Nano-Ton als potenzielle Pseudo-Antikörper für COVID-19

Hintergrund

Das plötzliche Auftreten und die schnelle Ausbreitung des neuartigen Coronavirus SARS-CoV-2 haben die Gesundheit und das Leben der Menschen erheblich beeinträchtigt und die Weltwirtschaft entscheidend beeinflusst. SARS-CoV-2 Spike S bindet mit hoher Affinität an das humane Angiotensin-Converting-Enzym 2 (hACE2) und nutzt es als Eintrittsrezeptor, um in Zielzellen einzudringen (Abb. 1a, b) [1]. Das Spike-Protein der Virusoberfläche vermittelt den Eintritt des Coronavirus in die Wirtszellen. Das SARS-CoV-2-Spike-Protein enthält eine Rezeptorbindungsdomäne (RBD), die explizit als seinen Rezeptor hACE2 erkennt [2, 3]. Die Oberfläche von hACE2 enthält zwei Virusbindungs-Hotspots, die für die SARS-CoV-2 S-Bindung entscheidend sind. Mehrere natürlich selektierte Mutationen in SARS-CoV-2 RBD umgeben diese Hotspots und regulieren die Infektiosität, Pathogenese sowie die artenübergreifende und Mensch-zu-Mensch-Übertragung von SARS-CoV-2 [2, 4, 5].

Schematische Darstellung des SARS-CoV-2-Angriffs auf humanes hACE2 und der darauffolgenden Reaktion des Immunsystems. a , b RBD bindet hACE2 ohne Interferenz. c RBD komplexiert mit dem Antikörper an der Rezeptor-Anheftungsstelle und konkurriert daher mit hACE2. d RBD komplexiert mit RBD an einer anderen Stelle als der Rezeptorbindung, was zu einer Veränderung der RBD-Struktur und einer Unterbrechung der Schloss- und Schlüsselbindung von RBD an hACE2 führt

Derzeit gibt es keine klinisch zugelassenen Impfstoffe oder Medikamente, die speziell auf SARS-CoV-2 abzielen. Nach dem eigentlichen Protokoll der Entwicklung eines Impfstoffs kann es viel länger dauern, bis ein wirksamer Impfstoff entwickelt wird. Das Interesse an der Entwicklung therapeutischer Antikörper gegen SARS-CoV-2 ist groß. Trotz vieler Bemühungen wurden diese Antikörper jedoch bis auf wenige Versuche [7] noch nicht entdeckt [6]. Eine Studie zeigte die starke Neutralisierung von SARS-CoV-2 durch Bindung an die RBD seines S-Glykoproteins [8]. In dieser Studie [8], Antikörpercocktails, wird aufgrund der erhöhten Neutralisationswirkung auf SARS-CoV-2 eine Mischung verschiedener Antikörper empfohlen. Die Verwendung von Antikörpern in der Vergangenheit von rekonvaleszenten Patienten mit SARS-CoV zur Behandlung einer SARS-CoV-Infektion hat jedoch bei den Patienten Nebenwirkungen wie Antikörperabhängige Verstärkung (ADE) gezeigt, die eine erhöhte virale Infektiosität und andere schädliche Immunreaktionen verursacht [7]. Basierend auf den Erfahrungen mit den Bemühungen um die Entwicklung von Impfstoffen für SARS-CoV und MERS scheinen die Chancen auf eine Verwirklichung der Bemühungen für SARS-CoV-2 zudem recht gering. Daher könnten als eine der Behandlungsoptionen für SARS-CoV-2 natürliche/traditionelle Arzneimittel in Betracht gezogen werden, die in der Vergangenheit sicher vom Menschen konsumiert/eingenommen wurden. Da es sich um ein natürliches Material und eine Geschichte des menschlichen Gebrauchs/Konsums handelt, schlagen wir vor, dass „hoch geladene Nanotone“ als Coronavirus-Blocker und Inhibitoren des durch Spikes vermittelten Eindringens in die menschlichen Zellen verwendet werden.

