρχονται σε επαφή μαζί τους επί τόπου, μειώνοντας την πιθανότητα μετάδοσης του ιού μέσω ανθρώπινης επαφής με μολυσμένες επιφάνειες. Σε ένα σχέδιο, η αυτο-απολυμανόμενη επιφάνεια σχηματίστηκε με φωτοενεργούς μεταλλικούς νανοκρυστάλλους που απαιτούσαν διέγερση ορατού φωτός για την απενεργοποίηση του ιού. Αυτές οι επιφάνειες, κατασκευασμένες από νανοκρυστάλλους CuInZn4S6 (CIZS) με κενά ζώνης στην περιοχή του ορατού φωτός, μπορούν να απορροφήσουν το ορατό φως και να παράγουν ενεργά οξειδωτικά είδη που απενεργοποιούν τον ιό της γρίπης Α οξειδώνοντας υπολείμματα αμινοξέων που παρουσιάζονται στις πρωτεΐνες του φακέλου του ιού (Εικ. 8). Ενώ είναι εξαιρετικά ιοκτόνο, πρέπει να υπάρχει ορατό φως για να εγγυάται το αποτέλεσμα αυτοκαθαρισμού, περιορίζοντας έτσι την πρακτικότητα του συστήματος.
Εικόνα 8. Απεικόνιση απολύμανσης από ιούς χρησιμοποιώντας την αυτοαπολυμανόμενη επιφάνεια που τροφοδοτείται από ορατό φως. Πηγή: Weng et al. [64].
Τεστ LO 2.2
Βιβλιογραφια
-
- Akamatsu, T., Minemoto, M., & Uyeda, M. (2005). Evaluation of the antimicrobial activity and materials compatibility of orthophthalaldehyde as a high-level disinfectant. Journal of international medical research, 33(2), 178-187.
- Bell, D. M. (2004). Public health interventions and SARS spread, 2003. Emerging infectious diseases, 10(11), 1900.
- Block, S. S. (Ed.). (2001). Disinfection, sterilization, and preservation. Lippincott Williams & Wilkins.
- Boyce, J. M. (2018). Alcohols as surface disinfectants in healthcare settings. infection control & hospital epidemiology, 39(3), 323-328.
- Campos, E. V., Pereira, A. E., De Oliveira, J. L., Carvalho, L. B., Guilger-Casagrande, M., De Lima, R., & Fraceto, L. F. (2020). How can nanotechnology help to combat COVID-19? Opportunities and urgent need. Journal of Nanobiotechnology, 18(1), 1-23.
- Castro-Mayorga, J. L., Martínez-Abad, A., Fabra, M. F., Lagarón, J. M., Ocio, M. J., & Sánchez, G. (2016). Antimicrobial Food Packaging.
- Christophersen, O. A., & Haug, A. (2006). Why is the world so poorly prepared for a pandemic of hypervirulent avian influenza? Microbial ecology in health and disease, 18(3-4), 113-132.
- Conley, L., Tao, Y., Henry, A., Koepf, E., Cecchini, D., Pieracci, J., & Ghose, S. (2017). Evaluation of eco‐friendly zwitterionic detergents for enveloped virus inactivation. Biotechnology and bioengineering, 114(4), 813-820.
- Cooke, R. P. D., Goddard, S. V., Whymant-Morris, A., Sherwood, J., & Chatterly, R. (2003). An evaluation of Cidex OPA (0.55% ortho-phthalaldehyde) as an alternative to 2% glutaraldehyde for high-level disinfection of endoscopes. Journal of Hospital Infection, 54(3), 226-231.
- Dalawai, S. P., Aly, M. A. S., Latthe, S. S., Xing, R., Sutar, R. S., Nagappan, S., … & Liu, S. (2020). Recent advances in durability of superhydrophobic self-cleaning technology: a critical review. Progress in Organic Coatings, 138, 105381.
- Dyshlyuk, L., Babich, O., Ivanova, S., Vasilchenco, N., Prosekov, A., & Sukhikh, S. (2020). Suspensions of metal nanoparticles as a basis for protection of internal surfaces of building structures from biodegradation. Case Studies in Construction Materials, 12, e00319.
- Eggers, M. (2019). Infectious disease management and control with povidone iodine. Infectious diseases and therapy, 8(4), 581-593.
- Fukuzaki, S. (2006). Mechanisms of actions of sodium hypochlorite in cleaning and disinfection processes. Biocontrol science, 11(4), 147-157.
- Gallandat, K., Wolfe, M. K., & Lantagne, D. (2017). Surface cleaning and disinfection: efficacy assessment of four chlorine types using Escherichia coli and the Ebola surrogate Phi6. Environmental Science & Technology, 51(8), 4624-4631.
- Gerba, C. P., & Betancourt, W. Q. (2017). Viral aggregation: impact on virus behavior in the environment. Environmental science & technology, 51(13), 7318-7325.
- Jeong, E. K., Bae, J. E., & Kim, I. S. (2010). Inactivation of influenza A virus H1N1 by disinfection process. American journal of infection control, 38(5), 354-360.
- Girard, M., Mattison, K., Fliss, I., & Jean, J. (2016). Efficacy of oxidizing disinfectants at inactivating murine norovirus on ready-to-eat foods. International journal of food microbiology, 219, 7-11.
- Huang, S., Gu, J., Ye, J., Fang, B., Wan, S., Wang, C., … & Cao, S. (2019). Benzoxazine monomer derived carbon dots as a broad-spectrum agent to block viral infectivity. Journal of colloid and Interface Science, 542, 198-206.
- Heuschele, W. P. (1995). Use of disinfectants in zoos and game parks. Revue Scientifique et Technique (International Office of Epizootics), 14(2), 447-454.
- Jackman, J. A., Lee, J., & Cho, N. J. (2016). Nanomedicine for infectious disease applications: innovation towards broad‐spectrum treatment of viral infections. Small, 12(9), 1133-1139.
- Jung, W. K., Koo, H. C., Kim, K. W., Shin, S., Kim, S. H., & Park, Y. H. (2008). Antibacterial activity and mechanism of action of the silver ion in Staphylococcus aureus and Escherichia coli. Applied and environmental microbiology, 74(7), 2171-2178.
- Kampf, G., Todt, D., Pfaender, S., & Steinmann, E. (2020). Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. Journal of hospital infection, 104(3), 246-251.
- Kamps, J. J., Hopkinson, R. J., Schofield, C. J., & Claridge, T. D. (2019). How formaldehyde reacts with amino acids. Communications Chemistry, 2(1), 1-14.
- Lara, H. H., Garza-Treviño, E. N., Ixtepan-Turrent, L., & Singh, D. K. (2011). Silver nanoparticles are broad-spectrum bactericidal and virucidal compounds. Journal of nanobiotechnology, 9(1), 1-8.
- Lee, S. H., & Jun, B. H. (2019). Silver nanoparticles: synthesis and application for nanomedicine. International journal of molecular sciences, 20(4), 865.
- Liao, C., Li, Y., & Tjong, S. C. (2019). Bactericidal and cytotoxic properties of silver nanoparticles. International journal of molecular sciences, 20(2), 449.
- Lithgow, K., & Symonds, C. (2017). Severe thyrotoxicosis secondary to povidone-iodine from peritoneal dialysis. Case Reports in Endocrinology, 2017.
- Liu, H., Bai, Y., Zhou, Y., Feng, C., Liu, L., Fang, L., … & Xiao, S. (2017). Blue and cyan fluorescent carbon dots: one-pot synthesis, selective cell imaging and their antiviral activity. RSC advances, 7(45), 28016-28023.
- Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Viruses: Structure, function, and uses. In Molecular Cell Biology. 4th edition. WH Freeman.
- Louie, W., & Reuschlein, D. (2011). 8 Cleaning and Disinfection in the Bottled Water Industry. Technology of Bottled Water, 223.
- Lukasik, J., Bradley, M. L., Scott, T. M., Dea, M., Koo, A., Hsu, W. Y., … & Farrah, S. R. (2003). Reduction of poliovirus 1, bacteriophages, Salmonella Montevideo, and Escherichia coli O157: H7 on strawberries by physical and disinfectant washes. Journal of food protection, 66(2), 188-193.
- McDonnell, G. E. (2007). Antiseptics, disinfection, and sterilization. Types, action, and resistance.
- Martini, M., Gazzaniga, V., Bragazzi, N. L., & Barberis, I. (2019). La pandémie de grippe espagnole: une leçon de 100 ans après 1918. J Prev Med Hyg, 60, E64-E67.
- Meléndez-Villanueva, M. A., Morán-Santibañez, K., Martínez-Sanmiguel, J. J., Rangel-López, R., Garza-Navarro, M. A., Rodríguez-Padilla, C., … & Trejo-Ávila, L. M. (2019). Virucidal activity of gold nanoparticles synthesized by green chemistry using garlic extract. Viruses, 11(12), 1111.
- Möller, L., Schünadel, L., Nitsche, A., Schwebke, I., Hanisch, M., & Laue, M. (2015). Evaluation of virus inactivation by formaldehyde to enhance biosafety of diagnostic electron microscopy. Viruses, 7(2), 666-679.
- Nuanualsuwan, S., & Cliver, D. O. (2003). Infectivity of RNA from inactivated poliovirus. Applied and environmental microbiology, 69(3), 1629-1632.
- Otter, J. A., Donskey, C., Yezli, S., Douthwaite, S., Goldenberg, S., & Weber, D. J. (2016). Transmission of SARS and MERS coronaviruses and influenza virus in healthcare settings: the possible role of dry surface contamination. Journal of hospital infection, 92(3), 235-250.
- Perry, K., & Caveney, L. (2012). Chemical disinfectants. Veterinary infection prevention and control, 129-143.
- Querido, M. M., Aguiar, L., Neves, P., Pereira, C. C., & Teixeira, J. P. (2019). Self-disinfecting surfaces and infection control. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 178, 8-21.
- Rai, M., Kon, K., Ingle, A., Duran, N., Galdiero, S., & Galdiero, M. (2014). Broad-spectrum bioactivities of silver nanoparticles: the emerging trends and future prospects. Applied microbiology and biotechnology, 98(5), 1951-1961.
- Rai, M., Deshmukh, S. D., Ingle, A. P., Gupta, I. R., Galdiero, M., & Galdiero, S. (2016). Metal nanoparticles: The protective nanoshield against virus infection. Critical reviews in microbiology, 42(1), 46-56.
- Rokhina, E. V., Makarova, K., Golovina, E. A., Van As, H., & Virkutyte, J. (2010). Free radical reaction pathway, thermochemistry of peracetic acid homolysis, and its application for phenol degradation: spectroscopic study and quantum chemistry calculations. Environmental science & technology, 44(17), 6815-6821.
- Rovira, J., Roig, N., Nadal, M., Schuhmacher, M., & Domingo, J. L. (2016). Human health risks of formaldehyde indoor levels: an issue of concern. Journal of environmental science and health, part a, 51(4), 357-363.
- Rutala, W. A., & Weber, D. J. (2008). Guideline for disinfection and sterilization in healthcare facilities, 2008.
- Rutala, W. A., & Weber, D. J. (2015). Disinfection, sterilization, and control of hospital waste. Mandell, Douglas, and Bennett’s principles and practice of infectious diseases, 3294.
- Santos, I. D. A., Grosche, V. R., Bergamini, F. R. G., Sabino-Silva, R., & Jardim, A. C. G. (2020). Antivirals against coronaviruses: candidate drugs for SARS-CoV-2 treatment? Frontiers in microbiology, 1818.
- Saunders-Hastings, P., Crispo, J. A., Sikora, L., & Krewski, D. (2017). Effectiveness of personal protective measures in reducing pandemic influenza transmission: A systematic review and meta-analysis. Epidemics, 20, 1-20.
- Singh, D., Joshi, K., Samuel, A., Patra, J., & Mahindroo, N. (2020). Alcohol-based hand sanitisers as first line of defence against SARS-CoV-2: a review of biology, chemistry and formulations. Epidemiology & Infection, 148.
- Sirisattha, S., Momose, Y., Kitagawa, E., & Iwahashi, H. (2004). Toxicity of anionic detergents determined by Saccharomyces cerevisiae microarray analysis. Water Research, 38(1), 61-70.
- Sriwilaijaroen, N., Wilairat, P., Hiramatsu, H., Takahashi, T., Suzuki, T., Ito, M., … & Suzuki, Y. (2009). Mechanisms of the action of povidone-iodine against human and avian influenza A viruses: its effects on hemagglutination and sialidase activities. Virology journal, 6(1), 1-10.
- Straughn, J. C., & Barker, F. B. (1987). Avoiding glutaraldehyde irritation of the mucous membranes. Gastrointestinal endoscopy, 33(5), 396-397.
- Swenberg, J. A., Moeller, B. C., Lu, K., Rager, J. E., Fry, R. C., & Starr, T. B. (2013). Formaldehyde carcinogenicity research: 30 years and counting for mode of action, epidemiology, and cancer risk assessment. Toxicologic pathology, 41(2), 181-189.
- Szunerits, S., Barras, A., Khanal, M., Pagneux, Q., & Boukherroub, R. (2015). Nanostructures for the inhibition of viral infections. Molecules, 20(8), 14051-14081.
- Takigawa, T., & Endo, Y. (2006). Effects of glutaraldehyde exposure on human health. Journal of occupational health, 48(2), 75-87.
- Tian, X., Jiang, X., Welch, C., Croley, T. R., Wong, T. Y., Chen, C., … & Yin, J. J. (2018). Bactericidal effects of silver nanoparticles on lactobacilli and the underlying mechanism. ACS applied materials & interfaces, 10(10), 8443-8450.
- Tung, G., Macinga, D., Arbogast, J., & Jaykus, L. A. (2013). Efficacy of commonly used disinfectants for inactivation of human noroviruses and their surrogates. Journal of food protection, 76(7), 1210-1217.
- URL-1: https://www.genome.gov/genetics-glossary/Virus
- URL-2: https://news.arizona.edu/story/continuously-active-surface-disinfectants-may-provide-barrier-against-spread-viruses
- Vafadar, S., Shahdoust, M., Kalirad, A., Zakeri, P., & Sadeghi, M. (2021). Competitiveexclusionduringco-infection as a strategytopreventthespread of a virus: A computationalperspective. PloSone, 16(2), e0247200.
- Van Doremalen, N., Bushmaker, T., Morris, D. H., Holbrook, M. G., Gamble, A., Williamson, B. N., … & Munster, V. J. (2020). Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. New England journal of medicine, 382(16), 1564-1567.
- Velázquez, D., Zamberk, P., Suárez, R., & Lázaro, P. (2009). Allergic contact dermatitis to povidone-iodine. Contact Dermatitis, 60(6), 348-349.
- Verma, G., Mahajan, V., Shanker, V., Tegta, G., Jindal, N., & Minhas, S. (2011). Contact depigmentation following irritant contact dermatitis to chloroxylenol (Dettol). Indian Journal of Dermatology, Venereology and Leprology, 77(5), 612.
- Viana, R. B., da Silva, A. B., & Pimentel, A. S. (2012). Infrared spectroscopy of anionic, cationic, and zwitterionic surfactants. Advances in physical chemistry, 2012.
- Weng, D., Qi, H., Wu, T. T., Yan, M., Sun, R., & Lu, Y. (2012). Visible light powered self-disinfecting coatings for influenza viruses. Nanoscale, 4(9), 2870-2874.
- Wilton, T., Dunn, G., Eastwood, D., Minor, P. D., & Martin, J. (2014). Effect of formaldehyde inactivation on poliovirus. Journal of virology, 88(20), 11955-11964.
- World Bank. (2016). 2014–2015 West Africa Ebola crisis: impact update.
- Yeargin, T., Buckley, D., Fraser, A., & Jiang, X. (2016). The survival and inactivation of enteric viruses on soft surfaces: a systematic review of the literature. American journal of infection control, 44(11), 1365-1373.
Εκπαιδευτική Μονάδα 3.1.
Νανοϋλικά στο σχεδιασμό και την εφαρμογή μεθόδων ανίχνευσης SARS-CoV-2
Συγγραφείς & συνεργασίες: Ελένη Πετρή , EIEO, Ελλάδα
Εκπαιδευτικός στόχος: Ο στόχος αυτής της TU είναι να παρουσιάσει γνώσεις σχετικά με τα νανοϋλικά και τις εφαρμογές τους στην ανίχνευση SARS-CoV-2.
Περίληψη
Για την καταπολέμηση της τρέχουσας πανδημίας COVID-19, τα νανοϋλικά μπορούν να θεωρηθούν άριστα υποψήφια κατά των ιογενών λοιμώξεων, ιδιαίτερα των CoV, λόγω της ικανότητάς τους να διεισδύουν στα κύτταρα εύκολα, να αλληλεπιδρούν με ιούς και να αποφεύγουν την αναπαραγωγή ιικού γονιδιώματος. Επιπλέον, η χρήση νανοσωματιδίων επιτρέπει την άμεση ανίχνευση μεταδοτικών παραγόντων σε μικροσκοπικούς όγκους δειγμάτων σε ευαίσθητη, ακριβή και γρήγορη μορφή με χαμηλότερο κόστος από τις τρέχουσες τεχνολογίες σε χρήση. Αυτή η πρόοδος στην έγκαιρη ανίχνευση επιτρέπει την ακριβή και γρήγορη θεραπεία.
Λέξεις-κλειδιά: νανοϋλικά, COVID-19, ανίχνευση
1. Εισαγωγή
Η συνεχιζόμενη έκρηξη της νέας νόσου του κορωνοϊού COVID-19 προσελκύει παγκόσμια ανησυχία λόγω της παρατεταμένης διάρκειας επώασης και της σημαντικής μολυσματικότητάς της. Η ταχεία παγκόσμια εξάπλωση της πανδημίας, λόγω του σκληρού οξέος αναπνευστικού SARS-CoV-2, έχει δημιουργήσει μια πιεστική ανάγκη για τη διάγνωση και τη θεραπεία της. Ως αποτέλεσμα, πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να βρουν τις πιο αποτελεσματικές και κατάλληλες μεθόδους για τον εντοπισμό και τη θεραπεία του SARS-CoV-2. Η δοκιμή αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης ανάστροφης μεταγραφάσης σε πραγματικό χρόνο (RT-PCR) χρησιμοποιείται επί του παρόντος ως μία από τις πιο αξιόπιστες προσεγγίσεις για την ανίχνευση του νέου ιού. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία είναι χρονοβόρα, έντασης εργασίας και απαιτεί εκπαιδευμένους εργαστηριακούς εργαζόμενους. Επιπλέον, παρά την υψηλή οξυδέρκεια και ειδικότητά του, τεκμηριώνονται ψευδώς αρνητικά, ιδιαίτερα σε δείγματα μη ρινοφαρυγγικού επιχρίσματος που αποδίδουν χαμηλότερα ιικά φορτία. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη και η χρήση ταχύτερων και πιο αξιόπιστων μεθόδων φαίνεται κρίσιμη. Τα τελευταία χρόνια, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την κατασκευή διαφόρων βιοαισθητήρων με βάση νανοϋλικά για την ανίχνευση ιών και βακτηρίων σε κλινικά δείγματα [27, 46].
Απαιτείται ιδιαίτερα ένας διακριτικός τρόπος για τη διάγνωση της νόσου του κορωνοϊού COVID-19 για την καταπολέμηση των υπαρχόντων και επερχόμενων παγκόσμιων κινδύνων για την υγεία. Τα νανοσωματίδια προσφέρουν ευνοϊκή εφαρμογή και σημαντικές προοπτικές να λειτουργήσουν ως πλατφόρμα για γρήγορη διάγνωση ιογενών λοιμώξεων με αυξημένη ευαισθησία. Νανοσωματίδια όπως νανοσωματίδια χρυσού, μαγνητικά νανοσωματίδια και γραφένιο (G) εφαρμόστηκαν για την ανίχνευση του SARS-CoV 2. Έχουν χρησιμοποιηθεί για μοριακές διαδικασίες διάγνωσης και ορολογικές προσεγγίσεις. Τα νανοσωματίδια ενίσχυσαν τη σαφήνεια και συντόμυναν τον χρόνο που απαιτείται για τη διάγνωση. Μπορούν να εκτελεστούν σε μικροσκοπικές συσκευές που ενθαρρύνουν την αυτοδιάγνωση στο σπίτι ή σε μέρη όπως αεροδρόμια και καταστήματα. Μέθοδοι που βασίζονται σε νανοσωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση δειγμάτων μολυσμένων από ιούς από ασθενή, επιφάνεια και αέρα [1].
2. Τρέχουσες μέθοδοι ανίχνευσης του SARS-CoV-2
Συμβατικές μέθοδοι για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 είναι η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής (RT-PCR), η αξονική τομογραφία (CT) και ο προσδιορισμός αλληλουχίας επόμενης γενιάς (NGS).1 26, 40] (Εικ. 1). Η RT-PCR και η αξονική τομογραφία θώρακα είναι οι πιο τυπικές διαγνωστικές τεχνικές για την ανίχνευση του COVID-19. Επιπλέον, διάφορες διαγνωστικές μέθοδοι όπως ομαδοποιημένες τακτικά διακεκομμένες σύντομες παλινδρομικές επαναλήψεις (CRISPR) – ειδικό ξεκλείδωμα ενζυμικού ανταποκριτή υψηλής ευαισθησίας (SHERLOCK), ισοθερμική ενίσχυση με τη μεσολάβηση βρόχου αντίστροφης μεταγραφής (RT-LAMP), ενζυμική ανοσοπροσροφητική δοκιμασία (ELISA) , και η αλληλουχία είναι υπό ανάπτυξη για βελτιωμένη ανίχνευση του ιού σε ελάχιστο χρονικό διάστημα [1, 9]. Η RT-PCR έχει αναγνωριστεί ως η κορυφαία και πιο αποτελεσματική μέθοδος για την ανίχνευση του κορωνοϊού [1, 26].
Σχήμα 1. Συμβατικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για την ανίχνευση του σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου του κοροναϊού 2 (SARS-CoV-2). (Α) Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής (RT-PCR). cDNA, συμπληρωματικό DNA. (Β) Αξονική τομογραφία. (Γ) Ενζυμική ανοσοπροσροφητική δοκιμασία.
2.1. Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής (RT-PCR)
Η RT-PCR χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση του COVID-19. Βασίζεται στη σύνθεση cDNA από γονιδιωματικό RNA και ακολουθείται από ενίσχυση [26, 38]. Η ενίσχυση ελάχιστων ποσοτήτων ιικού γενετικού υλικού σε ένα μείγμα άλλων σειρών νουκλεϊκών οξέων γίνεται αποτελεσματικά με RT-PCR. Αυτή τη στιγμή είναι η τυπική τεχνική χρυσού για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 σε δείγματα της ανώτερης αναπνευστικής οδού. Πολλές μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει δείγματα ορού, οφθαλμών και κοπράνων για την ανίχνευση με βάση την RT-PCR. Μια σύγχρονη μέθοδος έχει χρησιμοποιήσει δείγματα σάλιου που συλλέγονται μόνοι τους ως μη επεμβατική και ασφαλή τεχνική για τους παρόχους υγειονομικής περίθαλψης πριν κάνουν RT-PCR. Σε αυτή τη μέθοδο, η αντίστροφη μεταγραφάση μεταβάλλει πρώτα το γονιδίωμα του ιού RNA σε DNA χρησιμοποιώντας έναν εκκινητή διαδοχής μικρής αλληλουχίας και τη δημιουργία συμπληρωματικού DNA (cDNA). Στη συνέχεια, μια φθορίζουσα χρωστική ή ένας ανιχνευτής DNA με σήμανση φθορισμού, ειδικής αλληλουχίας, παρατηρεί την ενίσχυση του DNA σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, ένα φθορίζον ή ηλεκτρικό σήμα εμφανίζει το cDNA του ιού μετά από διαδοχικούς κύκλους ενίσχυσης [1, 9, 22].
Οι συμβατικές διαδικασίες RT-PCR περιλάμβαναν προσεγγίσεις ενός ή δύο σταδίων. Ενώ οι μέθοδοι ενός σταδίου εμπλέκουν έναν μόνο σωλήνα που περιέχει εκκινητή, η διαδικασία δύο σταδίων χρησιμοποιεί περισσότερους από έναν σωλήνες για τη διεξαγωγή των αντιδράσεων. Παρόλα αυτά, παρέχει μια πιο συνετή και ευέλικτη διαδρομή. Επίσης, μπορεί να αποθηκεύσει cDNA για τον ποσοτικό προσδιορισμό διαφορετικών στόχων με λιγότερα αρχικά υλικά. Ωστόσο, η τυπική μέθοδος για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 είναι η προσέγγιση ενός βήματος, καθώς είναι πιο γρήγορη, απαιτεί λιγότερο χειρισμό δειγμάτων, μειώνει τον χρόνο στο πάγκο και μειώνει τα σφάλματα με πιπέτα [9, 43].
Η ανίχνευση που βασίζεται σε RT-PCR συνδέεται επίσης με ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα, τα οποία μπορεί να οφείλονται στο χαμηλό ιικό φορτίο στο λαιμό των ασθενών, στον ακατάλληλο χειρισμό των δειγμάτων RNA ή στην έλλειψη επαρκών εσωτερικών ελέγχων [8, 9, 16]. Το κύριο θέμα της RT-PCR είναι η χαμηλή ευαισθησία της στις σαρώσεις θώρακος λόγω του ανεπαρκούς αριθμού ιών στο αίμα της RT-PCR. Επιπλέον, είναι χαμηλής ευαισθησίας στις σαρώσεις θώρακος λόγω του ανεπαρκούς αριθμού ιών στο αίμα ή της ανακρίβειας του κιτ εργαστηρίου [26].
2.2. Αξονική τομογραφία (CT)
Μια άλλη μέθοδος για την ανίχνευση και τη διαχείριση του COVID-19 είναι η αξονική τομογραφία θώρακα, η οποία εφαρμόζει ακτινογραφία του θώρακα ενός ασθενούς σε διαφορετικές γωνίες. Σύμφωνα με ακτινολογικές αναφορές, τυχόν ασυνήθιστα χαρακτηριστικά στην εκτύπωση αξονικής τομογραφίας μπορεί να οφείλονται σε προσβολή από τον COVID-19. Τυπικά παρατηρούμενα χαρακτηριστικά σε μια σάρωση θώρακος ασθενούς με COVID-19 είναι η θολερότητα από εσμυρισμένο γυαλί (GGO), ειδικά στους περιφερικούς και πιο κατώτερους λοβούς, εδραιώσεις (αύξηση της αδιαφάνειας του παρεγχύματος, που οδηγεί σε κάλυψη των υποκείμενων αγγείων ), ακανόνιστο μοτίβο επίστρωσης (GGO με πάχυνση ενδολοβιακού και μεσολοβιακού διαφράγματος) και γραμμικές αδιαφάνειες. Η CT υψηλής ανάλυσης θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανίχνευση των GGO στα πρώιμα στάδια της μόλυνσης [9, 26, 40].
Η ευαισθησία στην αξονική τομογραφία φαίνεται να είναι αυξημένη σε ασθενείς με θετική RT-PCR (86–97% σε διάφορες περιπτωσιολογικές μελέτες) και χαμηλότερη σε ασθενείς με μόνο δομικά και μη αναπνευστικά συμπτώματα (περίπου 50%). Το υπερηχογράφημα έχει χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστικό εργαλείο σε ελάχιστο αριθμό περιπτώσεων. Το υπερηχογράφημα έχει πολύ χαμηλή εξειδίκευση και, παρά το γεγονός ότι επηρεάζεται από παράγοντες όπως η ένταση της νόσου, το βάρος του ασθενούς και η επιδεξιότητα του χειριστή, η ευαισθησία εκτιμάται ότι είναι περίπου 75%. Ωστόσο, το υπερηχογράφημα μπορεί να παίζει ρόλο στην παρατήρηση της εξέλιξης της νόσου μέσω της ανίχνευσης χαρακτηριστικών της ενδιάμεσης πνευμονοπάθειας [26].
2.3. ΣΕΡΛΟΚ
Πέρα από τις σαρώσεις RT-PCR και CT, έχουν επίσης αναπτυχθεί διάφορες άλλες τεχνικές ανίχνευσης για SARS-CoV-2. Όπως περιγράφεται από τον Gupta at. all. το SHERLOCK έχει αναπτυχθεί από τους Zhang et al.45 «για την ανίχνευση θραυσμάτων RNA του SARS-CoV-2 με 10–100 αντίγραφα/μl της εισόδου. Η βασική αρχή της διάγνωσης SHERLOCK είναι η ανίχνευση με βάση το CRISPR. Αυτή η δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε < 60 λεπτά, χωρίς να απαιτούνται συγκεκριμένα όργανα. Επέλεξαν δύο στόχους, το γονίδιο S και το γονίδιο Orf1ab, από το γονιδίωμα SARS-CoV-2. Για να ελαχιστοποιήσουν τη διασταυρούμενη αντιδραστικότητα με άλλα γονιδιώματα του αναπνευστικού ιού, επέλεξαν επίσης συγκεκριμένες αλληλουχίες-οδηγούς». [9].
2.4. RT-LAMP
Μια βελτιστοποιημένη μέθοδος ανίχνευσης που βασίζεται σε RT-LAMP έχει μεγαλύτερη ευαισθησία από τις παραδοσιακές μεθόδους PT-PCR και χρειάζεται λιγότερο χρόνο (Εικ. 2). Ως αποτέλεσμα, αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία διάγνωση του κοροναϊού και την αύξηση της ικανότητας δοκιμών κατά 2-2,5 φορές [9, 13].
Εικόνα 2. Σύγκριση ροής εργασιών της δοκιμασίας RT-LAMP σε σχέση με το qRT-PCR για επείγουσες περιπτώσεις (εξωτερικοί ασθενείς) και εσωτερικούς ασθενείς. Η ανάλυση RT-LAMP είναι 2–2,5 φορές ταχύτερη από τις δοκιμές qRT-PCR και μπορεί να αποσταλεί σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο Gupta et al. συνόψισε τις τρέχουσες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση μόλυνσης από SARS-CoV-2 στο Σχήμα 39.
Εικόνα 3. Σύγχρονες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του σοβαρού οξέος αναπνευστικού συνδρόμου του κορωνοϊού 2 (SARS-CoV-2).
3. Νανοϋλικά για ανίχνευση SARS-CoV-2
Η δοκιμή νουκλεϊκού οξέος με αλυσιδωτή αντίδραση αντίστροφης μεταγραφής-πολυμεράσης (RT-PCR) είναι η τρέχουσα μέθοδος για την ανίχνευση της λοίμωξης COVID-19. Αν και η RT-PCR χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση του COVID-19, υπάρχουν αρκετά ζητήματα [3, 14, 29, 35].
- Εσφαλμένα αρνητικά αποτελέσματα.
- Μεγάλοι χρόνοι απόκρισης / Χρονοβόρα.
- Η RT-PCR δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσει ασυμπτωματικούς ασθενείς, καθώς απαιτεί την ύπαρξη παρατηρήσιμου SARS-CoV-2 σε δείγματα που συλλέγονται.
- Κακή αναλυτική ευαισθησία.
- Ένταση εργασίας;
- Τα κέντρα υγειονομικής περίθαλψης σε μη αστικά περιβάλλοντα δεν διαθέτουν επαρκή υποδομή PCR για να φιλοξενήσουν αυξημένη απόδοση δειγμάτων.
- Ακριβή
- Η διαθεσιμότητα κιτ και αντιδραστηρίων RT-PCR δεν μπορεί να καλύψει την αυξημένη ζήτηση.
Η παρούσα κατάσταση απαιτεί την ανάπτυξη τεχνικών ανίχνευσης που να είναι γρήγορες, οικονομικά αποδοτικές και εύχρηστες. Για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί των παραδοσιακών μεθόδων, απαιτείται μια βελτιωμένη διεπιστημονική προσέγγιση. Οι τεχνολογικές λύσεις που βασίζονται σε νανοϋλικά παρουσιάζουν ποικίλες πιθανές εφαρμογές για την καταπολέμηση του ιού [10, 32].
3.1. Ιδιότητες νανοϋλικών
Τα μοναδικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην αντιμετώπιση της πανδημίας και τον μετριασμό της μελλοντικής επιδημίας. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν χαρακτηριστικές ιδιότητες όπως:
- μικροσκοπικό μέγεθος
- διαλυτότητα
- πολυλειτουργικότητα
- στόχος-ικανότητα
- χαρακτηριστικά που ανταποκρίνονται στα ερεθίσματα.
- μεγάλη επιφάνεια
- προσαρμοστικότητα επιφάνειας.
Ως εκ τούτου, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για πολλές εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως η αναλυτική χημεία, η φαρμακευτική, η ανίχνευση/βιοαισθητήρα, η βιοτεχνολογία, η νανοϊατρική, η διανομή φαρμάκων, η βιολογική ανίχνευση, η μεταφορά γονιδίων, η οπτική, η επούλωση πληγών, οι εφαρμογές που βασίζονται στην ενέργεια, η γεωργία και περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα νανοσωματίδια ενίσχυσαν αυτές τις εφαρμογές παρέχοντας αυξημένη απόδοση με σημαντική προοπτική για ενσωμάτωση σε μια μικροσκοπική μηχανή, συμπεριλαμβανομένων των φορητών ηλεκτρονικών. Ως εκ τούτου, δείχνουν τις τεράστιες δυνατότητες βελτίωσης της ποιότητας ζωής μέσω της ρύθμισης της εξάπλωσης του ιού μέσω της πρόωρης ανίχνευσης. Τα νανοσωματίδια έχουν τουλάχιστον μία διάσταση στην περιοχή των νανομέτρων (1 nm =10 -9 ) (Εικ. 4) [1, 15, 30, 36].
Εικόνα 4. Κλίμακα νανοσωματιδίων με μερικά παραδείγματα.
Η υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο των νανοσωματιδίων, η υψηλή προσρόφηση, τα φαινόμενα κβαντικού μεγέθους και η υψηλή αντιδραστικότητα επιτρέπουν την αποτελεσματική αλληλεπίδραση με τις αναλυόμενες ουσίες του δείγματος. Επιπλέον, έχουν εξαιρετικές ικανότητες πολυπλεξίας, καθιστώντας τις κατάλληλες για ενσωμάτωση σε τεχνολογίες αιχμής για την ανίχνευση ιών. Επιπλέον, τα νανοσωματίδια προσφέρουν ευκολία στη λειτουργικότητα της επιφάνειας, υποδηλώνοντας ότι μπορούν να συνδεθούν πολλαπλοί συνδέτες μέσω ομοιοπολικού ή μη ομοιοπολικού δεσμού, κάτι που βελτιώνει περαιτέρω την εκλεκτικότητα και την ιδιαιτερότητα και μειώνει τον χρόνο ανίχνευσης. Επιπλέον, τα νανοϋλικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως ετικέτες για τη βελτίωση των σημάτων, κάτι που βοηθά στην ανίχνευση σημάτων πολύ μικρού μεγέθους [32].
3.2. Κατηγορίες νανοϋλικών
Έχουν δημιουργηθεί μια ποικιλία νανοϋλικών για την ανίχνευση και την παρακολούθηση ιών, τα οποία συμβάλλουν στον φωτισμό μηχανισμών μόλυνσης από ιούς, όπως [11]:
- Μεταλλικά νανοσωματίδια, π.χ. νανοσωματίδια χρυσού (ΝΣΧ), νανοσωματίδια αργύρου (ΝΣΑ).
- Νανοσωματίδια οξειδίου μετάλλου, π.χ. μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου (Fe 3 O 4 NPs).
- Νανοϋλικά άνθρακα που περιλαμβάνουν 0-διάστατα (0D, π.χ. φουλλερένια (C60), κουκκίδες άνθρακα (C-dots)), 1D (νανομελέτες άνθρακα (CNTs), 2D (π.χ. γραφένιο (G), οξείδιο γραφενίου (GO) και 3D (π.χ. γραφίτης).
- Κβαντικές κουκκίδες (ΚΚ): CdS ΚΚ, CdTe ΚΚ, ΚΚ άνθρακα;
- Πορώδη υλικά: μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs), ομοιοπολικά οργανικά πλαίσια (COFs).
- Πολυμερή: φυσικά πολυμερή (π.χ. χιτοζάνη, κυτταρίνη) και συνθετικά (π.χ. πολυθειοφαίνιο, πολυπυρρόλη).
- Λιπιδικά νανοσωματίδια (LNPs): τριγλυκερίδια, λιπαρά οξέα, στεροειδή και κεριά.
Εικόνα 5. Σχηματικά διαγράμματα που δείχνουν διαφορετικά παραδείγματα μεθόδων ανίχνευσης COV που βασίζονται σε νανοϋλικά. (α) Τα Fluorescent Zr ΚΚ και τα μαγνητικά νανοσωματίδια συζευγνύονται με αντισώματα που συνδέονται ειδικά με τον COV. Παρουσία COV, σχηματίζεται ένα μαγνητικό φθορίζον σύμπλεγμα, το οποίο απομονώνεται μαγνητικά και ανιχνεύεται με μετρήσεις φθορισμού. (β) Οι νανοπαγίδες χρησιμοποιούνται για τη συγκέντρωση του COV και τη βελτίωση της σταθερότητάς τους, διευκολύνοντας έτσι τον εντοπισμό τους. (γ) Η PCR αντίστροφης μεταγραφής πραγματοποιείται παρουσία νανοσωματιδίων, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης και καταλήγοντας σε καλύτερη ευαισθησία ανίχνευσης αυτής της μεθόδου. (δ) μέθοδος ανίχνευσης COV, η οποία βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ συμπληρωματικού DNA που προέρχεται από COV και ανιχνευτή acpnPNA στην επιφάνεια του Ag NP, που οδηγεί σε διαχωρισμό μεταξύ ΝΣΑ και σε ένα κίτρινο χρώμα που σχετίζεται με τη φωταύγεια του καλά διασκορπισμένου ΝΣΑ, αποκαλύπτοντας περαιτέρω την παρουσία COV.
Εικόνα 6. Διαφορετικά νανοσωματίδια.
Τα νανοϋλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορους ρόλους για τον COVID-19. Οι Rasmi και όλοι συνοψίζουν τις λειτουργίες και τον πρωταρχικό ρόλο των νανοϋλικών στον παρακάτω πίνακα (Εικ. 7) [30].
Εικόνα 7. Σύνοψη του ρόλου στα νανοϋλικά για το COVID-19.
3.2.1. Gold NPs (ΝΣΧ)
Τα νανοσωματίδια χρυσού (ΝΣΧ) χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε πλατφόρμες ανίχνευσης SARS-CoV-2 λόγω των αξιοσημείωτων οπτικών ιδιοτήτων τους, όπως αυξημένοι συντελεστές εξαφάνισης και συντονισμένος εντοπισμένος συντονισμός πλασμονίου επιφάνειας (LSPR), επιτρέποντας ξεχωριστή έγχρωμη ανάγνωση με απλό εξοπλισμό ή γυμνό μάτι. Για την ανίχνευση αντισωμάτων SARS-CoV-2 (IgG, IgM ή IgA), έχουν προταθεί αναλύσεις AuNP και φθορισμού που βασίζονται σε νανοσωματίδια [17].
Το νανοσωματίδιο χρυσού (ΝΣΧ) είναι ένα από τα πιο τυπικά χρησιμοποιούμενα νανοϋλικά για γρήγορη διάγνωση. Το νανοσωματίδιο χρυσού χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση του δίκλωνου DNA των ιών-στόχων (dsDNA). Συγκεκριμένα, μονόκλωνο DNA (ssDNA) ή ssRNA μπορεί να αλληλεπιδράσει με κιτρικά ιόντα στην επιφάνεια του AuNP. Η προσθήκη αλατιού στο διάλυμα μπορεί να σταθεροποιήσει τα σωματίδια και να αλλάξει το χρώμα. Επιπλέον, εφαρμόστηκε ένας απλός χρωματομετρικός προσδιορισμός υβριδισμού για την ανίχνευση dsDNA του SARS-CoV, που αναπτύχθηκε από ssRNA. Αυτή η ανάλυση μπορεί να δει τον στόχο στα 4,3 nM σε 10 λεπτά χωρίς να χρειάζεται καμία δυσκίνητη συσκευή [18, 30].
Προσέγγιση αλλαγής χρώματος
Μια άλλη ανάλυση εισήγαγε μια μέθοδο για την οπτική ανίχνευση του ιού COVID-19 χωρίς εξελιγμένα εργαλεία. Η χρωματομετρική ανίχνευση σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας τροποποιημένα με θειόλη αντιπληροφοριακά ολιγονουκλεοτίδια (ASOs) επικαλυμμένα AuNP που προορίζονται ρητά για το. Τα τροποποιημένα με θειόλη ASO-cap AuNP συγκεντρώθηκαν επιλεκτικά στην ύπαρξη της αλληλουχίας RNA στόχου SARS-CoV-2 και παρείχαν μια τροποποίηση στον επιφανειακό συντονισμό του πλασμονίου. Το αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί σε 10 λεπτά με όριο ανίχνευσης 0,18 ng/μL [23, 30].
Εικόνα 8: Σχηματική αναπαράσταση για την επιλεκτική ανίχνευση με γυμνό μάτι του RNA του SARS-CoV-2 με τη μεσολάβηση των κατάλληλα σχεδιασμένων AuNP με κάλυψη ASO.
Η αποτελεσματική ανίχνευση του COVID-19 αναπτύχθηκε με την ακινητοποίηση πρωτεϊνών στην επιφάνεια του Au χρησιμοποιώντας τα πολυπεπτίδια που δεσμεύουν το Au. Χρησιμοποιώντας τη βελτιωμένη πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, την πρωτεΐνη SARS-CoV-E και τη στρεπταβιδίνη του πυρήνα του Streptomyces avidinii ως παραδείγματα, η πρωτεΐνη σύντηξης πολυπεπτιδίου που δεσμεύει το Au ακινητοποιήθηκε ρητά στο AuNP και επιδείχθηκαν τα νανομοτίβα πρωτεΐνης στη γυμνή επιφάνεια του Au. Αυτά τα σύμπλοκα αλληλεπιδρούν με το αντίσωμα, με αποτέλεσμα την απορρόφηση και την αλλαγή χρώματος [25, 30].
Μη επεμβατική προσέγγιση
Η ανίχνευση του COVID-19 χρησιμοποιώντας μη επεμβατικές προσεγγίσεις έχει προταθεί από την εκπνεόμενη αναπνοή χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα που βασίζεται σε AuNP. Ο αισθητήρας αποτελούνταν από διαφορετικά AuNP συνδεδεμένα με οργανικούς συνδέτες και φιλμ ανόργανου νανοϋλικού. Το ανόργανο φιλμ είναι υπεύθυνο για την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Επομένως, όταν εκτίθεται στις πτητικές οργανικές ενώσεις (VOCs) από την εκπνεόμενη αναπνοή, το οργανικό φιλμ αντιδρά με τις πτητικές οργανικές ενώσεις, με αποτέλεσμα το ανόργανο φιλμ να διογκώνεται ή να συρρικνώνεται και τις αλλαγές στην ηλεκτρική αγωγιμότητα. Επομένως, αυτός ο μη επεμβατικός αισθητήρας θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία εξέταση του COVID-19 [30, 32].
Προσέγγιση ηλεκτροχημικού υβριδισμού
Μια μέθοδος ηλεκτροχημικού υβριδισμού με βάση το AuNP ορίστηκε χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα γονιδίου που αποτελείται από έναν ανιχνευτή θειολιωμένου DNA που ακινητοποιήθηκε στο ηλεκτρόδιο άνθρακα ΝΣΧ για να υβριδοποιήσει το βιοτινυλιωμένο DNA στόχο. Ένα ηλεκτροχημικό τσιπ παρουσιάστηκε μέσω ενός ηλεκτροδίου άνθρακα που αποτελείται από συστοιχία AuNP. Η πρωτεΐνη του κοροναϊού δεσμεύτηκε σε ένα ηλεκτρόδιο AuNP και τόσο η πρωτεΐνη του κορωνοϊού όσο και οι ελεύθεροι ιοί ανταγωνίζονται για θέσεις δέσμευσης στην ύπαρξη αντισωμάτων. Υπήρξε μια εξαιρετική γραμμική αντίδραση μεταξύ της απόκρισης του αισθητήρα και των συγκεντρώσεων του κορωνοϊού που κυμαίνονταν από 0,001 έως 100 ng mL−1. Η ανάλυση πέτυχε το όριο ανίχνευσης τόσο χαμηλό όσο 1,0 pg mL−1. Η μέθοδος ήταν ενός σταδίου, ευαίσθητη και ακριβής (Εικ. 9) [17, 30].
Εικόνα 9. Τσιπ συστοιχίας ανοσοαισθητήρα COV (α), Τα βήματα κατασκευής ανοσοαισθητήρα (β), η διαδικασία ανίχνευσης του ανταγωνιστικού ανοσοαισθητήρα για τον ιό (γ).
Ανοσοχρωματογραφική προσέγγιση
Μια ανάλυση πλευρικής ροής για την ταχεία ανίχνευση IgM έναντι του COVID-19 σχεδιάστηκε μέσω της προσέγγισης έμμεσης ανοσοχρωματογραφίας. Η νουκλεοπρωτεΐνη SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 NP) επικαλύφθηκε σε μια αναλυτική μεμβράνη για τη σύλληψη του στόχου και το αντι-ανθρώπινο IgM συζεύχθηκε με το AuNP, λειτουργώντας ως αναφορά ανίχνευσης. Η ανάλυση AuNP-LF έδειξε αξιοσημείωτη επιλεκτικότητα στην ανίχνευση IgM χωρίς παρεμβολές από άλλους ιούς. Κάθε ανάλυση χρειάζεται μόνο 10–20 μL ορού και το αποτέλεσμα μπορεί να ληφθεί εντός 15 λεπτών [12, 30].
3.2.2. Κβαντικές κουκκίδες (ΚΚ)
Οι κβαντικές κουκίδες (ΚΚ) είναι πολύπλευροι μηχανισμοί που μπορούν να πολεμήσουν ενάντια στον ιό COVID-19. Οι κβαντικές κουκκίδες (ΚΚ), επίσης γνωστές ως «νανοϋλικά ημιαγωγών», παίζουν ζωτικό ρόλο στην ανίχνευση του COVID-19. Οι ΚΚ έχουν αναγνωριστεί ως ένας νέος ανιχνευτής φθορισμού για μοριακή απεικόνιση. Το μέγεθος των ΚΚ ποικίλλει από 1 έως 10 nm. Τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των ΚΚ, συμπεριλαμβανομένων των εξαιρετικών οπτικών και ημιαγωγικών ιδιοτήτων, της φωτοσταθερότητας, της υψηλής κβαντικής απόδοσης και του στενού φάσματος εκπομπής με ρυθμιζόμενο μέγεθος, τα έχουν καταστήσει σημαντικό υποψήφιο για λειτουργία ως φθορίζουσα ετικέτα. Λόγω αυτών των εξαιρετικών ιδιοτήτων, οι ΚΚ μπορούν να θεωρηθούν εξαιρετικός παράγοντας για την καταπολέμηση των ιογενών λοιμώξεων. Επιπλέον, η ενσωμάτωση πιθανών βιοσυμβατών φορέων μπορεί να βοηθήσει στη διεπιστημονική μελέτη και να επιτρέψει κλινικές προσεγγίσεις για την καταπολέμηση του ιού. Λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων τους, οι ΚΚ είναι πλέον κυρίαρχοι ανιχνευτές απεικόνισης (χημειοαισθητήρες και βιοαισθητήρες) για ανίχνευση [21, 30].
Εικόνα 10. Περιγραφή της Αρχής Λειτουργίας της Λωρίδας AuNP=LF.
Οι ΚΚ χρησιμοποιούνται λόγω της ιχνηλασιμότητας τους κάτω από ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός. Επιπλέον, τα ΚΚ μπορούν να ρυθμιστούν στο επιθυμητό μέγεθος (1–10 nm) και σχήμα που στοχεύει/διεισδύει αποτελεσματικά στον SARS-CoV-2 με εύρος μεγέθους μεταξύ 60 και 140 nm. Επιπλέον, το θετικό επιφανειακό φορτίο των ΚΚ με βάση τον άνθρακα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δέσμευση/απενεργοποίηση της πρωτεΐνης S του SARS-CoV-2. Επιπλέον, τα κατιονικά επιφανειακά φορτία που επιδεικνύονται από τις ΚΚ αλληλεπιδρούν με τον αρνητικό κλώνο RNA του ιού, κατευθύνοντας την παραγωγή δραστικών ειδών οξυγόνου εντός του SARS-CoV-2 [21].
Ένα τσιπ που βασίζεται σε απταμερές RNA συζευγμένο με ΚΚ εισήχθη για ευαίσθητη και ταχεία ανίχνευση της πρωτεΐνης SARS-CoV N με όριο ανίχνευσης 0,1 pg mL−1 σε ένα ανεπτυγμένο τσιπ. Το απταμερές RNA συζευγμένο με ΚΚ μπορεί να συνδεθεί με την πρωτεΐνη SARS-CoV N που είναι ακινητοποιημένη στο τσιπ, δημιουργώντας ένα οπτικό σήμα. Η χρήση ΚΚ με βάση το φθορισμό μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν ένα εύκολο, ευαίσθητο και γρήγορο διαγνωστικό εργαλείο για το COVID-19 [30, 31].
Εικόνα 11. Σχηματική αναπαράσταση των ενεργειών που ασκούνται από τα ΚΚ στον SARS-CoV-2. ΚΚ, κβαντική κουκκίδα. πρωτεΐνη S, πρωτεΐνη ακίδας; SARS-CoV-2, σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός τύπου 2
Κβαντικές κουκκίδες άνθρακα
Οι κβαντικές κουκκίδες άνθρακα (ΚΚΚ) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση μικροβίων, βιομορίων και λοιμώξεων. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βιοσυμβατά συστήματα αδρανοποίησης για παθογόνες λοιμώξεις από ανθρώπινο κορωνοϊό ως κυρίαρχοι ανιχνευτές απεικόνισης (χημειοαισθητήρες και βιοαισθητήρες) με αντιική δράση. Τα ΚΚΚ είναι περίπου 10 nm με υψηλή διαλυτότητα στο νερό, κατασκευάστηκαν μέσω υδροθερμικής ενανθράκωσης προδρόμων ουσιών άνθρακα. Ορισμένες καινοτόμες προσεγγίσεις για την ανίχνευση κοροναϊών έχουν επικεντρωθεί στην εφαρμογή των ΚΚΚ. Σε μία μέθοδο, οι αντιικές δραστηριότητες επτά τύπων ΚΚΚ χρησιμοποιήθηκαν για τη θεραπεία των μεταδοτικών λοιμώξεων από τον ανθρώπινο κορωνοϊό. Χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά είδη ΚΚΚ με υδροθερμική ενανθράκωση και σύζευξη βορονικού οξέος. Αποκαλύφθηκε ότι η αναστολή του ιού πιθανώς οφείλεται στην ανταλλαγή μεταξύ των λειτουργικών ομάδων ΚΚΚ με υποδοχείς εισόδου του ιού [10].
Κβαντικές κουκκίδες ζιρκονίου (Zr ΚΚ)
Το ζιρκόνιο, λόγω των ιδιοτήτων του όπως η μηχανική σταθερότητα, η θερμική ανθεκτικότητα και η δέσμευση του φωτός UV, έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλούς βιοϊατρικούς τομείς ως μη τοξική μετάβαση. Εξάλλου, το νανομέγεθος του Zr έχει μοναδικές φυσικές και χημικές πτυχές λόγω της μεγάλης επιφάνειάς του και της αιχμαλωσίας ηλεκτρονικών καταστάσεων σε σύγκριση με το καθεστώς χύδην του [10].
Γενικά, η χρήση των ΚΚ κατά του κορωνοϊού είναι μια από τις πιο κατάλληλες επιλογές λόγω της εξαιρετικής θεραπευτικής του αποτελεσματικότητας. Επιπλέον, τα ΚΚ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ισχυρός ανιχνευτής απεικόνισης και αισθητήρας στη διάγνωση και την προγνωστική. Επιπλέον, τα φάρμακα μπορούν να επικαλυφθούν στην επιφάνεια των ΚΚ για να στοχεύσουν τον COVID-19. Ωστόσο, θα πρέπει να δίνεται προσοχή για να αποφευχθεί η νεφρική διήθηση και πρόσθετες παρενέργειες.
3.2.3. Νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα
Τα υλικά άνθρακα είναι λειτουργικά σε κάθε πτυχή της καθημερινότητάς μας επειδή είναι άφθονα και αβαρή υφάσματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συνδυασμό εφαρμογών. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση τις διαστάσεις τους (D) ως zero-D (0D) όπως κουκκίδες άνθρακα, one-D (1D) όπως στα CNT και δύο-D (2D) σε νανοδομές γραφενίου. Αυτά τα νανοϋλικά διατηρούν πιο εξαντλητική λειτουργική θερμοκρασία, οξυδέρκεια και μεγαλύτερο εύρος δυναμικού σήματος μεταγωγής ακόμη και σε ακραίες περιβαλλοντικές καταστάσεις [24].
Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την ανάπτυξη μιας πλατφόρμας για την ανίχνευση του COVID-19. Τα εξαιρετικά φυσικοχημικά και αντιικά χαρακτηριστικά τους υποδηλώνουν ότι τα νανοϋλικά διαδραματίζουν ζωτικό ρόλο κατά του COVID-19. Αυτά τα νανοϋλικά, όπως το γραφένιο και το οξείδιο του γραφενίου, η κβαντική κουκκίδα άνθρακα, ο νανοσωλήνας άνθρακα και το φουλερένιο με εξαιρετικές ιδιότητες κυρίως αισθητικής, αντιιικές και αντιμικροβιακές ιδιότητες, είναι ανώτερες επιλογές με πιθανές εφαρμογές κατά του COVID-19 σε βιοαισθητήρες για διάγνωση, αντιική επικάλυψη, διήθηση ιού με αέρα , μάσκα προσώπου και χορήγηση φαρμάκου [10, 24, 30].
Γραφένιο και οξείδιο του γραφενίου
Οι αντιμικροβιακές και αντιικές ιδιότητες του νανοϋλικού γραφενίου και οξειδίου του γραφενίου έχουν δύο διαστάσεις που αιχμαλώτισαν πολλή ευαισθητοποίηση και εξέταση. Πρώτον, τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με βάση το γραφένιο (FET) ως πόσιμοι αισθητήρες έχουν αναπτυχθεί για την ανάλυση του ιικού φορτίου του COVID-19 σε κλινικά ρινοφαρυγγικά δείγματα, χρησιμοποιώντας μοναδικά αντισώματα κατά της πρωτεΐνης ακίδας. Οι κατασκευασμένοι αισθητήρες FET μπορούν να πιάσουν την πρωτεΐνη ακίδας SARS-CoV-2 σε φυσιολογικό ορό ρυθμισμένο με φωσφορικά και σύστημα ιατρικής μεταφοράς 100 fg mL− 1, σε επίπεδο συγκέντρωσης 1fgmL− 1 και όριο ανίχνευσης ~1,6 × 101 pfu mL-1 και ~2,42 × 10 2 pfu mL-1 για το καλλιεργημένο δείγμα και την ιατρική δοκιμή, αντίστοιχα. Αυτός ο αισθητήρας δείχνει ότι είναι εξαιρετικά ευαίσθητος στον προσυμπτωματικό έλεγχο και τη διάγνωση της νέας νόσου του κοροναϊού 2019 χωρίς καμία προκαταρκτική αγωγή δείγματος. Η ύπαρξη γραφενίου οδηγεί σε βελτιωμένη αναλογία σήματος προς θόρυβο [10].
Εικόνα 12. Σχηματική απεικόνιση ορισμένων αλλοτροπών νανοϋλικών άνθρακα για ανάπτυξη νανοβιοαισθητήρα.
Νανοσωλήνες άνθρακα
Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) εφαρμόστηκαν ευρέως για τη βιολογία και τις βιοϊατρικές επιστήμες λόγω των ακόλουθων ιδιοτήτων και ανοίγουν νέους ορίζοντες για επιστημονική ανάπτυξη [10]:
- 10− 100 nm διαστάσεις
- αντιική και αντιμικροβιακή δράση.
- καλή απόδοση μετατροπής φωτός-θερμότητας.
- μεγάλη αναλογία όγκου επιφάνειας.
- ελαφρά πυκνότητα
- μικρό μέγεθος πόρων
- ευκαμψία
- αντοχή σε οξέα και βάσεις.
- μεγάλη μηχανική αντοχή
- ικανότητα δημιουργίας αντιδραστικών ειδών οξυγόνου.
- αντίσταση στα αναπνευστικά σταγονίδια.
- βιολογική συμβατότητα με πολλά φάρμακα.
Οι κουκκίδες άνθρακα βρέθηκαν το 2004 και συνήθως έχουν φωτοφωταύγεια, βιοσυμβατότητα και υψηλή ανθεκτικότητα, προδιαθέτοντάς τους σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου του βιοαισθητήρα και της βιοαπεικόνισης. Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), το γραφένιο και οι κουκκίδες άνθρακα (CD) μπορούν να ταξινομηθούν ως μηδενικά (0D), μονο(1D) και δισδιάστατα νανοϋλικά άνθρακα [10, 30].
Εικόνα 13. Μελλοντικές προοπτικές των CNT στην πρόληψη, διάγνωση και θεραπεία της λοίμωξης SARS-CoV-2.
Ο υψηλός χώρος αποθήκευσης, η υψηλή επιφάνεια, η υψηλή βιοσυμβατότητα, η εξαιρετική διαπερατότητα των βιολογικών φραγμών, ο λογικός ρυθμός βιοαπορρόφησης, η ικανότητα πολλαπλής ενέργειας χημικής λειτουργικής ομάδας επιφάνειας/σωλήνα και η στοχευμένη ισχύς τροποποίησης βιομορίων είναι εξαιρετικές ιδιότητες των CNT που παρέχουν νέες προτάσεις για την αντιμετώπιση του COVID- 19. Ομοίως, οι CNT χρησιμοποιούνται ως συστήματα διάγνωσης, φιλτραρίσματος και παράγοντας απενεργοποίησης ιών [10].
