SHIELD 顆粒的作用機制及“隱形口罩”在抵御新冠病毒中的應(yīng)用

今年 2 月，北卡羅來納州立大學(xué)的程柯團隊在 Nat Mater 上發(fā)表的一篇名為 An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection 的研究性論文。該研究向我們展示了一種 SHIELD 顆粒，通過鼻腔吸入 SHIELD 干粉，可在氣道上形成安全的病毒防護屏障，且這種屏障不受到病毒變異的限制。
   新冠病毒一個主要傳播途徑就是空氣傳播，在空氣傳播時，SARS-CoV-2 (圖 1) 首先會穿透粘液并進入呼吸道內(nèi)壁細胞，入侵細胞后，進行 RNA 復(fù)制 (見往期推文：奧密克戎 (Omicron) 知多少)^[1-2]。人類氣道粘液在防止許多呼吸道病毒到達目標細胞方面發(fā)揮了重要作用：粘液屏障捕獲外來病原體，然后通過粘液將其消除。SARS-CoV-2 感染使粘液纖毛清除功能受損，這會促進病毒在下呼吸道中傳播，并增加感染的風(fēng)險。此外，自 COVID-19 爆發(fā)以來，世界范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)了許多 SARS-CoV-2 突變株。快速傳播的 SARS-CoV-2 變異體的激增，突出了對快速、廣譜抗病毒感染策略的需求。疫苗是通過降低發(fā)病率和死亡率來保護人們免受傳染病侵害的有效策略之一，主要通過產(chǎn)生針對表面刺突 (Spike) 蛋白 (圖 1) 的特異性中和抗體來發(fā)揮作用，但新冠病毒能通過持續(xù)突變以實現(xiàn)免疫逃逸^[3-4] (見往期推文：免疫逃逸雖 “強”，但突變趨勢可預(yù)測)。刺突蛋白的變異可能會限制這些疫苗的效率。我們迫切需要能夠有效預(yù)防 SARS-CoV-2 感染的新策略，最好是在它到達目標肺部細胞之前。



 

圖 1. SARS-CoV-2 結(jié)構(gòu)及作用機制^[3]

SARS-CoV-2 由包膜蛋白 (Envelope)、核衣殼蛋白 (Nucleocapsid)、刺突蛋白 (Spike)、膜蛋白 (Membrane) 4 種結(jié)構(gòu)蛋白組成。SARS-CoV-2 通過其表面的刺突蛋白與受體 ACE2 結(jié)合進入細胞。刺突蛋白主要分為含有 RBD 的 S1 和 S2 亞基。ACE2，血管緊張素轉(zhuǎn)換酶 II；SARS-CoV-2，嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒 2；RBD，受體結(jié)合域。

 

 本文報道了一種增強肺部防御的吸入式球形水凝膠 (spherical hydrogel inhalation for enhanced lung defence; SHIELD) ，是基于可吸入式生物粘合劑水凝膠的抗 SARS-CoV-2 感染物理屏障。SHIELD 顆粒通過干粉吸入器就能方便地給藥，能被很好地分散(圖 2a-b)，其空氣動力學(xué)直徑在 0.5-5 μm 之間 (圖 2c，有利于通過慣性壓迫和沉降在肺部深處沉積。同時，SHIELD 顆粒形成一個致密的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，覆蓋在氣道上，增強擴散屏障特性，限制病毒的滲透。簡單來說，SHIELD 通過三個步驟生效 (圖 2d-f)：吸入 (圖 2d)； 膨脹 (圖 2e)；(10 min 內(nèi)，SHIELD 顆粒體積增加超過 10 倍)；粘附 (圖 2f)。(注：當(dāng) SHIELD 顆粒接觸到粘液的潮濕表面時，就會發(fā)生膨脹和粘液粘附作用。)



    ■ SHIELD 水凝膠網(wǎng)絡(luò)增強粘液屏障

為模擬病毒通過粘液屏障的滲透，該研究使用與病毒大小相同的聚苯顆粒(仿病毒顆粒)，并用豬胃粘液進行測試。粒子軌跡跟蹤實驗表明，在粘液中加入SHIELD 粒子后，聚苯粒子的布朗運動大大減少 (圖 3)。換言之，SHIELD 顆粒加強了粘液屏障以減少顆粒的滲透。



 

圖 3. 粘液和粘液+SHIELD 中的顆粒在同一時間段的代表性軌跡^[5]

