Nanometre ölçeğindeki sivri uçlara sahip yüzey antiviral aktiviteye sahip

Uluslararası bir bilim insanları ekibi, nanometre ölçeğinde keskin sivri uçlarla kaplı silikon bazlı bir malzeme geliştirmeyi başardı. Bu nano dokulu yüzey, üzerine yerleşen parainfluenza virüslerini, zarlarını mekanik olarak delerek öldürebiliyor. Altı saatlik inkübasyon süresinin ardından, malzeme canlı virüs sayısını %96 oranında azaltıyor ve bu da onu hastanelerde, laboratuvarlarda ve bulaşıcı hastalık bulaşma riskinin yüksek olduğu diğer kurumlarda kullanım için umut verici kılıyor.

Dünyayı kasıp kavuran koronavirüs salgını, yüzeylerdeki virüsleri öldürmek için mekanik ve kimyasal yöntemlerin önemini bize hatırlattı. El dezenfektanları ve ellerimizi yıkamamızı hatırlatan posterler yıllardır hayatımızın vazgeçilmezi haline geldi. Ve bir kez daha, en tehlikeli yüzeylerin kapı kolları, süpermarket bantları, yürüyen merdiven korkulukları ve her gün yüzlerce insanın dokunduğu, bu yüzeyleri devasa virüs değişim merkezlerine dönüştüren diğer yüzeyler olduğunu hatırladık. Sürekli dezenfektan kullanımına gerek kalmadan virüsleri kendi kendine öldürebilen yüzeyler yaratma ihtiyacı bir kez daha acil bir sorun haline geldi.

Fikir, çoğu zaman olduğu gibi, doğanın kendisinden, özellikle de böceklerden geliyor. Bakteriler ve mantarlar, tıpkı insanlar için olduğu gibi onlar için de bir tehdit oluşturuyor ve adaptif bağışıklıktan yoksun oldukları için başka çözümler geliştirmek zorunda kalıyorlar. Kanatlar da dahil olmak üzere kitinli dış iskeletin hemolenfle dolu olmaması, bağışıklık proteinlerini kanada tutunup çoğalmaya ve onunla beslenmeye karar veren bakterilere karşı işe yaramaz hale getirmesiyle durum daha da kötüleşiyor. Görünüşe göre böceklerin bu tehdide verdiği tepkilerden biri nano dokulu yüzeyler . Örneğin, yusufçukların ve ağustos böceklerinin kanatlarının birkaç yüz nanometre yüksekliğinde çok ince dikenlerle kaplı olduğu bilinmektedir (Şekil 2; C. Bandara vd., 2017. Yusufçuk Kanadının Escherichia coli Üzerindeki Doğal Nanotopografisinin Bakterisidal Etkileri , E. Ivanova vd., 2012.Doğal Bakterisidal Yüzeyler: Ağustos Böceği Kanatları Tarafından Pseudomonas aeruginosa Hücrelerinin Mekanik Yırtılması ). Bu dikenler, böyle bir yüzeye yapışacak kadar akılsız olan bakterileri, zarlarını mekanik olarak delerek etkili bir şekilde yok eder (bkz. Bakterisidal Mikro Heykelle Kaplı Ağustos Böceği Kanatları , Elementler, 08.04.2013 haber öğesi). Aslında, kanatların dokusu sayesinde bakteriyel enfeksiyona karşı doğal bir pasif bağışıklık elde edilir.

Böceklerin bu süper gücünden ilham alan bilim insanları, bakterisidal özelliklere sahip yapay malzemeler üretmeye başladılar (J. Jenkins vd., 2020. Nanopillar yüzeylerin antibakteriyel etkileri hücre empedansı, penetrasyon ve oksidatif stres indüksiyonu tarafından aracılık edilir ). 2024 yılının başlarında, Royal Melbourne Teknoloji Enstitüsü'nden (Avustralya) Profesör Elena P. Ivanova liderliğindeki bir grup araştırmacı, virüslere karşı koruma için benzer bir nanodoku malzeme geliştirdi ve test etti. 10 yıldan uzun bir süre önce ağustos böceği kanatlarındaki nanodikenleri tanımlayan bu gruptu ve geçen yıl da Candida mantarlarını öldüren bir nanodoku icat ettiler (P. Le vd., 2023. Mikro Yapılı Titanyum Yüzeylerde Çok İlaçlı Dirençli Candida Türlerinin Apoptozu ). Yeni çalışmalarının sonuçları ACS Nano dergisinde yayınlandı .

