Terapie antivirali basate sulle nanotecnologie. Grafene, Carbonio, DNA o RNA

Introduciamo questo studio a scopo informativo e ne indichiamo il link dove poter scaricare questo studio in forma integrale. Lo scopo è quello di informare su quanto già da alcuni anni e nello specifico di questo studio pubblicato nel 2020, viene applicata la nanotecnologia in ambito terapeutico. L'uso del #grafene è qui ben spiegato con alcuni estratti in lingua Italian. Autori: Chakravarty, Malobika, Vora, Amisha - Per tutti i dettagli rimandiamo allo studio originale . Questo documento non è integrale, quindi per ogni dettaglio è necessario consultare il PDF originale. Qui riportiamo alcuni aspetti di rilievo in cui si parla di Grafene, Terapie Virali e dettagli cronologici per dare una maggiore comprensione al lettore.

Il sistema immunitario dell'ospite è altamente compromesso in caso di infezioni virali e le ricadute sono molto comuni. La capacità del virus di distruggere la cellula ospite liberando il proprio DNA o RNA e replicandosi all'interno della cellula ospite pone sfide nello sviluppo di terapie antivirali. Negli ultimi anni sono state esplorate molte nuove tecnologie per la diagnosi, la prevenzione e il trattamento delle infezioni virali. La nanotecnologia è emersa come una delle tecnologie più promettenti grazie alla sua capacità di affrontare le malattie virali in modo efficace, affrontando i limiti dei farmaci antivirali tradizionali. Non solo ci ha aiutato a superare i problemi legati alla solubilità e alla tossicità dei farmaci, ma ha anche conferito ai farmaci proprietà uniche, che a loro volta hanno aumentato la loro potenza e selettività verso le cellule virali contro le cellule ospiti.La parte iniziale dell'articolo si concentra su alcune importanti proteine del virus influenzale, Ebola, HIV, herpes, Zika, dengue e corona e quelle delle cellule ospiti importanti per il loro ingresso e replicazione nelle cellule ospiti. Questo è seguito da diversi tipi di nanomateriali che sono serviti come veicoli di consegna per i farmaci antivirali. Comprende vari nanomateriali a base di lipidi, polimeri, ibridi lipidi-polimero, carbonio, metalli inorganici, modificati in superficie e sensibili agli stimoli e la loro applicazione nelle terapie antivirali. Gli autori evidenziano anche nuovi approcci terapeutici promettenti come nanotrappole, nanorobot, nanobolle, nanofibre, nanodiamanti, nanovaccini e modelli matematici per il futuro.Il documento è stato aggiornato con i recenti sviluppi negli approcci basati sulla nanotecnologia in vista della pandemia in corso di #COVID-19.

introduzione

Il mondo è progredito in molti ambiti, ma le malattie virali continuano ad esistere e contribuiscono alla mortalità dell'umanità insieme alle sue varie manifestazioni socioeconomiche. Negli ultimi tempi, ci sono state epidemie di diverse infezioni virali causate da virus corona, virus Nipah, virus Ebola, virus Zika, virus dengue, virus chikungunya e diversi ceppi di virus dell'influenza: H5N1 (influenza aviaria) e H1N1 e H3N2 (influenza suina ). Di recente, il nuovo coronavirus (nCoV) ha causato finora una grave pandemia che ha causato la morte di circa 2,1 lakh di persone (numero lakh (लाख) (abbreviato con L e spesso scritto come Lac o Lacs) è un'unità del sistema di numerazione indiano pari a centomila (100 000; 105) e viene scritto come 1 00 000. Per fare un esempio, in India 150 000 rupie diventano 1,5 lakh, scritto come ₹1 50 000.), con un forte impatto sulle implicazioni socioeconomiche in tutto il mondo. Nel 2018, in India sono stati segnalati diciannove casi di virus Nipah, 17 dei quali hanno provocato la mortalità. Dal 2001, il tasso di mortalità dovuto all'infezione da virus Nipah è stato segnalato tra il 68 e il 100% in India [ 1]. La grave epidemia della malattia da virus Ebola nell'Africa occidentale durante il periodo 2014-2016 ha causato 11.315 vittime su 28.616 casi segnalati. In Australia, nel 2019, nel primo trimestre stesso, sono state ricevute 27.540 notifiche di influenza. Sebbene sia stata segnalata una diminuzione dell'attività dell'influenza per i vari continenti in tutto il mondo, nelle varie parti del mondo sono stati osservati diversi ceppi del virus dell'influenza con predominanza del virus dell'influenza stagionale A [ 2 ]. La trasmissione del virus Zika ha assunto una proporzione epidemica in varie parti del mondo negli ultimi anni. Attualmente, si ritiene che la dengue affligga il sud-est asiatico 17 volte di più rispetto ad altre infezioni virali, aumentando così il costo del trattamento della dengue a circa $ 950 milioni [ 3]. Inoltre, nel maggio 2018, circa 164.000 casi di dengue si erano verificati a livello globale [ 4 ]. Pertanto, le ramificazioni economiche associate alle malattie virali sono state piuttosto elevate. Vari fattori di rischio identificati per le infezioni virali includono rischi ambientali tra cui approvvigionamento idrico, strutture igienico-sanitarie e clima, stile di vita tra cui fumo e alcolismo, particolare area geografica, varie procedure mediche come trasfusioni di sangue, interventi chirurgici, trasmissione da vettori, ecc. Mentre tra questi, alcuni fattori sono inevitabili e devono essere prese precauzioni per evitarli, gli sforzi possono essere diretti verso gli altri per suscitare una risposta positiva.

