داروی AeroNabs یک محافظ قدرتمند و استنشاقی در برابر COVID-19

11 اوت 2020 - در حالیکه جهان در انتظار واكسنهایی برای كنترل همه گیری COVID-19 است، دانشمندان UC سانفرانسیسكو به رهبری دکتر مایکل شوف، روش جدیدی را برای متوقف کردن گسترش  SARS-CoV-2، ویروسی که باعث COVID-19 شده است، ابداع کرده اند. محققان یک مولکول کاملاً مصنوعی و آماده ی تولید را مهندسی کردند که قسمتی از ویروس SARS-CoV-2 را که برای آلوده کردن سلولهای ما مهم است، از کار می اندازد. محققان این مولکول را در یک فرمولاسیون آئروسلی که می تواند بصورت یک اسپری بینی یا استنشاقی توسط افراد استفاده شود، آزمایش کردند.

بر اساس این مقاله ی جدید که هم اکنون در سرور bioRxiv منتشر شده است، آزمایشات با استفاده از ویروس زنده نشان می دهد که این مولکول جزء قوی ترین آنتی ویروس های SARS-CoV-2 است که تاکنون کشف شده است.

فورمولاسیون آئروسلی این مولکول که توسط محققان"AeroNabs"  نام گرفته است، می تواند با یک اسپری بینی یا استنشاقی توسط افراد استفاده شود. AeroNabs یک بار در روز، تا زمانی که واکسنی برای این بیماری تایید شود، می تواند محافظت قدرتمند و قابل توجهی را در برابر SARS-CoV-2 فراهم کند. محققان در حال بحث و گفتگوهای فعال با شرکای تجاری برای تقویت تولید و آزمایش های بالینی AeroNabs هستند. در صورت موفقیت آمیز بودن این آزمایشات، دانشمندان قصد دارند تاAeroNabs  را به عنوان یک داروی بدون نسخه ارزان قیمت برای جلوگیری و درمان COVID-19 در دسترس همگان قرار دهند.

پیتر والتر، یکی از مخترعانAeroNabs ، استاد بیوشیمی و بیوفیزیک UCSF و پژوهشگر موسسه پزشکی هوارد هیوز، گفت: این مولکول، به مراتب مؤثرتر از اشکال پوشیدنی تجهیزات محافظ شخصی است، ما از AeroNabs به عنوان یک شکل مولکولی PPE استفاده می کنیم که می تواند به عنوان مهمترین راه حل تا زمانی که واکسن ها به عنوان راه حل دائمی تر برای COVID-19 ارائه گردند، استفاده شود. دکتر والتر افزود: برای کسانی که نمی توانند به واکسن های SARS-CoV-2 دسترسی پیدا کنند، یا به واکسن ها پاسخ نمی دهند، AeroNabs می تواند یک خط دفاعی دائمی در برابرCOVID-19  باشد.

مایکل شوف، عضو آزمایشگاه والتر و مخترعAeroNabs ، گفت: ما یک گروه باورنکردنی از بیوشیمیستهای با استعداد، زیست شناسان سلولی، ویروس شناسان و زیست شناسان ساختاری را دور هم جمع کردیم تا این پروژه را در طی چند ماه به پایان رسانیم.

طراحی الهام گرفته از لاما

اگرچه AeroNabs به طور کامل در آزمایشگاه مهندسی شده است، اما ساختار آن از پروتئین های ایمنی شبه آنتی بادی(نانوبادی ها) که بطور طبیعی در لاماها، شترها تولید می شوند، الهام گرفته شد. از زمان کشف آنها در یک آزمایشگاه در بلژیک در اواخر دهه 1980، خواص متمایز این نانوبادیها، دانشمندان را در سراسر جهان شیفته کرده است.