Nanotone, nanoskalige Naturstoffe, die aus Mineralien der Sedimentgesteine ​​stammen, haben eine sehr hohe Affinität zu Bakterien und Viren [9]. Aufgrund der isomorphen Substitution in ihrer molekularen Struktur weisen diese Nanotone an ihren Oberflächen Ladungsdefizite auf. Dieser Ladungsmangel an ihren Oberflächen wird durch die Wassermoleküle und die gelösten Kationen neutralisiert (Abb. 2). Die geladene Struktur und die große Oberfläche von Tonnanopartikeln verleihen ihnen eine Affinität zu geladenen Einheiten, wie sie auf bakteriellen Oberflächen und bakteriellen Toxinen zu finden sind. Ihre ausgeprägten biomedizinischen Eigenschaften umfassen eine hohe Absorption, die Fähigkeit, Mikroben zu verschlingen, und keine Toxizität. Jedes der elektrisch aktiven Tonminerale hat seine eigene Morphologie, Charakteristik und sein Wechselwirkungsverhalten. Die am besten untersuchte biomedizinische Anwendung von Nanotonen umfasst die Verwendung als Träger und Komplexe für Krebsmedikamente wie 5-Fluorouracil und Trastuzumab [11,12,13,14,15,16,17]. Sie sind daher eine potenzielle Alternativmedizin für mehrere Krankheiten [18,19,20,21,22]. Tonnanopartikel wurden aufgrund ihrer adhäsiven Natur auch als Träger für Arzneimittel mit verzögerter Freisetzung verwendet [15, 23]. Nanotone wurden auch erfolgreich zur Adsorption und Behandlung von bovinem Rotavirus und bovinem Coronavirus verwendet [24]. Forscher [25] interkalierten Methotrexat (MTX), ein Antikrebsmittel, in den anionischen Ton, um ein Nano-Hybrid-Medikament herzustellen. Sie verwendeten die gemeinsame Fällung und die anschließende hydrothermale Methode, um dieses chemisch, strukturell und morphologisch gut definierte zweidimensionale Wirkstoff-Ton-Nano-Hybrid herzustellen. Die Forscher [26] entdeckten, dass Bentonit-Nanoton aufgrund der Biokompatibilität und der hohen Beladungskapazität für die Herstellung der Wirkstofftransportvehikel verwendet werden könnte. In dieser Studie stellten sie einen Doxorubicin-Bentonit-Nano-Ton-Komplex (DOX-Bent-Komplex) her, um ein Arzneimittelabgabesystem mit verzögerter Freisetzung für die intratumorale Chemotherapie von Melanomen zu bilden. Da vor kurzem Montmorillonit-Ton als Additiv und Wirkstoffträgermaterial untersucht wird, sprechen diese Nano-Ton-Komposite ihre Verwendung in verschiedenen Dosierungsformen an, hauptsächlich für die kontrollierte Freisetzung des Wirkstoffs [27]. Die Forscher [28] entdeckten auch, dass Nano-Ton in neueren dualfunktionellen Drug-Delivery-Systemen (DDSs) verwendet werden können, um eine Effizienz bei der Wirkstoffabgabe zu erzielen und so die Toxizität von Doxorubicin (DOX), das zur Behandlung von Schilddrüsenkrebs verwendet wird, zu reduzieren. Unter Verwendung einer Bibliothek von 12 photospaltbaren amphiphilen Janus-Dendrimeren vom Einzeltyp entwickelten die Forscher [29] eine selbstorganisierende, lichtempfindliche Dendrimersomen-Vesikelplattform. Ähnlich wie die Nano-Tonen weisen oberflächenmodifizierte bioaktive, virus-nachahmende organische Nano-Vesikel aus (Glyko-)Dendrimersomen strukturelle Modifikationen auf, die zur Manifestation von SARS-CoV-2 und Wirtspathogenen molekularen Interaktionen beitragen, die dem Virus helfen, aus dem menschlichen Immunsystem zu entkommen [30].

a SEM-Bild und b die entsprechende Molekülstruktur von Na-Montmorillonit zeigt die Konfiguration, isomorphe Substitution, Ladungsmangel und Zwischenschichtkationen (aus [10])

