Nature Materials：程柯团队开发吸入式“隐形口罩”，鼻喷一次，长效阻挡病毒入侵
2023-02-11 生物世界 生物世界
自2019年底出现以来，新冠病毒（SARS-CoV-2）感染导致的COVID-19在全世界范围内导致了数亿人感染和数百万人死亡。
自2019年底出现以来，新冠病毒（SARS-CoV-2）感染导致的COVID-19在全世界范围内导致了数亿人感染和数百万人死亡。由于新冠病毒传播过程中，新突变株不断出现，尤其是Omicron，引发了新一波的感染高峰。
新冠疫苗能够显著降低COVID-19的感染率和重症/死亡风险，是保护人们免受新冠病毒侵害的最有效策略之一，其工作原理主要是帮助人体产生针对新冠病毒表面的刺突蛋白（S蛋白）的中和抗体。然而，新冠病毒不断出现的突变株，尤其是发生在S蛋白的突变会限制新冠疫苗的有效性。因此，迫切需要能够有效预防新冠病毒感染的新策略，最好是在到达肺部细胞之前阻断它们。
为了避免感染新冠病毒及其他呼吸道病原体，我们可以通过佩戴口罩来给我们的呼吸系统增加一道物理屏障。然而，在日常生活中，长时间保持严格正确佩戴口罩并不是一件容易的事，而且，在饮食过程中、游泳时，以及剧烈运动期间，无法佩戴口罩。此外，对于一些幼儿来说，他们可能不愿意长时间佩戴口罩。在这种情况下，我们该如何保护自己呢？
2023年2月9日，北卡罗莱纳州立大学程柯教授团队在 Nature Materials 期刊发表了题为：An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection 的研究论文。
该研究开发了一种基于可吸入生物粘合剂水凝胶的对抗新冠病毒（SARS-CoV-2）感染的物理屏障——增强肺部防御的吸入式球形水凝胶（Spherical Hydrogel Inhalation for Enhanced Lung Defence，SHIELD）。SHIELD颗粒可以通过干粉吸入器随时随地吸入，形成密集的水凝胶网络，覆盖呼吸道，增强扩散屏障性能，限制病毒的渗透（SHIELD也正是“盾”的英文翻译）。
研究团队首先在小鼠身上证明了SHIELD颗粒的保护作用，它能够对抗具有不同突变的S蛋白的新冠假病毒的感染。研究团队还在非人灵长类动物（非洲绿猴）进行了进一步验证，结果显示，吸入SHIELD颗粒一次，即可提供长达8小时的保护，有效减少新冠原始毒株和突变株（Delta）的感染及感染后的伤害。
值得一提的是，SHIELD是由食品级材料制成的，不会影响正常的呼吸功能。因此，这种方法可以为人们抵御新冠病毒及其他呼吸道病原体提供额外的保护。
程柯教授本科毕业于浙江大学，目前担任北卡大学教堂山分校-北卡州立大学兰道尔·特瑞杰出讲席教授，大学教务长办公室分管交叉学科的执行主任，美国国立卫生研究院（NIH）生物材料和生物界面基金评审专家组主席。他是国际医学与生物工程学院（IAMBE）会士，美国医学与生物工程学院（AIMBE） 会士， 美国心脏病协会（AHA） 会士。他所创立的生物技术公司 Xsome Biotech 目前正在积极开发细胞外囊泡在心肺组织再生和修复、癌症治疗和精确给药等领域的应用。程教授是美国细胞外囊泡协会（American Association of Extracellular Vesicles）共同创始人，爱思唯尔出版集团《细胞外囊泡》（Extracellular Vesicle）杂志主编，《生物活性材料》（ Bioactive Materials）杂志副主编。
新冠病毒（SARS-CoV-2）通过空气传播，它们首先穿透粘液，然后进入呼吸道粘膜细胞。新冠病毒高传染性的可能原因包括感染早期呼吸道上皮细胞中活跃的病毒复制。作为免疫系统的第一道防线，呼吸道黏膜等物理屏障在抵御感染方面发挥着关键作用。
