ساخت اسپری قدرتمندی برای محافظت دربرابر کووید ۱۹

همان‌طور که دنیا در انتظار رسیدن واکسنی برای کنترل دنیاگیری کووید ۱۹ است، گروهی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا تحت سرپرستی مایکل شوف، مولکول کاملا مصنوعی را مهندسی کرده‌اند که موتورهای زیستی مهم SARS-CoV-2 را که به ویروس اجازه می‌دهد سلول‌های ما را عفونی کنند، مهار می‌کند.

آزمایش‌های انجام‌شده با استفاده از ویروس فعال نشان می‌دهد این مولکول از قوی‌ترین ضدویروس‌های SARS-CoV-2 است که تاکنون کشف شده است. مولکول‌های مذکور به شکل فرمولاسیون افشانه ساخته شده و AeroNabs نامیده می‌شود. این دارو را می‌توان به شکل اسپری بینی یا اینهلر به کار برد. AeroNabs با یک بار استفاده در روز تا زمانی‌که واکسنی دردسترس قرار گیرد، می‌تواند محافظت قدرتمند و قابل اعتمادی دربرابر SARS-CoV-2 فراهم کند. گروه پژوهشی درحال گفتگو با شرکای تجاری برای افزایش تولید و آزمایش‌های بالینی AeroNabs هستند.

دانشمندان قصد دارند تا درصورت موفقیت این آزمایش‌ها AeroNabs را به‌عنوان داروی ارزان و بدون نیاز به نسخه برای پیشگیری و درمان کووید ۱۹ به‌طور گسترده دردسترس مردم قرار دهند. پیتر والتر از مخترعان AeroNabs، گفت: «ما درمورد AeroNabs که بسیار مؤثرتر از اشکال پوشیدنی تجهیزات محافظ شخصی است، به‌عنوان فرم مولکولی تجهیزات محافظ شخصی فکر می‌کنیم که می‌تواند تا زمانی‌که واکسن‌ها راه‌حل پایدارتری برای کووید ۱۹ فراهم کنند، به‌عنوان چاره‌ی موقت مهم عمل کند.»

اگرچه AeroNabs به‌طور کامل در آزمایشگاه مهندسی شد، از نانوبادی‌ها الهام گرفت. نانوبادی‌ها پروتئین‌های شبه آنتی‌بادی هستند که به‌طور طبیعی در لاماها، شترها و حیوانات مرتبط دیده می‌شوند. از زمان کشف آن‌ها در آزمایشگاهی در بلژیک در اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰، ویژگی‌های خاص نانوبادی‌ها توجه دانشمندان سرتاسر جهان را به خود جلب کرده است. آشیش مانگلیک، یکی دیگر از مخترعان توضیح داد: «اگرچه عملکرد آن‌ها بسیار شبیه آنتی‌بادی‌هایی است که در سیستم ایمنی انسان یافت می‌شود، نانوبادی‌ها مزیت‌های ‌منحصر‌به‌فردی را درزمینه‌ی درمان مؤثر دربرابر SARS-CoV-2 ارائه می‌دهند.»

نانوبادی‌ها از آنتی‌بادی‌های انسان کوچک‌تر هستند که موجب می‌شود دستکاری و اصلاح آن‌ها در آزمایشگاه ساده‌تر شود. اندازه‌ی کوچک و ساختار نسبتا ساده‌ی آن‌ها همچنین موجب می‌شود آن‌ها نسبت‌به آنتی‌بادی‌های پستانداران دیگر به‌طور قابل‌توجهی پایدارتر باشند. علاوه‌بر‌این، برخلاف آنتی‌بادی‌های انسان، نانوبادی‌ها را می‌توان به‌راحتی و با هزینه کم به میزان زیاد تولید کرد: دانشمندان ژن‌هایی را که حاوی الگوهای مولکولی ساخت نانوبادی‌ها هستند، وارد باکتری ای‌کولای یا مخمر می‌کنند و این میکروب‌ها را به کارخانه‌های تولید انبوه نانوبادی تبدیل می‌کنند. همین روش چندین دهه است که برای تولید انبوه انسولین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اسپایک‌ها مانند یک ابزار قابل جمع شدن، می‌توانند از حالت بسته و غیرفعال به حالت باز و فعال درآیند. وقتی حدود ۲۵ اسپایک ذره‌ی ویروس فعال شوند، سه دامنه اتصال گیرنده (RBD) اسپایک آشکار شده و آماده‌ی اتصال به ACE2 می‌شوند. ACE2 گیرنده‌ای است که روی سلول‌های انسانی که مجاری هوایی و ریه را می‌پوشانند، وجود دارد. ازطریق تعاملی مانند قفل و کلید، میان گیرنده‌ی ACE2 و RBD اسپایک، ویروس وارد سلول می‌شود و در آنجا میزبان جدید خود را به سازنده‌ی ویروس کرونا تبدیل می‌کند. پژوهشگران معتقد بودند اگر بتوانند نانوبادی‌هایی را پیدا کنند که مانع از تعامل میان اسپایک و ACE2 شوند، خواهند توانست مانع از این شوند که ویروس سلول‌ها را آلوده کند.

