Nano-klei als potentiële pseudo-antilichamen voor COVID-19

Achtergrond

De plotselinge opkomst en snelle verspreiding van het nieuwe coronavirus, SARS-CoV-2, heeft de gezondheid en het leven van mensen aanzienlijk beïnvloed, naast de wereldeconomie. SARS-CoV-2 spike S bindt met hoge affiniteit aan humaan angiotensine-converterend enzym 2 (hACE2) en gebruikt het als een ingangsreceptor om doelcellen binnen te vallen (Fig. 1a, b) [1]. Het virus-oppervlakte-spike-eiwit bemiddelt bij het binnendringen van het coronavirus in gastheercellen. SARS-CoV-2 spike-eiwit bevat een receptorbindend domein (RBD) dat expliciet als zijn receptor hACE2 herkent [2, 3]. Het oppervlak van hACE2 bevat twee virusbindende hotspots die cruciaal zijn voor SARS-CoV-2S-binding. Verschillende natuurlijk geselecteerde mutaties in SARS-CoV-2 RBD omringen deze hotspots en reguleren de besmettelijkheid, pathogenese, en de overdracht tussen soorten en mens op mens van SARS-CoV-2 [2, 4, 5].

Schema's van de SARS-CoV-2-aanval op menselijk hACE2 en de daaropvolgende reactie van het immuunsysteem. een , b RBD die hACE2 bindt zonder interferentie. c RBD vormde een complex met het antilichaam op de receptorbevestigingsplaats en concurreerde daarom met hACE2. d RBD gecomplexeerd met RBD op een andere plaats dan waar de receptor hecht, wat resulteert in de wijziging van de RBD-structuur en onderbreking van de slot- en sleutelbinding van RBD aan hACE2

Op dit moment zijn er geen klinisch goedgekeurde vaccins of medicijnen die specifiek gericht zijn op SARS-CoV-2. Door het echte protocol voor het ontwikkelen van een vaccin te volgen, kan het veel langer duren om met een effectief vaccin te komen. Er is veel interesse in de ontwikkeling van therapeutische antilichamen tegen SARS-CoV-2. Ondanks vele inspanningen zijn deze antilichamen echter nog niet ontdekt [6] behalve in enkele proeven [7]. Eén proef toonde de krachtige neutralisatie van SARS-CoV-2 aan door te binden aan de RBD van zijn S-glycoproteïne [8]. In deze proef [8], antilichaamcocktails, wordt een mengsel van verschillende antilichamen aanbevolen vanwege het verhoogde neutraliserende effect dat het heeft op SARS-CoV-2. Het gebruik van antilichamen in het verleden van herstellende patiënten van SARS-CoV voor de behandeling van SARS-CoV-infectie heeft echter bijwerkingen laten zien bij de patiënten, zoals Antibody-Dependent Enhancement (ADE), wat leidde tot verhoogde virale infectiviteit en andere schadelijke immuunresponsen [7]. Bovendien, op basis van de ervaring met de inspanningen voor de ontwikkeling van vaccins voor SARS-CoV en MERS, lijkt de kans dat de inspanningen voor SARS-CoV-2 worden verwezenlijkt, vrij klein. Daarom kunnen natuurlijke/traditionele geneesmiddelen met een geschiedenis van veilige consumptie/inname door mensen worden beschouwd als een van de behandelingsopties voor SARS-CoV-2. Omdat het een natuurlijk materiaal is en een geschiedenis heeft van menselijk gebruik/consumptie, raden we aan om "sterk geladen nanoklei" te gebruiken als coronavirusblokkers en remmers van de door spikes gemedieerde toegang tot de menselijke cellen.

