Coronavirus: la lluita des del nanomon

La nostra vida ha canviat, encara no sabem si de manera reversible o irreversible. De sobte ens trobem confinats a casa, esperant veure com evoluciona la primera gran pandèmia del segle XXI, la pandèmia del coronavirus. Estem vivint a la nostra pell com les infeccions víriques estan alterant la salut mundial. L'aparició de ceps virals nous i cada vegada més resistents i els efectes secundaris adversos associats a aquests, han colpejat la salut mundial, la qual ara depèn de l'aparició i aplicació de teràpies antivirals efectives. Això fa imperativa la necessitat de desenvolupar alternatives segures i potents als medicaments antivirals convencionals. En l'escenari actual, els materials a nanoescala han sorgit com a nous agents antivirals per les possibilitats que ofereixen les seves propietats químiques i físiques úniques. A part, ofereixen extraordinàries possibilitats per a la detecció ràpida, segura i efectiva d'aquests nous tipus de virus.

Els virus: entitats a nanoescala

Els virus poden sorgir a causa de canvis en l'hoste, el medi ambient o un vector, i poden sorgir nous virus patògens en humans a partir de virus humans existents o de virus animals. Es caracteritzen per ser capaços d’autoreplicar-se aprofitant la maquinària metabòlica dels seus hostes i actuant com a veritables paràsits. Són entitats que funcionen per dos principis espontanis: autoorganització estructural i reactivitat química dels àcids nucleics (sigui RNA o DNA). Són fotocopiadores infal·libles.*

Diverses malalties virals que van sorgir a les últimes dècades, ara s'han atrinxerat a diverses parts del món. Els exemples més coneguts són el coronavirus de la SARS, el virus del Nil occidental, el virus de la verola del mico, el hantavirus, el virus Nipah, el hendravirus, el chikungunya i, finalment, el coronavirus (o SARS-CoV-2 ). En el dramàtic cas del SARS-CoV-2, injecta el seu material genètic al citoplasma de les nostres cèl·lules, i en aquest cas sembla que amb una avidesa preferent pels normòcits dels nostres alvèols pulmonars, per fer-los treballar de tal manera que produeixin més i més virus que infecten altres cèl·lules induint la producció de defenses i l’alliberament de les anomenades citocines, que acaben produint, en el pitjor dels casos, el que els metges anomenen síndrome de dificultat respiratòria que pot conduir a la mort.* 

Desafortunadament, els avenços metodològics no tenen la capacitat de prevenir o controlar aquestes malalties. Hi ha hagut millores en la teràpia antiviral, però amb un ampli marge d'ineficàcia, per tant, es necessiten urgentment nous agents antivirals per continuar la batalla entre els virus invasors i les respostes de l'hoste. Els avanços tecnològics han portat al descobriment i la caracterització de molècules necessàries per a la replicació viral i el desenvolupament d'agents antivirals per inhibir-los.

Els coronavirus són un grup de virus que ataquen les vies respiratòries superiors i inferiors en els humans i causen una varietat de malalties, des del refredat comú fins a formes més greus, com la síndrome respiratòria aguda severa (SARS) i la síndrome respiratòria de l'Orient Mitjà (MERS). Aquests virus poden transmetre's als humans per diferents espècies d'animals. Un dels problemes més incontrolables és la possibilitat de la seva transmissió a través gotes de saliva (tenen una mida de l'ordre de les micres, és a dir, un milió de vegades més petites que un metre), cosa que fa que hàgim de mantenir una distància de seguretat mínima d'1,5 o 2 m. A part, el virus, degut a la seva petitesa mínima té tendència a quedar-se en suspensió entre les “làmines”, en les quals es teoritza que es  descomponen els fluids com l’aire.

Els virus animals exhibeixen una variació extrema en grandària i forma. Els més petits pertanyen a les famílies Parvoviridae i Picornaviridae i mesuren aproximadament 20 nm i aproximadament 30 nm de diàmetre, respectivament. Els virus d'aquestes dues famílies són icosaedres i contenen àcids nucleics amb informació genètica limitada. Els virus de la família Poxviridae tenen aproximadament de 250 a 400 nm en la seva dimensió més llarga, i no són polígons ni filaments. Els poxvirus són estructuralment més complexos que els bacteris simples, malgrat la seva gran semblança. Els virus animals que tenen nucleocàpsides en forma de bastó (helicoidals) són aquells tancats en un embolcall, i es troben en les famílies Paramyxoviridae, Orthomyxoviridae, Coronaviridae i Rhabdoviridae. No obstant això, no tots els virus embolicats contenen nucleocàpsides helicoidals; els de les famílies Herpesviridae, Retroviridae i Togaviridae tenen nucleocàpsides poligonals. La majoria dels virus embolicats semblen esfèrics, encara que els rabdovirus són cilindres allargats.

