Sinds begin 2020 heeft het coronavirus zeker 450 miljoen mensen besmet en tot 6 miljoen doden geleid. En steeds weer heeft het virus laten zien dat het in staat is te muteren.
Maar de hoop op een effectieve behandeling van het virus blijft bestaan.
Waren de enige wapens van artsen tegen het virus tot nu toe antivirusmedicijnen en vaccins, onderzoekers hebben inmiddels nieuwe wapens ontwikkeld op basis van nanotechnologie – moleculaire structuren op nanometerschaal.
Met nanosponzen, nanogevangenissen en nanowapens willen wetenschappers nu virussen vangen, opsluiten en zelfs doden.
Mikken op de zwakke plek
Virussen zijn overal – en ze hebben in principe dezelfde levenscyclus.
Op aarde zijn er 10 quintiljoen virussen. Dat is het equivalent van circa 100 miljoen virussen op aarde voor elke ster in het heelal.
Om te kunnen overleven en zich voort te planten zijn virussen afhankelijk van een gastheercel. Het virus hecht zich aan de gastheercel, dringt erin binnen en zorgt ervoor dat de cel nieuwe virussen aanmaakt.
Virussen hebben met elkaar gemeen dat ze alleen een cel kunnen binnendringen via receptoren aan de buitenkant van de cel. Daarom zijn die receptoren de achilleshiel van virussen.
In de nieuwe behandelingen richten de onderzoekers zich op het zwakste punt van de virussen – en op een ongekend niveau van detail.
Medicijnen op nanoschaal van een miljardste meter openen geheel nieuwe mogelijkheden.
Smokkelaars komen in actie
In de strijd tegen corona heeft de nanotechnologie al een verschil gemaakt.
De in 2020 uitgerolde vaccins bevatten mRNA met instructies om kopieën te maken van de kenmerkende spike-eiwitten van het coronavirus, dus de stekels die zich aan een receptor op de cellen hechten, waardoor het virus zichzelf bij de cel kan binnenlaten.
Nanodeeltjes in de vaccins smokkelen het mRNA de cellen in.
Coronavaccin zit vol met nanodeeltjes
Om binnen te komen in een cel gebruikt het coronavirus een zogeheten spike-eiwit. Door dit eiwit te kopiëren en met behulp van nanodeeltjes de cel in te smokkelen, kunnen onderzoekers het virus vóór zijn en de immuunrespons met een vaccin bevorderen.
1. Vaccin bevat genetische code
In de strijd tegen corona heeft de nanotechnologie al een verschil gemaakt. Het coronavaccin bevat een stukje van de genetische code (mRNA) voor het spike-eiwit van het coronavirus.
2. Vetbolletjes brengen code naar de cellen
In het vaccin wordt het mRNA (wit) tegen afbraak beschermd door nanodeeltjes in de vorm van vetbolletjes. De vetbolletjes (geel) die het mRNA bevatten, leveren het in de cel af, zodat het lichaam zelf de stekels kan vormen die lijken op de spikes van het coronavirus.
De nanodeeltjes zijn ook een veelbelovend hulpmiddel om geneesmiddelen op specifieke plaatsen in het lichaam af te leveren, ook als het geleidelijk moet. Zo treft nanochemotherapie alleen kankercellen en laat ze de andere cellen met rust, in tegenstelling tot traditionele chemotherapie.
De behandeling kan niet alleen nanochemotherapie doeltreffender maken, maar de patiënt ook veel bijwerkingen besparen.
En de medische mogelijkheden van nanodeeltjes zijn nog groter: ze kunnen ook virussen afremmen en vangen voor ze hun werk kunnen doen.
Dat virussen zich aan specifieke receptoren moeten hechten, kan benut worden om vallen te maken van die receptoren.
Virussen om de tuin geleid
Onderzoekers hebben zogeheten nanosponzen ontwikkeld die virussen opzuigen met behulp van herkenbare receptoren op hun oppervlak. Door membranen van mensencellen rond een stabiliserende kern van nanodeeltjes te wikkelen, worden virussen misleid en denken ze dat de nanosponzen gastheercellen zijn.
Virussen vallen specifieke celtypen aan. Zo besmet het coronavirus graag longcellen, terwijl het hiv-virus bepaalde immuuncellen opzoekt. De virussen herkennen de cellen aan receptoren in het celmembraan.
Een behandeling voor hiv zou daarom kunnen bestaan uit nanosponzen gewikkeld in het celmembraan van immuuncellen, die zo de receptoren nabootsen die het hiv-virus normaal opzoekt.
