Ein mit pflanzlichem Protein versetzter Kaugummi dient als „Falle“ für die SARS-CoV-2 Virus, reduziert die Viruslast im Speichel und hemmt möglicherweise die Übertragung, so eine neue Studie.
Die von Henry Daniell an der Penn’s School of Dental Medicine geleitete und in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Perelman School of Medicine und School of Veterinary Medicine sowie des Wistar Institute und Fraunhofer USA durchgeführte Arbeit könnte zu einem kostengünstigen Werkzeug führen im arsenal gegen die COVID-19 Pandemie. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Molekulare Therapie.
„SARS-CoV-2 repliziert sich in den Speicheldrüsen, und wir wissen, dass, wenn jemand, der infiziert ist, niest, hustet oder spricht, ein Teil dieses Virus ausgestoßen werden und andere erreichen kann“, sagt Daniell. „Dieses Kaugummi bietet die Möglichkeit, das Virus im Speichel zu neutralisieren, und bietet uns so eine einfache Möglichkeit, eine Quelle der Krankheitsübertragung möglicherweise einzudämmen.“
Impfungen gegen COVID-19 haben dazu beigetragen, den Verlauf der Pandemie zu ändern, aber die Übertragung nicht verhindert. Auch vollständig geimpfte Personen können sich noch mit SARS-CoV-2 infizieren und können nach neueren Untersuchungen eine ähnliche Viruslast wie ungeimpfte in sich tragen.
Bei einer Messung der Viruslast mithilfe von Mikrobläschen löste der mit dem ACE2-Protein infundierte Kaugummi eine Verringerung der Virusmenge in Proben von COVID-19-Patienten aus. Credit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
Vor der Pandemie hatte Daniell das Angiotensin-Converting-Enzym-2-Protein (ACE2) im Rahmen der Behandlung von Bluthochdruck untersucht. Sein Labor hatte dieses Protein sowie viele andere, die therapeutisches Potenzial haben könnten, mithilfe eines patentierten pflanzlichen Produktionssystems gezüchtet. Durch Beschuss von Pflanzenmaterial mit dem DNA der Zielproteine überreden sie Pflanzenchloroplasten, die DNA aufzunehmen und mit dem Wachstum der Proteine zu beginnen. Das gefriergetrocknete und gemahlene Pflanzenmaterial könnte als ein Mittel zur Abgabe des Proteins verwendet werden. Dieses System hat das Potenzial, die üblichen Hindernisse bei der Protein-Wirkstoffsynthese zu vermeiden: nämlich einen teuren Herstellungs- und Reinigungsprozess.
Daniells frühere Arbeit an ACE2 erwies sich im Kontext der COVID-19-Pandemie als Zufall. Der Rezeptor für ACE2 auf menschlichen Zellen bindet zufällig auch das SARS-CoV-2-Spike-Protein. Andere Forschungsgruppen haben gezeigt, dass Injektionen von ACE2 die Viruslast bei Menschen mit schweren Infektionen reduzieren können.
Unterdessen beschäftigte sich ein anderer Arbeitszweig von Daniell und Penn Dental Medicine-Kollege Hyun (Michel) Koo mit der Forschung, um einen Kaugummi zu entwickeln, der mit pflanzlichen Proteinen angereichert ist, um Zahnbelag zu zerstören. Daniell verband seine Erkenntnisse über ACE2 mit dieser Technologie und fragte sich, ob ein solches Kaugummi, das mit pflanzlichen ACE2-Proteinen infundiert ist, SARS-CoV-2 in der Mundhöhle neutralisieren könnte.
Um das herauszufinden, wandte er sich an Ronald Collman von Penn Medicine, einen Virologen und Lungen- und Intensivmediziner, dessen Team seit den frühen Stadien der Pandemie Blut, Nasenabstriche, Speichel und andere Bioproben von COVID-Patienten gesammelt hatte wissenschaftliche Forschung.
Henry Daniell und Kollegen von Penn Dental Medicine verwendeten eine Plattform zur Herstellung von pflanzlichen Proteinmedikamenten, um das ACE2-Protein zu züchten, das dann in Kaugummi infundiert wurde. Indem es entweder den ACE2-Rezeptor blockiert oder an das SARS-CoV-2-Spike-Protein bindet, scheint das ACE2 im Zahnfleisch in der Lage zu sein, den Viruseintritt in die Zellen zu reduzieren. Credit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
„Henry hat mich kontaktiert und gefragt, ob wir Proben hätten, um seinen Ansatz zu testen, welche Art von Proben zum Testen geeignet wären und ob wir den Gehalt des SARS-CoV-2-Virus in den Speichelproben intern validieren könnten“, sagt Collman. „Das führte zu einer schulübergreifenden Zusammenarbeit, die auf unseren Mikrobiomstudien aufbaute.“
Um den Kaugummi zu testen, züchtete das Team ACE2 in Pflanzen, gepaart mit einer anderen Verbindung, die es dem Protein ermöglicht, Schleimhautbarrieren zu überwinden und die Bindung zu erleichtern, und verarbeitete das resultierende Pflanzenmaterial in Kaugummitabletten mit Zimtgeschmack. Bei der Inkubation von Proben aus Nasen-Rachen-Abstrichen von COVID-positiven Patienten mit dem Zahnfleisch zeigten sie, dass das vorhandene ACE2 SARS-CoV-2-Viren neutralisieren könnte.
