Viral parçacıklar ve fonksiyonel nanomalzemeler geçiş noktası

Özet

Virüsler, konak hücrenin mekanizmasını ele geçirerek yayılmak üzere evrimleşmiş, yüksek düzeyde düzenli supramoleküler komplekslerdir. Virüsler son derece çeşitlidir, hücrelerden tüm alemlerin yaşamlarına yayılır, ancak hepsinin ortak işlevleri ve özellikleri vardır. Bununla birlikte, hedeflenen ilaç dağıtımı için bir araç veya elektronikte yapı taşları gibi virüslerden ve virüs benzeri parçacıklardan en iyi şekilde yararlanmak için, öncelikle temel özelliklerini ve karakterlerini anlamak çok önemlidir. Viral özellikleri etkileyen mekanizmalar ve viral partikül özelliklerinden yararlanmaya yönelik yaklaşımlar bu eğitim ünitesinde sunulmaktadır.

Anahtar kelimeler/sözcük grubu: Coronavirüsler, fonksiyonel nanopartiküller, Virüs Bazlı Nanopartiküller (VNP'ler)

1. Virüsler ve önemi

1.1. Virüsler dünya çapında bulunur

Virüsler veya moleküler nanomakineler, ökaryotlar (omurgalılar, omurgasızlar, bitkiler ve mantarlar) ve prokaryotlar (bakteriler ve Arkeler) dahil olmak üzere tüm hücresel yaşam formlarını enfekte eder. Virüslerin varlığı, hastalık belirtileri gösteren konaklarda görülebilir. Diğer yandan birçok sağlıklı tür, bazıları aktifken diğerleri uykuda olan patojenik olmayan virüs enfeksiyonlarına konaklık yapmaktadır. Ayrıca, birçok organizmanın genomu, uzun zamandan beri konak genomlarına entegre olmuş eski viral genomların parçalarını içerir. Virüsler toprakta, havada ve suda bulunabilir ve konakçılarına ek olarak bu habitatlarda yaşayan türleri de enfekte edebilir [10].

Literatürde virüslerin canlı mı cansız mı olduğu konusunda hala bir tartışma var. Karar verme, yaşamın nasıl tanımlandığı bakış açısı ile belirlenir. Virüslerin, hücrelere bulaştıklarında çoğalan ve bu anlamda virüsleri canlı kılan genleri vardır. Bununla birlikte, hücresel yaşam formları ile aynı değildirler. Virüsler konak hücrelerinin dışında olduklarında cansız ve cansız viral partiküller (viryonlar) olarak bulunurlar [10].

Virüsler, hücrelerden farklı bir şekilde çoğalmaları bakımından farklıdır. Önceden oluşturulmuş bir hücreden her zaman yeni bir hücre üretilir, ancak önceden oluşturulmuş bir viriondan asla yeni bir virion oluşturulmaz. Bir konak hücrenin içinde gerçekleşen ve bileşenlerin sentezini ve ardından bunların virionlara birleştirilmesini içeren replikasyon süreci, yeni viryonlar üretir. Sonuç olarak virüsler, amino asitler ve nükleositler gibi yapı bileşenleri, protein sentezleme makineleri (ribozomlar) ve adenosin trifosfat olarak enerji gibi ihtiyaçlarının çoğu için konakçılarına güvenen parazitlerdir.

Bir virüs, üreme sürecinin etkinliğini artırmak için, konakçının hücre içi ortamını değiştirir. Yeni zar yapılarının üretimi, hücre genlerinin ekspresyonunun azalması veya bir hücre işleminin arttırılması, modifikasyon örnekleridir. Bazı muazzam fajlar, fotosentetik bakteri konaklarının hücrelerinde fotosentezi artıran proteinleri kodlar, dolayısıyla viral üretimi arttırır.

1.2 Virüsleri incelemenin nedenleri

1.2.1. Virüsler hastalığa neden olabilirler

Virüsler, küçük hastalıklardan (örn. soğuk algınlığı) ölümcül hastalıklara (örn. kuduz) kadar çok çeşitli insan hastalıklarında rol oynar. İnfluenza virüsünün farklı alt tiplerinin neden olduğu beş pandemik solunum yolu enfeksiyonu, geçen yüzyılda dünyaya saldırdı ve domuzlar bu influenza virüsleri için önemli rezervuar görevi gördü. 1918 H1N1 (İspanyol gribi) dünya çapında yaklaşık 50 milyon insanı öldürdü, 1957 H2N2 (Asya gribi) dünya çapında yaklaşık 4 milyon insanı öldürdü, 1968 H3N2 (Hong Kong gribi) dünya çapında 1 milyon insanı öldürdü, 2005 H5N1 (Kuş gribi) daha fazla kuş ve insan öldürdü ve 2009 H1N1 (Domuz gribi) dünya çapında 18.000 insanı öldürdü ve 100’den fazla ülkeyi çevreleyerek insanları, domuzları ve kuşları enfekte etti [39].

Coronavirüs ailesinden bir pandemi daha çıktı. Şiddetli akut solunum sendromu (SARS) ve Orta Doğu solunum sendromu (MERS) iki bölgesel salgındır (MERS). SARS 2003 yılında 774 kişinin canını alırken, MERS 2012 ile 2019 arasında 858 kişinin canını aldı (Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri, 2005; Dünya Sağlık Örgütü, 2019). 2019’da Çin’de yeni bir virüs keşfedildi ve Avrupa, Kuzey Amerika, Asya, Orta Doğu, Afrika ve Latin Amerika’da hızla 216 ülkeye yayılan yeni koronavirüs 2019 (SARS-CoV-2 veya COVID-19) hastalığına neden oldu. Dünya Sağlık Örgütü, 11 Mart 2020’de COVID-19’u pandemik bir hastalık olarak ilan etti [26].

1.2.2. Bazı virüsler faydalı olabilir

Bazı virüsler, mevcut veya gelecekteki uygulamaları yararlı olabileceği için incelenir [10].

• Bakterilerin faj tiplemesi. Bakterilerin neden olduğu hastalık salgınları sırasında bakteri izolatlarının faj tiplerinin belirlenmesi önemli epidemiyolojik bilgiler sağlayabilir.
• Enzim kaynakları. Virüs enzimleri çeşitli moleküler biyoloji uygulamalarında kullanılır (örneğin retrovirüslerden ters transkriptaz ve fajlardan RNA polimerazlar).
• Pestisitler.Baculovirüsler bazı zararlı böcekleri kontrol etmek için kullanılır ve miksoma virüsü tavşanları kontrol etmek için zaten kullanılmıştır.
• Anti-bakteriyel ajanlar. İnsan fajları, yirminci yüzyılın ortalarında çeşitli bakteriyel enfeksiyonları tedavi etmek için kullanıldı.
• Anti-kanser ajanları. Kanseri tedavi etmek için genetiği değiştirilmiş viral suşların kullanımı araştırılmaktadır. Bu suşlar, normal hücreleri hariç tutarken belirli tümör hücrelerini enfekte etmelerine ve yok etmelerine izin vermek için manipüle edilmiştir.
• Protein üretimi için gen vektörleri. Virüsler, genleri hayvan kültür hücrelerine sokmak için vektörler olarak kullanılır.
• Genetik hastalıkların tedavisi için gen vektörleri. Retrovirüsler, hastalıktan sorumlu mutasyona uğramış genin mutant olmayan bir kopyasını ciddi kombine immün yetmezliği olan çocukların kök hücrelerine aktarmak için vektörler olarak kullanılmıştır.
• Enerji ve biyomedikal uygulamalarda virüs bazlı nanomalzemeler ve nanoyapılar.Geliştirilen virüs bazlı biyomimetik malzemeler, biyosensör ve nanotaşıyıcı uygulamaları için karakterize edilmiştir [39].