Μια μικροσυσκευή εμπλουτισμού με δυνατότητα ρύθμισης μεγέθους CNT (CNT-STEM) σχεδιάστηκε για τον εμπλουτισμό και τη συγκέντρωση ιών από ακατέργαστα δείγματα. Οι CNT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση ιών του αναπνευστικού, συμπεριλαμβανομένων των SARS-CoV-1 και SARS-CoV-2. Το πλευρικό τοίχωμα καναλιού στη μικροσυσκευή κατασκευάστηκε από πολυτοιχώματα CNT με πρόσμειξη αζώτου, όπου ο ενδοσωληνικός χώρος μεταξύ των CNT είναι βελτιστοποιημένος ώστε να αντιστοιχεί στο μέγεθος διαφορετικών ιών. Με τη χρήση αυτής της συσκευής, προσδιορίστηκε το στέλεχος του ιού της γρίπης των πτηνών. Το CNT-STEM βελτιώνει σημαντικά τα ποσοστά απομόνωσης του ιού και την αντιληπτικότητα ανίχνευσης. Λόγω της ευκολίας και της αξιοπιστίας αυτής της τεχνικής, μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να ανιχνεύει RNA ή πρωτεΐνες SARS-CoV-2 [30, 34].
Εικόνα 14. Η αρχή λειτουργίας του εμπλουτισμού του ιού και του συντονισμού από δείγματα πεδίου. (Α) Ένα αρχειοθετημένο δείγμα που περιέχει ιούς (μωβ σφαίρες) συλλέγεται από βαμβάκι ή ως δείγμα ιστού. (Β) Το υπερκείμενο του δείγματος πεδίου ρέει μέσω του CNT-STEM και οι ιοί εμπλουτίζονται μέσα στη συσκευή. Ένθετο (δεξιά): Απεικόνιση εμπλουτισμού ιών βάσει μεγέθους από τα ευθυγραμμισμένα N-MWCNT. Ένθετο (κάτω δεξιά): Εικόνα SEM (γραμμή κλίμακας, 100 nm) των ιοσωμάτων H5N2 AIV που έχουν παγιδευτεί μέσα στα ευθυγραμμισμένα N-MWCNT. Ένθετο (κάτω αριστερά): Εικόνα TEM σκοτεινού πεδίου (γραμμή κλίμακας, 100 nm) εμπλουτισμένου H5N2 AIV μετά την ανάκτηση των ευθυγραμμισμένων δομών N-MWCNT από το CNT-STEM.
Νανοδιαμάντια
Λόγω της υψηλής σταθερότητάς τους και της χαμηλής κυτταροτοξικότητάς τους, τα νανοδιαμάντια έχουν λάβει σημαντική προσοχή για τη διάγνωση του COVID-19. Ως εκ τούτου, τα φθορίζοντα νανοδιαμάντια χρησιμοποιήθηκαν για τον ανοσοπροσδιορισμό πλευρικής ροής COVID-19 ως υπερευαίσθητη ετικέτα. Αυτά τα νανοδιαμάντια ακινητοποιήθηκαν στη γραμμή δοκιμής και χρησιμοποιήθηκε ένα πεδίο μικροκυμάτων για να διαχωρίσει επιλεκτικά το σήμα φθορισμού τους από το σήμα φόντου, γεγονός που ενίσχυσε σημαντικά την ευαισθησία ανίχνευσης. Αυτή η ανάλυση ήταν 105 πιο ευαίσθητη από την παραδοσιακή ανάλυση πλευρικής ροής που βασίζεται σε νανοσωματίδια χρυσού. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντιιικοί θεραπευτικοί παράγοντες για το COVID-19 [30].
3.2.4. Μαγνητικά NPs (ΜΝΣ)
Πριν από την ανίχνευση, τα μαγνητικά NPs (ΜΝΣ) χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση του SARS-CoV-2, την απόκριση αντισώματος ξενιστή και τον διαχωρισμό νουκλεϊκών οξέων. Αποδείχθηκε ότι τα επικαλυμμένα με πυρίτιο NP οξειδίου του σιδήρου έχουν σημαντική συσχέτιση με το RNA του SARS-CoV-2, καθώς οι σπασμένοι ανοίγουν τον ιό. Ο μαγνήτης χρησιμοποιήθηκε για την απομόνωση των επικαλυμμένων με RNA NP από το διάλυμα του δείγματος. Αυτή η μέθοδος είναι οικονομική και απλή, επιτρέποντας την αποτελεσματική εξαγωγή RNA από δείγματα ασθενών [15, 30].
Η ακριβής ανίχνευση απαιτεί αποτελεσματική εκχύλιση και διαχωρισμό των νουκλεϊκών οξέων από τα δείγματα, επιτρέποντας τον καθαρισμό του στόχου. Σε μία μελέτη χρησιμοποιήθηκαν υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια (80 nm) συζευγμένα με έναν συμπληρωματικό ανιχνευτή στην αλληλουχία στόχο SARS-CoV. Χρησιμοποιώντας έναν μαγνήτη, τα λειτουργικά υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να εξαγάγουν cDNA στόχο από δείγματα. Η ποσότητα του εξαγόμενου DNA ενισχύθηκε μέσω PCR η οποία δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια φθορισμού επικαλυμμένα με πυρίτιο συζευγμένα με μια συμπληρωματική αλληλουχία. Τα επικαλυμμένα με πυρίτιο NP φθορισμού παράγουν σήματα φθορισμού που σχετίζονται άμεσα με τη συγκέντρωση του cDNA στόχο [30].
Τα επιφανειακά λειτουργικά MNP προσροφούν το νουκλεϊκό οξύ από το διάλυμα λύσης και διαχωρίζονται γρήγορα από τις περισσότερες μολύνσεις με τη βοήθεια ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Ακολουθώντας αυτή τη σύντομη διαδικασία, το νουκλεϊκό οξύ μπορεί επιπρόσθετα να διαχωριστεί από την λειτουργική επιφάνεια των MNP με τη διαδικασία εκρόφησης στο μέσο έκλουσης. Ωστόσο, αν και αυτή η διαδικασία είναι πολύ πιο εύκολη και συντομότερη από τις παραδοσιακές διαδικασίες, η υποβοηθούμενη διαδικασία εξαγωγής του MNP εξακολουθεί να αποτελείται από πολλά στάδια, τα οποία είναι ανεπαρκή για πρακτική ανίχνευση. Τα νανοσωματίδια φερρίτη ψευδαργύρου συντέθηκαν με εκκένωση και οι επιφάνειες των νανοσωματιδίων λειτουργικοποιήθηκαν με πυρίτιο και τροποποιημένη με καρβοξυλική πολυβινυλική αλκοόλη. Αυτή η πλατφόρμα δείχνει την ικανότητα αυτόματης αφαίρεσης του ιικού RNA από διάφορους τύπους δειγμάτων. Μειώνει τα λειτουργικά βήματα, γεγονός που παρουσιάζει μια σημαντική προοπτική για διαγνωστικά σε μοριακό επίπεδο COVID-19 [30, 34].
Ένα πιο απλό και σύγχρονο πρωτόκολλο υποβοηθούμενης εξαγωγής RNA του MNP προτείνεται για πιθανή εξαγωγή και διάγνωση με βάση την RT-PCR του COVID-19. Τα MNP του φερρίτη ψευδαργύρου (ZNF) κατασκευάστηκαν με την οικονομική οδό αυτόματης καύσης sol-gel και στη συνέχεια, η επιφάνειά του λειτουργικοποιήθηκε με πολυμερή που περιέχουν καρβοξυλικά (CPoly). Μεταξύ των μαγνητικών υλικών, ο φερρίτης ψευδάργυρος επιλέχθηκε λόγω της υψηλής χημικής ανθεκτικότητας, της ομαλής μαγνητικής συμπεριφοράς, της απλής προετοιμασίας και του βιοσυμβατού χαρακτήρα του. Λόγω της ισχυρής διεπαφής μεταξύ νουκλεϊκών οξέων και καρβοξυλικών ομάδων, τα επιφανειακά λειτουργικά MNP προάγουν τη γρήγορη και πιθανή προσρόφηση του ιικού RNA. Αυτή η οικονομικά αποδοτική και απλή τεχνική μπορεί να προσφέρει μια κατάλληλη εναλλακτική λύση για τις συμβατικές μεθόδους34 .
Εικόνα 15. Σχηματική διαδικασία για το πρωτόκολλο υποβοηθούμενης εξαγωγής RNA MNP με λειτουργική επιφάνεια.
Επιπλέον, υπάρχει μια διαδικασία εκχύλισης νουκλεϊκού οξέος ενός σταδίου που συνδέει ιδιαίτερα το ιικό RNA χρησιμοποιώντας πολυκαρβοξυλικά λειτουργικά τροποποιημένα με αμινομάδα MNP (επικαλυμμένα με PC NH2-MNP). Τα νουκλεϊκά οξέα συλλέχθηκαν χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο και στη συνέχεια απελευθερώθηκαν από τα MNP με την προσθήκη ρυθμιστικού διαλύματος πλύσης. Με τη σύλληψη ψευδοϊών COVID-19, τα πολυκαρβοξυλικά λειτουργικά MNP εμφάνισαν τέλεια απορρόφηση και παραμαγνητικές ιδιότητες μέσω γρήγορης σύλληψης (μαγνητική σύλληψη 30 δευτερολέπτων) στόχων [30, 46].
Εικόνα 16: Μια σχηματική αναπαράσταση της μεθόδου εκχύλισης ιικού RNA που βασίζεται σε pcMNP.
3.2.5. Νανοένζυμα
Τα νανοένζυμα είναι αφύσικα ένζυμα που αποτελούνται από νανοϋλικά με παρόμοια αποτελεσματικότητα με τα φυσικά ένζυμα. Επιπλέον, τα νανοένζυμα έχουν ανώτερη καταλυτική δράση, γρήγορη απόκριση και ικανότητα αυτοσυναρμολόγησης, που χρησιμοποιούνται ευρέως για τη διάγνωση και τη θεραπεία ασθενειών. Μια νέα ανάλυση χαρτιού χημειοφωταύγειας βασισμένη σε νανοζύμα για ταχεία και οξεία ανίχνευση αντιγόνου ακίδας SARS-CoV-2 συνδυάζει την ανοσοδοκιμασία νανοζυμικής και ενζυμικής χημειοφωταύγειας με τη λωρίδα πλευρικής ροής που δημιουργήθηκε.
Εικόνα 17: (Α) Σχηματική απεικόνιση της δοκιμής χαρτιού χημειοφωταύγειας νανοενζύμου για αντιγόνο SARS-CoV-2 S-RBD. Αναγνώριση, διαχωρισμός και καταλυτική ενίσχυση από ανιχνευτές νανοζύμων.
Η συμβατική ανοσοδιάγνωση χημειοφωταύγειας χρησιμοποιεί φυσικές πρωτεάσες όπως η HRP ή η αλκαλική φωσφατάση που αποκαλύπτουν περιορισμούς όπως η σπάνια ανθεκτικότητα αποθήκευσης, περίπλοκες μεθόδους παρασκευής και υψηλό κόστος. Ο προτεινόμενος βιοαισθητήρας χρησιμοποίησε νανοένζυμο Co-Fehemin που μιμείται την υπεροξειδάση αντί για φυσική υπεροξειδάση χρένου (HRP) που θα μπορούσε να ενισχύσει σημαντικά το σήμα χημειοφωταύγειας φτάνοντας το όριο ανίχνευσης των 0,1 ng/mL. Το νανοένζυμο Co-Fe@hemin αποδείχθηκε ότι έχει καλύτερη σταθερότητα για τη θερμοκρασία και την οξύτητα ή την αλκαλικότητα σε σύγκριση με το HRP, το οποίο μπορεί να διατηρηθεί σταθερά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτή η δοκιμή μπορεί να διεξαχθεί εντός 16 λεπτών, πολύ πιο γρήγορα σε σύγκριση με τις συνήθεις 1-2 ώρες που απαιτούνται για τις τρέχουσες δοκιμές νουκλεϊκού οξέος. Επιπλέον, η ανίχνευση σήματος είναι δυνατή χρησιμοποιώντας την κάμερα ενός τυπικού smartphone. Τα συστατικά για τη σύνθεση νανοζύμων είναι εύκολα και εύκολα αποκτήσιμα, μειώνοντας σημαντικά το συνολικό κόστος [20, 30].
3.2.6. Μεταλλικό-Οργανικό Πλαίσιο
Τα πορώδη νανοϋλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση διαφορετικών παθογόνων. Η αναλυόμενη ουσία, το παθογόνο, δεν χρειάζεται να απορροφηθεί από τα πορώδη νανοϋλικά. Ωστόσο, το παθογόνο πρέπει να αλληλεπιδράσει με την επιφάνεια του MOF που τροποποιούν διαφορετικά NP. Με αυτήν την αλληλεπίδραση, μπορούν να βελτιστοποιηθούν πρόσθετοι οπτικοί μηχανισμοί Off-On ή On-Off για την ανίχνευση του παθογόνου και σε αυτή την περίπτωση, διάφορα οπτικά ενεργά συστατικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σβηστές ή ενεργοποιητές. Στο θέμα του SARS-CoV-2, δεν υπάρχει ανάγκη ανίχνευσης του ίδιου γενετικού υλικού και γενετικής αλληλουχίας στην επιφάνεια της μάσκας ή ακόμα και των ρούχων λόγω των σημαντικών διαφορών μεταξύ των συγκεντρώσεων του SARS-CoV-2 με άλλα. Αντίθετα, χρησιμοποιώντας ένα μοτίβο φθορισμού δακτυλικών αποτυπωμάτων, το οποίο έχει βελτιστοποιηθεί στο παρελθόν, το ίδιο εύρος προσοχής του SARS-CoV-2 στην επιφάνεια επαφής των φάσεων αερίου και στερεών μπορεί να μετρηθεί με οπτικές αλλαγές. Επιπλέον, εάν οι βιοαισθητήρες που βασίζονται στο MOF λειτουργούν επιτυχώς για ανιχνεύσεις HIV-1, H1N1, ZIKA και άλλων παθογόνων μικροοργανισμών με μεγάλη ακρίβεια και LOD, τότε ο βιοαισθητήρας μορφολογίας και οπτικής βάσης για ανίχνευση SARS-CoV-2 θα πρέπει επίσης να λειτουργήσει. [26].
4. Προκλήσεις και περιορισμοί των νανοϋλικών
Τα νανοϋλικά μπορεί να είναι σημαντικά πολύτιμα για βιοϊατρικές εφαρμογές. Ωστόσο, έχουν κάποιους περιορισμούς, όπως η τοξικότητα. Μία από τις σημαντικές προκλήσεις είναι η διασφάλιση της ασφαλούς χρήσης των νανοϋλικών. Μια άλλη πρόκληση είναι ότι η συμπεριφορά των νανοϋλικών στο σώμα μπορεί να αλλάξει όταν φτάσουν στην κυκλοφορία του αίματος λόγω του σχηματισμού πρωτεϊνικών κορώνων. Έτσι, τα πιστά in vivo μοντέλα απαιτείται να κατανοήσουν επαρκώς την τοξικοκινητική συμπεριφορά των νανοσωματιδίων στο σώμα, ιδιαίτερα για μακροχρόνια έκθεση.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι η απουσία τυποποιημένων πρωτοκόλλων για τον φυσικοχημικό και βιολογικό ορισμό των νανοϋλικών και η έλλειψη ενός καθολικά συμφωνημένου ορισμού του νανοϋλικού. Η ικανότητα παραγωγής μεγάλης κλίμακας είναι ένα άλλο εμπόδιο που πρέπει να ξεπεραστεί για την ευρύτερη εμπορευματοποίηση σκευασμάτων με βάση νανο. Λόγω των πολύπλευρων ανταλλαγών μεταξύ νανοϋλικών και βιολογικών συστημάτων, είναι πολύ απαιτητικό να προβλεφθεί η συμπεριφορά αυτών των υλικών υπό φυσιολογικές συνθήκες. Μόλις εισέλθουν στο σώμα, τα νανοσωματίδια φτάνουν στην κυκλοφορία του αίματος, μια σύνθετη μήτρα που περιέχει ιόντα, μικρά μόρια, πρωτεΐνες και κύτταρα. [37].
Τεστ LO 3.1
Βιβλιογραφικές αναφορές
- Abdelhamid H., and Badr G., (2021). Nanobiotechnology as a platform for the diagnosis of COVID‐19: a review. Nanotechnology for Environmental Engineering 6:19 https://doi.org/10.1007/s41204-021-00109-0
- Abraham AM., Kannangai R., and Sridharan G., (2008). Nanotechnology: A new frontier in virus detection in clinical practice. Indian Journal of Medical Microbiology, 26(4): 297-301
- Alhalaili B., Popescu I.N., Kamoun O., Alzubi F., Alawadhia S., Vidu R. (2020) Nanobiosensors for the detection of novel coronavirus 2019-nCoV and other pandemic/Epidemic Respiratory viruses: A review. Sensors 2020, 20, 6591. [CrossRef]
- Alimardani V., Abolmaali S., Tamaddon A., (2021). Recent Advances on Nanotechnology-Based Strategies for Prevention, Diagnosis, and Treatment of Coronavirus Infections. Journal of Nanomaterials Volume 2021, Article ID 9495126, 20 pages https://doi.org/10.1155/2021/9495126
- Alphandery E., (2020). The Potential of Various Nanotechnologies for Coronavirus Diagnosis/Treatment Highlighted through a Literature Analysis. Bioconjugate Chem. 2020, 31, 1873−1882. https://dx.doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.0c00287
- Bendavid E., Mulaney B., Sood N., Shah S., Ling E., Bromley-Dulfano R. (2020). COVID-19 Antibody Seroprevalence in Santa Clara County, California. MedRxiv
- Carter L. J., Garner L. V., Smoot J. W., Li Y., Zhou Q., Saveson C. J., et al. (2020). Assay techniques and test development for COVID-19 diagnosis. ACS Cent. Sci. 6, 591–605. doi: 10.1021/acscentsci.0c00501
- Di Paolo M., Iacovelli A., Olmati F., Menichini I., Oliva A., Carnevalini M., et al. (2020). False-negative RT-PCR in SARS-CoV-2 disease: experience from an Italian COVID-19 unit. ERJ Open Res. 6, 324–2020. doi: 10.1183/23120541.00324-2020
- Eftekhari A., Alipour M., Chodari L., Maleki Dizaj S., Ardalan M., Samiei M., Sharifi S., Zununi Vahed S., Huseynova I., Khalilov R. et al. (2021). A Comprehensive Review of Detection Methods for SARS-CoV-2. Microorganisms, 9, 232. https://doi.org/10.3390/ microorganisms9020232
- Ghaemi F., Amiri A., Bajuri M., Yuhana N., Ferrara M., (2021), Role of different types of nanomaterials against diagnosis, prevention and therapy of COVID-19. Sustainable Cities and Society 72 (2021) 103046
- Gupta R., Sagar P., Priyadarshi N., Kaul S., Sandhir R., Rishi V. and Singhal N.K. (2020). Nanotechnology-Based Approaches for the Detection of SARS-CoV-2. Front. Nanotechnol. 2:589832. doi: 10.3389/fnano.2020.589832
- Huang C., Wen T., Shi F.J., Zeng X.Y., Jiao Y.J., (2020). Rapid Detection of IgM Antibodies against the SARS-CoV-2 Virus via Colloidal Gold Nanoparticle-Based Lateral-Flow Assay. ACS Omega 2020, 5, 12550–12556.
- Jiang M., Pan W., Arasthfer A., Fang W., Ling L., Fang, H., et al. (2020). Development and validation of a rapid, single-step reverse transcriptase loop- mediated isothermal amplification (RT-LAMP) system potentially to be used for reliable and high-throughput screening of COVID-19. Front. Cell. Infect. Microbiol. 10:331. doi: 10.3389/fcimb.2020.00331
- Jindal S., and Gopinath P., (2020) Nano Ex. 1 022003
- Kang J., Tahir A., Wang H., Chang J. (2021). Applications of nanotechnology in virus detection, tracking, and infection mechanisms. WIREs Nanomed Nanobiotechnol. 2021;13:e1700. https://doi.org/10.1002/ wnan.1700
- Kelly J. C., Dombrowksi M., O’Neil-Callahan M., Kernberg A. S., Frolova A. I., and Stout M. J. (2020). False-negative testing for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2: consideration in obstetrical care. Am. J. Obstet. Gynecol. 2(Suppl. 3):100130. doi: 10.1016/j.ajogmf.2020.100130
- Layqah L.A., Eissa S. (2019). An Electrochemical Immunosensor for the Corona Virus Associated with the Middle East Respiratory Syndrome Using an Array of Gold Nanoparticle-Modified Carbon Electrodes. Microchimica Acta 2019, 186, 224.
- Lew T., Aung K., Ow S., Amrun S., Sutarlie L., Ng L., and Su X., (2021). Epitope-Functionalized Gold Nanoparticles for Rapid and Selective Detection of SARS-CoV‐2 IgG Antibodies. ACS NANO, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04091
- Li H., and Rothberg L., (2004). Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 14036–14039
- Liu D., Ju C., Han C., Shi R., Chen X., Duan D., Yan J., Yan, X. (2021). Nanozyme Chemiluminescence Paper Test for Rapid and Sensitive Detection of SARS-CoV-2 Antigen. Biosens. Bioelectron. 2021, 173, 112817
- Manivannan S., Ponnuchamy K. (2020). Quantum Dots as a Promising Agent to Combat COVID-19. Appl. Organomet. Chem. 2020, 34, e5887
- Mizumoto K., Kagaya K., Zarebski A., Chowell G.J.E. (2020). Estimating the asymptomatic proportion of coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases on board the Diamond Princess cruise ship, Yokohama, Japan, 2020. Eurosurveillance , 25, 2000180
- Moitra P., Alafeef M., Dighe K., Frieman M.B., Pan D. (2020). Selective Naked-Eye Detection of SARS-CoV-2 Mediated by N Gene Targeted Antisense Oligonucleotide Capped Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 14, 7617–7627.
- Ozmen E., Kartal E., Turan M., Yazicioglu A., Hiazi J., and Qureshi A., (2021). Graphene and carbon nanotubes interfaced electrochemical nanobiosensors for the detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) and other respiratory viral infections: A review. Materials Science & Engineering C 129 (2021) 112356
- Park T.J., Lee S.Y., Lee S.J., Park J.P., Yang K.S., Lee K.-B., Ko S., Park J.B., Kim T., Kim S.K., (2006). Protein Nanopatterns and Biosensors Using Gold Binding Polypeptide as a Fusion Partner. Anal. Chem. 2006, 78, 7197–7205
- Pascarella G., Strumia A., Piliego C., Bruno F., Del Buono R., Costa F., et al. (2020). COVID-19 diagnosis and management: a comprehensive review. J. Intern. Med. 288, 192–206. doi: 10.1111/joim.13091
- Pishva P., and Yuce M., (2021). Nanomaterials to tackle the COVID-19 pandemic. Emergent Materials https://doi.org/10.1007/s42247-021-00184-8
- Rabiee N., Bagherzadeh M., Ghasemi A., Zare H., Ahmadi S., Fatahi Y., Dinarvand R., Rabiee M., Ramakrishna S., Shokouhimehr M., Varma R.S. (2020). Point-of-Use Rapid Detection of SARS-CoV-2: Nanotechnology-Enabled Solutions for the COVID-19 Pandemic. Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 5126. https://doi.org/10.3390/ijms21145126
- Rai M., Bonde S., Yadav A., Bhowmik A., Rathod S., Ingle P., Gade A. (2021). Nanotechnology as a Shield against COVID-19: Current Advancement and Limitations. Viruses 2021,13,1224. https:// doi.org/10.3390/v13071224
- Rasmi Y., Saloua K.S., Nemati M., Choi J.R. (2021). Recent Progress in Nanotechnology for COVID-19 Prevention, Diagnostics and Treatment. Nanomaterials 2021, 11, 1788. https://doi.org/10.3390/ nano11071788
- Roh C., Jo S.K., (2011). Quantitative and Sensitive Detection of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Using Quantum Dots- Conjugated RNA Aptamer on Chip. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2011, 86, 1475–1479.
- Shan B., Broza Y.Y., Li W., Wang, Y., Wu S., Liu Z., Wang J., Gui S., Wang L., Zhang Z., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano 2020, 14, 12125–12132.
- Singh P., Singh D., Sa P., Mohapatra P., Khuntia A., and Sahoo S. (2021). Insights from nanotechnology in COVID-19: prevention, detection, therapy and immunomodulation. Nanomedicine (Lond.) (2021) 16(14), 1219–1235
- Somvanshi S., Kharat P., Saraf T., Somwanshi S., Shejul S., and Jadhav K. (2021). Multifunctional nano-magnetic particles assisted viral RNA-extraction protocol for potential detection of COVID-19, Materials Research Innovations, 25:3, 169-174, DOI: 10.1080/14328917.2020.1769350
- Talebian S., Wallace g., Schroeder A., Stellacci F., and Conde J. (2020). Nature Nanotechnology, Vol 15, August 2020, 618-624, www.nature.com/naturenanotechnology
- Tavakol S., Zahmatkeshan M., Mohammadinejad R., Mehrzadi S., Joghataei M., Alavijeh M., Seifalian A. (2021). The role of nanotechnology in current COVID-19 outbreak. Heliyon 7 (2021) e06841
- Tharayil A., Rajakumari R., Chirayil C., Thomas S. and Kalarikkal N., (2021) A short review on nanotechnology interventions against COVID-19. Emergent Materials (2021). 4:131–141 https://doi.org/10.1007/s42247-021-00163-z
- To K.K.-W., Tsang O.T.-Y., Yip C.C.-Y., Chan K.-H., Wu T.-C., Chan J.M.-C., Leung W.-S., Chik T.S.-H., Choi C.Y.-C., Kandamby D.H. et al. (2020). Consistent Detection of 2019 Novel Coronavirus in Saliva. Clin. Infect. Dis
- Toledo G., Toledo V., Lanfredi A., Escote M., Champi A., Da silva M., Nantes-Cardoso I., (2020), Promising Nanostructured Materials against Enveloped Virus. An Acad Bras Cienc (2020) 92(4): e20200718 DOI 10.1590/0001-3765202020200718
- Udugama B., Kadhiresan P., Kozlowski H. N., Malekjahani A., Osborne M., Li V. Y. C., et al. (2020). Diagnosing COVID-19: the disease and tools for detection. ACS Nano 14, 3822–3835. doi: 10.1021/acsnano.0c02624
- Varghese R., Salvi S., Sood P., Karsiya J., Kumar D. (2021). Carbon nanotubes in COVID-19: A critical review and prospects. Colloid and Interface Science Communications 46 (2022) 100544
- Waller J. V., Kaur P., Tucker A., Lin, K. K., Diaz M. J., Henry T. S., et al. (2020). Diagnostic tools for coronavirus disease (COVID-19): comparing CT and RT-PCR viral nucleic acid testing. Am. J. Roentgenol. 215, 834–838. doi: 10.2214/AJR.20.23418
- Wong M.L., Medrano J.F. (2005). Real-time PCR for mRNA quantitation. Biotechniques 39, 75–85.
- Yeh Y.-T., Tang Y., Sebastian A., Dasgupta A., Perea-Lopez N., Albert I., Lu H., Terrones M., Zheng, S.-Y., (2016). Tunable and Label-Free Virus Enrichment for Ultrasensitive Virus Detection Using Carbon Nanotube Arrays. Sci. Adv. 2016, 2, e1601026.
- Zhang F., Abudayyeh O. O., Gootenberg J. S., Sciences C., and Mathers L. (2020). A Protocol for Detection of COVID-19 Using CRISPR Diagnostics.
- Zhao Z., Cui H., Song W., Ru X., Zhou W., Yu X. (2020). A Simple Magnetic Nanoparticles-Based Viral RNA Extraction Method for Efficient Detection of SARS-CoV-2. bioRxiv 2020.
Εκπαιδευτική Ενότητα 3.2.
Νανοτεχνολογία σε διαγνωστικές τεχνικές για SARS-CoV-2
Συγγραφείς & συνεργασίες: Ελένη Πετρή, EIEO, Ελλάδα
Εκπαιδευτικός στόχος: Στόχος αυτού του TU είναι να παρουσιάσει γνώσεις σχετικά με τη νανοτεχνολογία και τις εφαρμογές της στη διάγνωση του SARS-CoV-2.
Περίληψη
Η πρόοδος της νανοτεχνολογίας είναι σημαντική για τη διάγνωση του COVID-19. Η προστασία και η διάγνωση είναι απαραίτητες για τον έλεγχο της εξάπλωσης της λοίμωξης. Η νανοτεχνολογία προσφέρει νέες τεχνικές για ταχεία διάγνωση, ανίχνευση λοίμωξης σε πρώιμο στάδιο και ταυτοποίηση του COVID-19. Λόγω του μικρότερου μεγέθους τους και της μεγαλύτερης επιφάνειας, τα προϊόντα νανοτεχνολογίας μπορούν να ανιχνεύσουν την ασθένεια με υψηλή ακρίβεια. Καθώς τα συμπτώματα του COVID-19 είναι πολύ συγκρίσιμα με εκείνα άλλων αναπνευστικών ασθενειών, είναι απαραίτητο να υπάρχουν ακριβή, ευαίσθητα και γρήγορα διαγνωστικά εργαλεία για την ανίχνευση της λοίμωξης σε πρώιμο στάδιο.
Λέξεις-κλειδιά: νανοτεχνολογία, COVID-19, διάγνωση
1. Εισαγωγή
Η νόσος του κορωνοϊού 2019 (COVID-19) που προκαλείται από το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2 (SARS-CoV-2) είναι ένα παγκόσμιο ζήτημα υγείας που ο ΠΟΥ ανακοίνωσε πανδημία. Ο COVID-19 έχει οδηγήσει σε ένα παγκόσμιο lockdown και έχει θέσει σε κίνδυνο την παγκόσμια οικονομία. Ο SARS-CoV-2 εξαπλώθηκε γρήγορα σε όλο τον κόσμο, δημιουργώντας μια παγκόσμια πανδημία που υπερτερεί αριθμητικά. Αυτός ο ιός μπορεί να μεταδοθεί από άνθρωπο σε άνθρωπο μέσω σταγονιδίων και στενής επαφής και άνθρωποι όλων των ηλικιών εκτίθενται σε αυτόν τον ιό. Το ξέσπασμα του COVID-19 άσκησε διεθνή πίεση στις σύγχρονες κοινωνίες, ειδικά στις υποδομές που συνδέονται με την υγειονομική περίθαλψη. Ως εκ τούτου, απαιτούνται επειγόντως διαγνωστικές εξετάσεις ειδικά για αυτήν την ασθένεια για τη διασφάλιση θετικών κρουσμάτων, τον έλεγχο ασθενών και την εκτέλεση ιικής επιτήρησης. Τα διαγνωστικά μπορεί να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην πρόληψη του COVID-19, επιτρέποντας τη γρήγορη εκτέλεση διαχειριστικών ενεργειών που περιορίζουν την εξάπλωση με τον εντοπισμό και την απομόνωση περιπτώσεων και μέσω της ανίχνευσης επαφών. Κατά συνέπεια, ο κόσμος αντιμετωπίζει μια νέα πρόκληση: να δημιουργήσει εξαιρετικά γρήγορες, εξαιρετικά ευαίσθητες συσκευές και εργαλεία ανάλυσης νανοκλίμακα ή συστήματα ανίχνευσης (π.χ. νανοβιοαισθητήρες) που είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά στην ανίχνευση του νέου κοροναϊού του 2019 (COVID-19) ή σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS) [3, 10, 17].
Με τις εξελίξεις στη νανοτεχνολογία, οι εξαιρετικές τους ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητάς τους να ενισχύουν το σήμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νανοβιοαισθητήρων και διαδικασιών νανοαπεικόνισης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση σε πρώιμο στάδιο μαζί με άλλα διαγνωστικά εργαλεία. Η νανοτεχνολογία εξετάζεται διεξοδικά για την προοπτική της στην ανάπτυξη διαγνωστικών τεχνικών, θεραπευτικών, εμβολίων και στρατηγικών για την ελάφρυνση του φόρτου της υγειονομικής περίθαλψης [10].
2. Τρέχουσες εργαστηριακές μέθοδοι για τη διάγνωση του SARS-CoV-2
Η διάγνωση του COVID-19 βασίζεται στην ανάλυση της αντίδρασης του ασθενούς λόγω της νόσου ή στη μελέτη του περιεχομένου του ιού, π.χ. RNA ή πρωτεΐνης του. Η θερμοκρασία του ασθενούς (αυξημένη θερμοκρασία), το αίσθημα εξάντλησης και η δυσκολία στην αναπνοή υποδηλώνουν μόλυνση. Ωστόσο, αυτά τα συμπτώματα δεν είναι ιδιαιτέρως και μπορεί να παρατηρηθούν λόγω μόλυνσης με άλλα παθογόνα. Οι παθολογικές τροποποιήσεις του ασθενούς σε όργανα όπως ο θώρακας μπορούν να παρατηρηθούν μέσω υπολογιστικής τομογραφίας (CT). Μια αξονική τομογραφία μπορεί να είναι μια αξιόπιστη εξέταση για τον προσυμπτωματικό έλεγχο των περιπτώσεων SARS-COV 2 όπως άλλοι τύποι πνευμονίας. Ωστόσο, η ανάλυση απαίτησε εξειδικευμένο εξοπλισμό και απέτυχε να καλύψει μια σημαντική κλίμακα απαιτήσεων. Ο COVID-19 μπορεί να διαγνωστεί μέσω εργαστηριακών μετρήσεων. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη ασθενών. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση μολυσμένων δειγμάτων όπως η επιφάνεια και ο αέρας [1].
Φιγούρα 1. Μέθοδοι διάγνωσης για τον COVID-19.
Έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι για τη διάγνωση του COVID-19. Οι κύριες δοκιμές για τη διάγνωση μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες [1]:
- Γενετικές δοκιμές (δοκιμές ιικού νουκλεϊκού οξέος): ανάλυση του ιικού γονιδιώματος χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως ποσοτική αλυσιδωτή αντίδραση αντίστροφης μεταγραφής-πολυμεράσης σε πραγματικό χρόνο (RT-qPCR), ισοθερμική ενίσχυση (π.χ. ισοθερμική ενίσχυση μέσω βρόχου (LAMP), νουκλεϊκό οξύ ενίσχυση βάσει αλληλουχίας (NASBA), ενίσχυση με μεσολάβηση μεταγραφής (TMA), ενίσχυση κυλιόμενου κύκλου (RCA), Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)) και στοχευμένη αλληλουχία νανοπόρου (NTS).
- Δοκιμές αντιγόνου:ανάλυση των ιικών πρωτεϊνών (πρωτεΐνες αιχμής που συνδέονται με τη μεμβράνη ή πρωτεΐνες νουκλεοκαψιδίου) με χρήση τεχνικών όπως χρωματομετρία, τρανζίστορ πεδίου δράσης (FET), ενζυμική ανοσοπροσροφητική δοκιμασία (ELISA) και φασματομετρία μάζας ( ΚΥΡΙΑ)
- Ορολογικές εξετάσεις: ανάλυση των αντισωμάτων (ανοσοσφαιρίνη M (IgM) και ανοσοσφαιρίνη G (IgG)) έναντι του ιού [18, 19]. Η μελέτη των αντισωμάτων του ασθενούς μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως ηλεκτρικοί (EC) βιοαισθητήρες, εντοπισμένος επιφανειακός συντονισμός πλασμονίου (LSPR), ενισχυμένη επιφανειακή σκέδαση Raman (SERS), μικροζυγός κρυστάλλων χαλαζία (QCM), βιοαισθητήρας με βάση φθορισμό, χρωματομετρική βιοαισθητήρας, ανοσοχρωματογραφία χρυσού, ELISA, ανοσοδοκιμασία χημειοφωταύγειας και πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες μικροκάνουλας (PEMS).
Δυστυχώς, πολλές παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης αναπνευστικών ιών, όπως το RT-PCN έχουν πολλά μειονεκτήματα. Αυτά περιλαμβάνουν χρονοβόρες, δαπανηρές, δεν είναι πάντα προσδιορίσιμες ή αναπαραγώγιμες και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό και άλλες τεχνικές εγκαταστάσεις.
Σχήμα 2. Μειονεκτήματα των παραδοσιακών μεθόδων .
3. Νανοτεχνολογία
Η νανοτεχνολογία προσφέρει νέες τεχνικές για ταχεία διάγνωση, ανίχνευση λοιμώξεων σε πρώιμο στάδιο και ταυτοποίηση λοιμωδών παθογόνων που προκαλούν την πανδημία, ιδιαίτερα για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της ποιότητας της διαδικασίας ανίχνευσης με τη χρήση νανοβιοαισθητήρων. Επιπλέον, οι νέες νανοδομές και οι νανοαισθητήρες εμφανίζουν ιδιότητες και επιδόσεις απαρατήρητες σε μακροσκοπικό επίπεδο, σημαντικά για τον εντοπισμό και την ανίχνευση περιπτώσεων σε επίπεδο νανοκλίμακα [3].
Η νανοτεχνολογία μπορεί να βελτιώσει τη διάγνωση του COVID-19 και να προτείνει μια διαγνωστική μέθοδο αιχμής που βασίζεται σε μια τεχνολογία ανίχνευσης Point Of Care (POC). Επιπλέον, μπορεί να διασυνδεθεί με τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης (AI) και βιοαισθητήρες ενσωματωμένους στο Διαδίκτυο ιατρικών πραγμάτων (IoMT) για τη μελέτη πρακτικής πληροφορικής μέσω αποθήκευσης, κοινής χρήσης και ανάλυσης δεδομένων. Επίσης, μπορούν να παρακάμψουν τις παραδοσιακές διαδικασίες όπως η χαμηλή ευαισθησία, η χαμηλή επιλεκτικότητα, το υψηλό κόστος και ο εκτεταμένος διαγνωστικός χρόνος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν νέες μέθοδοι για ανάλυση δείγματος χωρίς πόνο, όπως η ανάλυση του σάλιου του ασθενούς με τη χρήση ανιχνευτή οξειδίου γραφενίου (GO)/Au/Fiber Grating Bragg (FBG). Η νανοτεχνολογία μπορεί να προωθήσει τεχνολογίες όπως βιοαισθητήρες χωρίς ετικέτα, δοκιμές πλευρικής ροής χαρτιού, οπτικές τεχνολογίες και ψηφιακές τεχνολογίες [1].
3.1. Νανοβιοαισθητήρες
Η μεγαλύτερη υπεροχή των ιικών εστιών μπορεί να αποδοθεί στα ακατάλληλα εργαλεία ανίχνευσης που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των μεταδοτικών παραγόντων. Κατά συνέπεια, αυτό απαιτεί ένα εργαλείο ανίχνευσης ή διάγνωσης που να είναι ισχυρό, γρήγορο, απαιτητικό και ακριβές ως προς τις βιοαισθητήρες του ιδιότητες. Οι βιοαισθητήρες μπορούν να χαρακτηριστούν ως αναλυτικά όργανα που μπορούν να εκτιμήσουν χαμηλές συγκεντρώσεις μιας αναλυόμενης ουσίας σε βιολογικά δείγματα (όπως ο ανθρώπινος ορός, αίμα, δάκρυα, σάλιο κ.λπ.). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά ποιοτικά και ποσοτικά κιτ δοκιμών, αυτοί οι βιοαισθητήρες είναι ευνοϊκά ακριβείς και ευαίσθητοι στον κατευθυνόμενο στόχο [15].
Εικόνα 3. Ταξινόμηση και εφαρμογές διαφόρων βιοαισθητήρων.
Η ανάγκη για ακρίβεια και ταχύτητα στη διάγνωση του COVID-19 δεν καλύπτεται από τις παραδοσιακές μεθόδους ορολογικών δοκιμών και αλυσιδωτής αντίδρασης ανάστροφης μεταγραφής-πολυμεράσης (RT-PCR), οι οποίες χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανίχνευση και τη διάγνωση του COVID-19. Αυτή η προϋπόθεση μπορεί να εκπληρωθεί με τη χρήση υπερευαίσθητων νανοβιοαισθητήρων που παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανίχνευση του νέου κοροναϊού. Οι νανοβιοαισθητήρες παρέχουν μια γρήγορη, οικονομικά αποδοτική, ακριβή και μικροσκοπική πλατφόρμα για την ανίχνευση του SARS-CoV-211 . Οι βιοαισθητήρες τυπικά περιλαμβάνουν ένα μόριο βιολογικής αναγνώρισης ακινητοποιημένο στην επιφάνεια ενός μετατροπέα σήματος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανάλυση, διάγνωση, προστασία, ασφάλεια και δοκιμή μεγαλύτερων πληθυσμών [3].
Οι νανοβιοαισθητήρες παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα που προκαλούν αποτελεσματική ανίχνευση, όπως [3]:
- Αποδοτική
- Μακρά αυτοζωή.
- Εύχρηστος
- Αυτονόμος
- Ακρίβεια
- Φορητότητα
- Γρήγορη απάντηση
- Υψηλή ευαισθησία
- Δυνατότητες πολυπλεξίας.
- Βιώσιμη διαδικασία.
Οι νανοβιοαισθητήρες είναι συσκευές στις οποίες ο μορφοτροπέας τροποποιείται για να πιάσει το στοιχείο στόχο, να μετατρέψει τη βιολογική απάντηση σε ηλεκτρικά σήματα και να την ανιχνεύσει γρήγορα με υψηλή ακρίβεια. Οι φυσικές αποκρίσεις μπορούν να υπολογιστούν προσδιορίζοντας τους κατάλληλους βιοϋποδοχείς, όπως νουκλεϊκά οξέα, αντιγόνα, ανιχνευτής DNA, πεπτίδιο, ολόκληρα κύτταρα, μικροοργανισμούς και ιστούς. Αυτοί οι υποδοχείς είναι εύκολα αναγνωρίσιμοι, εξαιρετικά ευαίσθητοι και ανιχνεύουν συγκεκριμένο βιοαναλύτη. Διάφοροι τύποι βιοϋποδοχέων έχουν διερευνηθεί για τη σύλληψη των ιών, όπως τα νουκλεϊκά οξέα (NA), η ανοσοσυγγένεια και η πρωτεΐνη σε πολλαπλούς νανοβιοαισθητήρες με βάση την ηλεκτροχημική, την σύνθετη αντίσταση, τη μικροϊσορροπία κρυστάλλων χαλαζία και τον οπτικό και επιφανειακό συντονισμό πλασμονίου. Το μόριο στόχος συνδέεται με τον βιοϋποδοχέα για να πιάσει ένα βιολογικό μόριο από μια ασυνήθιστη αντίδραση. Στη συνέχεια, ο μορφοτροπέας με ενσωματωμένο μόριο από μια συγκεκριμένη απόκριση. Στη συνέχεια, ο μορφοτροπέας με ενσωματωμένες νανοδομές μετατρέπει την ανίχνευση σε ηλεκτρικό σήμα που ορίζεται από τον ανιχνευτή (Εικ. 4) [3].
Εικόνα 4. Το σχηματικό διάγραμμα διαφορετικών αναλυτών, βιοϋποδοχέων για στοιχεία βιοαναγνώρισης, μετατροπείς με ενσωματωμένες νανοδομές ως μέρη ενός τυπικού σχεδιασμού νανοβιοαισθητήρα για αναπνευστικούς ιούς.
Οι νανοβιοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση κορωνοϊών SARS ή MERS μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση το βιολογικό μόριο του ιικού στόχου (νουκλεϊκά οξέα, αντιγόνα ή αντισώματα) σε νουκλεϊκό οξύ σε βιοαισθητήρα νουκλεϊκού οξέος, βιοαισθητήρα με βάση αντιγόνο και αντισώματα βασισμένος βιοαισθητήρας (Εικ. 5) [3]4 .
Εικόνα 5. Σχηματική αναπαράσταση διαφορετικών ταξινομήσεων βιοαισθητήρων για την ανίχνευση κορωνοϊών SARS και MERS
3.1.1. Ηλεκτροχημικοί Νανοβιοαισθητήρες
Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος και ευνοϊκά ευνοϊκός τύπος χώρων ανίχνευσης. Σύμφωνα με τον ορισμό της Διεθνούς Ένωσης Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), ο ηλεκτροχημικός βιοαισθητήρας είναι «μια αυτόνομη ολοκληρωμένη συσκευή που είναι ικανή να παρέχει συγκεκριμένες ποσοτικές ή ημιποσοτικές αναλυτικές πληροφορίες χρησιμοποιώντας ένα στοιχείο βιολογικής αναγνώρισης (βιοχημικό υποδοχέα) που διατηρείται σε άμεση χωρική επαφή με ένα στοιχείο ηλεκτροχημικής μεταγωγής.» [8, 13].
Ένας ηλεκτροχημικός νανοβιοαισθητήρας είναι μια συσκευή μοριακής ανίχνευσης που συνδυάζει ένα συμβάν βιολογικής αναγνώρισης με έναν μετατροπέα ηλεκτροδίου για να δημιουργήσει ένα χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό σήμα. Επειδή οι ηλεκτροχημικοί νανοαισθητήρες περιλαμβάνουν ηλεκτρόδια, οι ιδιότητες των ημιαγωγών, οι διηλεκτρικές ιδιότητες και η κατανομή φορτίου είναι κρίσιμα στοιχεία [3].
Εικόνα 6. Σχέδιο που δείχνει στοιχεία σχεδιασμού βιοαισθητήρα που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση δειγμάτων αναλυόμενης ουσίας-στόχου, με ιδιαίτερη έμφαση στη χρήση μιας πλατφόρμας ηλεκτροχημικής βιοαισθητήρας που μετατρέπει τις βιοχημικές πληροφορίες σε σήματα ρεύματος ή τάσης σε μια επιφάνεια ηλεκτροχημικού μορφοτροπέα.
Τα κύρια οφέλη των ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων είναι [5, 11]:
- Εύκολη ανάπτυξη.
- Δυνατότητα μικρογραφίας
- Υψηλή ευαισθησία
- Σχετικά χαμηλό κόστος.
Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες είναι μια ελκυστική επιλογή για την ανίχνευση μιας ποικιλίας βιομορίων, επειδή μπορούν να συνδυαστούν ομαλά με πολλαπλές μονάδες όπως α. μικροηλεκτρονικά κυκλώματα χαμηλού κόστους β. μικροσκοπικό εργαστήριο-σε-τσιπ, γ. διασύνδεση με ηλεκτρονική ανάγνωση, και δ. μονάδα επεξεργασίας σήματος. Οι ηλεκτροχημικοί βιοαισθητήρες όντας ευαίσθητοι, εύκολοι στη σμίκρυνση, απαιτούν μικρούς όγκους αναλυόμενης ουσίας, το ανώτερο όριο ανίχνευσης αναλυόμενης ουσίας και εμφάνισης επί τόπου αποτελεσμάτων προτιμώνται περισσότερο στην ιατρική διαγνωστική και σε πολλούς άλλους ερευνητικούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας των τροφίμων και της περιβαλλοντικής παρακολούθησης [8].
Ο ηλεκτροχημικός βιοαισθητήρας μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με βάση τις λειτουργίες του μορφοτροπέα που χρησιμοποιούνται για μετρήσεις σήματος. Αυτές περιλαμβάνουν πλατφόρμες μεταγωγής αγωγιμότητας και επιφανειακής φόρτισης, αμπερομετρίας και ποτενσιομετρίας. Η γενική αρχή του ηλεκτροχημικού βιοαισθητήρα (βιοηλεκτροχημεία) καθιερώνεται στην ηλεκτροχημική απόκριση που λαμβάνει χώρα πάνω ή κοντά στο ηλεκτρόδιο και ή μεταξύ των ηλεκτροδίων που οδηγούν σε. (i) ένα μετρήσιμο σήμα ρεύματος (αμπερομετρικό), (ii) σωρευτικό φορτίο ή δυναμικό (ποτενσιομετρικό) ή (iii) αλλαγές στην αγωγιμότητα του μέσου (αγωγιμότητα). [8].
Εικόνα 7. Ταξινόμηση των ηλεκτροχημικών βιοαισθητήρων με βάση τον τύπο του μορφοτροπέα και τις λειτουργίες σήματος.
Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ηλεκτροχημικοί νανοβιοαισθητήρες για την αναγνώριση ιικών νουκλεϊκών οξέων. Ένας ηλεκτροχημικός γονοαισθητήρας που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση του SARS αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας μια μονοστιβάδα θειολιωμένων ολιγονουκλεοτιδίων αυτοσυναρμολογημένων σε ηλεκτρόδια άνθρακα επικαλυμμένα με νανοσωματίδια χρυσού. Οι ολιγονουκλεοτιδικές αλληλουχίες είναι ακριβείς στην νουκλεοκαψιδική πρωτεΐνη του SARS και η ιογενής μόλυνση ανιχνεύεται μέσω ενζυματικής ενίσχυσης του ιικού DNA. Ο νανοβιοαισθητήρας βοηθά στην ευπαθή ανίχνευση του SARS. Ένας ηλεκτροχημικός νανοβιοαισθητήρας που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού που άλλαξε με ηλεκτρόδιο άνθρακα και ανασυνδυασμένη πρωτεΐνη ακίδας S1 ως βιοδείκτη σχεδιάστηκε για την ανίχνευση MERS-CoV. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση κρατά επίσης την υπόσχεση για την ανίχνευση κοροναϊών. Λόγω της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας, ο βιοαισθητήρας δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας υπόστρωμα εμπλουτισμένο με φθόριο και νανοσωματίδια χρυσού ως ενισχυτή σήματος. [10].
Η τροποποίηση διεπαφών ηλεκτροχημικής ανίχνευσης με νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs) παρουσιάζει βελτιωμένες εφαρμογές και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση του MERS-CoV. Τα AuNPs λειτουργούν ως διεπαφές εργασίας που διαθέτουν ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες και επιτρέπουν την ενίσχυση της ηλεκτρικής αντίδρασης (Εικόνα 8). Ένας ανοσοαισθητήρας σχεδιάστηκε για να ανιχνεύει τον ιό MERS-CoV που συνδέει την προοπτική ηλεκτροχημικών αισθητήρων και νανοσωματιδίων χρυσού. Ο νανοβιοαισθητήρας έχει αναπτυχθεί με μια δέσμη νανοσωματιδίων χρυσού επικαλυμμένα με ηλεκτρόδιο άνθρακα.
Εικόνα 8. Βήματα λειτουργίας για την ηλεκτροχημική πλατφόρμα ανίχνευσης COVID-19: (Α) συλλογή δειγμάτων μέσω του ρινικού επιχρίσματος ή σάλιου, (Β) εξαγωγή RNA, (Γ) ακινητοποίηση εκχυλίσματος RNA στην κορυφή της πλατφόρμας γραφενίου-ssDNA-AuNP, (D ) επώαση 5 λεπτών και (Ε) καταγράψτε την ψηφιακή ηλεκτροχημική έξοδο.
Έχει παρατηρηθεί ότι η πρωτεΐνη ανασυνδυασμένης ακίδας (S1) ακινητοποιείται σε νανοσωματίδια χρυσού και ανταγωνίζεται τα σωματίδια του ιού για τη σύνδεση με το αντίσωμα. Όταν απουσιάζει η μόλυνση από τον ιό, προσκολλάται στην ακινητοποιημένη πρωτεΐνη ακίδας. Επειδή αυτή η μέθοδος νανοβιοαισθητήρα έχει μια ομάδα ηλεκτροδίων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διαφόρων κοροναϊών [5, 10] .
Ηλεκτροχημική ανίχνευση του SARS-CoV-2 με διασύνδεση γραφενίου
Οι πλατφόρμες ηλεκτροχημικής μεταγωγής μπορούν να ανιχνεύσουν ιούς ή οποιαδήποτε ζωντανά μικροβιακά παθογόνα χρησιμοποιώντας τα συγκεκριμένα στοιχεία βιοαναγνώρισής τους. Υπάρχουν διάφοροι εναλλακτικοί τρόποι για την ηλεκτροχημική ανίχνευση μηχανισμών που προκαλούν ασθένειες. Ωστόσο, η ανίχνευση γενετικών δεικτών που χρησιμοποιούν ηλεκτροχημικές πλατφόρμες ανίχνευσης δεν είναι επιρρεπής σε ανιχνεύσεις ιών λόγω των μη ανιχνεύσιμων ιικών τίτλων τους, ιδιαίτερα στην πρώιμη έναρξη των ιογενών λοιμώξεων [8, 14].
Τα τρέχοντα χρόνια, έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για την εφαρμογή στρατηγικών παρόμοιων με τα ηλεκτροχημικά γλυκόμετρο για την ανίχνευση ιών ή ιογενών λοιμώξεων. Οι Torrente-Rodríguez και όλοι ανέπτυξαν χαμηλού κόστους ενσωματωμένο φορητό ηλεκτροχημικό βιοαισθητήρα γραφενίου για ταχεία διάγνωση και βιοχημικούς δείκτες παρακολούθησης σε δείγματα ορού και σάλιου για το COVID-19 [8, 14].
Τα ηλεκτροχημικά ηλεκτρόδια αισθητήρων ήταν εγγεγραμμένα με γραφένιο σε ένα εύκαμπτο πολυμερικό υπόστρωμα πολυιμιδίου (PI) για πολυπλεγμένη ανίχνευση βιοδεικτών ιογενούς μόλυνσης (αντιγόνα και αντισώματα). Ο Torrente-Rodríguez και όλοι κατέδειξαν ποσοτική ανίχνευση συγκεκριμένων βιοδεικτών του COVID-19, όπως η πρωτεΐνη ακίδας SARS-CoV-2 (S1), η νουκλεοκαψιδική πρωτεΐνη του SARS, η CRP, ένας πρωτεϊνικός βιοδείκτης για φλεγμονή εντός φυσιολογικά σχετικών ορίων τόσο στο αίμα όσο και στο σάλιο και ειδικές ανοσοσφαιρίνες (Igs) όπως S1-IgM και S1-IgG. Αυτός ο χώρος χρησιμοποιεί κατασχεμένα αντιγόνα και αντισώματα σε ηλεκτρόδια γραφενίου με αυξημένη ευαισθησία με ικανότητα πολυπλεξίας για ανίχνευση πολλών κατασκευαστών SARS-Co-V2, ενώ τα δεδομένα απόκρισης που προκύπτουν μεταδίδονται ασύρματα σε φορητή κινητή συσκευή. Αυτός ο τύπος μικροσκοπικής ηλεκτροχημικής πλατφόρμας δείχνει μια μεγάλη υπόσχεση για τις μελλοντικές ηλεκτροχημικές συσκευές PoC και εξατομικευμένες συσκευές υγειονομικής περίθαλψης [8, 14].
3.1.2. Οπτικοί Νανοβιοαισθητήρες
Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών των οπτικών βιοαισθητήρων, όπως υψηλή ευαισθησία, χωρίς ετικέτες, στιβαρότητα, ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, υπολογιστικές οπτικές εξόδους, δυνατότητα σμίκρυνσης, δυνατότητες ολοκλήρωσης, φορητότητα, ικανότητα πολυπλεξίας και παροχή ταυτόχρονης ανίχνευσης διαφόρων στόχων, οπτικοί βιοαισθητήρες χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά εργαλεία για τη μόλυνση του αναπνευστικού ιού. Έτσι, οι οπτικοί βιοαισθητήρες είναι κατάλληλοι για τη ζώνη του σημείου φροντίδας [9, 10].
Εικόνα 9. Μια ασύρματη πλατφόρμα τηλεϊατρικής με βάση το γραφένιο (SARS-CoV-2 RapidPlex) για ταχεία και πολλαπλή ηλεκτροχημική ανίχνευση του SARS-CoV-2 σε αίμα και σάλιο (Α) Σχηματική απεικόνιση της πλατφόρμας τηλεϊατρικής πολλαπλών αισθητήρων SARS-CoV-2 RapidPlex για ανίχνευση Ιικές πρωτεΐνες SARS-CoV-2, αντισώματα (IgG και IgM) και φλεγμονώδης βιοδείκτης C-αντιδρώσα πρωτεΐνη (CRP). Τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν ασύρματα σε μια κινητή διεπαφή χρήστη. WE, ηλεκτρόδιο εργασίας. CE, αντίθετο ηλεκτρόδιο. RE, ηλεκτρόδιο αναφοράς. (Β) Μαζικής παραγωγής συστοιχίες αισθητήρων γραφενίου χαραγμένες με λέιζερ. (Γ) Φωτογραφία μιας μιας χρήσης και εύκαμπτης συστοιχίας γραφενίου. (Δ) Εικόνα συστήματος SARS-CoV-2 RapidPlex με διάταξη αισθητήρων γραφενίου συνδεδεμένη σε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος για επεξεργασία σήματος και ασύρματη επικοινωνία.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανονήσους χρυσού και το γραφένιο χρησιμοποιούνται κυρίως σε οπτικούς και ηλεκτροχημικούς βιοαισθητήρες. Νανονησί χρυσού κατασκευασμένα από μικροσκοπικές νανοδομές χρυσού μπορούν να κατασκευαστούν με τεχνητά συντιθέμενους υποδοχείς DNA και συμπληρωματικές αλληλουχίες RNA του SARS-CoV-2 σε γυάλινο υπόστρωμα. Επειδή το COVID-19 είναι ένας μονόκλωνος ιός RNA, ο υποδοχέας του νανοβιοαισθητήρα δρα ως συμπληρωματική διαδοχή της αλληλουχίας RNA του κοροναϊού και ανιχνεύει τον ιό. Το LSPR (τοπικός συντονισμός πλασμονίου επιφανείας) χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση της δέσμευσης της αλληλουχίας RNA στον αισθητήρα. Μετά τη σύνδεση των μορίων στην επιφάνεια του νανοβιοαισθητήρα, ο τοπικός δείκτης υπερύθρων αλλάζει και ένας οπτικός νανοβιοαισθητήρας υπολογίζει τις τροποποιήσεις και προσδιορίζει την ύπαρξη κλώνων RNA [9, 10].