Pel que fa al SARS-CoV-2, es tracta d'una nanovesícula que tanca al seu interior un d’àcid nucleic (RNA). Consisteix en una capa bilipídica esfèrica, d'uns pocs nanòmetres (menys de 10) de natura oliosa, per això és tan important reantar-se les mans amb sabó, ja que els detergents tenen la propietat de dissoldre els lípids produint partícules més petites que s’anomenen micel·les, destruint, així, tota l’estructura del SARS-CoV-2. D'aquesta bicapa lípidica sobresurten les seves característiques “espines”, i conté RNA a una pressió enorme (més de 20 vegades la pressió atmosfèrica [15-30 bar]). Aquesta sobrepressió és molt important ja que quan el virus reconeix certes “dianes” de la cèl·lula humana injecta el RNA a favor de pressió al citoplasma de les nostres cèl·lules, i les infecta. Per cert, aquest realment és un dels dos mecanismes que s'especula que utilitza el SARS-CoV-2 per infectar, l'altre mecanisme d’entrada a la cèl·lula seria l’endocitosi, pel qual el virus sencer és englobat i internalitzat per la cèl·lula. Per tant, tenim dos possibles mecanismes d'infecció i una certesa, el virus necessita trobar el pany, com si fos el pany de la porta, per posar-hi la clau que porta a la seva coberta i que és, precisament, el que li dona nom.*

Per tant, els virions de coronavirus estan en forma d'esferes amb un diàmetre mitjà de 70-90 nm. Tenen un embolcall viral i un genoma d'ARN monocatenari de sentit positiu. Les partícules virals del coronavirus tenen quatre tipus de proteïnes estructurals. Les proteïnes d'espiga (S), membrana (M), embolcall (E) i nucleocàpsida (N), entre les quals destaca per la seva importància la proteïna S, una glicoproteïna, pel seu paper crucial en la unió del virus a l'hoste. Es coneix com a proteïna S (spike S protein); que  és la que reconeix el pany i obre les portes d’entrada de la cèl·lula a infectar. Imagineu-vos per un moment que teniu la combinació del pany. Si canvieu el bombí o cilindre de seguretat del pany, la proteïna S (la clau) no podrà obrir el pany. Se sap que aquest "pany" és una complexa proteïna de membrana anomenada  ACEII, i que si hi actuem, haurem aturat la infecció.*

El receptor ACEII, diana del virus, està relacionat amb la regulació de la pressió, i per aquest motiu les persones que prenen medicaments per regular la hipertensió se sap que tenen més receptors d’aquest tipus. Això explica perquè les autoritats insisteixen i informen que aquest col·lectiu de malalts crònics són un grup de risc potencial en cas d’adquirir la COVID-19. Amb una mica més de controvèrsia, el popular ibuprofèn podria tenir el mateix efecte i per això hi ha aparentment un cert consens que no s’ha d’utilitzar en aquesta malaltia. Tot i la complexitat del tema, us adonareu que tot rau en la comprensió d’aquest receptor ACEII, una proteïna de membrana, i, parlant tècnicament, en la necessitat de saber-lo modificar o bloquejar per impedir l’accés de la proteïna S.*

Una forma efectiva de combatre aquest virus podria ser atacar el mecanisme d'acció de la proteïna S mitjançant el desenvolupament de medicaments especials i compostos inhibidors. Per exemple, bloquejant l’entrada amb fàrmacs (molècules) que impedeixin aquest reconeixement. Aquesta és l’estratègia dels equips que treballen amb l’IBEC i també a la Universitat de British Columbia que proven una proteïna (recombinant) anomenada hrsACE, objectiu que sembla que aconsegueix també un fàrmac aprovat al Japó amb el nom de Camostat®.* Podeu ampliar informació al respecte en aquest article.

La majoria dels virus té una mida compresa en la nanoescala (per sota de 100 nm). En el cas del SARS-CoV-2 hem vist que se situa entre 70 i 90 nanòmetres, calculat gràcies a la microscòpia electrònica analitzant l'estructura del virus en el citoplasma de les cèl·lules de 3 dies després de la inoculació.