Nanoklei, natuurlijke materialen van nanoformaat afkomstig uit mineralen van de sedimentaire gesteenten, hebben een zeer hoge affiniteit met bacteriën en virussen [9]. Vanwege isomorfe substitutie in hun moleculaire structuur vertonen deze nanokleien een ladingstekort op hun oppervlak. Dit gebrek aan lading op hun oppervlak wordt geneutraliseerd door de watermoleculen en de opgeloste kationen (Fig. 2). De geladen structuur en het grote oppervlak van klei-nanodeeltjes geven ze een affiniteit voor geladen entiteiten, zoals gevonden op bacteriële oppervlakken en bacteriële toxines. Hun duidelijke biomedische eigenschappen omvatten hoge absorptie, het vermogen om microben te verzwelgen en geen toxiciteit. Elk van de elektrisch actieve kleimineralen heeft zijn eigen morfologie, kenmerken en interactiegedrag. De meest bestudeerde biomedische toepassing van nanoklei omvat het dienen als dragers en complexen voor geneesmiddelen tegen kanker zoals 5-fluorouracil en trastuzumab [11,12,13,14,15,16,17]. Ze zijn daarom een ​​potentieel alternatief medicijn geweest voor verschillende ziekten [18,19,20,21,22]. Nanodeeltjes van klei zijn vanwege hun hechtende aard ook gebruikt als dragers voor medicijnen met aanhoudende afgifte [15, 23]. Nano-klei is ook met succes gebruikt om boviene rotavirus en boviene coronavirus te adsorberen en te behandelen [24]. Onderzoekers [25] intercaleerden methotrexaat (MTX), een middel tegen kanker, in de anionische klei om een ​​nanohybride medicijn te creëren. Ze gebruikten de co-precipitatie en daaropvolgende hydrothermische methodologie om deze chemisch, structureel en morfologisch goed gedefinieerde tweedimensionale drug-klei nanohybride voor te bereiden. De onderzoekers [26] ontdekten dat vanwege de biocompatibiliteit en het hoge laadvermogen, bentoniet nanoklei kan worden gebruikt voor de bereiding van de voertuigen voor medicijnafgifte. In deze studie bereidden ze doxorubicine-bentoniet nano-kleicomplex (DOX-Bent-complex) om een ​​medicijnafgiftesysteem met aanhoudende afgifte te vormen voor intratumorale chemotherapie van melanoom. Aangezien montmorillonietklei recentelijk wordt onderzocht om te worden gebruikt als additief en geneesmiddeldragermateriaal, spreken deze nanokleicomposieten hun gebruik aan in verschillende doseringsvormen, voornamelijk voor gecontroleerde afgifte van het medicijn [27]. De onderzoekers [28] ontdekten ook dat nanoklei kan worden gebruikt in recente dual-functionele medicijnafgiftesystemen (DDS's) om efficiëntie bij de medicijnafgifte te hebben en zo de toxiciteit van doxorubicine (DOX) dat wordt gebruikt voor de behandeling van schildklierkanker te verminderen. Met behulp van een bibliotheek van 12 enkelvoudige foto-splitsbare amfifiele Janus-dendrimeren [29] ontwikkelden onderzoekers [29] een zelf-assemblerend op licht reagerend dendrimersomes-blaasjesplatform. Net als de nano-klei, hebben oppervlakte-gemodificeerde bioactieve virus-nabootsende organische nano-blaasjes van (glyco)dendrimersomen structurele modificaties die bijdragen aan het manifesteren van SARS-CoV-2 en gastheer pathogene moleculaire interacties die het virus helpen te ontsnappen uit het menselijke immuunsysteem [30].

een SEM-afbeelding en b de overeenkomstige moleculaire structuur van Na-montmorilloniet die de configuratie, isomorfe substitutie, ladingstekort en tussenlaagkationen toont (van [10])

Door veel eerder onderzoek ontwikkelden we basiskarakterisering en gedragsmodellering van de geladen kleimineralen [31,32,33], en hun toepassingen in de controle van kankermetastase [10], in vitro en in vivo studies over melanoombehandeling [34] , en de onderzoeken naar calciumafzetting / botregeneratie [35]. In een eerdere studie van de auteurs [35] werd aangetoond dat nanodeeltjes van klei een hoge affiniteit hadden met de geladen oppervlakken. De hoge aantrekkingsaffiniteit van de nanoklei en de verhoogde niet-specifieke adhesieaantrekking van de kankercellen maken nanoklei gunstige kandidaten om kankermetastase onder controle te houden. In die studie toonden we het mogelijke gebruik van twee geladen kleimineralen aan om de metastase van de kankercellen te beheersen:Na-montmorilloniet (SWy-3) en palygorskiet (PFl-l). In aanvulling op de bevindingen van het eerdere onderzoek van de auteurs [35] naar het gebruik van deze nanoklei voor de bestrijding van kankermetastase, hebben we ook, door middel van in vitro en in vivo studies, vastgesteld dat deze nanoklei remmende effecten hebben op melanoom kankercellen, voornamelijk op celproliferatie en levensvatbaarheid [34]. In deze eerdere onderzoeken werden, naast laboratoriumexperimenten, ook simulaties op moleculair niveau uitgevoerd op de interacties van nanoklei en cellen. Deze simulaties gaven de beoordeling van het relatieve niveau van samenhang/affiniteit in de interacties met en zonder klei-nanodeeltjes.