Συγκεκριμένα, η εξαιρετικά αποτελεσματική ανίχνευση του SARS-CoV-2 βάσει οπτικού βιοαισθητήρα έχει παρουσιαστεί με συντονισμό και φθορισμό επιφανειακού πλασμονίου. Όταν ένας οπτικός βιοαισθητήρας συνδέεται με τη μέθοδο συντονισμού επιφανειακού πλασμονίου, η μέθοδος που προκύπτει είναι πολύτιμη για την ταχεία διάγνωση της μόλυνσης από SARS, περισσότερο από τις ενζυμικές ανοσοπροσροφητικές δοκιμασίες (ELISA). Ένας βιοαισθητήρας με δυνατότητα οπτικών ινών που βασίζεται σε εντοπισμένο φθορισμό που σχετίζεται με το πλασμόνιο επιφάνειας (LSPCF) μπορεί να ανιχνεύσει την ανασυνδυασμένη πρωτεΐνη Ν (SARS-CoV-N) χρησιμοποιώντας AuNPs. Επισημάνθηκε ότι ένα απόθεμα ιού τόσο μικρό όσο 106 σωματίδια/mL μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας έναν βιοαισθητήρα νανο-ενεργοποιημένου βασισμένου σε οπτικές ίνες εντός 15 λεπτών. Αυτές οι έρευνες δείχνουν ότι οι ιογενείς λοιμώξεις του αναπνευστικού μπορούν να διαγνωστούν γρήγορα και έγκαιρα με τη χρήση νανοϋλικών [9].
Εικόνα 10. Μια σχηματική απεικόνιση ενός οπτικού βιοαισθητήρα
3.1.3. Βιοαισθητήρες με βάση το γραφένιο
Μια συσκευή FET (τρανζίστορ φαινομένου πεδίου) που βασίζεται σε γραφήματα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ιικού φορτίου SARS-CoV-2 σε ρινοφαρυγγικά επιχρίσματα ασθενών με COVID-19. Ο νανοβιοαισθητήρας FET με βάση το γραφένιο αποτελείται από ένα φύλλο γραφενίου ως περιοχή ανίχνευσης, που μετακινείται σε ένα υπόστρωμα SiO2/Si και αντίσωμα ακίδας SARS-CoV-2 ακινητοποιημένο στο φύλλο γραφενίου. Οι βιοαισθητήρες βοηθούν στην ανίχνευση αιχμής αντιγόνου SARS-CoV-2 ακόμη και σε συγκέντρωση 1 fg/mL σε ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών [10].
Οι βιοαισθητήρες με βάση το γραφένιο είναι πολύτιμοι για τη δοκιμή και την ανίχνευση αιχμής [9]:
- γλυκόζη αίματος
- ρυθμός αναπνοής
- θερμοκρασία σώματος σε πραγματικό χρόνο·
- πίεση αίματος
- ιός
- μικρά μόρια
Λόγω της οικονομικής απόδοσης, της υψηλής συσχέτισης και της ευκολίας κατασκευής, τα νανοϋλικά με βάση το γραφένιο είναι τα πιο ελκυστικά υλικά για βιοαισθητήρες. Για παράδειγμα, ένας βιοαισθητήρας που βασίζεται σε τρανζίστορ έχει αναπτυχθεί με επιτυχία για να ανιχνεύει SARS-CoV-2 (πρωτεΐνη ακίδας). Ο βιοαισθητήρας κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας φύλλα γραφενίου επικαλυμμένα με τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (FET) με ένα συγκεκριμένο αντίσωμα (Εικόνα 9). Το γραφένιο και τα παράγωγά του παρουσιάζουν κατάλληλη ακεραιότητα συσκευές βιοαισθητήρα που βασίζονται σε FET για τη σύλληψη ιών, καθώς έχουν οφέλη σε σχέση με άλλες διαγνωστικές μεθόδους που είναι διαθέσιμες επί του παρόντος [9].
Οι συσκευές βιοαισθητήρα που βασίζονται σε FET μπορούν να κάνουν ευαίσθητες και στιγμιαίες μετρήσεις χρησιμοποιώντας μικρές ποσότητες αναλυτών. Επιπλέον, οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε FET έχουν πιθανή και χρησιμότητα στην κλινική διάγνωση, την ανίχνευση επί της όρασης και τις δοκιμές στο σημείο της φροντίδας. Μια μη ενισχυμένη και γρήγορη πλατφόρμα νανοαισθητήρα δημιουργήθηκε για την ανίχνευση του RNA του SARS-CoV-2 σε δείγματα ανθρώπινου επιχρίσματος λαιμού. Ένας αισθητήρας τρανζίστορ φαινομένου πεδίου γραφενίου (G-FET) σχεδιάστηκε για να απεικονίσει το νανοσωματίδιο χρυσού (AuNP). Στις επιφάνειες των AuNPs, ακινητοποιήθηκαν συμπληρωματικοί ανιχνευτές φωσφοροδιαμιδικής μορφολινο ολίγο (PMO). Αυτός ο αισθητήρας κατευθύνει σε χαμηλό σήμα φόντου, καθώς το PMO είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στο SARS-CoV-2 RdRp. Όταν ένα τρανζίστορ φαινομένου γραφενίου συνδέεται με έναν βιοαισθητήρα που βασίζεται στο CRISPR-Cas9, θα είναι σε θέση να ανιχνεύει μη ενισχυμένα γονίδια-στόχους και, επομένως, θα μπορούσε να αξιολογηθεί για ιικούς στόχους, όπως τα νουκλεϊκά οξέα του SARS-CoV-2 [9]:
3.1.4. Χειρικοί Νανοβιοαισθητήρες
Οι χειραλικοί βιοαισθητήρες θα βρίσκονται σύντομα στην πρωτοπορία του τομέα της βιονανοτεχνολογίας λόγω της υπερευαισθησίας τους και του γρήγορου χρόνου απόκρισής τους. Θα συμβάλουν καθοριστικά στην πανδημία SARS-CoV-2. Η δημοτικότητα των νανο-χειροπτικών έχει εκραγεί λόγω των καινοτόμων μεθόδων για την κατασκευή μεταλλικών νανοδομών με ρυθμιζόμενη μορφολογία επιφάνειας και την ολοκλήρωση της νανοσυναρμολόγησής τους. Αυτό προσφέρει απαράμιλλη ισχύ στις ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητές τους. Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα τέτοιων νανοϋβριδικών δομών είναι ότι βελτιώνουν τη χειροπτική αντίδραση, η οποία θα μπορούσε να έχει σημαντικό ενδιαφέρον σε διάφορες εφαρμογές που συνδέονται με τη χειρόμορφη βιοαισθητήρα, ανοίγοντας νέες ερευνητικές περιοχές. Σε σύγκριση με τα φυσικά χειρόμορφα μόρια, οι χειρόμορφες πλασμονικές νανοδομές όχι μόνο οδηγούν σε σημαντικά χειροπτικά αποτελέσματα, αλλά παρουσιάζουν επίσης εντελώς μοναδικές ιδέες υπερχειρικού φωτός σε τεχνολογικές εφαρμογές [2, 5].
Εικόνα 11. Ανίχνευση του SARS-CoV-2 με χρήση FET: Το σχηματικό δείχνει μια συλλογή βιολογικών δειγμάτων από έναν ασθενή και την εφαρμογή τους στην περιοχή ανίχνευσης με βάση το γραφένιο ενός βιοαισθητήρα FET. Τα συμβάντα δέσμευσης που σχετίζονται με τον ιό SAR-CoV2 μπορούν να καταγραφούν από τον αισθητήρα σε πραγματικό χρόνο.
Ο Ahmed et al. ανέπτυξε μια αυτοσυναρμολογούμενη τεχνική για την ανάπτυξη ενός χειρόμορφου ανοσοαισθητήρα χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού και κβαντικές κουκκίδες. Οι κβαντικές κουκκίδες ζιρκονίου και τα μαγνητικά νανοσωματίδια συζεύχθηκαν με ειδικά αντισώματα για τον κορωνοϊό και αναμίχθηκαν. Παρουσία ενός ιικού στόχου, τόσο οι κβαντικές κουκκίδες όσο και τα νανοσωματίδια θα προσκολληθούν στον ιικό στόχο και θα αναπτύξουν μαγνητοπλασμονοφθορίζοντα νανουβρίδια, τα οποία ένας εξωτερικός μαγνήτης μπορεί να διαιρέσει. Η συγκέντρωση της αναλυόμενης ουσίας στη συνέχεια αποφασίστηκε με τον υπολογισμό της βεβαιότητας φθορισμού των αποκλίνων νανοϋβριδίων. Αυτή η διαδικασία ανίχνευσης έχει όριο ανίχνευσης 79,15 EID/50 μl [2, 5, 10].
3.1.5. Βιοαισθητήρας με βάση το απταμερές
Λόγω της ισχυρής μεθόδου διαλογής, τα απταμερή μπορούν να ανιχνεύσουν ιικά γονίδια, πρωτεΐνες ή οποιουσδήποτε άλλους δείκτες ιογενούς μόλυνσης. Προσαρμόζοντας τις ανεπτυγμένες δοκιμασίες, οι αισθητήρες που βασίζονται σε απταμερή μπορούν να διακρίνουν μεταξύ μολυσμένων και μη μολυσμένων κυττάρων ξενιστών ή ενεργών και ανενεργών ιικών μορφών. Λόγω των ιδιοτήτων τους, η ανίχνευση με βάση το απταμερές έχει σημαντικά οφέλη έναντι των αντισωμάτων, συμπεριλαμβανομένης της υψηλής ανθεκτικότητας σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και καταστάσεων, της απλής σύνθεσης μέσω μιας συστηματικής εξέλιξης προσδεμάτων με μέθοδο εκθετικού εμπλουτισμού (SELEX) και του εύκολου μετασχηματισμού σύμφωνα με τις ανάγκες της ανάλυσης [4].
Εικόνα 12. Ανίχνευση SARS-CoV και SARS-CoV-2 με χρήση βιοαισθητήρων που βασίζονται σε απταμερή.
Οι βιοαισθητήρες χρησιμοποιούν μηχανισμούς ανίχνευσης που βασίζονται σε αντισώματα και απταμερή. Τα απταμερή είναι πιο ανθεκτικά, πιο οικονομικά και συντίθενται πιο γρήγορα από τα αντισώματα. Τα απταμερή, επίσης γνωστά ως «χημικά αντισώματα» ή «τεχνητά αντισώματα», συχνά αναλογίζονται με αντισώματα όσον αφορά την κρίσιμη ιδιαιτερότητά τους προς τους στόχους τους. Μερικά απταμερή έχουν απομονωθεί στον SARS-CoV-2 και έχουν ενσωματωθεί σε πλατφόρμες απτααισθητοποίησης [7].
Τα απταμερή είναι ολιγονουκλεοτιδικές αλληλουχίες που μπορούν να σχεδιαστούν για να αναγνωρίζουν και να συνδέονται με διαφορετικά βιομόρια συγκεκριμένα:
- ελαττωματικά μόρια όπως αμινοξέα, νουκλεοτίδια και αντιβιοτικά.
- 67, 68 μακρομόρια όπως νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες.
- 69 και ακόμη και επιφανειακό επίτοπο που φέρει ολόκληρα βακτήρια, ιούς70 και άλλα κύτταρα.
Τα απταμερή σχηματίζουν μοναδικές τρισδιάστατες (3D) δομές ενώ στερεώνονται ειδικά σε αναλυτές. Αυτά μπορούν να μοντελοποιηθούν γρήγορα και μπορούν να ακινητοποιηθούν σταθερά στην επιφάνεια των βιοαισθητήρων. Οι βιοαισθητήρες που βασίζονται σε απταμερή (aptasensors) μπορούν να ανιχνεύσουν ποσοτικά τους αναλυτές στόχους υπολογίζοντας το σήμα που αναπτύχθηκε από τις συζευγμένες χημικές και/ή βιοχημικές επιφανειακές αλληλεπιδράσεις. Τα απταμερή έχουν θεωρηθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο διαγνωστικό εργαλείο για την ανίχνευση ιών [7].
Οι απτασητήρες είναι βιοαισθητήρες βασισμένοι σε απταμερή που έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνούν και να ποσοτικοποιούν βιομόρια στοχευόμενης αναλυόμενης ουσίας μέσω διακριτών βιοχημικών αντιδράσεων που σχετίζονται με έναν ποσοτικοποιήσιμο μηχανισμό παραγωγής σήματος. Η ανταλλαγή συγκεκριμένων απταμερών με βιομόρια-στόχους αντιπροσωπεύει τη βιοαναγνώριση και σύλληψη του γεγονότος, το οποίο επιπλέον μετατρέπεται σε ένα αναλογικό σήμα. Οι απτασητήρες που αναφέρθηκαν πρόσφατα για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 μπορούν να χωριστούν ευρέως σε δύο κατηγορίες με βάση τη φύση της μεταγωγής σήματος: οπτικούς και ηλεκτροχημικούς απτααισθητήρες [7].
3.2. Δοκιμή σημείου φροντίδας
Οι δοκιμές Point-of-Care, όπως ορίζονται από το Κέντρο Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων, είναι «διαγνωστικές εξετάσεις που εκτελούνται στον ή κοντά στο μέρος όπου συλλέγεται ένα δείγμα και παρέχουν αποτελέσματα εντός λεπτών και όχι ωρών. Αυτές μπορεί να είναι δοκιμές ενίσχυσης νουκελικού οξέος (NAAT), αντιγόνου ή αντισωμάτων.» [18].
Η αγορά μολυσματικών ασθενειών με δοκιμές σημείου φροντίδας (POCT) αντιπροσωπεύει μια ευοίωνη και ουσιαστική αύξηση στα παγκόσμια in-vitro διαγνωστικά (IVD) του κλάδου. Η αυξανόμενη εξάπλωση του ιού της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας (HIV), της φυματίωσης (ΤΒ) και της ελονοσίας στις αναπτυσσόμενες χώρες και ο κίνδυνος εμφάνισης και επανεμφάνισης μολυσματικών ασθενειών όπως το αναπνευστικό σύνδρομο της Μέσης Ανατολής (MERS), το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο (SARS), Ο ΖΙΚΑ, μια ποικιλία στελεχών της γρίπης και ο ιός του Δυτικού Νείλου είναι παράγοντες που ενισχύουν την ανάγκη για POCT [6].
Οι μεταδοτικές ασθένειες αποτελούν σημαντική απειλή για την ανθρώπινη υγεία και οδηγούν σε περισσότερους από τους μισούς θανάτους παγκοσμίως. Επιπλέον, οι ευρέως διαδεδομένες μεταδοτικές ασθένειες έχουν αυξήσει συνεχώς τα ποσοστά θνησιμότητας στις αναπτυσσόμενες χώρες. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος περιορισμού της επιδημίας είναι η έγκαιρη διάγνωση, η οποία είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν κοινές προσεγγίσεις λόγω του ακριβού και εκτεταμένου εξοπλισμού, των ειδικών και της αργής παραγωγής δεδομένων. Έτσι, οι γρήγορες μέθοδοι POCT είναι απαραίτητες για την υπέρβαση αυτών των επιβαρύνσεων με τη σμίκρυνση και τη μείωση του κόστους της συσκευής και την παροχή προσβάσιμων, γρήγορων, εύχρηστων διαγνωστικών εξετάσεων χωρίς εξειδικευμένη εκπαίδευση [6].
Η δοκιμή POC επιτρέπει τη διάγνωση μολυσμένων ατόμων χωρίς αποστολή δειγμάτων ασθενών σε εργαστήρια. Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό για μέρη ή κατοίκους που δεν διαθέτουν την κατάλληλη εργαστηριακή υποδομή για τη δοκιμή δειγμάτων. Το βασικό μέρος της δοκιμής PoC είναι ο βιοαισθητήρας, ο οποίος χρησιμοποιείται για την επίτευξη βιοχημικής ανάλυσης για την ανίχνευση του παθογόνου.
Τα πλεονεκτήματα της χρήσης της δοκιμής PoC είναι [4].
- ελάχιστη κατάσταση χώρου για δοκιμή και αποθήκευση.
- ανάλυση ευρείας κλίμακας.
- Η δοκιμή μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διάφορες τοποθεσίες.
- προσαρμόσιμο στην κάλυψη διαφόρων ιατρικών αναγκών.
Εικόνα 13. Σχηματική απεικόνιση της ποσοτικής αξιολόγησης του SARS-CoV-2 με χρήση του απτααισθητήρα που βασίζεται σε SERS. (α) Αφού τα προϊόντα λύσης SARS-CoV-2 απελευθερώσουν τις πρωτεΐνες-στόχους ακίδας, αυτές αναγνωρίζονται από τα DNA απταμερών στις επιφάνειες του νανοοποκορνίου Au. Τα συνδεδεμένα με την πρωτεΐνη S απταμερή απομακρύνονται από τις επιφάνειες του νανοποκόκορν Au, οδηγώντας σε μειωμένη ένταση κορυφής Raman των ανταποκριτών Cy3. (β) Τα DNA απταμερών με επισήμανση Cy3 υβριδοποιούνται με DNA σύλληψης στο υπόστρωμα νανοποκορν Au. Τα εσωτερικά πρότυπα 4-MBA ακινητοποιούνται μαζί με DNA απταμερών στο υπόστρωμα νανοποκόκορν Au. (γ) Η αναγνώριση της πρωτεΐνης SARS-CoV-2 S προκαλεί μια διαμορφωτική αλλαγή των απταμερών DNA, επιτρέποντας στα DNA απταμερών να συνδεθούν με το RBD στην πρωτεΐνη ακίδας.
Ένα από τα πιο ελκυστικά POCT είναι αυτά που βασίζονται στους κολομετρικούς βιοαισθητήρες καθώς επιτρέπουν την ανίχνευση της αναλυόμενης ουσίας μέσω εύκολων αλλαγών χρώματος που είναι παρατηρήσιμες στο μη υποβοηθούμενο μάτι [5].
Εικόνα 14: Χρωματομετρική ανίχνευση ιού με βάση νανοσωματίδια. Αυτό το σχήμα απεικονίζει τον μηχανισμό με τον οποίο ο ιός προκαλεί συσσώρευση νανοσωματιδίων, οδηγώντας σε αλλαγή χρώματος από κόκκινο σε μοβ.
Οι Kim et al. δημιούργησε μια χρωματομετρική ανάλυση που χρησιμοποιεί νανοσωματίδια χρυσού για την ανίχνευση του ιού MERS-CoV. Πρότειναν μια χρωματομετρική ανάλυση που βασίζεται σε μια εκτεταμένη δομή δικλωνικού DNA (dsDNA) αυτοσυναρμολογούμενου θωρακισμένου χρυσού. Αυτή η ανάλυση χρησιμοποιεί δύο ανιχνευτές τροποποιημένους με θειόλη και νανοσωματίδια νανοσωματιδίων χρυσού (AuNPs) με κάλυψη με κιτρικό άλας (AuNPs) υπό θετικό ηλεκτρολύτη (π.χ. 0,1 M MgCl2) [5, 6].
Η χρωματομετρική δοκιμή με βάση νανοσωματίδια χρυσού δημιουργεί ένα διάλυμα νανοσωματιδίων χρυσού που συλλέγει τον ιό και δείχνει μια παρατηρήσιμη αλλαγή χρώματος στο υγρό. Αυτό δίνει ένα γρήγορο τεστ για τον COVID-19 γυρίζοντας το χρώμα των νανοσωματιδίων χρυσού. Αυτή η δοκιμή χαμηλού κόστους δρα πολύ καλύτερα από τις άλλες διαγνωστικές τεχνικές, παρόμοια με τις τυπικές δοκιμές PCR. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της δοκιμής είναι ότι τα νανοσωματίδια χρυσού εμφανίζουν συγκεκριμένα χρώματα επειδή απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος. Στα νανοσωματίδια χρυσού, μετράται το δείγμα που περιέχει SARS-CoV-2, με αποτέλεσμα τη συσσώρευση του ιού και προκαλεί μετασχηματισμό στο ύψος απορρόφησης που οδηγεί σε αλλαγή του χρώματος του διαλύματος. Αυτή η αλλαγή στο χρώμα θα είναι παρατηρήσιμη με γυμνό μάτι και το μειονέκτημα είναι ότι είναι εφικτή μόνο όταν το φορτίο του ιού είναι πολύ υψηλό [12].
Οι ανιχνευτές συζευγνύονται με AuNPs μέσω σημαντικών ανταλλαγών Au-S. Ελλείψει στόχου, το σύνολο των AuNPs (σε θετικό ηλεκτρολύτη) οδηγεί σε αλλαγή χρώματος, είτε οραματιζόμενη με γυμνό μάτι είτε ανιχνεύεται με μετατόπιση εντοπισμού επιφανειακού συντονισμού πλασμονίου (LSPR). Ωστόσο, η ύπαρξη ιικού στόχου προκαλεί ολοκληρωμένη αυτοσυναρμολόγηση δίκλωνου DNA, ελέγχοντας τη συσσώρευση νανοσωματιδίων χρυσού στην ύπαρξη θετικών ηλεκτρολυτών, αποθαρρύνοντας τη μετατόπιση των οπτικών ιδιοτήτων των AuNPs [5, 6].
Το πιθανό όριο ανίχνευσης αυτής της ανάλυσης είναι 1 pmol μl−1, επιτρέποντας την ανίχνευση μικρότερων ποσοτήτων του ιικού στόχου. Επιπλέον, η χρήση τέτοιου είδους χρωματομετρικής ανάλυσης επιτρέπει τη χαμηλού κόστους και γρήγορη διάγνωση της νόσου χωρίς την απαίτηση για εξελιγμένα εργαλεία [5].
3.3. Αλληλουχία στόχων νανοπόρων (NTS)
Η μέθοδος μεταγονιδιώματος νανοπόρου (NTS) έχει αποδειχθεί ότι ανιχνεύει αναπνευστική βακτηριακή λοίμωξη και ιούς άμεσα από κλινικά δείγματα. Επιπλέον, τα παθογόνα και τα γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά μπορούν να αναγνωριστούν σε αρκετές ώρες, πολύ πιο γρήγορα από τις συμβατικές διεργασίες καλλιέργειας ως η παραγωγή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο των προσδιοριστών αλληλουχίας νανοπόρου. Επιπλέον, η αλληλουχία νανοπόρων χρησιμοποιήθηκε για να κατευθύνει τις αλληλουχίες στο μεταγραφικό του SARS-CoV-2. Η μέθοδος NTS ανιχνεύει ταυτόχρονα τον SARS-CoV-2 και δέκα άλλους αναπνευστικούς ιούς μέσα σε μόλις 6–10 ώρες. Ως εκ τούτου, είναι κατάλληλο για την τρέχουσα διάγνωση του COVID-19. Ωστόσο, το πλαίσιο μπορεί να επεκταθεί για τη διάγνωση άλλων ιών και παθογόνων παραγόντων. Το NTS βασίζεται στην ενίσχυση 11 σχετιζόμενων με τον SARS-CoV-2 και εξαιρετικών θραυσμάτων γονιδίου (π.χ. orf1ab) χρησιμοποιώντας ένα εσωτερικό πρωτεύον πλαίσιο που ακολουθείται από αλληλούχιση του ενισχυμένου θραύσματος σε μια πλατφόρμα νανοπόρων. Αυτή η εργασία χρησιμοποιεί μια πλατφόρμα νανοπόρου για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας για την αλληλουχία μεγάλων θραυσμάτων νουκλεϊκού οξέος και την ταυτόχρονη ανάλυση της παραγωγής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Αυτό επιτρέπει την επαλήθευση των λοιμώξεων SARS-CoV-2 μέσα σε λίγα λεπτά από τον προσδιορισμό της αλληλουχίας χαρτογραφώντας τις αναγνώσεις αλληλουχίας στο γονιδίωμα SARS-CoV-2 και αναλύοντας την πρωτοτυπία, την εγκυρότητα και την ακολουθία αριθμών ανάγνωσης της ακολουθίας εξόδου [16, 17].
4. Προκλήσεις και περιορισμοί της νανοτεχνολογίας στον COVID-19
Τα συστήματα που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, παρά τα πλεονεκτήματά τους, αντιμετωπίζουν πολλαπλά εμπόδια πριν μπορέσουν να παρουσιαστούν με ασφάλεια στην αγορά. Τα πιο συνηθισμένα προβλήματα είναι:
- Επεκτασιμότητα και κόστος παραγωγής
- ,Πνευματικές και ρυθμιστικές ιδιότητες
- Πιθανή τοξικότητα και περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Ορισμένα προβλήματα στις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού υιοθετηθούν ευρέως στο σύστημα υγειονομικής περίθαλψης. Το πρωταρχικό καθήκον θα είναι η διασφάλιση της ασφάλειας των νανοϋλικών μέσω in vitro μελετών για τη βιοσυμβατότητά τους. Η μοίρα των νανοϋλικών μπορεί να μετατραπεί στο σώμα όταν ταξιδεύουν μέσω του αίματος λόγω του σχηματισμού της πρωτεΐνης κορώνα. Ως εκ τούτου, οι in vivo μελέτες πρέπει να εκτελεστούν προσεκτικά για να κατανοήσουμε καλύτερα την τοξικότητα των νανοσωματιδίων στο σώμα. Λόγω περιορισμών, γενικά πρωτόκολλα έχουν χρησιμοποιηθεί για κατηγοριοποίηση σε πρώιμο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης που υπολογίζουν εσφαλμένα τις πιθανότητες αποτυχιών στην κλινική μετάφραση της θεραπείας που βασίζεται στη νανοτεχνολογία. Απαιτείται στενότερη συνεργασία μεταξύ ρυθμιστικών φορέων, ειδικών στην επιστήμη των υλικών, τη φαρμακολογία και την τοξικολογία για να ξεπεραστούν άλλοι περιορισμοί [10].
Τεστ LO 3.2
βιβλιογραφικές αναφορές
- Abdelhamid H., and Badr G.
- (2021). Nanobiotechnology as a platform for the diagnosis of COVID‐19: a review. Nanotechnology for Environmental Engineering 6:19 https://doi.org/10.1007/s41204-021-00109-0.
- Ahmed SR., Nagy É., and Neethirajan S. (2017). Self-assembled star-shaped chiroplasmonic gold nanoparticles for an ultrasensitive chiro- immunosensor for viruses RSC Adv. 7 40849–57
- Alhalaili B., Popescu I.N., Kamoun O., Alzubi F., Alawadhia S., Vidu R. (2020). Nanobiosensors for the detection of novel coronavirus 2019-nCoV and other pandemic/Epidemic Respiratory viruses: A review. Sensors, 20, 6591.
- Gupta R., Sagar P., Priyadarshi N., Kaul S., Sandhir R., Rishi V. and Singhal N.K. (2020). Nanotechnology-Based Approaches for the Detection of SARS-CoV-2. Front. Nanotechnol. 2:589832. doi: 10.3389/fnano.2020.589832
- Jindal S., and Gopinath P. (2020). Nano Ex. 1 022003
- Kim H.,Park M.,Hwang J.,Kim J.H., Chung D-R., Lee Kand Kang M. (2019). Development of label-free colorimetric assay for MERS-CoV using gold nanoparticles ACS Sens.
- Mandal M., Dutta N., and Dutta G. (2021). Aptamer-based biosensors and their implications in COVID-19 diagnosis. Anal. Methods, 2021, 13, 5400
- Ozmen E., Kartal E., Turan M., Yazicioglu A., Hiazi J., and Qureshi A. (2021). Graphene and carbon nanotubes interfaced electrochemical nanobiosensors for the detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) and other respiratory viral infections: A review. Materials Science & Engineering C 129 (2021) 112356
- Pradhan A., Lahare P., Sinha P., Singh N., Gupta B., Kuca K., Ghosh K.K., Krejcar O. (2021). Biosensors as Nano-Analytical Tools for COVID-19 Detection. Sensors 2021, 21,7823. https://doi.org/10.3390/ s21237823
- Rai M., Bonde S., Yadav A., Bhowmik A., Rathod S., Ingle P., Gade A. (2021). Nanotechnology as a Shield against COVID-19: Current Advancement and Limitations. Viruses 2021,13,1224. https:// doi.org/10.3390/v13071224
- Satvekar R. (2021). Electrochemical nanobiosensors perspectives for COVID 19 pandemic. J. Electrochem. Sci. Eng. 00(0) (2021) 000-000; http://dx.doi.org/10.5599/jese.1116
- Tavakol S., Zahmatkeshan M., Mohammadinejad R., Mehrzadi S., Joghataei M., Alavijeh M., Seifalian A. (2021). The role of nanotechnology in current COVID-19 outbreak. Heliyon 7, e06841
- Thevenot D.R., Toth K., Durst R.A., Wilson G.S., Biosens. (2001). Bioelectron. 16:121–131.
- Torrente-Rodríguez R.M., Lukas H., Tu J., Min J., Yang Y., Xu C., Rossiter H.B., Gao W., (2020). Matter. 3: 1981–1998.
- Varghese R., Salvi S., Sood P., Karsiya J., Kumar D. (2021). Carbon nanotubes in COVID-19: A critical review and prospects. Colloid and Interface Science Communications 46: 100544
- Wang M., Fu A., Hu B., Tong Y., Liu R., et al. (2020). Nanopore target sequencing for accurate and comprehensive detection of SARS-CoV-2 and other respiratory viruses. medRxiv.
- Waris A., Ali M., Khan AU., Ali A. (2020). Baset A. Role of nanotechnology in diagnosing and treating COVID-19 during the Pandemic. Int J Clin Virol. 2020; 4: 065-070.
- https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/lab/point-of-care-testing.html
Εκπαιδευτική Μονάδα 4.1.
Covid-19 therapeutics: νανοτεχνολογία σε αντιικές θεραπείες και εμβόλια
Συγγραφείς και συνεργασίες: Rumena Petkova-Chakarova, R&D Center Biointech Ltd., Βουλγαρία
Εκπαιδευτικός στόχος: Στόχος αυτής της εκπαιδευτικής μονάδας είναι η παρουσίαση γνώσεων σχετικά με την εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην αντιική θεραπεία και τα εμβόλια.
Περίληψη
Ο SARS-CoV-2 (σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2) είναι ο αιτιολογικός παράγοντας του COVID-19. Η μόλυνση με SARS-CoV-2 συνήθως προκαλεί ήπια έως μέτρια αναπνευστικά συμπτώματα, αλλά ορισμένοι ασθενείς μπορεί να χρειαστούν νοσηλεία και εντατική φροντίδα. Ο βασικός άξονας της συντηρητικής θεραπείας για το COVID-19 είναι ο συνδυασμός κορτικοστεροειδών, αντιπηκτικών ή αντισυσσωματωμάτων και, σε περιπτώσεις βακτηριακής πνευμονίας, αντιβιοτικών. Έχουν αναπτυχθεί αρκετές εξειδικευμένες θεραπείες για τον COVID-19 (αντιικά, μονοκλωνικά αντισώματα και άλλες) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προφύλαξη πριν από την έκθεση ή ως θεραπεία στα αρχικά στάδια της λοίμωξης σε ασθενείς υψηλού κινδύνου για επιπλοκές. Η σύγχρονη νανοτεχνολογία προσφέρει μια ποικιλία λύσεων υψηλής τεχνολογίας για σκοπούς πρόληψης λοιμώξεων, διαγνωστικών, προφύλαξης μετά την έκθεση, καθώς και αποτελεσματικές θεραπείες σε περιπτώσεις που έχει ήδη αναπτυχθεί νόσος που σχετίζεται με τον SARS-CoV-2. Μπορεί εύλογα να αναμένεται ότι οι αισθητήρες, τα φάρμακα και τα εμβόλια που βασίζονται σε νανοϋλικά θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στη διαχείριση της πανδημίας στο εγγύς μέλλον.
Λέξεις-κλειδιά: COVID-19, αντιικά, μονοκλωνικά αντισώματα, εμβόλια, νανοτεχνολογία
1. Εμβόλια και θεραπείες για τον COVID-19 – μια επισκόπηση
1.1. SARS-CoV-2 και COVID-19 – μια επισκόπηση της αιτιότητας, της παθογένειας και των πιθανών προσεγγίσεων για τη μείωση του φόρτου των επιπλοκών που σχετίζονται με τον COVID-19
Στις 31 Δεκεμβρίου 2019, ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) ενημερώθηκε για έναν ταχέως αυξανόμενο αριθμό περιπτώσεων πνευμονίας άγνωστης ακόμη προέλευσης στην πόλη Γουχάν της Κίνας. Ο αιτιολογικός παράγοντας αναγνωρίστηκε από τις τοπικές αρχές στις 7 Ιανουαρίου 2020 ως άγνωστο μέχρι στιγμής μέλος της οικογένειας των βήτα-κορωνοϊών.
Το SARS-CoV-2 (σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2) είναι ο αιτιολογικός παράγοντας μιας μολυσματικής νόσου που ονομάζεται COVID-19 (συντομογραφία του Coronavirus Disease του 2019). Στις περισσότερες περιπτώσεις, η μόλυνση με SARS-CoV-2 θα προκαλέσει μόνο ήπια έως μέτρια συμπτώματα. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν οποιοδήποτε ή όλα τα ακόλουθα: ασθενοαδυναμία, αναπνευστικά συμπτώματα, ανοσμία/δυσοσμία, πονοκεφάλους, πόνους στις αρθρώσεις και τους μύες, διάρροια και/ή κοιλιακό άλγος και άλλα. Στις περισσότερες περιπτώσεις η ανάρρωση είναι αυθόρμητη, μέσα σε αρκετές ημέρες έως και δύο εβδομάδες. Ορισμένοι ασθενείς, ωστόσο, μπορεί να αναπτύξουν σύνδρομο οξείας αναπνευστικής δυσχέρειας (ARDS) ή/και προοδευτική αναπνευστική ανεπάρκεια. Σε σύγκριση με τους συγγενείς του SARS και MERS (αναπνευστικό σύνδρομο της Μέσης Ανατολής), ο COVID-19 έχει ηπιότερα κλινικά συμπτώματα και χαμηλότερα ποσοστά θνησιμότητας. Ωστόσο, οποιοσδήποτε μπορεί να προσβληθεί και να πεθάνει από SARS-CoV-2, ανεξαρτήτως φύλου και ηλικίας (αν και ο κίνδυνος θανάτου είναι υψηλότερος σε άνδρες και παιδιά και σε ενήλικες με υποκείμενο νόσημα).
1.2 Παθογένεση
Ο SARS-CoV-2 εισέρχεται στο κύτταρο με ενδοκυττάρωση μέσω του υποδοχέα ACE2 στην κυτταρική επιφάνεια, παρόμοια με τους περισσότερους κοροναϊούς. Η διαδικασία διαμεσολαβείται από τη δέσμευση της περιοχής σύνδεσης υποδοχέα (RSD) της πρωτεΐνης S (ακίδα) στον υποδοχέα ACE2 του κυττάρου στόχου [67]. Όταν ο ιός εισέρχεται στο κύτταρο, αποκαλύπτει το μονόκλωνο, θετικής αίσθησης γονιδίωμά του. Το γονιδιωματικό RNA μεταφράζεται σε δύο πολυπρωτεΐνες ρεπλικάσης που στη συνέχεια διασπώνται σε 16 μη δομικές πρωτεΐνες που σχηματίζουν το σύμπλεγμα RNA ρεπλικάσης-μεταγραφάσης που παράγει το ιικό γονιδίωμα και τα υπογονιδιωματικά αντίγραφα που φέρουν ανοιχτά πλαίσια ανάγνωσης για σύνθεση πρωτεϊνών. Το ιικό RNA και οι δομικές πρωτεΐνες στη συνέχεια συναρμολογούνται σε νέα ιικά σωματίδια που απελευθερώνονται με εξωκυττάρωση για να μολύνουν άλλα κύτταρα [66, 38]. Δεδομένου ότι το γονίδιο του υποδοχέα ACE2 εκφράζεται σε πολλούς ιστούς εκτός από τον πνεύμονα (δηλαδή, τη γαστρεντερική οδό, τους νεφρούς και άλλους [74, 15], οι ασθενείς μπορεί να αναπτύξουν τραυματισμό των πνευμόνων ή/και τραυματισμό πολλαπλών ιστών και οργάνων.
1.3. Παθομορφολογία και εργαστηριακά ευρήματα
Το κύριο παθομορφολογικό εύρημα σε ασθενείς με COVID-19 είναι η διάχυτη φατνιακή βλάβη σε συνδυασμό με παθολογικές αλλαγές στην πνευμονική αγγειακή κλίνη και το κυψελιδικό αιμορραγικό σύνδρομο [Pathology of COVID-19: Atlas, 2020]. Η συστηματική φλεγμονή με φλεγμονώδη λεμφοκυτταρική και μονοκυτταρική διήθηση ευθύνεται επίσης για τον αντίκτυπο στους ιστούς στόχους, ιδιαίτερα στον πνεύμονα και την καρδιά [22, 38]. Τυπικά εργαστηριακά ευρήματα σοβαρής μορφής COVID-19 είναι η λεμφοπενία (αν και ορισμένοι ασθενείς μπορεί να εμφανίσουν λεμφοκυττάρωση, θρομβοπενία, αυξημένο ινωδογόνο, D-διμερές, LDH, φερριτίνη, IL-2, IL-7, IL-6, χημειοκυτταρική πρωτεΐνη μονοκυττάρου 1 (MCP) , επίπεδα φλεγμονώδους πρωτεΐνης μακροφάγων 1-άλφα (MIP-1-άλφα) και παράγοντα νέκρωσης όγκου (TNF-α).
1.4. Μετάδοση και πρόληψη μόλυνσης
Ο SARS-CoV-2 είναι ασταθής εκτός του ανθρώπινου σώματος και μεταδίδεται με στενή επαφή με το μολυσμένο άτομο. Μεταδίδεται κυρίως μέσω αερομεταφερόμενων μηχανισμών. Οι πιο αποτελεσματικοί τρόποι πρόληψης ή, τουλάχιστον, επιβράδυνσης της μετάδοσής του είναι η απομόνωση, η διατήρηση ασφαλούς απόστασης από τους άλλους, το συχνό πλύσιμο των χεριών (ή/και η χρήση απολυμαντικών χεριών με βάση το 70% αιθανόλη), ο τακτικός καθαρισμός των επιφανειών και των αντικειμένων. που αγγίζονται συχνά και φορούν κατάλληλα τοποθετημένες μάσκες όταν βρίσκονται σε εσωτερικό χώρο. Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) δημοσιεύει τακτικά ενημερωμένες κατευθυντήριες γραμμές για την πρόληψη της μόλυνσης από τον SARS-CoV-2: https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/about-the-guidelines/whats-new/
1.5. Παθογενετικοί στόχοι για τη θεραπεία της λοίμωξης SARS-CoV-2
Το γονιδίωμα SARS-CoV-2 κωδικοποιεί 4 κύριες δομικές πρωτεΐνες, συγκεκριμένα: ακίδα (S), φάκελο (Ε), μεμβράνη (Μ) και νουκλεοκαψίδιο (Ν), μαζί με μη δομικές και βοηθητικές πρωτεΐνες. Τόσο το ιικό RNA όσο και οι δομικές πρωτεΐνες του ιού έχουν θεωρηθεί ως στόχοι για θεραπεία. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα αντιιικά φάρμακα στοχεύουν συνήθως την εξαρτώμενη από RNA πολυμεράση RNA του ιού, ενώ τα μονοκλωνικά αντισώματα στοχεύουν συχνότερα στις δομικές πρωτεΐνες του ιού.
1.6. Παράγοντες κινδύνου για επιπλοκές της λοίμωξης SARS-CoV-2
Οι κύριοι παράγοντες κινδύνου για ανεπιθύμητες εκβάσεις είναι το αρσενικό φύλο και οι υποκείμενες ιατρικές παθήσεις όπως οι καρδιαγγειακές παθήσεις, η νεφρική νόσος, ο διαβήτης, η χρόνια αναπνευστική νόσος και ο καρκίνος [51]. Η αποφρακτική άπνοια ύπνου είναι ένας ειδικός παράγοντας κινδύνου που αυξάνει τον κίνδυνο νοσηλείας και αναπνευστικής ανεπάρκειας σχεδόν 8 φορές [36]. Η προχωρημένη ηλικία αρχικά πιστευόταν ότι ήταν ένας σημαντικός παράγοντας κινδύνου για ανεπιθύμητες εκβάσεις, αλλά αργότερα αναγνωρίστηκε ότι η παρουσία της υποκείμενης νόσου είχε σημαντικά μεγαλύτερο βάρος από την ηλικία μόνο [https://www.cdc.gov/aging/covid19/covid19-older-adults.html; https://gis.cdc.gov/grasp/COVIDNet/COVID19_5.html].
1.7. Θεραπείες της λοίμωξης SARS-CoV-2 και των επιπλοκών της
1.7.1. Συντηρητική διαχείριση
Οι μη επιπλεγμένες περιπτώσεις του COVID-19 αντιμετωπίζονται καλύτερα με απομόνωση στο σπίτι από τους άλλους, ανάπαυση και συμπτωματική θεραπεία. Περίπου το 10-20% των μολυσμένων κινδυνεύουν να αρρωστήσουν σοβαρά και μπορεί να χρειάζονται εξειδικευμένη ιατρική φροντίδα [https://www.uptodate.com/contents/covid-19-clinical-features]. Η διαχείριση των περίπλοκων περιπτώσεων γίνεται σύμφωνα με τα καθορισμένα πρωτόκολλα του ΠΟΥ και του Κέντρου Ελέγχου Νόσων (CDC) και τοπικές τροποποιήσεις αυτών των πρωτοκόλλων. Καθώς το COVID-19 σχετίζεται με υπερφλεγμονή και προθρομβωτικές καταστάσεις, η αντιφλεγμονώδης και η αντιπηκτική και/ή η αντισυσσωματωτική θεραπεία αποτελούν ζωτικά μέρη σχεδόν οποιουδήποτε πρωτοκόλλου [https://covidprotocols.org/en/chapters/inpatient-management/]. Η βάση της αντιφλεγμονώδους θεραπείας για τον COVID-19 είναι τα κορτικοστεροειδή, κυρίως μακράς δράσης όπως η δεξαμεθαζόνη. Σε ασθενείς με σοβαρή αναπνευστική ανεπάρκεια, μπορεί να προστεθεί μεθυλπρεδνιζολόνη. Η ηπαρίνη χαμηλού μοριακού βάρους χρησιμοποιείται πιο συχνά για αντιπηκτική δράση στα πρωτόκολλα για τη θεραπεία του COVID-19, αλλά υπάρχουν άλλες επιλογές, όπως μη κλασματοποιημένη ηπαρίνη, αντιπηκτικά έμμεσης δράσης, νέα από του στόματος αντιπηκτικά, ασπιρίνη, κλοπιδογρέλη, διυδροπυριδαμόλη και άλλα. Οι ισχυρές αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες των κορτικοστεροειδών έρχονται, μεταξύ άλλων, με δυσμενείς επιπτώσεις, σε βάρος του γαστρικού ερεθισμού. Ως εκ τούτου, η χρήση γαστρικής προστασίας από ανταγωνιστές Η2 ή αναστολείς αντλίας πρωτονίων είναι συνήθως ο κανόνας. Τα αντιβιοτικά χρησιμοποιούνται σε ασθενείς με COVID-19 όταν υπάρχουν ενδείξεις δευτερογενούς βακτηριακής πνευμονίας. Η τελευταία είναι μια κοινή επιπλοκή του σοβαρού COVID-19, καθώς ο ιός παράγει, εκτός από τις άλλες επιδράσεις του, μια σοβαρή καταστολή της έμφυτης ανοσίας και μια βαθιά απορρύθμιση της ανοσολογικής σηματοδότησης στον ξενιστή [76]. Έτσι, η θεραπεία του σοβαρού COVID-19 περιλαμβάνει συχνά αντιβιοτικά ευρέος φάσματος. Τα βακτηριοκτόνα αντιβιοτικά (π.χ. πενικιλίνες, 4-κινολόνες και αμινογλυκοσίδες) προτιμώνται συνήθως έναντι των βακτηριοστατικών (π.χ. μακρολίδες και τετρακυκλίνες). Περίπου το 2% των μολυσμένων ασθενών μπορεί να αναπτύξουν προοδευτική αναπνευστική ανεπάρκεια και μπορεί να χρειαστούν εντατική φροντίδα [https://www.uptodate.com/contents/covid-19-clinical-features].
1.7.2. Ειδικές θεραπείες κατά της νόσου που σχετίζεται με τον SARS-CoV-2
Μια ποικιλία αντιιικών και μονοκλωνικών αντισωμάτων έχουν δοκιμαστεί και δοκιμαστεί για δράση κατά του SARS-CoV-2. Κυρίως, αυτά είναι προϋπάρχοντα φάρμακα που έχουν δοκιμαστεί στο παρελθόν για άλλες ασθένειες που προκαλούνται από ιούς που βασίζονται στο RNA, όπως η φαβιπιραβίρη, η ρεμδεσιβίρη, η λοπιναβίρη/ριτοναβίρη, η τοσιλιζουμάμπη και άλλες. Άλλα, όπως το nirmatrelvir (μια ένωση του πρόσφατα εγκεκριμένου φαρμάκου της Pfizer Paxlovid) και το sotrovimab αναπτύχθηκαν ειδικά για τους σκοπούς της θεραπείας του COVID-19, αν και με βάση παλαιότερα γνωστά φάρμακα ή αντισώματα.
Η έλευση των εμβολίων κατά του SARS-CoV-2 έφερε νέες δυνατότητες για τη διαχείριση των λοιμώξεων και την πρόγνωση για όσους έχουν αναπτύξει COVID-19. Ο ιός απομονώθηκε μέχρι το τέλος του 2019 [70] και η πρώτη γενετική αλληλουχία δημοσιεύτηκε λιγότερο από 2 εβδομάδες αργότερα [71]. Έτσι, η επιστημονική και ιατρική κοινότητα μαζί με τη φαρμακευτική βιομηχανία είχαν μια έγκαιρη προειδοποίηση και μπορούσαν να ενσωματώσουν και να στοχεύσουν τις προσπάθειές τους για την ανάπτυξη αποτελεσματικών θεραπειών για τον COVID-19 και εμβολίων κατά των λοιμώξεων με SARS-CoV-2 πριν το πρώτο κύμα της πανδημίας χτυπήσει το κόσμο τον Μάρτιο και τον Απρίλιο του 2020. Το πρώτο πειραματικό εμβόλιο κατά του SARS-CoV-2 (Convidecia, που αναπτύχθηκε από την CanSino Biologics) εγκρίθηκε στην Κίνα στα τέλη Ιουνίου 2020. Μέσα στους επόμενους μήνες περίπου δώδεκα εμβόλια του φορέα, του πεπτιδίου και του τύπου mRNA παρακολουθήθηκαν γρήγορα και εγκρίθηκαν για χρήση σε ενήλικες και, αργότερα, και σε παιδιά. Μέχρι τις 21 Δεκεμβρίου, τουλάχιστον 14 προϊόντα εμβολίου κατά του SARS-CoV-2 έχουν οριστικοποιηθεί και περίπου 10 ακόμη ήταν υπό ανάπτυξη (π.χ. EpiVac Corona από το Vector State Research Center of Virology and Biotechnology, και άλλα) ή υπό τελική αξιολόγηση ( π.χ. εμβολιακά προϊόντα από την BioCubaPharma, CanSinoBio, Sanofi, Clover Pharmaceuticals και άλλες). Μπορείτε να δείτε περισσότερα δεδομένα στο Status_COVID_VAX_23Dec2021.pdf (who.int).
Οι αιτήσεις για πολλά προϊόντα έχουν αποσυρθεί. Ένα από αυτά ήταν, δυστυχώς, το πρώτο εξ ολοκλήρου εμβόλιο βασισμένο σε νανοσωματίδια κατά της μόλυνσης με SARS-Cov-2 (zorecimeran, από την CureVac). Εκδόθηκε εκδήλωση ενδιαφέροντος από τον ΠΟΥ, αλλά η αίτηση αποσύρθηκε αργότερα από τον κατασκευαστή, καθώς η αποδεδειγμένη αποτελεσματικότητα της προστασίας του εμβολίου έναντι της συμπτωματικής νόσου ήταν κάτω από 50 % (δηλαδή, 48%) σε όλες τις ηλικιακές ομάδες . Το εμβόλιο έδειξε αποτελεσματικότητα 100% κατά της νοσηλείας και του θανάτου στην ομάδα μελέτης, αλλά καθώς αποτελούνταν μόνο από 134 αντικείμενα, η τελική ανάλυση επισήμανε ότι χρειάζονταν τουλάχιστον 80 επιπλέον περιπτώσεις για σωστή αξιολόγηση [https://www.reuters.com/business/healthcare-pharmaceuticals/curevacs-covid-19-vaccine-misses-efficacy-goal-mass-trial-2021-06-16/]. Έτσι, η CureVac εγκατέλειψε το έργο zorecimeran και ξεκίνησε συνεργασία με τη Sanofi-GlaxoSmithCline στην εργασία για το δικό της εμπορικό σήμα εμβολίου [https://www.reuters.com/business/healthcare-pharmaceuticals/curevac-withdraw-first-generation-covid-19-vaccine-candidate-2021-10-12/]. Μέχρι τον Ιανουάριο του 2021, ο ΠΟΥ έχει καταχωρίσει συνολικά 63 υποψήφια εμβόλια σε κλινική ανάπτυξη και άλλα 173 σε προκλινική ανάπτυξη.
2. Nano insights για τη θεραπεία και την πρόληψη του COVID-19
Η νανοτεχνολογία, όπως ορίζεται από το Κέντρο Ελέγχου Νοσημάτων στην Ατλάντα των ΗΠΑ είναι… “« ο χειρισμός της ύλης σε σχεδόν ατομική κλίμακα για την παραγωγή νέων δομών, υλικών και συσκευών… χρησιμοποιώντας υλικά με κλίμακα μήκους μεταξύ 1 και 100 νανόμετρα… στην οποία τα υλικά μεγέθους αρχίζουν να εμφανίζουν μοναδικές ιδιότητες που επηρεάζουν τη φυσική, χημική και βιολογική συμπεριφορά [τους] ”” 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. Τα νανοϋλικά έχουν συνήθως καλή διαλυτότητα σε βιολογικά υγρά και υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο που τους επιτρέπει να αλληλεπιδρούν καλά με τις βιολογικές μεμβράνες και επιτρέπει τον καλύτερο έλεγχο της απελευθέρωσης του φαρμάκου από τα κλασικά φαρμακευτικά προϊόντα.
Ο SARS-CoV-2 είναι ένας ιός μεσαίου μεγέθους (το σωματίδιο του βρίσκεται στην περιοχή των 60-140 nm), ο οποίος ταιριάζει πολύ καλά στο εύρος της νανοκλίμακας. Η σύγχρονη νανοτεχνολογία προσφέρει μια ποικιλία λύσεων υψηλής τεχνολογίας για σκοπούς πρόληψης λοιμώξεων (ανάπτυξη αποτελεσματικού εξοπλισμού ατομικής προστασίας (ΜΑΠ), ανάπτυξη εμβολίων, προφύλαξη πριν από την έκθεση, κ.λπ.). διαγνωστικά (ανίχνευση του ιού σε βιολογικά και περιβαλλοντικά δείγματα) και διαχείριση των πρώιμων σταδίων της λοίμωξης (προφύλαξη μετά την έκθεση), καθώς και αποτελεσματικές θεραπείες σε περιπτώσεις που έχει ήδη αναπτυχθεί νόσος που σχετίζεται με τον SARS-CoV-2. Μπορεί εύλογα να αναμένεται ότι οι αισθητήρες, τα φάρμακα και τα εμβόλια που βασίζονται σε νανοϋλικά θα διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στη διαχείριση της πανδημίας στο εγγύς μέλλον [52, 41].
Μέχρι σήμερα, έχει χρησιμοποιηθεί μεγάλη ποικιλία νανοϋλικών για χρήση στην ανίχνευση του SARS-CoV2, την πρόληψη μετάδοσης, τη χορήγηση φαρμάκων και εμβολίων. Μπορείτε να δείτε μια από τις καλύτερες και πιο ολοκληρωμένες κριτικές σχετικά με τη χρήση νανοϋλικών εδώ: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8308319/table/nanomaterials-11-01788-t001/?report=objectonly
2.1. Νανοϋλικά για την πρόληψη μετάδοσης του SARS-CoV-2
Το υψηλότερο φορτίο ιικών σωματιδίων SARS-CoV-2 βρίσκεται στα λεπτά αναπνευστικά σταγονίδια που απελευθερώνονται όταν ο ασθενής (ή ο προσυμπτωματικός φορέας) μιλάει, βήχει και φτερνίζεται. αλλά τα μεγάλα σταγονίδια που περιέχουν ιικά σωματίδια έχουν επίσης υψηλό δυναμικό μολύνσεως, όταν υπάρχουν σε επιφάνειες και αντικείμενα που αγγίζονται συχνά [https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/sars-cov-2-transmission.html]. Το σημαντικό μολυσματικό δυναμικό του SARS-CoV-2 αναγνωρίστηκε σε πρώιμο στάδιο της πανδημίας, αν και ήταν σημαντικά χαμηλότερο από τα επίπεδα μολυσματικότητας των μεταγενέστερων παραλλαγών Delta και Omicron [https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/variants/omicron-variant.html].
Το μέγεθος των σωματιδίων του ιού SARS-CoV-2 τους επιτρέπει να διεισδύουν εύκολα μέσω του συνήθους προστατευτικού εξοπλισμού που έχει αποδειχθεί αποτελεσματικός όταν χρησιμοποιείται έναντι άλλων κοινών αναπνευστικών ασθενειών (γρίπη, ανεμοβλογιά και άλλα). Η ανάπτυξη τροποποιημένων τύπων ΜΑΠ απαιτούσε τη χρήση νανοτεχνολογίας. Νέες νανοΐνες και ιστοί νανοϊνών αναπτύχθηκαν για χρήση σε προστατευτικές μάσκες προσώπου που φοριούνται από το ιατρικό προσωπικό και τους πρώτους ανταποκριτές. Οι μάσκες προσώπου υψηλής απόδοσης (πρότυπο FFP2, FFP3 και N95) χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό ιστών νανοϊνών και ηλεκτροστατικού φορτίου που θα μπορούσαν να προστατεύσουν από μεγάλα αναπνευστικά σταγονίδια που διαχέονται από τον ασθενή [9]. Οι μάσκες του προτύπου FFP εκτυπώνονται σε 3D για να εφαρμόζουν σφιχτά στο πρόσωπο του ατόμου που τις φοράει και μπορεί να περιλαμβάνουν ένα καλούπι για τη μύτη για τη δημιουργία αεροστεγούς σφράγισης. Η αποτελεσματικότητα διήθησης για μάσκες υψηλής απόδοσης για τα μεγαλύτερα σταγονίδια με υψηλό βαθμό ιού (>0,3 μm) αναμένεται να είναι τουλάχιστον 78% για το FFP1, 92% για το FFP2 και 98% για τις μάσκες FFP3 [https://www.protectivemasksdirect.co.uk/ffp3-masks-hse-guidance].
Επιπρόσθετη προστασία μπορεί να επιτευχθεί με εμποτισμό των στρωμάτων της μάσκας με ενώσεις με αντιμικροβιακή και αντιική δράση. Νανοϋλικά όπως ο άργυρος και τα νανοσωματίδια οξειδίου του χαλκού, μόνα τους ή που φέρουν άλλους βακτηριοκτόνες και/ή ιοκτόνες ουσίες (π.χ. ιώδιο), έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία [6, 1].
Ειδικές νανοεπικαλύψεις (με βάση το πυρίτιο, με βάση το γραφένιο και άλλες) έχουν αναπτυχθεί για να διασφαλιστεί ότι οι μάσκες είναι επαναχρησιμοποιήσιμες μετά τον καθαρισμό [14, 75].
Επιπλέον, το μέγεθος των πόρων στο φίλτρο της μάσκας μπορεί να μειωθεί με εμποτισμό με πολυμερή όπως η β-κυκλοδεξτρίνη. Πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι ενώ η ασφάλεια για τον χρήστη της μάσκας είναι ζωτικής σημασίας, μια τέλεια εφαρμογή μάσκας προσώπου μπορεί στην πραγματικότητα να οδηγήσει σε μειωμένη συμμόρφωση του χρήστη. Τυπικές χειρουργικές μάσκες και αναπνευστήρες από την προ-νανοτεχνολογία εποχή ήταν γνωστές για τη χαμηλή διαπερατότητά τους στον αέρα, με αποτέλεσμα ο χρήστης να ανησυχεί και να προσπαθεί να αγγίξει και να προσαρμόσει τη μάσκα. Οι σύγχρονες νανοΐνες που παράγονται με ηλεκτροϊνοποίηση δημιουργούν έναν εξαίσιο ιστό με εξαιρετική διαπερατότητα αέρα, βελτιώνοντας τη λειτουργικότητα των μασκών και αυξάνοντας τα αντιβακτηριακά αποτελέσματα.
Ομοίως με τις μάσκες προσώπου, η νανοτεχνολογία έχει επίσης συμβάλει στην κατασκευή ιατρικών γαντιών και άλλων ΜΑΠ. Γάντια με νανοσωματίδια αργύρου έχουν δείξει βακτηριοκτόνα και ιοκτόνα αποτελέσματα.
Μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόταση σχετικά με τη σύλληψη ιικών σωματιδίων με βάση τη νανοτεχνολογία με αλληλεπίδραση συνδέτη-υποδοχέα έγινε το 2021. Βασίστηκε στο γεγονός ότι ο SARS-CoV-2 δεσμεύεται και εισέρχεται στο κύτταρο μέσω του υποδοχέα ACE2. Έτσι, προτάθηκε ότι τα φίλτρα μύτης, οι μάσκες, τα γάντια και άλλα ΜΑΠ θα μπορούσαν να εμποτιστούν με υποδοχέα ACE2 κατασκευασμένο από τη νανοτεχνολογία που θα μπορούσε να δεσμεύσει τον επιθετικό παράγοντα και να ελαχιστοποιήσει τον κίνδυνο για τον χρήστη [2]. Τα αποτελέσματα, ωστόσο, δεν έχουν έρθει ακόμη.
Δεδομένου ότι ο SARS-CoV-2 (καθώς και ο ιός της γρίπης, HCV, HBV και HIV) είναι ένας ιός με περίβλημα, τα περισσότερα απολυμαντικά χεριών και επιφανειών που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος είναι αιθανόλης ή 2-ισοπροπανόλης. Η κρίσιμη συγκέντρωση αιθανόλης που απενεργοποιεί πλήρως τον ιό πιστεύεται ότι είναι πάνω από 35 % v/v [44]. Η αιθανόλη και η ισοπροπανόλη είναι, ωστόσο, πτητικές, εύφλεκτες, μπορεί να περιέχουν ενώσεις που είναι επιβλαβείς. Είναι επίσης σχετικά ακριβά και μπορεί να έχουν δυσμενείς επιπτώσεις όπως πονοκεφάλους, ναυτία και ζάλη όταν χρησιμοποιούνται ως σπρέι, υγρά και τζελ για τρίψιμο. Αρκετά απολυμαντικά με βάση νανοσωματίδια έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας οξείδιο του τιτανίου και νανοσωματίδια αργύρου, καθώς και κατασκευασμένες νανοδομές νερού [49, 7]. Άλλοι τύποι απολυμαντικών χεριών που βασίζονται στη νανοτεχνολογία χρησιμοποιούν υπεροξείδιο του υδρογόνου για να εξασφαλίσουν βακτηριοκτόνο και ιοκτόνο αποτέλεσμα [65].
2.2. Νανοϋλικά στη διάγνωση ιικών σωματιδίων SARS-CoV-2
Σχεδόν όλες οι πτυχές της μόλυνσης από τον SARS-CoV-2 αποτελούν πρόκληση. Ο ιός είναι εξαιρετικά μεταδοτικός, αλλά δεν θα μολυνθούν όλοι οι άνθρωποι που εκτίθενται στον ιό. Το μολυσμένο άτομο, ακόμη και όταν είναι συμπτωματικό, δεν παράγει έναν ξεχωριστό κλινικό και εργαστηριακό φαινότυπο που θα επέτρεπε την αξιόπιστη διάγνωση του COVID-19 με την κλινική εμφάνιση ή τα αποτελέσματα εργαστηριακών εξετάσεων. Η περίοδος επώασης μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 2 και 14 ημερών (αν και, προς το παρόν, πιστεύεται ότι το να παραμείνει ασυμπτωματικό πέρα από 7 ημέρες σημαίνει ότι είναι απίθανο το άτομο να έχει μολυνθεί). Η διαφορική διάγνωση ήπιων και μέτριων περιπτώσεων μπορεί να περιλαμβάνει ουσιαστικά οποιαδήποτε άλλη αναπνευστική λοίμωξη και, σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορεί να μιμείται άλλες αιτίες ταχείας επιδείνωσης της κλινικής κατάστασης, όπως φλεγμονώδη νόσο οποιασδήποτε προέλευσης, σηψαιμία, αγγειακά ατυχήματα και άλλα. Ένα σημαντικό ποσοστό περιπτώσεων μπορεί να παρουσιαστεί μόνο με ακτινολογικά στοιχεία, προκαλώντας επανειλημμένα αρνητικά τεστ για ιικό RNA. Επομένως, η ανάπτυξη ενός γρήγορου, εξαιρετικά ευαίσθητου και εξαιρετικά εξειδικευμένου διαγνωστικού τεστ για τον COVID-19 δεν έχει ακόμη έρθει, ειδικά εν όψει της τεράστιας δυνατότητας του ιού να μεταλλάσσεται περαιτέρω, αποφεύγοντας τα συνηθισμένα διαγνωστικά.
Καθώς ο COVID-19 είναι μια σύγχρονη πανδημία, η νανοτεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της αξιοπιστίας της διάγνωσης της λοίμωξης με SARS-CoV-2 από τους πρώτους μήνες μετά την αρχική έξαρση. Οι περισσότερες από τις τεχνολογίες και τις συσκευές που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 βασίζονται σε εκείνες που αναπτύχθηκαν προηγουμένως για την ανίχνευση του SARS και του MERS.
Διάφορα νανοϋλικά έχουν δοκιμαστεί και εγκριθεί για ευαίσθητη και ειδική ανίχνευση ιικών παραγόντων πριν από το ξέσπασμα του COVID-19. Μεταξύ αυτών είναι νανοσωματίδια αργύρου και χρυσού φορτωμένα με πολυπεπτίδια και πρωτεΐνες που δεσμεύουν τον χρυσό [32, 47]. Ανιχνευτές DNA ακινητοποιημένοι σε ένα ηλεκτρόδιο άνθρακα επικαλυμμένο με νανοσωματίδια χρυσού. Νανοσωματίδια χρυσού καλυμμένα με αντιπληροφοριακά ολιγονουκλεοτίδια συζευγμένα με έγχρωμο υπόστρωμα προκειμένου να εξασφαλιστεί η ταχεία οπτική ανίχνευση [39, 30, 42] και άλλα.
Το τυπικό τεστ SARS-CoV-2 χρησιμοποιεί υλικό από ρινοφαρυγγικό στυλεό ή λαιμό. Αυτή η μέθοδος δειγματοληψίας, αν και έχει χαμηλή βαθμολογία στην κλίμακα επεμβατικότητας, μπορεί να θεωρηθεί από τους ασθενείς ως παραβίαση της ιδιωτικής τους ζωής. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε κακή τεχνική λήψης επιχρίσματος για την αποφυγή παραπόνων και, αντίστοιχα, σε αυξημένο ποσοστό ψευδώς αρνητικών αποτελεσμάτων. Λιγότερο επεμβατικές προσεγγίσεις έχουν προταθεί για την ανίχνευση και τον γρήγορο έλεγχο του SARS-CoV-2 στον εκπνεόμενο αέρα χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού που βασίζονται σε βιοαισθητήρες [57, 19].
Τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο στη μοριακή διάγνωση των κοροναϊών για την εξαγωγή νουκλεϊκών οξέων από βιολογικά και περιβαλλοντικά δείγματα [20]. Αυτή ήταν η βάση για την ανάπτυξη ενός εξειδικευμένου πρωτοκόλλου εξαγωγής για τον SARS-CoV-2 με χρήση νανοσωματιδίων φερρίτη ψευδαργύρου [58; 76].
Οι κβαντικές κουκκίδες είναι κρύσταλλοι σε μέγεθος νανοκλίμακας τεχνητής προέλευσης που περιέχουν διεγέρσιμα ηλεκτρόνια με μήκη κύματος διέγερσης και εκπομπής που υπόκεινται σε διακύμανση από τον χρήστη. Διαθέτουν ημιαγωγικές και φθορίζουσες ιδιότητες. Οι οπτικές ιδιότητες των κβαντικών κουκκίδων και, συγκεκριμένα, η συσχέτιση μεταξύ μεγέθους και οπτικών χαρακτηριστικών τους επιτρέπουν να χρησιμοποιηθούν ως ανιχνευτές απεικόνισης σε βιοαισθητήρες. Μετά το πρώτο ξέσπασμα του SARS, οι κβαντικές κουκκίδες έχουν χρησιμοποιηθεί σε έναν βιοαισθητήρα για την ανίχνευση του αντιγόνου πρωτεΐνης νουκλεοκαψιδίου SARS [56]. Το 2020, οι Liu et al., πρότειναν ότι η ίδια τεχνολογία μπορεί ενδεχομένως να προσαρμοστεί για ανίχνευση για τον SARS-CoV-2 [33].
Οι κουκκίδες άνθρακα, οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα νανοδιαμάντια έχουν χρησιμοποιηθεί για τον εμπλουτισμό και τη συγκέντρωση δειγμάτων με σκοπό τη βελτιωμένη ευαισθησία του ιικού νουκλεϊκού οξέος χαμηλής αντιγραφής [72].
Τα νανοένζυμα είναι μόρια σε μέγεθος νανοκλίμακας τεχνητής προέλευσης που διαθέτουν καταλυτική δράση. Πρόσφατα, αναπτύχθηκε μια ταχεία και ευαίσθητη ανάλυση με βάση τις λωρίδες χαρτιού για τον SARS-CoV-2 χρησιμοποιώντας νανοένζυμο Co-Fe υπεροξειδάσης αιμίνης αντί για φυσική υπεροξειδάση [33]. Το τεστ παρείχε, σύμφωνα με τους συγγραφείς, ένα χαμηλότερο όριο ανίχνευσης τόσο χαμηλό όσο 10 pg/mL του αντιγόνου πρωτεΐνης S, με το τεστ να ολοκληρώνεται σε περίπου 15 λεπτά.
Η ορολογική ανίχνευση του SARS-CoV-2 έχει επίσης ωφεληθεί από την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας. Το 2020, οι Huang et al. ανέπτυξε μια ανάλυση για την ταχεία ανίχνευση IgM έναντι του SARS-CoV-2 χρησιμοποιώντας ιική νουκλεοπρωτεΐνη συζευγμένη με νανοσωματίδια χρυσού, λαμβάνοντας αποτελέσματα σε λιγότερο από 15 λεπτά [23].
3. Νανοτεχνολογία για την καταπολέμηση του COVID-19: θεραπευτική έρευνα
Οι νανοτεχνολογίες έχουν τη δυνατότητα να γίνουν αναπόσπαστο συστατικό της ανάπτυξης θεραπειών για τον COVID-19, παρέχοντας νέες πλατφόρμες για τη χορήγηση φαρμάκων καθώς και ρύθμιση και συντονισμό της χρονικής και χωρικής απελευθέρωσης βιοδραστικών ουσιών όπως τα αντιιικά και τα μονοκλωνικά αντισώματα. Ο τομέας αναπτύσσεται ραγδαία, αν και τα αποτελέσματα υστερούν σε σχέση με την ανάπτυξη φαρμακευτικών προϊόντων με αντιικές και ανοσοτροποποιητικές ιδιότητες. Ωστόσο, η έρευνα, η τεχνολογία και η κλινική ιατρική παρουσίασαν ένα μέτωπο τόσο ενωμένο όσο ποτέ άλλοτε όταν η ανθρωπότητα ήρθε πρόσωπο με πρόσωπο με τον SARS-CoV. Θα μπορούσε εύλογα να αναμένεται ότι η ανάπτυξη νέων νανο-βασισμένων φαρμάκων και εμβολίων κατά του ιού θα επιταχυνθεί σημαντικά στο εγγύς μέλλον.
3.1. Αντιιικά φάρμακα για τον COVID-19
3.1.1. Favipiravir
Η φαβιπιραβίρη είναι αναστολέας αναλόγου γουανοσίνης της RNA πολυμεράσης που εξαρτάται από το RNA. Κυκλοφόρησε στην Ιαπωνία ως θεραπεία για τη γρίπη με την επωνυμία Avigan (Fujifilm Toyama Chemical Co, Ltd.) Αργότερα, μετά το ξέσπασμα του SARS-CoV-2, το favipiravir εισήχθη σε δοκιμαστικό φάρμακο για τον COVID-19 και τον Φεβρουάριο του 2020 χορηγήθηκε υπό το καθεστώς ενός επαναχρησιμοποιημένου φαρμάκου κατά του COVID-19 στην Κίνα (Favilavir, Zhejiang Hisun Pharmaceutical) https://www.pharmaceutical-technology.com/news/china-favilavir-testing-approval/. Αργότερα το 2020, το favipiravir εγκρίθηκε στην Ιταλία για πειραματική χρήση κατά του COVID-19 [13]. Το Favipiravir χορηγείται από το στόμα και η χρήση του γίνεται μόνο με ιατρική συνταγή. Έχουν υπάρξει αναφορές ότι το favipiravir μπορεί να προσφέρει πλεονέκτημα σε ήπιες περιπτώσεις COVID-19, ειδικά σε ασθενείς με πυρετό [27, 62], αλλά το φάρμακο εξακολουθεί να μην θεωρείται αρκετά αποτελεσματικό. Η επίσημη δήλωση της Fujifilm Toyama Chemical Co. είναι: ”… σε αυτό το στάδιο, η κλινική εφαρμογή του Avigan Tablet για τη θεραπεία της νόσου του Coronavirus (Covid-19) βρίσκεται υπό μελέτη και προετοιμασία προκειμένου να ληφθούν σαφή στοιχεία για την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια του φαρμάκου” [https://www.fujifilm.com/fftc/en/avigan].
Το 2020, προτάθηκε ένας νέος τρόπος χορήγησης του favipiravir απευθείας στο πνευμονικό επιθήλιο μέσω ενός νανογαλακτώματος [55]. Το 2021, αναπτύχθηκαν νανοσωματίδια στερεών λιπιδίων για τους σκοπούς της τοπικής παροχής favipiravir με νεφελοποίηση [64]. Αυτές οι δοκιμές γίνονται αποκλειστικά σε περιβάλλον in vitro . Οι in vivo μελέτες στο πεδίο δεν έχουν ακόμη έρθει.
3.1.2. Μολνουπιραβίρη (Lagevrio της Merck)
Η μολνουπιραβίρη είναι ένα ανάλογο ριβονουκλεοζίτη πυριμιδίνης που αναστέλλει την εξαρτώμενη από RNA πολυμεράση RNA του SARS-CoV-2 [46]. Παρόμοια με το favipiravir, το molnupiravir αναπτύχθηκε αρχικά για τη θεραπεία της γρίπης. Η άδεια χρήσης έκτακτης ανάγκης (άδεια) για το molnupiravir χορηγήθηκε από την Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Φαρμάκων των ΗΠΑ στις 23 Δεκεμβρίου 2021, την επόμενη ημέρα μετά τη χορήγηση της άδεια του Paxlovid (βλ. παρακάτω) [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-additional-oral-antiviral-treatment-covid-19-certain]. Το Molnupiravir χορηγείται από το στόμα. Η χρήση του χορηγείται μόνο με ιατρική συνταγή και ενδείκνυται σε μη νοσηλευόμενους ασθενείς με «… ήπια έως μέτρια νόσο του κορωνοϊού σε ενήλικες με θετικά αποτελέσματα άμεσου τεστ ιού SARS-CoV-2 και που διατρέχουν υψηλό κίνδυνο εξέλιξης σε σοβαρό COVID -19, συμπεριλαμβανομένης της νοσηλείας ή του θανάτου, και για τους οποίους εναλλακτικές επιλογές θεραπείας για τον COVID-19 που έχουν εγκριθεί από τον FDA δεν είναι προσβάσιμες ή κλινικά κατάλληλες ». Επί του παρόντος, η άδεια για το Molnupiravir δεν επεκτείνει τη χρήση του σε παιδιά. Η θεραπεία με Molnupiravir πρέπει να ξεκινά εντός πέντε ημερών από την έναρξη των συμπτωμάτων σε επιλέξιμους ασθενείς. Οι τρέχουσες μελέτες αναφέρουν ότι το molnupiravir μπορεί να μειώσει τον κίνδυνο νοσηλείας ή θανάτου κατά 50% σε ασθενείς σε κίνδυνο [37, 25, 69]. Η συχνότητα εμφάνισης ανεπιθύμητων ενεργειών που σχετίζονται με το φάρμακο είναι συγκρίσιμη με τη συχνότητα εμφάνισης με άλλες θεραπείες [69]. Το Molnupiravir είναι ένα από τα φάρμακα κατά του COVID που εξετάζονται για ανάπτυξη προς την κατεύθυνση της χρήσης νανοτεχνολογιών για την εξασφάλιση καλύτερης παροχής και υψηλότερης βιοδιαθεσιμότητας [25], αν και οι δοκιμές νέων νανοσκευασμάτων δεν έχουν ακόμη έρθει.
3.1.3. Ρεμντεσιβίρη
Το Remdesivir (Veklury, Gilead Sciences) ήταν μεταξύ των πρώτων ειδικών θεραπειών που εμφάνισαν σημαντικά αποτελέσματα σε ασθενείς με COVID-19. Το Remdesivir αναπτύχθηκε αρχικά για τη θεραπεία της ηπατίτιδας C και βρέθηκε ότι είναι αποτελεσματικό στην καταστολή της αντιγραφής του RNA του ιού σε ζώα που έχουν μολυνθεί με τον ιό Έμπολα [68] αλλά κατώτερο από άλλα θεραπευτικά για τον Έμπολα στον άνθρωπο [43]. Είναι ένα ανάλογο αδενοσίνης που συνδέεται με την ιική εξαρτώμενη από RNA πολυμεράση RNA και αναστέλλει την αντιγραφή του ιού με πρόωρο τερματισμό [21]. Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα αντιιικά φάρμακα για το COVID-19, το Remdesivir χρησιμοποιείται μόνο παρεντερικά, ως αργή IV έγχυση. Επίσης, σε αντίθεση με άλλα αντιιικά φάρμακα που χρησιμοποιούνται κατά του COVID, το Remdesivir ενδείκνυται για χρήση σε νοσοκομειακές εγκαταστάσεις και μόνο σε ασθενείς με σοβαρή νόσο. Αρχικά εγκρίθηκε για χρήση σε νοσηλευόμενους ενήλικες και παιδιατρικούς ασθενείς (με την προϋπόθεση ότι ήταν ηλικίας ≥12 ετών και ζύγιζαν ≥40 kg) με COVID-19 που είχαν σοβαρή νόσο και αναπνευστική ανεπάρκεια (που αποδεικνύεται από την ανάγκη χρήσης συμπληρωματικού οξυγόνου) και ήταν ήδη σε δεξαμεθαζόνη [https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/management/clinical-management/hospitalized-adults–therapeutic-management/].
Όσοι είναι επιλέξιμοι για θεραπεία με Remdesivir πρέπει να έχουν τεκμηριωμένο COVID-19 που αποδεικνύεται από θετικά αποτελέσματα απευθείας δοκιμών SARS-CoV-2 (αν και, σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει θετικό τεστ, στοιχεία από ακτινογραφία ή αξονική τομογραφία, όπως αδιαφάνεια των πνευμόνων μορφής «εσμυρισμένου γυαλιού» μπορεί να είναι αρκετό για την αιτιολόγηση της χρήσης του Remdesivir). Αργότερα, το Remdesivir εγκρίθηκε για χρήση σε μικρότερα παιδιά και σε ορισμένες ομάδες μη νοσηλευόμενων ασθενών [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-actions-expand-use-treatment-outpatients-mild-moderate-covid-19]. Η χρήση ρεμντεσιβίρης υπόκειται σε επανεξέταση σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση, αλλά γενικά αντενδείκνυται σε ασθενείς με ηπατική και νεφρική ανεπάρκεια και χορηγείται μόνο μετά από αρνητικό δερματικό τεστ υπερευαισθησίας.
Λίγες ερευνητικές εργασίες σχετικά με τη χρήση της νανοτεχνολογίας για τη βελτίωση της παροχής του remdesivir έχουν δημοσιευτεί μέχρι στιγμής. Το ένα, που βασίζεται στη χρήση νανοκυστιδίων φορτωμένων με ρεμντεσιβίρη από πολυ(γαλακτικό-συν-γλυκολικό) προφανώς μπορεί να χρησιμεύσει ως βάση για τη δημιουργία πλατφόρμας για βελτιωμένη παροχή ρεμντεσιβίρης, αλλά τα αποτελέσματα δεν απέχουν ακόμη πολύ από το σχεδιασμό του υπολογιστή [71].
3.1.4. Nirmatrelvir/Ritonavir (Paxlovid, Pfizer)
Στα τέλη Δεκεμβρίου 2002, η FDA εξέδωσε άδεια για το συνδυασμένο φάρμακο κατά του COVID-19 της Pfizer Paxlovid (νιρματρελβίρη και ριτοναβίρη). Το Nirmatrelvir είναι ένας αναστολέας πρωτεάσης τύπου 3C που αναστέλλει την κύρια ιική πρωτεάση 3CLpro που διασπά την πολυπρωτεΐνη που δημιουργείται από τη μετάφραση του ιικού mRNA προκειμένου να παραχθούν ξεχωριστά πρωτεϊνικά προϊόντα [45]. Αναπτύχθηκε στο πρότυπο ενός άλλου ομοιοπολικού αναστολέα πρωτεάσης, του lufotrelvir. Το τελευταίο ήταν επίσης στο παρελθόν υποψήφιο φάρμακο σε προκλινικές δοκιμές για τη θεραπεία του COVID-19 [5]. Η ριτοναβίρη, ένας πολύ γνωστός αναστολέας πρωτεάσης που χρησιμοποιείται συνήθως σε συν-σκευάσματα σε εξαιρετικά δραστική αντιρετροϊκή θεραπεία (HAART) για τη θεραπεία της λοίμωξης από τον HIV, δρα αναστέλλοντας το CYP3A. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μειωμένη διάσπαση του nirmatrelvir από τις πρωτεάσες και συνεπώς την αύξηση των επιπέδων του στον ορό [40]. Σύμφωνα με πρόσφατο δελτίο τύπου της Pfizer, το Paxlovid μείωσε τον κίνδυνο νοσηλείας ή θανάτου κατά 89% [https://www.pfizer.com/news/press-release/press-release-detail/pfizers-novel-covid-19-oral-antiviral-treatment-candidate]. Το Paxlovid χορηγείται από το στόμα και ενδείκνυται για τη θεραπεία της ήπιας έως μέτριας βαρύτητας νόσου του κορωνοϊού (COVID-19) σε ενήλικες και παιδιατρικούς ασθενείς (ηλικίας 12 ετών και άνω με βάρος τουλάχιστον 40 κιλά ή περίπου 88 λίβρες) που διατρέχουν υψηλό κίνδυνο για εξέλιξη σε σοβαρό COVID-19, συμπεριλαμβανομένης της νοσηλείας ή του θανάτου [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-first-oral-antiviral-treatment-covid-19]. Για καλύτερα αποτελέσματα, η θεραπεία με Paxlovid πρέπει να ξεκινήσει εντός πέντε ημερών από την έναρξη των συμπτωμάτων. Διατίθεται μόνο με ιατρική συνταγή.
Οι μελέτες για την επίδραση του Paxlovid στην πορεία του COVID-19 σε ασθενείς υψηλού κινδύνου εξακολουθούν να είναι σπάνιες, απαιτώντας περαιτέρω μελέτες για να αποσαφηνιστεί εάν πράγματι μειώνει τον κίνδυνο νοσηλείας και θανάτου. Μια μετα-ανάλυση έδειξε ότι οι ασθενείς που λάμβαναν Paxlovid εμφάνισαν όντως χαμηλότερη συχνότητα ανεπιθύμητων ενεργειών και ότι το ποσοστό των ανεπιθύμητων ενεργειών που σχετίζονται με τη θεραπεία με Paxlovid ήταν κοντά στο ποσοστό στην ομάδα εικονικού φαρμάκου [69], αλλά ο όγκος των δεδομένων εξακολουθεί να θεωρείται ανεπαρκής για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια του φαρμάκου. Ωστόσο, οι νανοτεχνολογίες δεν έχουν παίξει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη νέων συνθέσεων του Paxlovid ή των συστατικών του.
3.1.5. Lopinavir/Ritonavir
Το Lopinavir/ritonavir (Kaletra ή Aluvia από την AbbVie) είναι ένας άλλος συνδυασμός αναστολέων πρωτεάσης που έχει δοκιμαστεί στη θεραπεία του COVID-19. Είναι ένα πολύ γνωστό και ασφαλές φάρμακο για τη θεραπεία της λοίμωξης HIV. Ένα από τα γνωστά του μειονεκτήματα είναι η κακή του διαλυτότητα στο νερό, με αποτέλεσμα την ασταθή βιοδιαθεσιμότητα. Το 2016, αναφέρθηκε η ανάπτυξη κόκκων λοπιναβίρης που παρήγαγαν αυθόρμητα αυτοσυναρμολογούμενα νανοσωματίδια φορτωμένα με φάρμακο κατά την επαφή με το νερό, βελτιώνοντας σημαντικά την παροχή του φαρμάκου [48]. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως βάση για περαιτέρω ανάπτυξη αντιιικών με βάση νανοσωματίδια με βελτιωμένο προφίλ ασφάλειας και πιο αποτελεσματική παράδοση. Το Kaletra, κάποτε, επαναχρησιμοποιήθηκε ως φάρμακο COVID-19 σε νοσηλευόμενους ασθενείς. Μελέτες (συμπεριλαμβανομένης της μελέτης RECOVERY) δείχνουν ότι η χρήση του Kaletra σε ασθενείς με COVID-19 δεν μειώνει σημαντικά τον κίνδυνο επιπλοκών και θανάτου [53]. Αργότερα, οι Patel et al. έδειξε ότι το ποσοστό ανεπιθύμητων ενεργειών ήταν υψηλότερο στους ασθενείς που έλαβαν θεραπεία με λοπιναβίρη/ριτοναβίρη σε σύγκριση με ασθενείς που έλαβαν άλλες θεραπείες [60]. Ως εκ τούτου, η χρήση του ως επί το πλείστον αποθαρρύνεται επί του παρόντος.
3.2. Μονοκλωνικά αντισώματα (mAbs) για τη θεραπεία της λοίμωξης SARS-CoV-2 και του COVID-19
Τα μονοκλωνικά αντισώματα έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στη θεραπεία ανοσολογικών και αυτοάνοσων ασθενειών όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα, η ψωριασική αρθρίτιδα, η ελκώδης κολίτιδα και η νόσος του Krohn, ορισμένοι τύποι καρκίνου, ομάδες κυτοκινών που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια λοιμώξεων και σε μεταμοσχευμένους ασθενείς κ.λπ. Οι πιο συχνές ανεπιθύμητες ενέργειες των μονοκλωνικών αντισωμάτων είναι οι αντιδράσεις που σχετίζονται με την έγχυση, συμπεριλαμβανομένων των αλλεργικών αντιδράσεων και της αναφυλαξίας.
Όλα τα μονοκλωνικά αντισώματα που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος στη θεραπεία για τον COVID-19 είναι εγκεκριμένα για ασθενείς με ήπια και μέτρια συμπτώματα εκδήλωσης της νόσου που διατρέχουν κίνδυνο να αναπτύξουν σοβαρές επιπλοκές. Τα περισσότερα mAbs που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της λοίμωξης SARS-CoV-2 στοχεύουν σε δομικές πρωτεΐνες του ιού ή μπορεί να στρέφονται εναντίον βασικών παραγόντων των προφλεγμονωδών οδών που είναι εγγενείς στην παθογένεση της συστηματικής φλεγμονής στον COVID-19 (όπως είναι τοσιλιζουμάμπη, βλέπε παρακάτω). Προς το παρόν, μόνο τα μονοκλωνικά αντισώματα που στοχεύουν την πρωτεΐνη ακίδας έχουν αποδειχθεί ότι έχουν κλινικό όφελος σε μολυσμένους ασθενείς [28]. Άλλα μονοκλωνικά αντισώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προφύλαξη πριν από την έκθεση (για λεπτομέρειες, βλέπε παρακάτω).
Αρκετά εξουδετερωτικά μονοκλωνικά αντισώματα έχουν λάβει άδεια από τον FDA για χρήση σε περιβάλλοντα εξωτερικών ασθενών σε ασθενείς με επιβεβαιωμένο SARS-CoV-2. Τέσσερα από αυτά χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό (bamlanivimab και etesevimab, casirivimab και imdevimab), ενώ το sotrovimab, το bebtelovimab και το redganvimab μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνα τους. Δύο αντισώματα έχουν εγκριθεί για χρήση μόνο ως προφύλαξη πριν από την έκθεση.
3.2.1. Bamlanivimab και etesevimab (από την Ely Lilly)
Το bamlanivimab και το etesevimab (μόνο γενόσημο) συνδέονται με διαφορετικούς, αν και επικαλυπτόμενους επίτοπους στον τομέα δέσμευσης υποδοχέα πρωτεΐνης ακίδας του SARS-CoV-2. Χορηγούνται σε ενδοφλέβια έγχυση. Η δοκιμή BLAZE-1 έδειξε κλινικό όφελος του συνδυασμού σε ασθενείς με ήπια έως μέτρια συμπτώματα της νόσου ηλικίας 2 ετών και άνω [12]. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι δύο συνδυασμοί έχουν δείξει μειωμένη δραστηριότητα έναντι της παραλλαγής Omicron, η χρήση τους έχει περιοριστεί από τον FDA [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 και imdevimab ((REGEN-COV της Regeneron, Ronapreve της Roche)
Το Casirivimab και το imdevimab συνδέονται με μη επικαλυπτόμενους επίτοπους της περιοχής δέσμευσης υποδοχέα της πρωτεΐνης ακίδας. Η Επιτροπή Ανθρώπινων Φαρμάκων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Φαρμάκων (CHMP) δήλωσε ότι η συνδυασμένη χρήση του Ronapreve μειώνει σημαντικά τη νοσηλεία και τους θανάτους σε ασθενείς με COVID-19 που διατρέχουν κίνδυνο σοβαρού COVID-19 [COVID-19: Ο EMA συνιστά την έγκριση δύο φαρμάκων μονοκλωνικών αντισωμάτων | Ευρωπαϊκός Οργανισμός Φαρμάκων (europa.eu)].
3.2.3. Sotrovimab (Xevudy by GlaxoSmithKline)
Το Sotrovimab στοχεύει έναν επίτοπο στον τομέα δέσμευσης υποδοχέα της πρωτεΐνης ακίδας που διατηρείται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ του σχετικού SARS-CoV και του SARS-CoV-2. Μέχρι στιγμής, το Sotrovimab έχει δείξει αποτελεσματικότητα έναντι της παραλλαγής Omicron (VOC) [https://www.fda.gov/media/149534/download]. Χορηγείται εντός 10 ημερών από την έναρξη των συμπτωμάτων ως εφάπαξ ενδοφλέβια έγχυση ή υποδόρια σε μη νοσηλευόμενους ασθενείς με ήπιο έως μέτριο COVID-19 που διατρέχουν υψηλό κίνδυνο κλινικής εξέλιξης. Το Sotrovimab χορηγείται μόνο σε ενήλικες ασθενείς ή παιδιά ηλικίας ≥12 ετών και βάρους ≥40 kg.
3.2.4. Bebtelovimab (γενόσημο, από την Ely Lilly)
Το Bebtelovimab είναι ένα άλλο mAb στόχευσης πρωτεΐνης ακίδας που σύμφωνα με πληροφορίες διατηρεί τη δραστηριότητά του έναντι της παραλλαγής Omicron. Χορηγήθηκε άδεια από τον FDA τον Φεβρουάριο του 2022 για χρήση σε ενήλικες και παιδιατρικούς ασθενείς με ήπια έως μέτρια νόσο [https://investor.lilly.com/news-releases/news-release-details/lillys-bebtelovimab-receives-emergency-use-authorization]. Το Bebtelovimab χορηγείται ως εφάπαξ IV ένεση.
3.2.5. Tixagevimab και cilgavimab (Evusheld by Astra Zeneca)
Το Tixagevimab και το cilgavimab συνδέονται με μη επικαλυπτόμενους επίτοπους της περιοχής δέσμευσης υποδοχέα της πρωτεΐνης ακίδας [10]. Η FDA χορήγησε άδεια για τον συνδυασμό tixagevimab και cilgavimab για προφύλαξη πριν από την έκθεση. Επιλέξιμα για θεραπεία είναι άτομα που δεν έχουν μολυνθεί από τον SARS-CoV-2 και δεν έχουν έρθει σε πρόσφατη επαφή με μολυσμένο άτομο, αλλά μπορεί να διατρέχουν υψηλό κίνδυνο για ανεπαρκή ανοσοαπόκριση στον εμβολιασμό COVID-19 ή έχουν τεκμηριωμένο ιστορικό σοβαρής ανεπιθύμητης αντίδρασης σε διαθέσιμο εμβόλιο COVID-19 ή σε οποιοδήποτε από τα συστατικά του [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-new-long -ενεργά-μονοκλωνικά-αντισώματα-προ-έκθεση].
3.2.6. Regdanvimab (Regkirona, από Celltrion)
Το Regdanvimab είναι ένα ανθρώπινο μονοκλωνικό αντίσωμα που στρέφεται κατά της πρωτεΐνης ακίδας του SARS-CoV-2. Χορηγείται παρεντερικά σε μία μόνο έγχυση. Το Regdanvimab ενδείκνυται για τη θεραπεία ενηλίκων με ήπιο έως μέτριο COVID-19 που δεν χρειάζονται συμπληρωματικό οξυγόνο και που διατρέχουν αυξημένο κίνδυνο εξέλιξης σε σοβαρό COVID-19 [https://www.ema.europa.eu/en/documents/product-information/regkirona-epar-product-information_en.pdf]. Η CHMP δήλωσε ότι η χρήση του Regkirona μειώνει σημαντικά τη νοσηλεία και τους θανάτους σε ασθενείς με COVID-19 που διατρέχουν κίνδυνο σοβαρού COVID-19 [COVID-19: Ο EMA συνιστά την έγκριση δύο φαρμάκων μονοκλωνικών αντισωμάτων | Ευρωπαϊκός Οργανισμός Φαρμάκων (europa.eu)].
3.2.7. Τοσιλιζουμάμπη (Actemra, RoActemra της Roche)
Η τοσιλιζουμάμπη έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία ως βιολογική θεραπεία για μια ποικιλία αυτοάνοσων νοσημάτων, συμπεριλαμβανομένης της ρευματοειδούς αρθρίτιδας και της συστηματικής νεανικής ιδιοπαθούς αρθρίτιδας. Είναι ένα μονοκλωνικό αντίσωμα κατά του υποδοχέα ιντερλευκίνης-6. Δεδομένου ότι η IL-6 παίζει σημαντικό ρόλο στη φλεγμονή και είναι μεταξύ των πρώιμων φλεγμονωδών δεικτών στον COVID-19, αρχικά προτάθηκε ότι η στόχευση της IL-6 θα μπορούσε να μειώσει το ποσοστό θανάτων μεταξύ των νοσηλευόμενων ασθενών. Εκείνη την εποχή, πιστευόταν ότι ο κύριος παθογενετικός μηχανισμός των επιπλοκών που σχετίζονται με τον COVID-19 ήταν η αύξηση των κυτοκινών που προέκυψε από τη δυσρύθμιση των οδών σηματοδότησης της ανοσίας. Η τοσιλιζουμάμπη έλαβε άδεια από τον FDA για τη θεραπεία του COVID-19 τον Ιούνιο του 2021 [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes -φαρμακευτική θεραπεία-covid-19]. Αρκετές μεγάλες δοκιμές (RECOVERY, REMAP-CAP) έδειξαν ότι η μείωση των θανάτων που προκλήθηκαν από τη χρήση τοσιλιζουμάμπης προστέθηκε σε αυτούς που προκλήθηκαν από τη χρήση δεξαμεθαζόνης [73]. Ο αρχικός ενθουσιασμός, ωστόσο, σύντομα μετριάστηκε, καθώς η σημαντική αύξηση των τρανσαμινασών (γνωστή επιπλοκή της θεραπείας με τοσιλιζουμάμπη) εμφανιζόταν σταθερά στους περισσότερους νοσηλευόμενους ασθενείς με COVID-19 που έλαβαν θεραπεία με τοσιλιζουμάμπη. Πράγματι, πολλοί ασθενείς εμφανίζουν αύξηση των τρανσαμινασών ως αποτέλεσμα της θεραπείας για τον COVID-19, αλλά η χρήση της τοσιλιζουμάμπης αυξάνει τον κίνδυνο σοβαρής ηπατικής βλάβης. Τον Ιούλιο του 2020, η Hoffmann-LaRoche ανακοίνωσε ότι η θεραπεία με τοσιλιζουμάμπη δεν βελτίωσε την κλινική κατάσταση για ασθενείς με πνευμονία που σχετίζεται με COVID-19 και δεν μείωσε τη θνησιμότητα των ασθενών: [Η Roche παρέχει ενημέρωση για τη δοκιμή φάσης III COVACTA του Actemra/RoActemra σε νοσηλευόμενους ασθενείς με σοβαρή πνευμονία που σχετίζεται με τον COVID-19″]. Επομένως, η τοσιλιζουμάμπη δεν συνιστάται για χρήση σε ασθενείς με COVID-19. Την άνοιξη του 2021, ξεκίνησε μια δοκιμή ενός συνδυασμού παρασκευάσματος favipiravir-τοσιλιζουμάμπη που ενθυλακώθηκε σε βλεννοσυγκολλητικά κυστίδια και χορηγήθηκε μέσω νεφελοποιητή [61]. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν βγει ενθαρρυντικά αποτελέσματα.
3.3. Άλλα φάρμακα με δυνατότητα χρήσης σε ασθενείς με COVID-19
3.3.1. Νανοσωματίδια SQAd/VitE
Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το 2020 περιέγραψε την ανάπτυξη αντιφλεγμονώδους φαρμάκου που βασίζεται σε νανοσωματίδια [11]. Αυτά τα νανοσωματίδια κατασκευάστηκαν με τη σύζευξη των φυσικών ενώσεων σκουαλένιο (μια ένωση με αντιφλεγμονώδεις δράσεις) και αδενοσίνη (φυσικός ανοσοτροποποιητής), ενθυλακώνοντάς τα μαζί με μια άλλη βιολογική ένωση, την α-τοκοφερόλη (ένα αντιοξειδωτικό). Οι συγγραφείς πρότειναν ότι το φάρμακό τους με βάση το νανο χρησιμεύει ως μια νέα θεραπευτική προσέγγιση για την ασφαλή θεραπεία της φλεγμονής. Οι πρακτικές εφαρμογές δεν έχουν ακόμη έρθει.
3.3.2. Baricitinib
Τον Νοέμβριο του 2020, η FDA εξέδωσε εξουσιοδότηση για τη χρήση του συνδυασμού remdesivir-baricitinib σε νοσηλευόμενους ενήλικες και παιδιατρικούς ασθενείς ηλικίας δύο ετών και άνω με COVID-19 και σοβαρή αναπνευστική ανεπάρκεια [https://www.fda.gov/news- εκδηλώσεις/ανακοινώσεις τύπου/coronavirus-covid-19-update-fda-authorizes-drug-combination-treatment-covid-19]. Η βαρισιτινίμπη (Olumiant, από την Ely Lilly) είναι ένα προϋπάρχον φάρμακο που βασίζεται στην αναστολή των οδών σηματοδότησης που διαμεσολαβούνται από την κινάση του ιανού (JAK). Συνήθως χρησιμοποιείται ως θεραπεία δεύτερης γραμμής της ρευματοειδούς αρθρίτιδας. Το baricitinib δεν εγκρίθηκε αρχικά ως αυτόνομη θεραπεία για τον COVID-19. Το baricitinib συν ρεμντεσιβίρη αποδείχθηκε το 2021 ότι είναι ανώτερο από το remdesivir μόνο σε ασθενείς με σοβαρό COVID-19, ιδιαίτερα σε αυτούς που λαμβάνουν μη επεμβατικό αερισμό και είχαν ικανοποιητικό προφίλ ασφάλειας [26]. Τον Ιούλιο του 2021 η άδεια για τον συνδυασμό αναθεωρήθηκε. Επί του παρόντος, η βαρισιτινίμπη μόνη της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του COVID-19 [https://www.thepharmaletter.com/article/fda-authorizes-baricitinib-alone-as-treatment-for-covid-19, https://www.fda.gov/media/143822/download]
3.3.3. Φλουβοξαμίνη (Fevarin από Mylan και Luvox από Solvay Pharmaceuticals, Inc.)
Η φλουβοξαμίνη είναι ένας εκλεκτικός αναστολέας εκλεκτικής επαναπρόσληψης σεροτονίνης που χρησιμοποιείται στην κλινική ψυχιατρική εδώ και δεκαετίες. Συνήθως συνταγογραφείται για μείζονα καταθλιπτική διαταραχή και ιδεοψυχαναγκαστική διαταραχή (OCD), αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε αγχώδεις διαταραχές [17]. Έχει καλό προφίλ ασφάλειας, με χαμηλότερη συχνότητα εμφάνισης των τυπικών ανεπιθύμητων ενεργειών που σχετίζονται με τη χρήση SSRI – πονοκεφάλους, άγχος, ερεθισμό, σεξουαλικά προβλήματα και προβλήματα ύπνου και καρδιαγγειακές επιπλοκές. Τα ψυχιατρικά φάρμακα έχουν συνήθως πολλαπλούς στόχους και πολλές πιθανές ανεπιθύμητες ενέργειες. Έτσι, η δυνατότητα χορήγησης φαρμάκων ειδικά στο σημείο στόχο ήταν πάντα ένα σημαντικό ζήτημα στην κλινική ψυχιατρική. Σχεδιασμός στερεών νανοσωματιδίων λιπιδίων φορτωμένων με μηλεϊνική φλουβοξαμίνη έχουν αναφερθεί το 2019, επιδεικνύοντας υψηλή αποτελεσματικότητα παγίδευσης και αποτελεσματική απελευθέρωση του φαρμάκου [29].
Τουλάχιστον τρεις τυχαιοποιημένες δοκιμές έχουν διεξαχθεί προκειμένου να μελετηθούν οι επιδράσεις της φλουβοξαμίνης στη θεραπεία εξωτερικών ασθενών με COVID-19. Το πρώτο (STOP COVID) – έδειξε μείωση του ρυθμού κλινικής επιδείνωσης στους ασθενείς που έλαβαν θεραπεία με φλουβοξαμίνη [69]. Το δεύτερο σταμάτησε λόγω ματαιότητας από το συμβούλιο παρακολούθησης ασφάλειας δεδομένων καθώς τα αποτελέσματα των θεραπειών ήταν σημαντικά χαμηλότερα από τα αναμενόμενα [69]. Η τρίτη ήταν η μελέτη TOGETHER, η οποία έδειξε το 2022 ότι η φλουβοξαμίνη μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της σοβαρότητας των συμπτωμάτων που σχετίζονται με τον COVID-19 [54]. Συγκεκριμένα, όταν χρησιμοποιείται από του στόματος από μη νοσηλευόμενους ασθενείς με πρώιμη διάγνωση COVID-19 και υψηλό κίνδυνο επιπλοκών, η φλουβοξαμίνη σε τυπικές θεραπευτικές δόσεις προφανώς μείωσε τον κίνδυνο νοσηλείας και θανάτου [54, 69]. Τα αποτελέσματα της φλουβοξαμίνης σε ασθενείς με COVID-19 παραμένουν να φανούν σε περαιτέρω δοκιμές. Μια αίτηση για άδεια για χρήση φλουβοξαμίνης σε ασθενείς με COVID-19 υποβλήθηκε στον FDA [https://www.medpagetoday.com/special-reports/exclusives/96431] αλλά, μέχρι σήμερα, δεν υπάρχουν πληροφορίες για χορήγηση άδειας.
4. Εμβόλια για νανοσωματίδια
4.1. Ιστορικό και βασικά στοιχεία του εμβολιασμού ως μέθοδος πρόληψης μεταδοτικών ασθενειών
Τα εμβόλια έχουν γίνει το κύριο όπλο στο οπλοστάσιο της ιατρικής κατά των μολυσματικών ασθενειών από τα τέλη του XVIII αιώνα, όταν ο Edward Jenner εφάρμοσε τις πρακτικές παρατηρήσεις του σχετικά με τη φαινομενική ανοσία στην ευλογιά όσων είχαν προηγουμένως ανεμοβλογιά. Αυτό δεν ήταν, αυστηρά μιλώντας, εφεύρεση του ίδιου του Jenner, καθώς πρέπει να ήταν εξοικειωμένος με την ανατολική πρακτική της «variolisation», η οποία εισήχθη στη Βρετανία νωρίτερα τον αιώνα από τη Mary Wortley Montagu και τις μελέτες του Dr. John Fewster που απέτρεψαν τη συστολή. της ευλογιάς μολύνοντας προηγουμένως τα υποκείμενά του με ευλογιά αγελάδων [63]. Σε κάθε περίπτωση, η λαμπερή φήμη του Jenner και η υψηλή κοινωνική θέση συνέβαλαν αναμφίβολα στη θετική υποδοχή των εμβολιασμών του. Τον 20ο αιώνα, τα εμβόλια αναπτύχθηκαν γρήγορα για μια ποικιλία κοινών μολυσματικών ασθενειών και έγιναν υποχρεωτικό μέρος του ημερολογίου εμβολιασμού σε όλο τον κόσμο. Εμβόλια κατά των ενδημικών μολυσματικών ασθενειών όπως ο κίτρινος πυρετός, η εγκεφαλίτιδα που μεταδίδεται από κρότωνες, η ιαπωνική εγκεφαλίτιδα, ο τυφοειδής πυρετός και άλλα είναι επίσης διαθέσιμα και ορισμένα είναι υποχρεωτικά για ταξιδιώτες σε περιοχές με ενδημική νόσο που μπορεί να προληφθεί με εμβόλιο.
Τα εμβόλια λειτουργούν παρουσιάζοντας ένα αντιγόνο τυπικό του μολυσματικού παράγοντα στο ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή χωρίς να εμφανιστεί μόλυνση. Έτσι, ο ξενιστής μπορεί να οικοδομήσει έναν ισχυρό μηχανισμό άμυνας έναντι του προσβάλλοντος παράγοντα πριν από τη συνάντηση ή σε πολύ πρώιμα στάδια της μόλυνσης. Εμβολιασμός και ανοσοποίηση είναι διαφορετικοί όροι που, ωστόσο, συγχέονται πολύ συχνά. Η ανοσία έναντι ενός συγκεκριμένου παράγοντα μπορεί να είναι έμφυτη ή επίκτητη και μπορεί να αναπτυχθεί είτε μετά τον εμβολιασμό είτε αφού ο ξενιστής συναντηθεί με τον μολυσματικό παράγοντα και έχει διανύσει τη φυσική πορεία της μολυσματικής νόσου. Ο εμβολιασμός περιλαμβάνει την παρουσίαση μόνο του αντιγόνου (ή περισσότερων από ένα αντιγόνων, όπως στην περίπτωση των αδρανοποιημένων εμβολίων) στο ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή χωρίς τον κίνδυνο (ή, όπως με τα ζωντανά εμβόλια, σε πολύ χαμηλό κίνδυνο) προσβολής από τη σχετική ασθένεια .
4.2. Τύποι εμβολίων
Μπορεί να υπάρχουν πολλαπλοί τύποι εμβολίων για μια μεμονωμένη ασθένεια. Ιστορικά, υπήρξαν τέσσερις κύριοι τύποι εμβολίων:
- Ανενεργό (π.χ. εμβόλιο Salk κατά της πολιομυελίτιδας, εμβόλιο λύσσας, εμβόλιο ηπατίτιδας Α και άλλα).
- Ζωντανά εξασθενημένα (εμβόλιο Sabin κατά της πολιομυελίτιδας, εμβόλια κατά της ιλαράς, της παρωτίτιδας, της λοιμώδους παρωτίτιδας και άλλα).
- Εμβόλια τοξοειδών (π.χ. τοξοειδή για τον τέτανο και τη διφθερίτιδα).
- Εμβόλια υπομονάδων (π.χ. ορισμένα από τα εμβόλια κατά της γρίπης (π.χ. FluMist Quadrivalent της MedImmune), εμβόλια κατά της ηπατίτιδας Β και άλλα). Αυτά περιλαμβάνουν πεπτιδικά πολυσακχαριτικά και συζευγμένα εμβόλια.
Πρόσφατα, δύο ακόμη τύποι εμβολίων προστέθηκαν σε αυτήν τη λίστα: συγκεκριμένα, εμβόλια φορείς (π.χ. Zabdeno (κατά του Έμπολα) και αρκετά εμβόλια κατά του SARS-CoV-2) και εμβόλια mRNA (κατά του SARS-CoV-2).
Για ορισμένα από τα παλαιότερα εμβόλια (όπως το εμβόλιο της πολιομυελίτιδας), μπορεί να έχουν δοκιμαστεί διάφοροι τύποι (στην περίπτωση της πολιομυελίτιδας – ένα ζωντανό εξασθενημένο ή αδρανοποιημένο εμβόλιο, τα οποία χορηγούνται μέσω διαφορετικών οδών). Διαφορετικές χώρες μπορεί να έχουν διαφορετική πολιτική όσον αφορά τον τύπο του εμβολίου που χρησιμοποιείται στον γενικό πληθυσμό και σε ειδικές περιπτώσεις. Μέχρι την εποχή του COVID-19, ωστόσο, δεν υπήρχε τόσο μεγάλη επιλογή εμβολίων κατά του ίδιου μολυσματικού παράγοντα.
Τα εμβόλια mRNA έχουν δείξει συγκρίσιμο ή ανώτερο προφίλ ασφάλειας με τα περισσότερα άλλα εμβόλια και, όταν χορηγούνται σε τουλάχιστον δύο δόσεις, παρείχαν υψηλότερα επίπεδα προστασίας (94-95 %) έναντι της ανάπτυξης του COVID-19 και των σχετικών επιπλοκών [50, 3]. Η χυμική ανοσολογική απόκριση που προκαλείται από τα περισσότερα εμβόλια mRNA που χρησιμοποιούνται σήμερα κατά του SARS-CoV-2 τείνει να μειώνεται πέραν των 6 μηνών από τη δεύτερη δόση, η οποία προσωρινά ξεπεράστηκε με τη χρήση αναμνηστικής δόσης [31]. Επίσης, η αναμνηστική δόση αναφέρθηκε ότι αυξάνει την αποτελεσματικότητα του εμβολίου όσον αφορά περίπου 75% λιγότερες επισκέψεις στο τμήμα επείγουσας περίθαλψης που σχετίζονται με τον COVID-19 και 80% λιγότερες νοσηλείες [16].
4.3. Εμβόλια κατά του SARS-CoV-2
Επί του παρόντος, τα εγκεκριμένα εμβόλια SARS-CoV-2 ανήκουν σε τρεις από τους τέσσερις κύριους «κλασικούς» τύπους που αναφέρονται παραπάνω ή μπορεί να είναι από τους νεότερους τύπους mRNA ή φορέα.
4.3.1. Εμβόλια αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας «κλασικές» τεχνικές
Τα αδρανοποιημένα εμβόλια κατά του SARS-CoV-2 είναι και τα δύο εμβόλια που αναπτύχθηκαν από τη Sinopharm (Sinopharm BIBP και Sinopharm WIBP). Turkovac (από Ινστιτούτα Υγείας της Τουρκίας), CoronaVac (SinoVac Biotech), Covaxin (από Bharat Biotech), QazVac (από Καζακικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Βιοασφάλειας).
SΤα εμβόλια υπομονάδας βασίζονται συνήθως στην παρουσίαση της πρωτεΐνης S (ακίδα) στο ανοσοποιητικό σύστημα του εμβολιασμένου ξενιστή. Τέτοια είναι τα εξής: EpiVacCorona (από το VECTOR κέντρο βιοτεχνολογίας, Corbevax (από Biological E. Ltd.), Novavax, Soberana και το ανώνυμο εμβόλιο Sanofi-GSK.
Τα ζωντανά εξασθενημένα εμβόλια κατά του SARS-CoV-2 συγκαταλέγονται, κυρίως, στις λιγότερο δημοφιλείς επιλογές μεταξύ των εμβολίων κατά του SARS-CoV-2. Προς το παρόν, το μόνο ζωντανό εξασθενημένο εμβόλιο είναι το COVI-VAC από την Codagenix Inc., σε μια δοκιμή φάσης 1.
4.3.2. Νανοτεχνολογία για την ανάπτυξη εμβολίων κατά της λοίμωξης SARS-CoV-2
Η νεότερη γενιά εμβολίων φορέων αντιπροσωπεύεται έντονα στον κατάλογο των εμβολίων κατά του SARS-CoV-2. Τέτοια είναι το Vaxzevria της Oxford/Astra Zeneca, το εμβόλιο που αναπτύχθηκε από τους Janssen-Cilag, Sputnik V, Convidecia (CanSino Biologics) και άλλα.
Τα εμβόλια που βασίζονται σε mRNA βρίσκονται σε ανάπτυξη για τουλάχιστον 20 χρόνια, αλλά μέχρι την πανδημική εξάπλωση του SARS-CoV-2, η προσπάθεια στόχευε κυρίως στην ανάπτυξη αντικαρκινικών εμβολίων και νέων εμβολίων κατά της γρίπης. Αντιπροσωπευτικά μέλη των εμβολίων mRNA είναι η Comirnaty (από την Pfizer-BioNTech) και η Spikevax (από τη Moderna). Βασικά, δημιουργούν και ενισχύουν την ανοσία του ξενιστή έναντι του SARS-CoV-2 μέσω της παρουσίασης τεχνητά δημιουργημένου και τροποποιημένου mRNA που κωδικοποιεί μέρη της πρωτεϊνικής αλληλουχίας της πρωτεΐνης S του SARS-CoV-2. Η ανάπτυξη των εμβολίων mRNA είναι, κατ’ εξοχήν, μια νανοτεχνολογία, καθώς το mRNA που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη S συσκευάζεται σε νανοσωματίδια (π.χ. λιποσώματα). Τα σωματίδια προσλαμβάνονται από τα δενδριτικά κύτταρα και το mRNA μεταφράζεται εύκολα από τα ριβοσώματα του ξενιστή. Η ξένη πρωτεΐνη εξάγεται στην επιφάνεια των κυττάρων που παρουσιάζουν αντιγόνο και παρουσιάζεται στα Τ κύτταρα για να δημιουργήσει μια ανοσολογική απόκριση.
Τα λιποσώματα είναι κλειστά κυστίδια που αποτελούνται από μία (ή περισσότερες) διπλές στοιβάδες φωσφολιπιδίων. Η δομή τους μοιάζει με τη δομή των κυτταρικών μεμβρανών. Τα φωσφολιπίδια μπορεί να είναι φυσικής ή τεχνητής προέλευσης. Διάφορες ενώσεις μπορούν να ενθυλακωθούν εντός των κυστιδίων και μπορούν να απελευθερωθούν σε έναν συγκεκριμένο ιστό στόχο ή με τρόπο εξαρτώμενο από το χρόνο, επιτρέποντας στα λιποσώματα να χρησιμοποιηθούν για ελεγχόμενη χορήγηση φαρμάκου. Τα φωσφολιπίδια στις διπλές στοιβάδες μπορούν να τροποποιηθούν προκειμένου να επιτευχθούν οι ιδιότητες που επιθυμεί ο χρήστης – αυξημένη λιποφιλικότητα (ανάλογα με τον στόχο), αργή ή ταχεία αποσύνθεση του κυστιδίου κατά την επίτευξη του στόχου τους (προκειμένου να ελεγχθεί η απελευθέρωση φαρμάκου) , και τα λοιπά. Η σύζευξη πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG) (PEGylation) χρησιμοποιείται συνήθως στο σχεδιασμό φαρμάκων. Αυξάνει τις υδρόφοβες ιδιότητές τους και παρατείνει το χρόνο κυκλοφορίας των λιποσωμάτων στους ζωντανούς ιστούς [24] (αν και η επαναλαμβανόμενη χορήγηση μπορεί να οδηγήσει στο ακριβώς αντίθετο – βλέπε παρακάτω). Το PEG3350 (πολυαιθυλενογλυκόλη [PEG])-2000]-N,N-διτετραδεκυλακεταμίδιο) είναι ένα κοινό συστατικό σε πολλά παρασκευάσματα που χρησιμοποιούνται συνήθως – π.χ. δισκία, ενέσιμα παρασκευάσματα αποθήκης, καθαρτικά από το στόμα και άλλα. Τα συζευγμένα με PEG3350 λιποσώματα χρησιμοποιούνται επί του παρόντος τόσο στα εμβόλια Comirnaty (Pfizer BioNTech) όσο και στα εμβόλια Spikevax (Moderna). Όταν εγχέεται στους μυς, η δραστική ουσία σχηματίζει μια αποθήκη που απελευθερώνεται αργά για αρκετές ώρες έως αρκετές ημέρες, επιτρέποντας τη μετανάστευση των δενδριτικών κυττάρων στον τόπο εναπόθεσης και πρόσληψης, επεξεργασίας και παρουσίασης του αντιγόνου προκειμένου να δημιουργηθεί μια ανοσολογική απόκριση .