Durch umfangreiche vorangegangene Forschungen entwickelten wir eine grundlegende Charakterisierung und Verhaltensmodellierung der geladenen Tonmineralien [31,32,33] und ihre Anwendungen bei der Kontrolle von Krebsmetastasen [10], in vitro- und in vivo-Studien zur Melanombehandlung [34] , und die Studien zur Kalziumablagerung/Knochenregeneration [35]. In einer früheren Studie der Autoren [35] wurde gezeigt, dass Tonnanopartikel eine hohe Affinität zu geladenen Oberflächen aufweisen. Die hohe Anziehungsaffinität der Nanotone und die erhöhte unspezifische Adhäsionsanziehung der Krebszellen machen Nanotone zu günstigen Kandidaten für die Bekämpfung von Krebsmetastasen. In dieser Studie demonstrierten wir die mögliche Verwendung von zwei geladenen Tonmineralien, um die Metastasierung der Krebszellen zu kontrollieren:Na-Montmorillonit (SWy-3) und Palygorskit (PFl-l). Zusätzlich zu den Ergebnissen früherer Forschungen der Autoren [35] zur Verwendung dieser Nanotone zur Kontrolle von Krebsmetastasen haben wir auch durch in vitro- und in vivo-Studien festgestellt, dass diese Nanotone hemmende Wirkungen auf Melanome haben Krebszellen, hauptsächlich auf Zellproliferation und Lebensfähigkeit [34]. In diesen früheren Studien wurden neben Laborexperimenten auch Simulationen auf molekularer Ebene zu den Wechselwirkungen zwischen Nanoton und Zellen durchgeführt. Diese Simulationen lieferten die Bewertung des relativen Grades an Kohäsion/Affinität in den Wechselwirkungen mit und ohne Ton-Nanopartikel.

Basierend auf all den oben genannten Erfahrungen der Autoren zum Hochaffinitätspotenzial von Nanotonen schlagen wir vor, dass Nanotonen als Antikörper nachgeahmt werden könnten und somit Coronaviren anziehen und verschlingen können, bevor sie mit menschlichem hACE2 in Kontakt treten. Dieses Papier ist ein erster Schritt zur Etablierung dieser Wahrnehmung durch einen Simulations- und Modellierungsansatz auf molekularer Ebene. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen auf molekularer Ebene werden auch Empfehlungen für die nächsten Phasen der In-vitro- und In-vivo-Forschung skizziert. Da diese Nanotonen auch erfolgreich als Arzneimittelträger verwendet werden, gehen wir auch davon aus, dass sie auch als „Ton-allein“-Medikament injiziert/eingenommen werden können, und haben daher zu diesem Zweck eine vorläufige Methode zur Verabreichung von Nanotonen vorgeschlagen.

Materialien – Moleküle

Auswahl und Formulierung von SARS-CoV-2 und hACE2

Moleküle von SARS-CoV-2 Spike S und hACE2 wurden von der Proteindatenbank-Website RCSB erworben [36,37,38]. Die molekularen Modelle von SARS-CoV-2 Spike S und hACE2, die in der Software Materials Studio [39] formuliert wurden, sind jeweils in Abb. 3a, b gezeigt. Bevor sie den Simulationen unterzogen wurden, wurden diese Moleküle mit der Ladungsausgleichsmethode QEq der Software geladen.

Modelle von a . auf molekularer Ebene SARS-CoV-2-Spitze, b hACE2 und c Na-Montmorillonit-Kristallit, formuliert in der Software Materials Studio

Auswahl und Formulierung von Nano-Ton-Kristallit

Für die Studie wurde Na-Montmorillonit ausgewählt, eines der aktivsten Mitglieder der Smektitgruppe der Tonminerale. Na-Montmorillonit ist ein geschichteter Schichtsilikat-Ton-Smektit (Abb. 2). In kolloidaler Form kann der Raum zwischen benachbarten Schichten freie Natrium-, Calcium- oder Magnesiumkationen enthalten, die elektrostatisch von außen negativ geladenen Oberflächen angezogen werden [40]. Im trockenen pulverisierten Zustand liegt Na-Montmorillonit als gleichdimensionale Flocken/Blätter mit Abmessungen von etwa 0,5 × 0,5 × 0,001 Mikrometer vor (Abb. 2a). Diese negativen Ladungen auf ihren Zwischenschichtoberflächen werden durch die Kationen ausgeglichen. Als Kolloide werden die Zwischenschichtkationen von den Tonpartikeln dissoziiert und assoziieren sich mit den anderen negativ geladenen Oberflächen. Diese Partikel haben aufgrund der gebrochenen Bindungen an ihren Enden auch positiv geladene Kanten. Morphologie und weitere Eigenschaften dieser Nanotone sind in Tabelle 1 aufgeführt, während die Formulierung ihrer Kristallite in der Materials Studio-Software unten erklärt wird.