Op basis van alle bovenstaande ervaringen van de auteurs met het hoge affiniteitspotentieel van nanoklei, stellen we voor dat de nanoklei kan worden nagebootst als antilichamen en dus coronavirussen kunnen aantrekken en opslokken voordat ze zich bezighouden met menselijk hACE2. Dit artikel is een eerste stap op weg naar het vaststellen van deze perceptie door middel van simulatie en modellering op moleculair niveau. Op basis van de resultaten van de simulaties op moleculair niveau wordt ook een overzicht gegeven van de aanbevelingen voor de volgende fasen van in vitro en in vivo onderzoek. Omdat deze nanokleisoorten ook met succes als medicijndragers worden gebruikt, gaan we ervan uit dat ze ook kunnen worden geïnjecteerd/ingenomen als 'klei-alone'-medicijn, en daarom hebben we voor dit doel een voorlopige toedieningsmethodologie voor nanoklei voorgesteld.

Materialen—Moleculen

Selectie en formulering van SARS-CoV-2 en hACE2

Moleculen van SARS-CoV-2 spike S en hACE2 werden verkregen van de website van de eiwitdatabank RCSB [36,37,38]. De moleculaire modellen van SARS-CoV-2 spike S en hACE2 geformuleerd in Materials Studio-software [39] worden respectievelijk getoond in Fig. 3a, b. Voordat ze aan de simulaties werden onderworpen, werden deze moleculen opgeladen met behulp van de ladingsevenwichtsmethode QEq van de software.

Modellen op moleculair niveau van a SARS-CoV-2-piek, b hACE2 en c Na-montmorillonietkristalliet geformuleerd in Materials Studio-software

Selectie en formulering van nanokleikristalliet

Na-montmorilloniet, een van de meest actieve leden van de smectietgroep van kleimineralen, werd geselecteerd voor het onderzoek. Na-montmorilloniet is een gelaagde fyllosilicaat-kleismectiet (Fig. 2). In de colloïdale vorm kan de ruimte tussen aangrenzende lagen vrije natrium-, calcium- of magnesiumkationen bevatten die elektrostatisch worden aangetrokken door externe negatief geladen oppervlakken [40]. In zijn droge poedervorm bestaat Na-montmorilloniet als gelijkdimensionale vlokken / vellen met afmetingen van ongeveer 0, 5 x 0, 5 x 0,001 micron (figuur 2a). Deze negatieve ladingen op hun tussenlaagoppervlakken worden gecompenseerd door de kationen. Als colloïden worden de kationen tussen de lagen gedissocieerd van de kleideeltjes en associëren ze zichzelf met de andere negatief geladen oppervlakken. Deze deeltjes hebben ook positief geladen randen vanwege de aanwezigheid van de verbroken bindingen aan hun uiteinden. Morfologie en verdere kenmerken van deze nanoklei worden gegeven in Tabel 1, terwijl de formulering van hun kristallieten in Materials Studio-software hieronder wordt uitgelegd.

In de software werden Na-montmorillonietkristallieten geformuleerd op basis van fundamentele eigenschappen zoals CEC, uitwisselbare kationen en tussenlaagladingen (tabel 1). De grootte van de moleculaire/kristallietgrootte werd geselecteerd op basis van de resultaten van de deeltjesgrootteanalyse met behulp van de dynamische lichtverstrooiing (DLS) techniek [10]. De uiteindelijke vorm van kleikristalliet die in de software is gemaakt, wordt getoond in Fig. 3c. Na de voorbereiding van deze kristallieten in de ontwerpmodus van de software met behulp van de inherente eigenschappen, werden deze opgeladen met behulp van de ladingsevenwichtsmethode QEq van de software.

Methoden:simulaties op moleculair niveau

Dit deel van de studie bestond uit de simulatie en beoordeling van de interacties van de SARS-CoV-2 spike S met kleikristallieten en met hACE2. Hoewel deze modellen misschien niet de volledige replicatie zijn van de werkelijke in vitro omstandigheden, zijn ze opgenomen met alle essentiële interacties en zijn ze zeer geschikt voor het beoogde relatieve en vergelijkende onderzoek.