1.3. Virüslerin sınıflandırılması

Virüsler şu anda Uluslararası Virüs Taksonomisi Komitesi (ICTV) tarafından sekiz grupta sınıflandırılmaktadır [60]. İlk kategori, haloarcula hispanica pleomorfik virüs 1 gibi çift sarmallı DNA’ya ve tek sarmal DNA’ya sahip kimerik virüsleri içerir. Poksvirüsler, herpesvirüsler ve adenovirüsler gibi çift sarmallı DNA virüsleri ikinci bölmede bulunur. Parvovirüsler gibi tek sarmallı DNA virüsü üçüncüdür; reovirüsler gibi çift sarmallı RNA virüsü dördüncüdür. Mevcut SARS-CoV-2 salgını, enterovirüsler, hepatit A virüsü, çocuk felci virüsü, rinovirüsler, el-ayak-ağız (HFM) virüsü, SARS virüsü, sarı humma virüsü gibi pozitif anlamda tek sarmallı RNA genomlarına sahip virüsler, hepatit C virüsü (HCV) ve kızamıkçık virüsü. Altıncı grup, ölümcül Marburg ve Ebola virüslerinin yanı sıra kızamık, grip virüsü ve kabakulak gibi negatif anlamda tek sarmallı RNA genomlarına sahip virüsleri; yedinci grup, HIV gibi bir DNA ara maddesi yoluyla çoğalan tek sarmallı RNA genomlarına sahip virüsleri içerir; ve sekizinci grup, hepatit B virüsü (HBV) gibi çift sarmallı DNA genomlarına ve ters transkriptaz replikasyonuna sahip virüsleri içerir.

1.3.1. Coronavirüslerin Taksonomisi

Coronavirüsler (CoV’ler), Nidovirales takımı, Cornidovirineae alt takımı ve Coronaviridae ailesine ait önemli bir virüs grubudur. Letovirinae ve Orthocoronavirinae, Coronaviridae ailesinin iki alt ailesidir. Alphaletovirus cinsi Letovirinae ailesine aitken, Orthocoronaviridae familyası filogenetik analiz ve genom yapısına göre dört cinse ayrılır: Alphacoronavirus (CoV), Betacoronavirus (CoV), Gammacoronavirus (CoV) ve Deltacoronavirus (CoV), sırasıyla 17, 12, 2 ve 7 farklı tür virüs içerir. Corona, “taç” anlamına gelen Latince bir kelimedir ve virüs, adını, elektron mikroskobu altında kendisine taç benzeri bir form veren virüs zarfı üzerindeki sivri uzantıların varlığından almıştır. Virüslerin bu sırayla iç içe geçmiş bir alt genomik mRNA seti oluşturma yeteneği, nido olarak adlandırılır [3].

Sonuç olarak, Coronavirüs (CoV’ler) dört nesile ayrılır: α-, β-, γ- ve δ-CoV [15]. α- ve β-CoV’ler yalnızca memelileri enfekte ederken, γ- ve δ-CoV’ler kuşları ve bazı memelileri enfekte edebilir. Coronaviridae’nin en son sınıflandırması Şekil 1’de gösterilmektedir.

Figure 1. SARS-CoV-2 ve yakın akrabalarının taksonomisi [3]

Bugüne kadar, CoV-OC43, CoV-229E, HCoV-OC43, CoV-HKU1, CoVNL63, Orta Doğu solunum hastalığı (MERS)-CoV ve şiddetli akut solunum sendromu (SARS)-CoV ve SARS-CoV-2 veya COVID-19 dahil olmak üzere yedi CoV’nin insanlarda enfeksiyonlara neden olduğu bilinmektedir [50, 62].

Coronaviridae ailesinin bir üyesi olan SARS-CoV-2 -CoV cinsine aittir ve taksonomik ve genetik olarak SARS-CoV, MERS-CoV ve diğer insan koronavirüsleriyle aynı olduğu söylenmektedir [3].
Chan ve ark. göre SARS-CoV-2, Sarbecovirus alt cinsinde (önceden CoV’nin 2b nesli) ayrı bir soy gösterir [14]. Bu yeni ortaya çıkan tehdide ilişkin çok sınırlı veri olduğundan ve önceki araştırmalarda benimsenen önleme stratejileri ve virüs salgınları SARS-CoV-2’ye karşı yeni stratejiler geliştirmede önemli bir rol oynadığından, bilim insanlarının bu ‘akrabaları’ SARS-CoV-2 dikkate alınarak ele almaları doğru ve faydalı olmalıdır.

Ancak diğer koronavirüsler evcil ve vahşi memelilerde ve kuşlarda pandemik enfeksiyonlar üreterek yüksek ölüm oranlarına ve önemli ekonomik kayıplara neden oldu. Tavuk IBV, Beluga balina koronavirüsü SW1 (BWCoV-SW1), yarasa koronavirüsleri CDPHE15 ve HKU10 (ICTV 2018), domuz epidemik diyare virüsü (PEDV), TGEV ve ani akut diyare sendromu tespit edilen virüsler (SADS-CoV) arasındadır [3].

1.4. Virüslerin doğası

1.4.1. Virusler küçük parçacıklardır

Çoğu virüs virionu ışık mikroskobu ile görülemeyecek kadar küçüktür ve sadece elektron mikroskobu ile görülebilir. Çok çeşitli boyut, şekil ve formlarda mevcutturlar. Bazıları çok büyük, bazıları ise küçüktür; bazıları küre şeklindeyken diğerleri çubuklara benzer. Bu virüslerin çoğu oldukça simetrik bir yapıya sahiptir. Virionlar için standart ölçü birimi nanometredir. (1 nm = 10−9 m). Yaklaşık 20 nm boyutlarındaki parvovirüsler en küçükler arasındayken, bir amipten tanımlanan mikrop taklit eden virüs (mimivirüs) en büyükleri arasındadır. Coronavirüs viryonları (CoV’ler) 60-140 nm çapa sahiptir ve genellikle küresel ila pleomorfik kapalı parçacıklardır [1].
Virüsler, yarı kararlı makromoleküler topluluklardır. Virionlar üretildiğinde paketlenmiş hücre ribozomlarına sahip olan arenavirüs viryonları dışında, hücre değildirler ve organel içermezler [10].