دکتر Aashish Manglik، یکی از محققان دخیل در این اختراع و استادیار شیمی دارویی توضیح داد: گرچه این نانوبادیها بسیار شبیه به آنتی بادی های موجود در سیستم ایمنی بدن انسان هستند، تعدادی از مزایای منحصر به فرد را برای داروهای موثر در برابر SARS-CoV-2 ارائه می دهند. دکتر Manglik، به طور مکرر از نانوبادی ها به عنوان ابزاری در تحقیقات خود در مورد ساختار و عملکرد پروتئین هایی که سیگنال هایی را از طریق غشاء سلول ارسال و دریافت می کنند، استفاده کرده است.این نانوبادیها از نظر اندازه کوچکتر از آنتی بادی های انسانی هستند، که باعث می شود دستکاری و اصلاح آنها در آزمایشگاه راحت تر شود. اندازه ی کوچک و ساختار نسبتاً ساده ی آنها همچنین باعث می شود آنها نسبت به آنتی بادی های سایر پستانداران به طور قابل توجهی پایدارتر باشند. بعلاوه، برخلاف آنتی بادی های انسانی، تولید نانوبادی ها به راحتی و انبوه امکان پذیر است: دانشمندان ژن های این نانوبادیها را که حاوی نقشه های مولکولی تولید آنها است، به ژنوم E. coli  یا مخمر وارد می کنند و این میکروب ها را به کارخانه هایی با بازده بالا برای تولید نانوبادی ها تبدیل می کنند. از همین روش بطور ایمن به مدت چندین دهه برای تولید انبوه انسولین استفاده شده است.

اما دکتر مانگلیک خاطرنشان کرد: نانوبادی ها فقط نقطه شروع برای ما بودند. اگرچه به خودی خود جذاب هستند، اما ما فکر کردیم که می توانیم از طریق مهندسی پروتئین، آنها را ارتقا دهیم و در نهایت موفق به توسعه یAeroNabs  شدیم.

پروتئین اسپایک کلید عفونت است

 ویروس SARS-CoV-2، برای آلوده کردن سلول ها به پروتئین های معروف به spike خود متکی است. پروتئین های spike در سطح ویروس پراکنده اند و در زیر میکروسکوپ الکترونی، ظاهری شبیه به تاج دارند و از این رو نام "coronavirus" برای این خانواده ویروسی انتخاب شده است که شامل SARS-CoV-2 نیز هست. با این حال spikeها بیش از یک دکوراسیون هستند، آنها کلید اساسی برای ورود ویروس به سلول های ما هستند.

مانند ابزار قابل جمع شدن، spikeها می توانند از حالت بسته و غیرفعال به حالت باز و فعال تبدیل شوند. هنگامی که هر یک از تقریباً 25 spike روی یک ذره ی ویروسی فعال شوند، سه دومین اتصال دهنده به گیرنده، یا RBD در هر اسپایک در سطح قرار می گیرند و برای اتصال به پروتئین   ACE2در سطح سلولهای انسانی آماده می شوند. ACE2 گیرنده ای است که در سطح سلول های انسانی که ریه و راه هوایی را مفروش می کنند، یافت می شود.

از طریق تعامل قفل و کلید مانندی که بین گیرنده ACE2 و یک RBD از اسپاک رخ می دهد، ویروس وارد سلول می شود، و در آنجا میزبان جدید خود را به یک سازنده ی کورونا ویروس تبدیل می کند. محققان معتقد بودند كه اگر آنها بتوانند نانوبادیهایی كه مانع از برهم كنش spike با ACE2 می شوند را پیدا كنند، می توانند مانع از ورود ویروس به سلول ها شوند.

نانو بادیها spikeها را غیرفعال می کنند و از عفونت جلوگیری می کنند

دانشمندان برای یافتن کاندیدهای مؤثر، كتابخانه ای را كه اخیراً در آزمایشگاه دکتر مانگلیك ساخته شده بود، و حاوی بیش از 2 میلیارد نانوبادی مصنوعی بود، بررسی کردند. دانشمندان پس از انجام آزمایشهای متوالی، معیارهای سختگیرانه ای را برای از حذف نامزدهای ضعیف یا ناکارآمد وضع کردند، سپس به 21 نانوبادی دست یافتند که مانع از تعامل یک فرم تغییر شکل یافته ی پروتئین spike با ACE2 می شدند.

آزمایش های بیشتر، از جمله با استفاده از میکروسکوپ cryo-electron  برای مشاهده ی اتصال نانوبادی-spike، نشان داد که قوی ترین نانوبادیها مانع از تعامل spike با ACE2 از طریق اتصال مستقیم به RBDهای spike می شوند. این نانوبادیها کمی شبیه به یک غلاف هستند که کلید یعنی "RBD" را پوشانده و از ورود آن به داخل قفل یعنی "ACE2" جلوگیری می کنند.