In der Software wurden Na-Montmorillonit-Kristallite basierend auf grundlegenden Eigenschaften wie CEC, austauschbaren Kationen und Zwischenschichtladungen formuliert (Tabelle 1). Die Größe der Molekül-/Kristallitgröße wurde basierend auf den Ergebnissen der Partikelgrößenanalyse unter Verwendung der dynamischen Lichtstreuungstechnik (DLS) ausgewählt [10]. Die endgültige Form des in der Software erstellten Tonkristallits ist in Abb. 3c dargestellt. Nach der Herstellung dieser Kristallite im Designmodus der Software unter Verwendung der inhärenten Eigenschaften wurden diese mit der Ladungsausgleichsmethode QEq der Software geladen.

Methoden – Simulationen auf molekularer Ebene

Dieser Teil der Studie bestand aus der Simulation und Bewertung der Wechselwirkungen des SARS-CoV-2 Spike S mit Tonkristalliten und mit hACE2. Obwohl diese Modelle möglicherweise nicht die vollständige Nachbildung der tatsächlichen In-vitro-Bedingungen sind, wurden diese mit allen wesentlichen Wechselwirkungen integriert und sind für die beabsichtigte relative und vergleichende Studie recht gut geeignet.

In der Software wurden die Sorption und Simulationen der formulierten Konfigurationen von SARS-CoV-2 S, Na-Montmorillonit-Kristalliten und hACE2 mit Monte Carlo (MC) und Molekularmechanik (MM) Techniken durchgeführt. Die Affinitätssteigerung in allen simulierten Konfigurationen wurde anhand der berechneten kohäsiven Energiedichte (CED) bewertet – CED wurde als Maß für die Kohäsion des molekularen Systems betrachtet. Aufgrund der umfangreichen Berechnungen der Simulationen wurden diese Berechnungen mit den Hochleistungsrechenanlagen (HPC) bei KFUPM, KSA, durchgeführt. Die Gesamtmethodik und die Wahl der einzelnen Methoden und der Simulationsparameter basierten auf früheren Forschungsarbeiten der Autoren [41,42,43,44,45,46,47] und werden im nachfolgenden Abschnitt detailliert beschrieben.

SARS-CoV-2-Spike (S)-Wechselwirkungen mit hACE2 und Tonkristalliten

Um die Wechselwirkung von SARS-CoV-2 S mit Tonkristalliten zu simulieren, wurden verschiedene Anzahlen der Kristallite von Na-Montmorillonit-Ton am SARS-CoV-2 S-Modell sorbiert. Für diese Sorptionssimulationen wurde im Modul Sorption der Software die Methode Metropolis Monte Carlo gewählt. In jedem Sorptionsschritt besetzen Tonkristallite Räume um das Spike-S-Modell, um die Gesamtenergie des Komplexes zu senken. In maximal 25.000 Schritten wurde die erforderliche Anzahl an Kristalliten sorbiert und anschließend mit dem Forcite-Modul der Software nach dem MD-Prinzip die Energie des Systems minimiert. Der ähnliche Sorptionsprozess wurde für die Interaktionsmodellierung des SARS-CoV-2-Spike-Moleküls mit hACE2 wiederholt. Dabei wurden hACE2-Moleküle um die RBD des Spike S von SARS-CoV-2 sorbiert. Nach Abschluss des Sorptionsprozesses wurde die Energie der Formulierung mithilfe eines MD-basierten Moduls der Software minimiert.