1.4.2. Virüslerin genetic materyali vardır.

Virüsün genomu virion içinde bulunur. Virüs genomları çift sarmallı DNA, tek sarmallı DNA, çift sarmallı RNA veya tek sarmallı RNA olabilirken hücre genomları yalnızca çift sarmallı DNA olabilir.
Koronavirüsler (SARS-CoV-2) monopartit tek sarmallı pozitif anlamlı RNA [(+) ssRNA] genomuyla RNA virüsleri arasında en büyük genomlardan birine sahiptir [11]. Koronavirüs genomu 29903 nükleotit uzunluğundadır ve 5′ ve 3′ uçlarında iki çevrilmemiş bölge (UTR) ile 11 açık okuma çerçevesi (ORF) içerir [14].
Bir kapsid, genomu çevreleyen bir protein kaplamadır. Virion, birçok durumda genom, kapsid ve ek bileşenlerden oluşur. Virionun birincil işlevleri, genomu korumak ve onu çoğalabileceği bir hücreye taşımaktır. Yapısal olmayan proteinler olarak bilinen diğer proteinler, kapsidi oluşturan proteinlere ek olarak viral genom tarafından kodlanır. Nihai kapsidin organizasyonunun bir parçası değildirler. Bu yapısal olmayan proteinler, viral replikasyonun konakçı hücre içinde gerçekleşmesi için gereklidir [59].
Virüsün boyutu genellikle genomun boyutuyla orantılıdır. Öte yandan viral genom, viryonun toplam kütlesine kapsid proteinlerinden önemli ölçüde daha az katkıda bulunur. Sonuç olarak, kapsid(ler)i yapmak için kapsid proteininin çok sayıda kopyası birbirine bağlanmalıdır. Tekrarlanan alt birimlere sahip böyle bir derlemede gerekli olan genetik bilgi miktarı önemli ölçüde azaltılır. Bazı virüslerde kapsid gelişiminde tek bir gen ürünü yer alırken, daha karmaşık virüslerde çok sayıda gen ürünü yer alır [59].
Dört yapısal protein, Nükleokapsid (N) proteini, Membran (M) proteini, Spike (S) proteini ve Zarf (E) proteini, koronavirüs genomunun yanı sıra birkaç yapısal olmayan protein (25 nsp) tarafından kodlanır (Şek. 2). Kapsid, virüsün tek pozitif iplikli RNA’sına bağlanan ve insan hücrelerini enfekte etmesine ve onları virüs fabrikalarına dönüştürmesine izin veren nükleer kapsid veya N-proteini içeren bir protein kabuğudur. N proteini viral RNA genomunu kapsar ve replikasyon ve transkripsiyon için gereklidir. Viral replikasyon ve transkripsiyon, genomik ve alt genomik RNA’lara bağlanan N proteininin N-terminali tarafından işlenir [5].

Şekil 2. Bir lipid çift tabakasına gömülü viral yüzey proteinleri spike, zarf ve zar).

M-proteini viral yüzeyde en yaygın olanıdır ve koronavirüsün ana düzenleyicisi olduğu düşünülmektedir. S-proteini, virüsün yüzeyine dahil edilir ve virüsün konukçu hücre yüzeyi reseptörlerine bağlanmasına ve viral ve konukçu hücre zarları arasında zar füzyonuna aracılık ederek, virüsün konukçu hücreye girişini kolaylaştırır [28]. E-protein, virüs partikülünün küçük bir bileşeni olan 76-109 amino asitli küçük bir zar proteinidir. Virüs oluşumunda, konak hücre zarı geçirgenliğinde ve virüs-konakçı hücre temasında rol oynar [24]. Lipid zarf, koronavirüsler gibi bazı virüslerde harici olarak bulunur. Bir lipid çift tabakası, viral yüzey proteinlerinin sivri ucunu, zarfını ve zarını çevreler. Viral yüzeyde hemaglutinin-esteraz dimer (HE) keşfedilmiştir. HE proteini, virüs girişinde rol oynayabilir; virüs replikasyonu için gerekli değildir, ancak doğal konakçı hücre enfeksiyonu için önemli görünmektedir [34]. Primer antijenik epitoplar, özellikle nötralize edici antikorlar tarafından tanımlananlar, konakçı hücreye bağlanmadan sorumlu olan zarf glikoproteinleri tarafından taşınır. Spike (S) proteininin kapalı ve açık (ön füzyon) durumlarındaki tam yapısı, kriyo-EM araştırmaları ile belirlenmiştir [61] [67]. Bu glikoprotein, her biri 1273 amino asit içeren üç özdeş zincirden ve iki iyi tanımlanmış protein alanı bölgesinden oluşur: sırasıyla hücre tanıma ve membran füzyonunda yer alan S1 ve S2 alt birimleri. İkincisi, şu anda bilinmeyen birkaç protein yapısal değişikliğinin bir sonucu olarak ortaya çıkar.

1.4.3. Viral etki mekanizması

Virüsler konak hücrelerinde çoğalmalıdır ve süreç altı adımdan oluşur: bağlanma, penetrasyon, kaplamanın açılması, replikasyon, montaj ve serbest bırakma [40]. Virüsler, kapsiddeki bağlanma proteinlerini veya viral zarfa gömülü glikoproteinleri kullanarak konakçı hücre zarı üzerindeki belirli bir reseptör konumuna bağlanır ve belirli bir virüs tarafından enfekte olabilen konakçı hücreler bu etkileşim özgüllüğü ile belirlenir. Genel olarak, sadece bakteriyofajların nükleik asidi, konakçı hücreye nüfuz ederek kapsidi dışarıda bırakır. Hayvan ve bitki virüsleri, virüsün tamamen zarflandığı ve hücre zarları tarafından emildiği endositoz yoluyla hücrelere girebilir. Zarflı virüsler, viral zarf doğrudan hücre zarlarıyla birleştiğinde konakçı hücrelerine girer. Viral kapsid, konakçı hücreler içinde bir kez yok edilir ve daha sonra üreme ve transkripsiyon için uygun olan viral nükleik asidi serbest bırakır. Viral genom, replikasyon mekanizmasını belirler. DNA virüsleri normalde daha fazla DNA yapmak için konak hücrenin enzimlerini ve proteinlerini kullanır, bu daha sonra haberci RNA’ya (mRNA) kopyalanır ve doğrudan protein sentezi için kullanılır. RNA çekirdeği, RNA virüsleri tarafından viral genomik RNA ve mRNA’nın sentezi için bir şablon olarak yaygın olarak kullanılır. Konakçı hücrelerde oluşturulan yeni viryonların salınması, viral replikasyonun son aşaması olup, komşu hücrelerin enfeksiyonuna ve kendi kendini kopyalama döngülerinin devam etmesine izin verir. Viral replikasyon döngüsü, konakçı hücrelerin önemli yapısal ve metabolik değişikliklere uğramasına ve ayrıca zarar görmesine neden olabilir [69].