پژوهشگران برای پیدا کردن کاندیداهای مؤثر، کتابخانه‌ای متشکل‌از بیش از ۲ میلیارد نانوبادی مصنوعی را مورد کاوش قرار دادند. دانشمندان پس از انجام آزمایش‌های متعدد که در جریان آن معیارهای سختگیرانه‌ای برای حذف کاندیداهای ضعیف یا ناکارآمد اعمال می‌شد، به ۲۱ نانوبادی رسیدند که مانع‌از تعامل شکل تغییریافته‌ای از اسپایک با ACE2 می‌شدند.

آزمایش‌های بیشتر شامل استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو برای تجسم رابط نانوبادی-اسپایک، نشان داد که قوی‌ترین نانوبادی‌ها ازطریق اتصال مستقیم محکم با RBDهای اسپایک مانع از تعاملات میان اسپایک و گیرنده ACE2 می‌شدند. این نانوبادی‌ها کمی شبیه غلافی عمل می‌کنند که کلید RBD را پوشانده و مانع از ورود آن به داخل قفل ACE2 می‌شوند.

پژوهشگران باید نشان می‌دادند این نانوبادی‌ها می‌توانند مانع از عفونی شدن سلول‌ها به‌وسیله‌ی ویروس واقعی شوند. دکتر ورونیکا رزلج ویروس‌شناس، سه مورد از امیدوارکننده‌ترین نانوبادی‌ها را مورد آزمایش قرار داد و دریافت که این نانوبادی‌ها بسیار قوی بوده و حتی در مقادیر بسیار پایین از عفونت پیشگیری می‌کنند. البته قوی‌ترین این نانوبادی‌ها فقط به‌عنوان غلافی روی RBDها عمل نکرده بلکه همچنین مانند تله‌ی مولکولی عمل کرده و روی اسپایک در حالت بسته و غیرفعال قرار می‌گیرد و لایه‌ی محافظ دیگری علیه تعاملاتی که منجر به عفونت می‌شود، فراهم می‌کند.

دانشمندان سپس این نانوبادی دوکاره را به روش‌هایی مهندسی کردند تا به ضدویروس قوی‌تری تبدیل شود. در یک مجموعه از آزمایش‌ها، آن‌ها هر یک از واحدهای سازنده اسیدآمینه نانوبادی را که با اسپایک تماس پیدا می‌کردند، جهش دادند تا دو تغییر خاص را شناسایی کنند که قدرت آن را ۵۰۰ برابر افزایش می‌داد.

درمجموعه‌ای جداگانه از آزمایش‌ها، آن‌ها یک زنجیره‌ی مولکولی را مهندسی کردند که می‌توانست سه نانوبادی را به هم متصل کند. همان‌طور که اشاره شد، هر پروتئین اسپایک دارای سه RBD است که هریک از آن‌ها برای اطمینان از ورود ویروس به سلول می‌توانند به ACE2 متصل شوند. نانوبادی سه‌گانه تضمین می‌کند که اگر یک نانوبادی خود را به یک RBD متصل کند، دو مورد دیگر نیز به RBDهای باقی‌مانده متصل شوند. آن‌ها دریافتند که این نانوبادی سه‌گانه بیش از ۲۰۰ هزار برابر قوی‌تر از یک نانوبادی تنها است.

نانوبادی سه‌بخشی فوق قدرتمند اساس ساخت AeroNabs بود. پژوهشگران در آزمایش‌های نهایی نانوبادی‌های سه بخشی را تحت آزمایش‌های استرس قرار دارند؛ آن‌ها را تحت حرارت بالا قرار دادند، آن‌ها را به پودر تبدیل کردند و یک افشانه درست کردند. هریک از این فرایندها برای بیشتر پروتئین‌ها بسیار مضر است اما به‌خاطر پایداری ذاتی نانوبادی‌ها، کاهشی در قدرت ضدویروسی در شکل افشانه دیده نشد و این نتایج نشان می‌داد AeroNabs ضدویروس قوی علیه SARS-CoV-2 است که می‌‌تواند با استفاده از افشانه به کار رود.