Virus nanoase teknologia

Uudet nanoaseet nujertavat virukset

Kiinniotto, motitus, teloitus... Koronakriisin varjossa tutkijat varustautuvat sotaan viruksia vastaan ja täydentävät arsenaalia nanoaseilla, jotka torjuvat tehokkaasti uusia virushyökkäyksiä.

Kiinniotto, motitus, teloitus... Koronakriisin varjossa tutkijat varustautuvat sotaan viruksia vastaan ja täydentävät arsenaalia nanoaseilla, jotka torjuvat tehokkaasti uusia virushyökkäyksiä.

Elena-Marie Willner/DietzLab/TUM

Vuoden 2020 jälkeen uusi koronavirus on tarttunut ainakin 450 miljoonaan ihmiseen ja tappanut heistä noin kuusi miljoonaa. Kerta toisensa jälkeen virus on osoittanut muuntautumiskykynsä.

Toivo tehokkaasta aseesta viruksia vastaan ei ole kuitenkaan sammunut.

Tähän asti viruksia on voitu nujertaa vain rokotteilla ja antiviraalisilla lääkkeillä, mutta kehitteillä on uusia torjuntamenetelmiä, jotka perustuvat nanotekniikkaan – toisin sanoen nanometrikokoluokan molekyylirakenteisiin.

Nanosienillä, -vankiloilla ja -aseilla uskotaan olevan mahdollista kaapata viruksia ja jopa tuhota niitä.

Tähtäimessä heikko kohta

Viruksia on kaikkialla – ja kaikkia niitä yhdistää sama toimintaperiaate.

Virus korona

Maapallolla on olemassa noin kymmenen kvintiljoonaa virusta. Jos ne jaettaisiin kaikkien tähtien kesken, jokainen niistä saisi noin sata miljoonaa virusta.

© Shutterstock

Viruksen lisääntyminen riippuu täysin siitä, löytääkö se isäntäsolun. Kun sopiva solu löytyy, virus tarttuu siihen, tunkeutuu sen sisään ja pakottaa sen valmistamaan seuraavan virussukupolven.

Kaikkia viruksia yhdistää se, että ne voivat tarttua soluun vain tämän pinnan reseptoreiden kautta. Reseptorit ovat siksi virusten akilleenkantapää.

Uusissa menetelmissä tähdätään virusten heikkoon kohtaan – entistä tarkemmin.

Nanomittakaavaiset eli kooltaan metrin miljardisosia olevat välineet avaavat aivan uusia näköaloja.

Salakuljettaja tositoimissa

Taistelussa koronaa vastaan nanotekniikalla on jo ollut ratkaiseva merkitys.

Vuonna 2020 käyttöön otetut rna-rokotteet sisältävät korovirukselle ominaisen piikkiproteiinin valmistusohjeen. Piikit ovat niitä viruksen osia, joilla se sitoutuu solun pintarakenteisiin ja varmistaa pääsynsä solun sisään.

Rokotteiden nanohiukkaset huolehtivat lähetti-rna:n salakuljettamisesta soluihin.

Koronarokote sisältää nanohiukkasia

Koronavirus tarttuu soluun niin sanotun piikkiproteiinin avulla. Piikkiproteiinista voidaan tehdä rokotetta varten kopio, joka ujutetaan nanohiukkasten mukana soluun. Rokotuksen jälkeen solu tuottaa piikkiproteiinia, johon immuunijärjestelmä reagoi.

Virus rokote mRNA
© Shutterstock

1. Rokotteeseen kätkeytyy ohje

Taistelussa koronaa vastaan nanotekniikalla on jo ollut tärkeä osa. Rna-rokotteissa on lähetti-rna:ta (mRNA), joka ohjaa koronaviruksen piikkiproteiinin tuotantoa.

Virus nanohiukkasia rasvapalloja
© Shutterstock

2. Rasvapallot kuljettavat ohjeen soluun

Rokotteen lähetti-rna (valk.) on pakattu nanokokoluokan rasvapalloihin, jotka suojelevat sitä hajoamiselta. Rasvapallot (kelt.) huolehtivat siitä, että lähetti-rna päätyy solun sisään ja että solu voi alkaa tuottaa ohjeen mukaan koronavirukselle ominaista piikkiproteiinia.

Nanohiukkasten uskotaan sopivan täsmälääkintään, jossa ne alkavat vapauttaa lääkettä määräkohdassa. Esimerkiksi syövän tapauksessa pyritään siihen, että lääkkeiden vaikutus kohdistuu vain kasvainsoluihin. Perinteisestä kemoterapiastahan kärsivät terveetkin solut.

Menetelmä paitsi tehostaa lääkehoitoa myös vähentää sen potilaalle aiheuttamia haittoja.

Nanohiukkasissa piilevä lääketieteellinen potentiaali on kuitenkin vielä suurempi: hiukkaset voivat torjua ja napata viruksia ennen tartuntaa.

Viruksen riippuvuutta solujen sopivista reseptoreista voidaan käyttää hyväksi. Virukselle voidaan tarjota reseptoreja, jotka ovatkin ansoja.

Virus tekee virhearvion

On kehitetty niin sanottuja nanosieniä, jotka vetävät viruksia puoleensa tunnistettavilla pintareseptoreillaan. Niitä saadaan verhoamalla nanohiukkasytimet ihmissoluista peräisin olevilla kalvoilla, jotka saavat virukset pitämään nanosieniä mahdollisina isäntäsoluina.

Virukset suosivat aina jotain solutyyppiä. Uusi koronavirus löytää isäntäsoluja hengitysteistä, kun taas hi-viruksen tärkeimpiä isäntäsoluja ovat immuunijärjestelmän auttaja-T-solut. Virus tunnistaa solun tämän kalvon reseptoreista.