Γενικά, τα λιποσώματα είναι βιοσυμβατοί και μη τοξικοί φορείς για τη χορήγηση φαρμάκου. Έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία in vivo για τη χορήγηση φαρμάκων σε συγκεκριμένους στόχους, κυρίως στην κλινική ογκολογία [34, 35]. Ωστόσο, τροποποιήσεις (συμπεριλαμβανομένης της PEGylation) μπορεί να οδηγήσουν σε αυξημένη ανοσογονικότητα του παρασκευάσματος που προκύπτει. Αναφυλακτικές και άλλες ανοσολογικές αντιδράσεις έχουν περιγραφεί για μια ποικιλία παρασκευασμάτων που περιέχουν PEG (π.χ. καθαρτικά, στεροειδή αποθήκης) [59]. Τα εμβόλια mRNA συνήθως περιγράφονται ως έχοντα εξαιρετικό προφίλ ασφάλειας που αποδεικνύεται εύκολα από μια συνολική συχνότητα 0,2 % ανεπιθύμητων ενεργειών μετά τον εμβολιασμό [https://www.cdc.gov/mmwr/volumes/70/wr/mm7002e1.htm]. Αναφυλακτοειδείς αντιδράσεις, ωστόσο, έχουν αναφερθεί τόσο για το Comirnaty όσο και για το Spikevax [4, 8]. Επί του παρόντος, σχεδόν όλες οι περιπτώσεις αναφυλαξίας μετά τη χορήγηση του εμβολίου Pfizer-BioNTech πιστεύεται ότι σχετίζονται με την παρουσία του PEG3350 στο παρασκεύασμα [18]. Δεδομένου ότι η Moderna δεν αναφέρει PEG στο φύλλο ασφαλείας για το Spikevax της, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε εάν οι αναφερόμενες περιπτώσεις αναφυλαξίας μετά τον εμβολιασμό συνδέονται με την περιεκτικότητα σε PEG ή κάποια άλλη ένωση. Προς το παρόν, η επίσημη σύσταση του FDA είναι: « Εάν είστε αλλεργικοί στο PEG, δεν πρέπει να κάνετε εμβόλιο mRNA COVID-19… Εάν είστε αλλεργικοί στο πολυσορβικό, δεν πρέπει να κάνετε το εμβόλιο J&J/Janssen COVID-19. ” https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/vaccines/recommendations/specific-groups/allergies.html
Τα λιποσώματα και η σχετική τεχνολογία ενθυλάκωσης είναι μόνο πρώιμοι πρόδρομοι της πολύ ευρύτερης ποικιλίας τεχνολογιών που βασίζονται στη χρήση νανοσωματιδίων λιπιδίων. Πιθανά επόμενα βήματα είναι: βελτίωση της εξειδίκευσης του στόχου, καλύτερος έλεγχος της απελευθέρωσης φαρμάκου, ανάπτυξη λιποσωμάτων που ανταποκρίνονται σε ερεθίσματα (ευαίσθητα σε ερεθίσματα όπως αλλαγές θερμοκρασίας, pH, δέσμευση ειδικής ένωσης κ.λπ.) και πολλά άλλα. Η χρήση της νανοτεχνολογίας αναμφίβολα βελτιώνει την άμυνα έναντι των νέων πανδημιών σε όλα τα επίπεδα και επιτρέπει τη δημιουργία αξιόπιστων, πιο ισχυρών και εύκολα προσβάσιμων διαγνωστικών δοκιμών, εξοπλισμού ατομικής προστασίας, φαρμάκων και εμβολίων.
Τεστ LO 4.1
Βιβλιογραφια
- Albaz A., Rafeeq M., Sain Z., Almutairi W., Alamri A., Aloufi A., Almalki W., et al. (2021). Nanotechnology-based approaches in the fight against SARS-CoV-2. AIMS Microbiol, 7(4), 368-398.
- Aydemir D. and Ulusu N. (2020). Angiotensin-converting enzyme 2 coated nanoparticles containing respiratory masks, chewing gums and nasal filters may be used for protection against COVID-19 infection. Travel Med Infect Dis, 37, 101697.
- Baden L., El Sahly H., Essink B., Kotloff K., Frey S., Novak R., Diemert D., et al., and Zaks T, for the COVE Study Group. (2021). Efficacy and Safety of the mRNA-1273 SARS-CoV-2 Vaccine. N Engl J Med, 384(5), 403-16.
- Bigini P., Gobbi M., Bonati M., Clavenna A., Zucchetti M., Garattini S. and Pasut G. (2021). The role and impact of polyethylene glycol on anaphylactic reactions to COVID-19 nano-vaccines. Nature Nanotechnol, 16, 1169-1171.
- Boras B. Jones R., Anson B., Arenson D., Aschenbrenner L., Bakowski M., Beutler N., et al. (2021). Preclinical characterization of an intravenous coronavirus 3CL protease inhibitor for the potential treatment of COVID19. Nature Communications, 12 (1), 6055.
- Borkow G., Zhou S., Page T. and Gabbay J. (2010). A novel anti-influenza copper oxide containing respiratory face mask. PLoS One, 5(6), e1.
- Campos E., Pereira A., de Oliveira J., Carvalho L., Guilger-Casagrande M., de Lima R. and Fraceto L. (2020). How Can Nanotechnology Help to Combat COVID-19? Opportunities and Urgent Need. J Nanobiotechnol 18, 1-23.
- CDC COVID-19 Response Team and Food and Drug Administration. (2021). Allergic Reactions Including Anaphylaxis After Receipt of the First Dose of Moderna COVID-19 Vaccine — United States, December 21, 2020–January 10, 2021. MMWR Morb Mortal Wkly Rep, 70(4), 125-129.
- Chua M., Cheng W., Goh S., Kong J., Li B., Lim J., Mao L., et al. (2020). Face Masks in the New COVID-19 Normal, Materials, Testing, and Perspectives. Review Research (Wash DC), 7286735. doi, 10.34133/2020/7286735. eCollection 2020.
- Dong J., Zost S., Greaney A., Starr T., Dingens A., Chen C., Chen R., et al. (2021). Genetic and structural basis for SARS-CoV-2 variant neutralization by a two-antibody cocktail. Nature Microbiol 6 (10), 1233-1244.
- Dormont F., Brusini R., Cailleau C., Reynaud R., Peramo A., Gendron A., et al. (2020). Squalene based multidrug nanoparticles for improving mitigation of controlled inflammation in rodents. Sci Adv, 6(23), eaaz5466.
- Dougan M., Azizad M., Mocherla B., Gottlieb R., Chen P., Hebert C., Perry R., et al. (2021). A randomized, placebo-controlled clinical trial of bamlanivimab and etesevimab together in high-risk ambulatory patients with COVID-19 and validation of the prognostic value of persistently high viral load. Clin Infect Dis, ciab912.
- Dube T., Ghosh A., Mishra J., Kompella U. and Panda J. (2020). Drugs, Molecular Vaccines, Immune-Modulators, and Nanotherapeutics to Treat and Prevent COVID-19 Associated with SARS-CoV-2, a Deadly Nanovector. Review Adv Ther (Weinh), 2000172.
- El-Atab N., Qaiser N., Badghaish H., Shaikh S. and Hussain M. (2020). Flexible Nanoporous Template for the Design and Development of Reusable Anti-COVID-19 Hydrophobic Face Masks. ACS Nano, 14(6), 7659-7665.
- Fan C., Li K. and Ding Y. (2021). ACE2 expression in kidney and testis may cause kidney and testis damage after 2019-nCoV infection. Front Med (Lausanne), 13, 7:56389.
- Ferdinands J., Rao, Dixon B., Mitchell P., DeSilva M., Irving S., Lewis N., et al. (2022). Waning 2-Dose and 3-Dose Effectiveness of mRNA Vaccines Against COVID-19-Associated Emergency Department and Urgent Care Encounters and Hospitalizations Among Adults During Periods of Delta and Omicron Variant Predominance – VISION Network, 10 States, August 2021-January 2022. MMWR Morb Mortal Wkly Rep, 71(7), 255-263.
- Figgitt D. and McClellan K. (2000). Fluvoxamine. An updated review of its use in the management of adults with anxiety disorders. Drugs, 60 (4), 925-54.
- Garvey L. and Nasser S. (2021). Anaphylaxis to the first COVID-19 vaccine – is polyethylene glycol (PEG) the culprit? Br J Anaesth, 126(3), e106-e108.
- Giovannini G., Haick H. and Garoli D. (2021). Detecting COVID-19 from Breath, A Game Changer for a Big Challenge. ACS Sens, 6, 1408-1417.
- Gong P., He X., Wang K., Tan W., Xie W., Wu P. and Li H. (2008). Combination of Functionalized Nanoparticles and Polymerase Chain Reaction-Based Method for SARS-CoV Gene Detection. J Nanosci Nanotechnol, 8, 293-300.
- Gordon C., Tchesnokov E., Woolner E., Perry J., Feng J., Porter D. and Götte M. (2020). Remdesivir is a direct-acting antiviral that inhibits RNA-dependent RNA polymerase from severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 with high potency. J Biol Chem, 295(20), 6785-6797.
- Huang C., Wang Y. and Li X. (2020). Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet (London, England), 395(10223), 497-506.
- Huang C., Wen T., Shi F., Zeng X. and Jiao Y. (2020). Rapid Detection of IgM Antibodies against the SARS-CoV-2 Virus via Colloidal Gold Nanoparticle-Based Lateral-Flow Assay. ACS Omega, 5, 12550-12556.
- Harris J. and Chess RB. (2003). Effect of pegylation on pharmaceuticals. Nat Rev Drug Discov, 2(3), 214-221.
- Imran M., Arora M., Asdaq S., Khan S., Alaqel S., Alshammari M., Alshehri M., et al. (2021). Discovery, Development, and Patent Trends on Molnupiravir, A Prospective Oral Treatment for COVID-19. Review Molecules, 26(19), 5795.
- Kalil A., Patterson T., Mehta A., Tomashek K., Wolfe C., Ghazaryan V., Marconi V., et al., and ACTT-2 Study Group Members. (2021). Baricitinib plus Remdesivir for Hospitalized Adults with Covid-19. Randomized Controlled Trial N Engl J Med, 384(9), 795-807.
- Krishnan H., Leema M., Gopika G., Hari Prasad P., Rajan A., Anil A., Dev A. and Pillai Z. (2021). SARS CoV-2, Progression and treatment protocols – An overview. Mater Today Proc, 46, 3144-3147.
- Kumar R., Lee M., Mickael C., Kassa H., Pasha Q., Tuder R. and Graham B. (2020). Pathophysiology and potential future therapeutic targets using preclinical models of COVID-19. ERJ Open Res, 6(4), 00405-2020.
- Kumar A., Mancy S., Manjunath K., Kulkarni S. and Jagadeesh R. (2019). Formulation and Evaluation of Fluvoxamine Maleate Loaded Lipid Nanoparticle. Int J Pharm Sci Nanotechnol, 12(4), 4593-4600.
- Layqah L. and Eissa S. (2019). An Electrochemical Immunosensor for the Corona Virus Associated with the Middle East Respiratory Syndrome Using an Array of Gold Nanoparticle-Modified Carbon Electrodes. Microchimica Acta, 186, 224.
- Levin E., Lustig Y., Cohen C., Fluss R., Indenbaum V., Amit S., Doolman R., et al. (2021). Waning Immune Humoral Response to BNT162b2 Covid-19 Vaccine over 6 Months. N Engl J Med, 385(24), e84.
- Li H. and Rothberg L. (2004). Colorimetric Detection of DNA Sequences Based on Electrostatic Interactions with Unmodified Gold Nanoparticles. Proc Natl Acad Sci USA, 101, 14036-14039.
- Liu S., Wang Z., Xie H., Liu A., Lamb D. and Pang D. (2020). Single-Virus Tracking, From Imaging Methodologies to Virological Applications. Chem Rev, 120, 1936-1979.
- Liu D., Ju C., Han C., Shi R., Chen X., Duan D., Yan J., et al. (2021). Nanozyme Chemiluminescence Paper Test for Rapid and Sensitive Detection of SARS-CoV-2 Antigen. Biosens Bioelectron, 173, 112817.
- Lu L., Ding Y., Zhang Y., Rodney J., Ho Y., Zhao Y., Zhang T. and Guo C. (2018). Antibody-modified liposomes for tumor-targeting delivery of timosaponin AIII. Int J Nanomedicine, 13, 1927–1944.
- Maas M., Kim M., Malkani R., Abbott S. and Zee P. (2021). Obstructive Sleep Apnea and Risk of COVID-19 Infection, Hospitalization and Respiratory Failure. Sleep Breath, 25(2), 1155-1157.
- Mahase E. (2021). Molnupiravir reduces risk of hospital admission or death by 50% in patients at risk, MSD reports. BMJ, 375, n2422.
- Malone B., Urakova N., Snijder E. and Campbell E. (2022). Structures and functions of coronavirus replication–transcription complexes and their relevance for SARS-CoV-2 drug design. Nature Rev Mol Cell Biol 23, 21-39.
- Martínez-Paredes G., González-García M.B. and Costa-García A. (2009). Genosensor for SARS Virus Detection Based on Gold Nanostructured Screen-printed Carbon Electrodes. Electroanal. Int J Devoted Fundam Pract Asp Electroanal, 21, 379-385.
- McDonald E. and Lee T. (2022). Nirmatrelvir-ritonavir for COVID-19. CMAJ, 194(6), E218.
- Mohammed S. and Shaaban E. (2019). Efficacious nanomedicine track toward combating COVID-19. Randomized Controlled Trial N Engl J Med, 381(24), 2293-2303.
- Moitra P., Alafeef M., Dighe K., Frieman M. and Pan D. (2020). Selective Naked-Eye Detection of SARS-CoV-2 Mediated by N Gene Targeted Antisense Oligonucleotide Capped Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 14, 7617-7627.
- Mulangu S., Dodd L., Davey R. Jr., Mbaya O., Proschan M., Mukadi D., Manzo M., et al., and PALM Consortium Study Team. (2019). A Randomized, Controlled Trial of Ebola Virus Disease Therapeutics. N Engl J Med, 381, 2293-2303.
- Nomura T., Nazmul T., Yoshimoto R., Higashiura A., Oda K. and Sakaguchi T. (2021). Ethanol Susceptibility of SARS-CoV-2 and Other Enveloped Viruses. Biocontrol Sci 2021, 26(3), 177-180.
- Owen D., Allerton C., Anderson A., Aschenbrenner L., Avery M., Berritt S., Boras B., et al. (2021). An oral SARS-CoV-2 M(pro) inhibitor clinical candidate for the treatment of COVID-19. Science 374(6575), 1586-1593.
- Painter W., Holman W., Bush J., Almazedi F., Malik H., Eraut N., Morin M., et al. (2021). Human Safety, Tolerability, and Pharmacokinetics of Molnupiravir, a Novel Broad-Spectrum Oral Antiviral Agent with Activity Against SARS-CoV-2. Antimicrob Agents Chemother, 65, e02428-20.
- Park T., Lee S., Lee S., Park J., Yang K., Lee K.-B., Ko S., et al. (2006). Protein Nanopatterns and Biosensors Using Gold Binding Polypeptide as a Fusion Partner. Anal Chem, 7197–7205.
- Pham K., Li D., Guo S., Penzak S., and Dong X. (2016). Development and in vivo evaluation of child-friendly lopinavir/ritonavir pediatric granules utilizing novel in situ self-assembly nanoparticles. J Control Release, 226, 88-97.
- Pini M., Cedillo González E., Neri P., Siligardi C., and Ferrari A. (2017). Assessment of Environmental Performance of TiO2 Nanoparticles Coated Self-Cleaning Float Glass. Coatings, 7, 8.
- Polack F.P., Thomas S.J., Kitchin N., Absalon J., Gurtman A., Lockhart S., Perez J.L., et al., and C4591001 Clinical Trial Group. (2020). Safety and Efficacy of the BNT162b2 mRNA Covid–19 Vaccine. N Engl J Med, 383(27), 2603-2615.
- Rashedi J., Poor B., Asgharzadeh V., Pourostadi M., Kafil H., Vegari A., Tayebi-Khosroshahi H., et al. (2020). Risk Factors for COVID-19. Infez Med, 28(4), 469-474.
- Rasmi Y., Saloua K., Nemati M., and Choi J. (2021). Recent Progress in Nanotechnology for COVID-19 Prevention, Diagnostics and Treatment. Review Nanomaterials (Basel), 11(7), 1788.
- RECOVERY Collaborative Group. (2020). Lopinavir-ritonavir in patients admitted to hospital with COVID-19 (RECOVERY), a randomised, controlled, open-label, platform trial. Randomized Controlled Trial Lancet, 396(10259), 1345-1352.
- Reis G., Dos Santos Moreira-Silva E.A., Silva D.C.M., Thabane L., Milagres A.C., Ferreira T.S., Dos Santos C.V.Q., et al., and TOGETHER investigators. (2022). Effect of early treatment with fluvoxamine on risk of emergency care and hospitalisation among patients with COVID-19, the TOGETHER randomised, platform clinical trial. Lancet Glob Health, 10(1), e42–e51.
- de M Ribeiro N. and Fonseca B. (2020). The role of pharmaceutical nanotechnology in the time of COVID-19 pandemic Review Future Microbiol, 15, 1571-1582.
- Roh C. and Jo S. (2011). Quantitative and Sensitive Detection of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Using Quantum Dots-Conjugated RNA Aptamer on Chip. J Chem Technol Biotechnol, 86, 1475-1479.
- Shan B., Broza Y., Li W., Wang Y., Wu S., Liu Z., Wang J., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano, 14, 12125-12132.
- Somvanshi S., Kharat B., Saraf S., Somwanshi S., Shejul S. and Jadhav K. (2020). Multifunctional Nano-Magnetic Particles Assisted Viral RNA-Extraction Protocol for Potential Detection of COVID-19. Mater Res Innov, 25, 169-174.
- Stone C., Liu Y., Relling M.V., Krantz M., Pratt A., Abreo A., Hemler J. and Phillips E. (2019). Immediate hypersensitivity to polyethylene glycols and polysorbates – more common than we have recognized. J Allergy Clin Immunol Pract, 7(5), 1533‐1540.
- Patel T., Patel P., Barvaliya M., Saurabh M., Bhalla D. and Khoslae P. (2021). Efficacy and safety of lopinavir-ritonavir in COVID-19. A systematic review of randomized controlled trials. J Infect Public Health, 14(6), 740-748.
- Thakur V., Ratho R., and Panda J. (2021). Respiratory delivery of favipiravir-tocilizumab combination through mucoadhesive protein-lipidic nanovesicles, prospective therapeutics against COVID-19. Virusdisease, 32(1), 131-136.
- Tiwaskar M., Dhar R., Talwar D., Ansari A., Lakhe M., Panchal S., Bhagat S., et al. (2022). Real-world Experience with Favipiravir for Treatment of COVID-19 among Indian Healthcare Professionals. J Assoc Physicians India, 69(12), 11-12.
- Thurston L. and Williams G. (2015). An examination of John Fewster’s role in the discovery of smallpox vaccination. J Royal Coll Phys Edinburgh, 45, 173-79.
- Tulbah A. and Lee W-H. (2021). Physicochemical Characteristics and In Vitro Toxicity/Anti-SARS-CoV-2 Activity of Favipiravir Solid Lipid Nanoparticles (SLNs). Pharmaceuticals (Basel), 14(10), 1059.
- Vaze N., Pyrgiotakis G., McDevitt J., Mena L., Melo A., Bedugnis A., Kobzik L., et al. (2019). Inactivation of Common Hospital Acquired Pathogens on Surfaces and in Air Utilizing Engineered Water Nanostructures (EWNS) Based Nano-Sanitizers. Nanomed. Nanotechnol Biol Med, 18, 234-242.
- V’kovski P., Kratzel A., Steiner S., Stalder H. and Thiel V. (2021). Coronavirus biology and replication, implications for SARS-CoV-2. Nature Rev Microbiol, 19, 155-170.
- Wang Q., Zhang Y., Wu L., Niu S., Song C., Zhang Z., Lu G., et al. (2020). Structural and Functional Basis of SARS-CoV-2 Entry by Using Human ACE2. Cell. 181 (4), 894-904.
- Warren T., Jordan R., Lo M., Ray A., Mackman R., Soloveva V., Siegel D., et al. (2016). Therapeutic efficacy of the small molecule GS-5734 against Ebola virus in rhesus monkeys. Nature, 531(7594), 381-385.
- Wen W., Chen C., Tang J., Wang C., Zhou M., Cheng Y., Zhou X., et al. (2022). Efficacy and safety of three new oral antiviral treatment (molnupiravir, fluvoxamine and Paxlovid) for COVID-19: a meta-analysis. Ann Med, 54(1), 516-523.
- Wu F., Zhao S., Yu B., Chen Y-M., Wang W., Song Z-G., Hu Yi., et al. (2020). A new coronavirus associated with human respiratory disease in China. Nature, volume 579, 265-269.
- Wu J., Wang H. and Li B. (2020). Structure-aided ACEI-capped remdesivir-loaded novel PLGA nanoparticles, toward a computational simulation design for anti-SARS-CoV-2 therapy. Phys Chem Chem Phys, 22, 28434-28439.
- Yeh Y-T., Tang Y., Sebastian A., Dasgupta A., Perea-Lopez N., Albert I., Lu H., et al. (2016). Tunable and Label-Free Virus Enrichment for Ultrasensitive Virus Detection Using Carbon Nanotube Arrays. Sci Adv, 2, e1601026.
- Zarębska-Michaluk D., Jaroszewicz J., Rogalska M., Martonik D., Pabjan P., Berkan-Kawińska A., Bolewska B., et al. (2021). Effectiveness of Tocilizumab with and without Dexamethasone in Patients with Severe COVID-19, A Retrospective Study. J Inflamm Res, 14, 3359-3366.
- Zhang H., Kang Z., Gong H., Xu D., Wang J., Li Z., Cui X., et al. (2020). Digestive system is a potential route of COVID-19, an analysis of single-cell coexpression pattern of key proteins in viral entry process. Gut, 69, 1010-1018.
- Zhong H., Zhu Z., Lin J., Cheung C.F., Lu V.L., Yan F., Chan C.Y., et al. (2020). Reusable and Recyclable Graphene Masks with Outstanding Superhydrophobic and Photothermal Performances. ACS Nano, 14(5), 6213-6221.
- Zhou Y., Liao X., Song X., He M., Xiao F., Jin X., Xie X., et al. (2021). Severe Adaptive Immune Suppression May Be Why Patients With Severe COVID-19 Cannot Be Discharged From the ICU Even After Negative Viral Test. Front Immunol, 12, 755579.
Εκπαιδευτική Μονάδα 4.2.
Νέες πλατφόρμες για τον έλεγχο των ιογενών λοιμώξεων: φορείς νανοκλίμακας και συστήματα χορήγησης φαρμάκων
Συγγραφείς και συνεργασίες: Rumena Petkova-Chakarova, R&D Center Biointech Ltd., Βουλγαρία
Εκπαιδευτικός στόχος: Στόχος αυτής της εκπαιδευτικής μονάδας είναι να παρουσιάσει τους φορείς νανοκλίμακας και τα συστήματα χορήγησης φαρμάκων ως νέες πλατφόρμες για τον έλεγχο των ιογενών λοιμώξεων.
Περίληψη
Η νέα γενιά νανο-φορέων υπόσχεται αποτελεσματική παράδοση φαρμάκων και εμβολίων στους στόχους τους με σημαντικά χαμηλότερο κίνδυνο για ανεπιθύμητες ενέργειες, ρύθμιση των ανοσολογικών αντιδράσεων σε αυτο και μη αντιγόνα και ανάπτυξη ευαίσθητων τεχνολογιών απεικόνισης για έγκαιρη ανίχνευση των ανθρώπινων ασθενειών. Ο COVID-19 ήταν (και είναι επί του παρόντος) μια πρόκληση για την ιατρική καθώς και για την επιστήμη. Νέοι βιοαισθητήρες, διαγνωστικές συσκευές, αντιιικά φάρμακα και εμβόλια που βασίζονται στη νανοτεχνολογία έχουν αναπτυχθεί ή επαναχρησιμοποιηθεί για την καταπολέμηση της σύγχρονης πανδημίας. Το ξέσπασμα του SARS-CoV-2 ώθησε τους τομείς έρευνας και ανάπτυξης να συνεργαστούν για να δημιουργήσουν νέους, ευέλικτους και αποτελεσματικούς τρόπους πρόληψης και θεραπείας ανθρώπινων ασθενειών που είναι πιθανό να συνεχίσουν την ταχεία ανάπτυξή τους πέρα από την παρούσα κατάσταση πανδημίας.
Λέξεις-κλειδιά: COVID-19, αντιικά, μονοκλωνικά αντισώματα, εμβόλια, νανοτεχνολογία
1. SARS-CoV-2 και COVID-19 – μια επισκόπηση της προέλευσης μιας σύγχρονης πανδημίας και της επίδρασής της στη σκέψη στην έρευνα και την κλινική ιατρική
Η ανθρώπινη μόλυνση με SARS-CoV-2 εμφανίστηκε ως ζωονοσογόνος μετάδοση μήνες πριν από το πρώτο αναφερόμενο κρούσμα στις αρχές Δεκεμβρίου 2019 [69]. Στις 31 Δεκεμβρίου 2019, ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) ενημερώθηκε για έναν ταχέως αυξανόμενο αριθμό περιπτώσεων πνευμονίας άγνωστης ακόμη προέλευσης στην πόλη Γουχάν της Κίνας. Ο αιτιολογικός παράγοντας αναγνωρίστηκε από τις τοπικές αρχές στις 7 Ιανουαρίου 2020 ως άγνωστο μέχρι στιγμής μέλος της οικογένειας των βήτα-κορωνοϊών. Στα τέλη Ιανουαρίου 2020, ο Γενικός Διευθυντής του ΠΟΥ Δρ Tedros Adhanom Ghebreyesus δήλωσε ότι το ξέσπασμα του νέου κοροναϊού είναι μια έκτακτη ανάγκη για τη δημόσια υγεία διεθνούς ανησυχίας [https://www.who.int/news/item/30-01-2020- δήλωση-στη-δεύτερη-σύσκεψη-του-διεθνούς-υγειονομικού-κανονισμού-(2005)-επιτροπή-έκτακτης ανάγκης-σχετικά με το ξέσπασμα-του-νέου-coronavirus-(2019-ncov)]. Αξιοσημείωτο είναι ότι αυτή τη στιγμή υπήρχαν συνολικά περίπου 100 κρούσματα και ακόμη κανένας θάνατος, αλλά ο ιός έχει καταφέρει να εξαπλωθεί σε σχεδόν 20 χώρες εκτός Κίνας. Η έρευνα για τις δυνατότητες ανάπτυξης αιτιολογικής θεραπείας και πρόληψης ξεκίνησε αμέσως, ενώνοντας τις προσπάθειες κλινικών ιατρών, μελετητών και βιοτεχνολογικών και φαρμακευτικών εταιρειών.
Ο COVID-19 ήταν (και είναι επί του παρόντος) μια πρόκληση για την ιατρική καθώς και για την επιστήμη. Ωστόσο, είναι επίσης μια ευκαιρία να μάθουμε (για άλλη μια φορά) από τη Φύση για την απεριόριστη ποικιλία μηχανισμών εξέλιξης, την αιτιώδη σχέση μεταξύ των αλλαγών που συμβαίνουν σε νανο-και μικροκλίμακα και το μέγεθος των επιπτώσεων που μπορεί να έχουν στον μακρόκοσμο. Αυτή η σύγχρονη πανδημία ώθησε τους τομείς έρευνας και ανάπτυξης να συνεργαστούν για να δημιουργήσουν νέους, ευέλικτους και αποτελεσματικούς τρόπους πρόληψης και θεραπείας ανθρώπινων ασθενειών που είναι πιθανό να συνεχίσουν την ταχεία ανάπτυξή τους πέρα από την παρούσα επιδημία. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η ανάπτυξη εμβολίων φορέα και mRNA. Μέχρι το τέλος του 2019 υπήρχε, στην καλύτερη περίπτωση, ένα εμβόλιο φορέα εγκεκριμένο για χρήση σε ανθρώπους (rVSV-ZEBOV ή Ervebo, από τη Merck) και κανένα εγκεκριμένο εμβόλιο mRNA, αν και οι πρώτες κλινικές δοκιμές για ένα εμβόλιο mRNA κατά της λύσσας ξεκίνησαν το 2013.
Το χρονοδιάγραμμα ανάπτυξης των εμβολίων κατά του SARS-CoV-2 είναι, πράγματι, εντυπωσιακό, αλλά όχι επειδή αναπτύχθηκαν «πολύ γρήγορα», αλλά επειδή προφανώς όλη η γνώση ήταν ήδη εκεί και «μια μεγάλη ώθηση» ήταν το μόνο που χρειαζόταν για να εφεύρουν νέους τύπους εμβολίων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα για την πρόληψη σοβαρών ασθενειών σε εκατομμύρια ανθρώπους. Το ίδιο ισχύει και για την ανάπτυξη ασφαλών και αποτελεσματικών φαρμάκων κατά του COVID-19. Τα αντιιικά φάρμακα που έχουν δείξει σημαντικά αποτελέσματα στη θεραπεία ασθενών με COVID-19 σήμερα (remdesivir, favipiravir και άλλα) είναι, στην πλειονότητά τους, επαναχρησιμοποιημένα φάρμακα που είχαν δοκιμαστεί προηγουμένως στη θεραπεία άλλων ιογενών ασθενειών. Έτσι, η καινοτομία των σημερινών θεραπειών κατά του COVID δεν έγκειται ακριβώς στην αρχή της δράσης τους στους στόχους τους, αλλά στον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζονται αυτοί οι στόχοι.
2. Ανάπτυξη ευέλικτων πλατφορμών μεταφοράς νανοκλίμακας
Οι καλά δοκιμασμένες συντηρητικές θεραπείες λειτουργούν, πολύ γενικά, διαποτίζοντας το περιβάλλον των ζωντανών κυττάρων με ένα φάρμακο, έτσι ώστε η πιθανότητα δέσμευσής του με τον στόχο (π.χ. έναν κυτταρικό υποδοχέα) αυξάνεται σημαντικά. Η πλειονότητα των φαρμάκων εισέρχεται στα ζωντανά κύτταρα μέσω μιας αλληλεπίδρασης υποδοχέα-συνδέτη. Καθώς οι υποδοχείς ενός συγκεκριμένου τύπου εκφράζονται σε περισσότερους από έναν τύπους κυττάρων και ο ίδιος δεσμευτής φαρμάκου μπορεί να συνδεθεί με περισσότερους από έναν τύπους υποδοχέων, υπάρχει ένας (μερικές φορές σημαντικός) κίνδυνος για ανεπιθύμητες ενέργειες που σχετίζονται με τις επιδράσεις του φαρμάκου στους ιστούς διαφορετικό από τον ιστό-στόχο. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για κυτταροστατικά και ψυχιατρικά φάρμακα. Έτσι, οι ασφαλείς και αποτελεσματικές φαρμακευτικές θεραπείες (και τα εμβόλια, εν προκειμένω) δεν εξαρτώνται μόνο από τη δραστική ουσία του φαρμάκου αλλά και από τον φορέα του και τον τρόπο που αυτός ο φορέας αλληλεπιδρά με τον ιστό στόχο.
Η νανοτεχνολογία είναι… « ο χειρισμός της ύλης σε σχεδόν ατομική κλίμακα για την παραγωγή νέων δομών, υλικών και συσκευών… με χρήση υλικών με κλίμακα μήκους μεταξύ 1 και 100 νανόμετρα…με μέγεθος που τα υλικά αρχίζουν να παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες που επηρεάζουν τις φυσικές [τους] , χημική και βιολογική συμπεριφορά », σύμφωνα με τον ορισμό που παρέχεται από το Κέντρο Ελέγχου Νοσημάτων (CDC) στην Ατλάντα των ΗΠΑ: 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.
Το μέγεθος (συγκρίσιμο με το μέγεθος των βιολογικών μακρομορίων) και η σημαντική αναλογία επιφάνειας προς όγκο των σωματιδίων νανοκλίμακας αυξάνει τη διαλυτότητά τους και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση του διαχωρισμού των νανοφορέων φορτωμένων με βιοδραστικές ουσίες σε διαφορετικά κύτταρα και διαμερίσματα ιστού (ανάλογα με το επιθυμητό αποτέλεσμα). Η νέα παραγωγή νανοφορέων για φαρμακευτικά προϊόντα για ανθρώπινη χρήση διασφαλίζει την αποτελεσματική παράδοση των δραστικών ουσιών στον στόχο με σημαντικά χαμηλότερο κίνδυνο για ανεπιθύμητες ενέργειες. Η νανοτεχνολογία μπορεί να προσφέρει τρόπους για να ξεπεραστούν τα εμπόδια που παρέχει η φύση, προκειμένου να βελτιωθεί η διείσδυση των φαρμάκων σε ορισμένες θέσεις-στόχους (π.χ. ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός), να ρυθμιστούν οι ανοσολογικές αντιδράσεις σε αυτο και μη αντιγόνα και μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη ευαίσθητες τεχνολογίες απεικόνισης για την έγκαιρη ανίχνευση ανθρώπινων ασθενειών. Υπάρχουν επίσης πολλές άλλες εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στη σύγχρονη έρευνα και ανάπτυξη, μερικές από τις οποίες μπορούν να προβληθούν στο Σχ. 1\
Σχήμα 1. Μερικές από τις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στη σύγχρονη έρευνα και ανάπτυξη.
Το μέγεθος των περισσότερων ιών μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 20 και 250 nm, γεγονός που καθιστά την τεχνολογία που βασίζεται στη νανοτεχνολογία μια εξαιρετική επιλογή για τους σκοπούς της έρευνας κατά των ιών.
Ο SARS-CoV-2 έχει υψηλό δυναμικό μολυσματικότητας (συγκρίσιμο με τη μολυσματικότητα του ιού της γρίπης και της ιλαράς). Η απεικόνιση ρεντογόνου, η ηλεκτρονική τομογραφία και οι εργαστηριακές εξετάσεις (μοριακής βιολογίας) χρησιμοποιούνται συνήθως για να βοηθήσουν τον έλεγχο για λοιμώξεις και την κλινική διάγνωση του COVID-19. Τα ευρήματα ακτίνων Χ και αξονικής τομογραφίας που θεωρούνται «τυπικά» για τον COVID-19 (διάσπαρτες ενδιάμεσες αλλαγές, «αδιαφάνεια σαν γυαλί») υστερούν σημαντικά από την έναρξη των συμπτωμάτων και μπορεί να επιμείνουν μετά τη βελτίωση της κλινικής κατάστασης. Κάπως παράδοξα, το πρώτο εργαστηριακό τεστ που αναπτύχθηκε για τον COVID-19 ήταν το εξαιρετικά ευαίσθητο αλλά επεξεργασμένο, δαπανηρό και χρονοβόρο τεστ RT-PCR. Οι δοκιμές που βασίζονται σε PCR για την ανίχνευση ασθενειών είναι, στην ουσία, συσκευές δοκιμών που βασίζονται στη νανοτεχνολογία (αν και η τεχνολογία χρονολογείται από τη δεκαετία του ’90 του ΧΧ αιώνα). Οι δοκιμές αντιγόνου για το SARS-CoV-2 (που είναι ένα άλλο παράδειγμα δοκιμών που βασίζονται στη νανοτεχνολογία) αναπτύχθηκαν αργότερα προκειμένου να επιταχυνθούν τα διαγνωστικά και να γίνουν εύκολα διαθέσιμα για ασθενείς και νοσηλευτές, αλλά εκτός από τους κοινούς περιορισμούς της χρήσης ρινοφαρυγγικών επιχρισμάτων και λαιμού , έχουν πρόσθετα προβλήματα, όπως η διαφορετική ευαισθησία και ειδικότητα από επωνυμία σε επωνυμία. Οι ορολογικές εξετάσεις (για την παρουσία IgG, IgM και, μερικές φορές, IgA) μπορεί να αποκαλύψουν παρούσες και προηγούμενες λοιμώξεις SARS-CoV-2, αλλά είναι λιγότερο εφαρμόσιμες για νέες λοιμώξεις, καθώς πρέπει να εκτελούνται με σημαντική καθυστέρηση από την έναρξη των συμπτωμάτων και μπορεί να είναι αναξιόπιστη στην περίπτωση προηγουμένως εμβολιασμένων συμπτωματικών ασθενών. Οι βιοαισθητήρες (άλλος τύπος συσκευών που βασίζεται στη νανοτεχνολογία) έχουν αναπτυχθεί για σκοπούς διάγνωσης σχετικά νωρίς (η πρώτη παρόμοια έκθεση από τους Seo et al. δημοσιεύθηκε τον Ιούνιο του 2020) [76] αλλά εξακολουθούν να είναι κυρίως για ερευνητική χρήση λόγω του υψηλού κόστους τους .
Το μέγεθος του ιού SARS-CoV-2 είναι περίπου 100 nm (μεσαίο εύρος). Έτσι, η δυνατότητα του COVID-19 ως στόχου για θεραπείες που βασίζονται σε νανοσωματίδια έχει εξεταστεί από την αρχή της πανδημίας. Μέχρι στιγμής, προσεγγίσεις βασισμένες στη νανοτεχνολογία έχουν αναπτυχθεί και δοκιμαστεί για τους σκοπούς της πρόληψης της μόλυνσης, της διάγνωσης και της θεραπείας του COVID-19.
Πολλές συσκευές βασισμένες στη νανοτεχνολογία έχουν αναπτυχθεί για την ευαίσθητη και ειδική ανίχνευση του COVID-19. Προς το παρόν, ενισχύουν τις προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται συνήθως με βάση τις δοκιμές RT-PCR και αντιγόνων. Ένας νέος βιοαισθητήρας που βασίζεται σε νανοσωματίδια χρυσού έχει προταθεί για την ανίχνευση του SARS-CoV-2 στον εκπνεόμενο αέρα [75, 78, 27]. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν σε ένα εξειδικευμένο πρωτόκολλο εξαγωγής για τον SARS-CoV-2 [81, 97]. Κρύσταλλοι μεγέθους νανοκλίμακας με ιδιότητες ημιαγωγών (κοινώς γνωστοί ως κβαντικές κουκκίδες) έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε βιοαισθητήρα για την ανίχνευση αντιγόνου πρωτεΐνης νουκλεοκαψιδίου SARS-CoV-1 [70] και μπορούν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση του SARS-CoV-2 [40 ]. Θα μπορούσε να αναμένεται ότι οι συσκευές ανίχνευσης που βασίζονται σε νανοϋλικά, οι αισθητήρες, τα φάρμακα και τα εμβόλια θα είναι ο βασικός άξονας της διαχείρισης της πανδημίας στο άμεσο μέλλον [65, 50].
3. Νανο-βασισμένα συστήματα χορήγησης αντιιικών φαρμάκων
3.1. Συνθέσεις νανοτεχνολογίας – τύποι και πιθανές εφαρμογές στη θεραπεία ιογενών λοιμώξεων
Ένα νανοφαρμακευτικό είναι, εξ ορισμού, ένα υλικό με μέγεθος σωματιδίων στην κλίμακα νανοκλίμακας που έχει θεραπευτικές δυνατότητες. Τα νανοσωματίδια μπορεί να έχουν διαφορετικά σχήματα και χημικές συνθέσεις. Η δραστική ένωση στο νανοσωματίδιο μπορεί να διαλυθεί, να παγιδευτεί, να ενθυλακωθεί, να προσροφηθεί, να συζευχθεί ή να συνδεθεί χημικά, επομένως ο φορέας της δραστικής ένωσης αναφέρεται ως νανοφορέας. Μια σχηματική αναπαράσταση των κύριων τύπων νανοφορέων φαίνεται στο Σχ. 2.
Σχήμα 2. Τύποι νανοφορέων.
Οι πιο συνηθισμένοι τύποι νανοφορέων παρατίθενται εν συντομία παρακάτω. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στα λιποσώματα, καθώς ήταν τα πρώτα και είναι, επί του παρόντος, ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος νανοφορέα φαρμάκου.
3.1.1. Νανοσκευάσματα με βάση τα λιπίδια
Τα λιπίδια είναι, μακράν, ο ασφαλέστερος τύπος φορέων. Είναι ευκολότερο και φθηνότερο στην παραγωγή, είναι βιοαποικοδομήσιμα, βιοσυμβατά, μη τοξικά και, γενικά, μη ανοσογόνα [61]. Τα λιπίδια στο σκεύασμα χρησιμοποιούνται μαζί με άλλους παράγοντες όπως τασιενεργά και διαλύτες. Συνήθως, τα νανοσκευάσματα που χρησιμοποιούνται με βάση τα λιπίδια περιλαμβάνουν λιποσώματα, στερεά λιπιδικά νανοσωματίδια (SLN), νανογαλακτώματα και νανοαιωρήματα.
Λιποσώματα
Τα λιποσώματα είναι κυστίδια στα οποία ένας υδατικός πυρήνας περικλείεται εξ ολοκλήρου από μια μεμβρανώδη λιπιδική διπλοστοιβάδα που αποτελείται από φυσικά ή συνθετικά φωσφολιπίδια. Ανάλογα με τη μέθοδο παρασκευής, τα λιπιδικά κυστίδια μπορεί να είναι πολυ-, ολιγο- ή μονοστρωματικά, που περιέχουν πολλά, λίγα ή ένα κέλυφος διπλής στιβάδας, αντίστοιχα. Η διάμετρος του κυστιδίου μπορεί να ποικίλλει ευρέως – μεταξύ 10 και 1000 nm.
Ο υδατικός πυρήνας των (συμβατικών) θεραπευτικών λιποσωμάτων πρώτης γενιάς περιείχε υδρόφιλη βιοδραστική ένωση. Τα λιποσώματα νεότερης γενιάς μπορεί επίσης να εγκλωβίσουν υδρόφοβες ενώσεις και μπορεί να φέρουν πρόσθετες τροποποιήσεις για την αύξηση του χρόνου κυκλοφορίας in vivo και για τη διασφάλιση στοχευμένης και χρονισμένης χορήγησης του φαρμακευτικού παράγοντα [37]. Μια σχηματική απεικόνιση των διαφορετικών τύπων λιποσωμάτων μπορεί να φανεί στην Εικόνα 3.
Εικόνα 3. Μια αναπαράσταση των διαφορετικών τύπων λιποσωμικών συστημάτων χορήγησης φαρμάκων.
Τα λιποσώματα παρασκευάζονται από ένα υδατικό διάλυμα φωσφολιπιδίων με μια ποικιλία μεθόδων: υπερήχων υπερήχων, αφυδάτωση-επανυδάτωση, εξάτμιση αντίστροφης φάσης, κύκλοι κατάψυξης-απόψυξης, εξώθηση κυστιδίων κ.λπ. [31]. Η προκύπτουσα αποτελεσματικότητα παγίδευσης μπορεί να είναι πολύ διαφορετική. Ο βέλτιστος έλεγχος του μεγέθους και της ελασματικότητας των λιποσωμάτων που προκύπτουν συνήθως επιτυγχάνεται με εξώθηση χρησιμοποιώντας φίλτρα με πόρους καθορισμένου μεγέθους. Η στόχευση των θεραπευτικών λιποσωμάτων στην επιθυμητή θέση επιτυγχάνεται με την προσθήκη προσδεμάτων στην επιφάνεια του κυστιδίου [37].
Τα λιποσώματα έχουν τα μειονεκτήματά τους ως νανοφορείς. Μεταξύ αυτών είναι η σχετικά χαμηλή ικανότητα φόρτωσης φαρμάκου και η αστάθειά τους, καθώς και ο πιθανός κίνδυνος ανοσογονικότητας λόγω διαφόρων πρόσθετων (π.χ. PEG3350) [11].
Επί του παρόντος, αρκετά λιποσωμικά σκευάσματα είναι σε κλινική χρήση. Μεταξύ των εφαρμογών είναι η στοχευμένη χορήγηση κυτταροτοξικών παραγόντων, οι ενδοφθάλμιες εφαρμογές, οι θεραπείες μετά την ακτινοβόληση για ασθενείς με εξαιρετική ευαισθησία στην υπεριώδη ακτινοβολία με παρασκευάσματα της ενδονουκλεάσης Τ4 V [95, 13, 49].
Τα λιποσώματα συζευγμένα με πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG) χρησιμοποιούνται επί του παρόντος τόσο στα εμβόλια Comirnaty (Pfizer BioNTech) όσο και στα εμβόλια Spikevax (Moderna).
Νανοσωματίδια στερεών λιπιδίων (SLNs)
Τα SLNs αποτελούνται από μια στερεά λιπιδική μήτρα (τριγλυκερίδια, στεροειδή, λιπαρά οξέα, κεριά, κ.λπ.). Σε αντίθεση με τα λιποσώματα, τα SLN είναι βιομηχανικά επεκτάσιμα. Τα SLN έχουν ιστορικό χρήσης ως φορείς για μια ποικιλία αντιιικών φαρμάκων (ριτοναβίρη, μαραβιρόκ, δαρουναβίρη, εφαβιρένζη, ζιδοβουδίνη, λοπιναβίρη, ντολουτεγκραβίρη και άλλα – για λεπτομέρειες δείτε παρακάτω).
Μια μεταγενέστερη γενιά SLNs είναι οι νανοδομημένοι φορείς λιπιδίων (NSLCs). Σε αντίθεση με τα SLN, τα λιπίδια στα NSLC βρίσκονται σε υγρή κατάσταση, προσδίδοντας αυξημένη σταθερότητα και βελτιωμένο πρότυπο ελεγχόμενης απελευθέρωσης.
Νανογαλακτώματα
Τα νανογαλακτώματα (NE) είναι σφαιρικά μονοφασικά συστήματα που αποτελούνται από γαλακτωματοποιημένα έλαια, νερό και τασιενεργά. Τα NE έχουν υψηλή ικανότητα φόρτωσης, αυξημένη υδροφιλία και ενισχυμένη βιοδιαθεσιμότητα. Τα νανογαλακτώματα έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη σκευασμάτων αντι-HIV, όπως αναστολείς πρωτεάσης (σακουιναβίρη, ινδιναβίρη) [90].
Τα αυτο-νανογαλακτωματοποιούμενα συστήματα χορήγησης φαρμάκων (SNEDDS) είναι ένας άλλος τύπος σκευάσματος μονοφασικών συστημάτων ελαίου-νερού-επιφανειοδραστικού που χρησιμοποιούνται για φορείς υδρόφοβων φαρμάκων, όπως το φάρμακο NNRTI nevirapine (βλ. παρακάτω) [ Selvam and Kulkarni, 2014 ] . Μέχρι σήμερα, έχει αναπτυχθεί ένα νανογαλάκτωμα [68] και ένα εναιώρημα στερεών νανοσωματιδίων λιπιδίων [87] που περιέχουν το αντιικό φάρμακο favipiravir για στοχευμένη χορήγηση στο πνευμονικό επιθήλιο. Μέχρι στιγμής, τα αποτελέσματα που έχουν ληφθεί in vitro μελέτες είναι ενθαρρυντικά.
3.1.2. Νανοσκευάσματα με βάση πολυμερή
Μια ποικιλία φυσικών και συνθετικών πολυμερών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή νανοσκευασμάτων. Τα υδρόφιλα πολυμερή μπορεί να περιλαμβάνουν ζελατίνη, αλβουμίνη, αλγινικό, δεξτράνη, χιτοζάνη, αγαρόζη και άλλα. Τα υδρόφοβα πολυμερή που χρησιμοποιούνται σε νανοσκευάσματα μπορεί να περιλαμβάνουν πολυγαλακτικό οξύ (PLA), πολυλακτίδιο-συν-γλυκολικό οξύ (PLGA), πολυστυρόλιο, πολυκαπρολακτόνη (PECL), πολυμεθακρυλικό (PMMA) και άλλα. Επιφανειακές τροποποιήσεις μπορούν να εισαχθούν προκειμένου να βελτιωθεί η φαρμακοκινητική, να μειωθεί η πιθανή ανοσογονικότητα και να εισαχθεί απελευθέρωση του φαρμάκου που προκαλείται από ερέθισμα ως απόκριση σε αλλαγές στο pH, τη θερμοκρασία και άλλα ερεθίσματα. Ειδικά πολυμερή που αναστέλλουν την P-gp και άλλες πρωτεΐνες ανθεκτικότητας σε πολλαπλά φάρμακα (MDR) έχουν αναπτυχθεί ειδικά για τους σκοπούς της ογκολογίας.
Τα νανοσκευάσματα που βασίζονται σε πολυμερή περιλαμβάνουν πολυμερή μικκύλια, πολυμερή στερεά νανοσωματίδια, νανοκάψουλες και νανοσφαίρες.
Πολυμερή μικκύλια
Τα πολυμερή μικκύλια είναι δομές νανο-μεγέθους κατασκευασμένες από αμφίφιλα συμπολυμερή, δομή (μονομερές) που αποτελείται από μια υδρόφοβη και μια υδρόφιλη υπομονάδα. Συνδέονται για να σχηματίσουν δομές με έναν υδρόφοβο πυρήνα και ένα υδρόφιλο κέλυφος που ονομάζεται μικκύλιο. Ο υδρόφοβος πυρήνας περιέχει φάρμακα με φτωχή υδατοδιαλυτότητα, ενώ το υδρόφιλο φορτίο φαρμάκου είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά και τη στοχευμένη απελευθέρωση του φαρμάκου.
Τα υδρόφοβα πολυμερή που σχηματίζουν πυρήνα μπορεί να είναι πολυεστέρες, πολυκαπρολακτόνη, πολυ(1-αμινοξέα) και άλλα. Η πολυαιθυλενογλυκόλη είναι συνήθως το κύριο συστατικό του υδρόφιλου κελύφους. Έχουν δοκιμαστεί διάφορες τροποποιήσεις όπως η προσθήκη υπολειμμάτων σιαλικού οξέος στο υδρόφιλο κέλυφος. Σε μια μελέτη, το σιαλυλιωμένο εξωτερικό περίβλημα χρησιμοποιήθηκε για τη σύνδεση της αιμοσυγκολλητίνης του ιού της γρίπης προκειμένου να αποτραπεί η είσοδος του ιού [1].
Πολυμερικά νανοσωματίδια
Τα πολυμερή νανοσωματίδια μπορούν να κατασκευαστούν με μια ποικιλία φυσικών ή συνθετικών πολυμερών. Οι νανοκάψουλες είναι πολυμερή νανοσωματίδια που παγιδεύουν το φάρμακο στον πυρήνα τους. Όταν το φάρμακο προσροφάται στην επιφάνεια ή ενσωματώνεται στη μήτρα του νανοσωματιδίου, η δομή ονομάζεται νανοσφαίρα. Τα πολυμερή νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη νεότερων σκευασμάτων αντι-HIV φαρμάκων, όπως η εφαβιρένζη, η λοπιναβίρη, η ριτοναβίρη και άλλα.
Συζεύγματα φαρμάκων πολυμερών
Τα συζυγή πολυμερών φαρμάκων αποτελούνται από ένα πολυμερές και ένα ομοιοπολικά συνδεδεμένο φάρμακο. Το φάρμακο είναι συνήθως ένα μικρό μόριο αλλά μπορεί να είναι μεγαλύτερο μόριο, π.χ. πρωτεΐνη. Οι περισσότερες εφαρμογές συζεύξεων πολυμερών φαρμάκων είναι στην κλινική ογκολογία (π.χ. daunorubicin, doxorubicin, methotrexate, melphalan) και στην οφθαλμολογία (π.χ. daunorubicin) [62, 20] αλλά και στην αντιική θεραπεία. Οι PEGylated ιντερφερόνες ήταν, για μεγάλο χρονικό διάστημα, η μόνη εξαιρετικά αποτελεσματική θεραπεία του HCV [17]. Τα συζεύγματα Zidovudine (AZT) παρουσιάζουν συνήθως μεγαλύτερους χρόνους ημιζωής στο πλάσμα από τα συμβατικά AZT [38]. Το 2018, οι Andersen et al. χρησιμοποίησε συμπολυμερές Ν-(2-υδροξυπροπυλ) μεθακρυλαμιδίου (PHPMA)-λευκωματίνης για τη χορήγηση ενός συνδυασμού αντι-HIV φαρμάκων ART σε πρωτογενή ανθρώπινα Τ κύτταρα με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα.
Νανοκάψουλες
Μια νανοκάψουλα αποτελείται από έναν πυρήνα (όπου είναι παγιδευμένο το φάρμακο) και ένα κέλυφος. Οι νανοκάψουλες μπορούν να φορτωθούν με σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες φαρμάκου από τα λιποσώματα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ελεγχόμενη και στοχευμένη χορήγηση φαρμάκου. Έχουν σχεδιαστεί νανοκάψουλες από πολυ(ισο-βουτυλοκυανοακρυλικό) πυρήνα, παγιδευτικό τριφωσφορικό AZT και κέλυφος πολυαιθυλενοϊμίνης.
Νανοσφαίρες
Οι νανοσφαίρες είναι σφαιρικές δομές όπου το φάρμακο δεν περικλείεται μέσα, αλλά είναι, μάλλον, διασκορπισμένο στη μήτρα. Οι νανοσφαίρες είναι μικρότερες σε μέγεθος από τις νανοκάψουλες και μπορεί να υποβληθούν σε ταχεία κάθαρση του φαρμάκου. Τοπικά σκευάσματα ακυκλοβίρης σε νανοσφαιρίδια έχουν δοκιμαστεί για τη θεραπεία λοιμώξεων που προκαλούνται από τον ιό του απλού έρπητα.
Υβριδικά νανοσκευάσματα λιπιδίου-πολυμερούς
Τις περισσότερες φορές, ένα μόνο φάρμακο δεν αρκεί για τη θεραπεία μιας ιογενούς λοίμωξης. Από την άλλη πλευρά, η συμμόρφωση του ασθενούς μειώνεται όταν ζητείται από τον ασθενή να πάρει περισσότερα από δύο φάρμακα. Έτσι, περισσότερα από ένα φάρμακα με διαφορετικές φυσικοχημικές ιδιότητες μπορεί να χρειαστεί να χορηγηθούν με ένα μόνο όχημα χορήγησης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας υβριδικά νανοσωματίδια λιπιδίου-πολυμερούς. Έχουν αναπτυχθεί πολλά υβριδικά συστήματα νανοφορέων, συμπεριλαμβανομένων των νανοσωματιδίων πολυμερούς πυρήνα-λιπιδικού κελύφους, κοίλου πυρήνα/κελύφους υβριδικά νανοσωματίδια λιπιδίου-πολυμερούς-λιπιδίου, πολυμερών νανοσωματιδίων επικαλυμμένα με διπλή στιβάδα λιπιδίων και νανοσωματιδίων εγκλωβισμένων σε πολυμερή. Βασικά, τα υβριδικά νανοσκευάσματα λιπιδίου-πολυμερούς αποτελούνται από έναν εσωτερικό πολυμερή πυρήνα που περικλείεται σε ένα ή περισσότερα εξωτερικά στρώματα λιπιδικών ή λιπιδικών-πολυμερών στρωμάτων. Τα νανοσωματίδια εγκλωβισμένα σε πολυμερή είναι κάπως διαφορετικά, καθώς βασίζονται στην τεχνολογία λιποσωμάτων με την επιφάνεια του λιποσώματος να τροποποιείται με διασταυρούμενη σύνδεση με πολυμερή. Τα υβριδικά νανοσκευάσματα λιπιδίου-πολυμερούς παρουσιάζουν πολύ υψηλή ικανότητα φόρτωσης φαρμάκου και υψηλή απόδοση ενθυλάκωσης.
Μια παραλλαγή των υβριδικών νανοσκευασμάτων λιπιδίου-πολυμερούς είναι βιομιμητικές υβριδικές νανοσυνθέσεις λιπιδίου-πολυμερούς, στις οποίες οι επιφάνειες των νανοσωματιδίων τροποποιούνται έτσι ώστε να μιμούνται τις πρωτεΐνες της κυτταρικής επιφάνειας. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει σωματίδια τύπου ιού (VLPs) και ιοσώματα (βλ. παρακάτω).
Τα υβριδικά νανοσωματίδια λιπιδίου-πολυμερούς που βασίζονται σε ερεθίσματα είναι μια ακόμη ποικιλία υβριδικών νανοσκευασμάτων λιπιδίου-πολυμερούς που είναι ικανά να απελευθερώνουν το ενθυλακωμένο φάρμακο σε απόκριση σε διάφορα ερεθίσματα όπως το pH, η θερμοκρασία και το μαγνητικό πεδίο. Έτσι, η έγκαιρη παράδοση στον επιθυμητό ιστότοπο είναι εφικτή. Το 2012, η στεατική μεθυλοκυτταρίνη προτάθηκε ως θερμοευαίσθητος νανοφορέας για αργή ενδοκολπική χορήγηση του tenofovir [38]. Ομοίως, αναπτύχθηκε μια υβριδική θερμοευαίσθητη υδρογέλη για τη συν-απόδοση θεαφλαβίνης (ένα αντιοξειδωτικό, το οποίο είναι υδρόφιλο) και nifeviroc (ένα αντιικό, το οποίο είναι υδρόφοβο) για ενδοκολπική εφαρμογή ως προφυλακτικό πριν από την έκθεση της μετάδοσης του HIV. Οι θερμοευαίσθητες υδρογέλες έχουν επίσης δοκιμαστεί για ενδορινική χορήγηση αντιιικών φαρμάκων.
Τα νανοσωματίδια μπορεί να έχουν διαφορετικά μεγέθη και σχήματα. Τα υβριδικά νανοσκευάσματα λιπιδίου-πολυμερούς με βάση το σχήμα βασίζονται στην παρατήρηση ότι το σχήμα ενός σωματιδίου σε νανοκλίμακα μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αλληλεπίδραση κυττάρου-κυττάρου, την πρόσληψη φαρμάκου και τη βιοκατανομή [8]. Για παράδειγμα, τα μη σφαιρικά νανοσωματίδια έχουν βρεθεί ότι παρέχουν υψηλότερη θεραπευτική αποτελεσματικότητα σε σύγκριση με τα σφαιρικά σωματίδια στη θεραπεία του καρκίνου [74]. Έτσι, έχουν διερευνηθεί διαφορετικά σχήματα και δομές προκειμένου να βελτιωθούν οι φαρμακοκινητικές ιδιότητες των φαρμάκων.
3.1.3. Δενδριμερή
Τα δενδριμερή είναι εξαιρετικά διακλαδισμένες τρισδιάστατες συνθετικές νανο-αρχιτεκτονικές, διαμέτρου 2–10 nm που αποτελούνται από έναν κεντρικό πυρήνα, ένα εσωτερικό κέλυφος και ένα εξωτερικό κέλυφος που φέρει διάφορες τροποποιήσεις [83]. Μια σχηματική απεικόνιση ενός πολύ απλού δενδριμερούς μπορεί να φανεί στο Σχ. 4.