Für MD-Simulationen mit einem modifizierten universellen Kraftfeld wurde das Forcite-Modul der Software verwendet, die das NPT-Ensemble (konstante Anzahl von Partikeln, Druck und Temperatur) enthält [41]. Die Simulationen wurden für 5 bis 30 ps mit einem Intervall von 0,5 fs durchgeführt oder bis ein konstantes Volumen erreicht wurde. Ein Berendsen-Thermostat mit einer Abklingkonstante von 0.1 ps wurde verwendet, um die Temperatur während der Simulation zu kontrollieren. Während der MD-Simulationen wurde die angenommene Temperatur konstant bei 310 K (37 °C) bei Atmosphärendruck (100 kPa) gehalten. Ein Berendsen-Barostat mit einer Abklingkonstante von 0,1 ps wurde verwendet, um den Druck des Systems zu steuern. Die Berendsen-Methodik wurde nach mehreren Versuchen mit anderen in der Software verfügbaren Thermostaten und Barostaten als die am besten geeignete für die Einkristallite angesehen. Bei der Monte-Carlo-Methode wurden die Parameter für die Verhältnisse von Austausch, Konformer, Rotieren, Verschieben und Nachwachsen als 0,39, 0,2, 0,2, 0,2 bzw. 0,2 mit den entsprechenden Wahrscheinlichkeiten als 0,39, 0,2, 0,2, 0,2 und ausgewählt 0,2. Für Rotation und Translation angepasste Amplituden waren 5° bzw. 1 Å.

Messung der kohäsiven Energiedichte (CED)

In dieser Studie wurde die Bewertung der Affinität/Bindungsstärke in den SARS-CoV-2-Tonkristalliten und SARS-CoV-2-hACE2-Komplexen durch die Veränderungen des CED gemessen. Nach der Sorption von Tonkristalliten und der anschließenden Durchführung der Molekulardynamik jeder der Konfigurationen wurde der CED mit der Option der kohäsiven Energiedichte des Forcite-Moduls der Software bestimmt. Die Autoren haben die Erfahrung gemacht, dass das CED-Konzept, bestehend aus dem Gesamt-, Van-der-Waals- und elektrostatischen CED, die verschiedenen Prozesse und Wechselwirkungen auf molekularer Ebene recht genau erklären und das Ausmaß der zwischen den simulierten Komplexen erzeugten Affinität/Bindung simulieren kann [41,42 ,43,44,45,46,47]. Quantitativ ist CED definiert als die Energiemenge, die für den Übergang von 1 mol Stoff von der flüssigen in die gasförmige Phase benötigt wird. Sie ist auch ein Maß für die gegenseitige Affinität/Anziehungskraft von Molekülen und wird sowohl als elektrostatische als auch als Van-der-Waals-Kräfte ausgedrückt, gemittelt über ein NPT-Ensemble.

Im Forcite-Modul wurden Van-der-Waals-Energien mit atombasierten Cutoffs bewertet. Bei dieser Methode werden nicht-bindende Wechselwirkungen einfach bis zu einem Grenzabstand berechnet, und Wechselwirkungen über diesen Abstand hinaus werden ignoriert. Um Diskontinuitäten zu vermeiden, die durch direkte Cutoffs verursacht werden, verwenden die meisten Simulationen eine Schaltfunktion, um nicht-bindende Wechselwirkungen über einen Bereich von Distanzen glatt auszuschalten. Ein effektives Potenzial wird erzeugt, indem das tatsächliche Potenzial mit der Glättungsfunktion multipliziert wird. Die Wahl der Funktion im Zwischenbereich ist entscheidend und sollte in diesem Bereich stetig differenzierbar sein, damit Kräfte berechnet werden können. In dieser Studie wurde eine kubische Spline-Glättungsfunktion mit einer Spline-Breite von 1 Å und einem Cutoff-Abstand von 12,5 Å verwendet.

Ergebnisse und Diskussionen

Die endgültige Konfiguration des SARS-CoV-2 S-hACE2-Komplexes ist in Abb. 4a gezeigt, während die Komplexe zwischen SARS-CoV-2-Spitze und unterschiedlicher Anzahl von Ton-Na-Montmorillonit-Kristalliten jeweils in Abb. 4b, c gezeigt sind. Zu Vergleichszwecken sind die Gesamt-CEDs verschiedener Anteile/Zahlen der Tonkristallite auf dem SARS-CoV-2-Spitze und die Wechselwirkung des letzteren mit hACE2 in Abb. 5 aufgetragen.