Esimerkiksi tehokas hiv-infektion hoito vaatisi nanosieniä, joissa esiintyisi hi-virusten suosimille auttaja-T-soluille ominaisia reseptoreja.

Vastaavasti koronaviruksia sieppaavien nanosienten pitäisi perustua hengitystiesolujen kalvoihin.

Virus nanosieni laboratorio

Nanosieniä sisältävää liuosta valmistetaan laboratoriokokeita varten.

© Griffiths Lab/Boston University

Nanosieni huijaa virusta

Solukalvoilla verhotut nanohiukkaset voivat nujertaa ja tuhota viruksia. Muunnoksetkaan eivät kykene vastustamaan nanosientä.

Virus nanosieni valeasu
© Ken Ikeda Madsen

1. Nanohiukkanen naamioituu keuhkosoluksi

Nanosieni (sin.) sisältää polymeeriytimen. Se on päällystetty keuhkosolun (oranssi) kalvolla, johon virus tarttuu. Kalvossa on niitä pintarakenteita, joihin virus normaalisti sitoutuu.

Virus nanosieni koronavirus
© Ken Ikeda Madsen

2. Nanosieni eliminoi viruksen

Koronavirus (pun.) erehtyy sitoutumaan pinnan molekyyliin, joka saa nanosienen vaikuttamaan keuhkosolulta. Siten virus eliminoituu: se ei pääse enää hakeutumaan keuhkosoluun, joka voisi monistaa sitä.

Nanosienien teho virusten ja bakteerien torjunnassa on jo osoitettu, ja menetelmää aiotaan testata pian ihmisillä. Nanosienet ovat käyttökelpoisia myös siinä tapauksessa, että taudinaiheuttaja muuntuu, sillä kohdereseptorit pysyvät samoina.

Virus joutuu häkkiin

Toinen nanoase perustuu dna:han, joka kaappaa viruksen.

Saksassa Münchenin teknillisessä yliopistossa on kehitetty itsestään rakentuva dna-vankila.

Vankila koostuu kolmikulmaisista dna-rakennuspalikoista, jotka järjestyvät koko viruksen sisäänsä sulkevaksi suuremmaksi rakenteeksi, 20-tahokkaaksi. Sisäpuolella on muun muassa vasta-aineita, jotka sitoutuvat virukseen ja jättävät sen virumaan tyrmään.

Virus DNA rakennuspalikka

Saksalaistutkijat ovat kehittäneet kolmikulmaisista dna-rakennuspalikoista rakentuvan dna-vankilan. Osista muodostuva suurempi rakenne, 20-tahokas, sulkee koko viruksen sisäänsä.

© Christian Sigl/DietzLab/TUM

Nanosienen tavoin dna-vankilan on tarkoitus pitää virusten määrä mahdollisimman pienenä ja estää tartunnan leviäminen.

Menetelmä ei ole kuitenkaan vain ennalta ehkäisevä, vaan sillä voidaan hoitaa tartunnan saaneita. Kun vankilat täyttyvät uusista viruksista, virusten monistuminen hidastuu ja potilas selviää lievemmillä oireilla ja paranee nopeammin.

Dna-vankila on kuitenkin vasta kehitteillä. Ratkaisua odottavat ongelmat liittyvät kestävyyteen, johon vaikuttaa muun muassa se, että immuunijärjestelmä voi pyrkiä tuhoamaan rakenteen.

Virus vahingoittuu

Sienet ja vankilat eivät ole virusten ainoita uhkia tulevaisuudessa. Uusien nanokokoluokan välineiden joukossa on myös joukkotuhoaseita.

Virus koostuu perintöaineksesta, jota suojaa proteiinikuori, kapsidi. Osaa viruksista, kuten COVID-19-taudin aiheuttavaa SARS-CoV-2:ta, ympäröi lisäksi solukalvomainen rasva-ainekalvo.

Viruksen kyky tunkeutua soluun riippuu keskeisesti kalvosta. Virus sitoutuu isäntäsolun reseptoreihin, ja sen jälkeen kalvot sulautuvat yhteen niin, että virus pääsee solun sisään.

Tekniikkaa on mahdollista käyttää kaikenlaisten virusten torjuntaan.

Kalvottomana viruksen on turha lyöttäytyä solun seuraan. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi rasvapitoisista polymeereistä koostuvissa pyöreissä nanohiukkasissa, jotka voivat reagoida viruksen kalvon kanssa.

Nanopallojen pinnassa on jopa 1 200 pientä peptidiksi kutsuttua aminohappoketjua.

Kun virus tuppautuu seuraan, peptidit takertuvat virukseen ja puhkovat reikiä sen kalvoon. Tämä hajoaa ennen pitkää, ja virus on riisuttu.

Rottakokeiden tulokset herättävät toiveita. Koronaviruksen aiheuttama hengenvaarallinen keuhkotulehdus johti nopeammin kuolemaan niillä rotilla, jotka saivat antiviraalisiin lääkkeisiin kuuluvaa remdesiviiriä, kuin niillä, joille oli annettu nanohiukkasia.

Puolustus vahvistuu

Toisin kuin rokotteita, jotka antavat suojaa vain tiettyä virusta vastaan, nanotekniikan sovelluksia voidaan käyttää kaikenlaisten virusten torjuntaan – siinäkin tapauksessa, että syntyy uusia muunnoksia.

Ihmiskuntaa jo yli kaksi vuotta kurittanut uusi koronavirus on siis ohjannut tutkijoiden ajattelun uusille urille.

Pandemian aikana käyttöön ja tutkittavaksi otettujen uudenlaisten aseiden ansiosta tulevaisuudessa ollaan paremmin varustautuneita vaarallisten virusten varalta.