Ο πυρήνας του δενδριμερούς επιτρέπει την παγίδευση διαφόρων μορίων και οι λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια επιτρέπουν την αλληλεπίδραση με τους επιθυμητούς στόχους. Τα δενδριμερή παρουσιάζουν μεγαλύτερους χρόνους κυκλοφορίας, αυξημένη διαλυτότητα και σταθερότητα και στοχευμένη παροχή. Τα δενδριμερή συντίθενται με διαδοχική προσθήκη μορίων δομικών μονάδων σε ένα μόριο εκκινητή. Στο εμπόριο διατίθενται, επί του παρόντος, δενδριμερή κατασκευασμένα από πολυαμιδοαμίνη, πολυπροπυλενο ιμίνη και δενδριμερή πολυ-1-λυσίνης. Το εξωτερικό κέλυφος μπορεί να τροποποιηθεί ομοιοπολικά (π.χ. εστεροποιημένο, γλυκοσυλιωμένο κ.λπ.) ή συζευγμένο με πρωτεΐνες, πεπτίδια κ.λπ. Τα πολυιονικά δενδριμερή καρβοσιλανίου έχουν χρησιμοποιηθεί ως τοπικά μικροβιοκτόνα για προστασία φραγμού έναντι του ιού HIV και του απλού έρπητα. García-Gallego et al. το 2015 έδειξε ότι τα δενδριμερή καρβοσιλανίου μπορεί να αναστείλουν την εσωτερίκευση του HIV-1 στα επιθηλιακά κύτταρα και την είσοδο στα μονοπύρηνα κύτταρα του περιφερικού αίματος. Τα θειολιωμένα δενδριμερή εμφάνισαν παρατεταμένη απελευθέρωση ακυκλοβίρης.
Εικόνα 4. Παραγωγή δενδριμερών πολυαιθυλενιμίνης.
3.1.4. Νανοσκευάσματα με βάση τον άνθρακα
Τα νανοσκευάσματα με βάση τον άνθρακα περιλαμβάνουν νανοσωλήνες άνθρακα, νανοσωματίδια οξειδίου του γραφενίου και φουλερένια.
Γραφένιο
Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο επίπεδο παράγωγο του γραφίτη. Για βιοϊατρικούς σκοπούς, τα υλικά με βάση το γραφένιο τροποποιούνται με διάφορες λειτουργικές ομάδες για τη βελτίωση της βιοσυμβατότητας και τη μείωση της τοξικότητας. Τόσο τα υδρόφιλα όσο και τα υδρόφοβα φάρμακα μπορούν να ενθυλακωθούν. Οι λειτουργικές ομάδες μπορούν να σχεδιαστούν για να παρέχουν θέσεις για προσκόλληση διαφορετικών βιολογικών μορίων.
Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) είναι κοίλοι κυλινδρικοί νανοσωλήνες με τοιχώματα κατασκευασμένα από ένα ή περισσότερα φύλλα γραφενίου. Ο κύλινδρος μπορεί να καλυφθεί με φουλερένιο στο ένα ή και στα δύο άκρα. Οι CNTs έχουν εξαιρετικές ιδιότητες όσον αφορά τη φόρτωση φαρμάκων και τη δυνατότητα ελεγχόμενης απελευθέρωσης, αλλά οι ιατρικές τους εφαρμογές είναι αρκετά περιορισμένες λόγω της πνευμονικής τοξικότητας και της υψηλής υδροφοβικότητας. Οι νεότεροι τύποι CNT εμφανίζουν μειωμένη τοξικότητα και αυξημένη βιοδιασπασιμότητα.
Φουλερένια
Τα φουλερένια είναι δομές άνθρακα που σχηματίζουν ένα κοίλο κλουβί νανο-μεγέθους. Τα φουλερένια έχουν βρεθεί ότι αναστέλλουν την αντιγραφή του HIV, του HCV και του ιού της γρίπης μέσω στερικού αποκλεισμού και ανέστειλαν την έκφραση της ιικής νουκλεοπρωτεΐνης.
3.1.5. Ανόργανες νανοσκευάσματα
Οι κβαντικές κουκκίδες (QD) είναι νανοκρύσταλλοι με ιδιότητες ημιαγωγών. Αποτελούνται από έναν ανόργανο πυρήνα (από πυρίτιο, σεληνιούχο κάδμιο, θειούχο κάδμιο ή αρσενίδιο του ινδίου, υπεύθυνο για τις ιδιότητες ημιαγωγού), ένα υδρόφιλο κέλυφος και ένα καπάκι. Οι κβαντικές κουκκίδες βρίσκουν τις εφαρμογές τους κυρίως στη βιοϊατρική απεικόνιση, καθώς μπορούν να απορροφούν και να εκπέμπουν φως σε προκαθορισμένα μήκη κύματος. Ως συστήματα φορέων φαρμάκων, τα τροποποιημένα QDs έχουν χρησιμοποιηθεί στη θεραπεία του HIV [42].
Νανοσωματίδια μετάλλων και οξειδίων μετάλλων
Τα μεταλλικά νανοσωματίδια μπορεί να έχουν τη δική τους μικροβιοκτόνο και αντιική δράση. Τέτοια είναι ο άργυρος, ο χρυσός, ο χαλκός, το τιτάνιο, τα οξείδια του δημητρίου και άλλα. Η επιφάνεια των μεταλλικών νανοσωματιδίων μπορεί να λειτουργήσει με διάφορες ομάδες προκειμένου να βελτιωθεί η μοριακή αλληλεπίδραση, η βιοδιαθεσιμότητα και η απελευθέρωση του συζευγμένου φαρμάκου. Μικρά παρεμβαλλόμενα RNA έχουν συζευχθεί με AuNPs και η προκύπτουσα σύνθεση ανέστειλε την αντιγραφή του ιού του δάγκειου πυρετού και την απελευθέρωση του ιού. Τα νανοσωματίδια αργύρου βρέθηκε ότι αναστέλλουν την αιμοσυγκόλληση και την απόπτωση που προκαλείται από τον ιό της γρίπης H1N1 σε καλλιέργειες κυττάρων. Τα νανοσωματίδια αργύρου συζευγμένα με ταννικό οξύ αποδείχθηκε ότι μειώνουν τη μόλυνση από HSV-2 vitro και in vivo. Τα νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου έχουν μελετηθεί σε μοντέλα ποντικών κολπικών λοιμώξεων με HSV-2 με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα όσον αφορά την καταστολή της ιικής δραστηριότητας.
Η χρήση ανόργανων νανοσωματιδίων είναι σε μεγάλο βαθμό περιορισμένη λόγω ανησυχιών για τοξικότητα [43]. Αναπτύσσονται νεότερα σκευάσματα, αλλά οι κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους εξακολουθούν να είναι πολύ περιορισμένες.
3.1.6. Νανοτεχνολογίες με βάση το νουκλεϊκό οξύ
Απταμερή
Τα απταμερή είναι, βασικά, βραχείες αλληλουχίες νουκλεϊκών οξέων (ολιγονουκλεοτίδια) ή πρωτεϊνικές αλληλουχίες (πεπτίδια) που μπορούν να συνδεθούν ειδικά με άλλα μόρια όπως άλλα νουκλεϊκά οξέα και πρωτεΐνες [34]. Σε μια συγκεκριμένη τρίτη κατηγορία ανήκουν τα Χ-απταμερή που είναι ένας συνδυασμός φυσικών και χημικά τροποποιημένων ολιγονουκλεοτιδίων DNA ή RNA. Τα απταμερή μπορεί να έχουν θειοφωσφορικό σκελετό για να ενισχύσουν τη σταθερότητα των νουκλεάσης και τη συγγένεια δέσμευσης [45].
Τα απταμερή έχουν δοκιμαστεί για θεραπευτικές δυνατότητες για τουλάχιστον 20 χρόνια. Για παράδειγμα, τα PEGylated απταμερή έχουν χρησιμοποιηθεί για τη στόχευση της αγγειακής ενδοθηλιακής ανάπτυξης και το παρασκεύασμα που προκύπτει (pegaptanib, Macugen από την Bausch & Lomb) έχει εγκριθεί ως παράγοντας ενδοϋαλοειδούς ένεσης στην εκφύλιση της ωχράς κηλίδας [85]. Τα απταμερή που στοχεύουν βασικά μέλη του καταρράκτη πήξης όπως ο παράγοντας IXa, η θρομβίνη και ο παράγοντας von Willebrand έχουν δοκιμαστεί ως πιθανά αντιπηκτικά [57].
Η ογκολογία είναι ένα πολύ ευρύ πεδίο για την ανάπτυξη θεραπευτικών απταμερών. Απταμερή έναντι νουκλεολίνης, αντιγόνου ειδικής μεμβράνης προστάτη (PSMA), καρκινοεμβρυϊκού αντιγόνου (CEA), MUC1, ErbB-2 και άλλων πρωτεϊνών με σημαντικό ρόλο στην προκαρκινογένεση έχουν επίσης διερευνηθεί ως στρατηγικές θεραπείας του καρκίνου [72, 43, 22, 86 ]. Ωστόσο, κανένα απταμερές δεν έχει εγκριθεί ακόμη για τη θεραπεία του καρκίνου.
Στον τομέα των μολυσματικών ασθενειών, τα απταμερή έχει βρεθεί ότι αναστέλλουν διάφορα στάδια μόλυνσης από τον HIV δεσμεύοντας την αντίστροφη μεταγραφάση και την ιντεγκράση [19, 71]. Η αιμοσυγκολλητίνη του ιού της γρίπης έχει στοχοποιηθεί με επιτυχία από τα απταμερή [53]. Βιοαισθητήρες βασισμένοι σε απταμερές για SARS-CoV και SARS-CoV-2 έχουν σχεδιαστεί [16, 70; 63]. Το 2021, τα απταμερή χρησιμοποιήθηκαν από τους Sun et al. για την πρόληψη της δέσμευσης της πρωτεΐνης ακίδας στον υποδοχέα ΜΕΑ [82].
Αντιπληροφοριακά νουκλεοτίδια (ASOs)
Τα αντιπληροφοριακά νουκλεοτίδια είναι βραχέα, μονόκλωνα, τεχνητά δημιουργημένα νουκλεϊκά οξέα που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να δεσμεύουν και να αναστέλλουν τα mRNAs. Τα ASO με δυνατότητα εφαρμογής για την καταπολέμηση της ιογενούς νόσου στοχεύουν τα mRNA που κωδικοποιούν πρωτεΐνες κρίσιμης σημασίας για την ανάπτυξη του μολυσματικού δυναμικού του ιού. Το πρώτο εγκεκριμένο μέλος αυτής της οικογένειας ήταν το fomivirsen (Vitravene, από τη Novartis), ένα ολιγοδεοξυριβονουκλεοτίδιο 21 bp συμπληρωματικό σε μια αλληλουχία που κωδικοποιεί τις κύριες πρώιμες πρωτεΐνες που είναι υπεύθυνες για τον κυτταρομεγαλοϊό (CMV). Το Vitravene αποσύρθηκε «για εμπορικούς λόγους» από την αγορά το 2002 [Δημόσια δήλωση για το Vitravene (fomivirsen) (europa.eu)].
Υπάρχουν τρεις γενιές ASO, που διαφέρουν ως προς τα χημικά τους χαρακτηριστικά όσον αφορά την ισχύ, τη φαρμακοκινητική και την τοξικότητα. Τα ASO πρώτης γενιάς διαθέτουν φωσφοροθειοϊκό σκελετό προκειμένου να αυξηθεί η αντίσταση στην υδρόλυση. Το Fomivirsen ήταν ένα ASO πρώτης γενιάς. Τα ASO δεύτερης γενιάς τροποποιούνται στη θέση 2 του τμήματος σακχάρου επιτρέποντάς τους να δρουν ως στερικοί αποκλειστές. Ένα από τα πιο γνωστά ASO δεύτερης γενιάς, το Mipomirsen (Kynamro, από την Genzyme) απορρίφθηκε από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Φαρμάκων λίγο μετά την κυκλοφορία του λόγω σοβαρών ανεπιθύμητων ενεργειών [http://www.fiercebiotech.com/regulatory/ema-committee-shoots-down-sanofi-s-cholesterol-drug-mipomersen]. TΤα ASO τρίτης γενιάς (π.χ. eterlipsen, που διατίθεται στην αγορά ως ExonDys από την AVI BioPharma International για τη θεραπεία της μυϊκής δυστροφίας του Duchenne) έχουν ανώτερη αντίσταση στις νουκλεάσες, αυξημένη συγγένεια στόχου και φαρμακοκινητική σε σύγκριση με προηγούμενες γενιές.
Το 2004, λίγο πριν το πρώτο ξέσπασμα του ανθρώπινου βήτα κορωνοϊού, αναφέρθηκαν αρκετά ASO δεύτερης γενιάς κατά του αιτιολογικού παράγοντα SARS-CoV [56]. Σχεδιάστηκαν για να στοχεύουν το ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης της κύριας πολυπρωτεΐνης του ιού (ORF1) και της ρυθμιστικής αλληλουχίας 5′-UTR. In vitro , επέδειξαν σημαντική αντιική δράση. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκαν ASO που στοχεύουν τη θέση έναρξης μετάφρασης του ORF1 και τη θέση όπου συμβαίνει μετατόπιση πλαισίου προκειμένου να μεταγραφούν περισσότερες από μία πολυπρωτεΐνες (κοινώς αποκαλούμενες ως «ψευδόκόμβοι») [1]. Αργότερα, η AVI Biopharma ανέπτυξε ASO που στοχεύουν το 3-UTR του ιικού RNA [AVI BioPharma’s NeuGene antisense drugs inhibit SARS coronavirus (pharmabiz.com)].Το 2020, αναφέρθηκε ένα γρήγορο και ευαίσθητο σύστημα ανίχνευσης για την παρουσία του RNA του SARS-CoV-2 που βασίζεται σε ASO συνδεδεμένα με νανοσωματίδια χρυσού (AuNPs) [51]. Τα ASO ανήκαν στην πρώτη γενιά και ήταν ειδικά για το γονίδιο της νουκλεοκαψιδικής φωσφοπρωτεΐνης του SARS-CoV-2. Οι συγγραφείς ισχυρίστηκαν ότι η χρωματομετρική τους ανάλυση γυμνού οφθαλμού θα μπορούσε να ανιχνεύσει πολλά αντίγραφα του ιικού γονιδιώματος SARS-CoV-2 χωρίς την ανάγκη ειδικού εξοπλισμού.
Μικρά παρεμβαλλόμενα RNA (siRNA)
Τα siRNA είναι μικρά δίκλωνα μόρια RNA που δείχνουν μια υπόσχεση στη θεραπεία του COVID-19. Βασικά μέλη της οικογένειας siRNA είναι η πατισιράνη και η γκιβοσιράνη που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για τη θεραπεία γενετικών ασθενειών. Τόσο το patisiran όσο και το givosiran ήταν φάρμακα πρώτης κατηγορίας [9]. Σύμφωνα με τον ορισμό του FDA, το «πρώτο στην κατηγορία» είναι ένα φάρμακο που λειτουργεί με «νέο και μοναδικό μηχανισμό δράσης» για τη θεραπεία μιας συγκεκριμένης ιατρικής πάθησης [Η FDA εγκρίνει την πρώτη του είδους στοχευμένη θεραπεία με βάση το RNA για τη θεραπεία σπάνια ασθένεια | FDA].
Το Patisiran (Onpattro, από την Alnylam) έχει εγκριθεί για την απειλή πολυνευροπάθειας σε ασθενείς με κληρονομική αμυλοείδωση τρανσθυρετίνης (hTTR) [Onpattro | Ευρωπαϊκός Οργανισμός Φαρμάκων (europa.eu)]. Το Patisiran στοχεύει το mRNA μιας μεταλλαγμένης μορφής του γονιδίου TTR που παράγει μια λανθασμένα διπλωμένη πρωτεΐνη της οποίας τα προϊόντα αποδόμησης εναποτίθενται σε πολλούς ιστούς και όργανα. Ένα νεότερο φάρμακο siRNA που κατασκευάζεται από την Alnylam για τη θεραπεία της αμυλοείδωσης hTTR είναι το revusiran. Το Givosiran (Givlaari από την Alnylam) είναι ένα άλλο φάρμακο siRNA που χρησιμοποιείται στη θεραπεία της οξείας ηπατικής πορφυρίας, μιας γενετικής ασθένειας που προκαλείται από μεταλλάξεις στο γονίδιο ALAS1 . Το Givosiran πιστεύεται ότι μειώνει τη συχνότητα των κρίσεων οξείας πορφυρίας στους πάσχοντες ασθενείς και ότι μειώνει τον χρόνιο πόνο, που είναι το βασικό σύμπτωμα της AHP [Balwani et al., 2020]. Ένα από τα εμβόλια για τον Έμπολα που αναπτύχθηκε νωρίτερα, συγκεκριμένα, το TKM-Ebola (από την Arbutus Biopharma Corporation) αποτελούνταν από siRNA ενθυλακωμένο σε LNPs. Το TKM-Ebola, ωστόσο, δεν έφτασε σε μεταγενέστερες φάσεις κλινικών δοκιμών λόγω αυξημένου κινδύνου για αλλεργικές αντιδράσεις.
Η νανοτεχνολογία έχει ήδη αποδείξει τη δύναμή της στη βελτίωση της απελευθέρωσης φαρμάκων και με τα τρία σκευάσματα Alnylam siRNA. Το Patisiran χορηγείται στο ήπαρ (όπου εκφράζεται κανονικά το μεταλλαγμένο γονίδιο) σε μια σύνθεση λιπιδίου-νανοσωματιδίου που αυξάνει την υποβάθμιση της αντίστασης στη νουκλεάση και διευκολύνει την παράδοση στα κύτταρα-στόχους. Το siRNA στο givosiran και το revusiran συνδέεται ομοιοπολικά με έναν συνδέτη που περιέχει υπολείμματα σιαλικού οξέος για να διασφαλιστεί η καλύτερη σύνδεση με τον στόχο και συσκευάζεται σε νανοσωματίδια λιπιδίων για αποτελεσματική ηπατική παροχή. Τα siRNA μορφομετατρέπονται σε κύτταρα χρησιμοποιώντας πολυμερείς φορείς ή κατιονικά λιπίδια (λιποσώματα ή νανοσωματίδια λιπιδίων).
Τα siRNA συσκευασμένα σε νανοσωματίδια στερεών λιπιδίων ήταν εξαιρετικά αποτελεσματικά κατά του SARS-CoV-2 όταν χρησιμοποιούνται σε ζωικά μοντέλα [33, 4]. Το siRNA στοχεύει συγκεκριμένα τις διατηρημένες περιοχές του γονιδιώματος SARS-CoV-2. Το σκεύασμα επιτρέπει τη χορήγηση του φαρμακευτικού προϊόντος κατά προτίμηση στους πνεύμονες ως κύρια θέση για την αντιγραφή του SARS-CoV-2, αλλά με την παραλλαγή των παραμέτρων οι συγγραφείς έχουν δείξει ότι τα φορτωμένα νανοσωματίδια μπορεί να στοχεύουν το ήπαρ και τη σπλήνα και, πιθανώς, άλλους ιστούς. Αυτή η ευελιξία μπορεί να είναι πολύ πολύτιμη στον COVID-19, καθώς είναι μια πολυσυστημική ασθένεια και μπορεί να επεκτείνει τη βλάβη της πολύ πέρα από τους πνεύμονες. Επί του παρόντος (από τον Ιανουάριο του 2022), δημιουργείται μια βάση δεδομένων με siRNAs που στοχεύουν τον SARS-CoV-2, που περιέχει περισσότερα από 100.000 siRNA μήκους από 18 έως 21 νουκλεοτίδια [47]. Αυτό μπορεί να αναμένεται να επιταχύνει τη διαδικασία σχεδιασμού νέων φαρμάκων που βασίζονται σε siRNA κατά του COVID-19.
3.2. Νανοσκευάσματα που αναπτύχθηκαν ειδικά για τη χορήγηση αντιιικών φαρμάκων
Η σύγχρονη αντιική θεραπεία είναι πολύ αποτελεσματική αλλά έχει τους περιορισμούς της. Πολλοί ασθενείς θα χρειαστούν ένα σχήμα πολλαπλών φαρμάκων, αλλά τα αντιιικά φάρμακα μπορεί να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους καθώς και με άλλα συνταγογραφούμενα φάρμακα. Μερικοί ασθενείς θα χρειαστούν μακροχρόνια θεραπεία (το COVID-19 δεν αποτελεί εξαίρεση, καθώς η συχνότητα εμφάνισης του μακροχρόνιου συνδρόμου COVID φτάνει το 40-50 % σε ορισμένες μελέτες [54]). Τα αντιιικά φάρμακα μπορεί να έχουν κακή βιοδιαθεσιμότητα και σύντομο χρόνο ημιζωής, με αποτέλεσμα την ανάγκη πολλαπλών δόσεων και, αντίστοιχα, κακή συμμόρφωση του ασθενούς. Η χορήγηση υψηλότερων δόσεων σε προσπάθεια αντιστάθμισης της χαμηλής βιοδιαθεσιμότητας μπορεί να οδηγήσει σε τοξικές επιδράσεις. Η ανάπτυξη αντοχής στο φάρμακο είναι συχνή σε ασθενείς που χρειάζονται θεραπεία πέραν των πολλών ημερών ή εβδομάδων. Πολλοί ιοί μπορεί να εξαπλωθούν σε σημεία που είναι συνήθως απρόσιτα για τα περισσότερα φάρμακα (συνήθως ονομάζονται καταφύγια ιών, όπως το ΚΝΣ, το λεμφικό σύστημα και το αρθρικό υγρό. Τέλος (αλλά όχι σε σημασία) είναι το γεγονός ότι καθώς ο ιός χρησιμοποιεί την κυτταρική συσκευή του ξενιστή για να συνθέσει τις πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα του, η διαφορική επιλεκτικότητα των αντιιικών παραγόντων προς τον ιό και τα κύτταρα-στόχους μπορεί να είναι κρίσιμης σημασίας.
Οι καινοτόμες πλατφόρμες για τη χορήγηση φαρμάκων που βασίζονται στη νανοτεχνολογία μπορούν να βοηθήσουν στην εξεύρεση λύσεων σε πολλά από αυτά τα ζητήματα. Ο μεγαλύτερος όγκος δεδομένων που έχουμε σχετικά με τη φαρμακευτική θεραπεία ασθενειών που προκαλούνται από ιούς που περιέχουν RNA είναι οι καταστάσεις που σχετίζονται με τον HCV και τον HIV και η γρίπη. Πολλά φάρμακα που χρησιμοποιούνται με επιτυχία για τη θεραπεία των λοιμώξεων από HIV και HCV έχουν δοκιμαστεί για δράση κατά του SARS-CoV-2 και αρκετά έχουν επαναχρησιμοποιηθεί στο COVID-19.
Τα αντιιικά φάρμακα που έχουν εγκριθεί για τη θεραπεία του HCV και του HIV (και, μερικά από αυτά, για το COVID-19) μπορούν, σε πολύ μεγάλο βαθμό, να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τον τόπο δράσης τους και τον κύριο μηχανισμό τους:
- Ιντερφερόνες (IFNs);
- Αναστολείς εισόδου.
- Ανάλογα νουκλεοσιδίου/νουκλεοτιδίου;
- Μη νουκλεοσιδικά ανάλογα.
- Αναστολείς πρωτεάσης.
- Αναστολείς ιντεγκράσης.
- Αντιπληροφοριακά νουκλεοτίδια.
- Μικρά παρεμβαλλόμενα RNA (siRNA).
- Άλλοι.
Τα ASO και τα siRNA που έχουν δοκιμαστεί επί του παρόντος για δραστηριότητα έναντι του COVID-19 αναφέρθηκαν ήδη στην προηγούμενη ενότητα.
Η τελευταία ομάδα, “Άλλα”, αποτελείται από μια ποικιλία φαρμάκων που χρησιμοποιούνται συνήθως στην κλινική για άλλους σκοπούς, όπως ανθελονοσιακά (π.χ. υδροξυχλωροκίνη), αντιελμινθικά (λεβαμιζόλη, ιβερμεκτίνη), αντικαταθλιπτικά (φλουβοξαμίνη) κ.λπ. Μπορεί να παρουσιάζουν δραστηριότητες τυπικές των προηγούμενων ομάδων (αναστολείς αντιγραφής, αναστολείς πρωτεάσης, κ.λπ.). Μερικά από αυτά, όπως η ιβερμεκτίνη, έχουν αντιική δράση in vitro, αλλά τα αποτελέσματα in vivo δεν έχουν βγει ακόμη ή δεν είναι ενθαρρυντικά [39]. Άλλα (όπως η υδροχλωρική βρωμεξίνη, με πιθανή δράση αναστολέα πρωτεάσης) έχουν δείξει κάποια δραστηριότητα in vivo όσον αφορά την πρόληψη της συμπτωματικής νόσου, αλλά τα αποτελέσματα δεν ήταν αρκετά σημαντικά για να δικαιολογήσουν περισσότερη έρευνα στο πεδίο ή οι κλινικές δοκιμές πρώιμης φάσης δεν έχουν ολοκληρωθεί ακόμα [48]. Η χλωροκίνη αποδείχθηκε ότι παρεμβαίνει στη σύντηξη ιού-ενδοσώματος του SARS-CoV, ότι αναστέλλει τη γλυκοζυλίωση των υποδοχέων ACE2 [93, 94] και έχει αντιφλεγμονώδη αποτελέσματα μέσω της αναστολής της δραστηριότητας της φωσφολιπάσης Α2 και του αποκλεισμού της παραγωγής και απελευθέρωσης κυτοκίνης [2], αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί σημαντικές αντιικές επιδράσεις για τον SARS-CoV-2. Η φλουβοξαμίνη, ένα αντικαταθλιπτικό της ομάδας των εκλεκτικών αναστολέων επαναπρόσληψης σεροτονίνης (SSRI), αρχικά έδειξε περισσότερη υπόσχεση ως θεραπεία για ασθενείς με COVID-19, αλλά οι συνεχιζόμενες δοκιμές δεν δείχνουν τίποτα εκτός από το ότι μπορεί να χρειαστούν μεγαλύτερες μελέτες για να διευκρινιστεί εάν υπάρχει επίδραση της φλουβοξαμίνης στη σοβαρότητα της νόσου [91]. Μια αναφορά σχετικά με ένα σκεύασμα φλουβοξαμίνης που περιέχει στερεά νανοσωματίδια λιπιδίων που φέρεται να εξασφάλιζε αποτελεσματική στοχευμένη απελευθέρωση του φαρμάκου δημοσιεύθηκε το 2019 [35]. Δεν έχει βγει ακόμη κανένα εμπορικό σκεύασμα που να βασίζεται σε αυτές τις μελέτες.
Η πανδημία του COVID-19 προκάλεσε σημαντική ψυχολογική δυσφορία σε όσους επλήγησαν από τον ιό καθώς και σε όσους έχουν δει τον αγώνα των αγαπημένων τους με την ασθένεια. Όπως είναι χαρακτηριστικό σε τέτοιες εποχές, εμφανίστηκαν «θαυματουργές θεραπείες», οι οποίες διακηρύσσονται ευρέως από τα μέσα ενημέρωσης. Τα περισσότερα από αυτά δεν έδειξαν, μακροπρόθεσμα, κανένα σημαντικό όφελος σε όσους τα έπαιρναν. Αντίθετα, πολλοί προσβεβλημένοι ασθενείς επιδεινώθηκαν αφού χρησιμοποίησαν τις «θαυματουργές θεραπείες» τους και, αντίστοιχα, έχασαν την κατάλληλη στιγμή για να αναζητήσουν την κατάλληλη θεραπεία. Η υδροξυχλωροκίνη, η ιβερμεκτίνη, η βρωμεξίνη και άλλες απόλαυσαν όλες τις σύντομες περιόδους της (ακόμη) άδικης φήμης τους. Κανένα από αυτά δεν έχει δείξει σημαντικά κλινικά οφέλη και η χρήση τους από ασθενείς με COVID-19 θα πρέπει να αποθαρρύνεται έως ότου αξιόπιστες περαιτέρω μελέτες αποδείξουν οριστικά ότι μειώνουν τα ποσοστά νοσηλείας και θνησιμότητας.
3.2.1. Ιντερφερόνες
Οι ιντερφερόνες είναι πρωτεΐνες σηματοδότησης που παράγονται φυσιολογικά από το ανοσοποιητικό σύστημα του μολυσμένου ξενιστή και παρεμβαίνουν (εξ ου και το όνομά τους) στην αντιγραφή του ιού μέσα στο κύτταρο. Προηγουμένως χρησιμοποιούμενη στη θεραπεία της ιογενούς ηπατίτιδας, η ικανότητα των IFNs να παρεμβαίνουν στη σύνθεση πρωτεϊνών που απαιτούνται για αντιγραφή χρησιμοποιείται, επί του παρόντος, κυρίως στη θεραπεία της σκλήρυνσης κατά πλάκας και διαφόρων καρκίνων. Η πεγκυλίωση των ιντερφερονών ως βασική τεχνολογία νανοκλίμακας έχει χρησιμοποιηθεί για την αύξηση του χρόνου κάθαρσής τους προκειμένου να διασφαλιστεί ότι το φάρμακο συνδέεται αποτελεσματικά με τον στόχο του [89]. Το PegIntron (από τη Merck, διακόπηκε) είναι ένα εμπορικό παρασκεύασμα ιντερφερόνης άλφα-2b που χρησιμοποιήθηκε στη θεραπεία της ηπατίτιδας Β και C μέχρι το 2016. Το Pegasys (Genentech) παραμένει, μέχρι σήμερα, η μόνη PEGυλιωμένη ιντερφερόνη που έχει εγκριθεί για χρήση από τον FDA και τον EMA για τη θεραπεία της ηπατίτιδας Β σε ενήλικες [https://www.natap.org/2005/HBV/051605_02.htm; https://www.ema.europa.eu/en/documents/product-information/pegasys-epar-product-information_en.pdf]. Η PEG-ιντερφερόνη άλφα-2α (Roferone από τη Roche, που χρησιμοποιείται στη θεραπεία της λευχαιμίας, του κακοήθους μελανώματος, της αληθούς πολυκυτταραιμίας, της βασικής θρομβοκυτταραιμίας και άλλων) είναι ένα άλλο φάρμακο ιντερφερόνης που πρόσφατα διακόπηκε λόγω σοβαρών ανεπιθύμητων ενεργειών και διαθεσιμότητας ασφαλέστερων φαρμάκων [https://pharmac.govt.nz/medicine-funding-and-supply/medicine-notices/interferon-alfa-2a/]. Η ιντερφερόνη βήτα-1α (Rebif από τη Merck και την Pfizer) είναι επί του παρόντος εγκεκριμένη για τη θεραπεία της υποτροπιάζουσας σκλήρυνσης κατά πλάκας [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).].
Τα νανοσωματίδια χρυσού έχουν μελετηθεί ως πιθανός φορέας ιντερφερόνης άλφα για την κλινική θεραπεία της λοίμωξης από τον ιό της ηπατίτιδας C (HCV) [36]. Ένα σκεύασμα παρατεταμένης χορήγησης φαρμάκου IFN-β-1a βασισμένο σε νανοσωματίδια που αποτελούνται από πολυ(γαλακτικό-συν-γλυκολικό οξύ και πολυμερή) αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε in vitro το 2020 [24]. Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι το σκεύασμα αύξησε την αποτελεσματικότητα της χορήγησης ιντερφερόνης και είχε τη δυνατότητα να μειώσει τις σχετικές ανεπιθύμητες ενέργειες της IFN-β-1a. Έχουν υπάρξει πολυάριθμες αναφορές για δοκιμές IFN στη θεραπεία ασθενών με COVID-19 [32, 64, 52]. Η IFN-alpha αποδείχθηκε ότι μειώνει την αποβολή του ιού και καταστέλλει τη φλεγμονή που σχετίζεται με το COVID-19, ενώ η IFN-βήτα συσχετίστηκε με ταχύτερη ιική κάθαρση [46]. Οι Sodeifian et al. επισημαίνουν ότι δεδομένα από μελέτες σε ζώα δείχνουν ότι η χορήγηση IFNs στα αρχικά στάδια του COVID-19 ή σε ήπια έως μέτρια νόσο μπορεί να έχει προστατευτική δράση, αλλά κατά τα τελευταία στάδια και σε σοβαρή νόσο μπορεί να προκαλέσει σημαντική βλάβη στην ασθενείς [80]. Η επίδραση των IFN στη θνησιμότητα από τον COVID-19 μπορεί να αναφέρεται ως δραστικά διαφορετική σε διαφορετικές μελέτες. Μια τυχαιοποιημένη ελεγχόμενη δοκιμή της χρήσης της IFN-βήτα σε ασθενείς με σοβαρή COVID-19 ανέφερε χαμηλότερο ποσοστό θνησιμότητας στην ομάδα που λάμβανε IFN, αλλά οι ασθενείς έλαβαν επίσης άλλα φάρμακα, συμπεριλαμβανομένων των τυπικών αντιικών (lopinavir/ritonavir, ή atazanavir/ritonavir [44]. Μια άλλη δοκιμή ανέφερε ότι η χρήση της IFN βήτα δεν έδειξε σημαντική διαφορά στη θνησιμότητα [21]. Μελέτες σχετικά με τη χρήση της PEGylated IFN-alpha 2b ως προσθήκη στην τυπική θεραπεία έδειξαν ότι είχε ως αποτέλεσμα την ταχεία κάθαρση του ιού και τη βελτίωση της κλινικής κατάστασης [12]. Είναι πιθανό τα συστήματα που βασίζονται στη νανοτεχνολογία που αναπτύχθηκαν προηγουμένως να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αποτελεσματική παροχή αντιικών σε ασθενείς με COVID-19, αλλά τα αμφιλεγόμενα αποτελέσματα από τη χρήση ιντερφερονών έχουν αποτρέψει ακόμη την ανάπτυξη μεγάλων κλινικών δοκιμών.
3.2.2.Αναστολείς της ανάστροφης μεταγραφάσης νουκλεοσιδίων/νουκλεοτιδίων (NRTIs)
Οι NRTIs λειτουργούν παρεμβαίνοντας στην αντιγραφή του ιικού νουκλεϊκού οξέος, παρουσιάζοντας συνήθως ένα ανάλογο νουκλεοσιδίου που, όταν προστεθεί στην αναπτυσσόμενη πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, θα τερματίσει την επιμήκυνση της αλυσίδας, θα αναστέλλει την αντιγραφή του νουκλεϊκού οξέος του ιού. Οι αναστολείς της ανάστροφης μεταγραφάσης έχουν μελετηθεί εκτενώς σε σχέση με τη χρήση τους στη θεραπεία του HIV. Η τρέχουσα κλινική πρακτική της αντιρετροϊκής θεραπείας (ART) προτείνει η θεραπεία πρώτης γραμμής κατά του HIV να αποτελείται από έναν συνδυασμό δύο (ή περισσότερων) NRTI και ενός NNRTI ή ενός αναστολέα πρωτεάσης ή ιντεγκράσης. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του ασθενούς, μπορεί να προστεθεί ένας αναστολέας εισόδου, αν και είναι ακριβός, προκαλεί προβλήματα συμμόρφωσης (π.χ. υποδόρια εφαρμογή δύο φορές την ημέρα, που μπορεί να είναι προβληματική) και μπορεί να έχει σοβαρές ανεπιθύμητες ενέργειες. Η λαμιβουδίνη, η σταβουδίνη, η ζιδοβουδίνη, η εμτρισιταβίνη, η ζαλσιταβίνη, η τενοφοβίρη και άλλες είναι μερικοί από τους NRTI που χρησιμοποιούνται συνήθως.
Τα NRTIs και NNRTIs είναι πολύ αποτελεσματικά φάρμακα. Ωστόσο, έχουν τα μειονεκτήματά τους, όπως σύντομο χρόνο ημιζωής, υψηλή επίδραση πρώτης διέλευσης (με αποτέλεσμα χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα) και διακύμανση στα επίπεδα ορού λόγω ατομικής διακύμανσης στη δραστηριότητα του συστήματος CYP. Μια μεγάλη ποικιλία τεχνολογιών έχει δοκιμαστεί για τη βελτίωση της παροχής και της σταθερότητας των νουκλεοσιδικών αναλόγων.
Η νανοτεχνολογία έχει παράσχει μια σειρά από εξαιρετικά αποτελεσματικά οχήματα για την παροχή NRT που χρησιμοποιούνται στη θεραπεία της μόλυνσης από τον HIV. Λιποσώματα, δενδριμερή, μικκύλια, νανοσωματίδια στερεών λιπιδίων, νανοαιωρήματα και πολυμερή νανοσωματίδια έχουν όλα χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της παροχής φαρμάκων στον HIV [73, 29].
Τα δεδομένα σχετικά με τη χρήση της νανοτεχνολογίας για τη βελτίωση της παροχής αντι-ιικών φαρμάκων κατά του COVID-19 εξακολουθούν να είναι αραιά, αλλά το πεδίο επεκτείνεται ταχέως. Τα περισσότερα από τα αντιιικά που χρησιμοποιούνται στο COVID-19 είναι NRTI. Τέτοια είναι: φαβιπιραβίρη (ένα ανάλογο γουανοσίνης). μολνουπιραβίρη (ένα ανάλογο ριβονουκλεοζίτη πυριμιδίνης) και ρεμδεσιβίρη (ένα ανάλογο αδενοσίνης). Τα περισσότερα από αυτά είναι εγκεκριμένα για ασθενείς με ήπια έως μέτρια νόσο με υψηλό κίνδυνο επιπλοκών και πρέπει να ξεκινούν νωρίς στην πορεία της νόσου. Μόνο η ρεμδεσιβίρη έχει εγκριθεί για τη θεραπεία νοσηλευόμενων ασθενών με σοβαρή νόσο και αναπνευστική ανεπάρκεια [https://www.covid19treatmentguidelines.nih.gov/management/clinical-management/hospitalized-adults–therapeutic-management/] αν και αργότερα εγκρίθηκε για χρήση σε επιλεγμένες ομάδες εξωτερικών ασθενών επίσης [https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-takes-actions-expand-use-treatment-outpatients-mild-moderate-covid-19]. Σε μια μελέτη από το 2020, οροθετικοί ασθενείς που λάμβαναν τενοφοβίρη/εμρισιταβίνη εμφάνισαν χαμηλότερο κίνδυνο για COVID-19 και σχετική νοσηλεία σε σχέση με εκείνους που λάμβαναν άλλες θεραπείες [5]. Έχουν αναπτυχθεί και δοκιμαστεί in vitro νανοκυστίδια πολυμερών φορτωμένα με ρεμδεσιβίρη, ένα νανογαλάκτωμα favipiravir και SLNP φορτωμένα με favipiravir που προορίζονται να παρέχουν το φάρμακο απευθείας στο πνευμονικό επιθήλιο [68, 92, 87]. Οι in vivo μελέτες στο πεδίο δεν έχουν ακόμη έρθει.
3.2.3. Μη νουκλεοσιδικοί αναστολείς της ανάστροφης μεταγραφάσης (NNRTIs)
Οι μη νουκλεοσιδικοί αναστολείς ανάστροφης μεταγραφάσης (NNRTIs) αναστέλλουν άμεσα την ανάστροφη μεταγραφάση HIV-1 δεσμεύοντας με αναστρέψιμο και μη ανταγωνιστικό τρόπο στο ένζυμο. Οι επί του παρόντος διαθέσιμοι NNRTI είναι η νεβιραπίνη (Viramune, της Boehringer Ingelheim), η δελαβιρδίνη (Rescriptor, ViiV Healthcare και η εφαβιρένζη (γενική, από τη Mylan και τη Systiva, από την Bristol Myers Squibb). Συνθέσεις με βάση νανο έχουν δοκιμαστεί για τη βελτίωση της βιοδιαθεσιμότητας και της ελεγχόμενης απελευθέρωσης των NNRTIs. Manyarara et al. το 2018 ανέπτυξε ένα νανογαλάκτωμα nevirapine για παιδιατρικές χρήσεις. Ένα αυτο-νανογαλακτωματοποιούμενο σύστημα χορήγησης φαρμάκων (SNEDDS) αναπτύχθηκε με επιτυχία για τη nevirapine προκειμένου να αυξηθεί η βιοδιαθεσιμότητα της [60]. Οι NNRTIs έχουν αξιολογηθεί για δράση κατά του COVID-19 μέσω μελετών μοριακής σύνδεσης, αλλά η κλινική τους αποτελεσματικότητα στον COVID-19 παραμένει να αποδειχθεί [15, 25].
3.2.4. Αναστολείς εισόδου (αναστολείς σύντηξης)
Οι αναστολείς εισόδου, βασικά, εμποδίζουν έναν ιό να εισέλθει σε ένα κύτταρο μπλοκάροντας το σημείο εισόδου του ιού, π.χ. έναν προτιμώμενο υποδοχέα. Επί του παρόντος, αναστολείς εισόδου όπως το maraviroc (Celzentry, από την GlaxoSmithKline), η ενφιβουρτίδη (Fuzeon, από την Genentech), η βουλεβιρτίδη (Hepcludex, από τη Gilead Sciences) και άλλοι) χρησιμοποιούνται στη θεραπεία λοιμώξεων από τον HIV και την ηπατίτιδα D. Το 2015, χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου επικαλυμμένα με αμφίφιλο πολυμερές για τη χορήγηση ενφιβουρτίδης στα καταφύγια του HIV σε ποντίκια [23]. Το 2020, υβριδικά νανοσωματίδια πολυμερούς-λιπιδίου (PLN) φορτωμένα με έναν συνδυασμό μη νουκλεοσιδικού αναστολέα ανάστροφης μεταγραφάσης (εφαβιρένζη) και ενφιβουρτίδης χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της δυνατότητας παράδοσης των φαρμάκων σε Τ-κύτταρα και μακροφάγους που έχουν απομονωθεί σε καταφύγια ιών.
3.2.5. Αναστολείς πρωτεάσης (PIs)
Οι αναστολείς πρωτεάσης αναστέλλουν την πρωτεάση που διασπά την ιική πολυπρωτεΐνη για να σχηματίσει ξεχωριστές πρωτεΐνες. Τα PI είναι παρόμοια με την παραπάνω ομάδα νουκλεοσιδικών αναλόγων, έχουν μελετηθεί πολύ καλά λόγω της κοινής χρήσης τους στη θεραπεία του HIV. Και πάλι, όπως και τα ανάλογα νουκλεοσιδίων, τα PI υπόκεινται σε εκτεταμένο μεταβολισμό πρώτης διόδου και είναι υποστρώματα του CYP, εξ ου και η μεγάλη διακύμανση των επιπέδων του ίδιου φαρμάκου στην ίδια δόση που λαμβάνεται από διαφορετικό άτομο. Αυτό ξεπερνιέται εν μέρει με τη συγχορήγηση τους με ενισχυτές των επιπέδων ορού (ουσιαστικά, αναστολείς του CYP3A) όπως η ριτοναβίρη ή η κομπισιστάτη. Προσεγγίσεις που βασίζονται στη νανοτεχνολογία έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να ενισχυθεί η βιοδιαθεσιμότητα των πιο κοινών PI, όπως η λοπιναβίρη (νανοσωματίδια στερεών λιπιδίων, νανοσωματίδια που βασίζονται σε πολυμερή), η αταζαναβίρη (νανογαλάκτωμα, νανοεναιώρημα), η δαρουναβίρη (νανοσωματίδια λιπιδίων), η νελφιναβίρη (πολυμερές βασισμένα νανοσωματίδια) και άλλα [55, 66, 88, 28, 79, 7, 18]. Οι κβαντικές κουκκίδες συζευγμένες με σακουιναβίρη έχουν δοκιμαστεί για να βελτιώσουν τη βιοδιαθεσιμότητα του φαρμάκου σε καταφύγια ιών [42].
Οι αναστολείς πρωτεάσης είναι ένα από τα ανταλλάξιμα συστατικά της τυπικής αντιρετροϊκής θεραπείας για τον HIV, καθώς είτε αναστολέας πρωτεάσης είτε αναστολέας ιντεγκράσης μπορούν να προστεθούν στους αναστολείς της ανάστροφης μεταγραφάσης στην ART. Οι PIs, ωστόσο, φαίνεται ότι έχουν φτάσει στα ύψη ενός νέου φαρμάκου για τη μόλυνση από τον SARS-CoV-2. Το 2020, οι Beck et al. χρησιμοποίησε ένα μοντέλο πρόβλεψης αλληλεπίδρασης φαρμάκου-στόχου που βασίζεται σε βαθιά μάθηση για να προβλέψει την πιθανή αντι-COVID-19 δραστηριότητα μιας ομάδας φαρμάκων διαφορετικών τάξεων που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία λοιμώξεων από τον HIV (ρεμδεσιβίρη, εφαβιρένζη, ριτοναβίρη και ντολουτεγκραβίρη) [10 ]. Διαπίστωσαν ότι η αταζαναβίρη είχε την υψηλότερη συγγένεια με την ιική πρωτεάση του SARS-CoV-2. Ένα νέο από του στόματος φάρμακο (Paxlovid, της Merck) εγκρίθηκε για χρήση σε ασθενείς με COVID-19 μόνο τον Δεκέμβριο του 2020. Αποτελείται από νιρματρελβίρη, έναν αναστολέα πρωτεάσης και ριτοναβίρη, έναν πολύ γνωστό αυξητικό παράγοντα που χρησιμοποιείται στην ART [59]. Αναμφίβολα, αφού συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα σχετικά με την αποτελεσματικότητα του από του στόματος παρασκευάσματος, σύντομα θα αναπτυχθούν καλύτερα και πιο αποτελεσματικά σκευάσματα με βάση τη νανοτεχνολογία.
3.2.6. Αναστολείς της ενσωματάσης
Οι αναστολείς της ενσωματάσης δρουν εμποδίζοντας την εισαγωγή ενός αντιγράφου DNA του γονιδιώματος RNA στο γονιδίωμα του κυττάρου ξενιστή. Τυπικά, ένας αναστολέας ιντεγκραβίρης όπως η ντολουτεγκραβίρη (Tivicay, της ViiV Healthcare), η ελβιτεγκραβίρη (μέρος του συνδυασμού σταθερής δόσης Stribild, της Gilead Sciences) ή η ραλτεγκραβίρη (Isentress, της Merck) είναι ένα βασικό συστατικό στην ART για λοιμώξεις HIV. Έχουν αναπτυχθεί νανοσκευάσματα αναστολέων ιντεγκράσης με σκοπό την αύξηση της διαλυτότητάς τους και την ελεγχόμενη χορήγηση. Η μυριστοϋλιωμένη ντολουτεγκραβίρη προτάθηκε ως σκεύασμα μακράς δράσης κατά της λοίμωξης HIV με δυνατότητα βραδείας αποδέσμευσης [90]. Το 2015, αποδείχθηκε ότι τα νανοσωματίδια χρυσού εσωτερικεύονται εύκολα από λεμφοκύτταρα και μακροφάγα και προτάθηκε ένα συζυγές AuNP της ραλτεγκραβίρης που θα μπορούσε να αναστείλει την αναπαραγωγή του HIV σε περιφερειακά μονοπύρηνα κύτταρα [26]. Το 2020, η ντολουτεγκραβίρη εντοπίστηκε ότι έχει πιθανή ανασταλτική δράση για την ιική πρωτεάση του SARS-CoV-2 [10]. Οι μελέτες στο πεδίο συνεχίζονται.
4. Καψίδια ιών που χρησιμοποιούνται για τη χορήγηση φαρμάκων
Τα σωματίδια που μοιάζουν με ιούς (VLPs) είναι αυτοσυναρμολογούμενα σωματίδια που σχηματίζονται με την ενσωμάτωση ιικών πρωτεϊνών του καψιδίου ή του ιικού περιβλήματος σε διάφορες φυσικές πρωτεΐνες όπως η φερριτίνη ή η βακτηριακή ενκαψουλίνη. Οι πρωτεΐνες παράγονται τυπικά σε ετερόλογα συστήματα. Τα VPL μπορούν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης φαρμάκων, ανοσοθεραπειών, εμβολίων, γονιδιακών θεραπειών, απεικόνισης και άλλων. Τα ιοσώματα είναι VLP που διαθέτουν μια πρόσθετη διπλοστιβάδα φωσφολιπιδίου που ενσωματώνει τις γλυκοπρωτεΐνες του περιβλήματος του ιού (π.χ. αιμοσυγκολλητίνη). Ένα σχηματικό μπορεί να προβληθεί στο Σχ. 5.
Οι πρωτεΐνες μπορούν να τροποποιηθούν ή να συζευχθούν με πεπτίδια, τοξίνες, χημειοθεραπευτικά, siRNA, κβαντικές κουκκίδες, κ.λπ. προκειμένου να επιτευχθεί στόχευση σε μια συγκεκριμένη θέση και/ή χρονισμός απελευθέρωσης του εγκλεισμένου παράγοντα.
Τα φυσικά ιικά σωματίδια μπορεί, ως απόκριση σε ερεθίσματα όπως η αλλαγή του pH ή της θερμοκρασίας, να απελευθερώσουν μονάδες ή τμήματα του καψιδίου ή του περιβλήματος τους που δεν διαθέτουν το γονιδίωμα του ιού. Ομοίως, τα ιικά σωματίδια μπορούν να αποσυναρμολογηθούν και να επανασυναρμολογηθούν σε VLP υπό συγκεκριμένες συνθήκες [58]. Τα VLP μοιάζουν με τη μορφολογία των ιικών σωματιδίων άγριου τύπου, παρουσιάζουν τον ίδιο τροπισμό και ενδοκυτταρική κατανομή, αλλά δεν περιλαμβάνουν το νουκλεϊκό οξύ του ιού που τα καθιστά, στην πραγματικότητα, ισοδύναμα ιών χωρίς γονιδίωμα. Έτσι, το φορτίο του κυστιδίου (φάρμακα, αντισώματα, φθορίζουσες βαφές, παράγοντες αντίθεσης, κ.λπ.) μπορεί να παραδοθεί σε έναν συγκεκριμένο τύπο του κυττάρου στόχου χρησιμοποιώντας αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου παρόμοιες με την αλληλεπίδραση ιού-κυττάρου. Τα VLP μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νέων υλικών όπως καταλύτες, βιομιμητικά ή επιλεκτικά στοχευμένα μέσα απεικόνισης [14, 58].
Εικόνα 5. Σχηματική αναπαράσταση ενός σωματιδίου που μοιάζει με ιό (το περίβλημα των φωσφολιπιδίων δεν φαίνεται).
Τα VLPs έχουν χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό εμβολίων κατά της ανθρώπινης νόσου από το 2017, όταν οι Kanekiyo et al. δημιούργησε μια πρωτεΐνη σύντηξης αιμοσυγκολλητίνης-φερριτίνης που θα αυτοσυγκεντρωνόταν αυθόρμητα για να δημιουργήσει νανοσωματίδια που παρουσιάζουν τριμερή αιμοσυγκολλητίνης στην επιφάνειά της. Ομοίως, ένα εμβόλιο κατά του RSV αναπτύχθηκε αργότερα που παρουσίασε το F-αντιγόνο του RSV [30].
Τα σωματίδια που μοιάζουν με ιούς υπόσχονται πολλά μεταξύ των σύγχρονων προσεγγίσεων που βασίζονται σε νανοτεχνολογία για τη βελτίωση της ασφάλειας και της αποτελεσματικότητας των φαρμάκων. Τα VLP είναι, γενικά, πιο ασφαλή στη χρήση από τους ιικούς φορείς στη διαδικασία ανάπτυξης εμβολίου. Ένα πιθανό μειονέκτημα των VLP είναι η ανοσογονικότητά τους λόγω της παρουσίας ιικών πρωτεϊνών. Δεδομένου ότι οι πρωτεΐνες παράγονται σε βακτήρια, ωστόσο, η έκφρασή τους δεν περιλαμβάνει τυπικά μετα-μεταφραστική επεξεργασία που μπορεί στην πραγματικότητα να μειώσει τον κίνδυνο για ανοσοαπόκριση μετά τη μετάφραση [58, 3].
Τα φάρμακα με υψηλή τοξικότητα μπορούν να παραδοθούν με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα στον στόχο χρησιμοποιώντας VLP. Οι Ashley et al. χρησιμοποίησαν VLP για να απελευθερώσουν ενθυλακωμένη δοξορουβικίνη σε κύτταρα ανθρώπινου ηπατοκυτταρικού καρκινώματος (Hep3B) που ήταν γνωστό ότι χρησιμοποιούν τον μηχανισμό εκροής Pgp για την αποβολή χημειοθεραπευτικών φαρμάκων [6]. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ιικά σωματίδια με δοξορουβικίνη, σισπλατίνη και 5-φθοροουρακίλη θα μπορούσαν να αναστείλουν την ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων σε σημαντικά χαμηλότερα επίπεδα του φαρμάκου.
Η τροποποίηση (λειτουργικότητα, διακόσμηση) των πρωτεϊνών στα VLP μπορεί να αυξήσει τη συγγένειά τους με τον στόχο και να βελτιώσει την απελευθέρωση του φαρμάκου. Η διακόσμηση των VLP με τμήματα βιοτίνης προκειμένου να διασφαλιστεί η στόχευση μέσω αλληλεπίδρασης αβιδίνης-βιοτίνης αναφέρθηκε το 2007 [67].
Το 2020, τρεις τύποι υποψηφίων εμβολίων mRNA που βασίζονται σε VLP δοκιμάστηκαν σε μοντέλα ποντικών. Τα VLP παρουσίασαν την ακίδα, τη μεμβράνη και την πρωτεΐνη φακέλου του SARS-CoV-2. Οι εκφρασθείσες πρωτεΐνες ενθυλακώθηκαν σε νανοσωματίδια λιπιδίου και διαμολύνθηκαν σε καλλιεργημένα κύτταρα, στη συνέχεια τα VLPs εκκρίθηκαν από τα κύτταρα στο μέσο καλλιέργειας. Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά, αν και τα επίπεδα αντισωμάτων των εμβολιασμένων ποντικών μειώθηκαν γρήγορα λίγο μετά τον εμβολιασμό [41]. Το 2022, οι Yilmaz et al. ανέφερε τα πρώτα αποτελέσματα ανάπτυξης και προκλινικής αξιολόγησης εμβολίου με βάση το VLP κατά του SARS-CoV-2 που δοκιμάστηκε σε καλλιεργημένα κύτταρα και σε ζωικά μοντέλα. Τα VLP εξέφρασαν και τις 4 δομικές πρωτεΐνες του SARS-CoV-2. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το εμβόλιο πυροδότησε μια ισχυρή απόκριση των Τ-κυττάρων και μείωσε σημαντικά το ιικό φορτίο στα εμβολιασμένα μολυσμένα ζώα [96].
Το Covifenz (από τη Medicago και την GSK) είναι ένα εμβόλιο που βασίζεται σε VLPs. Οι δοκιμές Φάσης ΙΙΙ ολοκληρώθηκαν στις αρχές Φεβρουαρίου 2022. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές, το Covifenz έχει ήδη εγκριθεί για χρήση από την Health Canada [Το εμβόλιο COVID-19 που κατασκευάστηκε στον Καναδά της Medicago εγκρίθηκε από την Health Canada | Globalnews.ca].
Από τον Φεβρουάριο του 2022, δεν έχει αναφερθεί ή εγκριθεί κανένα φάρμακο με βάση το VLP για τη θεραπεία του COVID-19. Μπορεί να χρειαστεί μελλοντική έρευνα σχετικά με τις πιθανές εφαρμογές των VLP στη θεραπεία του SARS-CoV-2 και τις σχετικές συνθήκες προτού εγκριθούν οποιοδήποτε προϊόν.
Τεστ LO 4.2
Βιβλιογραφια
- Ahn D., Lee W., Choi J.K., Kim S.J., Plant E.P., Almazán F., Taylor D.R., et al. (2011). Interference of ribosomal frameshifting by antisense peptide nucleic acids suppresses SARS coronavirus replication. Antiviral Res, 91(1), 1-10.
- Al-Bari M. (2015). Chloroquine analogues in drug discovery: new directions of uses, mechanisms of actions and toxic manifestations from malaria to multifarious diseases. J Antimicrob Chemother, 70, 1608–1621.
- Aljabali A., Hassan S., Pabari R., Shahcheraghi S., Mishra V., Charbe N., Chellappan D., et al. (2021). The viral capsid as novel nanomaterials for drug delivery. Future Sci OA, 7(9), FSO744.
- Ambike S., Cheng C., Feuerherd M., Velkov S., Baldassi D., Afridi S.Q., Porras-Gonzalez D., et al., (2022). Targeting genomic SARS-CoV-2 RNA with siRNAs allows efficient inhibition of viral replication and spread. Nucleic Acids Res, 50(1), 333-349.
- Del Amo J., Polo R., Moreno S., Díaz A., Martínez E., Arribas J., Jarrín I., et al., and The Spanish HIV/COVID-19 Collaboration. (2020). Incidence and Severity of COVID-19 in HIV-Positive Persons Receiving Antiretroviral Therapy: A Cohort Study Ann Intern Med, 173(7), 536-541.
- Ashley C., Carnes E., Phillips G., Durfee P., Buley M., Lino C., Padilla D., et al. (2011). Cell-specific delivery of diverse cargos by bacteriophage MS2 virus-like particles. ACS Nano, 5(7), 5729-45.
- Augustine R., Ashkenazi D.L., Arzi R.S., Zlobin V., Shofti R. and Sosnik A. (2018). Nanoparticle-in-microparticle oral drug delivery system of a clinically relevant darunavir/ritonavir antiretroviral combination. Acta Biomater, 74, 344-359.
- Auría-Soro C., Nesma T., Juanes-Velasco P., Landeira-Viñuela A., Fidalgo-Gomez H., Acebes-Fernandez V., Gongora R., et al. (2019). Interactions of Nanoparticles and Biosystems: Microenvironment of Nanoparticles and Biomolecules in Nanomedicine.Nanomaterials (Basel), 9(10), 1365.
- Balwani M., Sardh E., Ventura P., Peiró P., Rees D., Stölzel U., Bissell D., et al., and ENVISION Investigators. (2020). Phase 3 Trial of RNAi Therapeutic Givosiran for Acute Intermittent Porphyria. Clinical Trial N Engl J Med, 382(24):2289-2301.
- Beck B., Shin B., Choi Y., Park S. and Kang K. (2020). Predicting commercially available antiviral drugs that may act on the novel coronavirus (SARS-CoV-2) through a drug-target interaction deep learning mode. Comput Struct Biotechnol J, 18, 784-790.