La principale sfida che rimane nello sviluppo di agenti antivirali efficaci è la capacità del virus di moltiplicarsi nella cellula ospite liberando il proprio DNA o RNA. Il sistema immunitario dell'ospite è altamente compromesso in caso di infezioni virali e le ricadute sono molto comuni. Inoltre, a causa delle complessità associate ai virus, il trattamento è per lo più sintomatico e l'eradicazione completa del virus potrebbe non essere possibile. Distinguere e diagnosticare il tipo esatto di malattia virale è piuttosto impegnativo. A volte, a causa dell'esposizione passata, gli anticorpi virali presenti nell'ospite possono attivarsi, rendendo difficile la rilevazione di infezioni accidentali [ 8]. Le difficoltà incontrate nella prevenzione, nel rilevamento o nel trattamento sono viste come un segnale rosso dalla comunità di ricerca e sono state esplorate nuove tecnologie per superare i limiti delle attuali terapie. La presente revisione raccoglie i recenti progressi compiuti in questa direzione e apre nuove strade per ulteriori ricerche per la diagnosi e il trattamento delle infezioni virali.

Meccanismi generali di patogenesi delle infezioni virali La maggior parte delle infezioni virali è subclinica, in cui il meccanismo di difesa dell'organismo arresta il decorso dell'infezione prima che i sintomi clinici si manifestino. Tali infezioni sono di grande importanza epidemiologica in quanto diventano il mezzo di diffusione del virus attraverso le popolazioni. I vari stadi della patogenesi della malattia virale includono quanto segue: (i) attaccamento del virus al punto di ingresso, (ii) penetrazione nella cellula ospite, (iii) rimozione del virus, (iv) replicazione tramite trascrizione e traduzione che porta alla sintesi di proteine virus-specifiche, (v) assemblaggio di capsidi nudi attraverso il nucleocapside e (vi) rilascio di virioni con conseguente ulteriore diffusione di infezioni [ 9]. I fattori che influenzano i meccanismi di patogenesi includono l'accessibilità del tessuto al virus causale, la suscettibilità della cellula alla replicazione virale e la resistenza del virus ai meccanismi di difesa dell'ospite. L'affinità del virus per infettare un tessuto specifico dipende da vari fattori come la presenza di recettori virus-specifici sulla cellula, fattori di trascrizione cellulare che consentono alla cellula di riconoscere le sequenze promotrici e potenziatrici virali, il pH locale, la temperatura e la presenza di enzimi che può inattivare il virus [ 10]. I meccanismi adottati dal virus per causare la distruzione della cellula ospite comportano il blocco della sintesi cellulare delle macromolecole che compromettono l'energia cellulare. L'integrazione del genoma virale con il genoma dell'ospite che causa mutazioni nel genoma dell'ospite è la via indiretta al danno cellulare. Il processo di infezione viene studiato sulla base della virulenza, dei fattori virus-dipendenti, dei geni di virulenza, della quantità di inoculo, della velocità di replicazione e del grado di diffusione dell'infezione virale [ 11 ]. Il problema principale legato allo studio delle malattie virali è che è difficile valutare il modo in cui le difese dell'ospite interagirebbero con il virus. Può agire prevenendo la crescita del virus o può stimolare la risposta immunologica nel tessuto interessato [ 12]. Le strutture di base dei virus, alcune importanti proteine del virus e della cellula ospite che svolgono un ruolo significativo nel suo ingresso, replicazione e diffusione, e trattamenti e vaccini attualmente disponibili approvati dalla FDA sono presentati nella Tabella 1 . Una rappresentazione pittorica di questi processi nell'influenza, dengue, Ebola, virus Zika, infezione da herpes e HIV è fatta in Fig. 1 .