Simulationsergebnisse auf molekularer Ebene in der Materials Studio Software. a SARS-CoV-2 S und hACE2 (CED =1 J/cm ³ ), b SARS-CoV-2 S-Modell interagiert mit zwölf Kristalliten von Na-Montmorillonit (CED =28 J/cm ³ ) und c SARS-CoV-2 S-Modell interagiert mit 24 Kristalliten von Na-Montmorillonit (CED =154 J/cm ³ ) – erhalten mit der in der Software implementierten Sorptionstechnik

Variation der kohäsiven Energiedichte (CED) für SARS-CoV-2 S-hACE2 und die Komplexe des ersteren mit unterschiedlich vielen Na-Montmorillonit-Kristalliten

Aufgrund unserer Erfahrung haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Nanoclays aufgrund ihrer hohen Hafteigenschaften auch als SARS-CoV-2-Hemmer wirken könnten. Sie können dies tun, indem sie sich stark mit dem auf SARS-CoV-2 vorhandenen Spike S assoziieren. Die aus den Simulationen der Wechselwirkungen auf molekularer Ebene erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der sehr hohen CED zwischen SARS-CoV-2 und den Nanotonen im Vergleich zu ersterem und hACE2 (Abb. 5) sie SARS-CoV- hemmen könnten. 2 davon ab, sich mit hACE2 zu verloben. Darüber hinaus konnte aus Abb. 5 auch geschlossen werden, dass das Ausmaß der Hemmung durch Nanoclays mengen-(dosierungs-)abhängig erhöht wird.

Nano-Ton-Interaktionen mit SARS-CoV-2 Spike S

Autoren haben in ihrer früheren Forschung die Rolle von Nanotonen bei der Förderung der Adhäsion zwischen den Krebszellen und ihrer Mikroumgebung und damit bei der Kontrolle der Metastasierung gezeigt [10]. Adhäsionsmessungen des 75/25-Gemischs von Na-Montmorillonit und Palygorskit zeigten eine Erhöhung der Adhäsion um 100 % zwischen Krebszellen und den extrazellulären Matrixproteinen ( 6a ). Ein entsprechendes SEM der Nanoclays, die die Raji-Zellen und die Fibronektin-Proteine ​​binden, ist in Fig. 6b gezeigt. Die Probenbildgebung wurde im SEM-Modus in einem FEI ESEM-FEG XL-30 an der Miller School of Medicine, University of Miami, Florida, durchgeführt. Die Autoren entdeckten in ihrer früheren Forschung auch, dass elektrostatische, van-der-Waals- und ZP-Anziehungen bei den Adhäsionsvorgängen zu dominieren scheinen [10]. Wir schlussfolgern, dass die gleichen Mechanismen auch die Bindung der adhäsiven Oberflächen der Nanotone an den Spike von SARS-COV-2 erleichtert hätten (Abb. 7). ZP ist ein Maß für die Dispersions- bzw. Flockungsneigung in kolloidaler Form einschließlich der Wechselwirkungen mit den anderen im Suspensionsmedium vorhandenen Bestandteilen. Als allgemeine Regel gilt, dass ein Zetapotential von mehr als 30 mV (entweder positiv oder negativ) eine Dispersionstendenz anzeigt, während ein Zetapotential von weniger als 5 mV im Allgemeinen zu einer Agglomeration führt. Höhere Dispersionstendenzen ZP der in der Studie verwendeten Tonnanopartikel (− 24 bis − 32 µmV) führen zu einer höheren Dispersionstendenz und damit zur Erzeugung einer größeren Oberfläche, was die Wechselwirkungen mit dem SARS-CoV-2-Spike verstärkt. Obwohl Na-Montmorillonit-Nanopartikel aufgrund ihres ZP hydrophil sind, fördern sie in Gegenwart von Salzen auch sekundäre Adhäsionsmechanismen zwischen hydrophoben und hydrophilen Oberflächen [10]. Es sollte auch beachtet werden, dass diese Tonnanopartikel aufgrund ihrer hydrophilen Natur und relativ höheren abstoßenden Säure-Base (AB)-Wechselwirkungen eine hohe Dispersionstendenz aufweisen (Tabelle 1). Eine hohe Dispersion führt wiederum zur Erzeugung einer großen Oberfläche zur Erhöhung der anziehenden Wechselwirkungen. Größere Oberflächenbereiche fördern größere Anziehungen aufgrund der Van-der-Waal-Anziehungen und der elektrostatischen Kräfte zwischen entgegengesetzt geladenen Oberflächen. Außerdem werden positiv geladene Kanten von Na-Montmorillonit-Partikeln, wenn auch von relativ geringerem Grad, auch elektrisch von der Spitze S angezogen.

