Les nanosponges pourraient attaquer et neutraliser le virus SARS-COV-2

Les nanoparticules enveloppées dans les membranes des cellules pulmonaires humaines et les membranes des cellules immunitaires humaines peuvent attirer et neutraliser le virus SARS-CoV-2 en culture cellulaire, ce qui fait perdre au virus sa capacité à détourner les cellules hôtes et à se reproduire.

Les premières données décrivant cette nouvelle direction pour lutter contre COVID-19 ont été publiées le 17 juin dans la revue Nano lettres.

Les « nanosponges » ont été développées par des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego et testées par des chercheurs de l'Université de Boston.

Les chercheurs de l'UC San Diego appellent leurs nanoparticules des « nanosponges » parce qu'elles absorbent les agents pathogènes et les toxines nocifs.

Dans les expériences de laboratoire, les types de nanosponges des cellules pulmonaires et des cellules immunitaires ont fait perdre au virus SARS-CoV-2 près de 90% de son «infectiosité virale» de manière dose-dépendante.

L'infectiosité virale est une mesure de la capacité du virus à pénétrer dans la cellule hôte et à exploiter ses ressources pour se répliquer et produire des particules virales infectieuses supplémentaires.

Au lieu de cibler le virus lui-même, ces nanosponges sont conçues pour protéger les cellules saines envahies par le virus.

«Traditionnellement, les développeurs de médicaments pour les maladies infectieuses se plongent profondément dans les détails de l'agent pathogène afin de trouver des cibles médicamenteuses. Notre approche est différente.

Nous avons seulement besoin de savoir quelles sont les cellules cibles. Et puis nous visons à protéger les cibles en créant des leurres biomimétiques « , a déclaré Liangfang Zhang, professeur de nano-ingénierie à la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Son laboratoire a créé cette plate-forme de nanosponges biomimétiques il y a plus d'une décennie et l'a développée depuis pour une large gamme d'applications.

Lorsque le nouveau coronavirus est apparu, l'idée d'utiliser la plate-forme nanosponge pour le combattre est venue à Zhang « presque immédiatement », a-t-il dit.

En plus des données encourageantes sur la neutralisation du virus dans la culture cellulaire, les chercheurs notent que les nanosponges recouvertes de fragments des membranes externes des macrophages pourraient avoir un avantage supplémentaire: absorber les protéines de cytokines inflammatoires, qui sont impliquées dans certains des aspects les plus dangereux COVID-19 et sont entraînés par une réponse immunitaire à l'infection.

Fabrication et test de nanosponges COVID-19

Chaque nanosponge COVID-19; mille fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain; consiste en un noyau de polymère recouvert de membranes cellulaires extraites soit de cellules pulmonaires épithéliales de type II soit de cellules macrophages.

Les membranes couvrent les éponges avec tous les mêmes récepteurs protéiques que les cellules dont ils se font passer; et cela inclut intrinsèquement tous les récepteurs utilisés par le SARS-CoV-2 pour pénétrer dans les cellules du corps.

Les chercheurs ont préparé plusieurs concentrations différentes de nanosponges en solution pour tester contre le nouveau coronavirus.

Pour tester la capacité des nanosponges à bloquer l'infectiosité du SRAS-CoV-2, les chercheurs de l'UC de San Diego se sont tournés vers une équipe des Laboratoires nationaux des maladies infectieuses émergentes (NEIDL) de l'Université de Boston pour effectuer des tests indépendants.

Dans ce laboratoire BSL-4 – le plus haut niveau de biosécurité pour une installation de recherche – les chercheurs, dirigés par Anthony Griffiths, professeur agrégé de microbiologie à la Boston University School of Medicine, ont testé la capacité de diverses concentrations de chaque type de nanosponge à réduire la infectiosité du virus vivant du SRAS-CoV-2-; les mêmes souches qui sont testées dans d'autres recherches thérapeutiques et vaccinales sur COVID-19.

À une concentration de 5 milligrammes par millilitre, les éponges recouvertes de membrane de cellules pulmonaires ont inhibé 93% de l'infectiosité virale du SRAS-CoV-2. Les éponges recouvertes de macrophages ont inhibé 88% de l'infectiosité virale du SRAS-CoV-2. L'infectiosité virale est une mesure de la capacité du virus à pénétrer dans la cellule hôte et à exploiter ses ressources pour se répliquer et produire des particules virales infectieuses supplémentaires.

« Du point de vue d'un immunologiste et d'un virologue, la plate-forme nanosponge était immédiatement attrayante en tant qu'antiviral potentiel en raison de sa capacité à lutter contre les virus de toute nature. »

« Cela signifie que contrairement à un médicament ou à un anticorps qui pourrait bloquer très spécifiquement l'infection ou la réplication du SRAS-CoV-2, ces nanosponges de membrane cellulaire pourraient fonctionner de manière plus globale dans le traitement d'un large éventail de maladies infectieuses virales. »

« J'étais sceptique avec optimisme au départ que cela fonctionnerait, puis ravie une fois que j'ai vu les résultats et que cela a sombré dans ce que cela pourrait signifier pour le développement thérapeutique dans son ensemble », a déclaré Anna Honko, co-première auteure du document et d'une recherche. Professeur agrégé de microbiologie aux Laboratoires nationaux des maladies infectieuses émergentes de l'Université de Boston (NEIDL).

Au cours des prochains mois, les chercheurs et collaborateurs de l'UC San Diego évalueront l'efficacité des nanosponges dans des modèles animaux.