Şekil 3, insan hücresindeki SARS-CoV-2 girişi, replikasyonu ve RNA paketleme mekanizmasını göstermektedir. Koronavirüsün spike (S) proteini, akciğerlerdekiler de dahil olmak üzere çok sayıda insan hücresinin yüzeyindeki anjiyotensin dönüştürücü enzim 2 (ACE2) reseptörlerine bağlanarak virüs girişini kolaylaştırır. Konak proteazları (tripsin ve furin), koronavirüs S proteinini S1/S2 alt birim sınırında (S1/S2 bölgesi) iki noktada parçalar. Füzyon peptidi, S2 alanı (S2′ bölgesi) bölündükten sonra salınır. Bu olay sonucunda membran füzyon mekanizması devreye girecektir. Endositoz, bir insan hücresinin virüsü yuttuğu süreçtir. SARS-CoV-2’nin sitoplazmaya girdikten sonra, Spike (S) glikoproteininde reseptör bağlanması ve indüklenen konformasyonel değişiklikleri, ardından hücre içi proteazlar tarafından katepsin L proteolizini ve daha fazla endozomlar içindeki membran füzyon mekanizmasının aktivasyonunu içeren, membran füzyonu için benzersiz bir üç aşamalı yöntem kullandığı varsayılmaktadır [52]. Daha sonra endozom açılır, virüsü sitoplazmaya bırakır ve viral nükleokapsid (N), endojen proteinleri hidrolize edebilen ancak aynı zamanda SARS nükleokapsid proteini gibi dış proteinleri de parçalayabilen proteazomlarla kaplanmaz [63]. Virionun, S1 alt birimi yoluyla hedef konak hücre yüzeyindeki bir reseptöre bağlandığı, Spike’ın konak proteazları tarafından bölündüğü ve ardından viral ve konakçı hedef membranların S2 alt birimi aracılığıyla düşük pH’ta, hedef konak hücre yüzeyindeki bir reseptöre bağlandığı yeni bir iki aşamalı mekanizma önerilmiştir [25, 33]. Son olarak, tek sarmallı bir RNA olan viral genetik materyal, tamamıyla sitoplazmaya salınır. Replikasyon/transkripsiyon kompleksinin (RTC) aracılık ettiği replikasyon ve transkripsiyon süreçleri gerçekleşir. Bu kompleks yapısal olmayan proteinlerden oluşur ve viral genomda (nsp) kodlanır. RTC’nin, enfekte olmuş hücrenin sitoplazmasında çift zarlı yapılar ürettiği varsayılmaktadır [58]. Pozitif RNA genomunun ardından, açık okuma çerçevesi 1a/b (ORF 1a/b), replikaz proteinleri üretmek için çevrilir. Bu proteinler, genomu, daha sonra ek tam uzunlukta genomlar oluşturmak için kullanılan tam uzunluktaki negatif sens RNA’ları oluşturmak için bir şablon olarak kullanır. M, S ve E yapısal viral proteinleri sitoplazmada sentezlenir, endoplazmik retikuluma (ER) yerleştirilir ve endoplazmik retikulum-Golgi ara bölmesine aktarılır (Şekil 3). (ERGİK) [37]. Ek olarak, sitoplazmada replike edilmiş genomların N proteini tarafından kapsidasyonu ile nükleokapsidler oluşur ve sonuç olarak, yeni viryonlar oluşturmak için ERGIC zarı içinde birleşirler. Sonunda, yeni viryonlar, enfekte olmuş hücrelerden, onları düz duvarlı kesecikler içinde hücre zarına taşıyarak ve daha sonra diğer hücreleri enfekte etmek için ekzositoz olarak bilinen bir işlem yoluyla salgılayarak ihraç edilir. Bu arada, viral üretimin endoplazmik retikulum üzerindeki stresi hücre ölümüyle sonuçlanır.

Şekil 3. İnsan hücresinde SARS-CoV-2 girişi, replikasyonu ve viral RNA paketleme mekanizmasının şematik diyagramı.

2. Fonksiyonel nanopartiküller

2.1. Nanopartiküller nelerdir?

Uluslararası Standardizasyon Örgütü’ne (ISO) göre bir nanoparçacık, boyutu 1 ile 100 nanometre arasında olan bir parçacıktır [6]. İnsan gözüyle görülemeyen nanopartiküller, daha büyük maddi muadillerinden kökten farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olabilir. Bir maddenin boyutu atom ölçeğine yaklaştıkça özellikleri değişir. Bunun nedeni, yüzey atomlarının malzemenin performansına hakim olmasına neden olan yüzey alanı-hacim oranındaki bir artıştır. Tozlar, levhalar ve levhalar gibi dökme malzemelerle karşılaştırıldığında, nanoparçacıklar, son derece küçük boyutları nedeniyle nispeten önemli bir yüzey alanı/hacim oranına sahiptir. Nanopartiküller elektronlarını sınırlayacak ve kuantum etkilerini indükleyecek kadar küçük olduklarında, beklenmedik optik, fiziksel ve kimyasal yeteneklere sahip olabilirler.

Metalik nanopartiküller, çeşitli endüstriyel uygulamalarda faydalı olabilecek fiziksel ve kimyasal özellikler (örneğin, daha düşük erime sıcaklıkları, geniş spesifik yüzey alanları, spesifik optik özellikler, mekanik kuvvetler ve manyetizasyonlar) açısından dökme metallerden farklıdır. Örneğin bakır, yumuşak bir malzeme olarak kabul edilir, çünkü atomları 50 nm ölçeğinde kümelenir ve dökme bakırın bükülmesine neden olur. Sonuç olarak, 50 nm’den küçük bakır nanopartiküller, dökme bakırdan önemli ölçüde farklı dövülebilirlik ve sünekliğe sahip çok sert bir malzeme olarak sınıflandırılır. Altın nanoparçacıkları, yığın altından (1064 °C) (2.5 nm boyutu için 300 °C) önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda erir.

Son otuz yılda, nanoteknoloji konusundaki aktivite dünya çapında üstel bir oranda artarak onu disiplinler arası büyük bir araştırma konusuna dönüştürdü. Nanoteknolojinin tıp bilimi alanına entegrasyonu, nanoyapılı malzemelerin farklı biyolojik etkilere sahip olması nedeniyle bu yükselişi büyük ölçüde yönlendirmiştir.
Nanomalzemeler, sağlık sektöründe, biri ilaç dağıtımı olmak üzere çeşitli şekillerde kullanılmaktadır.

Şekil 4. Nanopartiküllerin biyomedikal uygulamaları.

Bu tekniğin bir örneği, kemoterapi tedavilerinin doğrudan kanserli büyümelere verilmesine yardımcı olmak için nanopartiküllerin geliştirilmesi ve ayrıca kardiyovasküler hastalıklarla mücadele için arterlerin hasarlı bölgelerine ilaç verilmesidir. Nanotüplere antikorların eklenmesi yoluyla bakteri sensörlerinin oluşturulması süreçlerinde uygulanmak üzere karbon nanotüpler de geliştirilmektedir.

Nanopartiküller, büyük yüzey alanı, yapısal özellikler ve küçük moleküllere kıyasla kanda daha uzun dolaşım süresi gibi benzersiz nitelikleri nedeniyle kişiselleştirilmiş tıp yoluyla optimize edilmiş tedavi için ilginç adaylar olarak ortaya çıkmıştır. Biyoaktif moleküllerin elverişsiz fizikokimyasal özelliklerini arzu edilen biyofarmakolojik profillere dönüştürme, biyolojik bariyerler ve bölmeler boyunca terapötik ajan dağıtımını iyileştirme, biyoaktif ajan salınımını kontrol etme, biyolojik hedeflere seçici ilaç verme yoluyla terapötik etkinliği geliştirme ve multimodal iyonu birleştirerek hedefe yönelik tedavi işlevlerini gerçekleştirme yeteneği kanalların tümü, tasarlanmış terapötik nanopartiküllerin potansiyel avantajlarıdır [56].

Birkaç nanomalzeme ve nanoparçacık şu anda klinik deneylerde incelenmektedir veya ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından insanlarda kullanım için zaten onaylanmıştır ve hücre kültürü ve küçük hayvan modellerinde nanoparçacıkların birçok kavram kanıtı çalışması tıbbi uygulamaları devam etmektedir.