In de software werden de sorptie en simulaties van de geformuleerde configuraties van SARS-CoV-2 S, Na-montmorillonietkristallieten en hACE2 uitgevoerd met behulp van Monte Carlo (MC) en moleculaire mechanica (MM) technieken. De verbetering van de affiniteit in alle gesimuleerde configuraties werd beoordeeld in termen van de berekende cohesieve energiedichtheid (CED) - CED wordt beschouwd als een maat voor de samenhang van het moleculaire systeem. Vanwege de grote berekeningen die bij de simulaties betrokken waren, werden deze berekeningen uitgevoerd met behulp van de high-performance computing-faciliteiten (HPC) van KFUPM, KSA. De algemene methodologie en de keuze van bepaalde methoden en de simulatieparameters waren gebaseerd op eerder onderzoek van de auteurs [41,42,43,44,45,46,47], terwijl het in de volgende sectie wordt beschreven.

SARS-CoV-2 Spike (S)-interacties met hACE2 en kleikristallieten

Om de interactie van SARS-CoV-2 S met kleikristallieten te simuleren, werden verschillende aantallen van de kristallieten van Na-montmorillonietklei gesorbeerd op het SARS-CoV-2 S-model. Voor deze sorptiesimulaties is gekozen voor de Metropolis Monte Carlo methode in de Sorption module van de software. In elke sorptiestap bezetten kleikristallieten ruimtes rond het spike S-model om de algehele energie van het complex te verlagen. Het benodigde aantal kristallieten werd in maximaal 25.000 stappen gesorbeerd en vervolgens werd de energie van het systeem geminimaliseerd met behulp van de Forcite-module van de software op basis van de MD-principes. Het vergelijkbare sorptieproces werd herhaald voor de interactiemodellering van het SARS-CoV-2-spikemolecuul met hACE2. In dit proces werden hACE2-moleculen gesorbeerd rond de RBD van de piek S van SARS-CoV-2. Na voltooiing van het sorptieproces werd de energie van de formulering geminimaliseerd met behulp van een op MD gebaseerde module van de software.

De Forcite-module van de software met NPT-ensemble (constant aantal deeltjes, druk en temperatuur) werd gebruikt voor MD-simulaties met een gemodificeerd universeel krachtveld [41]. De simulaties werden uitgevoerd voor 5 tot 30 ps met een interval van 0,5-fs of totdat een constant volume is verkregen. Tijdens de simulatie werd een Berendsen-thermostaat met een vervalconstante van 0,1 ps gebruikt om de temperatuur te regelen. Tijdens de MD-simulaties werd de veronderstelde temperatuur constant gehouden op 310 K (37 °C) met een atmosferische druk (100 kPa). Een Berendsen-barostaat met een vervalconstante van 0,1 ps werd gebruikt om de druk van het systeem te regelen. De Berendsen-methodologie werd als de meest geschikte beschouwd voor de monokristallieten na verschillende proeven met andere thermostaten en barostaten die beschikbaar zijn in de software. In de Monte Carlo-methode werden de parameters voor de verhoudingen van uitwisseling, conformer, roteren, transleren en hergroeien geselecteerd als respectievelijk 0,39, 0,2, 0,2, 0,2 en 0,2 met de overeenkomstige kansen als 0,39, 0,2, 0,2, 0,2 en 0,2. Amplitudes aangepast voor rotatie en translatie waren respectievelijk 5° en 1 Å.

Samenhangende energiedichtheid (CED)-meting

In deze studie werd de beoordeling van het affiniteits-/bindingsniveau in de SARS-CoV-2-kleikristallieten en SARS-CoV-2-hACE2-complexen gemeten door middel van de veranderingen in de CED. Na de sorptie van kleikristallieten en de daaropvolgende prestaties van de moleculaire dynamica van elk van de configuraties, werd de CED bepaald met behulp van de cohesieve energiedichtheidsoptie van de Forcite-module van de software. De auteurs hebben ervaren dat het CED-concept, bestaande uit de totale, van der Waals- en elektrostatische CED's, de verschillende processen en interacties op moleculair niveau vrij nauwkeurig kan verklaren en de mate van affiniteit/binding die wordt gecreëerd tussen de gesimuleerde complexen kan simuleren [41,42] ,43,44,45,46,47]. Kwantitatief wordt CED gedefinieerd als de hoeveelheid energie die nodig is voor de overgang van 1 mol materiaal van de vloeibare naar de gasvormige fase. Het is ook een maat voor de onderlinge affiniteit/aantrekkelijkheid van moleculen en wordt uitgedrukt als elektrostatische en van der Waals-krachten, gemiddeld over een NPT-ensemble.