a Zusammenfassung der Adhäsionskraftmessungen zwischen Raji-Raji-FN-Assembly unter Verwendung von AFM, vor und nach der Behandlung mit verschiedenen Anteilen von Na-Montmorillonit- und Palygorskit-Ton-Nanopartikeln [10]. Fehlerbalken repräsentieren die Variationen in den Versuchen. b REM-Aufnahme der Bindung von Raji-Zellen und Fibronektin-Proteinen, die durch Nano-Ton hergestellt werden

Drei mögliche Mechanismen der Wechselwirkungen von Montmorillonit-Nanoton mit dem SARS-CoV-2-Spike S:(1) Elektrostatische Anziehung zwischen positiv geladenen Nanopartikelkanten und Na/Ca-Ionen mit negativ geladenen Virusoberflächen. (2) Van-der-Waals-Sehenswürdigkeiten. (3) elektrostatische Wechselwirkungen von ZP

Auch die Ergebnisse der Simulationen auf molekularer Ebene für die Interaktion von SARS-CoV-2 Spike S mit den Tonkristalliten (Abb. 5) bestätigen das obige Interaktionsverhalten. Es wurde beobachtet, dass die Sorption der Tonnanopartikel zur Bildung eng wechselwirkender starker Van-der-Waals-Anziehungsfelder führt. Diese Van-der-Waals-Anziehungsfelder erzeugen einen höheren CED der Ton/SARS-CoV-2-Konfiguration. Ein erheblicher Anstieg des Gesamt-CED nach Zugabe von Tonkristalliten (Abb. 5) ist auch ein Beweis für eine sehr hohe Affinität von SARS-CoV-2 zu diesen Partikeln im Vergleich zur Affinität ersterer zu hACE2.

Nano-Ton als Pseudo-Antikörper

Basierend auf allen aktuellen und früheren Forschungen der Autoren, die das hohe Affinitätspotenzial von Nanotonen belegen, gehen wir davon aus, dass Nanotonen als Antikörper nachgeahmt werden könnten und somit Coronaviren anziehen und verschlingen können, bevor sie mit menschlichem hACE2 in Kontakt treten. Antikörper sind Glykoproteine, die von Plasmazellen als Teil der adaptiven Immunantwort synthetisiert werden, um die Beseitigung von Infektionen aus dem Körper zu unterstützen. Antikörper helfen auf vielfältige Weise bei der Beseitigung von Infektionen, beispielsweise durch die Opsonisierung von Krankheitserregern, um die Phagozytose zu erleichtern, die Aktivierung des Komplementsystems, die Agglutination von Mikroben und die Neutralisierung von Viren und Toxinen. Wenn sie an die viralen Oberflächenproteine ​​gebunden sind, verhindern Antikörper das Eindringen der Viren in die Zelle, indem sie die Anheftung von Viren an ihren Zielrezeptor auf der Zelle verhindern. Die Antikörperbindung kann an verschiedenen Stellen des Oberflächenproteins auftreten, was zu verschiedenen Mechanismen führt, die dieselbe Wirkung haben. Bei SARS-CoV-2 wurden zwei virale Neutralisationsmechanismen durch Antikörper beobachtet [1, 48] und in Abb. 1c, d dargestellt. Einer der Mechanismen beinhaltet die direkte Bindung von Antikörpern an die Anheftungsstelle des SARS-CoV-2-RBD, was dazu führt, dass der Antikörper mit dem Zielrezeptor hACE2 konkurriert. Ein anderer Mechanismus beinhaltet die Bindung von Antikörpern an die anderen Stellen der RBD ohne jegliche Konkurrenz mit dem Zielrezeptor. Letzteres ist nachweislich an der Neutralisation durch den stärksten monoklonalen Antikörper (mAb) beteiligt, der in der Studie entdeckt wurde [1, 48]. Analog zur Antikörper-Interaktion mit SARS-CoV-2 RBD, die letztere an der Interaktion mit hACE2 hemmt, wird ein ähnliches Modell auf molekularer Ebene für Nanotone erstellt, das zu einer ähnlichen Hemmung der Coronaviren führt und in Abb. 8 gezeigt Aufgrund ihrer sehr hohen Affinität würden Nano-Ton von SARS-CoV-2-Spikes angezogen und würden somit die Interaktion von RBDs dieser Spikes mit hACE2 einschränken.