La quantitat i la disposició de les proteïnes i l'àcid nucleic dels virus determinen la seva grandària i forma. L'àcid nucleic i les proteïnes de cada classe de virus s'assemblen a una estructura anomenada nucleoproteïna o nucleocàpsida. Alguns virus tenen més d'una capa de proteïna que envolta l'àcid nucleic; uns altres tenen una membrana de lipoproteïna (anomenada embolcall), derivada de la membrana de la cèl·lula hoste, que envolta el nucli de la nucleocàpsida. Penetrant en la membrana hi ha proteïnes addicionals que determinen l'especificitat del virus per a les cèl·lules hoste. Els constituents de les proteïnes i els àcids nucleics tenen propietats úniques per a cada classe de virus; quan s'assemblen, determinen la grandària i la forma del virus per a aquesta classe específica. Els genomes de mimivirus i pandoravirus, que són alguns dels virus més grans coneguts, varien d'1 a 2,5 Mb (1 Mb = 1.000.000 parells de bases d'ADN).

La majoria dels virus varien en diàmetre des de 20 nanòmetres fins a 250-400 nm, els més grans. Només els virus més grans i complexos es poden veure per mitjà del microscopi òptic amb la resolució més alta. Qualsevol determinació de la grandària d'un virus també ha de tenir en compte la seva forma, ja que les diferents classes de virus tenen formes distintives.

Les formes dels virus són predominantment de dos tipus: varetes o filaments, amb una disposició lineal de l'àcid nucleic i les subunitats proteiques; i esferes, que en realitat són polígons de 20 costats (icosaèdrics). La majoria dels virus vegetals són petits i són filaments o polígons, igual que molts virus bacterians. No obstant això, els bacteriòfags més grans i complexos contenen, com la seva informació genètica, ADN bicatenari i combinen formes filamentoses i poligonals. El bacteriòfag T4 clàssic està compost per un cap poligonal, que conté el genoma de l'ADN i una cua de fibres llargues en forma de barra de funció especial. Estructures com aquestes són exclusives dels bacteriòfags.

Per tant, sembla lògic que per lluitar contra aquest tipus de virus fem servir la tecnologia que domina la nanoescala, la nanotecnologia.

La lluita a la nanoescala

El ràpid augment del nombre de morts per COVID-19 sembla imparable. Centenars d'investigadors a tot el món estan desenvolupant una lluita sense treva contra la pandèmia, s'estima que actualment hi ha de prop de 300 investigacions sobre la COVID-19, altre cop la ciència és protagonista i és importantíssim donar-li suport sense fissures. Actualment, no hi ha un tractament antiviral específic disponible contra la COVID-19, però s'està investigant una àmplia gamma d'agents farmacèutics. Molts d’aquests estudis estan basats en la  nanotecnologia. Alguns d’aquests estan enfocats a nous sistemes de detecció més ràpids i fiables, a nous sistemes de protecció o desinfecció i al desenvolupament de vacunes contra el coronavirus basades en nanopartícules.

Agents antivirals

En l'escenari actual, els materials a nanoescala han sorgit com a nous agents antivirals per les possibilitats que ofereixen les seves propietats químiques i físiques úniques. Les nanopartícules de plata s'han estudiat principalment pel seu potencial antimicrobià contra els bacteris, però també han demostrat ser actives contra diversos tipus de virus, incloent-hi el virus de la immunodeficiència humana, el virus de l'hepatitis B, el virus de l'herpes simple, el virus sincític respiratori i el virus de la verola del mico. L'ús de nanopartícules metàl·liques brinda una oportunitat interessant per a noves teràpies antivirals. Atès que els metalls poden atacar una àmplia gamma d'objectius en el virus, hi ha una menor possibilitat de desenvolupar resistència en comparació amb els antivirals convencionals. 