粘液屏障通过两个步骤提供保护作用，首先捕获外来病原体，然后通过粘液纤毛清除这些病原体。人类呼吸道粘液在阻止许多呼吸道病毒到达靶细胞方面发挥了重要作用。然而，之前的研究发现，新冠病毒导致粘液纤毛清除受损，这会促进新冠病毒在呼吸道中的传播，增加感染风险。
受粘液屏障保护机制和高性能生物粘合剂最新进展的启发，程柯团队设计并开发了一种名为SHIELD的方法来保护受试者免受新冠病毒（SARS-CoV-2）的感染和伤害。
SHIELD颗粒，是一种可吸入微球，由聚丙烯酸接枝N-羟基琥珀酰亚胺酯（PAAc-NHS酯）和明胶组成。SHIELD颗粒与粘液相互作用，增强其扩散屏障特性，以减少病毒渗透。
SHIELD颗粒的作用分为三个步骤，分别是吸入、膨胀和粘连，SHIELD颗粒的制备采用了油包水乳化技术，由PAAc-NHS酯和明胶的交联网络组成，在乳化过程中，物理交联促进了松散的水凝胶结构向致密的球形结构的转变。扫描电子显微镜显示，SHIELD颗粒呈粒径在5μm以下的粉末状良好分散。SHIELD颗粒接触水后会膨胀形成类似水凝胶的结构，它们的体积在10分钟内膨胀>10倍，膨胀后SHIELD颗粒相互交联形成水凝胶网络结构。
研究团队先进行了新冠假病毒感染实验，小鼠吸入SHIELD颗粒后4小时、8小时和24小时候，给予小鼠鼻内滴注携带S蛋白D614G突变的新冠假病毒，以及同时携带D614G、E484K、N501Y和K417N突变的新冠假病毒。
结果显示，吸入SHIELD颗粒可阻断肺内的病毒滞留，对携带D614G突变的新冠假病毒而言，吸入SHIELD颗粒在4小时的阻断率为75.8%，8小时为57.7%，24小时时为17.7%。
对于同时携带D614G、E484K、N501Y和K417N突变的新冠假病毒而言，吸入SHIELD颗粒在4小时的阻断率为71.8%，8小时为60.6%，24小时为15.1%。
为了评估SHIELD颗粒的保护效果，研究团队在非人灵长类动物（非洲绿猴）上进行了进一步验证，在吸入SHIELD颗粒8小时后，分别使用新冠病毒原始毒株（WA1）和新冠病毒突变株（Delta）经呼吸途径感染，结果显示，相比对照组，吸入SHIELD颗粒的非洲绿猴的新冠病毒的载量仅为前者的1/300-1/50。此外，吸入SHIELD颗粒的非洲绿猴的肺部纤维化和损伤更轻，新冠病毒复制更少。更重要的是，血液学分析证明，吸入SHIELD颗粒没有产生毒性作用。
总的来说，该研究开发了一种干粉形式的可吸入SHIELD颗粒，这些颗粒尺寸为1-5μm，能够很好地深入呼吸道和肺部并有效沉积，从而帮助呼吸系统抵御新冠病毒及其他呼吸道病原体的感染。SHIELD颗粒是生物可降解和生物兼容的，它们会在48小时之内被机体清除。
在日常生活中，长时间保持严格正确佩戴口罩并不是一件容易的事，而且，在饮食过程中、游泳时，以及剧烈运动期间，无法佩戴口罩。此外，对于一些幼儿来说，他们可能不愿意长时间佩戴口罩。该研究开发的吸入SHIELD颗粒的方法，可以作为佩戴口罩时的补充防护，也能够在不方便或不能佩戴口罩时的作为一种替代防护方法。
论文通讯作者程柯教授表示，论文中的是第一代SHIELD，仅用于预防感染，而不能用于感染后的治疗。团队目前正在努力优化SHIELD，例如将其与抗病毒治疗相结合。下一代SHIELD还将能在感染后发挥作用，从而更接近真实口罩的效果，降低病毒从感染者向未感染者的传播。此外，对灭活H1N1病毒和肺炎病毒的研究证实了SHIELD对其他呼吸道病原体具有广谱保护效果。因此，将SHIELD与口罩和疫苗接种结合使用时，可以为普通人群提供对新冠病毒及其他其他呼吸道病原体有效和额外的保护作用。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01475-7
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