Interaktionsmechanismus von Nano-Ton-Partikeln mit SARS-CoV-2 Spike S, der die Interaktion des letzteren mit hACE2 hemmt

Vorgeschlagene Nano-Ton-Verwaltungsmethodik

Die Verwendung von Ton als Wirkstoffträger wurde mehrfach getestet und lieferte vielversprechende Ergebnisse von geringer bis gar keiner Zytotoxizität für Zellen des menschlichen Körpers. Kaolinit-Tonmineral wurde für die Verwendung in einem potenziellen Wirkstoffabgabesystem getestet und zeigte eine hohe Biokompatibilität und eine sehr geringe Zytotoxizität [11]. Die Zytotoxizität von Poly(d,l-lactid-co-glycolid)/Montmorillonit-Nanopartikeln in vitro wurde ebenfalls als vernachlässigbar nachgewiesen [14]. Palygorskit-Polyethylenimin-Fluorescein-Isothiocyanat-Nanokomposite zeigten auch in vitro fast keine Zytotoxizität [13]. Autoren haben auch Erfahrungen mit der subkutanen Injektion von Nanoclays zur Behandlung von Melanomen während In-vivo-Studien gemacht [34]. Basierend auf der Verwendung von Ton als Träger von Krebsmedikamenten und in anderen Arzneimitteln mit verzögerter Wirkstofffreisetzung [25,26,27,28] schlagen wir vor, dass Nano-Ton vorbehaltlich der Überprüfung in vivo als „Ton allein“-Medikament injiziert werden kann und klinische Studien.

Obwohl Nanotone nicht biologisch abbaubar sind, könnte ein umfassendes Verständnis des Designs ähnlicher anorganischer Nanopartikel mit ihrer metabolischen Leistung im Körper, das in der Studie [49] durchgeführt wurde, diese Nanotone auch als vom menschlichen Körper abwaschbare anorganische Stoffe kategorisieren.

Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Basierend auf allen aktuellen und früheren Forschungen der Autoren, die das hochaffine Potenzial von Nanotonen belegen, könnten diese als Antikörper nachgeahmt werden und können somit Coronaviren anziehen und verschlingen, bevor sie mit menschlichem hACE2 in Kontakt treten.

Die Ergebnisse der Simulationen auf molekularer Ebene für die Interaktion von SARS-CoV-2 Spike S mit den Tonkristalliten führen zur Bildung von eng wechselwirkenden starken Van-der-Waals-Anziehungsfeldern. Diese Van-der-Waals-Anziehungsfelder erzeugen einen höheren CED der Ton/SARS-CoV-2-Konfiguration. Ein erheblicher Anstieg des Gesamt-CED nach Zugabe von Tonkristalliten ist auch ein Beweis für eine sehr hohe Affinität von SARS-CoV-2 zu diesen Partikeln im Vergleich zur Affinität ersterer zu hACE2.

Wir schlagen vor, die Forschung fortzusetzen, indem In-vitro-Interaktionsstudien zwischen SARS-CoV-2 und verschiedenen Prozentsätzen von Nanotonen durchgeführt werden. Basierend auf der optimalen Dosis von Nano-Ton, die in der In-vitro-Phase entwickelt wurde, schlagen wir vor, In-vivo-Studien an den Tieren durchzuführen. Der Tierversuch sollte sowohl mit als auch ohne Nano-Ton durchgeführt werden, um die Nano-Ton-Dosis zu finalisieren und den Grundstein für die klinischen Studien zu legen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.