ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ
Νανοτεχνολογία: Η νανο-άμυνα μας κατά του κορωνοϊού
19/05/2021 14:23
Νανοτεχνολογία: Η νανο-άμυνα μας κατά του κορωνοϊού
Της Δρος Μελίτας Μενελάου*
Μέχρι σήμερα, ο COVID-19 (SARS-CoV-2) έχει μολύνει πάνω από 118 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως και έχει προκαλέσει εκατομμύρια θανάτους. Λόγω της υψηλής μεταδοτικότητας και μολυσματικότητας του ιού, υιοθετήθηκαν ακραία μέτρα διαχείρισης παγκοσμίως, όπως το κλείσιμο γραφείων, η απομόνωση, τα μέτρα κλειδώματος και οι ταξιδιωτικοί περιορισμοί. Ως αποτέλεσμα, ακολούθησε παύση της συνηθισμένης ανθρώπινης δραστηριότητας σε πολλούς τομείς με καταστροφικές κοινωνικές και οικονομικές συνέπειες. Ενώ τα εμβόλια αναπτύσσονται με πρωτοφανή ρυθμό υποσχόμενα μειωμένη θνησιμότητα – κάποια εκ των οποίων ήδη εγκεκριμένα και χρησιμοποιούμενα στην κλινική – δεν αποτρέπουν τη μόλυνση και πιθανή νόσηση, ενω η αποτελεσματικότητα ενάντια στα νέα στελέχη του ιού διερευνάται, καθώς και η διάρκεα της ανοσίας. Συνεπώς, απαιτούνται ταυτόχρονα θεραπευτικές εξελιγμένες δράσεις, ικανές να μετριάσουν τα έντονα συμπτώματα, να μειώσουν τις εισαγωγές στο νοσοκομείο και να προστατέψουν ακόμη και από θάνατο τους ασθενείς με υποκείμενα νοσήματα, ειδικότερα σε μη αναπτυσσόμενες περιοχές όπου η διανομή και φύλαξη των εμβολιών είναι ανεπαρκής.
Η νόσος COVID-19 είναι μια ετερογενής ασθένεια που προκαλεί πολλαπλές κλινικές εκδηλώσεις καθιστώντας την μια τεράστια πρόκληση για τους επαγγελματίες στον τομέα υγείας, συμπεριλαμβανομένου της διάγνωσης και θεραπείας των ασθενών. Απαιτούνται πολυεπίπεδες προσεγγίσεις, στρατηγικές και εξελιγμένη τεχνολογία για να κατανοηθεί πλήρως η αλληλεπίδραση ξενιστή-παθογόνου και η παθολογία της νόσου, να βελτιστοποιηθούν οι κλινικές δοκιμές αλλά και να σχεδιαστούν αποτελεσματικές θεραπείες, εμβόλια και εξατομικευμένες θεραπευτικές προσεγγίσεις.
Αναφέρεται ότι μέχρι σήμερα η Νανοτεχνολογία (και η Νανοεπιστήμη) έχουν παρουσιάσει αποτελεσματικά δεδομένα σε προκλινικές μελέτες εναντίον μιας ποικιλίας παθογόνων, συμπεριλαμβανομένων των ιών του αναπνευστικού συστήματος, του ιού του έρπητα, του ιού των ανθρώπινων θηλωμάτων και του HIV. Σε αυτό το πλαίσιο, η Νανοτεχνολογία είναι επικεντρωμένη αυτή τη στιγμή και στην αποτελεσματική ενίσχυση του ανοσοποιητικού συστήματος και θωράκιση του οργανισμού κατά της νόσου του COVID-19.
Οι στρατηγικές που βασίζονται στη Νανοτεχνολογία για τη διαχείριση της νόσου περιλαμβάνουν την ανάπτυξη εργαλείων για ταχεία, ακριβή και ευαίσθητη διάγνωση, τη βελτίωση των εργαλείων ανίχνευσης των επαφών, την παραγωγή αποτελεσματικών απολυμαντικών, τη χορήγηση εμβολίων mRNA σε ανθρώπινα κύτταρα και τη χορήγηση αντι-ικών παραγόντων στο σώμα.
Τα νανοϋλικά έχουν μέγεθος μικρότερο από ένα μικρόμετρο. Αυτό το μικρό μέγεθος επομένως είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος του ίδιου του ιού (διαστάσεις 60 έως 140 νανόμετρα). Το μικρό μέγεθος καθιστά επίσης υψηλή την αναλογία επιφάνειας προς όγκο, επιτρέποντας στο νανοϋλικό να είναι εξαιρετικός δότης μεταφοράς με αποτέλεσμα τη βελτίωση της στοχευμένης παράδοσης φαρμάκων και της ενίσχυσης των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αναλύτη και αισθητήρα, καθιστώντας τις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας πολλά υποσχόμενες για την ανάπτυξη μεθόδων με στόχο τη γρήγορη και ακριβή ανίχνευση των ιών.