Auf diese ersten Untersuchungen folgten weitere am Wistar Institute und Penn Vet, bei denen Viren, die weniger pathogen als SARS-CoV-2 sind, modifiziert wurden, um das SARS-CoV-2-Spike-Protein zu exprimieren. Die Wissenschaftler beobachteten, dass das Zahnfleisch die Viren oder Viruspartikel weitgehend am Eindringen in die Zellen hinderte, entweder durch Blockieren des ACE2-Rezeptors auf den Zellen oder durch direkte Bindung an das Spike-Protein.
Henry Daniell Credit: Penn Dental Medicine
Schließlich setzte das Team Speichelproben von COVID-19-Patienten dem ACE2-Kaugummi aus und stellte fest, dass Virusspiegel RNA fiel so dramatisch, dass er fast nicht mehr nachweisbar war.
Das Forschungsteam arbeitet derzeit daran, die Erlaubnis zur Durchführung einer klinischen Studie zu erhalten, um zu bewerten, ob der Ansatz sicher und wirksam ist, wenn er an mit SARS-CoV-2 infizierten Personen getestet wird.
„Henrys Ansatz, die Proteine in Pflanzen herzustellen und sie oral zu verwenden, ist kostengünstig und hoffentlich skalierbar; es ist wirklich clever“, sagt Collman.
Obwohl sich die Forschung noch in einem frühen Stadium der Entwicklung befindet, könnte, wenn die klinischen Studien beweisen, dass das Zahnfleisch sicher und wirksam ist, es Patienten mit unbekanntem Infektionsstatus oder sogar für eine zahnärztliche Untersuchung, bei der Masken entfernt werden müssen, verabreicht werden, um dies zu reduzieren die Wahrscheinlichkeit, das Virus an das Pflegepersonal weiterzugeben.
„Wir verwenden bereits Masken und andere physische Barrieren, um das Übertragungsrisiko zu verringern“, sagt Daniell. “Dieser Kaugummi könnte in diesem Kampf als zusätzliches Werkzeug verwendet werden.”
Referenz: „Debulking SARS-CoV-2 in Speichel mit Angiotensin-Converting-Enzym 2 in Kaugummi zur Verringerung der oralen Virusübertragung und Infektion“ von Henry Daniell, Smruti K. Nair, Nardana Esmaeili, Geetanjali Wakade, Naila Shahid, Prem Kumar Ganesan, Md Reyazul Islam, Ariel Shepley-McTaggart, Sheng Feng, Ebony N. Gary, Ali R. Ali, Manunya Nuth, Selene Nunez Cruz, Jevon Graham-Wooten, Stephen J. Streatfield, Ruben Montoya-Lopez, Paul Kaznica, Margaret Mawson, Brian J. Green, Robert Ricciardi, Michael Milone, Ronald N. Harty, Ping Wang, David B. Weiner, Kenneth B. Margulies und Ronald G. Collman, 10. November 2021, Molekulare Therapie.
DOI: 10.1016/j.ymthe.2021.11.008
Henry Daniell ist stellvertretender Vorsitzender und WD Miller Professor am Department of Basic and Translational Sciences der School of Dental Medicine der University of Pennsylvania.
Ronald Collman ist Professor für Medizin und Mikrobiologie und Direktor des Penn Center for AIDS Research an der Perelman School of Medicine der University of Pennsylvania.
Daniells Co-Autoren auf dem Papier waren Smruti K. Nair von Penn Dental Medicine, Nardana Esmaeili, Geetanjali Wakade, Naila Shahid, Prem Kumar Ganesan, Md Reyazul Islam, Manunya Nuth und Robert Ricciardi; Sheng Feng, Selene Nuñez Cruz, Jevon Graham-Wooten, Michael Milone, Ping Wang, Kenneth B. Margulies und Ronald G. Collman von Penn Medicine; Ariel Shepley-McTaggart und Ronald N. Harty von Penn Vet; Ebony N. Gary, Ali R. Ali und David B. Weiner vom Wistar Institute; und Stephen J. Streatfield von Fraunhofer USA, Rubén Montoya-López, Paul Kaznica, Margaret Mawson und Brian J. Green.
Die Studie wurde von den National Institutes of Health (Grants HL107904, HL109442, HL133191, HL137063 und AI070077), dem Commonwealth of Pennsylvania, dem COVID-19 Pilot Award der University of Pennsylvania School of Veterinary Medicine, einem Mercatus Center Award, dem Penn . unterstützt Center for Precision Medicine, Penn Health-Tech, Penn Center for Innovation and Precision Dentistry und das NIH RADx-Programm.