Nano tegen Corona?

Zijn nanometergrote structuren te klein om ze te kunnen zien? – Met speciale microscopen is het vandaag de dag mogelijk: microscopiesystemen op basis van gestructureerde verlichting (N-SIM, Nikon), resolutie tot in het onderste nanometerbereik dankzij stochastische optische reconstructie (N-Storm, Nikon), bijzonder ergonomisch ontworpen onderzoeks-microscoop, omgekeerde onderzoeks-microscoop als basis voor super-resolutie technieken (N-Dtorm N-SIM). (Afbeelding: Nikon)

Zijn nanometergrote structuren te klein om ze te kunnen zien? – Met speciale microscopen is het tegenwoordig mogelijk: microscopiesystemen op basis van gestructureerd licht (N-SIM, Nikon), resolutie tot in het onderste nanometerbereik dankzij stochastische optische reconstructie (N-Storm, Nikon), bijzonder ergonomisch ontworpen onderzoeksmicroscoop, inversiemicroscoop als basis voor super-resolutie technieken (N-Dtorm N-SIM). (Afbeelding: Nikon)

Zijn nanometergrote structuren te klein om ze te kunnen zien? – Met speciale microscopen is het tegenwoordig mogelijk: microscopiesystemen op basis van gestructureerde belichting (N-SIM, Nikon), resolutie tot in het lagere nanometerbereik dankzij stochastische optische reconstructie (N-Storm, Nikon), bijzonder ergonomisch ontworpen onderzoeks-microscoop, inverse onderzoeks-microscoop als basis voor super-resolutie technieken (N-Dtorm N-SIM). (Afbeelding: Nikon)

Zijn nanometergrote structuren te klein om ze te kunnen zien? – Met speciale microscopen is het tegenwoordig mogelijk: microscopiesystemen op basis van gestructureerde verlichting (N-SIM, Nikon), resolutie tot in het lagere nanometerbereik dankzij stochastische optische reconstructie (N-Storm, Nikon), bijzonder ergonomisch ontworpen onderzoeks-microscoop, inversiemicroscoop als basis voor super-resolutie-methoden (N-Dtorm N-SIM). (Afbeelding: Nikon)

Oxide van ijzer kennen we als roest, die we proberen te vermijden. Maar nano-ijzeroxide zijn een krachtig contrastmiddel voor medische beeldvormingstechnieken. Nano-graphen biedt onder andere de basis voor nieuwe infrarooddetectors op afstand – en tot slot: nanopartikelgebaseerde vaccins zouden het nieuwe SARS-CoV-2-virus onschadelijk kunnen maken.

Levendvaccins brengen een veiligheidsrisico met zich mee, omdat ze in hun virulente toestand kunnen terugkeren. Geïnactiveerde vaccins werken relatief zwakker en blijken arbeidsintensiever te zijn in de productie. Voor beide zwakke punten van conventionele vaccins biedt nanobiotechnologie oplossingsconcepten.

In vorm en grootte lijken de daarbij gebruikte nanopartikels op een virus en worden daarom bijzonder goed omgeven door antigeenpresenterende cellen. Deze activeren op hun beurt uiteindelijk de gewenste specifieke afweer. Een eigenaardigheid van veel nanopartikelvaccins: de epitopen, d.w.z. de moleculen die de immuunrespons uitlokken van een antigeen, herhalen zich (repetitieve epitopen) – gunstig voor hun herkenning.

Helemaal nieuw zijn nanopartikelgebaseerde vaccins niet. Al in 1986 werd er een goedgekeurd vaccin voor hepatitis B ontwikkeld. Tegenwoordig zijn er verschillende mogelijkheden. Bijvoorbeeld kunnen deeltjes in de omvang van 1 tot 1000 nanometer dienen als drager-materiaal, zoals bij het hepatitis-B-vaccin.

Een van de veelbelovendste concepten wordt echter gerealiseerd door het Riehense bedrijf Alpha-O Peptides in zijn zelfaggregatie-proteïne-nanodeeltjes. Hierbij sluiten de gebruikte eiwitten zich door hydrofobe en ionische interacties samen tot eiwitnanodeeltjes. Er ontstaan primair α-helixstructuren die door sterke verknoping «superspiralisatie» uitbeelden. Het is gelukt om op basis hiervan een nanodeeltje-platform voor vaccins op te bouwen, zoiets als een basisstructuur met een bepaalde symmetrie en grootte (precies: dodekaëdrisch-icoïsaëdrische symmetrie, deeltjesgrootte: 16–25 nm, vergelijkbaar met een viruscapside). Deze basisstructuur kan worden aangepast voor de bestrijding van verschillende virussen (bijvoorbeeld door de keuze van de epitopen).