Θεραπείες που βασίζονται στη Νανοτεχνολογία για μολύνσεις COVID-19
Οι στρατηγικές που μελετώνται από τους ερευνητές στο παγκόσμιο βεληνεκές για την ανάπτυξη νέων νανο-θεραπευτικών υλικών με στόχο τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της θεραπείας κατά του COVID-19, περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων: α) την κατασκευή πολυμερικών νανοσωματιδίων με χαρακτηριστικά ταχείας και υψηλής διείσδυσης, β) την ανάπτυξη βιοαποικοδομήσιμων, μη τοξικών και σταθερών νανοσωματιδίων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στους πνεύμονες με ελάχιστη πνευμονική τοξικότητα κατά τη διάρκεια της θεραπείας, και γ) την επιφανειακή τροποποίηση νανοσωματιδίων μέσω της σύζευξη τους με την πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG).
Ο ρόλος της νανοτεχνολογίας στην ανάπτυξη εμβολίων
Η νανοτεχνολογία έχει συνεισφέρει σημαντικές λύσεις στη παραγωγή εμβολίων. Συγκεκριμένα, έχει αναπτυχθεί μια νέα γενιά εμβολίων, που ονομάζεται νανο-εμβόλια, χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια για την αποδέσμευση αντιγόνων στο ανθρώπινο σώμα. Μελέτες έχουν δείξει πως τα νανοσωματίδια μπορούν να στοχεύσουν τόσο τα επίκτητα (Τ κύτταρα, Β κύτταρα) όσο και τα ενδογενή (μακροφάγα, μονοκύτταρα και ουδετερόφιλα) ανοσοποιητικά συστήματα σε κυτταρικό επίπεδο, μηχανισμοι ιδιαίτερης σημασίας για την επιτυχή ανάπτυξη εμβολίων. Ακόμη, τα νανοσωματίδια μπορούν να αποδεσμεύσουν ή να δράσουν ως εγγενές ανοσοενισχυτικό, με ελεγχόμενη φυσική αποδέσμευση αντιγόνων που οδηγεί σε ένα είδος σταδιακής ανοσοποίησης που δύναται να αποτρέψει παρενέργειες και αντιδράσεις υπερευαισθησίας.
Ένα από τα σημαντικότερα παραδείγματα νανοτεχνολογικών εφαρμογών στην ανοσολογία είναι τα πρωτοπόρα εμβόλια που εφαρμόζουν την τεχνολογία του mRNA (σχεδιασμένα από την BioNTech-Pfizer και Moderna), τα οποια χρησιμοποιούν νανοτεχνολογικές μεθόδους για να διαφυλάξουν την ποιότητα και αποτελεσματικότητα του προϊόντος. Συγκεκριμενα, το εμβόλιο περιέχει ιικό αγγελιοφόρο mRNA του COVID-19, τα μόρια του οποίου ενθυλακώνονται σε θετικά φορτισμένα νανοσωματίδια λιπιδίων (LNPs). Τα σωματίδια λειτουργούν ως ένα προστατευτικό κάλυμα αναστέλλοντας έτσι την αποικοδόμηση των ευαίσθητων μοριων mRNA από λυτικά ένζυμα όπως οι ριβονουκλεάσες (RNase) που φυσιολογικά προστατεύουν τον οργανισμό από την εισβολή νουκλεϊκών οξέων προερχόμενων από παθογόνους μικροοργανισμούς. Επιπλέον, τα LNPs αποτελούν ανθεκτικά, αυτοσυναργολογούμενα σωματίδια επιτρέποντας την εύκολη χορήγηση του εμβολίου, εφόσον μπορούν να εγχυθούν με ασφάλεια στον οργανισμό από πολλαπλές οδούς χορήγησης.
Άλλα ευνοϊκά νανοσυστήματα για τη αποδέσμευση μορίων mRNA είναι τα κατιονικά πολυμερικά νανοσωματίδια, η πολυαιθυλενοϊμίνη, τα κατιονικά νανο-γαλακτώματα και τα νανοσωματίδια δενδριμερών που λειτουργούν με PEG-λιπίδια, τα οποία αναμένεται να έχουν ευρεία εφαρμογή στο μελλοντικό σχεδιασμό χορήγησης εμβολίων και βιολογικών παραγόντων.