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Tabella integrale fare riferimento al PDF pag 750

24 farmaci approvati

La malattia causali agente Famiglia proteine virali Proteine della cellula ospite importanti per l'interazione con il virus Farmaci attualmente approvati dalla FDA Vaccini attualmente approvati Influenza Virus dell'influenza A e B Virus a RNA a singolo filamento a senso negativo ( Orthomyxoviridae ) Proteine strutturali: Emagglutinina (HA) Neuraminidasi (NA) Nucleoproteina (NP) Proteine di matrice: M1 e M2 Proteine non strutturali: NS1 e NS2 Subunità della polimerasi PA, PB1, PB2 e PB1F2 Residui di acido sialico sulla superficie, proteasi della cellula ospite Oseltamivir, zanamivir, peramivir, baloxavir marboxil Un vaccino annuale disponibile Ebola Virus a RNA non segmentato a singolo filamento con involucro, senso negativo Filoviridae Causa grave febbre emorragica Sette proteine strutturali e due proteine non strutturali Proteine strutturali: Nucleoproteina (NP) Proteine del capside: VP30, VP35 Proteine della matrice: VP40 e VP24 Proteine di fusione della membrana: GP 1,2 RNA polimerasi RNA-dipendente (L) Proteine non strutturali: GP solubile (sGP) e piccolo GP solubile (ssGP) Lectine di tipo C (CLEC), fosfatidilserina (recettori PtdSer), dominio C di NPC1, canali del calcio a due pori Proteasi Nessun farmaco attualmente approvato Farmaci in studio: uso di anticorpi monoclonali (Zmapp), siRNA (TKM-Ebola), interferoni, derivati della neplanocina e inibitori dell'α-glucosidasi del reticolo endoplasmatico e inibitori nucleosidici/nucleotidici di piccole molecole (brincidofovir) Ervebo approvato a dicembre 2019 AIDS HIV-1 (più virulento) e HIV-2 Virus con involucro di senso positivo a filamento singolo Retroviridae Proteine strutturali: Glicoproteina dell'involucro (gp) costituita da due subunità: gp120 e gp41 Proteine strutturali principali: p18, p24 Proteine del nucleocapside: p7 Proteine dell'assemblaggio tardivo: p6 Proteine regolatorie: Trascrittasi inversa (RT) Integrasi Tat e TAR Proteasi Recettori CD4, recettori per chemochine: CXCR4 o CCR5 espressi principalmente su macrofagi, linfociti Nessuno Herpes Herpes simplex virus di tipo 1 e di tipo 2 (HSV-1 e HSV-2) Virus a DNA a doppia elica Herpesviridae (lesioni orali e genitali da encefalite) 11 glicoproteine tra cui gB e gC. gD Proteine del tegumento, proteina di chiusura virus-ospite (VHS), VP 16 Proteine regolatorie: proteine precoci immediate (IE), RNA polimerasi II DNA polimerasi, elicasi primasi I proteoglicani dell'eparina solfato presentano siti di legame per gB e gC Il mediatore di ingresso del virus dell'herpes (HVEM), le nectine 1 e 2 e l'eparina solfato 3-O (3 OSHS) presentano il sito di legame per gD Tre farmaci approvati: Aciclovir Valacyclovir Famciclovir inibitori della polimerasi del DNA Herpes Helicase primasi inibitori Nessuno Virus Zika virus a RNA a filamento positivo Flaviviridae Capside, involucro, precursore della proteina di membrana (C, E e prM) e delle sette proteine non strutturali (NS1, NS2A, NS2B, NS3, NS4A, NS4B e NS5) AXL, TIM, TAM, DC-SIGN e Tyro 3 gas6 Nessuno Come obatoclax, cavinafungin, sofosbuvir, 7-DMA, BCX4450 e NITD008 Nessuno Virus della dengue Virus a RNA a senso positivo a singolo filamento Tre proteine strutturali: la proteina di membrana M, la proteina dell'involucro E, la proteina del capside C Sette proteine non strutturali: NS1, NS2a, NS2b, NS3, NS4a, NS4b, NS5 Glicosaminoglicani (GAG) come eparansolfato e lectine, recettori del mannosio sui macrofagi, molecola di adesione delle cellule dendritiche (DC-SIGN), recettore dei lipopolisaccaridi (LPS) CD14, proteine da shock termico: HSP90/HSP70, chaperonina ER GRP78 TIM/TAM Recettori Fcγ dei macrofagi Nessuno Dengvaxia approvato a maggio 2019 Corona virus SARS-CoV2 Poliproteine PP1a, PP1ab, proteasi 16 proteine non strutturali: NSP1-NSP16 Proteine strutturali: proteina spike (S), proteine nucleocapside Recettori dell'enzima di conversione dell'angiotensina II (recettori ACEII), serina proteasi della superficie cellulare TMPRSS2 Nessuno Nessuno Nanoformulazione a base di carbonio Le nanoformulazioni a base di carbonio sono costituite da nanotubi di carbonio, nanoparticelle di ossido di grafene e fullereni.