با وجود این یافته ها، محققان هنوز هم باید اثبات می کردند که این نانوبادی ها می توانند از ورود ویروس واقعی به سلولها جلوگیری کنند. پرفسور Veronica Rezelj، ویروس شناس، در آزمایشگاه پرفسور Marco Vignuzzi، در انستیتو پاستور در پاریس، سه نوع از امیدوار کننده ترین نانوبادی ها را در برابر ویروس SARS-CoV-2 آزمایش کرد، و دریافت که این نانوبادی ها بطور فوق العاده ای قدرتمند هستند و حتی در دوزهای بسیار پایین از بروز عفونت جلوگیری می کنند.

قوی ترین این نانوبادی ها، نه تنها به عنوان یک غلاف بر روی RBDها عمل می کند، بلکه مانند یک قفس مولکولی نیز عمل می کند و بر روی حالت بسته و غیرفعال پروتئین spike می چسبد، که باعث می شود یک لایه اضافی محافظت در برابر تعامل spike- ACE2ایجاد کرده و از ورود ویروس به سلول و بروز عفونت جلوگیری کند.

از نانوبادی ها تا AeroNabs

دانشمندان سپس این نوع نانوبادی را که دارای دو عملکرد بود، به چندین روش مهندسی كردند تا آن را به یك ضد ویروس قوی تر تبدیل كنند. در یک مجموعه از آزمایشات، آنها هر یک از اسید آمینه های این نانوبادی را که به spike متصل می شد دچار جهش کردند تا در نهایت دو تغییر خاص را در توالی اسید آمینه های این نانو بادی یافتند که منجر به افزایش 500 برابری قدرت مهار کنندگی ویروسی آن شد.

در یک مجموعه ی جداگانه از آزمایشات، آنها زنجیره ای مولکولی را مهندسی کردند که می توانست سه عدد از این نانوبادی را به هم متصل کند. همانطور که اشاره شد، هر پروتئین spike دارای سه RBD است که هر یک از آنها می توانند به ACE2 متصل شوند تا بتوانند ویروس را وارد سلول کنند. 3 نانوبادی متصل به هم، به محققان این اطمینان را می دهد كه اگر یك نانوبادی به RBD متصل شود، دو نانوبادی دیگر به RBDهای باقی مانده متصل می شوند. آنها دریافتند که این نانوبادی سه گانه، دویست هزار برابر قدرتمندتر از یک نانوبادی به تنهایی عمل می کند.

وقتی محققان نتایج هر دو اصلاح را ترسیم کردند و سه نانوبادی قدرتمند جهش یافته را به هم پیوند دادند، نتایج "خارج از نمودارها" قرار گرفت. دکتر والتر گفت: این " 3 گانه ی نانوبادی جهش یافته" آنقدر مؤثر بود که از توانایی ما در سنجش قدرت آن فراتر رفت.

استفاده ی آسان بصورت آئروسل

این ساختار نانوبادی سه بخشی بسیار قدرتمند پایه و اساس AeroNabs را تشکیل داد.

در مجموعه ای از آزمایشات نهایی، محققان نانوبادی های سه بخشی را تحت یک سری تست استرس قرار داده و آنها را در معرض درجه حرارت بالا قرار دادند، سپس آن را به پودری تبدیل کردند که در قفسه پایدار بماند و از آن آئروسل ساختند. هر یک از این فرایندها برای اکثر پروتئین ها بسیار مضر است، اما دانشمندان تأیید کردند که به لطف پایداری ذاتی نانوبادی ها، قدرت ضد ویروسی آنها در فرم ذرات معلق در هوا یا آئروسل از بین نرفت، این نشان می دهند که AeroNabs یک ضد ویروس قوی SARS-CoV-2 است که می تواند از طریق یک دستگاه استنشاقی یا اسپری بینی مورد استفاده قرار گیرد.

دکتر مانگلیک گفت: ما تنها در فکر این نیستیم که AeroNabs یک فناوری قابل توجه است. تیم ما در حال بحث و گفتگو با شرکای تجاری بالقوه است که علاقه مند به تولید و توزیع AeroNabs هستند، و ما امیدواریم که بزودی کارآزمایی های انسانی آن را آغاز کنیم. اگر AeroNabs به همان اندازه که پیش بینی می کنیم اثربخش باشد، ممکن است به تغییر شکل روند همه گیری در سراسر جهان کمک کند.

منبع:

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200811234951.htm