Εφαρμογές νανοϋλικών στη διάγνωση COVID-19
Η διαγνωστική ιατρική αποτελεί έναν ακόμη τομέα όπου η Νανοτεχνολογία μπορεί να προσφέρει την τεχνογνωσία που απαιτείται για την αποτελεσματική, ταχεία και χαμηλού κόστους διάγνωση παθογόνων οργανισμών. Μεταλλικά νανοσωματίδια όπως ο άργυρος, ο χαλκός και το διοξείδιο του τιτανίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά κυρίως για διαγνωστικούς σκοπούς. Παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιώντας την ευαίσθητη οπτική τεχνική του Συντονισμού Επιφανειακών Πλασμονίων (surface plasmon resonance, SPR), η επιλεκτική ανίχνευση του COVID-19 ακόμη και με γυμνό οφθαλμό είναι δυνατή παρουσία νανοσωματίδια χρυσού. Η ανίχνευση είναι δυνατόν να συμβεί μέσα σε μόλις 10 λεπτά. Άρα ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να εφαρμοστεί άμεσα και για τη διάγνωση αλλά και τον εντοπισμό των θετικών περιπτώσεων COVID-19 χωρίς να απαιτεί προηγμένες εγκαταστάσεις και εξοπλισμό.
Μελλοντικές στρατηγικές από τη Νανοτεχνολογία για το COVID-19
Συνολικά, ο ρόλος της Νανοτεχνολογίας και της Νανοεπιστήμης μακροπρόθεσμα στη θεραπευτική είναι αναμφισβήτητος! Αν και υπάρχουν μελέτες που υποστηρίζουν ότι αυτά τα πολλά υποσχόμενα υλικά θα μπορούσαν να προκαλέσουν και σοβαρά προβλήματα στους πνεύμονες ή/και το αναπνευστικό σύστημα, εντούτοις κλινικές μελέτες απαιτούνται για να αποφανθούν για την ασφάλειά τους. Αφ΄ ετέρου, οι επιτυχημένες συνδυαστικές θεραπείες, οι οποίες βασίζονται στη συγχορήγηση μεμονωμένων φαρμάκων, χρησιμοποιούν στην πραγματικότητα συστήματα νανο-φαρμάκων για την στοχευμένη αποδέσμευσή των θεραπευτικών συστατικών και αναμένονται να λειτουργήσουν ως εναλλακτικές επιλογές για την καταπολέμηση του COVID-19.
(*) Η Δρ Μελίτα Μενελέου είναι Χημικός Μηχανικός και Ειδικό Εκπαιδευτικό Προσωπικό στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Κύπρου (ΤΕΠΑΚ) με πολυετή εμπειρία στον πολυθεματικό τομέα των Υλικών (και ειδικά των Νανοϋλικών). Οι ερευνητικές της δραστηριότητες επικεντρώνονται στα Λειτουργικά Υλικά με Βιοϊατρικές Εφαρμογές, δουλεύοντας έτσι παράλληλα το πρόβλημα του COVID-19 με τις διεπιστημονικές προσεγγίσεις ερευνητικών ομάδων του εξωτερικού.
Ενδεικτική Βιβλιογραφία
• Soutis C, Narita F, Wang Z et al. A Review of Piezoelectric and Magnetostrictive Biosensor Materials for Detection of COVID‐19 and Other Viruses. Adv. Mat. 33, 2005448 (24 pages) (2021)
• Huang H, Fan C, Li M et al. COVID-19: a call for physical scientists and engineers. ACS Nano 14(4), 3747-3754 (2020)
• Zhou P, Yang XL, Wang XG et al. A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 579(7798), 270-273 (2020)
• Huang C, Wang Y, Li X et al. Clinical features of patients infected with 2019 novel coronavirus in Wuhan, China. Lancet 395(10223), 497-506 (2020)
• Florindo HF, Kleiner R, Vaskovich-Koubi D et al. Immune-mediated approaches against COVID-19. Nat. Nanotechnol. 15(8), 630-645 (2020)
ΠΗΓΑΙΟ ΔΗΜΟΣΙΕΥΜΑ:
"ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ"
https://www.cut.ac.cy/news/article/?contentId=442590
ΑΝΑΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ:
"ΕΝΗΜΕΡΩΤΗΣ"
http://enhmerwths.pa-sy-a.gr/2021/07/16/00-00/pa-sy-a_enhmerwths_2021-07-16_00-00.htm