■ SHIELD 在小鼠模型中阻斷 SARS-CoV-2 假性病毒的吸入在小鼠模型中，SHIELD 顆�？杀磺宄�：單次吸入 (3 mg/kg) 8 小時后，SHIELD 顆粒的信號在肺部仍然很高，但從 8 小時到 24 小時內(nèi)有所下降，48 小時后信號最小 (推測為肝臟代謝和粘液纖毛清除機制導(dǎo)致)。吸入的 SHIELD 顆粒在支氣管和小支氣管表面都能形成保護屏障。SHIELD 顆粒在小鼠模型中能有效阻斷 SARS-CoV-2 假性病毒。預(yù)吸入 SHIELD 顆粒后，可阻斷肺中的病毒 (D614G 突變的 SARS-CoV-2 假性病毒) 滯留，阻斷效率在 4, 8, 24 h 時分別為 75.8%, 57.7% 和 17.7% (圖 4a)。對于同時攜帶 D614G、E484K、N501Y 和 K417N 突變的 SARS-CoV-2 假性病毒而言，在吸入 SHIELD 顆粒 4, 8, 24 h 的阻斷率分別為 71.8%, 60.6% 以及 15.1% (圖 4b)。

圖 4. SHIELD 顆粒在小鼠模型中阻斷 SARS-CoV-2 假性病毒^[5]

a: 具有 D614G 突變的SARS-CoV-2 假性病毒; b: 同時具有 D614G、E484K、N501Y 和 K417N 突變的假性病毒。

■ SHIELD 可保護非洲綠猴免受 SARS-CoV-2 感染

為一步評估 SHIELD 防 SARS-CoV-2 的屏障保護作用，該研究團隊使用SARS-CoV-2 原始毒株 (WA1) 和突變株 (Delta) 進行了一項非人類靈長類動物試驗研究 (圖 5a)。結(jié)果表明：吸入 SHIELD 的非洲綠猴，其病毒負荷比對照組動物低 50-300 倍 (圖 6b)。一次 SHIELD 的吸入就能提供長達 8 小時的保護！有效減少 SARS-CoV-2 WA1 和B.1.617.2 (Delta) 變種的感染。此外，SHIELD 的屏障保護減少了非洲綠猴的肺部纖維化和新冠病毒的復(fù)制。

                                    

圖 5. SHIELD 吸入可保護非洲綠猴免受 SARS-CoV-2 感染^[5]

a: 非人類靈長類動物研究示意圖。BAL, 支氣管肺泡灌洗液; NS, 鼻拭子; b: 根據(jù)吸入 SHIELD 的非洲綠猴或?qū)φ战M的曲線下面積 (AUC) 計算的病毒負荷。

 

■ SHIELD 具有廣譜保護作用

為了研究 SHIELD 的廣譜保護作用，該研究團隊在小鼠身上測試了其對小鼠肺炎病毒 (PVM) 和流感病毒 (H1N1) 的防護作用。結(jié)果顯示，SHIELD 對這兩種病原體也是有效的。

 

SHIELD 由食品級材料制成，既有效又安全。
研究表明，SHIELD 具有較好的生物相容性，用不同濃度的 SHIELD 顆粒培養(yǎng)細胞 3 天，細胞活力為 95% (在最高濃度 10 mg/mL 條件下)。并且，在動物模型中，SHIELD 顆粒是安全的：小鼠重復(fù)吸入 (每天吸入，持續(xù)兩周) 后，肺部粘膜免疫力并未受損; 也并未對非洲綠猴產(chǎn)生動物毒性。

小結(jié)

SHIELD 顆粒吸入式防御病毒的策略，在功能上更接近于使用口罩，延緩病毒從感染者向未感染者的傳播。這可能在病毒感染的第一道屏障處，就有效地將各種 SARS-CoV-2 突變毒株抵御在外，也有希望讓我們的生活回歸到新冠爆發(fā)以前。
 

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參考文獻

1. Min L, et al. Antibodies and Vaccines Target RBD of SARS-CoV-2. Front Mol Biosci. 2021 Apr 22;8:671633.  
2. Cao Y, et al. Imprinted SARS-CoV-2 humoral immunity induces convergent Omicron RBD evolution. Nature. 2022 Dec 19. 
3. Tang S, et al. Aerosol transmission of SARS-CoV-2? Evidence, prevention and control. Environ Int. 2020 Nov;144:106039. 
4. Cosar B, et al. SARS-CoV-2 Mutations and their Viral Variants. Cytokine Growth Factor Rev. 2022 Feb;63:10-22. 
5. Mei X, et al. An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection. Nat Mater. 2023 Feb 9.