Nanotubi di carbonio I nanotubi di carbonio (CNT) sono nanomateriali cavi di forma cilindrica, visti come tubi realizzati arrotolando fogli di grafene planari. Possono essere visti come provenienti dall'avvolgimento di un foglio di grafene, chiamato nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), o da una serie di fogli di grafene arrotolati concentrici chiamati nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) [ 157 ]. La struttura cilindrica è ricoperta da fogli di fullerene su un'estremità o su entrambe le estremità. Gli atomi di carbonio ibridati sp 2 nei fogli di grafene conferiscono una forza unica ai CNT. Inoltre, mostrano altre caratteristiche uniche come proporzioni elevate, elevata area superficiale, capacità di penetrazione delle celle e peso ultraleggero [ 158]. La tecnica di deposizione chimica da vapore (CVD), la tecnica di ablazione laser e le tecniche di scarica ad arco elettrico sono comunemente impiegate per la preparazione di nanotubi di carbonio [ 159 ]. Sebbene i CNT siano ampiamente esplorati per la somministrazione di agenti chemioterapici nel sito bersaglio, la loro applicazione complessiva in campo biomedico è limitata a causa della tossicità polmonare e dell'elevata idrofobicità [ 160 ]. I meccanismi proposti per la tossicità sono captati dai macrofagi con successiva generazione di ROS e mediatori dell'infiammazione. Tuttavia, i CNT funzionalizzati hanno mostrato una tossicità ridotta e una maggiore biodegradabilità. I CNT possono essere decorati con peptidi, carboidrati e polimeri e possono essere utilizzati per terapie mirate, quando necessario [ 161]. In uno studio, Kumar et al. ha affermato circa i nanotubi a parete multipla (MWNT) coniugati con protoporfirina IX (PPIX) e la sua capacità di trattare l'influenza mediante la terapia fotodinamica. È stato scoperto che in presenza di luce visibile, PPIX-MWNT può indulgere in meccanismi come la rottura del filamento di RNA, l'ossidazione delle proteine o la reticolazione proteina-RNA causata da specie reattive dell'ossigeno (ossigeno singoletto e anione superossido) che portano all'inattivazione del ceppo virale influenzale. Esaminando il meccanismo di inattivazione dei nanotubi di carbonio, hanno concluso che i PPIX-MWNT possono essere utilizzati per il trattamento di qualsiasi infezione virale poiché mostra aspecificità nel trattamento delle malattie virali. Inoltre, PPIX-MWNT può essere facilmente recuperato tramite filtrazione e riutilizzato. Grazie ai suoi meccanismi multitarget di azione antivirale,è stato proposto che i PPIX-MWNT abbiano meno possibilità di sviluppo di resistenza ai farmaci [162 ].

Le nanostrutture hanno mostrato un effetto antivirale nel virus respiratorio sinciziale, un virus che causa grave bronchite e asma. Il trattamento viene generalmente effettuato combinando nanoparticelle e tecnologie di silenziamento genico. In un nuovo approccio, i MWCNT sono stati funzionalizzati con proteine dell'involucro del virus dengue 3 ricombinante. Ciò ha indotto risposte immunitarie significative nei topi [ 163 ]. Allo stesso modo, la coniugazione di CNT funzionalizzati con epitopi peptidici di cellule B e T potrebbe generare un sistema multivalente in grado di indurre una forte risposta immunitaria; quindi, i CNT sono stati considerati buoni candidati per la somministrazione del vaccino [ 164 ]. Inoltre, i CNT funzionalizzati sono stati utilizzati per il trasporto di peptidi (come il peptide del virus dell'afta epizootica) per la vaccinazione [ 165 ].

Grafene Uno dei nanomateriali a base di carbonio più promettenti con un grande potenziale per l'applicazione antivirale è il grafene. Il grafene (G) è un foglio planare bidimensionale (2-D) di atomi di carbonio ibridi sp 2 disposti esagonali ottenuti dal suo materiale tridimensionale (3-D) di grafite [ 166 ]. Viene ossidato chimicamente in ossido di grafene (GO) per acquisire gruppi funzionali portatori di ossigeno come idrossile, epossido e acidi carbossilici [ 167 ]. I nanomateriali a base di grafene (GBN) hanno un'area superficiale elevata, un'elevata capacità di carico e una resistenza meccanica superiore che li rendono candidati attraenti per il trasporto di agenti antivirali [ 168]. I gruppi funzionali contenenti ossigeno consentono strategie di funzionalizzazione e coniugazione della superficie e mostrano biocompatibilità, ridotta tossicità e buona disperdibilità [ 169 ]. L'anfifilia del GO rende possibile l'incorporazione di frazioni idrofile e idrofobe [ 170 ]. Inoltre, questi gruppi funzionali forniscono anche siti di attacco per varie molecole biologiche come proteine, DNA e RNA [ 171 ].

Recentemente, Pokhrel et al. ha studiato le interazioni tra grafene e VP40 (proteina della matrice virale) del virus Ebola utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e test di pellettizzazione di grafene. È stato scoperto che il grafene interagisce fortemente con VP-40 a varie interfacce cruciali per la formazione della matrice virale. Hanno proposto l'uso di soluzioni di nanoparticelle a base di grafene come disinfettante per prevenire l'epidemia di Ebola [ 172 ].

