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给病毒“挖陷阱”:由DNA制成的空心纳米物体可捕获病毒并使其无害化

微观 | 感谢投递 2021-07-18 558

人类有针对危险细菌的抗生素,但治疗急性病毒感染的解毒剂很少。一些感染可以通过接种疫苗来预防,但开发新疫苗却是一个漫长而费力的过程。

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现在,来自慕尼黑工业大学、慕尼黑亥姆霍兹中心和布兰代斯大学(美国)的一个跨学科研究小组提出了一种治疗急性病毒感染的新策略。该团队已经开发出由DNA(构成我们遗传物质的物质)制成的纳米结构,可以捕获病毒并使其无害化。

在冠状病毒的新变种将世界陷入停滞之前,慕尼黑工业大学物理系生物分子纳米技术教授亨德里克-迪茨和他的团队就在研究如何建造能够自我组装的病毒大小的物体。

1962年,生物学家唐纳德·卡斯帕和生物物理学家阿伦·克鲁格发现了病毒的蛋白质包膜是按照几何原理构建的。基于这些几何规范,慕尼黑工业大学亨德里克-迪茨周围的团队在美国布兰代斯大学的塞思-弗拉登和迈克尔-哈根的支持下,提出了一个概念,使得生产与病毒大小相同的人造空心体成为可能。

2019年夏天,该团队提出了一个设想:这种空心体是否也可以作为一种 "病毒陷阱"?如果它们的内部有病毒结合分子,就应该能够紧紧地结合病毒,从而能够将它们从血液中取出。为此,这些空心体还必须有足够大的开口,病毒可以通过这些开口进入外壳。

亨德里克·迪茨回想说:"当时我们用DNA折纸技术制造的物体没有一个能够吞噬整个病毒,因为它们实在太小了。建造这种尺寸的稳定的空心体是一个巨大的挑战"。

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主要作者Christian Sigl在TUM的纳米技术和纳米材料中心的实验室里准备纳米胶囊

病毒捕集器的套件

从二十面体的基本几何形状(一个由20个三角形表面组成的物体)开始,该团队决定用三维的三角形板来建造病毒捕获器的空心体。

为了使DNA板组装成更大的几何结构,边缘必须稍加斜面。边缘上结合点的正确选择和定位确保了板块能自我组装成所需的物体。

亨德里克·迪茨说:"通过这种方式,我们现在可以利用三角板的准确形状对所需物体的形状和尺寸进行编程。我们现在可以生产多达180个子单元的物体,并实现高达95%的产量。然而,这条道路是相当坎坷的,要经过许多次反复。"

病毒被可靠地阻断

通过改变三角形边缘的结合点,该团队的科学家不仅可以创造出封闭的空心球体,还可以创造出有开口或半壳的球体,这些可以被用作病毒陷阱。

在与慕尼黑大学病毒学研究所所长兼慕尼黑亥姆霍兹中心病毒学研究所所长Ulrike Protzer教授的团队合作下,该团队在腺病毒和乙肝病毒核心上测试了病毒捕获器。

结果显示,即使是一个大小合适的简单的半壳,也能够显示出病毒活性的可衡量的减少。如果在里面放上五个病毒的结合点,例如合适的抗体就已经可以阻断病毒的80%,如果加入更多,就能实现完全阻断。

为了防止DNA颗粒在体液中立即被降解,研究小组用紫外线照射完成的构件,并用聚乙二醇和寡糖胺处理其外部,因此,这些颗粒在小鼠血清中稳定了24小时。

一个通用的构造原理

"现在,下一步是在活体小鼠身上测试这些材料。"迪茨说:"我们非常有信心,这种材料也将被人体很好地耐受。"

"细菌有自主新陈代谢,我们可以用不同的方式攻击它们,"乌尔里克·普罗策教授说。"另一方面,病毒没有自己的新陈代谢,这就是为什么抗病毒药物几乎总是针对单一病毒的特定酶。这样的发展需要时间。如果简单地用机械方式消除病毒的想法能够实现,这将是广泛适用的,因此是一个重要的突破,特别是对于新出现的病毒。"

"病毒捕获器的起始材料可以通过生物技术以合理的成本进行大规模生产。"亨德里克·迪茨说:"除了作为病毒捕获器的拟议应用外,我们的可编程系统还创造了其他机会。例如还可以设想将其作为疫苗接种的多价抗原载体,作为基因治疗的DNA或RNA载体或作为药物的运输工具。"


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