En la croada cap al desenvolupament de medicaments antivírics, l'aparició de ceps virals resistents i els efectes secundaris adversos associats amb un ús prolongat representen enormes obstacles que són difícils d'esquivar. Les nanopartícules metàl·liques, especialment les produïdes amb plata o or, han demostrat exhibir activitat viricida contra un ampli espectre de virus, i segurament redueixen la infectivitat viral de les cèl·lules atacades. En la majoria dels casos, es podria demostrar o fer hipòtesis d'una interacció directa entre la nanopartícula i les proteïnes de la superfície del virus. El problema a resoldre és comprendre el lloc exacte d'interacció i com modificar les característiques de la superfície de les nanopartícules per a un ús més ampli i efectiu. A més de la interacció directa amb les glucoproteïnes de la superfície viral, les nanopartícules metàl·liques poden obtenir accés a la cèl·lula i exercir la seva activitat antiviral a través d'interaccions amb el genoma viral (ADN o ARN). A més, el compartiment intracel·lular d'una cèl·lula infectada està sobrepoblat per factors cel·lulars codificats viralment i de l'hoste que són necessaris per permetre la replicació viral i una producció adequada de virions de progènie. La interacció de les nanopartícules metàl·liques amb aquests factors, que són la clau per a una replicació viral eficient, també pot representar un mecanisme d'acció addicional.

Al mateix temps, una de les principals característiques de les nanopartícules és la seva gran superfície específica i la seva facilitat per funcionalitzar amb una àmplia gamma de grups funcionals, exemples com les nanopartícules d'or o els punts quàntics de carboni (CQD) són clars exponents per interactuar amb els virus i evitar la seva entrada a les cèl·lules.

Tant les nanopartícules d'or com els CQD poden ser fàcilment funcionalitzades i inhibir, així, significativament la seva entrada a les cèl·lules hoste. Tots dos es dirigeixen selectivament a la proteïna S del coronavirus i n'interrompen l'activitat.

En els últims anys han sorgit diferents tipus de nanomaterials com coure, zinc, titani, magnesi i alginat i la majoria d'aquests han demostrat ser efectius contra diversos microorganismes. També s'han utilitzat les nanopartícules d'or com a agents antimicrobians, principalment com una eina per administrar altres antimicrobians o per millorar la destrucció fotodinàmica de bacteris. Molts estudis han demostrat els efectes antimicrobians de les nanopartícules metàl·liques, però els efectes de les nanopartícules de plata contra els fongs patògens són en la seva majoria desconeguts; les nanopartícules de plata, de fet, van mostrar una activitat antifúngica significativa contra Penicillium citrinum, Aspergillus niger, Trichophyton mentagrophytes i Candida albicans.

Les nanopartícules metàl·liques també poden ser eficaces contra el VIH-1, virus de l'hepatitis B, virus sincític respiratori, virus de l'herpes simple tipus 1, virus de la verola del mico, virus de la grip  i virus de Tacaribe.

Model esquemàtic d’un virus que infecta una cèl·lula eucariota i mecanisme antiviral de nanopartícules metàl·liques.

Les nanopartícules de plata ofereixen interessants propietats gràcies a la seva activitat antimicrobiana. S'ha documentat l'activitat contra Staphylococcus aureus resistent a meticil·lina (MRSA), Escherichia coli o Pseudomonas aeruginosa. Les baixes concentracions de nanopartícules de plata poden inhibir E. coli mentre que l'efecte inhibidor del creixement sobre S. aureus va ser menor. Es va observar activitat antimicrobiana sinèrgica de nanopartícules de plata o zinc amb ampicil·lina, penicil·lina G, amoxicil·lina, kanamicina, eritromicina, clindamicina, cloramfenicol i vancomicina contra S.aureus, E. coli, Salmonella typhi i Micrococcus luteus.

La major part de la literatura publicada descriu l'activitat antiviral de les nanopartícules de plata o or, tant amb un genoma d'ADN com d'ARN. Tenint en compte que un dels principals arguments cap a l'eficàcia de les nanopartícules analitzades és el fet que, en virtut de la seva forma i grandària, poden interactuar amb partícules de virus amb una disposició espacial ben definida, la possibilitat que les nanopartícules metàl·liques siguin actives contra virus nus sembla atractiu A més, ja s'ha demostrat que les nanopartícules de plata i or poden usar-se com a material central. No obstant això, encara no hi ha informes disponibles per a l'ús d'altres metalls, però el futur té moltes sorpreses, especialment tenint en compte que les molècules de protecció que podrien investigar-se són pràcticament il·limitades.

Les nanopartícules metàl·liques s'usen en règims de tractament terapèutic o profilàctic. És fonamental comprendre la toxicitat in vivo i el potencial de seqüeles a llarg termini associades amb l'exposició a aquests compostos. Es necessita recerca addicional per determinar com dissenyar, usar i rebutjar de manera segura productes que continguin nanomaterials metàl·lics sense crear nous riscos per als humans o el medi ambient.