In un altro studio, 18 nanoparticelle magnetiche solfonate sono state ancorate su fogli di ossido di grafene ridotto (SMRGO) e utilizzate per intrappolare e distruggere HSV-1 fototermicamente, dopo la loro irradiazione con luce nel vicino infrarosso. È risultato efficace contro 28 infezioni virali compreso HSV. È stato scoperto che SMRGO ha efficienze di intrappolamento più elevate rispetto alle nanoparticelle magnetiche a causa della maggiore efficienza di intrappolamento, dell'area superficiale più ampia, della struttura unica simile a un foglio e delle eccezionali caratteristiche fototermiche mostrate dal grafene [ 173 ].

fullereni I fullereni sono tra le prime scoperte nelle nanostrutture di carbonio simmetriche e hanno ricevuto notevole attenzione nel caso della ricerca antivirale. I fullereni sono composti interamente da atomi di carbonio che formano una sfera cava ingabbiata di dimensioni nanometriche. Buckminster fullerene (C60), noto anche come buckyball, è la forma più comune di fullereni con 60 atomi di carbonio disposti in una struttura sferica che mostra un'elevata simmetria [ 174 ]. A causa della loro architettura unica, dell'immensa portata della derivatizzazione, dell'attività di scavenging dei radicali liberi e della bassa tossicità, sono ampiamente studiati per la somministrazione di farmaci e le attività antimicrobiche e antivirali [ 175 ].

È stato scoperto che i fullereni si adattano all'interno della cavità idrofobica delle proteasi dell'HIV e inibiscono la replicazione dell'HIV [ 176 ]. Gli studi sulla relazione struttura-attività hanno rivelato che la trasposizione delle sostituzioni e la carica positiva vicino alla gabbia sono importanti per l'attività antivirale. È stato dimostrato che le fulleropirolidine con due gruppi ammonio sono attive contro l'HIV-1 e l'HIV-2 [ 177 ]. Inoltre, il fullerene C60 derivatizzato con due o più catene laterali solubilizzanti è risultato attivo quando testato in cellule di coltura CEM infettate con HIV-1 e HIV-2 [ 178 ]. Inoltre, si è scoperto che i derivati amminoacidici del fullerene C60 inibiscono la replicazione dell'HIV e dell'HCV [ 179 , 180 ].

Pochi studi miravano allo screening dei derivati del fullerene per l'attività anti-influenzale. Shoji et al. 12 derivati fullerenici selezionati per l'inibizione dell'endonucleasi PA in vitro. PA rappresenta la subunità dell'influenza A RNA polimerasi che dimostra l'attività endonucleasica. È stato scoperto che 8 derivati del fullerene hanno dimostrato un potenziale di inibizione dell'endonucleasi. Nel sistema di coltura cellulare MDCK, questi derivati del fullerene hanno inibito l'infezione da virus dell'influenza A e l'espressione della nucleoproteina virale [ 181 ].

Pochi studi miravano anche a sintetizzare fullereni anti-influenzali ea valutarne l'efficacia contro il virus dell'influenza. Tollas e colleghi hanno anche preparato un coniugato di fullerene avente un disaccaride tiosialosil-a(2,6)-galattosio e valutato per comprendere l'interazione multimerica di un sialocluster con il virus dell'influenza NA e HA. I risultati hanno rivelato che questi derivati del fullerene non miravano all'HA ma erano in grado di colpire leggermente l'NA dell'influenza [ 182 ].

La tabella che segue fornisce un resoconto di varie nanoformulazioni a base di carbonio per il trattamento antivirale.

Tabella integrale fare riferimento al PDF pag 762 Carbon-based nanoformulation - Drug Deliv. and Transl. Res. (2021) 11:748-787

Malattie Farmaco antivirale Tipo di sistema di nanoconsegna Composizione Problemi riscontrati Risultati chiave HIV Lamivudina CNT Isobutano, acido nitrico e acido solforico Diminuzione della solubilità del farmaco Aumento della resistenza al farmaco Idrofilia migliorata Disperdibilità migliorata Virus respiratorio sinciziale curcumina -ciclodestrina-ossido di grafene funzionalizzato - - Inibizione altamente efficiente di RSV inibendo l'attaccamento virale. Ha mostrato effetti profilattici e terapeutici verso il virus Virus della pseudorabbia - Ossido di grafene coniugato con PVP - - Attività antivirale migliorata grazie al meccanismo di distruzione strutturale del virus prima dell'ingresso virale Virus senza involucro (virus della borsa infettiva) e coronavirus felino con involucro - Nanocompositi grafene-argento - - Miglioramento dell'attività antivirale dei nanocompositi GO-Ag rispetto ai nanocompositi GO HIV CHI499 CDF119 Punti quantici di grafene - Diminuita solubilità del farmaco in acqua Maggiore solubilità del farmaco in acqua HIV - Derivati cationici del fullerene - Diminuita solubilità dei fullereni Aumento della selettività dell'inibizione virale Ebola - fullereni mannosio Diminuito sviluppo di resistenza a causa di mutazioni virali Aumento dell'attività antivirale Virus dell'influenza - Derivati del fullerene - - Attività antivirale attraverso l'inibizione dell'attività endonucleasica HIV - fullereni Derivato idrosolubile dell'acido policarbossilico del fullerene C60 caricato con unità 3,4-diclorofenile - Attività antivirale HCV e HSV - nanopunti di carbonio - Attività antivirale ridotta Aumento dell'attività antivirale Aspetti futuristici