Antiviral ilaç geliştirme, hastalıkların yayılmasını sınırlamak ve kayıpları en aza indirmek için kritik öneme sahiptir. Kuantum noktaları, altın ve gümüş nanoparçacıklar, grafen oksit, nanokümeler, silikon malzemeler, karbon noktaları, polimerler ve dendrimerler gibi birçok fonksiyonel nanoparçacığın son zamanlarda etkileyici antiviral özelliklere sahip olduğu bulunmuştur. Bu fonksiyonel nanopartikül bazlı malzemeler, antiviral mekanizma ve inhibitör etkinliğindeki farklılıkları göz önüne alındığında, olası antiviral adaylar olarak benzersiz nitelikler sunar. SARS-CoV-2, 60-140 nm çapında ve partikül benzeri özelliklere sahip, spike protein kaplı bir virüstür. Yapısal benzerlikleri nedeniyle, sentetik nanoparçacıklar virüse çok benzeyebilir ve patojenik proteinleri ile agresif bir şekilde etkileşime girebilir. Çinko oksit nanoparçacıkları gibi antiviral nanomalzemeler, viral kapsid ile birleştiklerinde hücre yüzeyini taklit eden bir tetrapod şekline sahiptir. Fotokatalitik reaksiyon nedeniyle, UV radyasyonuna maruz kaldığında viral proteinleri inhibe eder [56].

2.2. Antiviral ajanlar olarak fonksiyonel nanopartiküller

Viral araştırmaların tüm bölümleri nanoteknolojiden etkilenmiştir. Nanoteknoloji, diğer antiviral teknikler arasında bu sorunu çözmek için güçlü bir potansiyel göstermiştir ve gelişen nanopartiküllerin virüs enfeksiyonu ve üremesine karşı olağanüstü bir güce sahip olduğu bildirilmiştir. İlk olarak, nanoteknoloji tabanlı problar virüslerin tespitinde yaygın olarak kullanılmış ve benzersiz fonksiyonel nanoparçacıklara dayalı çeşitli biyosensörlerin ve biyoelektroniklerin geliştirilmesine yol açmıştır [12, 16]. İkincisi, çağdaş biyokimyasal araştırmalarda biyouyumluluk ve biyosentetik yöntemlerin önemini vurgulayan, şablon olarak viryonlar ve virüs benzeri parçacıklar kullanılarak birkaç nanomalzeme yaratılmıştır [31, 35]. Üçüncüsü, floresan nanoprobların üretimi ve bunların virüs bulaşmış hücrelerin moleküler mekanizmalarının incelenmesinde kullanılması için önemli çaba sarf edilmiştir [41, 73]. Son olarak, giderek artan sayıda işlevselleştirilmiş nanopartiküller oldukça etkili viral büyüme inhibitörleri olarak tanımlanmıştır [66].

2.3. Fonksiyonel nanopartiküllerin antiviral aktivitesi

Bağlanma, penetrasyon, replikasyon ve tomurcuklanma, virüsün bulaşıcı sürecindeki temel adımlardır ve antiviral fonksiyonel nanopartiküller, bu adımlardan bazılarını inhibe ederek veya azaltarak virüsleri engellemek için tasarlanmıştır. Bu bölümde nanopartiküllerin çeşitli mekanizmalarını antiviral etkinliklerine göre sınıflandıracağız. Virüsleri etkisiz hale getirmek, onları engellemenin en doğrudan yoludur ve bazı nanoyapılar virüslerle etkileşime girebilir, kapsid protein yapılarını değiştirebilir ve ardından aktif virüs popülasyonunu azaltmak için hem fiziksel hem de kimyasal mekanizmalara bağlanabilen virülansı büyük ölçüde azaltabilir. Çoğu viral enfeksiyon, genellikle hedef alıcı proteine ​​bağlanarak gerçekleştirilen konakçı hücrelerin bağlanmasıyla başlar. Nanopartiküller yapışmayı etkili bir şekilde önleyebilirse, konakçı hücreler enfeksiyondan arınmış olacaktır. Stellacci’nin ekibi, viral bağlanma ligandlarının (VAL’ler) yüksek oranda korunan hedefi olan heparan sülfat proteoglikanlarını taklit eden uzun ve esnek bağlayıcılara sahip bir dizi antiviral nanoparçacık geliştirdi; güçlü ve çok değerlikli VAL tekrarlayan birimleri [8]. Bu partiküller sitotoksik değildir ve in vitro olarak herpes simpleks virüsüne, insan papilloma virüsüne, solunum sinsityal virüsüne, dang virüsüne ve lenti virüsüne karşı nanomolar tersinmez aktiviteye sahiptir. Sonuç olarak, fonksiyonel nanopartiküller, enfeksiyon sürecindeki ilk adım olan viral tutunmayı önlemek için geniş spektrumlu bir antiviral ilaç olarak kullanılabilir. Virüs bastırmanın ikinci yöntemi, hücre yüzey zarını ve protein mimarisini değiştirerek virüslerin konak hücrelere nüfuz etmesini ve girmesini önlemektir. Haag ve meslektaşları, çeşitli fulleren ve polimer ağırlık oranlarına ve poligliserol sülfat dal numaralarına sahip bir dizi suda çözünür fulleren-poligliserol sülfat (FPS) oluşturdular [19].

Tablo 1. Nanomalzemelerin tipik antiviral etki mekanizmaları.

Nanomalzeme	Virüs	Mekanizma
Grafen oksit	Solunum sinsityal virüsü	Virüsü doğrudan etkisiz hale getirin ve eki engelleyin
Nanojel	PRRSV	Koruma eki ve penetrasyon
Gümüş nanopartiküller	Herpes virüsü	Viral eki etkiler
Grafen oksit	Herpes virüsü	Ek inhibisyonu
Altın nanopartiküller	Herpes virüsü	Viral eki ve penetrasyonu önleyin
Nano-karbon	Herpes virüsü	Virüs girişini erken aşamada engelleyin
Silikon nanopartiküller	Influenza A	Soy virüs miktarını azaltın
Ag2S nanokümeler	Coronavirüs	Viral RNA sentezini ve tomurcuklanmayı bloke edin
Gd2O3:Tb3+/Er3+ nanopartiküller	Zika virüs	ZIKV'nin Zk2 peptidi için antijen mikro taşıyıcıları olarak
Bakır oksit nanopartiküller	Herpes simpleks virüsü tip 1	Viral proteinlerin oksidasyonu ve viral genomun bozulması
NiO nanoyapılar	Salatalık mozaik virüsü	pod, pr1 ve pal1 genlerinin ifadesini artırın
Zirkonya nanopartiküller	H5N1 influenza virüsü	Promote the expression of cytokines
Çinko oksit nanopartiküller	H1N1 influenza virüsü	Virüsü sadece konakçı hücrelere viral girişten sonra inhibe eder

Polianyonik dalları solvente maruz kalan değiştirilebilir hidrofobik çekirdek ile birleştiren FPS, bebek hamster böbrek hücreleri ile veziküler stomatit virüsü kaplama glikoprotein temasını bloke etmede bu özelliklerden sadece birine sahip olan analoglardan daha iyi performans gösterir. Sonuç olarak, virüsler ve konak hücreler arasında blokajlar geliştirmek, virüs enfeksiyonlarını uzak tutmak için iyi bir yaklaşımdır. Virüsün bir hücreye girmesi durumunda, virüsü bloke etmek için üçüncü başarılı teknik, genellikle daha önce virüs DNA veya RNA replikasyonunun tamamlanmasına yardımcı olan belirli enzimlerin ekspresyonunu azaltarak gerçekleştirilen replikasyonunu yok etmektir. Son strateji, virüs tomurcuklanmasını engellemek ve onu konakçı hücrelerden salgılamaktır. Bir virüsün yavruları, annesinden daha öldürücü olabilir ve eğer fonksiyonel nanopartiküller, virüsün tomurcuklanmasını engellerse ve yavru virüslerin sayısını büyük ölçüde sınırlarsa, virüsün virülansı büyük ölçüde azalacaktır. Tablo 1, fonksiyonel nanopartiküller için en yaygın antiviral mekanizmalardan bazılarını göstermektedir.

