Σημείο διέλευσης ιικών σωματιδίων και λειτουργικών νανοϋλικών

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

1. 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.
2. Awate S., Babiuk L and Mutwiri G. (2013). Mechanisms of action of adjuvants. Front Immunol, 4, 114.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. British Standards Institution. (2007). Terminology for Nanomaterials, Publicly Available Specification BS PAS 136, British Standards Institution, London.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Carter J. and Saunders.V. (2007). Virology. Principales and applications, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,West Sussex PO19 8SQ, England.
11. Cascella M., Rajnik M., Cuomo A., Dulebohn S abd Di Napoli R. (2021). Features, evaluation and treatment coronavirus (COVID-19),” in Statpearls, StatPearls Publishing.
12. Caygill R., Blair G and Millner P. (2010). A review on viral biosensors to detect human pathogens. Anal. Chim. Acta, 681, 8–15.
13. Chackerian B. (2010). Virus-like particle based vaccines for Alzheimer disease. Hum Vaccines, 6, 926–930.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. Douglas T., Strable E and Willits D. (2002). Protein engineering of a viral cage for constrained material synthesis. Adv Mater, 14, 415–418.
21. 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.
22. 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.
23. 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.
24. 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.
25. 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.
26. 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.
27. 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.
28. 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.
29. Klinman D., Takeno M., Ichino M., Gu M., Yamshchikov G. (1997). DNA vaccines: safety and efficacy issues. Springer Semin Immunopathol, 19, 245–256.
30. 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.
31. 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.
32. 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.
33. Li F. (2016). Structure, function, and evolution of coronavirus spike proteins. Ann. Rev. of Virol., 3 (1), 237–261.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
37. Masters P. (2006). The molecular biology of coronaviruses. Adv. Virus Res., 65(06), 193–292.
38. 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.
39. Oh J. and Han D. (2020). Virus-Based Nanomaterials and Nanostructures. Nanomaterials, 10, 567.
40. 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.
41. 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.
42. Peabody D. (2003). A viral platform for chemical modification and multivalent display. J Nanobiotechnol, 1,
43. 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.
44. Pokorski J. and Steinmetz N. (2011). The art of engineering viral nanoparticles. Mol Pharm, 8, 29–43.
45. 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.
46. 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.
47. 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.
48. Roldao A., Mellado M., Castilho L., Carrondo M. and Alves P. (2010). Virus-like particles in vaccine development. Expert Rev Vaccines, 9, 1149–1176.
49. 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.
50. 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.
51. 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.
52. 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.
53. 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.
54. Steinmetz N. (2010). Viral nanoparticles as platforms for next-generation therapeutics and imaging devices. Nanomedicine, 6:634–641.
55. 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.
56. 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.
57. 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.
58. 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).
59. Venkataram P. and Schmid M. (2012). Principles of Virus Structural Organization. Viral Molecular Machines,726, 17–47.
60. Virus taxonomy: the classification and comenclature of viruses, ICTV reports are freely available online: https://talk.ictvonline.org/ictv-reports/ictv_online_report/.
61. 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.
62. 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.
63. 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.
64. 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.
65. 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.
66. 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–
67. 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.
68. Wu M., Brown W. and Stockley P. (1995). Cell-specific delivery of bacteriophage-encapsidated ricin A chain. Bioconjug Chem, 6, 587–595.
69. Yang M., Sunderland K. and Mao C. (2017). Virus-derived peptides for clinical applications. Chem. Rev, 117, 10377–10402.
70. Yildiz I., Shukla S. and Steinmetz N. (2011). Applications of viral nanoparticles in medicine. Curr Opin Biotechnol, 22, 901– 908.
71. 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.
72. 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.
73. 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.