Vari nuovi sistemi di somministrazione come nanotrappole, nanorobot, nanobolle, nanofibre e nanodiamanti stanno aprendo la strada alla diagnosi, prevenzione e terapia delle infezioni virali. Questi sistemi hanno ampliato la nostra visione e aperto un'intera nuova area di ricerca nella direzione delle terapie antivirali.

Nanotrappole Le nanotrappole sono particelle di idrogel omogenee costituite da esche aromatiche voluminose ad alta affinità, a base di carica, che formano il nucleo, circondate da un guscio setacciante prodotto dalla reazione di polimerizzazione. Sono progettati per intrappolare selettivamente il virus bersaglio, i virioni infettivi e le proteine virali attraverso interazioni idrofobiche ed elettrostatiche, escludendo le proteine ad alto peso molecolare come l'albumina. Sebbene siano selettivi e versatili e forniscano setacciamento molecolare, proteggono anche le particelle e le proteine intrappolate dalla degradazione da parte delle proteasi e sono stabili a varie temperature di buffering e condizioni di conservazione, necessarie per l'elaborazione a valle per le metodologie di analisi [ 324 ]. Le nanotrappole hanno trovato applicazione nella diagnosi delle infezioni da HIV-1. In uno studio, gli scienziati hanno utilizzato nanotrappole con un nucleo costituito da Cibacron Blue circondato da un guscio setacciante costituito da polimeri di N-isopropilacrilammide, N,N-metilenbis-acrilammide e allilamina o metacrilato con monomeri di acido vinilsolfonico incorporati. Si è scoperto che queste nanotrappole catturano e concentrano selettivamente il peptide HIV-1 Tat, Tat a lunghezza intera, Nef, proteine p24 e virioni privi di cellule dai sieri dei pazienti e dal surnatante di coltura infetto [ 325 ]. L'acido acrilico, l'Acid Black 48 e il pigmento rosso sono poche altre esche utilizzate per la progettazione di nanotrappole. In passato, il concetto di nanotrap è stato utilizzato per il rilevamento di una varietà di virus come RSV [ 326 ], virus della febbre della Rift Valley (RVFV) [ 327 ], virus dell'encefalite equina venezuelana (VEEV), coronavirus umano e virus dell'influenza da diverse matrici complesse come saliva, fluido nasale e aspirati nasali [ 328 ]. Recentemente, sono state utilizzate nanotrappole per la purificazione ad alta efficienza del virus intatto dell'afta epizootica (FMDV) allo scopo di produrre vaccini inattivati. La purificazione si è basata sull'affinità tra le particelle della matrice del potenziatore Gram-positivo (GEM) (ottenute da Lactococcus lactis di grado alimentare non viventebatteri con involucro di peptidoglicano intatto ma senza DNA ricombinante o componenti cellulari) accoppiati con un'ancora proteica legante il peptidoglicano (GEM-PA) e il nanobody specifico per FMDV (Nb). La nanotrappola GEM-PA-Nb ha mostrato una purificazione facile ed efficiente dell'FMDV dai lisati cellulari [ 329 ]. Le particelle di nanotrap hanno migliorato la sensibilità e la specificità di rilevamento consentendo l'arricchimento del campione attraverso il setacciamento delle dimensioni molecolari. Recentemente, è stato scoperto che le particelle di nanotrappole magnetiche concentrano e preservano la stabilità di VEEV e delle sue proteine nel sangue umano intero a temperatura elevata (40 °C) e condizioni di conservazione prolungate (72 ore) [ 330]. Recentemente, sono state esplorate particelle di nanotrap magnetiche con esche di affinità diverse costituite da Cibacron Blue, acido acrilico e Reactive Red 120 per intrappolare e arricchire ZIKV, DENV e CHIKV nell'urina e nella saliva umane addizionate con 1 × 10 6 PFU/mL di virus e ha scoperto che un sistema di nanotrap con Reactive Red 120 come esca aromatica potrebbe recuperare copie genomiche 8-16 volte superiori di ZIKV, CHIKV e DENV. Sono stati rilevabili titoli virali fino a 100 PFU/mL per ZIKV e 10 PFU/mL per CHIKV. Pertanto, le nanotrappole hanno rivoluzionato il mondo della diagnostica virale e hanno un brillante futuro [ 331 ].

