高分研发吸入式 “隐形口罩”，有效抵御新冠病毒| MedChemExpress

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今年 2 月，北卡罗来纳州立大学的程柯团队在 Nat Mater 上发表的一篇名为 An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection 的研究性论文。该研究向我们展示了一种 SHIELD 颗粒，通过鼻腔吸入 SHIELD 干粉，可在气道上形成安全的病毒防护屏障，且这种屏障不受到病毒变异的限制。

为什么需要 “隐形口罩”？

新冠病毒一个主要传播途径就是空气传播，在空气传播时，SARS-CoV-2 (图 1) 首先会穿透粘液并进入呼吸道内壁细胞，入侵细胞后，进行 RNA 复制 (见往期推文：奥密克戎 (Omicron) 知多少)[1-2]。人类气道粘液在防止许多呼吸道病毒到达目标细胞方面发挥了重要作用：粘液屏障捕获外来病原体，然后通过粘液将其消除。SARS-CoV-2 感染使粘液纤毛清除功能受损，这会促进病毒在下呼吸道中传播，并增加感染的风险。此外，自 COVID-19 爆发以来，世界范围内逐渐出现了许多 SARS-CoV-2 突变株。快速传播的 SARS-CoV-2 变异体的激增，突出了对快速、广谱抗病毒感染策略的需求。疫苗是通过降低发病率和死亡率来保护人们免受传染病侵害的有效策略之一，主要通过产生针对表面刺突 (Spike) 蛋白 (图 1) 的特异性中和抗体来发挥作用，但新冠病毒能通过持续突变以实现免疫逃逸[3-4] (见往期推文：免疫逃逸虽 “强”，但突变趋势可预测)。刺突蛋白的变异可能会限制这些疫苗的效率。我们迫切需要能够有效预防 SARS-CoV-2 感染的新策略，最好是在它到达目标肺部细胞之前。

图 1. SARS-CoV-2 结构及作用机制[3]

SARS-CoV-2 由包膜蛋白 (Envelope)、核衣壳蛋白 (Nucleocapsid)、刺突蛋白 (Spike)、膜蛋白 (Membrane) 4 种结构蛋白组成。SARS-CoV-2 通过其表面的刺突蛋白与受体 ACE2 结合进入细胞。刺突蛋白主要分为含有 RBD 的 S1 和 S2 亚基。ACE2，血管紧张素转换酶 II；SARS-CoV-2，严重急性呼吸综合征冠状病毒 2；RBD，受体结合域。

SHIELD 颗粒的作用方式是什么？

本文报道了一种增强肺部防御的吸入式球形水凝胶 (spherical hydrogel inhalation for enhanced lung defence; SHIELD) ，是基于可吸入式生物粘合剂水凝胶的抗 SARS-CoV-2 感染物理屏障。SHIELD 颗粒通过干粉吸入器就能方便地给药，能被很好地分散(图 2a-b)，其空气动力学直径在 0.5-5 μm 之间 (图 2c，有利于通过惯性压迫和沉降在肺部深处沉积。同时，SHIELD 颗粒形成一个致密的水凝胶网络，覆盖在气道上，增强扩散屏障特性，限制病毒的渗透。简单来说，SHIELD 通过三个步骤生效 (图 2d-f)：吸入(图 2d)； 膨胀 (图 2e)；(10 min 内，SHIELD 颗粒体积增加超过 10 倍)；粘附 (图 2f)。(注：当 SHIELD 颗粒接触到粘液的潮湿表面时，就会发生膨胀和粘液粘附作用。)

  

图 2. SHIELD 颗粒的表征和作用方式[5]
(a-c): SHIELD 颗粒的表征; (d-f): SHIELD 颗粒的作用方式。

SHIELD 作用效果如何？

■ SHIELD 水凝胶网络增强粘液屏障为模拟病毒通过粘液屏障的渗透，该研究使用与病毒大小相同的聚苯颗粒(仿病毒颗粒)，并用猪胃粘液进行测试。粒子轨迹跟踪实验表明，在粘液中加入SHIELD 粒子后，聚苯粒子的布朗运动大大减少 (图 3)。换言之，SHIELD 颗粒加强了粘液屏障以减少颗粒的渗透。