In de Forcite-module werden van der Waals-energieën geëvalueerd met behulp van op atomen gebaseerde afkapwaarden. Bij deze methode worden niet-bindingsinteracties eenvoudig berekend tot een grensafstand en worden interacties buiten deze afstand genegeerd. Om de discontinuïteiten te vermijden die worden veroorzaakt door directe onderbrekingen, gebruiken de meeste simulaties een schakelfunctie om niet-gebonden interacties over een reeks afstanden soepel uit te schakelen. Een effectieve potentiaal wordt gecreëerd door de werkelijke potentiaal te vermenigvuldigen met de afvlakkingsfunctie. De keuze van de functie in het tussenbereik is cruciaal en moet in dit gebied continu differentieerbaar zijn, zodat krachten kunnen worden berekend. In deze studie werd een kubieke spline-afvlakkingsfunctie gebruikt met een spline-breedte van 1 Å en een afsnijafstand van 12,5 Å.

Resultaten en discussies

De uiteindelijke configuratie van het SARS-CoV-2 S-hACE2-complex wordt getoond in Fig. 4a, terwijl de complexen tussen SARS-CoV-2-piek en verschillende aantallen Na-montmorillonietkristallieten uit klei respectievelijk worden getoond in Fig. 4b, c. Voor vergelijkingsdoeleinden zijn totale CED's van verschillende verhoudingen/aantallen van de kleikristallieten op de SARS-CoV-2-piek en de interactie van de latere met hACE2 uitgezet in Fig. 5.

Simulatieresultaten op moleculair niveau in Materials Studio Software. een SARS-CoV-2 S en hACE2 (CED =1 J/cm ³ ), b SARS-CoV-2 S-model interactie met twaalf kristallieten van Na-montmorilloniet (CED =28 J/cm ³ ), en c SARS-CoV-2 S-model interageert met vierentwintig kristallieten van Na-montmorilloniet (CED =154 J/cm ³ )—verkregen met behulp van de Sorption-techniek die in de software is geïmplementeerd

Variatie van cohesieve energiedichtheid (CED) voor SARS-CoV-2 S-hACE2 en de complexen van eerstgenoemde met verschillende aantallen Na-montmorillonietkristallieten

Op basis van onze ervaring hebben we de hypothese geopperd dat nanoklei, vanwege hun hoge hechtende eigenschappen, ook zou kunnen werken als SARS-CoV-2-remmers. Ze kunnen dit doen door zich sterk te associëren met de piek S die aanwezig is op SARS-CoV-2. De resultaten verkregen uit de simulaties op moleculair niveau van de interacties geven aan dat ze vanwege de zeer hoge CED tussen SARS-CoV-2 en de nanoklei in vergelijking met de eerste en hACE2 (Fig. 5), SARS-CoV- kunnen remmen. 2 van verloving met hACE2. Bovendien kon uit figuur 5 ook worden geconcludeerd dat de mate van remming door nanokleien kwantitatief (dosis)afhankelijk wordt verhoogd.