- Bigini P., Gobbi M., Bonati M., Clavenna A., Zucchetti M., Garattini S. and Pasut G. (2021). The role and impact of polyethylene glycol on anaphylactic reactions to COVID-19 nano-vaccines. Nature Nanotechnol, 16, 1169-1171.
- Bhushan B., Wanve S., Koradia P., Bhomia V., Soni P., Chakraborty S., Khobragade A., et al., and Study Investigators Group. (2021). Efficacy and safety of pegylated interferon-α2b in moderate COVID-19: a phase 3, randomized, comparator-controlled, open-label study. Clinical Trial Int J Infect Dis, 111, 281-287.
- Chakarov S., Petkova R., Russev G. (2008). Rapid and efficient method for production of T4 endonuclease V by heterologous expression in E. coli. Biotechnol Biotechnol Equip, 22(4), 1011-1012.
- Chakravarty M. and Vora A. (2021). Nanotechnology-based antiviral therapeutics. Drug Deliv Transl Res, 11(3), 748-787.
- Chang Y., Tung Y., Lee K., Chen T., Hsiao Y., Chang H., Hsieh T., et al. (2020). Potential Therapeutic Agents for COVID-19 Based on the Analysis of Protease and RNA Polymerase Docking. Preprint. February 2020, DOI:10.20944/preprints202002.0242.v1.
- Cho S., Woo H., Kim K., Oh J. and Jeong Y. (2011). Novel system for detecting SARS coronavirus nucleocapsid protein using an ssDNA aptamer. J Biosci Bioeng, 112(6), 535-40.
- Davoudi-Monfared E., Rahmani H., Khalili H., Hajiabdolbaghi M., Salehi M., Abbasian L., Kazemzadeh H. and Yekaninejad M. (2020). A Randomized Clinical Trial of the Efficacy and Safety of Interferon β-1a in Treatment of Severe COVID-19. Antimicrob Agents Chemother, 64(9), e01061-20.
- Desai J. and Thakkar H. (2018). Darunavir-Loaded Lipid Nanoparticles for Targeting to HIV Reservoirs. AAPS PharmSciTech, 19(2), 648–660.
- Ditzler M., Bose D., Shkriabai N., Marchand B., Sarafianos S., Kvaratskhelia M., Burke D. (2011). Broad-spectrum aptamer inhibitors of HIV reverse transcriptase closely mimic natural substrates. Nucleic Acids Res, 39(18), 8237-8247.
- Duncan R., Vicent M., Greco F. and Nicholson R. (2005). Polymer–drug conjugates: towards a novel approach for the treatment of endrocine-related cancer. Endocr Relat Cancer, 12(Suppl. 1), S189–S199.
- Estébanez M., Ramírez-Olivencia G., Mata T., Martí D., Gutierrez C., de Dios B., Herrero M., et al., and COVID 19 Central Defense Hospital “Gomez Ulla” Team. (2020). Clinical evaluation of IFN beta1b in COVID-19 pneumonia: a retrospective study. Preprint from medRxiv, 19 May 2020, DOI: 10.1101/2020.05.15.20084293.
- Ferreira D., Barbosa J., Sousa D.A., Silva C., Melo L.D.R., Avci-Adali M., Wendel H.P., et al. (2021). Selection of aptamers against triple negative breast cancer cells using high throughput sequencing. Sci Rep, 11(1), 8614.
- Fiandra L., Colombo M., Mazzucchelli S., Truffi M., Santini B., Allevi R., Nebuloni M., et al. (2015). Nanoformulation of antiretroviral drugs enhances their penetration across the blood brain barrier in mice. Nanomedicine, 11(6), 1387-1397.
- Fodor-Kardos A., Kiss A., Monostory K. and Feczkó T. (2020). Sustained in vitro interferon-beta release and in vivo toxicity of PLGA and PEG-PLGA nanoparticles. RSC Adv, 10, 15893.
- Frediansyah A., Tiwari R., Khan S., Dhama K. and Harapan H. (2021). Antivirals for COVID-19: A critical review. Clin Epidemiol Glob Health, 9, 90-98.
- Garrido C., Simpson C., Dahl N., Bresee J., Whitehead D., Lindsey E., Harris T., et al. (2015). Gold nanoparticles to improve HIV drug delivery. Future Med Chem, 7(9): 1097–1107.
- Giovannini G., Haick H. and Garoli D. (2021). Detecting COVID-19 from Breath: A Game Changer for a Big Challenge. ACS Sens, 6(4), 1408–1417.
- Ghosh A., Osswald H., Prato G. (2016). Recent Progress in the Development of HIV-1 Protease Inhibitors for the Treatment of HIV/AIDS. J Med Chem, 59(11), 5172–5208.
- Gong Y., Chowdhury P., Nagesh P., Cory T., Dezfuli C., Kodidela S., Singh A., et al. (2019). Nanotechnology approaches for the delivery of cytochrome P450 substrates in HIV treatment. Expert Opin Drug Deliv, 16(8), 869–882.
- Ha B., Yang J., Chen X., Jadhao S., Wright E. and Anderson L. (2020). Two RSV Platforms for G, F, or G+F Proteins VLPs. Viruses, 12(9), 906.
- Huang L., Luo Y., Sun X., Ju H., Tian J. and Yu B.Y. (2017). An artemisinin-mediated ROS evolving and dual protease light-up nanocapsule for real-time imaging of lysosomal tumor cell death. Biosens Bioelectron, 92, 724-732.
- Hung I., Lung K., Tso E., Liu R., Chung T., Chu M., Ng Y., et al. (2020). Triple combination of interferon beta-1b, lopinavir-ritonavir, and ribavirin in the treatment of patients admitted to hospital with COVID-19: an open-label, randomised, phase 2 trial. Lancet, 395(10238), 1695-1704.
- Idris A., Davis A., Supramaniam A., Acharya D., Kelly G., Tayyar Y., West N., et al. (2021). A SARS-CoV-2 targeted siRNA-nanoparticle therapy for COVID-19. Mol Ther, 29(7), 2219-2226.
- Kinghorn A., Dirkzwager R., Liang S., Cheung Y., Fraser L., Shiu S., Tang M., Tanner J. (2016). Aptamer Affinity Maturation by Resampling and Microarray Selection. Anal Chem., 88(14), 6981-5.
- Kumar A., Mancy S., Manjunath K., Kulkarni S. and Jagadeesh R. (2019). Formulation and Evaluation of Fluvoxamine Maleate Loaded Lipid Nanoparticle. Int J Pharm Sci Nanotechnol, 12(4), 4593-4600.
- Lee M., Yang J., Jung H., Beack S., Choi J., Hur W., Koo H. et al. (2012). Hyaluronic Acid–Gold Nanoparticle/Interferon α Complex for Targeted Treatment of Hepatitis C Virus Infection. ACS Nano, 6(11), 9522–9531.
- Li H., Tatematsu K., Somiya M., Iijima M. and Kuroda S. (2018). Development of a macrophage-targeting and phagocytosis-inducing bio-nanocapsule-based nanocarrier for drug delivery. Acta Biomater, 73, 412-423.
- Li W., Wu J., Zhan P., Chang Y., Pannecouque C., De Clercq E. and Liu X. (2012). Synthesis, drug release and anti-HIV activity of a series of PEGylated zidovudine conjugates. Int J Biol Macromol, 50(4), 974-980.
- Lim S., Hor C., Tay K., Mat Jelani A., Tan W., Ker H., Chow T., et al., and I-TECH Study Group. (2022). Efficacy of Ivermectin Treatment on Disease Progression Among Adults With Mild to Moderate COVID-19 and Comorbidities: The I-TECH Randomized Clinical Trial. JAMA Intern Med, 2022 Feb 18. doi: 10.1001/jamainternmed.2022.0189. (online ahead of print).
- Liu S., Wang Z., Xie H., Liu A., Lamb D. and Pang D. (2020). Single-Virus Tracking, From Imaging Methodologies to Virological Applications. Chem Rev, 120, 1936-1979.
- Lu J., Lu G., Tan S., Xia J., Xiong H., Yu X., Qi Q., et al. (2020). A COVID-19 mRNA vaccine encoding SARS-CoV-2 virus-like particles induces a strong antiviral-like immune response in mice. Cell Res, 30(10), 936-939.
- Mahajan S., Roy I., Xu G., Yong K.T., Ding H., Aalinkeel R., Reynolds J., et al. (2010). Enhancing the delivery of anti retroviral drug Saquinavir across the blood brain barrier using nanoparticles. Curr HIV Res, 8, 396–404.
- Kawata Mahlknecht G., Sela M. and Yarden Y. (2015). Aptamer Targeting the ERBB2 Receptor Tyrosine Kinase for Applications in Tumor Therapy. Methods Mol Biol, 1317, 3-15.
- Malhani A., Enani M., Saheb Sharif-Askari F., Alghareeb M., Bin-Brikan R., AlShahrani S., Halwani R., et al. (2021). Combination of (interferon beta-1b, lopinavir/ritonavir and ribavirin) versus favipiravir in hospitalized patients with non-critical COVID-19: A cohort study. PLoS One, 16(6), e0252984.
- Mann A., Somasunderam A., Nieves-Alicea R., Li X., Hu A., Sood A., Ferrari M., et al. (2010). Identification of thioaptamer ligand against E-selectin: Potential application for inflamed vasculature targeting. PLoS ONE, 5, e13050.
- Mary A., Hénaut L., Macq P.Y., Badoux L., Cappe A., Porée T., Eckes M., et al. (2020). Rationale for COVID-19 Treatment by Nebulized Interferon-β-1b–Literature Review and Personal Preliminary Experience. Front Pharmacol, 11, 592543.
- Medeiros I., Khayat A., Stransky B., Santos S., Assumpção P. and de Souza J. (2021). A small interfering RNA (siRNA) database for SARS-CoV-2. Nature Sci Rep, 11, 8849.
- Mikhaylov E., Lyubimtseva T., Vakhrushev A., Stepanov D., Lebedev D., Vasilieva E., Konradi A., et al. (2022). Bromhexine Hydrochloride Prophylaxis of COVID-19 for Medical Personnel: A Randomized Open-Label Study. Interdiscip Perspect Infect Dis, 2022, 4693121.
- Mishra S., Malhotra P., Gupta A.K., Singh P.K., Mishra A.K., Javed S. and Kumar R. (2014). Novel method for screening of radioprotective agents providing protection to DNA ligase against gamma radiation induced damage. Int J Radiat Biol, 90(2), 187-192.
- Mohammed S. and Shaaban E. (2019). Efficacious nanomedicine track toward combating COVID-19. Randomized Controlled Trial. N Engl J Med, 381(24), 2293-2303.
- Moitra P., Alafeef M., Dighe K., Frieman M. and Pan D. (2020). Selective Naked-Eye Detection of SARS-CoV-2 Mediated by N Gene Targeted Antisense Oligonucleotide Capped Plasmonic Nanoparticles. ACS Nano, 14, 7617-7627.
- Monk P., Marsden R., Tear V., Brookes J., Batten T., Mankowski M., Gabbay F., et al., and Inhaled Interferon Beta COVID-19 Study Group. (2021). Collaborators, Safety and efficacy of inhaled nebulised interferon beta-1a (SNG001) for treatment of SARS-CoV-2 infection: a randomised, double-blind, placebo-controlled phase 2 trial. Clinical Trial Lancet Respir Med, 9(2), 196-206.
- Musafia B., Oren-Banaroya R. and Noiman S. (2014). Designing anti-influenza aptamers: novel quantitative structure activity relationship approach gives insights into aptamer-virus interaction. PLoS One, 9(5), e97696.
- Nasserie T., Hittle M. and Goodman S. (2021). Assessment of the Frequency and Variety of Persistent Symptoms Among Patients With COVID-19: A Systematic Review. JAMA Network Open, 4 (5), e2111417.
- Negi J., Chattopadhyay P., Sharma A.K., and Ram V. (2013). Development of solid lipid nanoparticles (SLNs) of lopinavir using hot self nano-emulsification (SNE) technique. Eur J Pharm Sci, 48(1–2), 231-239.
- Neuman B., Stein D., Kroeker A., Bestwick R., Iversen P., Moulton H., and Buchmeier M. (2006). Inhibition and Escape of SARS-CoV Treated with Antisense Morpholino Oligomers. In: The Nidoviruses, 581, 567–571.
- Nimjee S., Povsic T., Sullenger B. and Becker R. (2016). Translation and Clinical Development of Antithrombotic Aptamers. Nucleic Acid Ther, 26(3), 147-155.
- Nooraei S., Bahrulolum H., Hoseini Z., Katalani C., Hajizade A., Easton A. and Ahmadian G. (2021). Virus-like particles: preparation, immunogenicity and their roles as nanovaccines and drug nanocarriers. J Nanobiotechno, 19, 59.
- Owen D., Allerton C., Anderson A., Aschenbrenner L., Avery M., Berritt S., Boras B., et al. (2021). An oral SARS-CoV-2 M(pro) inhibitor clinical candidate for the treatment of COVID-19. Science 374(6575), 1586-1593.
- Panner Selvam R. and Kulkarni P. (2014). Design and Evaluation of Self Nanoemulsifying Systems for Poorly Water Soluble HIV Drug. J PharmaSciTech, 4(1).
- Puri A., Loomis K., Smith B., Lee J-H., Yavlovich A., Heldman E. and Blumenthal R. (2009). Lipid-based nanoparticles as pharmaceutical drug carriers: from concepts to clinic. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst, 26, 523–580.
- Rabowsky J., Dukes A., Lee D. and Leong K. (1996). The use of bioerodible polymers and daunorubicin in glaucoma filtration surgery. Clin Trial Ophthalmol, 103(5), 800-807.
- Samson R., Navale G. and Dharne M. (2020). Biosensors: frontiers in rapid detection of COVID-19. J Biotech, 10(9), 385.
- Rahmani H., Davoudi-Monfared E., Nourian A., Khalili H., Hajizadeh N., Jalalabadi N., Fazeli M., et al (2020). Interferon beta-1b in treatment of severe COVID-19: A randomized clinical trial. Int Immunopharmacol, 88, 106903.
- Rasmi Y., Saloua K., Nemati M., and Choi J. (2021). Recent Progress in Nanotechnology for COVID-19 Prevention, Diagnostics and Treatment. Review Nanomaterials (Basel), 11(7), 1788.
- Ravi P., Vats R., Dalal V., Nitin Gadekar N. (2015). Design, optimization and evaluation of poly-ɛ-caprolactone (PCL) based polymeric nanoparticles for oral delivery of lopinavir. Drug Dev Ind Pharm,41(1), 131–140.
- Reches M. and Gazit E. (2007). Biological and chemical decoration of peptide nanostructures via biotin-avidin interactions. J Nanosci Nanotechnol, 7(7), 2239-2245.
- de M Ribeiro N. and Fonseca B. (2020). The role of pharmaceutical nanotechnology in the time of COVID-19 pandemic Review Future Microbiol, 15, 1571-1582.
- Roberts D., Rossman J. and Jarić I. (2021). Dating first cases of COVID-19. PLOS Pathogens, June 24, 2021, https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1009620.
- Roh C. and Jo S. (2011). Quantitative and Sensitive Detection of SARS Coronavirus Nucleocapsid Protein Using Quantum Dots-Conjugated RNA Aptamer on Chip. J Chem Technol Biotechnol, 86, 1475-1479.
- Rose K., Alves Ferreira-Bravo I., Li M., Craigie R., Ditzler M., Holliger P. and DeStefano J. (2019). Selection of 2′-Deoxy-2′-Fluoroarabino Nucleic Acid (FANA) Aptamers That Bind HIV-1 Integrase with Picomolar Affinity. ACS Chem Biol, 14(10), 2166-2175.
- Rosenberg J., Bambury R., Van Allen E., Drabkin H., Lara P. Jr., Harzstark A., Wagle N., et al. (2014). A phase II trial of AS1411 (a novel nucleolin-targeted DNA aptamer) in metastatic renal cell carcinoma. Invest New Drugs, 32(1), 178-187.
- Roy U., Rodríguez J., Barber P., das Neves J., Sarmento B. and Nair M. (2015). The potential of HIV-1 nanotherapeutics: from in vitro studies to clinical trials. Nanomedicine (London, England), 10(24), 3597–3609.
- Sabourian P., Yazdani G., Ashraf S., Frounchi M., Mashayekhan S., Kiani S. and Kakkar A. (2020). Effect of Physico-Chemical Properties of Nanoparticles on Their Intracellular Uptake. Int J Mol Sci, 21(21), 8019.
- Shan B., Broza Y.Y., Li W., Wang Y., Wu S., Liu Z., Wang J., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano, 14(9):12125-12132.
- Seo G., Lee G., Kim M., Baek S., Choi M., Ku K., Lee C., et al. (2020). Rapid Detection of COVID-19 Causative Virus (SARS-CoV-2) in Human Nasopharyngeal Swab Specimens Using Field-Effect Transistor-Based Biosensor. ACS Nano, 14(4), 5135-5142.
- Sercombe L., Veerati T., Moheimani F., Wu S.Y., Sood A.K. and Hua S. (2015). Advances and Challenges of Liposome Assisted Drug Delivery. Front Pharmacol, 6, 286.
- Shan B., Broza Y., Li W., Wang Y., Wu S., Liu Z., Wang J., et al. (2020). Multiplexed Nanomaterial-Based Sensor Array for Detection of COVID-19 in Exhaled Breath. ACS Nano, 14, 12125-12132.
- Singh G. and Pai RS. (2016). Atazanavir-loaded Eudragit RL 100 nanoparticles to improve oral bioavailability: optimization and in vitro/in vivo appraisal. Drug delivery, 23(2), 532–539.
- Sodeifian F., Nikfarjam M., Kian N., Mohamed K. and Rezaei N. (2022). The role of type I interferon in the treatment of COVID-19. J Med Virol, 94(1), 63-81.
- Somvanshi S., Kharat B., Saraf S., Somwanshi S., Shejul S., and Jadhav K. (2020). Multifunctional Nano-Magnetic Particles Assisted Viral RNA-Extraction Protocol for Potential Detection of COVID-19. Mater Res Innov, 25, 169-174.
- Sun M., Liu S., Wei X., Wan S., Huang M., Song T., Lu Y., et al. (2021). Aptamer Blocking Strategy Inhibits SARS-CoV-2 Virus Infection. Angew Chem Int Ed Engl, 60(18), 10266-10272.
- Svenson S. and Tomalia DA. (2005). Dendrimers in biomedical applications-reflections on the field. Adv Drug Deliv Rev, 57(15), 2106-2129.
- Tran S., DeGiovanni P-J., Piel B. and Rai P. (2017). Cancer nanomedicine: a review of recent success in drug delivery. Clin Transl Med, 6, 44.
- Trujillo C., Nery A., Alves J., Martins A. and Ulrich H. (2007). Development of the anti-VEGF aptamer to a therapeutic agent for clinical ophthalmology. Clin Ophthalmol, 1(4), 393-402.
- Tsogtbaatar K., Sousa D.A., Ferreira D., Tevlek A., Aydın H.M., Çelik E. and Rodrigues L. (2022). In vitro selection of DNA aptamers against human osteosarcoma. Invest New Drugs, 40(1), 172-181.
- Tulbah A. and Lee W-H. (2021). Physicochemical Characteristics and In Vitro Toxicity/Anti-SARS-CoV-2 Activity of Favipiravir Solid Lipid Nanoparticles (SLNs). Pharmaceuticals (Basel), 14(10), 1059.
- Venkatesh D., Baskaran M., Karri V., Mannemala S., Radhakrishna K. and Goti S. (2015). Fabrication and in vivo evaluation of Nelfinavir loaded PLGA nanoparticles for enhancing oral bioavailability and therapeutic effect. Saudi Pharm J, 23(6), 667–674.
- Veronese F. and Mero A. (2008). The impact of PEGylation on biological therapies. BioDrugs, 22(5), 315-329.
- Vyas T., Shah L and Amiji M. (2006). Nanoparticulate drug carriers for delivery of HIV/AIDS therapy to viral reservoir sites. Expert Opin Drug Deliv, 3(5), 613–628.
- Wen W., Chen C., Tang J., Wang C., Zhou M., Cheng Y., Zhou X., et al. (2022). Efficacy and safety of three new oral antiviral treatment (molnupiravir, fluvoxamine and Paxlovid) for COVID-19:a meta-analysis. Ann Med, 54(1), 516-523.
- Wu J., Wang H. and Li B. (2020). Structure-aided ACEI-capped remdesivir-loaded novel PLGA nanoparticles, toward a computational simulation design for anti-SARS-CoV-2 therapy. Phys Chem Chem Phys, 22, 28434-28439.
- Vincent M., Bergeron E., Benjannet S., Erickson B., Rollin P., Ksiazek T., Seidah N., et al. (2005). Chloroquine is a potent inhibitor of SARS coronavirus infection and spread. Virol J, 2, 69.
- Yang Z., Huang Y., Ganesh L., Leung K., Kong W., Schwartz O., Subbarao K., et al. (2004). pH-dependent entry of severe acute respiratory syndrome coronavirus is mediated by the spike glycoprotein and enhanced by dendritic cell transfer through DC-SIGN. J Virol, 78(11), 5642-5550.
- Yarosh D. (2002). Enhanced DNA repair of cyclobutane pyrimidine dimers changes the biological response to UV-B radiation. Mutat Res, 509(1-2), 221-226.
- Yilmaz I., Ipekoglu E., Bulbul A., Turay N., Yildirim M., Evcili I., Yilmaz N., et al. (2022). Development and preclinical evaluation of virus-like particle vaccine against COVID-19 infection. Allergy, 77(1), 258-270.
- Zhao Z., Cui H., Song W., Ru X., Zhou W. and Yu X. (2020), A Simple Magnetic Nanoparticles-Based Viral RNA Extraction Method for Efficient Detection of SARS-CoV-2. bioRxiv, 2020, doi: 10.1101/2020.02.22.961268.
Εκπαιδευτική Ενότητα 6.1.
Ηθικές και κοινωνικές πτυχές της νανοτεχνολογίας έναντι του COVID 19
Συγγραφείς: Rainer Paslack & Jürgen W. Simon (SOKO-Institute, Γερμανία)
Εκπαιδευτικός στόχος: Από αυτήν την εκπαιδευτική ενότητα, ο αναγνώστης μπορεί να μάθει κάτι για την ποικιλία των ηθικών θεμάτων που σχετίζονται με την εφαρμογή τεχνικών νανοτεχνολογίας στην ανάπτυξη των νέων εμβολίων mRNA. Ο στόχος είναι να ευαισθητοποιηθεί ο μαθητής σε αυτά τα ηθικά ζητήματα, ώστε να μπορεί να εκτιμήσει επαρκώς τη σημασία των εμβολίων mRNA: τόσο ως προς τη χρησιμότητά τους και την ασφάλεια της υγείας, όσο και από την άποψη των κοινωνικών και περιβαλλοντικών ηθικών ζητημάτων που προκύπτουν, αφενός στην υλοποίηση εκτεταμένων εκστρατειών εμβολιασμού και αφετέρου στην αξιολόγηση των διαδικασιών γενετικής μηχανικής.
Περίληψη
Η μεθοδολογία της νανοϊατρικής αποτελεί ίσως την πιο σημαντική «τεχνολογία κλειδί» του μέλλοντος: κανένας άλλος τομέας δεν συνοδεύεται από τόσες πολλές ελπίδες και θα έχει συγκρίσιμες κοινωνικές συνέπειες όσο οι αναμενόμενες εξελίξεις στη νανοϊατρική. Και σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση τεχνολογιών RNA στα θεραπευτικά, διαγνωστικά και προληπτικά (ανοσολογικά) πεδία σίγουρα θα διαδραματίσει ουσιαστικό ρόλο (είτε είναι με τη μορφή mRNA, cRNA ή ακόμα και “ελεύθερου RNA”). Η χρήση εμβολίων mRNA είναι απλώς το προοίμιο αυτής της εξέλιξης. Ενώ το ηθικό πρόβλημα εξακολουθεί να είναι σχετικά απλό εδώ (ειδικά επειδή οι καθαροί κίνδυνοι για την ασφάλεια μπορούν να αποσαφηνιστούν μόνο εμπειρικά και επομένως δεν εμπίπτουν στο επίκεντρο της βιοηθικής), ο κύκλος των (νανο-) ηθικών ερωτημάτων θα επεκταθεί πάρα πολύ μόλις η τεχνολογία RNA έχει απέκτησε επίσης έδαφος σε άλλους τομείς της νανοϊατρικής που βασίζεται στη γενετική μηχανική.
Λέξεις κλειδιά: Βιοηθική, νανοηθική, αξιολόγηση τεχνολογίας, αρχή της προφύλαξης, κοινωνική αποδοχή, ασφάλεια εμβολίων mRNA, προστασία δεδομένων.
1. Εισαγωγή: Νανοτεχνολογία και «Νανοηθική»
Οι νανοτεχνολογικές διεργασίες και τα προϊόντα έχουν παίξει σημαντικό ρόλο – σε μεγάλο βαθμό απαρατήρητα από το ευρύ κοινό1 εδώ και πολλά χρόνια. Και αυτό ισχύει επίσης για τον τομέα της ιατρικής, στον οποίο χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερα προϊόντα κυρίως γενετικά τροποποιημένα (όπως η ανθρώπινη ινσουλίνη που λαμβάνεται μέσω γενετικά τροποποιημένων βακτηρίων) στη διάγνωση και τη θεραπεία. Αυτό είναι απαραίτητο ακόμη και για τη λεγόμενη «σωματική γονιδιακή θεραπεία», αφού εδώ οι θεραπευτικά αποτελεσματικές αλληλουχίες γονιδίων υποτίθεται ότι αντισταθμίζουν τη δυσλειτουργία των «άρρωστων» γονιδίων με τη βοήθεια γονιδιακών παλμών (κυρίως ιοί που καθίστανται ανίκανοι να αναπαραχθούν), για παράδειγμα κωδικοποίηση ζωτικών πρωτεϊνών που ο ίδιος ο άρρωστος οργανισμός είτε δεν μπορεί να παράγει είτε δεν μπορεί να παράγει σε επαρκείς ποσότητες. Στην περίπτωση αυτή, οντότητες στη νανοκλίμακα χρησιμοποιούνται ακόμη και δύο φορές: αφενός με τη μορφή της «υγιής» γονιδιακής αλληλουχίας και αφετέρου μέσω της χρήσης συστημάτων μεταφοράς ιών (φορείς).
Αλλά εκτός από τόσο συχνά μάλλον «εξωτικούς» τομείς εφαρμογής, το κοινό έχει συνειδητοποιήσει τη σημασία της νανοτεχνολογίας (και ειδικότερα εδώ με τα μέσα της γενετικής μηχανικής) μόνο μέσω της ανάπτυξης μιας εντελώς νέας κατηγορίας εμβολίων: συγκεκριμένα μέσω του Εμβόλιο mRNA για την καταπολέμηση της πανδημίας Covid-19 ή SARS-CoV2. Προηγουμένως, τα προϊόντα γενετικής μηχανικής είχαν προσελκύσει τη γενική προσοχή κυρίως στον τομέα της γεωργίας και της παραγωγής τροφίμων και στη συνέχεια επικρίθηκαν, μερικές φορές πολύ έντονα, λόγω πιθανών περιβαλλοντικών κινδύνων και κινδύνων για την υγεία. Επομένως, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα καινοτόμα εμβόλια mRNA αντιμετωπίστηκαν -τουλάχιστον αρχικά- με μεγάλη καχυποψία από πολλούς ανθρώπους, καθώς τα προϊόντα γενετικής μηχανικής δεν έχουν καλή φήμη. Επιπλέον, λίγα ήταν (και είναι ακόμα) γνωστά για τις πιθανές παρενέργειες αυτών των εμβολίων λόγω της έλλειψης μακροχρόνιων κλινικών μελετών στην αρχή των εκστρατειών εμβολιασμού. Μόνο όταν η αποτελεσματικότητα και η σχετική ασφάλεια του εμβολίου mRNA έγιναν σταδιακά εμφανείς κατά τη διάρκεια των εκστρατειών μαζικού εμβολιασμού, βελτιώθηκε και η δημόσια αποδοχή αυτής της νέας διαδικασίας. Και είναι πιθανό η επιτυχία των νέων εμβολίων να συμβάλει στη βελτίωση της συνολικής αντίληψης και αποδοχής της γενετικής μηχανικής, έτσι ώστε να μπορεί επίσης να την εμπιστευτούμε περισσότερο από ό,τι μέχρι τώρα σε άλλους (μη ιατρικούς) τομείς εφαρμογής.2 , Ωστόσο, σε καμία περίπτωση δεν έχουν διευκρινιστεί ακόμη όλα τα «κρίσιμα» ερωτήματα σε σχέση με τη λεγόμενη «νανοϊατρική» που βασίζεται στη γενετική μηχανική: συγκεκριμένα, όχι όλα τα ηθικά ζητήματα. Και η συζήτηση για τη γενετική μηχανική θα συνεχίσει να απασχολεί τους βιοηθικούς και τους νανοηθικούς για πολύ καιρό ακόμη.
Η συνεχής ανάγκη για διευκρίνιση έχει επίσης να κάνει με το γεγονός ότι οι νανοτεχνολογίες εφαρμόζονται σε μικροσκοπική κλίμακα, δηλαδή διαφεύγουν της άμεσης ορατότητας και, επιπλέον, παρεμβαίνουν στο εξαιρετικά πολύπλοκο σύστημα κυττάρων και οργανισμών, του οποίου οι δομές και μηχανισμοί είναι επίσης μικροσκοπικού μεγέθους και απέχουν ακόμη από το να γίνουν κατανοητές λεπτομερώς. Πάνω απ ‘όλα, η πρωτεομική, η οποία περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά των πρωτεϊνών που εκφράζονται από τα γονίδια μέσα στο κύτταρο, είναι ακόμη στα σπάργανα. Ως εκ τούτου, κανείς δεν γνωρίζει με βεβαιότητα εάν ένα μόριο DNA ή RNA, εάν εισαχθεί σε έναν οργανισμό, θα έχει πραγματικά μόνο το επιθυμητό αποτέλεσμα (αν έχει) ή αν μπορεί επίσης να έχει δυσμενείς (απρόβλεπτες) συνέπειες. Έξω από το εργαστήριο με τις συνθήκες ασφαλούς «συγκράτησής» του, συγκεκριμένα δοκιμασμένο απευθείας σε ζωντανούς ανθρώπους (όπως στην περίπτωση του εμβολιασμού mRNA), μια κλινική ή ακόμα και καθημερινή ιατρική χρήση γενετικά τροποποιημένων φαρμάκων μοιάζει με «πραγματικό πείραμα» με την κοινωνία [25]. Τέτοια πραγματικά πειράματα είναι διαφορετικά γνωστά μόνο από την κατασκευή καινοτόμων πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής ή μοναδικών κατασκευών (π.χ. γέφυρες, χωματερές ή αεροδρόμια), των οποίων η σταθερότητα και η εγγενής δυναμική συχνά δύσκολα ή καθόλου μπορούν να προσομοιωθούν σε εργαστηριακές συνθήκες.
Κατ’ αρχήν, επομένως, απαιτείται πάντα εξαιρετική προσοχή εδώ: αλλά εν όψει των τρομερών, συχνά θανατηφόρων επιπτώσεων της πανδημίας, υπήρχε ήδη πολύ γρήγορη (και μερικές φορές μέσω “εγκρίσεων έκτακτης ανάγκης”) ευρεία χρήση του καινοτόμου εμβολίου στην ώστε να αποτραπούν χειρότερα. Ωστόσο, παρόλο που η συνολική κατάσταση της μελέτης ήταν πολύ αβέβαιη (ειδικά επειδή δεν υπήρχαν ακόμη διαθέσιμα μακροπρόθεσμα δεδομένα), της έγκρισης του νέου εμβολίου είχε φυσικά προηγηθεί λεπτομερής αξιολόγηση από τα αρμόδια ιδρύματα και επιτροπές (συμπεριλαμβανομένων των εθνικών επιτροπών δεοντολογίας). στην οποία, πάνω απ’ όλα, ελήφθησαν υπόψη και οι ηθικές πτυχές: ειδικότερα, έπρεπε να σταθμιστεί εάν, ενόψει της σοβαρής κατάστασης πανδημίας, ήταν επιτρεπτή η συντόμευση της υλοποίησης κλινικών μελετών. Ωστόσο, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι η έγκριση δόθηκε ελαφρά ή εντελώς «στα τυφλά». Συνολικά, η επιστημονική κοινότητα των ανοσολόγων, επιδημιολόγων, λοιμωξιολόγων και ιολόγων, καθώς και οι υπεύθυνοι λήψης πολιτικών αποφάσεων, μπορεί να ειπωθεί ότι έχουν σημαντική ηθική συνείδηση. Και όπως φαίνεται επί του παρόντος, η χρήση του εμβολίου mRNA μπορεί να θεωρηθεί μεγάλη επιτυχία – καθώς και μια σημαντική ανακάλυψη για τη νανοϊατρική στο σύνολό της.
Σε ποια κλίμακα λειτουργούν οι νανοτεχνολογίες και ποιους σκοπούς εξυπηρετούν; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, πρέπει να διευρύνουμε την άποψή μας και να εξετάσουμε ολόκληρο το πεδίο των νανοτεχνολογικών εξελίξεων. Γενικά, μπορούμε να πούμε ότι οι νανοτεχνολογίες περιγράφουν δομές που είναι 80.000 φορές μικρότερες από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας (1 νανόμετρο = 10 -9 μέτρα). Ωστόσο, οι ταξινομήσεις των υλικών ως νανοϋλικών συχνά διαφέρουν, για παράδειγμα, όταν η βρετανική κυβέρνηση υποθέτει μέγεθος έως και 200 νανόμετρα, ενώ οι ΗΠΑ επιτρέπουν μέγεθος έως και 1.000 νανόμετρα [18]. Όποια και αν είναι η περίπτωση, αυτές οι τεχνολογίες θα επιτρέψουν σε κάθε περίπτωση να διερευνηθούν θεμελιώδεις σχέσεις σε μοριακό και ατομικό επίπεδο και να αναπτυχθούν νέα υλικά με πολλά υποσχόμενες ιδιότητες. Ως εκ τούτου, οι νανοτεχνολογίες θεωρούνται βασικές τεχνολογίες του 21ου αιώνα, οι οποίες αποτελούν τα «εισιτήρια» μας για το μέλλον [16].
Στη συνέχεια, θα εστιάσουμε και πάλι περισσότερο στον τομέα της σημαντικής ιατρικής νανοτεχνολογίας. Ανάμεσα στις πολυάριθμες πολλά υποσχόμενες εφαρμογές των νανοτεχνολογιών, ο τομέας της ιατρικής κατέχει ιδιαίτερη θέση, καθώς συνδέεται ιδιαίτερα με υψηλές προσδοκίες και ελπίδες. Νέες θεραπείες για τον καρκίνο δοκιμάζονται ήδη σε κλινικές δοκιμές3 και τα καινοτόμα συστήματα νανομεταφοράς φαρμάκων καθιστούν δυνατή την αποτελεσματικότερη θεραπεία με λιγότερες δραστικές ουσίες. Οι ανεπιθύμητες παρενέργειες θα πρέπει επομένως να μειωθούν. Δοκιμάζονται μικροσκοπικές κινητές διαγνωστικές μονάδες για γρήγορες εξετάσεις σε ιατρεία και απεικονιστικές μέθοδοι για τη διάγνωση ασθενειών που προκαλούν λιγότερο άγχος για τους ασθενείς. Επίσης, καινοτόμες επικαλύψεις επιφανειών για εμφυτεύματα ή νέα υλικά στην οδοντιατρική τεχνολογία θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη σημαντική βελτίωση της ανεκτικότητας και της ανθεκτικότητας και, κατά συνέπεια, στη μείωση του κόστους.
Αυτό το μικρό απόσπασμα από το εύρος των εφαρμογών στον τομέα της ιατρικής δείχνει τις μεγάλες δυνατότητες των νανοτεχνολογιών.4 . Αρκετοί παρατηρητές μιλούν ακόμη και εδώ για μια «αλλαγή παραδείγματος στην υγειονομική περίθαλψη». Στην ΕΕ, περίπου 100 εκατομμύρια ευρώ έχουν διατεθεί σε έργα νανοϊατρικής για την περίοδο 2007-2013 στο πλαίσιο του 7ου προγράμματος πλαισίου για την έρευνα. Ο όγκος χρηματοδότησης είναι πιθανό να αυξηθεί ακόμη πιο δραματικά στο μέλλον εν όψει της επιτυχίας των εμβολίων mRNA. Στις ΗΠΑ, επίσης, το Project on Emerging Nanotechnologies και το Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου [24] έχουν επίσης αναπτύξει ολοκληρωμένα προγράμματα χρηματοδότησης για την εφαρμογή των νανοτεχνολογιών. Οι εθνικοί και διεθνείς φορείς χάραξης πολιτικής εστιάζουν επομένως στην έρευνα και την προώθηση τοποθεσίας στον τομέα της νανοϊατρικής.
2. Η «Νανοηθική» ως νέος βιοηθικός κλάδος
Όλα αυτά δεν αφορούν μόνο την προώθηση της βασικής έρευνας και της ανάπτυξης προϊόντων, διότι στον νέο κώδικα δεοντολογίας της [12], η ΕΕ απαιτεί από όλα τα ερευνητικά έργα να λαμβάνουν υπόψη τους πιθανούς κινδύνους και να ενσωματώνονται σε κοινωνικά και ηθικά ζητήματα. Αυτό συμβαίνει γιατί η πιθανότητα υπέρβασης των ορίων των σημερινών μορφών θεραπείας εγείρει ταυτόχρονα ερωτήματα σχετικά με νέα όρια. Και αυτό φέρνει στο παιχνίδι ένα ειδικό πεδίο εφαρμογής της ηθικής (ή πρακτικής φιλοσοφίας), το οποίο γενικά ονομάζεται «βιοηθική» και το οποίο έχει από μόνο του πολλά υποπεδία.
Σε σχέση με την ανάπτυξη των νανοτεχνολογικών διαδικασιών, ένα νέο πεδίο έρευνας και προβληματισμού έχει καθιερωθεί στο πλαίσιο της βιοηθικής: η λεγόμενη «νανοηθική». Αυτός ο τομέας ασχολείται ουσιαστικά με την παρακολούθηση των επιπτώσεων μιας νέας νανοτεχνολογίας από την άποψη της βιωσιμότητας και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της σε σχέση με την ευημερία της κοινωνίας. Η εστίαση της νανοηθικής εμπειρογνωμοσύνης είναι επομένως στο «συμφέρον του κοινού καλού» με την έννοια της βελτίωσης της ποιότητας ζωής της κοινότητας.
Για να μπορέσουμε να ταξινομήσουμε καλύτερα τη νανοηθική, είναι πρώτα απαραίτητο να κατανοήσουμε τους στόχους και τα καθήκοντα της βιοηθικής. Όπως ακριβώς η νανοηθική αντιπροσωπεύει ένα υποπεδίο της βιοηθικής , έτσι και η βιοηθική από την πλευρά της μπορεί να γίνει κατανοητή ως ένα υποπεδίο της Τεχνολογικής Αξιολόγησης (ΤΑ) στον τομέα της εφαρμογής των βιοτεχνολογικών διεργασιών. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν η ΤΑ σχετίζεται με την εφαρμογή διαδικασιών γενετικής μηχανικής σε βιοϊατρικά, τεχνολογία τροφίμων ή γεωργικούς τομείς εφαρμογής. Στο πλαίσιο αυτό, το πεδίο εφαρμογής της ΤΑ περιλαμβάνει όχι μόνο ηθικά ζητήματα με τη στενή έννοια, αλλά και ζητήματα αξιοπιστίας και ασφάλειας, καθώς και κοινωνικές και πολιτικές πτυχές, ρωτώντας, για παράδειγμα, «Είναι οι κοινωνικές επιπτώσεις μιας νέας τεχνολογίας πολιτικά και κοινωνικά αποδεκτό;” Για παράδειγμα, εάν μια μέρα καταστεί δυνατό να παραταθεί η ανθρώπινη ζωή πολύ πέρα από την κανονική διάρκεια ζωής με τη βοήθεια της γενετικής μηχανικής. Θα ήταν καθόλου επιθυμητό αυτό; Δεν μπαίνουμε σε μια ουσιαστικά «ολισθηρή κατηφόρα» που θα μπορούσε να έχει καταστροφικές συνέπειες για το μέλλον της κοινωνίας; Και τι θα σήμαινε για την εικόνα μας για τον άνθρωπο αν ήμασταν σε θέση να εξαλείψουμε όλες τις κληρονομικές ασθένειες μέσω της γενετικής μηχανικής ή να διαμορφώσουμε ή να βελτιστοποιήσουμε τη γενετική σύνθεση των ανθρώπων κατά βούληση;
Με άλλα λόγια, ο τομέας της βιοηθικής ή βιοηθικά ευαίσθητης ΤΑ περιλαμβάνει όλες τις ηθικές, νομικές και κοινωνικές επιπτώσεις (συντομογραφία ELSI) που προκύπτουν από την εφαρμογή βιοτεχνολογικών διαδικασιών. Και μόνο με τον εντοπισμό τους στο πλαίσιο των ευρύτερων θεμάτων ELSI της ΤΑ μπορούν να αντιμετωπιστούν επαρκώς τα ζητήματα της βιοηθικής, ώστε ο ηθικός προβληματισμός να μην γίνεται σε «κενό», δηλαδή αποκομμένος από άλλα πραγματικά ζητήματα. . Μπορεί επομένως να υπάρχουν βασικές ηθικές αρχές που προκύπτουν σε οποιαδήποτε εφαρμογή της τεχνολογίας, αλλά η ουσιαστική εφαρμογή τους σε συγκεκριμένους τομείς (όπως η νανοϊατρική) δεν πρέπει ποτέ να αποσπάται από τις ιδιαιτερότητες του συγκεκριμένου τομέα της τεχνολογίας.
Ωστόσο, ο στόχος της βιοηθικής ή της ΤΑ δεν είναι να παρεμποδίσει ή ακόμα και να αποτρέψει νέες βιοτεχνολογικές εξελίξεις απλώς και μόνο επειδή είναι νέες και ασαφείς ως προς το δυναμικό τους κινδύνου, αλλά να χρησιμεύσει ως ένα είδος «συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης» που εφιστά την προσοχή εγκαίρως. σε ανεπιθύμητες εξελίξεις ή ηθικά και κοινωνικά επισφαλείς εφαρμογές νέων βιοτεχνολογικών μεθόδων. Είναι επομένως σημαντικό να συμπεριληφθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι βιοηθικοί προβληματισμοί στην έρευνα και ανάπτυξη νέων βιοτεχνολογιών (με την έννοια της συνοδευτικής έρευνας που ήδη εμπλέκεται στην ερευνητική διαδικασία). Αυτό όχι μόνο αποτρέπει ηθικά αμφισβητούμενες εξελίξεις, αλλά επίσης αποφεύγει το περιττό κόστος και προστατεύει τη δημόσια εικόνα της βιοτεχνολογίας. Σε κάθε περίπτωση, θα ήταν ιδανικό εάν ο ηθικός προβληματισμός συνέβαλε στον σχεδιασμό της τεχνολογίας «εκ των προτέρων» και όχι μόνο «εκ των υστέρων» [17]. Εδώ, η ηθική ανάλυση και αξιολόγηση θα πρέπει να επικεντρωθεί κυρίως στους (1.) τους στόχους και τους σκοπούς της τεχνικής καινοτομίας, (2.) στα όργανα και τα μέσα (π.χ. δοκιμές σε ζώα ή πεδίο) και (3.) στην ακούσια πλευρά επιδράσεις (δηλ. καθορισμός του προφίλ κινδύνου, π.χ. όσον αφορά την πιθανή τοξικότητα και τήρηση της αρχής της προφύλαξης σε περίπτωση έλλειψης γνώσης).
3. Γιατί χρειαζόμαστε ηθική ενόψει της εισαγωγής νέων τεχνολογιών;
Κάθε βασίζεται πάντα σε ένα συγκεκριμένο σύστημα αξιών. Χωρίς αναφορά σε εκείνους τους αξιακούς προσδιορισμούς και τα ιδανικά που είναι καθοριστικά για μια κοινωνία, δεν θα μπορούσαν να ληφθούν αποφάσεις δράσης που θα μπορούσαν να δικαιολογηθούν ενώπιον άλλων προσώπων. Κάθε μορφή υπεύθυνης δράσης λαμβάνει χώρα πάντα μέσα σε έναν ορίζοντα νομιμοποιημένων συστημάτων αξιών που μπορούν να επικαλεστούν ως επιχειρήματα για μια συγκεκριμένη απόφαση. Πολλές από αυτές τις αξίες έχουν βρει το δρόμο τους σε νομικούς κανονισμούς (νόμους και κανονισμούς), έτσι ώστε να χρησιμεύουν στα δικαστήρια ως κανονιστικά κριτήρια για την εκδίκαση νομικών συγκρούσεων ή αξιώσεων που υποβάλλονται ενώπιόν τους. Στη δυτική κουλτούρα, είναι πάνω απ’ όλα η ανθρωπιστική ηθική, που συχνά συνδυάζεται με χριστιανικές αξίες, που χρησιμεύει ως βάση για την εύρεση και τη δικαιολόγηση αποφάσεων και έχει βρει έκφραση, για παράδειγμα, γενικά τα ανθρώπινα δικαιώματα και τα δημοκρατικά δικαιώματα στην ελευθερία (ως δικαιώματα άμυνα κατά του κράτους).
Με βάση το σύστημα αξιών, η ηθική ρωτά τι πρέπει να κάνει ο άνθρωπος ή τι μπορεί να κάνει σε μια δεδομένη κατάσταση. Αυτό μπορεί να αφορά την τήρηση ορισμένων αρχών θεμελιωδών αξιών, οι οποίες πρέπει να τηρούνται άνευ όρων (χωρίς εξαίρεση) (άρα, σύμφωνα με τη «δεοντολογική ηθική», δεν επιτρέπονται ούτε τα λευκά ψέματα) ή πρόκειται για πιθανές ανεπιθύμητες συνέπειες ορισμένων συμπεριφορά (έτσι, η «συνεπακόλουθη ηθική» προσπαθεί να αξιολογήσει τις πιθανές επιπτώσεις των πράξεων). Σε αυτό το πλαίσιο, η ηθική χρησιμεύει κυρίως για την επίλυση συγκρούσεων αξιών (η οποία, ωστόσο, δεν είναι πάντα επιτυχής ή δυνατή) σταθμίζοντας ορθολογικά τα επιχειρήματα υπέρ ή κατά μιας συγκεκριμένης απόφασης για δράση. Τέλος, η ηθική είναι εκείνος ο τομέας στον οποίο οι συχνά μοναδικές ασυνείδητα έγκυρες έννοιες αξίας καθίστανται σαφείς , έτσι ώστε να καταστεί δυνατή η καθιέρωση ενός προτύπου αξιών (ή κανόνας αξίας), στο οποίο οι άνθρωποι μπορούν να προσανατολιστούν. Η ηθική μπορεί να χρησιμεύσει ως «ηθική στάσης» για την επιβολή «ιδεολογικών» αξιακών στάσεων, στις οποίες εκφράζεται μια συγκεκριμένη εικόνα του ανθρώπου ή και ένα κοινωνικό ιδεώδες (μια «ουτοπία»), ή μπορεί να επιχειρήσει ως «ηθική ευθύνης». να αποδώσει δικαιοσύνη στις εμπειρικές ιδιαιτερότητες της αντίστοιχης κατάστασης δράσης υποβάλλοντας όλες τις περιστάσεις και τις πιθανές συνέπειες σε αξιολόγηση. Είτε έτσι είτε αλλιώς, η ηθική αφορά πάντα την απάντηση σε ερωτήματα δικαιοσύνης (π.χ. σχετικά με τη δίκαιη κατανομή σπάνιων αγαθών ή ευκαιριών και ανταμοιβών) και την αποφυγή πιθανής βλάβης (π.χ. στη ζωή και τα μέλη) ή τον περιορισμό των ελευθεριών σταθμίζοντας διαφορετικά συμφέροντα, νομικά αξιώσεις και προσδοκίες μεταξύ τους.
Αυτό ήταν ιδιαίτερα σαφές στην περίπτωση της πολιτικής αιτιολόγησης των κοινωνικά δραστικών μέτρων «lockdown» σε σχέση με την πανδημία του κορωνοϊού: το δικαίωμα στην ελευθερία της οικονομικής δραστηριότητας και της ελευθερίας μετακίνησης ήταν σε σύγκρουση εδώ με το δικαίωμα στη σωματική ακεραιότητα και την προστασία από μόλυνση. , τα οποία συγκαταλέγονται στα υψηλότερα νόμιμα δικαιώματα και τα σημαντικότερα καθήκοντα του δημοκρατικού πολιτεύματος. Αν και δεν υπάρχει κατάταξη των θεμελιωδών δικαιωμάτων στα συντάγματα -όπως στον Βασικό Νόμο της Ομοσπονδιακής Δημοκρατίας της Γερμανίας- έπρεπε να ληφθεί απόφαση εν όψει της πανδημίας ως προς το ποιο θεμελιώδες δικαίωμα πρέπει να δοθεί προτεραιότητα. Τελικά, αποφασίστηκε ότι η ηθική προτεραιότητα θα πρέπει να δοθεί στην προστασία της υγείας και της ζωής, καθώς οι βαριά άρρωστοι ή ακόμη και οι νεκροί δεν μπορούν πλέον να ασκήσουν τα άλλα θεμελιώδη δικαιώματά τους. Ένα πρόσθετο επιχείρημα υπέρ του περιορισμού άλλων πολιτικών ελευθεριών με την επιβολή ενός «lockdown» ή ακόμη και της υποχρέωσης μάσκας και καραντίνας ήταν ότι αυτό δεν θα ήταν μόνο θέμα αυτοπροστασίας για τα άτομα, αλλά κυρίως προστασίας τρίτων που θα μπορούσαν να είναι ακούσια. μολυσμένος. Από την άλλη πλευρά, είναι πιο δύσκολο να ζητηθεί γενική υποχρέωση εμβολιασμού προκειμένου να μπορέσουν να συμπεριληφθούν όσοι αρνούνται τον εμβολιασμό, δεδομένου ότι μια τέτοια υποχρέωση θα έθιγε σοβαρά το δικαίωμα αυτοδιάθεσης. Η ηθική αξιολόγηση του αποδεκτού των νέων εμβολίων mRNA δεν πρέπει επομένως να αφορά μόνο τις πτυχές ασφάλειας αυτών των εμβολίων, αλλά πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη το κοινωνικό πλαίσιο στο οποίο πρόκειται να χρησιμοποιηθούν αυτά τα εμβόλια: είτε εθελοντικά είτε οφείλεται σε νομική υποχρέωση: Πώς θα μπορούσε να δικαιολογηθεί μια υποχρέωση εμβολιασμού εάν ούτε οι πιθανοί εμβολιαστικοί κίνδυνοι ούτε η μακροπρόθεσμη προστατευτική επίδραση των νέων εμβολίων είναι ήδη επαρκώς γνωστά;
4. Τομείς νανοηθικών ερωτημάτων: Προβλήματα αποδοχής και κίνδυνοι ασφάλειας
Όπως ήδη αναφέρθηκε παραπάνω, όλο και περισσότερες νανοτεχνολογικές μέθοδοι και τα προϊόντα τους βρίσκουν το δρόμο τους στην καθημερινή ιατρική πρακτική. Και αυτό οφείλεται κυρίως στην αυξανόμενη σημασία της γενετικής μηχανικής στον τομέα της ιατρικής διάγνωσης5 και θεραπεία ή προφύλαξη, με τα εμβόλια mRNA να εμπίπτουν στον τομέα της προληπτικής ιατρικής, στο βαθμό που χρησιμοποιούνται για την πρόληψη της εκδήλωσης ασθένειας. Ωστόσο, η ανάπτυξη αυτών των εμβολίων δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την προηγούμενη μοριακή γενετική διασαφήνιση του ιικού παθογόνου, έτσι ώστε η γενετική μηχανική που πραγματοποιείται σε νανοκλίμακα χρησιμοποιείται εδώ τόσο στην περιγραφική αλληλουχία του ιικού RNA όσο και στην εποικοδομητική ανάπτυξη του ιού. τα εμβόλια (ειδικά δεδομένου ότι η ανοσολογικά ενεργή αλληλουχία mRNA πρέπει επίσης να συσκευαστεί σε ένα κέλυφος σωματιδίων νανολιπιδίων για να μπορεί να εισέλθει στον ανθρώπινο οργανισμό με ασφάλεια και σταθερότητα). Επομένως, δεν αρκεί να εξετάσουμε μόνο τα νέα εμβόλια από βιοηθική άποψη: αφενός, ολόκληρη η διαδικασία έρευνας και παραγωγής και, αφετέρου, το σύνολο των επιπτώσεων του εμβολιασμού πρέπει να συμπεριληφθούν στον προβληματισμό, συμπεριλαμβανομένων όχι μόνο των πιθανών φυσιολογικών παρενεργειών, αλλά και των κοινωνικών και οικονομικών συνεπειών της ευρείας χρήσης των εμβολίων. Και παρομοίως, πρέπει να ληφθεί υπόψη τι θα περιλάμβανε η μη χρήση αυτών των νέων εμβολίων. Η δεοντολογία που σχετίζεται με την τεχνολογία πρέπει πάντα να επιδιώκει την αξιολόγηση και αξιολόγηση των κινδύνων, αφενός, και των ευκαιριών, αφετέρου, μιας καινοτόμου τεχνολογίας (γι’ αυτό και θεωρείται καλύτερα ως υποπεδίο αξιολόγησης τεχνολογίας, όπως προτείνεται παραπάνω) .
Ως χονδρική προσέγγιση, οι ηθικά σχετικές πτυχές που προκύπτουν (1) από την εφαρμογή εμβολίων mRNA στην ιατρική πρακτική με τη μορφή μιας εκστρατείας εμβολιασμού ευρείας βάσης μπορούν να διακριθούν από εκείνες τις ηθικά σχετικές πτυχές αυτών των εμβολίων που προκύπτουν (2) από την εφαρμογή διαδικασιών γενετικής μηχανικής στο εύρος νανοτεχνολογικών μεγεθών. Στη συνέχεια, θα εξεταστούν λεπτομερώς και τα δύο σύνολα ερωτημάτων, όπου, στο πλαίσιο του έργου μας “Νανοκώδικας”, οι ηθικές πτυχές που αναφέρονται στο (2) έχουν ιδιαίτερη σημασία.
4.1. Ιατρικές και κοινωνικο-ηθικές πτυχές της εκστρατείας εμβολιασμού
Υπάρχει ακόμη πολλή συζήτηση, ακόμη και αμφισβήτηση στις διάφορες κοινωνίες που πλήττονται από την πανδημία του Covid για το εάν είναι χρήσιμος, δηλαδή ωφέλιμος ο εμβολιασμός με εμβόλια mRNA. Υπάρχει ευρέως διαδεδομένη συμφωνία ότι ειδικά οι λεγόμενες «ευάλωτες ομάδες» μπορούν να επωφεληθούν από τον εμβολιασμό με εμβόλια mRNA: αυτό ισχύει ιδιαίτερα για ηλικιωμένους, των οποίων το ανοσοποιητικό σύστημα είναι συχνά ήδη σημαντικά εξασθενημένο, και άτομα με ορισμένες προϋπάρχουσες παθήσεις, έτσι ώστε μπορεί να αναμένεται σε αυτά σοβαρή (πιθανώς και θανατηφόρα) πορεία μιας νόσου του κορωνοϊού. Οι έγκυες γυναίκες, από την άλλη πλευρά, συνιστάται να μην εμβολιάζονται για βάσιμους λόγους. Είναι επίσης γνωστό ότι σε άτομα με ορισμένες ρευματικές παθήσεις δεν αναμένεται καμία ή στην καλύτερη περίπτωση μέτρια επιτυχία εμβολιασμού. Τέλος, πρέπει επίσης να αξιολογηθεί εάν μπορεί να υπάρχουν δυσμενείς «διασταυρούμενες επιπτώσεις» μεταξύ του εμβολίου και των φαρμάκων που πρέπει να λαμβάνει τακτικά ένας ασθενής λόγω των τρεχουσών ή χρόνιων ασθενειών του. Ωστόσο, όλα αυτά δεν είναι ηθικά ερωτήματα, αλλά καθαρά ιατρικά ή φαρμακολογικά ερωτήματα που μπορούν να διευκρινιστούν μόνο εμπειρικά καθώς και σε σχέση με τη μεμονωμένη περίπτωση (αναμνησία). Επομένως, οι συνήθεις απαιτήσεις για κλινικές δοκιμές οποιουδήποτε νέου φαρμάκου (συμπεριλαμβανομένων των εμβολίων) αντιστοιχούν σε αυτό: μόνο όταν ο “υποψήφιος” έχει περάσει επιτυχώς όλες τις κλινικές δοκιμές αποτελεσματικότητας και ασφάλειας, μόνο τότε μπορεί να λάβει άδεια κυκλοφορίας που προστατεύεται με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για χρήση στην ιατρική πρακτική. Και στην πορεία, μπορεί κάλλιστα ένα νέο φάρμακο να λάβει περιορισμένη έγκριση μόνο εάν δεν είναι αποτελεσματικό ή ασφαλές για κάθε πιθανό ασθενή. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο, κλινικές δοκιμές πρέπει πάντα να διεξάγονται σε διαφορετικές ομάδες θεμάτων: π.χ. σε γυναίκες και άνδρες, σε εφήβους και παιδιά, σε έγκυες γυναίκες και διαβητικούς κ.λπ., προκειμένου να είναι δυνατή η εξακρίβωση όλων των πιθανών κινδύνων. Κατά κανόνα, τέτοιες κλινικές δοκιμές (ακόμη και σε πειραματόζωα στην πρώτη προκλινική φάση) διαρκούν πολλά χρόνια, με τους περισσότερους «υποψηφίους» να αποτυγχάνουν και να πρέπει να εγκαταλειφθούν ώστε να μην φτάσουν καν στην ωριμότητα της αγοράς.