L'équipe de l'UC San Diego a déjà démontré une sécurité à court terme dans les voies respiratoires et les poumons des souris. Si et quand ces nanosponges COVID-19 seront testées chez l'homme, cela dépend de divers facteurs, mais les chercheurs avancent aussi vite que possible.

« Un autre aspect intéressant de notre approche est que, même lorsque le SRAS-CoV-2 mute, tant que le virus peut toujours envahir les cellules que nous imitons, notre approche nanosponge devrait toujours fonctionner. Je ne suis pas sûr que cela puisse être dit pour certains des vaccins et des thérapies en cours de développement « , a déclaré Zhang.

Les chercheurs s'attendent également à ce que ces nanosponges fonctionnent contre tout nouveau coronavirus ou même d'autres virus respiratoires, y compris tout virus susceptible de déclencher la prochaine pandémie respiratoire.

Imitation des cellules épithéliales pulmonaires et des cellules immunitaires

Étant donné que le nouveau coronavirus infecte souvent les cellules épithéliales pulmonaires comme première étape de l'infection au COVID-19, Zhang et ses collègues ont estimé qu'il serait logique de recouvrir une nanoparticule de fragments des membranes externes des cellules épithéliales pulmonaires pour voir si le virus pourrait être piégé en le verrouillant au lieu d'une cellule pulmonaire.

Les macrophages, qui sont des globules blancs qui jouent un rôle majeur dans l'inflammation, sont également très actifs dans les poumons au cours d'une maladie COVID-19, alors Zhang et ses collègues ont créé une deuxième éponge recouverte de membrane macrophagique.

L'équipe de recherche prévoit d'étudier si les éponges macrophages ont également la capacité de calmer les tempêtes de cytokines chez les patients COVID-19.

« Nous verrons si les nanosponges macrophages peuvent neutraliser la quantité excessive de ces cytokines ainsi que neutraliser le virus », a déclaré Zhang.

L'utilisation de fragments de cellules de macrophages comme capes s'appuie sur des années de travail pour développer des thérapies pour la septicémie à l'aide de nanosponges de macrophages.

Dans un article publié en 2017 dans Actes de l'Académie nationale des sciences, Zhang et une équipe de chercheurs de l'UC San Diego ont montré que les nanosponges de macrophages peuvent neutraliser en toute sécurité les endotoxines et les cytokines pro-inflammatoires dans la circulation sanguine des souris.

Une société de biotechnologie de San Diego cofondée par Zhang, appelée Cellics Therapeutics, travaille à traduire ce travail de nanosponge de macrophage dans la clinique.

Un potentiel thérapeutique COVID-19

La plate-forme nanosponge COVID-19 a des tests importants devant elle avant que les scientifiques ne sachent si ce serait une thérapie sûre et efficace contre le virus chez l'homme, a averti Zhang.

Mais si les éponges atteignent le stade de l'essai clinique, il existe plusieurs façons possibles de délivrer la thérapie qui comprend une administration directe dans les poumons pour les patients intubés, via un inhalateur comme pour les patients asthmatiques, ou par voie intraveineuse, en particulier pour traiter la complication d'une tempête de cytokines .

Une dose thérapeutique de nanosponges pourrait inonder le poumon d'un billion ou de plus petites nanosponges qui pourraient éloigner le virus des cellules saines. Une fois que le virus se lie avec une éponge, « il perd sa viabilité et n'est plus infectieux, et sera absorbé par nos propres cellules immunitaires et digéré », a déclaré Zhang.

Je vois le potentiel d'un traitement préventif, pour une thérapeutique qui pourrait être donnée tôt car une fois que les nanosponges pénètrent dans le poumon, elles peuvent rester dans le poumon pendant un certain temps, si un virus arrive, il pourrait être bloqué s'il y a des nanosponges en attente il. »

Liangfang Zhang, professeur de nano-ingénierie, Jacobs School of Engineering, UC San Diego

Un élan croissant pour les nanosponges

Le laboratoire de Zhang à UC San Diego a créé les premières nanoparticules recouvertes de membrane il y a plus de dix ans. La première de ces nanosponges était recouverte de fragments de membranes de globules rouges.

Ces nanosponges sont développées pour traiter la pneumonie bactérienne et ont subi toutes les étapes des tests précliniques par Cellics Therapeutics, la startup de San Diego cofondée par Zhang.

La société est actuellement en train de soumettre à la FDA la demande de nouveau médicament expérimental (IND) pour son candidat principal: les nanosponges de globules rouges pour le traitement de la pneumonie à Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM).

La société estime que les premiers patients d'un essai clinique seront traités l'an prochain.

Les chercheurs de l'UC San Diego ont également montré que les nanosponges peuvent délivrer des médicaments à un site de plaie; éliminer les toxines bactériennes qui déclenchent la septicémie et intercepter le VIH avant qu'il ne puisse infecter les cellules T humaines.

La construction de base de chacune de ces nanosponges est la même: un noyau polymère biodégradable approuvé par la FDA est recouvert d'un type spécifique de membrane cellulaire de sorte qu'il pourrait être déguisé en globule rouge, ou en cellule immunitaire T ou en plaquette. .

Le camouflage empêche le système immunitaire de repérer et d'attaquer les particules comme des envahisseurs dangereux.

« Je pense que les fragments de membrane cellulaire sont les ingrédients actifs. C'est une façon différente de voir le développement de médicaments », a déclaré Zhang.

« Pour COVID-19, j'espère que d'autres équipes proposeront des thérapies et des vaccins sûrs et efficaces dès que possible. En même temps, nous travaillons et planifions comme si le monde comptait sur nous. »