Alpha-O Peptides heeft al een vaccin tegen malaria in ontwikkeling (status: klinisch onderzoek bij mensen, fase I/IIa in de VS) en heeft nu een ander ontwikkeld tegen het SARS-CoV-2-virus. Het wordt momenteel getest in dierproeven om te zien of het daadwerkelijk het lichaam stimuleert tot de productie van antilichamen en of deze uiteindelijk het virus onschadelijk kunnen maken.

Comfortabel twee-componenten nano-vaccin

Een ander nieuw vaccin, dat al bij makaken in dierproeven is getest, maakt gebruik van zogenaamde replicon-RNA (repRNA). Voordeel: het stimuleert de productie van antilichamen bijzonder sterk, zonder dat het de kern van de cel hoeft te binnendringen. Nadeel: buiten de cellen wordt repRNA snel afgebroken door enzymen.

Dit nadeel kan nu worden gecompenseerd door de werkzame stof voor transport naar de cellen in speciale, beschermende nanodeeltjes te verpakken, zogenaamde «Lipid InOrganic Nanoparticles» (Lions). Als de zogenaamde HDT-301 succesvol blijkt te zijn in klinische studies, zou men beschikken over een vaccin met twee componenten; deze kunnen comfortabel apart worden geproduceerd en bij de patiënt worden gecombineerd – klaar voor injectie.

Oxide van ijzer nanopartikels voor gecombineerde MRI/CT beeldvorming

Een andere medische toepassing van nanotechnologie betreft MRI-beeldvorming (kernmagnetische resonantietomografie). Hierbij wordt gebruikgemaakt van het feit dat de relaxatietijden van aangeslagen waterstofkernen verschillen afhankelijk van het weefsel, waardoor een «contrast» ontstaat. Door selectieve verrijking met ijzeroxide-nanodeeltjes kan dit effect nauwkeurig worden geregeld voor een duidelijkere beeldvorming. Deze nanodeeltjes veranderen namelijk de relaxatie van de in hun omgeving aangeslagen waterstofkernen.

Een reeks ideeën gaat veel verder. Zo kunnen ijzeroxide-nanodeeltjes worden ingebed in polymerenanodeeltjes. In de vorm van zulke grootschalig produceerbare core/shell «Fe3O4@MAOETIB»-nanodeeltjes kunnen ze zowel voor MRI als voor CT worden gebruikt. Als duale contrastmiddelen voor gecombineerde CT/MRI-onderzoeken bieden ze grote potentie om de beeldvorming van tumoren te vereenvoudigen.

In de infraroodanalyse bieden fijne grafenstructuren een nieuw aanknopingspunt voor verbeterde detectors. Het gaat om ver-infrarood-fotodetectors met grafen nanobanden als fotosensitief element, samen met zwart fosfor en arsenicum. Onderzoekers van het Laboratorium voor 2D-materialen en nanogereedschappen in Moskou zien de kans om met dergelijke detectors alle ver-infrarood- en terahertz-stralingsdetectors te vervangen – een spannende competitie. Toepassingen van infraroodsensoren bevinden zich in zo diverse gebieden als nachtkijkers, afstandsbedieningen, doelgerichte projectielen en hartslagsensoren, maar bijvoorbeeld ook – hier als alternatief voor röntgenstraling – in bagagescanners.

Massale synthese van complexe nanostaven

Om de optische, katalytische of magnetische eigenschappen van zelf complexe nanopartikels te voorspellen, wordt tegenwoordig graag kunstmatige intelligentie ingezet. Dit werkt zo succesvol dat vaak niet meer het ontwerp van nieuwe materialen de bottleneck is, maar de massale synthese van een groot aantal goede kandidaten, bedacht door de computer. Met standaard laboratoriumglaswerk kunnen nu heel eenvoudig en snel tot 65.000 nanostaven worden geproduceerd met verschillende combinaties van metallsulfidematerialen; enkele jaren geleden zou dit maanden of jaren hebben gekost.

Zo wordt op de huidige Ilmac in Basel een enorm veelzijdige nanochemie zichtbaar, die zich veel dynamischer zou kunnen ontwikkelen dan men zich recent nog had kunnen voorstellen.