Στην περίπτωση του καινοτόμου εμβολίου mRNA, ωστόσο, επιλέχθηκε μια συντομευμένη διαδικασία κλινικής δοκιμής λόγω του επείγοντος και του έκτακτου κινδύνου της πανδημίας, ιδίως με την παραίτηση μακροχρόνιων μελετών για να μην χαθεί χρόνος. Εξάλλου, η χρήση του εμβολίου αρχικά περιοριζόταν σε ευάλωτες ομάδες και σε πολύ ηλικιωμένους προκειμένου να συγκεντρωθεί εκτεταμένη εμπειρία (δηλαδή δεδομένα), βάσει των οποίων θα μπορούσαν στη συνέχεια να γίνουν περαιτέρω συστάσεις εμβολιασμού για άλλους ενήλικες. Αυτή η ιεράρχηση ή διαφοροποίηση του πληθυσμού ασθενών (όλων των πιθανών δικαιούχων) είναι απαραίτητη τόσο από ιατρική όσο και από ηθική άποψη για την ελαχιστοποίηση των πιθανών δυσμενών επιπτώσεων. Πρέπει όμως, για παράδειγμα, να εμβολιάζονται και οι έφηβοι ή ακόμα και τα παιδιά; Η έκταση της προστατευτικής επίδρασης του εμβολιασμού σε παιδιά και εφήβους ή η ήπια πορεία της νόσου του Covid απουσία τέτοιου εμβολιασμού, μπορεί φυσικά να προσδιοριστεί μόνο από εμπειρική έρευνα. Επομένως, αυτό δεν είναι ηθικό ερώτημα. Συνεπώς, μπορεί επίσης να προσδιοριστεί μόνο εμπειρικά εάν, σε παιδιά και εφήβους, οι πιθανές παρενέργειες του εμβολιασμού (τα συμπτώματα του εμβολίου) υπερτερούν των πιθανώς σοβαρών συμπτωμάτων της νόσου σε περίπτωση μόλυνσης. Ίσως είναι καλύτερο να το αφήσουμε στη «φύση» του συνήθως ισχυρού ανοσοποιητικού συστήματος των παιδιών και των εφήβων να αντιμετωπίσουν οι ίδιοι μια λοίμωξη από κορωνοϊό. Από την άλλη πλευρά, τα παιδιά και οι έφηβοι μπορούν επίσης να είναι φορείς του ιού Covid 19 σε ενήλικες, έτσι ώστε να μπορεί κανείς να πιστεύει ότι ο εμβολιασμός παιδιών και εφήβων μπορεί τουλάχιστον να μειώσει το ιικό φορτίο με τέτοιο τρόπο ώστε μια μετάδοση των παθογόνων μικροοργανισμών σε μη εμβολιασμένους ενήλικες θα πρέπει να μειώσει σχετικά τον κίνδυνο να υποστούν σοβαρή πορεία της νόσου.
Από ηθική άποψη, πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι ο εμβολιασμός παιδιών και εφήβων, ο οποίος χρησιμεύει κυρίως για την προστασία των μη εμβολιασμένων ενηλίκων (και λιγότερο τη δική τους προστασία), επιτρέπεται μόνο εάν οι πιθανές επιβλαβείς παρενέργειες του εμβολιασμού παιδιών και εφήβων δεν είναι πιο σημαντικές. από τα οφέλη για την υγεία που μπορούν να αποκομίσουν τα ίδια τα παιδιά και οι έφηβοι από τον εμβολιασμό. Τα παιδιά και οι έφηβοι δεν πρέπει να εκτίθενται σε περιττούς πιθανούς εμβολιαστικούς κινδύνους απλώς και μόνο για την καλύτερη προστασία των μη εμβολιασμένων ενηλίκων από μόλυνση.6 . Αντίθετα, θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι ένας ενήλικας που αρνείται να εμβολιαστεί πρέπει να φέρει τον κίνδυνο μόλυνσης και, επομένως, και μιας πιθανώς σοβαρής πορείας της νόσου με δική του ευθύνη.
Ωστόσο, η εγκυρότητα αυτού του επιχειρήματος εξαρτάται από την ύπαρξη ήδη επαρκών εμπειρικών στοιχείων ότι ο εμβολιασμός με τα νέα εμβόλια mRNA είναι επαρκώς αποτελεσματικός και ασφαλής όσον αφορά τις επικίνδυνες μακροπρόθεσμες επιπτώσεις του εμβολίου. Το πρόβλημα σε αυτή την περίπτωση είναι ότι πρόκειται για μια εντελώς νέα κατηγορία εμβολίων με την οποία η ιατρική επιστήμη δεν έχει ακόμη καταφέρει να αποκτήσει εμπειρία. Επομένως, εναπόκειται τελικά στην κλινική έρευνα να αποδείξει ότι η προστατευτική δράση του εμβολίου mRNA είναι υψηλή και ότι (πέρα από τις στατιστικά ασήμαντες επιβλαβείς αντιδράσεις του εμβολίου7 ) δεν αναμένονται καθυστερημένα αποτελέσματα του εμβολιασμού (π.χ. στο ότι τα μόρια mRNA θα μπορούσαν να κολλήσουν μόνιμα στο ανθρώπινο γονιδίωμα, να προκαλέσουν καρκίνο ή άνοια σε κάποιο σημείο, να μειώσουν τη γονιμότητα ή να προκαλέσουν μόνιμη βλάβη στο ανοσοποιητικό σύστημα). Μέχρι στιγμής, ωστόσο, φαίνεται αρκετά ενθαρρυντικό ότι οι ερευνητές είναι σε θέση να επιβεβαιώσουν τόσο την υψηλή αποτελεσματικότητα όσο και την ασφάλεια της υγείας των εμβολίων mRNA. Και αυτό περιλαμβάνει επίσης πιθανές μακροπρόθεσμες καθυστερημένες επιδράσεις, δεδομένου ότι δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί κανένας φυσιολογικός μηχανισμός που θα μπορούσε να προκαλέσει σοβαρή ανησυχία ότι το μόριο mRNA όχι μόνο εξυπηρετεί το ανοσοποιητικό σύστημα ως σχέδιο για την παραγωγή του ιικού αντιγόνου (προκειμένου να στη συνέχεια να δημιουργήσει αντισώματα εναντίον του), αλλά θα μπορούσε επίσης να διεγείρει ανεπιθύμητες μεταβολικές διεργασίες ή αλλαγές στον κυτταρικό ιστό. Αυτό συμβαίνει επειδή το μόριο mRNA προφανώς ούτε εισέρχεται στον πυρήνα του γονιδιωματικού κυττάρου ούτε παραμένει στον οργανισμό για κάποιο χρονικό διάστημα προτού αποικοδομηθεί ξανά, δηλαδή διασπαστεί στις νουκλεϊκές του βάσεις και έτσι καταστεί αναποτελεσματικό.
Επιπλέον, υπάρχει επί του παρόντος μια έντονη συζήτηση σχετικά με το πόσο συχνά και σε ποια χρονικά διαστήματα θα πρέπει να επαναλαμβάνεται ένας τέτοιος εμβολιασμός προκειμένου να διασφαλιστεί και να αυξηθεί η προστατευτική δράση8 : και πάλι, αυτά είναι ερωτήματα που μπορούν να απαντηθούν μόνο με βάση ανοσολογικές μελέτες και στατιστικές αξιολογήσεις της επιτυχίας του εμβολιασμού. Από ηθική άποψη, μπορεί μόνο να ειπωθεί ότι πρέπει να γίνει ό,τι είναι δυνατό για να αυξηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η προστατευτική δράση ενός κατά τα άλλα αβλαβούς εμβολίου. Αυτό ισχύει και για την περαιτέρω ανάπτυξη του εμβολίου: για παράδειγμα, την τροποποιητική προσαρμογή του σε νέες παραλλαγές του ιού.9 .
Όπως αναφέρθηκε ήδη παραπάνω, τα ζητήματα αποτελεσματικότητας και ασφάλειας δεν είναι κατ’ αρχήν ηθικά αλλά καθαρά επιστημονικά ζητήματα. Η κατάσταση είναι κάπως διαφορετική με το ερώτημα εάν η «αρχή της προφύλαξης» πρέπει να ισχύει πάντα, επιμένοντας να ελέγχεται εκ των προτέρων η ασφάλεια ενός νέου φαρμάκου. Αυτό όμως πληρούται ήδη από την απαίτηση των κλινικών δοκιμών πολλαπλών φάσεων, δηλαδή ρυθμίζεται λεπτομερώς στο φαρμακευτικό δίκαιο. Επομένως, αυτή η πτυχή δεν θα συζητηθεί λεπτομερώς εδώ, ειδικά καθώς εξετάζεται στην εκπαιδευτική ενότητα “Νομικές και κοινωνικές πτυχές”. Εκεί, συζητείται επίσης ποιος (και από ποια άποψη) θα θεωρηθεί υπεύθυνος σε περίπτωση βλάβης του εμβολίου (ο θεράπων ιατρός, ο κατασκευαστής ή οι υγειονομικές αρχές).
Ωστόσο, η “προφύλαξη” αφορά επίσης το ερώτημα εάν πρέπει να αποθηκεύονται μεγαλύτερα αποθέματα εμβολίων και εάν πρέπει να διασφαλιστεί ότι η παραγωγή ζωτικών εμβολίων διασφαλίζεται σε εθνικό πλαίσιο, προκειμένου, αφενός, να είναι δυνατή η παρακολούθηση της διασφάλιση ποιότητας των ουσιών από μόνος του και, αφετέρου, να μπορεί να περιορίσει τον κίνδυνο «ρήξης» των αλυσίδων εφοδιασμού. Από ηθική άποψη, η υγειονομική περίθαλψη του κράτους για τον πληθυσμό του περιλαμβάνει επίσης έναν ορισμένο βαθμό αυτάρκειας στην προμήθεια φαρμάκων, επομένως πρέπει να θεωρείται επικίνδυνη η μεταφορά της παραγωγής στο εξωτερικό (στην Ινδία ή την Κίνα, για παράδειγμα) για καθαρά υλικοτεχνικούς και οικονομικούς λόγους (εξοικονόμηση κόστους). Μόνο στο πλαίσιο μιας εθνικής και επομένως σχετικά αυτόνομης προμήθειας φαρμάκων μπορούν να αποτραπούν καταστάσεις σπανιότητας, οι οποίες θα μπορούσαν να αναγκάσουν τους γιατρούς να λάβουν ηθικά αμφισβητήσιμες αποφάσεις «διαλογής» (όπως είναι γνωστό από την ιατρική του στρατιωτικού νοσοκομείου, όπου σε ακραίες καταστάσεις πρέπει συχνά να αποφάσισαν για ποιους τραυματίες ασθενείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν πιο ελπιδοφόρα τα φάρμακα που έχουν γίνει σπάνια και για ποιους ασθενείς όχι, έτσι ώστε να μην τους χορηγούνται). Ωστόσο, αυτό δεν αφορά μόνο τη διαθέσιμη ποσότητα φαρμάκων υψηλής ποιότητας, αλλά και τις άλλες υποδομές ιατρικής περίθαλψης: για παράδειγμα, τον αριθμό των κλινών εντατικής θεραπείας που διατίθενται στα νοσοκομεία ή την ικανότητα του ιατρικού και νοσηλευτικού προσωπικού που απαιτείται για τη λειτουργία του συσκευές (όπως αναπνευστήρες) και για την παροχή φυσικής φροντίδας στους ασθενείς. Ωστόσο, αυτά είναι γενικά ζητήματα ιατρικής δεοντολογίας που αφορούν την οργάνωση της ιατρικής περίθαλψης και επομένως υπερβαίνουν το πεδίο της ηθικά ορθής χρήσης των εμβολίων mRNA, επομένως δεν χρειάζεται να συζητηθούν περαιτέρω εδώ.
Ένα άλλο σημείο αφορά ζητήματα διανεμητικής δικαιοσύνης και πρόσβασης στις νέες νανοϊατρικές δυνατότητες: Για παράδειγμα, δεδομένης της αρχικής σπανιότητας εμβολίων mRNA, δεν θα μπορούσε να αγνοηθεί ότι οι οικονομικά ισχυρές χώρες θα μπορούσαν να τα αποκτήσουν πιο εύκολα από τις φτωχότερες χώρες. Αν και ο ΠΟΥ επιφύλαξε μια ορισμένη ποσόστωση εμβολίων για τον «Τρίτο Κόσμο», αυτό αποδείχθηκε εντελώς ανεπαρκές. Η πλειονότητα των κατασκευαστών των νέων εμβολίων αρνήθηκε επίσης, για λόγους κέρδους, να επιτρέψουν στις φτωχότερες χώρες να παράγουν οι ίδιες τα εμβόλια χωρίς να πληρώσουν τέλη ευρεσιτεχνίας, δηλαδή να δημιουργήσουν τις δικές τους εγκαταστάσεις παραγωγής. Αυτό, επίσης, έθεσε τις αναπτυσσόμενες χώρες σε σοβαρό μειονέκτημα. Σε γενικές γραμμές, αρχικά υπήρχε επίσης σκληρός ανταγωνισμός μεταξύ των πλουσιότερων χωρών για την αγορά των σπάνιων εμβολίων, κάτι που πρέπει να αντιμετωπιστεί αρνητικά από ηθική άποψη, καθώς θα ήταν επίσης δυνατή μια πιο συντονισμένη προσέγγιση για τη διασφάλιση της δίκαιης διανομής. Βασικά, εδώ τίθεται το ερώτημα πώς μπορεί να επιτευχθεί ότι οι δαπανηρές νανοτεχνολογίες μπορούν επίσης να καταστούν προσιτές σε φτωχότερους δικαιούχους, π.χ. για την πρόληψη ενός “φαρμάκου δύο κατηγοριών”.
Σε κάθε περίπτωση, όσον αφορά την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια των εμβολίων που βασίζονται σε mRNA, μόνο εμπειρικές μελέτες μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για αυτό. Η ηθική έχει λόγο σε αυτό το πλαίσιο μόνο στο βαθμό που μπορεί κανείς να αναρωτηθεί σύμφωνα με ποια κριτήρια πρέπει να αξιολογηθεί το όφελος ενός εμβολίου: η πρόληψη μιας σοβαρής, ίσως και θανατηφόρου ασθένειας είναι σίγουρα το αποφασιστικό κριτήριο εδώ, υπό την προϋπόθεση ότι εκπληρώνεται πραγματικά. Κατά των σοβαρών ασθενειών όπως η ευλογιά και η πανώλη στο παρελθόν ή ο πυρετός Ζίκα ή ο Έμπολα σήμερα, τα υπάρχοντα εμβόλια είναι σίγουρα το «μέσο επιλογής». Υπάρχει όμως και η άποψη της μειοψηφίας ότι ο εμβολιασμός είναι υπερβολικά πολύς και βιαστικός (π.χ. κατά της εποχικής γρίπης), έτσι ώστε το «φυσικό» ανοσοποιητικό μας σύστημα τείνει να υπερφορτωθεί (στρεσμένο) και έτσι να παρεμποδίζεται η ανάπτυξη του αυθόρμητου «εαυτού» του. -θεραπευτική δύναμη». Από όλα τα πράγματα, οι μεγάλες επιτυχίες των εκστρατειών εμβολιασμού – ειδικά στην περίπτωση των λιγότερο απειλητικών ασθενειών – θα μπορούσαν τελικά να αποδειχθούν «πύρρειες νίκες», αφού θα στηριζόμασταν πάρα πολύ στη σύγχρονη φαρμακολογία και ιατρική συσκευή και, κατά συνέπεια, θα παραμελούσαμε άλλες («πιο ευγενικές» ) τρόποι διατήρησης και αύξησης της υγείας. Στην περίπτωση του Covid-19, ωστόσο, δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος να αντιμετωπιστεί ο εμβολιασμός, ειδικά από τη στιγμή που δεν υπάρχουν ακόμη πραγματικά αποτελεσματικές θεραπείες, ώστε μια πιθανή μόλυνση να αντιμετωπιστεί με κάποια ψυχραιμία. Γενικά, μπορεί να υπάρχουν πολλοί τρόποι για την ενίσχυση του έμφυτου ανοσοποιητικού συστήματος (όπως μια υγιεινή διατροφή, επαρκής άσκηση και ύπνος και ένας τρόπος ζωής που μειώνει το στρες), αλλά ενάντια σε μια πραγματικά σοβαρή μολυσματική ασθένεια, πιθανώς μόνο ένας κατάλληλος εμβολιασμός θα βοηθήσει στην προκαταβολή.
Από την άλλη πλευρά, ειδικά στην περίπτωση του Corona, θα μπορούσε κανείς να εξετάσει εάν οι επιδημίες και οι πανδημίες που προέρχονται από ζώα δεν θα μπορούσαν επίσης να προληφθούν με τον περιορισμό των περιπτώσεων όπου ένας ιός (ή οποιοδήποτε άλλο επικίνδυνο παθογόνο: ένα βακτήριο ή ένα παράσιτο) μπορεί να μεταπηδήσει από ζώα σε ανθρώπους. Πράγματι, το παθογόνο covid-19 είναι τελικά μια «ζωονόσος» (τουλάχιστον, ελάχιστα υποδηλώνουν ότι διέφυγε ακούσια από ένα κινεζικό εργαστήριο10 ) που πιθανώς διευκόλυνε το γεγονός ότι οι παγκολίνοι ή ορισμένες νυχτερίδες προσφέρθηκαν για κατανάλωση σε μια αγορά στο Wuhan, οι οποίοι είναι εξαιρετικοί ξενιστές για πολλούς ιούς που μπορεί να είναι δυνητικά επικίνδυνοι για τον άνθρωπο εάν μεταδοθούν. Αυτό σημαίνει: Η αλλαγή των διατροφικών μας συνηθειών μπορεί επίσης να αποτρέψει την εκδήλωση σοβαρών μολυσματικών ασθενειών. Η ιδέα είναι ότι στον τομέα ανταλλαγής του ανθρώπινου πολιτισμού και της φύσης, θα πρέπει να περιορίσουμε ή τουλάχιστον να ελέγξουμε τον κίνδυνο μετάδοσης όσο το δυνατόν περισσότερο. Πράγματι, το (παράνομο) εμπόριο άγριας ζωής, για παράδειγμα, καθώς και οι νέες μορφές τεχνολογικά εντατικής διαχείρισης των δασών, αυξάνουν την πιθανότητα ανθρώπινης επαφής με προηγουμένως άγνωστα παθογόνα μέσω εισβολής σε προηγουμένως ανέγγιχτες περιοχές άγριας φύσης. Ιδιαίτερο κοινωνιολογικό ενδιαφέρον, επιπλέον, είναι η συχνά οικιακή συμβίωση με ζώα φάρμας (όπως τα πουλερικά) και τα συχνά ανεπαρκή τοπικά πρότυπα υγιεινής (π.χ. στον ποιοτικό έλεγχο του πόσιμου νερού ή στη διάθεση των απορριμμάτων). Γενικά, οι ανθρώπινοι οικισμοί και η σχετική οδοποιία επεκτείνονται προφανώς όλο και περισσότερο στην έρημο. όπως, αντίθετα, τα άγρια ζώα (συμπεριλαμβανομένων των πτηνών και των εντόμων) εκτοπίζονται ολοένα και περισσότερο από τους φυσικούς οικοτόπους των προγόνων τους και εγκαθίστανται στους οικισμούς.
Έτσι, για την αποφυγή ζωονοσογόνων νοσημάτων, η «επιδημιολογική διαχείριση» των ποικίλων σχέσεων ανθρώπου-φύσης στη συνοριακή περιοχή με την ερημιά γίνεται όλο και πιο επείγουσα. Εκτός από την επιστημονική παρακολούθηση της πιθανής εξάπλωσης άγριων ειδών με ζωονοσογόνα, απαιτούνται επίσης νομικά και πρακτικά μέτρα: π.χ. στον τομέα των οικισμών και της ανάπτυξης υποδομών, οικονομική εκμετάλλευση των τροπικών δασών, βελτίωση της υγιεινής, (φυσικά) τρόφιμα παραγωγής και αγωγής υγείας. Εδώ η ιατρική βιοηθική συναντά την περιβαλλοντική ηθική. Αλλά όλα αυτά είναι ευρύτερα ζητήματα που βρίσκονται, ως ένα βαθμό, στην πρώτη γραμμή των στρατηγικών mRNA κατά της πανδημίας Covid 19: επειδή μόλις ξεσπάσει μια πανδημία, όλα τα προληπτικά μέτρα κατά των ζωονοσογόνων κινδύνων έρχονται πολύ αργά, οπότε πρέπει να προσπαθήστε τώρα, αφενός, να περιορίσετε όσο το δυνατόν περισσότερο την περαιτέρω εξάπλωση του μολυσματικού συμβάντος (π.χ. φορώντας προστατευτικές μάσκες, χρησιμοποιώντας προστατευτικό ρουχισμό κ.λπ.). (π.χ. φορώντας προστατευτικές μάσκες, απολύμανση χεριών και επιφανειών, αερισμό εσωτερικών χώρων, προσωρινή καραντίνα, ακόμη και προσωρινό «κλείδωμα») και, δεύτερον, μέσω εκστρατειών ευρείας βάσης εμβολιασμού. Και στην περίπτωση του τελευταίου, είμαστε τυχεροί που τα εμβόλια mRNA θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε επιχειρησιακή ετοιμότητα τόσο εκπληκτικά γρήγορα, κάτι που σίγουρα έχει σώσει αμέτρητες ζωές.
4.2. Νανοηθικές πτυχές των εμβολίων mRNA ως προϊόντα γενετικής μηχανικής
Αφού συζητήσουμε εν συντομία τις γενικές ιατρικές και κοινωνικο-ηθικές επιπτώσεις της πρακτικής χρήσης των νέων εμβολίων mRNA, θα εξετάσουμε τώρα τα πιθανά προβλήματα που θα μπορούσαν να προκύψουν από τον χαρακτήρα γενετικής μηχανικής αυτών των εμβολίων: δηλ. από το γεγονός ότι αυτοί οι παράγοντες είναι, Από τη μια πλευρά, το αποτέλεσμα εποικοδομητικών λειτουργιών (για να το πούμε έτσι, “μηχανική RNA”) σε μοριακή γενετική κλίμακα. και ότι, από την άλλη, προορίζονται να επέμβουν στις βιολογικές λειτουργίες των κυττάρων ή στο ανοσοποιητικό σύστημα ενός ζωντανού οργανισμού (δηλαδή του ανθρώπινου οργανισμού). στο ανοσοποιητικό σύστημα ενός ζωντανού όντος (δηλαδή του ανθρώπινου οργανισμού). Όπως ήδη αναφέρθηκε παραπάνω, ο τομέας της νανοηθικής θα περιοριστεί στον τομέα της ιατρικής του ανθρώπου στο πλαίσιο αυτής της εκπαιδευτικής μονάδας. Με τον τρόπο που – περιορίζοντας ακόμη περισσότερο το πεδίο – η νανοηθική θα σχετίζεται κυρίως (αλλά όχι μόνο) με την ανάπτυξη εμβολίων mRNA. Στην πραγματικότητα, όλοι οι «χειρισμοί» μορίων RNA και DNA, δηλαδή και όλες οι κατασκευές αλληλουχιών γονιδίων (και το μόριο mRNA, τέλος πάντων, κωδικοποιεί επίσης μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη ακίδας στο φάκελο του ιού covid-19, δηλαδή για έναν ιό γονίδιο) μπορούν να θεωρηθούν νανοτεχνικές διαδικασίες. Η ανάπτυξη εμβολίων που βασίζονται σε mRNA είναι μόνο μια ειδική περίπτωση εδώ. Ωστόσο, δεδομένου ότι προκύπτουν ηθικά ζητήματα και σε αυτήν την ειδική περίπτωση, τα οποία προκύπτουν συνολικά για τις διαδικασίες γενετικής μηχανικής ή για την ιατρική εφαρμογή των προϊόντων αυτών των διαδικασιών, είναι λογικό να διευρυνθεί ανάλογα το επίκεντρο του ηθικού προβληματισμού, δηλαδή να συμπεριληφθεί ολόκληρο το φάσμα των Εξελίξεις που βασίζονται στη γενετική μηχανική στον τομέα της ανθρώπινης ιατρικής στην ηθική αξιολόγηση. Πράγματι, θα γίνει φανερό ότι και σε αυτήν την ειδική περίπτωση θα ανακύψουν ουσιαστικά όλα τα ηθικά ερωτήματα που προκύπτουν σε σχέση με τη γενετική μηχανική στον τομέα της υγείας.11 .
Μπορεί ασφαλώς να αμφισβητηθεί ότι μια ειδική «νανοηθική» ως ειδική επιστήμη είναι απαραίτητη, στο βαθμό που θα ήταν απλώς μια περαιτέρω εφαρμογή της «βιοηθικής» ή της «γονιδιακής ηθικής» και επομένως τα ερωτήματα που θέτει η νανοβιοτεχνολογία είναι ήδη πολύ γνωστά από άλλα πλαίσια ηθικού προβληματισμού. Πράγματι, δεν πρέπει να κρίνουμε εσφαλμένα τη διατομεακή φύση του ηθικού προβληματισμού, καθώς ακόμη και οι (νανο-) τεχνολογίες που είναι τελείως διαφορετικές στην ουσία συχνά αντιμετωπίζουν παρόμοιες ηθικές και κοινωνικές προκλήσεις.
Κατ’ αρχήν, η χρήση μεθόδων γενετικής μηχανικής για την καταπολέμηση (μολυσματικών) ασθενειών είναι οπωσδήποτε ευπρόσδεκτη. Ωστόσο, σε σχέση με τη γενετική μηχανική παραγωγή (κατασκευή) εμβολίων mRNA και με τον χειρισμό τους κατά τη μεταφορά τους στο ανθρώπινο σώμα, δεν υπάρχουν μόνο ζητήματα ασφάλειας, αλλά επίσης, π.χ., ωστόσο, σε σχέση με την παραγωγή (κατασκευή) γενετικής μηχανικής Τα εμβόλια mRNA και ο χειρισμός τους κατά τη μεταφορά στο ανθρώπινο σώμα, δεν προκύπτουν μόνο ζητήματα ασφάλειας, αλλά και ζητήματα κοινωνικής αποδοχής, στο βαθμό που η γενετική μηχανική (τόσο ως διαδικασία όσο και ως προς τα προϊόντα της) δεν έχει ιδιαίτερα καλή φήμη: συχνά υποστηρίζεται ότι ο άνθρωπος θα παρέμβει στη «δημιουργία του Θεού», ακόμη και θα «έπαιζε τον Θεό», αλλάζοντας το «σχέδιο της ζωής» (κάτι που, ωστόσο, δεν συμβαίνει σχεδόν καθόλου στην περίπτωση των μορίων mRNA, καθώς παρέχουν απλώς την ανθρώπινη ανοσία σύστημα με πρότυπα για τη δική του δραστηριότητα). Ακόμη και η περιβαλλοντική συμβατότητα των γενετικά τροποποιημένων φαρμάκων αμφισβητείται μερικές φορές (αν και, για παράδειγμα, η ανθρώπινη ινσουλίνη που λαμβάνεται μέσω γενετικά τροποποιημένων βακτηρίων γίνεται εύκολα αποδεκτή από τους διαβητικούς). Σε κάθε περίπτωση, είναι δύσκολο να απορριφθεί η κατασκευή μορίων mRNA για την καταπολέμηση σοβαρών λοιμώξεων, καθώς τα πλεονεκτήματά τους ξεπερνούν προφανώς κάθε ανησυχία. Θα έπρεπε να είναι κάποιος θεμελιώδης αντίπαλος της τεχνολογίας, ή τουλάχιστον ένας «ιδεολογικά» πεπεισμένος εχθρός της γενετικής μηχανικής, για να μην μπορεί να δει και να εκτιμήσει τα οφέλη για την υγεία ακριβώς αυτής της εφαρμογής της γενετικής μηχανικής. Στην περίπτωση της γεωργικής χρήσης γενετικά τροποποιημένων φυτών, αυτό μπορεί να είναι κάπως διαφορετικό, δεδομένου ότι η κατάσταση ασφάλειας και η περιβαλλοντική συμβατότητα υπό “συνθήκες αγρού” δεν είναι ακόμη σαφείς στην τελευταία συνέπεια. και επίσης, στην περίπτωση της αναπαραγωγικής κλωνοποίησης ζώων εκτροφής καθώς και της «ανασυγκρότησης» οργανισμών με τη βοήθεια «συνθετικής βιολογίας» ή «επεξεργασίας γονιδιώματος», δεν έχουν ακόμη διευκρινιστεί όλα τα ζητήματα κινδύνου και ηθικής (θα επιστρέψτε σε αυτό αργότερα).
Είναι ενδιαφέρον ότι στην περίπτωση των «ατομικευμένων» εμβολίων mRNA, στην πραγματικότητα έχουμε να κάνουμε με δύο νανοδομές: αφενός, το ίδιο το mRNA, δηλαδή τη δραστική ουσία, και αφετέρου, τα νανοσωματίδια λιπιδίων στα οποία το mRNA «συσκευάζεται» και στη συνέχεια εισάγεται στον ανθρώπινο οργανισμό.12 Έτσι, η νανοτεχνολογική διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δύο διαφορετικά επίπεδα κατασκευής, σχηματίζοντας έτσι μια εξαιρετικά περίπλοκη διαδικασία.
Αν και το επίκεντρο αυτής της εκπαιδευτικής ενότητας είναι η αναζήτηση εμβολίων κατά του ιού Corona στις διάφορες παραλλαγές του (καθώς και η ηθική αξιολόγησή τους), η ιατρική χρήση εξατομικευμένων ξενιστών mRNA είναι ικανή για περισσότερα από την καταπολέμηση μολυσματικών ασθενειών: υπάρχει δικαιολογημένη ελπίδα ότι τα τεχνητά προϊόντα mRNA μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία για καινοτόμες προσεγγίσεις στον τομέα της γονιδιακής θεραπείας· ή στη θεραπεία του καρκίνου καθώς και των καρδιαγγειακών παθήσεων.13 Ωστόσο, για να είναι δυνατή η παρέμβαση στο γενετικό υλικό των νοσούντων κυττάρων με στοχευμένο τρόπο χρησιμοποιώντας mRNA, απαιτούνται κατάλληλες διαδικασίες εισαγωγής («διαγραφή και επικόλληση»). Και εδώ είναι που μπαίνει στο παιχνίδι η τεχνολογία CRISPR-Cas της «επεξεργασίας γονιδιώματος». Τέλος, με τουλάχιστον έμμεσο τρόπο, οι αλληλουχίες mRNA θα μπορούσαν επίσης να γίνουν σημαντικές για την ανάπτυξη διαγνωστικών μεθόδων στο μέλλον (για παράδειγμα, στην ανάλυση γονιδιώματος, στην ανίχνευση καρκινικών δεικτών κ.λπ.). Επομένως, αυτοί οι τομείς εφαρμογής θα εξεταστούν επίσης στη συνέχεια, επειδή μια πλήρης αξιολόγηση της νανοτεχνολογίας mRNA μπορεί επίσης να γίνει μόνο από ηθική προοπτική εάν αυτή η τεχνική ληφθεί υπόψη στο ευρύτερο πλαίσιο άλλων εφαρμογών γενετικής μηχανικής που βασίζονται σε RNA και DNA. Αυτή η διεύρυνση του πεδίου προβληματισμού δικαιολογείται επίσης από το γεγονός ότι η τεχνολογία RNA είναι πιθανό να ανοίξει σύντομα περαιτέρω πεδία εφαρμογής: όπως στον καρκίνο ή τη γονιδιακή θεραπεία, αλλά και στη διαγνωστική. Και το αργότερο όταν συμβεί αυτό, το επίκεντρο της ηθικής εξέτασης θα πρέπει επίσης να επεκταθεί, καθώς τότε θα γίνουν σχετικές ηθικές πτυχές που δεν αφορούν μόνο τη χρήση αυτής της τεχνολογίας για σκοπούς εμβολιασμού: γιατί μόνο τότε θα είναι οι τεράστιες δυνατότητες αυτής της μεθόδου γίνει εμφανής. Ωστόσο, δεδομένου ότι οποιοσδήποτε ηθικός προβληματισμός σχετικά με τις κοινωνικές επιπτώσεις μιας νέας τεχνολογίας θα πρέπει να λάβει χώρα όσο το δυνατόν νωρίτερα, είναι λογικό να προσπαθήσουμε να αξιολογήσουμε αυτές τις επιπτώσεις στα διάφορα πεδία εφαρμογής της τεχνολογίας RNA ήδη σήμερα. Το πλεονέκτημα μιας «προοπτικής» επιδιωκόμενης νανοηθικής συνίσταται επίσης στην προετοιμασία μιας «προληπτικά» προσανατολισμένης τεχνολογικής πολιτικής, καθώς η νανοηθική εφιστά την προσοχή σε πιθανούς κινδύνους ή μειονεκτήματα της νέας τεχνολογίας σε πρώιμο στάδιο.
Σε κάθε περίπτωση, οι αναμενόμενες διαφορετικές ιατρικές εφαρμογές της (βασισμένης σε RNA) γενετικής μηχανικής εγείρουν ιδιαίτερα επιστημονικά (εμπειρικά) και ηθικά προβλήματα, ανάλογα με το εύρος της κατασκευής και το βάθος της παρέμβασης στον οργανισμό ή ανάλογα με τους στόχους τους. Η ποικιλία και το βάρος αυτών των προβλημάτων εξαρτώνται, για παράδειγμα, από το επίπεδο κατασκευής που επιτυγχάνεται με τον χειρισμό αυτών των μοριακών δομών ή οργανισμών που προορίζονται είτε να παράγουν φαρμακολογικά πολύτιμες πρωτεΐνες (π.χ. στη βακτηριακή παραγωγή ανθρώπινης ινσουλίνης) είτε να χρησιμεύσουν ως «οχηματαγωγά» (φορείς) για την εισαγωγή θεραπευτικών παραγόντων στον ανθρώπινο οργανισμό. Ωστόσο, ακόμη και οι γενετικές ιατρικές διαδικασίες που εφαρμόζονται ήδη στη νανοκλίμακα για καθαρά διαγνωστικούς σκοπούς παράγουν δεδομένα που είναι συχνά πολύ προσωπικά (π.χ. γενετικά δεδομένα που είναι χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου ατόμου, καθιστώντας αυτό το άτομο μερικώς «γενετικά διαφανές») και τα οποία θα μπορούσαν επομένως να χρησιμοποιηθούν κατάχρηση (π.χ. από τις ασφαλιστικές εταιρείες εάν τα δεδομένα που συλλέγονται υποδεικνύουν μελλοντικές ασθένειες λόγω ορισμένων γενετικών προδιαγραφών ή επίσης από τις κρατικές αρχές για την ταυτοποίηση ορισμένων ατόμων, παρόλο που δεν υπάρχει σύνδεση με την επιβολή του νόμου). Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να λαμβάνονται κατάλληλες προφυλάξεις βάσει της νομοθεσίας περί προστασίας δεδομένων: π.χ. μέσω κατάλληλων διαδικασιών για την ανωνυμοποίηση ή τουλάχιστον την ψευδωνυμοποίηση των δεδομένων (ή επίσης μέσω υψηλών φραγμών πρόσβασης ή με διατήρηση των δεδομένων για περιορισμένο χρονικό διάστημα) . Επίσης, η χρήση γενετικών δεδομένων, για παράδειγμα για επιδημιολογικούς σκοπούς, δεν πρέπει να πραγματοποιείται χωρίς τη ρητή συγκατάθεση του δότη δεδομένων («ενημερωμένη συγκατάθεση») (αυτό ισχύει, για παράδειγμα, για κλινικές συλλογές ιστών ή ερευνητικές βιοτράπεζες στις οποίες γενετικά αποθηκεύονται και αξιολογούνται σημαντικά δείγματα ιστού).
Έτσι, μπορεί να φανεί ότι η ανάπτυξη των τεχνικών mRNA θα πρέπει να εξεταστεί στο ευρύτερο πλαίσιο της ανάπτυξης εργαλείων μοριακής γενετικής, τα οποία όλα είναι ή θα είναι αποτελεσματικά σε νανοκλίμακα:
(α) για διαγνωστικούς σκοπούς (π.χ. στη γονιδιωματική ανάλυση για την ανίχνευση προδιαθέσεων κληρονομικής νόσου)·
(β) ή για θεραπευτικούς σκοπούς (π.χ. κατά την εκτέλεση σωματικής ή ακόμη και γονιδιακής θεραπείας που παρεμποδίζει τη βλαστική σειρά).
(γ) ή για ανοσολογικούς σκοπούς (π.χ. στην κατασκευή αλληλουχιών mRNA που είναι «προσαρμοσμένες» για την καταπολέμηση συγκεκριμένων παθογόνων).
(δ) ή για βιοκατασκευαστικούς σκοπούς, όταν ο στόχος είναι ο σχεδιασμός ολόκληρων οργανισμών (μονοκύτταροι οργανισμοί) με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή διαγνωστικά ή θεραπευτικά αποτελεσματικών φαρμάκων (π.χ. μέσω “επεξεργασίας γονιδιώματος” σε το πεδίο της «συνθετικής βιολογίας», για παράδειγμα, προκειμένου να ενσωματωθούν νέα μεταβολικά μονοπάτια «από πάνω προς τα κάτω» σε έναν δεδομένο οργανισμό· επιπλέον, ωστόσο, η εντελώς νέα κατασκευή ενός ζωντανού οργανισμού θα ήταν επίσης νοητή «από κάτω προς τα πάνω», η οποία θα μπορούσε ακόμη και να έχει νουκλεϊκές βάσεις στο DNA ή το RNA του που δεν υπάρχουν στη φύση).
Δυστυχώς, δεν είναι δυνατό εντός του περιορισμένου πεδίου αυτής της εργασίας να παρουσιαστούν εδώ όλοι οι σχετικοί τομείς στους οποίους χρησιμοποιείται η γενετική μηχανική στην ιατρική. Επομένως, εν κατακλείδι, θα ρίξουμε μόνο μια ματιά στους φορείς με τη βοήθεια των οποίων τα εμβόλια mRNA εισάγονται στον ανθρώπινο οργανισμό. Εκτός από τα ίδια τα εμβόλια, αυτά τα συστήματα μεταφοράς αντιπροσωπεύουν τη δεύτερη εφαρμογή νανοτεχνολογικών μεθόδων στο πλαίσιο της καταπολέμησης του Covid-19.
5. «Συστήματα Παράδοσης Νανο»: Λειτουργίες και Κίνδυνοι
Δεδομένου ότι η ασφαλής μεταφορά του παράγοντα mRNA στο ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχία του εμβολιασμού, αυτή η πτυχή θα εξεταστεί πρώτα με κάποια λεπτομέρεια. Έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω ότι το δραστικό συστατικό mRNA πρέπει να συσκευάζεται σε ένα κέλυφος από νανοσωματίδια λιπιδίων για να μπορεί να εισέλθει στο ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα με σταθερό τρόπο ώστε να μπορεί να χρησιμεύσει εκεί ως πρότυπο (αντιγόνο) για την παραγωγή αντισωμάτων κατά του Covid-19. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα ενός μεγάλου αριθμού λεγόμενων «συστημάτων παράδοσης» σε νανοκλίμακα που μπορούν να εκτελούν πολύ διαφορετικές λειτουργίες μεταφοράς.
Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούνται με μεγάλη ποικιλία τρόπων στο ανθρώπινο σώμα. Δύο ιδιαίτερα υποσχόμενοι τομείς εφαρμογής θα συζητηθούν στην ακόλουθη ενότητα: Πρώτον, η ομάδα των διαφόρων συστημάτων νανο-μεταφοράς («νανο-συστήματα παράδοσης»), τα οποία χρησιμεύουν για τη διανομή δραστικών ουσιών στον οργανισμό. Από την άλλη πλευρά, διάφορα μεταλλικά νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται στη θεραπεία του καρκίνου, όπου τα εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία παρέχουν θέρμανση και καταστροφή των καρκινικών κυττάρων (διαδικασία υπερθερμίας). Εδώ, μόνο η πρώτη περίπτωση θα εξεταστεί με περισσότερες λεπτομέρειες.
Τα συστήματα νανοκλίμακας χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά δραστικών συστατικών στο σώμα (παροχή φαρμάκων). Τα νανοϋλικά περικλείουν τη δραστική ουσία με μικροσκοπικά προστατευτικά κελύφη, τα οποία στη συνέχεια αναφέρονται ως ενθυλακωμένα συστήματα ή μικκύλια. Επιτρέπουν στις δραστικές ουσίες να προστατεύονται ή να συγκαλύπτονται με βιολογικό μιμητισμό [6] με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να μεταφερθούν σε συγκεκριμένες περιοχές εφαρμογής. Ανάλογα με τη δομή τους, μπορούν να ξεπεράσουν βιολογικούς φραγμούς όπως τα κυτταρικά τοιχώματα, το γαστρεντερικό τοίχωμα ή τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό [19]. Είναι ακριβώς ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός που μέχρι στιγμής έχει αποτρέψει μια εύκολα χρησιμοποιήσιμη φαρμακευτική προσέγγιση για την αποτελεσματική θεραπεία ασθενειών όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ. Κατά συνέπεια, οι ελπίδες που συνδέονται με τη χρήση νανοϋλικών είναι μεγάλες. Ανάλογα με τον στόχο και την επιθυμητή τοποθεσία εφαρμογής, τα συστήματα νανο-μεταφοράς εκπληρώνουν διαφορετικές εργασίες. Για παράδειγμα, περιβάλλουν κακώς υδατοδιαλυτές ή λιποδιαλυτές βιταμίνες και δραστικά συστατικά [2], καθιστώντας τα πιο εύκολα διαθέσιμα στον οργανισμό.
Άλλες διαδικασίες επιτρέπουν την απελευθέρωση δραστικών συστατικών να χρονομετρηθεί ή ουσίες που θα αποσυντεθούν πολύ γρήγορα στο σώμα να απελευθερωθούν μόνο στο σημείο της χρήσης ή να κατανεμηθούν ομοιόμορφα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Υπάρχει μια ολόκληρη σειρά συστημάτων ενθυλάκωσης, π.χ. για καλλυντικά, για νέα φαρμακευτικά προϊόντα ή για σκιαγραφικούς παράγοντες. Πολλά συστήματα χρησιμοποιούν φυσικά υλικά που διασπώνται εύκολα από το σώμα, αλλά η νανομορφή τους τους δίνει μεγαλύτερη σταθερότητα ή τα κάνει να απορροφώνται πιο εύκολα από το σώμα. Αυτά περιλαμβάνουν μικροσκοπικά σταγονίδια λίπους (δομές νανολιπιδίων), φυσικές πρωτεϊνικές ενώσεις όπως αυτές που μπορούν να ληφθούν από τα εκχυλίσματα οστρακοειδών (χιτοζάνη) ή ζελατίνη. Πολλά συστήματα αντιγράφουν τη φύση, όπως αποικοδομήσιμα πολυλακτογλυκονικά (ενώσεις πρωτεΐνης-σακχάρου) ή δενδριμερή (πολυμερείς δομές που μοιάζουν με δέντρο), τα οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε θεραπείες καρκίνου, έρπητα και δύσκολες στη θεραπεία μυκητιασικές ασθένειες.
Άλλα συστήματα λειτουργούν με υλικά όπως ο άνθρακας. Αυτά σχηματίζουν μη αποικοδομήσιμες δομές ποδοσφαίρου μεγέθους νανομέτρων (φουλλερένια) ή μικροσκοπικούς νανοσωλήνες άνθρακα στους οποίους μπορούν να μεταφερθούν οι δραστικές ουσίες [7, 22]. Ένα άλλο βήμα ανάπτυξης στο οποίο εργάζονται οι ερευνητές είναι τα συστήματα στοχευμένης παροχής, τα οποία μπορούν να εξοπλιστούν με συγκεκριμένους υποδοχείς για τύπους κυττάρων, ιούς ή άλλα παθογόνα για να «αναγνωρίσουν» τη θέση-στόχο τους [30, 13]. Αυτό θα εξασφάλιζε ότι οι δραστικές ουσίες δρουν στην προβλεπόμενη θέση δράσης, π.χ. σε συγκεκριμένα όργανα όπως το ήπαρ ή σε συγκεκριμένα καρκινικά κύτταρα, αλλά όχι σε άλλες περιοχές του σώματος. Συνήθως χρησιμοποιούνται μονοκλωνικά αντισώματα, τα οποία προσκολλώνται στα καρκινικά κύτταρα. Αυτό που έχουν κοινό στους διαφορετικούς τύπους συστημάτων χορήγησης είναι ότι η βελτιωμένη ή πιο στοχευμένη πρόσληψη θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την ποσότητα του φαρμάκου και τις ανεπιθύμητες παρενέργειες [1].
Τα κοινωνικά οφέλη των συστημάτων χορήγησης φαρμάκων φαίνονται κυρίως σε βελτιωμένες ιατρικές θεραπείες και αυξημένη ποιότητα ζωής για τους ασθενείς [11]. Άλλες πτυχές οφέλους περιλαμβάνουν τη πιθανή μείωση του κόστους υγειονομικής περίθαλψης και την αναμενόμενη θετική οικονομική ανάπτυξη. Διάφορες προσπάθειες ποσοτικοποίησης αυτών των οφελών συνοψίζονται παρακάτω.
Πρώτα και κύρια είναι οι προσεγγίσεις για τη θεραπεία του καρκίνου. Ο καρκίνος αντιπροσωπεύει μία από τις κύριες αιτίες θανάτου παγκοσμίως, με περίπου 7,6 εκατομμύρια θανάτους το 2005. Στις βιομηχανικές χώρες, ο καρκίνος είναι η δεύτερη κύρια αιτία θανάτου. Ο ΠΟΥ προβλέπει ότι οι θάνατοι που σχετίζονται με τον καρκίνο θα αυξηθούν σε 9 εκατομμύρια το 2015 και θα αυξηθούν σε 11,4 εκατομμύρια μέχρι το 2030 [32]. Οποιαδήποτε θεραπευτική πρόοδος θα μπορούσε να σημαίνει θεραπείες ή χρονικές καθυστερήσεις για εκατομμύρια πάσχοντες και τις οικογένειές τους και η μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα των μεθόδων θεραπείας θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε μείωση του κόστους υγειονομικής περίθαλψης.
Στην ερευνητική έκθεση «Nanotechnology pro Health: Opportunities and Risks», που γράφτηκε το 2004 για το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας [3], οι συγγραφείς αναφέρονται σε αμερικανικές μελέτες [14] οι οποίες, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ιογενών καρκινωμάτων, υπολόγισαν πιθανή μείωση του κόστους μέσω της χρήσης νανοϋλικών, καθώς οι χαμηλότερες παρενέργειες απαιτούσαν λιγότερες επακόλουθες θεραπείες. Αυτό ίσχυε ιδιαίτερα για γυναίκες μεγαλύτερης ηλικίας ασθενείς με μεγαλύτερη ευαισθησία σε παρενέργειες. Ωστόσο, η μελέτη BMBF συμβουλεύει ότι οι εκτιμήσεις πιθανής οικονομικής εξοικονόμησης θα πρέπει να αντιμετωπίζονται με προσοχή λόγω της κακής συγκρισιμότητας των διαφόρων διεθνών μεθόδων θεραπείας και συστημάτων υγειονομικής περίθαλψης, καθώς και των πιθανών τάσεων των τιμών για φάρμακα και διαδικασίες [3].
Συνολικά, οι ανεπιθύμητες παρενέργειες είναι ένα σοβαρό πρόβλημα. Στις ΗΠΑ, για παράδειγμα, ήταν υπεύθυνοι για περίπου 100.000 θανάτους μέσα σε ένα χρόνο, καθιστώντας τους τη δέκατη πιο κοινή αιτία θανάτου [33].
Οι περισσότερες ποσοτικές εκτιμήσεις για τα οφέλη των νανοϋλικών στη φαρμακευτική βιομηχανία σχετίζονται με προβλέψεις για την ανάπτυξη της αγοράς. Προβλέπουν αύξηση περίπου 50% ετησίως την περίοδο 2005-2012. Ταυτόχρονα, προβλέπεται ένα σταθερά αυξανόμενο μερίδιο της νανοτεχνολογίας στη συνολική φαρμακευτική αγορά. Η πρόβλεψη όγκου αγοράς 4,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ το 2012 δείχνει την αισιόδοξη εκτίμηση του δυναμικού της αγοράς της νανοτεχνολογίας σε αυτόν τον τομέα [23]. Τότε θα παραμείνει ανοιχτό το ερώτημα εάν τα υψηλά ποσοστά ανάπτυξης συνδέονται με τις υψηλές τιμές των φαρμάκων, που θα ακύρωναν μέρος της εξοικονόμησης κόστους στο σύστημα υγειονομικής περίθαλψης.
Δεν είναι δυνατή μια γενική εκτίμηση κινδύνου των συστημάτων νανοπαραγωγής λόγω του ευρέος φάσματος εφαρμογών και υλικών που χρησιμοποιούνται όπως περιγράφεται παραπάνω. Οι δηλώσεις σχετικά με την επικινδυνότητα ή τη μη επικινδυνότητα των νανοϋλικών σε αυτό το πεδίο εφαρμογής θα πρέπει πάντα να σχετίζονται με τη μεμονωμένη περίπτωση. Πρέπει να ληφθούν υπόψη όχι μόνο οι μορφές των νανοϋλικών που χρησιμοποιούνται, αλλά και οι πιθανές διαδικασίες συγκόλλησης ή αποσύνθεσής τους (συσσωμάτωση και αποσυσσωμάτωση) [4].
Όταν χρησιμοποιείται στον ιατρικό τομέα, ισχύουν ειδικές δοκιμές ασφάλειας πριν από την έγκριση ενός προϊόντος. Φυσικά, αυτό ισχύει και για προϊόντα που περιέχουν νανοϋλικά ως ενεργά συστατικά ή ως έκδοχα ή για ιατροτεχνολογικά προϊόντα. Εννοείται ότι τα ενεργά συστατικά είναι φυσικά ή συνθετικά παραγόμενα χημικά στοιχεία, οι ενώσεις τους και μείγματα ή διαλύματα που παράγουν φαρμακολογικό αποτέλεσμα. Πρέπει να ελέγχονται σε προκλινικές δοκιμές για να διαπιστωθεί εάν έχουν μακροχρόνια τοξική επίδραση σε ζώα ή ανθρώπους (οξεία και χρόνια τοξικότητα), εάν προκαλούν καρκίνο (καρκινογένεση), επηρεάζουν γενετικό υλικό (μεταλλαξιγένεση) ή έχουν αρνητικές επιπτώσεις σε αγέννητα παιδιά (τερατογένεση). Κατά κανόνα, απαιτείται πρόσθετη εκτίμηση κινδύνου για περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Τα έκδοχα, από την άλλη πλευρά, αναφέρονται σε ουσίες που είναι απαραίτητες για να δώσουν στο φάρμακο μια ορισμένη μορφή, να το κάνουν ανθεκτικό, να το αρωματίσουν, να το χρωματίσουν ή να το βελτιώσουν με άλλο τρόπο όσον αφορά τη χρήση του. Η φαρμακευτική ένωση Interpharma αναφέρει το άμυλο, τη ζάχαρη, τη ζελατίνη, τα λίπη, τα έλαια, το νερό και τις αλκοόλες ως παραδείγματα εκδόχων [20].
Ανάλογα με το πλαίσιο εφαρμογής, τα νανοϋλικά μπορούν να εμπίπτουν στις δραστικές ουσίες καθώς και στα έκδοχα εάν χρησιμοποιούνται μόνο ως σύστημα μεταφοράς. Ο γερμανικός νόμος περί φαρμάκων (AMG, 14η τροποποίηση AMG) και το διάταγμα για την εφαρμογή της ορθής κλινικής πρακτικής κατά τη διεξαγωγή κλινικών δοκιμών φαρμακευτικών προϊόντων για ανθρώπινη χρήση (Διάταγμα GCP) προσδιορίζουν επακριβώς τον βαθμό στον οποίο πρέπει να διενεργούνται δοκιμές ασφάλειας για δραστικές ουσίες και έκδοχα. Αυτό αφορά τις διαδικασίες διαβούλευσης και τις κλινικές δοκιμές πριν από την έγκριση, τις ίδιες τις διαδικασίες έγκρισης και τη συνεχή παρακολούθηση και αναφορά (φαρμακοεπαγρύπνηση) μετά την έγκριση, η οποία τεκμηριώνει την εμφάνιση παρενεργειών. Στις διαδικασίες αναθεώρησης για έγκριση περιλαμβάνονται διαβουλεύσεις από επιτροπές δεοντολογίας, οι οποίες πρέπει να εγκρίνουν τις κλινικές δοκιμές.
Επί του παρόντος, διεξάγεται μια συζήτηση σε κύκλους εμπειρογνωμόνων σχετικά με τον βαθμό στον οποίο τα νανοϋλικά ως συστήματα μεταφοράς ελέγχονται επαρκώς από διαδικασίες έγκρισης για έκδοχα. Από το 2002, ωστόσο, ισχύει η Ανακοίνωση για την Άδεια Κυκλοφορίας σύμφωνα με την Ενότητα 21 του Γερμανικού Νόμου περί Φαρμάκων, η οποία απαιτεί πληροφορίες σχετικά με τη βιοδιαθεσιμότητα και τη βιοϊσοδυναμία των φαρμάκων. Η βελτιωμένη βιοδιαθεσιμότητα που προκύπτει από τη χρήση νανοϋλικών σε έκδοχα πρέπει επομένως να δηλώνεται στις νέες εγκρίσεις, ακόμη και αν τροποποιηθούν τα υπάρχοντα σκευάσματα.
Στις διάφορες επιστημονικές εργασίες για τα συστήματα χορήγησης φαρμάκων, υπάρχουν συνήθως λεπτομερείς περιγραφές των λειτουργιών και των πλεονεκτημάτων, αλλά μόνο μερικές αναφορές σε πιθανές πιθανότητες κινδύνου. Γίνεται διάκριση μεταξύ αποικοδομήσιμων και μη αποικοδομήσιμων συστημάτων παροχής. Η πλειονότητα των ειδικών υποθέτει ότι τα αποικοδομήσιμα συστήματα νανομεταφοράς, όπως οι ενώσεις λίπους, πρωτεΐνης ή σακχάρων που περιγράφονται παραπάνω, επεξεργάζονται από το σώμα με τον ίδιο τρόπο όπως και οι μεγαλύτερες ενώσεις και δεν αποτελούν νανοειδικό κίνδυνο [7]. Στο επίκεντρο των ανησυχιών που εκφράζονται είναι οι πιθανές επιπτώσεις υπερβολικής δόσης και εγκλωβισμού τοξικών ουσιών από το περιβάλλον, οι οποίες θα μπορούσαν να εισέλθουν στον οργανισμό με τα συστήματα χορήγησης φαρμάκων ουσιαστικά βάσει της αρχής του piggyback. Ωστόσο, όλα αυτά είναι ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν εμπειρικά και έχουν μόνο έμμεσα ηθική σημασία.
Τα μη αποικοδομήσιμα (επίμονα) νανοϋλικά έχουν αξιολογηθεί ως πολύ πιο προβληματικά. Διάφορες μελέτες δείχνουν αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία, π.χ. για τα φουλλερένια [26] και τους νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίες δεν συνιστούν τη χρήση τους για συστήματα μεταφοράς στην ιατρική [34]. Ωστόσο, και πάλι, πρόσφατες μελέτες για τους νανοσωλήνες δείχνουν ότι η αξιολόγηση κινδύνου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφή και την εφαρμογή που επιλέγεται και μπορεί να γίνει μόνο κατά περίπτωση. Για τα μη αποικοδομήσιμα, ανθεκτικά νανοϋλικά, προκύπτουν επίσης ερωτήματα σχετικά με τους περιβαλλοντικούς κινδύνους – ακόμα κι αν είναι αβλαβή για τον άνθρωπο. Εδώ, είναι απαραίτητο να εξεταστεί πώς συμπεριφέρονται μετά την απέκκρισή τους στο περιβάλλον, δηλαδή τι επιπτώσεις μπορεί να έχουν στο νερό, το έδαφος και τον αέρα. Ωστόσο, η έρευνα σε αυτόν τον τομέα είναι ακόμη σε αρχικό στάδιο.
Διάφορα ηθικά και κοινωνικά ζητήματα προκύπτουν για τα συστήματα νανομεταφοράς στην ιατρική. Γενικά, οι εφαρμογές στην ιατρική θεωρούνται ειδική περίπτωση στην εκτίμηση κοινωνικού κινδύνου των νανοϋλικών. Το βασικό ερώτημα του πόσο κίνδυνο είναι διατεθειμένη να αναλάβει μια κοινωνία όταν χρησιμοποιεί νέες τεχνολογίες ενόψει των υφιστάμενων ακόμη κενών γνώσης εξετάζεται με πολύ εξατομικευμένο τρόπο στον τομέα της ιατρικής [17]. Εδώ, η υγεία του ατόμου και τα πιθανά οφέλη από τη χρήση νανοϋλικών σταθμίζονται έναντι των επιμέρους κινδύνων παρενεργειών. Ανάλογα με τη σοβαρότητα της νόσου και τις προηγούμενες αποτυχίες στη θεραπεία, η ανοχή στον κίνδυνο είναι πολύ υψηλή εάν η θεραπεία με νανοϋλικά θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος ή ως «έσχατη λύση». Αυτό σίγουρα ισχύει ιδιαίτερα για τις θεραπείες του καρκίνου, αλλά με μια ευρύτερη έννοια και για τις άλλες εφαρμογές όπου τα νανοϋλικά αυξάνουν την αποτελεσματικότητα των φαρμάκων και μειώνουν τις παρενέργειες.
Οι ηθικολόγοι δίνουν ιδιαίτερη προσοχή στη διέλευση του αιματοεγκεφαλικού φραγμού και στα πιθανά πεδία εφαρμογής που π