Om het coronavirus te vangen zouden dergelijke nanosponzen bekleed kunnen worden met het membraan van longcellen.
Een oplossing met nanosponzen wordt bereid om in het laboratorium te testen.
Nanospons houdt virus voor de gek
Nanodeeltjes bekleed met celmembranen kunnen virussen aanvallen en neutraliseren. Zelfs mutaties kunnen niet aan de nanospons ontsnappen.
1. Nanodeeltje vermomt zich als longcel
De nanospons (blauw) bestaat uit een kern van polymeer. Die kern is bekleed met een membraan van de longcel (oranje) die het virus aanvalt. Het membraan bevat de eiwitten en receptoren waaraan het virus zich normaal hecht.
2. Nanospons zet virus buitenspel
Het coronavirus (rood) wordt misleid en hecht zich aan receptoren op de als longcel vermomde nanospons. Die schakelt het virus uit, dat niet langer de longcellen kan binnendringen om zich te vermenigvuldigen.
Onderzoekers hebben de werkzaamheid van nanosponzen tegen een aantal virussen en bacteriën al aangetoond en kunnen binnenkort klinische proeven doen. De nanosponzen werken zelfs tegen mutaties, want ze richten zich steeds op dezelfde receptoren.
Kooi houdt virus gevangen
Ook nieuw zijn nanoconstructies van DNA om virussen in op te sluiten.
Een onderzoeksteam van de TU München presenteerde in 2021 DNA-gevangenissen die zichzelf in elkaar zetten.
De gevangenissen bestaan uit driehoekige DNA-bouwstenen die samen grotere 20-hoekige structuren vormen die hele virussen kunnen omsluiten. De binnenkant kan opgevuld worden met antistoffen die de virussen opsluiten in de gevangenis.
Duitse onderzoekers hebben een DNA-gevangenis gemaakt van driehoekige DNA-bouwstenen. Die vormen zelf grotere 20-hoekige structuren die hele virussen kunnen omsluiten.
Net als de nanosponzen moeten de DNA-vallen virussen terugdringen en voorkomen dat ze onze cellen infecteren.
De behandeling is niet alleen preventief, maar kan ook tijdens een ziekte gebruikt worden. De vallen kunnen nieuwe virussen opsluiten en zo hun verspreiding beperken, zodat de besmette persoon korter en minder hevig ziek is.
De DNA-gevangenissen zijn nog niet klaar voor gebruik. Wetenschappers proberen nog de structuren te stabiliseren en te voorkomen dat het immuunsysteem ze probeert af te breken.
Virus stort in
Naast sponzen en gevangenissen krijgen virussen in de toekomst te maken met andere nieuwe nanomaterialen, die op hun vernietiging uit zijn.
Virussen bestaan uit genetisch materiaal met een schil van eiwitten, een zogeheten capside of eiwitmantel. Virussen als SARS-CoV-2, dat COVID-19 veroorzaakt, hebben ook een membraan dat identiek is aan celmembranen.
Het membraan is essentieel voor het virus om nieuwe cellen binnen te dringen. Het virus hecht zich aan de receptoren van de gastheercel, waarna hun membranen versmelten en het virus de cel kan binnendringen.
De technologieën zullen tegen elk soort virus ingezet kunnen worden.
Zonder membraan kan het virus niet met de gastheercel versmelten. Om dit uit te buiten hebben onderzoekers nanobolletjes van vette polymeren gemaakt die kunnen versmelten met het membraan van de virussen.
Het oppervlak van de nanobolletjes is bekleed met 1200 kleine ketens van aminozuren, peptiden genaamd.
Als er een virus nadert, hechten de peptiden zich aan het virus en doorboren ze zijn membraan. Uiteindelijk stort het virusmembraan in en kan het virus geen verzet meer bieden.
Rattenproeven zijn veelbelovend: ratten met een fatale longinfectie door het coronavirus overleefden langer wanneer ze met de nanodeeltjes behandeld werden dan ratten die de virusremmer remdesivir kregen.
Nieuwe wapens maken ons sterker
In tegenstelling tot vaccins, die maar tegen één soort virus werken, kunnen nanotechnologieën worden ingezet tegen elk soort virus dat onze cellen probeert te infecteren – zelfs als het gemuteerde virussen zijn.
Al zit het coronavirus de mens al meer dan twee jaar dwars, laboratoria zijn er op nieuwe manieren door gaan denken.
Dankzij de antiviruswapens die tijdens de pandemie zijn uitgewerkt, zullen we in de toekomst veel beter uitgerust zijn tegen virusaanvallen.