Nano-klei-interacties met SARS-CoV-2 Spike S

Auteurs hebben in hun eerdere onderzoek de rol aangetoond van nanoklei bij het bevorderen van adhesie tussen de kankercellen en hun micro-omgeving en daarmee het beheersen van metastase [10]. Adhesiemetingen van 75/25 mengsel van Na-montmorilloniet en palygorskiet toonden een toename van de adhesie met 100% tussen kankercellen en de extracellulaire matrixeiwitten (Fig. 6a). Een overeenkomstige SEM van de nanoklei die de Raji-cellen en de fibronectine-eiwitten bindt, wordt getoond in Fig. 6b. Monsterbeeldvorming werd uitgevoerd in SEM-modus in een FEI ESEM-FEG XL-30 aan de Miller School of Medicine, University of Miami, Florida. Auteurs ontdekten in hun eerdere onderzoek ook dat elektrostatische, van der Waals- en ZP-attracties lijken te domineren in de adhesieprocessen [10]. We concluderen dat dezelfde mechanismen ook de binding van de hechtende oppervlakken van de nanoklei aan de piek van SARS-COV-2 zouden hebben vergemakkelijkt (Fig. 7). ZP is een maat voor de neiging tot dispersie of uitvlokking in de colloïdale vorm, inclusief de interacties met de andere bestanddelen die in het suspensiemedium aanwezig zijn. Als algemene regel geeft een zeta-potentiaal van meer dan 30 mV (positief of negatief) een neiging tot dispersie aan, terwijl een zeta-potentiaal van minder dan 5 mV in het algemeen leidt tot agglomeratie. Hogere dispersietendensen ZP van de klei-nanodeeltjes die in het onderzoek werden gebruikt (− 24 tot − 32 mV) leiden tot een hogere dispersietendens en dus tot het genereren van een groter oppervlak, waardoor de interacties met de SARS-CoV-2-piek worden versterkt. Hoewel Na-montmorilloniet nanodeeltjes op basis van hun ZP hydrofiele aard hebben, bevorderen ze, in aanwezigheid van zouten, ook secundaire adhesiemechanismen tussen hydrofobe en hydrofiele oppervlakken [10]. Er moet ook worden opgemerkt dat deze nanodeeltjes van klei een hoge dispersieneiging hebben vanwege hun hydrofiele aard en relatief hogere afstotende zuur-base (AB) interacties (tabel 1). Hoge dispersie resulteert op zijn beurt in het genereren van een groot oppervlak voor het vergroten van de aantrekkelijke interacties. Hogere oppervlakten bevorderen grotere attracties vanwege de van der Waal-attracties en de elektrostatische krachten tussen tegengesteld geladen oppervlakken. Trouwens, hoewel in relatief mindere mate, worden positief geladen randen van Na-montmorillonietdeeltjes ook elektrisch aangetrokken door de piek S.

een Samenvatting van adhesiekrachtmetingen onder Raji-Raji-FN-assemblage met behulp van AFM, voor en na behandeling met verschillende hoeveelheden Na-montmorilloniet en palygorskiet-klei-nanodeeltjes [10]. Foutbalken vertegenwoordigen de variaties in de proeven. b SEM-beeld van de binding van Raji-cellen en fibronectine-eiwitten geproduceerd door nanoklei

Drie mogelijke mechanismen van interacties van montmorilloniet nanoklei met de SARS-CoV-2 spike S:(1) Elektrostatische aantrekking tussen positief geladen nanodeeltjesranden en Na/Ca-ionen met negatief geladen virusoppervlakken. (2) Van der Waals-attracties. (3) ZP elektrostatische interacties

De resultaten van de simulaties op moleculair niveau voor de interactie van SARS-CoV-2 spike S met de kleikristallieten (Fig. 5) bevestigen ook het bovenstaande interactiegedrag. Er is waargenomen dat de sorptie van de klei-nanodeeltjes resulteert in de vorming van sterk op elkaar inwerkende sterke van der Waals-aantrekkingsvelden. Deze van der Waals-attractievelden creëren een hogere CED van de klei/SARS-CoV-2-configuratie. Aanzienlijke toename van de totale CED na toevoeging van kleikristallieten (Fig. 5) getuigt ook van een zeer hoge affiniteit van SARS-CoV-2 met deze deeltjes in vergelijking met de affiniteit van de eerste met hACE2.