Bu malzemeyi oluşturmak için araştırmacılar reaktif iyon aşındırma teknolojisini kullandılar. Silikon yüzey, florür iyonları ve oksijen içeren kimyasal olarak aktif bir plazma ile bombardıman edildi. Sivri uçlar, iki işlem arasındaki tuhaf bir kimyasal rekabetten kaynaklandı: bir tarafta koruyucu bir silikon florür tabakasının oluşumu, diğer tarafta ise reaktif oksijen türleri tarafından yüzeyden malzemenin uzaklaştırılması. Bu işlemlerin oranındaki son derece küçük homojensizlikler, ortalama 300 nm yüksekliğinde (bir insan kırmızı kan hücresinin çapından 15 kat daha küçük!) ve yaklaşık 1-2 nm genişliğinde keskin tepelerin oluşmasına yol açtı (Şekil 3).

Yüzeyin antiviral özellikleri, influenza benzeri solunum yolu enfeksiyonlarına neden olan insan parainfluenza virüsü tip 3 kullanılarak test edildi. Bu, 100-420 nm çapında, yüzeydeki sivri uçların boyutuna iyi bir şekilde karşılık gelen, süperkapsid kaplı küresel bir virüstür. Sivri uçlu malzeme ve reaktif iyon aşındırmasına tabi tutulmamış, sivri uçlu olmayan bir kontrol malzemesi, parainfluenza virüsleriyle 1, 3 ve 6 saat inkübe edildi. Daha sonra yüzeylerden örnekler alındı ​​ve plak analizi kullanılarak analiz edildi; yani, bunlar bir hücre kültürüne ekilerek ve ölü hücrelerden oluşan plaklar sayılarak.

Bir saatlik inkübasyondan sonra, nano dokulu yüzey, kontrol materyaline kıyasla %74 daha az canlı virüs tuttu. 3 saat sonra fark %85'e, 6 saat sonra ise %96'ya çıktı. Açıkça, sivri uçlu yüzey bir virüs öldürücüydü.

Taramalı elektron mikroskobu (ve daha hassas versiyonu olan odaklanmış iyon demeti mikroskobu), bu virüs öldürücü etkinin mekanizmasını ortaya çıkardı. Mikroskobik nanobarblar virüsleri delerek süperkapsidi deldi ve kademeli mekanik yıkıma neden oldu. Yüzeye yapışan virüsler altı saat içinde yavaş yavaş şekillerini kaybetti ve altı saat sonra tamamen yok oldu (Şekil 4). İlginç bir şekilde, yüzey sürüntülerinin PCR testi pozitif kaldı; viral RNA korundu. Ancak, süperkapsidi yırtılmış bir virüs artık hücre kültürlerini, hatta insanları bile enfekte edemez.

İlginç bir şekilde, dikenli yüzey, daha az etkileyici olsa da, bakteri öldürücü bir etki de gösterdi. Yüzey, Pseudomonas aeruginosa hücrelerinin %20'sini ve Staphylococcus aureus hücrelerinin %30'unu öldürdü; bu da önemli bir sonuç değildi. Ancak, zarında delikler bulunan Pseudomonas aeruginosa'nın elektron mikroskobu görüntüsü (Şekil 5) kesinlikle görülmeye değer.

Makalenin sonuç bölümünde yazarlar, nanospike yüzeydeki viral enfeksiyon oranında %96'lık bir azalmanın, enfekte bireylerin soluduğu viral aerosol damlacıklarının neden olduğu viral yükü önemli ölçüde azaltmak için yeterli olduğunu belirtti. Bu azalmanın etkinliği doğrudan virüs türüne ve bulaşıcı dozuna bağlı olduğundan, farklı spike geometrileri ve farklı virüslerle çok daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Ancak hastaneler, laboratuvarlar ve umumi tuvaletlerdeki yüzeyleri, yalnızca nanodoku malzemesinden üreterek, nihayet güvenli hale getirme fikri son derece heyecan verici.

Kaynak: Samson W. L. Mah, Denver P. Linklater, Vassil Tzanov, Phuc H. Le, Chaitali Dekiwadia, Edwin Mayes, Ranya Simons, Daniel J. Eyckens, Graeme Moad, Soichiro Saita, Saulius Joudkazis, David A. Jans, Vladimir A. Baulin, Natalie A. Borg, Elena P. Ivanova. İnsan Parainfluenza Virüsünün Nanoyapılı Yüzeyler Tarafından Delinmesi // ACS Nano . 2024.DOI: 10.1021/acsnano.3c07099.

Georgy Kurakin