3. Virüs Bazlı Nanopartiküller (VNPs)

Viral partiküller ve fonksiyonel nanomalzemeler arasındaki geçiş noktası, virüs bazlı nanopartiküllerdir. Milyonlarca özdeş nanoparçacığın şablonla birleştirilmesi ve canlı hücrelerde oluşturulması, virüslere dayalı biyonanomalzemelerle mümkündür. Virüsler bakterileri, insanları ve bitkileri enfekte eder ve hepsi virüs bazlı nanopartiküller (VNP’ler) oluşturmak için kullanılmıştır. Virüsler başlamak için mükemmel bir yerdir çünkü nükleik asitleri doğal olarak dağıtmak için evrimleşmişlerdir ve bu nedenle terapötikler ve görüntüleme reaktifleri gibi diğer bileşikleri vermek üzere manipüle edilebilirler. Son olarak, virüslerin yüksek bir replikasyon hızı vardır ve bu da VNP’lerin düşük bir maliyetle seri üretimini sağlar.

VNP’ler, iyi tanımlanmış üç boyutlu bir yapıya sahip düzenli virüs kaplama proteinleri dizilerinden oluşur ve bu da onları üretilen parçacıklardan daha iyi bir mühendislik iskelesi haline getirir. VNP’ler ayrıca sentezlenmeden önce viral proteinleri kodlayan nükleik asit şablonunu değiştirerek ve ayrıca belirli amino asit yan zincirlerine konjugatlar ekleyerek onları kimyasal olarak süsleyerek yapılarını değiştirebilir. VNP’ler, biyouyumlulukları, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri, biyolojik engellerin üstesinden gelme yetenekleri ve çoğunlukla proteinden oluştukları için kargonun hedef hücrelere verimli bir şekilde dağıtılması ile bilinir. Virüsler, belirli hücresel proteinlere bağlanmak, nükleik asit yükünü taşımak ve hücre içi makineleri ele geçirmek için virüs bileşenlerini soymak üzere evrimleşmişlerdir. Bu özellikler, gen terapisinde kullanım için memeli virüslerine dayalı VNP’lerin geliştirilmesine yol açmıştır, ancak normal virüs-konak etkileşimlerinden kaynaklanan zararlı etkileri dışlamak zordur [23]. Bakteriyofajlara ve bitki virüslerine dayalı VNP’ler ise tamamen işlevsel virüsler bile insanları enfekte edemediği için zararsız olarak kabul edilir. Sonuç olarak, bu dersin çoğunluğu bakteriyofajlardan ve bitki virüslerinden türetilen VNP’lerin tıbbi uygulamalarına ayrılacaktır.

Bakteriyofajlar ve bitki virüsleri, aynı kaplama proteinlerinin birçok kopyasından oluşan bir kapsid içine sıkıca sarılmış nükleik asitlere sahip nükleoprotein topluluklarıdır. Kapsidler genellikle ikosahedral (yaklaşık olarak küresel), sert tüpler veya esnek filamentlerdir ve son iki kategori yüksek en boy oranına sahiptir. Bitki virüsleri ve bakteriyofajlar, birçok memeli virüsünün aksine, konakçılarını başarılı bir şekilde enfekte edebilmek için daha sert çevre koşullarına tolerans göstermeleri gerektiğinden, normalde kırılgan bir lipit zarla sarılmazlar.

Virüs kapsidinin doğal işlevi, viral DNA’yı nükleazlara ve diğer fiziksel tehditlere karşı korumaktır. Virüs kaplama proteinleri bu nedenle kimyasal ve fiziksel olarak kararlıdır, bu da uzun raf ömrüne sahip oldukları ve hedefleyici ligandlar ile konjugasyon veya ilaçlar, floroforlar veya kontrast ajanları faydalı yüklerle yükleme için gerekli kimyasal işlemlere dayanabilecekleri anlamına geldiği için VNP’lerin gelişimi için avantajlıdır [54].

3.1. VNP’lerin modifikasyonu için stratejiler

Genetik mühendisliği, kapsülleme, biyomineralizasyon, enjeksiyon ve biyokonjugasyon, virüs bazlı ürünleri tasarlamak ve değiştirmek için kullanılabilecek yaklaşımlardan bazılarıdır. Kaplama proteininin temel yapısı, spesifik amino asit kalıntılarının eklenmesi, silinmesi veya değiştirilmesi yoluyla genetik mühendisliği ile değiştirilebilir [42]. Bu tür modifikasyonlar, VNP’nin genel fizikokimyasal özelliklerinin işlevselleştirilmesini veya değiştirilmesini kolaylaştırır [20, 57]. Saflaştırma/bağışıklık saptama etiketleri, VNP’yi aşı yapmak için epitop dizileri ve VNP’yi hedef spesifik reseptörler yapmak için hedefleme dizileri bu tür değişikliklerin örnekleridir [70]. Karşılaştırılabilir rekombinant ekspresyon teknolojilerini kullanarak, doğal olmayan amino asitleri müteakip kimyasal reaksiyonlar için benzersiz tutamaçlar olarak dahil etmek de mümkündür [55].

Fizyolojik koşullar altında, virüs kaplama proteinleri nükleik asitlerin etrafında kendiliğinden birleşir ve bu özellik (VNP’lerin paylaştığı), VNP’leri sökmek ve onları diğer kargo molekülleri etrafında daha istenen konfigürasyonlarda yeniden birleştirmek için kullanılabilir. Kargo kapsüllemesini tetiklemek için iki temel ilke kullanılabilir: (a) yüzey yükü ve elektrostatik etkileşimler veya (b) kendi kendine montaj sırasında meydana gelen benzersiz bağlanma etkileşimleri [18]. Örneğin, bir translasyonel represyon (TR) operatör proteini bakteriyofaj MS2’de bulunur ve bir TR RNA kök halkasına bağlanır. Kimyasal olarak modifiye edilmiş TR operatör proteinleri, küçük terapötik molekülleri taşıyabilir. Hasar görmemiş MS2 partikülleri modifiye TR operatörleri ile birleştirildiğinde, ikincisi VNP’lere difüze olur ve kapside stabil bir şekilde bağlanır. Bu tasarım teknikleri, risin A zinciri ve 5-florouridin gibi terapötik bileşikleri MS2 parçacıklarına başarılı bir şekilde sokmak için kullanılmıştır. Yükün taşınması ve hedef hücrelerin başarılı bir şekilde öldürülmesi, bu tekniğin kullanıldığı in vitro hücre araştırmalarında gösterilmiştir [7, 68].

Biyomineralizasyon, canlı organizmaların hücreleri ve dokuları içinde ve çevresinde minerallerin birikmesidir, ancak viral kaplama proteinlerinin VNP’ler ortamında bir mineral çekirdeği veya çekirdek mineralizasyonu etrafında oluşturma yeteneği ile ilgilidir. VNP biyomineralizasyonunun enerji araştırmalarında çeşitli kullanımları vardır, ancak tıpta, özellikle mineral kargoların kontrast ajanları olarak kullanıldığı örnekler de vardır [43].

