Innovative Peptid-basierte Hydrogel-Therapie zur Virenprävention

Impfstoffe bleiben der Goldstandard zum Schutz vor gefährlichen Krankheitserregern, ihre Entwicklung erfordert jedoch viel Zeit und enorme Ressourcen. Schnell mutierende Viren wie SARS-CoV-2 können ihre Wirksamkeit abschwächen und sie sogar überflüssig machen.

Um diese Lücken zu schließen, entwickelt ein multiuniversitäres Team unter der Leitung von Vivek Kumar vom New Jersey Institute of Technology eine Hydrogel-Therapie, die als erste Verteidigungslinie gegen Viren und andere biologische Bedrohungen fungiert. Die Peptide, aus denen dieses Gel besteht, verhindern, dass Viren wie SARS-CoV-2, das COVID-19 verursacht, sich an Zellen anheften und in Zellen eindringen. Dazu binden sie an einen bestimmten Rezeptor des eindringenden Krankheitserregers und aggregieren gleichzeitig zu einer mehrschichtigen „molekularen Maske“, die dessen Wirkung dämpft.

Im Laufe ihrer Forschung stellte das Team fest, dass die molekulare Maske allein Infektionen verhinderte. Der potenzielle Vorteil dieser neuen Technologie sei ihre Fähigkeit, verschiedene Krankheitserreger und Krankheitsmutationen zu bekämpfen.

Der Schutz der Menschen in der Anfangsphase eines Ausbruchs ist wichtig. Unser neuer Mechanismus könnte auch Ersthelfern an vorderster Front, Militärangehörigen, die auf neuartige Krankheitserreger stoßen, Menschen in abgelegenen, unterversorgten Gebieten und Menschen, die keine Impfungen erhalten können, helfen.“

Vivek Kumar, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik, New Jersey Institute of Technology

Das kurzfristige Ziel ist die Herstellung eines Nasensprays gegen durch die Luft übertragene Infektionen.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturkommunikationDas Team beschrieb, wie sich die Maske unspezifisch an ihr Ziel bindet. Es besteht aus rechnerisch entworfenen Peptiden (Aminosäureketten, die Proteine ​​bilden), die sich selbst zu nanoskaligen faserigen Hydrogelen zusammensetzen. Im Vergleich dazu zielen die von Impfstoffen produzierten Antikörper auf bestimmte Rezeptoren ab, wie die während der Pandemie entwickelten mRNA-Impfstoffe, die an spezifische Proteine ​​auf dem SARS-CoV-2-Spike binden.

Die Entdeckung des Teams ergab sich aus Forschungen zu Beginn der Pandemie zu neuen Ansätzen, um das Eindringen des Virus in Zellen zu verhindern. Der ursprüngliche Entwurf, der Peptide umfasste, die auf den SARS-CoV-2-Spike abzielten, befasste sich mit hochspezifischen Domänen. Allerdings bildeten die von ihnen ebenfalls entwickelten unspezifischen Peptidgele eine mehrschichtige Faser auf dem Virus. Die Gruppe hat postuliert, dass die negativen Ladungen in den Fasern mit unterschiedlich geladenen Proteinen auf der Virusoberfläche interagieren, diese maskieren und so verhindern, dass sie mit nativen Zellen interagieren.

Zur unspezifischen Proteinmaske bemerkte Kumar: „Sie bildet eine größere Struktur und eine bessere Bindung als ein einzelnes Molekül. Obwohl sie keine hohe Spezifität aufweist, kann sie sich selbst zusammensetzen und länger am Ziel verbleiben und eine Faser bilden.“ Aufkleber auf der Oberfläche, der wie ein molekularer Klettverschluss wirkt.“

Er fügte hinzu: „Das Ziel wäre ein topisches Mittel, das an das Virus bindet. Im Fall von SARS-CoV-2 würden wir es in die Nase sprühen, die einen Hauptinfektionsort darstellt, vielleicht sogar prophylaktisch.“

Das Team testete die Fasern zunächst anhand von Computersimulationen gegen eine Reihe von Viren, wobei leistungsstarke NVIDIA-Grafikkarten zum Einsatz kamen, die häufig bei Wettkampfspielen zum Einsatz kommen. Später führten sie erfolgreiche Sicherheitstests mit Mäusen und Ratten durch, wobei sie Injektionen und Nasensprays verwendeten, sagte Joseph Dodd-o, ein Ph.D. Student in Kumars Labor, der zusammen mit Abhishek Roy, ebenfalls Doktorand, einen Großteil der Forschung zur Therapie durchführte. Student. Die Therapie hemmte die Alpha- und Omicron-Varianten von SARS-CoV-2 in vitro und hielt einen Tag lang an, ohne den Tieren in den In-vivo-Tests zu schaden.

Kumar hat Hydrogele für eine Reihe therapeutischer Anwendungen entwickelt. Sein Abgabemechanismus ist anpassbar und besteht aus Lego-ähnlichen Peptidsträngen mit einem bioaktiven Wirkstoff an einem Ende, der wochen- und sogar monatelang im Körper überleben kann, wo andere Biomaterialien schnell abgebaut werden. Seine selbstorganisierenden Bindungen sind so konzipiert, dass sie stärker sind als die Zerstreuungskräfte des Körpers; Es bildet stabile Fasern, ohne Anzeichen einer Entzündung.

Das Hydrogel ist so konstruiert, dass es je nach angebrachter Nutzlast unterschiedliche biologische Reaktionen auslöst. Kumars Labor hat Forschungsergebnisse zu Anwendungen veröffentlicht, die von Therapien zur Förderung oder Verhinderung der Bildung neuer Blutgefäßnetzwerke bis hin zur Reduzierung von Entzündungen und zur Bekämpfung von Mikroben reichen.

„In diesem Fall verwenden wir elektrische Ladungen, die mit dem Krankheitserreger interagieren, um ihn zu zerstören“, sagte Kumar. „Wir versuchen immer noch herauszufinden, wie die Fasern interagieren: Ist das eine mechanische Wirkungsweise? Arzneimittelresistente Krankheitserreger mutieren um biochemische Modulatoren herum, aber ist es weniger wahrscheinlich, dass sie um einen mechanischen Speer herum mutieren? Indem wir diese grundlegende Wechselwirkung verstehen, wollen wir das.“ Finden Sie heraus, wie Sie es gegen verschiedene Krankheiten einsetzen können.

In neuen Studien testet das Labor die Therapie gegen arzneimittelresistente Bakterien und Pilze.

Die Mitglieder des Teams bringen vielfältige Fachkenntnisse mit: Computerdesign an der University of Illinois Chicago; bioanalytische Fähigkeiten an der Georgia Tech und der Baylor School of Medicine; Virologiestudium an der Rutgers University; und Plattform-, Analyse- und Assay-Erfahrung am NJIT.

Ihre Forschung wird von den National Institutes of Health, der US National Science Foundation und der New Jersey Economic Development Authority finanziert.

Quellen: