Nano przeciwko koronawirusowi?

Czy struktury o rozmiarze nanometrowym są zbyt małe, aby je zobaczyć? – Dzięki specjalnym mikroskopom jest to dziś możliwe: system mikroskopowy oparty na strukturalnym oświetleniu (N-SIM, Nikon), rozdzielczość sięgająca nawet do dolnego zakresu nanometrowego dzięki stochastycznej rekonstrukcji optycznej (N-Storm, Nikon), szczególnie ergonomicznie zaprojektowany mikroskop badawczy, mikroskop odwrócony jako podstawa dla metod super rozdzielczości (N-Dtorm N-SIM). (Obraz: Nikon)

Czy struktury o rozmiarze nanometrowym są zbyt małe, aby je zobaczyć? – Dzięki specjalnym mikroskopom jest to dzisiaj możliwe: system mikroskopowy oparty na strukturalnym oświetleniu (N-SIM, Nikon), rozdzielczość sięgająca nawet do dolnego nanometra dzięki stochastycznej rekonstrukcji optycznej (N-Storm, Nikon), szczególnie ergonomicznie zaprojektowany mikroskop badawczy, mikroskop badawczy odwrócony jako podstawa dla metod super rozdzielczości (N-Dtorm N-SIM). (Zdjęcie: Nikon)

Czy struktury o rozmiarze nanometrowym są zbyt małe, aby je zobaczyć? – Dzięki specjalnym mikroskopom jest to dziś możliwe: system mikroskopowy oparty na strukturalnym oświetleniu (N-SIM, Nikon), rozdzielczość sięgająca nawet do dolnego nanometra dzięki stochastycznej rekonstrukcji optycznej (N-Storm, Nikon), szczególnie ergonomicznie zaprojektowany mikroskop badawczy, mikroskop badawczy odwrócony jako podstawa dla metod super rozdzielczości (N-Dtorm N-SIM). (Obraz: Nikon)

Czy struktury o rozmiarze nanometrowym są zbyt małe, aby je zobaczyć? – Dzięki specjalnym mikroskopom jest to dzisiaj możliwe: system mikroskopowy oparty na strukturalnym oświetleniu (N-SIM, Nikon), rozdzielczość sięgająca nawet do dolnego zakresu nanometrów dzięki stochastycznej rekonstrukcji optycznej (N-Storm, Nikon), szczególnie ergonomicznie zaprojektowany mikroskop badawczy, mikroskop badawczy odwrócony jako podstawa dla metod super rozdzielczości (N-Dtorm N-SIM). (Zdjęcie: Nikon)

Żelazo(III) znany jest jako rdza, którą staramy się unikać. Jednak nano-żelazo(III) jest potężnym środkiem kontrastowym do obrazowania medycznego. Nano-Graphen stanowi między innymi podstawę nowych detektorów podczerwieni dalekiej – i na koniec: nanocząsteczkowe szczepionki mogłyby uczynić niebezpieczny nowy wirus SARS-CoV-2 nieszkodliwym.

Szczepionki żywe mają ryzyko bezpieczeństwa, ponieważ mogą powrócić do swojego wirulentnego stanu. Szczepionki inaktywowane działają stosunkowo słabiej i są bardziej skomplikowane w produkcji. Nanobiotechnologia oferuje rozwiązania dla obu tych słabości konwencjonalnych szczepionek.

W kształcie i rozmiarze nanocząsteczki stosowane w tym celu przypominają wirusa i dlatego są szczególnie dobrze otaczane przez komórki prezentujące antygen. Te z kolei aktywują ostatecznie pożądaną specyficzną odporność immunologiczną. Charakterystyczną cechą wielu szczepionek opartych na nanocząsteczkach jest to, że epitopy, czyli fragmenty molekularne wywołujące odpowiedź immunologiczną, powtarzają się (repetetywne epitopy) – co jest korzystne dla ich rozpoznawalności.

Całkowicie nowe nie są szczepionki oparte na nanocząsteczkach. Już w 1986 roku zatwierdzono szczepionkę na wirus zapalenia wątroby B. Obecnie istnieje kilka możliwości. Na przykład cząsteczki w zakresie od 1 do 1000 nanometrów mogą służyć jako materiały nośnikowe, tak jak w przypadku szczepionki na wirus zapalenia wątroby B.

Jednym z najbardziej obiecujących koncepcji realizuje firma Alpha-O Peptides z Riehy w swoich samoskładających się nanocząsteczkach białkowych. Proteiny użyte w tym procesie łączą się w wyniku oddziaływań hydrofobowych i jonowych w nanocząsteczki białkowe. Powstają głównie struktury α-helikalne, które dzięki silnym wiązaniom tworzą „superspiralizowane” struktury. Udało się na tej podstawie zbudować platformę nanocząsteczek do szczepionek, czyli podstawową strukturę o określonej symetrii i rozmiarze (dokładniej: dodekaedryczno-ikosaedryczna symetria, rozmiar cząsteczki: 16–25 nm, jak kapsyd wirusa). Ta podstawowa struktura może być dostosowana do zwalczania różnych wirusów (np. przez wybór epitopek).

Alpha-O Peptides ma już w fazie testów szczepionkę przeciwko malarii (status: badania kliniczne na ludziach, faza I/IIa w USA) i opracowała kolejną przeciwko wirusowi SARS-CoV-2. Obecnie testuje się ją na zwierzętach, aby sprawdzić, czy rzeczywiście pobudza organizm do produkcji przeciwciał i czy te ostatecznie mogą uczynić wirusa nieszkodliwym.

Wygodna dwuskładnikowa szczepionka nano

Inna nowa szczepionka, która już była testowana na makakach, opiera się na tak zwanym replicon-RNA (repRNA). Zaleta: silnie pobudza produkcję przeciwciał, nie musząc wnikać do jądra komórkowego. Wada: poza komórkami repRNA jest szybko rozkładane przez enzymy.

Obecnie tę wadę można zrekompensować, pakując substancję czynną do specjalnych, chroniących nanocząsteczek, tak zwanych „Lipid Inorganic Nanoparticles” (Lions). Jeśli tak zwany HDT-301 okaże się skuteczny w badaniach klinicznych, można by mieć szczepionkę składającą się z dwóch składników; można je wygodnie produkować oddzielnie i łączyć na łóżku pacjenta – gotowe do iniekcji.

Nanocząsteczki żelaza(III) do obrazowania metodą MRI/CT

Kolejne zastosowanie nanotechnologii w medycynie dotyczy obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Wykorzystuje się fakt, że czasy relaksacji wywołanych jąder wodoru różnią się w zależności od tkanek, co tworzy efekt „kontrastowania”. Dzięki selektywnemu wzbogaceniu nanocząsteczkami żelaza(III) można precyzyjnie sterować tym efektem, poprawiając jakość obrazowania. Nanocząsteczki te zmieniają relaksację wodoru w swoim otoczeniu.

Wiele pomysłów wykracza daleko poza to. Na przykład nanocząsteczki żelaza(III) można osadzać w polymerowych nanocząsteczkach. W formie dużych, produkowanych masowo nanocząsteczek typu core/shell „Fe3O4@MAOETIB” można je wykorzystywać zarówno do MRI, jak i do tomografii komputerowej (CT). Jako podwójne środki kontrastowe do połączonych badań CT/MRI mają duży potencjał, aby ułatwić obrazowanie guzów.

W dziedzinie analityki podczerwieni cienkie struktury grafenowe stanowią nowy punkt wyjścia do ulepszonych detektorów. Są to dalekosiężne detektory podczerwieni z nanorozmachem grafenu jako elementem światłoczułym, do tego czarny fosfor i arsen. Naukowcy z Laboratorium Materiałów 2D i Nanogadżetów w Moskwie widzą szansę na zastąpienie takich detektorów wszystkimi detektorami promieniowania dalekiej podczerwieni i terahercowego – ekscytująca konkurencja. Detektory podczerwieni znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak noktowizja, piloty, systemy celownicze i czujniki tętna, a także – jako alternatywa dla rentgena – w skanerach bagażu.

Masowa synteza złożonych nanokijek

Aby przewidzieć właściwości optyczne, katalityczne lub magnetyczne nawet bardzo skomplikowanych nanocząsteczek, obecnie chętnie stosuje się sztuczną inteligencję. Działa to tak skutecznie, że często nie jest już ograniczeniem projekt nowego materiału, lecz masowa synteza wielu dobrych kandydatów, wymyślonych przez komputer. Za pomocą standardowych naczyń laboratoryjnych można teraz bardzo łatwo i szybko wyprodukować do 65 000 nanokijek o różnych kombinacjach materiałów siarczku metalu; kilka lat temu na to potrzeba byłoby miesięcy lub lat.

Tak więc na tegorocznym Ilmac w Bazylei dostępna będzie niezwykle różnorodna nanochemia, która może się rozwijać znacznie szybciej, niż można było to niedawno sobie wyobrazić.