Bazı materyaller, bir kargo çevresinde kapsid oluşumunu uyararak kapsüllenmelidir, diğerleri ise viral partikül yoluyla ve iç boşluğa yayılabilir, burada nükleik asitlerle kovalent olmayan etkileşimler veya dahili olarak çıkıntı yapan amino asit yan zincirleri ile içeride kalmaya ikna edilebilirler veya biyokonjugasyon bunları kalıcı olarak tutamaçlara bağlayabilir. [64]. Bu yöntem, optik görüntüleme için floresan boyaları, MRI için Gd3+ iyonlarını ve küçük tıbbi bileşikleri yüklemek için kullanılmıştır [45, 71].

VNP’lerin modifikasyonu için glutamik ve aspartik asit kalıntıları üzerindeki karboksilat grupları, lizin kalıntıları üzerindeki reaktif aminler, sistein kalıntıları üzerindeki sülfhidril grupları ve tirozin kalıntıları üzerindeki fenol grupları gibi spesifik amino asit yan zincirlerini işlevselleştirmek için klasik kimyanın kullanılması en güçlü yaklaşımlardan biridir. Bu gruplar, spesifik moleküllere doğrudan eklenebilir veya daha karmaşık konjugasyon prosedürleri için fonksiyonel grupları içerecek şekilde değiştirilebilir.

3.2. Terapötik müdahalelerde virüs bazlı nanopartiküller

Bakteriyofajlar ve bitki virüsleri, memeli hücrelerine nüfuz etme ve ek üreme olmaksızın çoğalma yeteneğine sahiptir, bu da onları yararlı terapötik araçlar haline getirir. Virüs bazlı nanomalzemeler, kanser hücreleri ve bağışıklık sistemi hücreleri gibi belirli hücreleri hedef alacak şekilde tasarlanabilir. Antijenleri bağışıklık sistemine maruz bırakabildikleri için aşı olarak da kullanılabilirler. İmmünoterapi ve immün/kemo kombine tedavileri, bağışıklık sistemi ile VNP etkileşimlerinden yarar sağlarken, görüntüleme ve ilaç dağıtımı tipik olarak değildir. Sonuç olarak, VNP’leri bağışıklık sisteminden korurken onları belirli hedef hücrelere yönlendirmek için sayısız yol geliştirilmiştir. Mononükleer fagosit sistemi yoluyla VNP klirensi, partiküllerin yüzey kimyası veya şekli değiştirilerek engellenebilir [53]. Örneğin, yüzey PEGilasyonu, VNP’ler ve makrofajlar arasındaki spesifik olmayan etkileşimleri azaltarak daha uzun süre dolaşımlarına izin verebilir [30]. Kanser hücreleri gibi spesifik hücre tiplerinde yüksek oranda ifade edilen reseptörlere bağlanan bileşiklerin genetik veya kimyasal ilavesi onları hedeflemek için kullanılabilir. VNP’nin formu, boyutu ve en boy oranı da doku özgüllüğünü etkileyebilir, bu nedenle bunlar tasarım aşamasında dikkate alınması gereken ek özelliklerdir. Özellikle tübüler veya filamentli VNP’ler, artan akış ve arteriyel duvara doğru marjinasyon ve mononükleer fagositik sistem tarafından azaltılmış klirens gibi küresel VNP’lerden daha üstün olan in vivo özellikler sergileyebilir, bu da gelişmiş tümör hedefleme ve trombüs hedefleme ile sonuçlanır [51, 65] . VNP yapıları, tek dağılımlı olduklarından ve ince ve tekrarlanabilir mekansal kontrol ile modifiye edilebildiklerinden, VNP boyutu ve şeklinin ilaç uygulama ve görüntüleme verimliliği üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılabilir.

3.3. Drug delivery with VNPs

Spesifik hücre tiplerini hedefleyen VNP’lerin geliştirilmesi, konjugasyon, infüzyon ve/veya kapsülleme yoluyla toksik yüklerin eklenmesini sağlayarak hedef hücrelerin ölümüyle sonuçlanarak kanser hücrelerinin veya diğer hastalıklı hücrelerin hedef etkiler seçici olarak yok edilmeden elimine edilmesini sağlar. Yukarıda kısaca tartışıldığı gibi konjugasyon, kaplama proteininin spesifik amino asit kalıntılarına faydalı yük moleküllerinin seçici kovalent eklenmesini gerektirir. İnfüzyon, bozulmamış VNP’nin kargo içeren bir çözelti içinde inkübe edilmesiyle gerçekleştirilir, oysa kapsülleme, taşıyıcının faydalı yük etrafında toplanmasını gerektirir [9]. Genler ve kısa enterferans yapan RNA’lar, fotodinamik tedaviyi destekleyen fotoaktif moleküller, geleneksel küçük moleküllü ilaçlar ve hatta CCMV’ye dayalı bir VNP’de kapsüllenmiş bir alfavirüs genomu gibi gen tedavisi için heterolog viral genomlar teslim edilmiştir [4, 17].

Toksik yükler, dış yüzeyi kaplamak, onları in vivo enzimatik ve kimyasal bozulmadan korumak ve hedef olmayan hücrelerle etkileşimlerden kaçınmak yerine tercihen VNP boşluğuna yüklenebilir. VNP’lerin yükleme kapasitesi ve verimliliği genellikle, viral nükleik asidin asla mevcut olmaması için bir plazmit (bakteriyofaj VNP’leri için) veya bir transgenden (bitki VNP’leri için) kaplama proteinlerinin eksprese edilmesiyle gerçekleştirilebilen doğal viral genomun atılmasıyla geliştirilir; elde edilen boş partikül, virüs benzeri partikül (VLP) olarak adlandırılır. Viral genom, seçici kimyasal veya enzimatik bozunma yoluyla da çıkarılabilir.
Zararlı kargo moleküllerinin dahili olarak açıkta kalan yan zincirlere kovalent bağlanması, erken salınımı önler, ancak kovalent olmayan yöntemler, yalnızca iç yüzey yerine tüm boşluk kullanılırsa, VNP içinde daha fazla kargo için daha fazla alan olduğundan, genellikle daha yüksek yükleme verimliliğine izin verir. Polimerizasyon, VNP’nin dış yüzeyinden uzanan veya içini kaplayan faydalı yük bağlantısı için işlevselleştirilmiş gruplardan oluşan bir dallanma ağı oluşturarak her iki dünyanın en iyisini sağlayabilir [27, 44]. Çoğu araştırma VNP tasarımına ve in vitro toksisiteye odaklanmış olsa da, VNP bazlı bir ilaç dağıtım aracının klinik öncesi testi, doksorubisin yüklü bir VNP’nin, özellikle yumurtalık kanserini hedeflemek için folik asit ile modifiye edilmiş salatalık mozaik virüsünün (CMV) in vivo etkinliğini ve kardiyotoksisitesini azalttığını göstermiştir [72].

VNP’lere standart kemoterapiye ek olarak fotodinamik terapi uygulamaları için ışığa duyarlılaştırıcılar yüklenmiştir. Örneğin, bakteriyofaj Q’ya dayalı bir VNP, fotodinamik terapi için bir metaloporfirin türevi ve CD22 reseptörü ile hücreleri hedefleyen glikan bağlama bölgeleri ile yüklenmiştir [47]. Ayrıca, teranostik VNP’lerin ilk gösterimi olarak, çok işlevli bir MRI kontrastı ve fotodinamik terapi maddesi (şelatlı Gd3+ ve Zn2+ ftalosiyanin) CCMV’de başarılı bir şekilde kapsüllenmiştir [38]. Ayrıca fototermal terapi için metal nanopartiküller içeren hibrit VNP bazlı materyaller araştırılmıştır [21].