Nano-klei als pseudo-antilichamen

Op basis van al het huidige en eerdere onderzoek door de auteurs, waarbij het hoge affiniteitspotentieel van nanoklei is vastgesteld, gaan we ervan uit dat nanoklei kan worden nagebootst als antilichamen en dus coronavirussen kan aantrekken en overspoelen voordat ze zich bezighouden met menselijk hACE2. Antilichamen zijn glycoproteïnen die door plasmacellen worden gesynthetiseerd als onderdeel van de adaptieve immuunrespons om te helpen bij het verwijderen van infectie uit het lichaam. Antilichamen helpen op verschillende manieren bij het opruimen van infecties, zoals opsonisatie van pathogenen om fagocytose te vergemakkelijken, activering van het complementsysteem, agglutinatie van microben en neutralisatie van virussen en toxines. Wanneer ze aan de virale oppervlakte-eiwitten zijn gebonden, voorkomen antilichamen het binnendringen van virussen in de cel door de hechting van virussen aan hun doelreceptor op de cel te voorkomen. Antilichaambinding kan plaatsvinden op verschillende plaatsen op het oppervlakte-eiwit, wat leidt tot verschillende mechanismen die hetzelfde effect veroorzaken. In het geval van SARS-CoV-2 zijn twee virale neutralisatiemechanismen door antilichamen waargenomen [1, 48] en getoond in Fig. 1c, d. Een van de mechanismen omvat directe binding van antilichamen aan de aanhechtingsplaats van de SARS-CoV-2-RBD, waardoor het antilichaam concurreert met de doelreceptor hACE2. Een ander mechanisme omvat de binding van antilichamen aan de andere plaatsen op RBD zonder enige concurrentie met de doelreceptor. Dit laatste blijkt betrokken te zijn bij neutralisatie door het meest krachtige monoklonale antilichaam (mAb) dat in de studie werd ontdekt [1, 48]. Analoog aan de interactie van antilichamen met SARS-CoV-2 RBD, waarbij de laatste wordt geremd om met hACE2 in contact te komen, wordt een vergelijkbaar model op moleculair niveau voorbereid voor nanoklei, wat resulteert in een vergelijkbare remming van de coronavirussen en weergegeven in Fig. 8. Vanwege hun zeer hoge affiniteit zouden nanokleisoorten aangetrokken worden tot pieken van SARS-CoV-2 en zo de betrokkenheid van RBD's van deze pieken met hACE2 beperken.

Interactiemechanisme van nano-kleideeltjes met SARS-CoV-2 spike S die de interactie van de laatste met hACE2 remt

Voorgestelde toedieningsmethode voor nano-klei

Het gebruik van klei als drager van geneesmiddelen is meerdere keren getest, wat veelbelovende resultaten opleverde van weinig tot geen cytotoxiciteit voor cellen van het menselijk lichaam. Kaoliniet-kleimineraal werd getest voor gebruik in een mogelijk medicijnafgiftesysteem en er werd aangetoond dat het een hoge biocompatibiliteit en een zeer lage cytotoxiciteit heeft [11]. De cytotoxiciteit van poly (d,l-lactide-co-glycolide)/montmorilloniet nanodeeltjes in vitro werd ook als verwaarloosbaar aangetoond [14]. Palygorskiet-polyethyleenimine-fluoresceïne-isothiocyanaat-nanocomposieten vertoonden in vitro ook bijna geen cytotoxiciteit [13]. Auteurs hebben ook ervaring met het subcutaan injecteren van nanoklei voor de behandeling van melanoom tijdens in vivo studies [34]. Op basis van het gebruik van klei als drager van kankergeneesmiddelen en in andere geneesmiddelen met aanhoudende afgifte [25,26,27,28], stellen we voor om nanoklei te injecteren als "klei-alone" geneesmiddel, onder voorbehoud van verificatie in vivo en klinische proeven.

Hoewel nanoklei niet biologisch afbreekbaar is, zou een uitgebreid begrip van het ontwerp van de vergelijkbare anorganische nanodeeltjes met hun metabolische prestaties in het lichaam, uitgevoerd in de studie [49], deze nanoklei ook kunnen categoriseren als anorganische middelen die door het menselijk lichaam worden verwijderd.

Conclusies en aanbevelingen

Op basis van al het huidige en eerdere onderzoek door de auteurs, waarbij het hoge affiniteitspotentieel van nanoklei is vastgesteld, kunnen deze worden nagebootst als antilichamen en kunnen ze dus coronavirussen aantrekken en verzwelgen voordat ze zich bezighouden met menselijk hACE2.

De resultaten van de simulaties op moleculair niveau voor de interactie van SARS-CoV-2 spike S met de kleikristallieten resulteren in de vorming van sterk op elkaar inwerkende sterke Van der Waals-aantrekkingsvelden. Deze van der Waals-attractievelden creëren een hogere CED van de klei/SARS-CoV-2-configuratie. Aanzienlijke toename van de totale CED na toevoeging van kleikristallieten getuigt ook van een zeer hoge affiniteit van SARS-CoV-2 met deze deeltjes in vergelijking met de affiniteit van de eerste met hACE2.

We stellen voor om het onderzoek voort te zetten door in vitro interactiestudies uit te voeren tussen SARS-CoV-2 en verschillende percentages nanoklei. Op basis van de optimale dosis nanoklei ontwikkeld in de in vitro fase, stellen we voor om in vivo studies op de dieren uit te voeren. De dierstudie moet zowel met als zonder nanoklei worden uitgevoerd om de dosis nanoklei te finaliseren en moet de basis leggen voor de klinische proeven.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.