图 3. 粘液和粘液+SHIELD 中的颗粒在同一时间段的代表性轨迹[5]

■ SHIELD 在小鼠模型中阻断 SARS-CoV-2 假性病毒的吸入在小鼠模型中，SHIELD 颗粒可被清除：单次吸入 (3 mg/kg) 8 小时后，SHIELD 颗粒的信号在肺部仍然很高，但从 8 小时到 24 小时内有所下降，48 小时后信号最小 (推测为肝脏代谢和粘液纤毛清除机制导致)。吸入的 SHIELD 颗粒在支气管和小支气管表面都能形成保护屏障。SHIELD 颗粒在小鼠模型中能有效阻断 SARS-CoV-2 假性病毒。预吸入 SHIELD 颗粒后，可阻断肺中的病毒 (D614G 突变的 SARS-CoV-2 假性病毒) 滞留，阻断效率在 4, 8, 24 h 时分别为 75.8%, 57.7% 和 17.7% (图 4a)。对于同时携带 D614G、E484K、N501Y 和 K417N 突变的 SARS-CoV-2 假性病毒而言，在吸入 SHIELD 颗粒 4, 8, 24 h 的阻断率分别为 71.8%, 60.6% 以及 15.1% (图 4b)。

图 4. SHIELD 颗粒在小鼠模型中阻断 SARS-CoV-2 假性病毒[5]

a: 具有 D614G 突变的SARS-CoV-2 假性病毒; b: 同时具有 D614G、E484K、N501Y 和 K417N 突变的假性病毒。

■ SHIELD 可保护非洲绿猴免受 SARS-CoV-2 感染为一步评估 SHIELD 防 SARS-CoV-2 的屏障保护作用，该研究团队使用SARS-CoV-2 原始毒株 (WA1) 和突变株 (Delta) 进行了一项非人类灵长类动物试验研究 (图 5a)。结果表明：吸入 SHIELD 的非洲绿猴，其病毒负荷比对照组动物低 50-300 倍 (图 6b)。一次 SHIELD 的吸入就能提供长达 8 小时的保护！有效减少 SARS-CoV-2 WA1 和B.1.617.2 (Delta) 变种的感染。此外，SHIELD 的屏障保护减少了非洲绿猴的肺部纤维化和新冠病毒的复制。

                                    

图 5. SHIELD 吸入可保护非洲绿猴免受 SARS-CoV-2 感染[5]

a: 非人类灵长类动物研究示意图。BAL, 支气管肺泡灌洗液; NS, 鼻拭子; b: 根据吸入 SHIELD 的非洲绿猴或对照组的曲线下面积 (AUC) 计算的病毒负荷。

■ SHIELD 具有广谱保护作用为了研究 SHIELD 的广谱保护作用，该研究团队在小鼠身上测试了其对小鼠肺炎病毒 (PVM) 和流感病毒 (H1N1) 的防护作用。结果显示，SHIELD 对这两种病原体也是有效的。

SHIELD 生物安全性如何？

SHIELD 由食品级材料制成，既有效又安全。
研究表明，SHIELD 具有较好的生物相容性，用不同浓度的 SHIELD 颗粒培养细胞 3 天，细胞活力为 95% (在最高浓度 10 mg/mL 条件下)。并且，在动物模型中，SHIELD 颗粒是安全的：小鼠重复吸入 (每天吸入，持续两周) 后，肺部粘膜免疫力并未受损; 也并未对非洲绿猴产生动物毒性。

小结
SHIELD 颗粒吸入式防御病毒的策略，在功能上更接近于使用口罩，延缓病毒从感染者向未感染者的传播。这可能在病毒感染的第一道屏障处，就有效地将各种 SARS-CoV-2 突变毒株抵御在外，也有希望让我们的生活回归到新冠爆发以前。



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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.