3.4. Virüs kaynaklı yapılara dayalı bağışıklama ve immünoterapi

Virüs bazlı materyaller tekrarlayan, protein bazlı yapılara sahip olduklarından, bağışıklık tepkilerini ortaya çıkararak aşıların ve immünomodülatörlerin geliştirilmesi için faydalı hale getirirler. Partikül bazlı aşılar dört tipte sınıflandırılır: (a) kimyasal olarak inaktive edilmiş virüs aşıları, (b) düşük virülansa sahip atenüe virüs aşıları, (c) genomsuz ve bulaşıcı olmayan VLP’ler ve (d) patojen türevli epitoplar, bir bitki virüsü, bakteriyofaj veya kimyasal olarak sentezlenmiş platform gibi bulaşıcı olmayan bir taşıyıcı üzerinde sunulan kimerik ve nanopartikül aşılar [22]. VLP’ler ve diğer nanopartikül aşılar gibi partikül aşıların, DNA aşıları ve alt birim aşılara göre çeşitli avantajları vardır [2, 29]. Virüs bazlı taşıyıcı, antijen stabilitesi sağlar, antijenin çoklu kopyalarını taşır (çok değerlikli sunum) ve iki veya daha fazla farklı antijen sunma kabiliyetine sahiptir. Formülasyon, antijen sunan hücreler tarafından pasif veya aktif alımı teşvik eder, bunu uygun T ve B hücre yanıtlarının aktivasyonu ve hazırlanması takip eder [32].

3.4.1. Bulaşıcı Hastalıklar için Aşılar

VLP aşıları, özellikle bulaşıcı olmayan aşı formülasyonunun yapısı doğal virüsün yapısına çok benzediğinde (bunlara doğal VLP’ler olarak atıfta bulunulmuştur) [46)] viral hastalıklara karşı büyük başarı elde etmiştir. İlk başarılı örnek, hepatit B virüsüne (HBV) karşı aşıydı. Bağışıklı popülasyonlarda HBV enfeksiyonlarını büyük ölçüde azaltmıştır. İnsan papilloma virüsüne (HPV) karşı aşılar, virüse karşı bağışıklık sağlar ve bu da HPV’nin neden olduğu servikal karsinom ve potansiyel olarak diğer HPV’nin neden olduğu kanserlere karşı koruma sağlar [48].

Kimerik VLP’ler heterolog antijenleri eksprese eder ve antipatojen ve nötralize edici antikorlar üretebilir, bu da bağışıklamanın patojen tehdidine karşı koruma sağlayabileceğini düşündürür. Bitki virüsleri, bakteriyofajlar, böcek virüsleri ve hayvan poliomavirüsleri ve papillomavirüslerine dayalı kimerik VLP’ler üzerinde birçok çalışma yapılmıştır [48]. Kimeralar ayrıca doğal aşı platformlarından (örneğin, HBV ve HPV) oluşturulmuştur ve bu platformlar, ek heterolog epitoplar sergilenerek genişletilmiştir. Bu doğal kimerik VLP’ler, FDA tarafından onaylanmış bir aşı omurgasından yararlanır.

Böcekleri enfekte eden Flock House virüsü (FHV), karmaşık antijen yapılarına sahip kimerik VLP’ler oluşturmak için kullanılmıştır. Bu çok değerlikli görüntüleme sistemi, Bacillus anthracis koruyucu antijenin görüntülenmesi için bir iskele görevi gören şarbon toksin reseptörünün (ANTXR2) parçalarını içerecek şekilde modifiye edilmiştir. Adjuvan yokluğunda, virüs-antijen kompleksi, tek bir dozdan sonra koruyucu immün yanıtları aktive etti [36]. Çok değerlikli antijenlerin kimyasal bağlanması için ek mekanizmalar, benzer etkili bir şekilde bağışıklık tepkilerini indükler. FHV sistemi, kapsid yüzeyindeki çeşitli konumlarda protein ve peptit eklemelerini kabul etme kabiliyetine ve ayrıca kesin antijenik alan yerleşimi ve düzenlemesine izin veren ayrıntılı yapısal ve genetik bilgilerin mevcudiyetine sahiptir. Örneğin, influenza hemaglutinin (HA) proteini, tüm influenza türleri için önemli bir antijendir, ancak antijenik varyasyon nedeniyle, geniş ölçüde nötralize edici bağışıklık tepkileri geliştirmek zordur. Proteinin yüksek oranda korunmuş bazı bölgeleri vardır, ancak spesifik ve nötralize edici antikor tepkilerinin başlatılmasına izin verecek olan yapısal bir bağlamda görmeleri zordur. Bu antikorların indüksiyonu, FHV üzerinde trimerik bir düzenlemede korunan HA bölgelerinin görüntülenmesiyle etkinleştirilir. Aşı uygulamaları için yerel ve kimerik VLP’lerin faydası ve kapsamı genişlemektedir. Örneğin biyomühendislik VLP aşılarının kombinasyonu ve bunların solunum yoluna uygulanması, yakın zamanda gelecekteki aşı geliştirme ve immünoterapi için temel bir strateji olarak gösterilmiştir [49].

3.4.2. Kanser için aşılar

Anti-tümör aşılamanın kemoterapiye göre, daha az yan etki, ilaç direncinden kaçınma, bağışıklık sistemini artık ilaca dirençli hücreleri ortadan kaldırmak için hazırlama ve metastaz ve nükse karşı korumak için uzun süreli immünolojik hafızayı teşvik etme gibi çeşitli avantajları vardır.

Tümörle ilişkili karbonhidrat veya peptit antijenlerinin desenli gösterimi dahil olmak üzere çeşitli VNP tabanlı kanser aşısı stratejileri değerlendirilmiştir. Tn’ye özgü antikorlar, virüs bazlı yapı iskelesine ve çok değerlikli gösterime konjugasyondan sonra yüksek titrelerde üretildi. Benzer şekilde antijene özgü IgG ve IgM tepkileri, TMV’ye konjuge edilmiş Tn antijeni tarafından ortaya çıkarılabilir. Virüs temelli yapı iskeleleri üzerinde kanser epitoplarının sunumu, bu öz-epitopların, kendine toleransın üstesinden gelmek için umut verici bir strateji olan doğal olmayan bir moleküler ortamda sunulmasına izin verir.

3.4.3. Nörolojik hastalıklar ve bağımlılık için aşılar

VLP’ler, Alzheimer hastalığının ilerlemesiyle bağlantılı olan amiloid beta (A) proteinini görüntülemek için nanoyapılar olarak kullanılmıştır. Adjuvan yokluğunda, Papillomavirüs ve A antijenleri içeren Q VLP’ler, sınırlı T hücresi tepkileri olan anti-A antikorlarını ortaya çıkardı. Antikor alt sınıfları, tüm antijenin mi yoksa peptit antijenlerinin mi kullanıldığına bağlı olarak farklılık göstermiştir [13].

Potansiyel bir nikotin bağımlılığı aşısı, çok değerlikli bir şekilde nikotin sergilemek üzere kimyasal olarak modifiye edilmiş 30 nm’lik bir ikosahedral bakteriyofaj Q kapsidi kullanılarak geliştirilmiştir. Q-bazlı aşının çok değerlikli ve partiküllü yapısı, antinikotin nötralize edici antikorların üretimini uyarır, kan nikotin seviyelerini düşürür ve kan-beyin bariyerinden geçişi sınırlandırır.

---

Test LO 1.1

---

Kaynaklar

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.