Nanorobot I nanorobot sono macchine controllabili multifunzionali, costituite da nanomateriali inorganici o polimerici, modificati con materiali biomimetici che svolgono varie funzioni come attuazione, propulsione, rilevamento, segnalazione, autoreplicazione e consegna di vari materiali con elevata precisione [ 332 ]. In generale, i sistemi nanorobotici sono costituiti da una fonte di alimentazione, sensori, attuatori, computer di bordo, pompe e supporto strutturale. Inoltre, ha un vano di carico utile per caricare il farmaco e una telecamera in miniatura per navigare attraverso il flusso sanguigno [ 333 ]. Si propone di trovare un'ampia applicazione nello sviluppo della diagnosi e del trattamento minimamente invasivi di varie malattie come il cancro, il diabete e i disturbi neurologici e cardiovascolari [ 332]. Servono come nanochirurghi e trovano un percorso diretto verso la cellula grazie alla loro nanodimensione e possono indirizzare la somministrazione del farmaco direttamente al sito di azione. Sebbene la tecnologia non sia stata finora esplorata rispetto alla diagnostica e alla terapia antivirale, il futuro vedrà sicuramente la ricerca in questa direzione [ 334]. Questo tipo di nanorobot può essere composto da un nanobiosensore creato da esperti di ingegneria nanoelettronica, un nanochip, un nanotubo e un nanocontenitore. Un nanobiosensore può contenere un anticorpo sulla sua superficie per prendere di mira un particolare antigene. Un nanochip può ricevere il segnale dal nanobiosensore e può eseguire i compiti assegnati. Un nanotubo può essere introdotto nel nucleo presente nella cellula utilizzando il nanochip quando riceve un segnale positivo. Un nanocontenitore può contenere enzimi DNasi e RNasi estremamente concentrati che possono essere rilasciati nella cellula infettata e taglieranno l'intero DNA genomico in singoli nucleotidi [ 335 ].

Nanobolle Le nanobolle possiedono un nucleo contenente ossigeno, per cui sono di natura ecogena e possono essere utilizzate per l'imaging fotoacustico o ad ultrasuoni. Possono essere caricati con farmaci e combinati con tecniche ad ultrasuoni e possono essere utilizzati per la consegna site-specific. Il nucleo può essere costituito da altri gas come il perfluoropentano e il decafluoropentano e il guscio delle nanobolle è costituito da lipidi o polimeri e un tensioattivo in modo da fornire stabilità, emivita ragionevole e parametri acustici ideali per innescare il rilascio del farmaco dalle nanobolle [ 336 ]. Trovano applicazione nella terapia fotodinamica per fornire ossigeno alle aree ipossiche per un efficace trattamento antitumorale [ 337]. Visualizzano la consegna site-specific guidata da ultrasuoni minimamente invasiva con un tempo di residenza più lungo e una stabilità migliorata. Inoltre, possono essere modificati in superficie per il targeting attivo e possono fungere da teranostici [ 338 ]. Sono state studiate anche nanobolle caricate con farmaci per la somministrazione di antibiotici per superare le sfide della resistenza agli antibiotici, come trattamento adiuvante per le ferite infettive croniche. Poiché la struttura versatile delle nanobolle consente l'incorporazione efficiente di una varietà di molecole, la loro applicazione futura può essere estrapolata alla diagnosi, al trattamento e alla prevenzione delle infezioni virali con il vantaggio della possibilità di visualizzare l'area bersaglio e il farmaco bersaglio con l'aiuto dell'ecografia in tempo reale [ 336 ].

nanofibre Le nanofibre, prodotte con la tecnica dell'elettrofilatura, sono potenziali nuovi sistemi di somministrazione di farmaci e hanno trovato ampie applicazioni nella somministrazione di antibiotici in caso di medicazione di ferite e ustioni. Il farmaco può essere caricato come tale o in forma nanoparticellare su queste nanofibre [ 339 ]. Vari polimeri come alcol polivinilico, chitosano, policaprolattone, ossido di polietilene, polivinil pirrolidone e acetato di cellulosa vengono utilizzati per ottenere nanofibre. I progetti nucleo-guaina vengono utilizzati per superare il problema del rilascio iniziale a raffica. Possiedono proprietà uniche come un'ampia area superficiale e porosità con piccole dimensioni dei pori e un'elevata resistenza meccanica e capacità di modificare la superficie. In uno studio, le nanofibre preparate dalle proteine della soia sono state utilizzate contro il virus dell'influenza [ 340 ]. Carson et al. ottenuto rilascio sintonizzabile di vari farmaci anti-HIV idrofili come tenofovir, raltegravir, maraviroc e azidotimidina attraverso fibre elettrofilate miscelate con due poliesteri biodegradabili, policaprolattone (PCL) e acido poli (lattico-co-glicolico) (PLGA). Il rapporto di questi due polimeri è stato variato per ottenere un rilascio prolungato compreso tra 24 ore e 30 giorni [ 341 ]. In un altro studio, è stato sviluppato un farmaco anti-HIV caricato su nanofibra di HA mucoadesiva come microbicida topico per inibire l'infezione da HIV, in alternativa ai sistemi di somministrazione intravaginale esistenti di farmaci che mancano di un'adeguata ritenzione vaginale [ 342 ].