Un altre exemple de vacuna basada en nanopartícules és l'obtinguda per investigadors de la Universitat de Shizuoka, Japó, basades en nanovesícules, que són similars als virus (excepte que no tenen el seu genoma), estimulant el sistema immunitari de l'hoste per actuar contra el virus. Això es va aconseguir expressant les proteïnes estructurals del coronavirus MERS en larves de cucs de seda i cèl·lules Bm5. De nou entra en joc la proteïna S del coronavirus (MERS), la qual es va modificar extraient els seus dominis transmembrana i citoplasmàtic. Posteriorment, les proteïnes purificades van formar les nanopartícules, que van poder unir-se al receptor del coronavirus gràcies al desenvolupament de nanovesícules d'entre 100 i 200 nm.

Altres aplicacions: exemples

Un exemple més proper és el projecte europeu CONVAT liderat per la investigadora Laura Lechuga del grup NanoB2A (ICN2). CONVAT treballa per a la posada en marxa d'una plataforma tipus point of care (POC) per al diagnòstic ràpid i per al monitoratge de coronavirus a escala global.

Els dispositius de diagnòstic de punt d'atenció (POC) són part integral del sistema d'atenció mèdica i permeten el diagnòstic i monitoratge de malalties. Les proves de POC tenen una varietat d'avantatges que inclouen la capacitat de proporcionar resultats ràpids i precisos, facilitat d'ús, per sota de cost i poca necessitat d'equips especialitzats. Les plataformes POC permeten obtenir sistemes autònoms, miniaturitzats, portàtils i basats en xips que permeten l'anàlisi de proteïnes, àcids nucleics i cèl·lules en mostres complexes. La integració de nanomaterials i sistemes microfluídics ajuden a aconseguir aquest objectiu. L'equip de Laura Lechuga és expert en POC que combinen sistemes microfluídics i les nanopartícules d'or.

El projecte COVID busca detectar el coronavirus en un breu termini de temps, aproximadament 30 minuts, directament a partir de la mostra del pacient i sense necessitat de realitzar anàlisi en laboratoris clínics. Al seu torn es podrà usar per a l'anàlisi de diferents tipus de coronavirus presents en animals reservoris, de manera que es pugui monitorar i vigilar una possible evolució d'aquests virus i prevenir futurs brots infecciosos en humans.

En l'etapa de prevenció, els respiradors facials basats ​​en nanofibres, juntament amb els desinfectants antimicrobians i antivirals altament efectius amb nanotecnologia, han estat els primers mitjans de protecció personal que poden prevenir la propagació del virus. A més, s'està realitzant una extensa recerca per desenvolupar una vacuna per a la COVID-19 basada en diferents nanomaterials. En diagnòstic, la nanotecnologia ha demostrat ser molt prometedora en el disseny de sensors per desenvolupar proves COVID-19 de resposta ràpida. Finalment, però no menys important, en la fase de tractament, les nanomedicines han estat el centre d'atenció de molts investigadors, algunes de les quals s'estan estudiant actualment en assajos clínics. Per tant, els nanotecnòlegs estan duent a terme la seva responsabilitat social per a fer front a l'emergència de salut mundial en curs. 

Present i futur de la lluita contra el coronavirus des de la nanoescala

Com comentàvem, centenars de laboratoris a tot el món estan lluitant contra el coronavirus, fet que porta a trobar-nos diàriament amb nous exemples de diferents estratègies per combatre la malaltia mitjançant la nanotecnologia. Enumerar-les totes seria imposible però des de STAT-NANO podeu trobar informació actualitzada, tant de diferents investigacions com de diferents productes i companyies que estan utilitzant la nanotecnologia contra el coronavirus; en un proper article, us explicarem alguns dels exemples que presenten.

La nanotecnologia s’ha convertit en una de les principals estratègies per lluitar contra el coronavirus i això és lògic ja que treballa en unes dimensions on pot tractar de tu a tu de forma exitosa aquesta pandèmia que, per sort, un dia o altre acabarà.

Podeu veure una conferència basada en aquest article aquí: 

https://cutt.ly/pybPlZm

NOTA: Degut a la claretat i a l'amplíssima informació aportada, he estret (amb el permís de l'autor, Dr. Hernàndez Borrell) una petita part de la informació d'aquest article. Està indicat amb les marques d'asterisc (*).