Nanodiamanti I nanodiamanti sono uno dei materiali nanocarbonici più promettenti che sono sicuri e possiedono proprietà favorevoli come stabilità strutturale, biocompatibilità, non tossicità, aumento del carico, solubilità, biodisponibilità e stabilità del farmaco insieme a tempi di circolazione prolungati. Hanno carbonio sp 3 stabile nel nucleo e superfici sfaccettate che possono coordinare le molecole d'acqua che circondano la loro superficie e, quindi, possiedono un'eccezionale capacità di solubilizzare i farmaci insolubili in acqua. Sono prodotti ad alta temperatura-alta pressione (metodo HTHP) o con il metodo di detonazione [ 343]. Sono stati utilizzati per la somministrazione di vari farmaci antitumorali, siRNA, ormoni, vitamine e proteine. I nanodiamanti funzionalizzati con fattori di crescita sono stati utilizzati nell'ingegneria dei tessuti e nella formazione ossea localizzata. Sono in grado di essere funzionalmente modificati in superficie, il che aiuta nella consegna site-specific [ 344 ]. La coniugazione di un farmaco anti-HIV-1 efavirenz con nanodiamanti funzionalizzati ha mostrato una maggiore efficacia antivirale nei macrofagi umani primari infetti. Inoltre, questa formulazione ha anche mostrato un migliore passaggio del farmaco attraverso la barriera emato-encefalica in un modello in vitro che utilizzava cellule endoteliali microvascolari primarie del cervello umano e astrociti per un periodo di tempo prolungato, un chiaro vantaggio rispetto al farmaco libero [ 345]. In un altro studio, i ricercatori hanno proposto l'uso di assorbenti nanodiamanti per la preparazione di filtri per purificare l'acqua dal virus dell'influenza in base alla loro interazione. I nanodiamanti sono stati proposti anche per i sistemi diagnostici in virologia attraverso varie tecniche di imaging [ 346 ]. Pham et al. emoagglutinina trimerica purificata coniugata (H7) alla superficie dei nanodiamanti che ha potenziato la risposta immunitaria IgG H7-specifica [ 347 ].

Conclusione La nanotecnologia ha rivoluzionato il mondo offrendo soluzioni innovative a molteplici problemi associati a varie aree dell'assistenza sanitaria di oggi. I recenti progressi nella progettazione e nell'ingegneria delle nanomedicine hanno offerto una serie di vantaggi rispetto ai metodi convenzionali di prevenzione, diagnosi e trattamento delle infezioni virali. La superiorità degli approcci alla nanomedicina risiede nel presentare caratteristiche uniche come la piccola dimensione delle particelle, l'elevato rapporto tra area e volume, la flessibilità per modificare la superficie al fine di ottenere la selettività desiderata e la biocompatibilità. Inoltre, questi nuovi approcci presentano un enorme potenziale nelle terapie antivirali aiutando a superare i problemi di resistenza alla terapia, bassa solubilità e biodisponibilità dei farmaci, rilascio a raffica e breve durata d'azione.

La ricerca futura può essere indirizzata al raggiungimento della "multifunzionalizzazione" dei nanomateriali al fine di ottenere la consegna simultanea e specifica del sito di più farmaci e il "multiplexing" al fine di ottenere il trattamento di un ampio spettro di malattie e comorbilità associate in una popolazione eterogenea. Nel campo delle infezioni virali sta diventando sempre più essenziale lo sviluppo di teranostica in grado di portare a una diagnosi accurata insieme a un trattamento efficace e al monitoraggio in tempo reale. Varie tecnologie come nanotrappole, nanodiamanti e nanofibre hanno trovato la loro strada nella ricerca in corso contro i virus dell'influenza e dell'HIV-1 e possono essere ulteriormente estese ad altre infezioni virali. Gli studi per migliorare la risposta immunitaria e l'utilizzo di nanomateriali come adiuvanti dei vaccini antivirali sono stati promettenti nella prevenzione e nel controllo delle infezioni virali.

Tra i pochi ostacoli allo sviluppo di queste forme avanzate di nanomateriali vi sono le complessità coinvolte nella loro fabbricazione e caratterizzazione e nella loro produzione su larga scala. La preoccupazione della tossicità a lungo termine dovrebbe avere un'importanza fondamentale durante la progettazione dei nanomateriali. Tuttavia, con i rapidi progressi nel campo della chimica dei materiali, della biologia e della tecnologia, si può sperare che la velocità con cui si verifica l'insorgenza di nuove infezioni virali possa essere controllata e la gestione complessiva delle infezioni virali possa essere più efficace.

Riferimenti https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s13346-020-00818-0.pdf

Amisha Vora amisha.vora@nmims.edu

puoi scaricare l'intero studio in PDF in cui sono presenti tutti i riferimenti qui indicati da numeri tra parentesi quadre: (EN) https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s13346-020-00818-0.pdf

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