Nanobiocompozite bazate pe nanoparticule de aur ca imunogeni artificiali pentru imunizarea persoanelor și respectiv a animalelor împotriva SARS-CoV-2

 

TITLUL PROIECTULUI: Nanobiocompozite bazate pe nanoparticule de aur ca imunogeni artificiali pentru imunizarea persoanelor și respectiv a animalelor împotriva SARS-CoV-2

ACRONIMUL PROIECTULUI: Gold-SARS

SURSA DE FINANȚARE: Unitatea executivă pentru finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI) - Proiecte de Cercetare Exploratorie - PNCDI III – Program 4 – Cercetare fundamentală și de frontieră

CODUL PROIECTULUI: Project PN-III-P4-PCE-2021-1081

NUMĂRUL CONTRACTULUI: PCE75/2022

DURATA PROIECTULUI: 31 luni (02/06.2022 – 31.12.2024)

BUGETUL PROIECTULUI: 1.200.000 RON

CONSORȚIUL PROIECTULUI: CO - Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT Iaşi

REZUMATUL PROIECTULUI:

Dezvoltarea vaccinurilor anti-SARS-CoV-2 este o problemă actuală a umanității, pregătirea imunogenilor specifici împotriva unor astfel de tipuri de virusuri devenind extrem de importantă pentru domeniile științific, economic, tehnologic, social sau cultural. Deși vaccinarea este una dintre cele mai eficiente intervenții de îngrijire a sănătății, există câteva obstacole sociale, clinice și economice în calea vaccinării, inclusiv un număr mare de persoane reticente la vaccinuri noi, efecte secundare ale vaccinării, probabilitatea variației eficacității vaccinului în populații diferite, longevitatea protecției imune și accesul la vaccin pentru anumite persoane.
Nanoparticulele de aur (AuNP) au trezit un interes imens în vaccinologie datorită robusteții procesului de funcționalizare a suprafaței, biocompatibilității crescute, ajustării controlate a dimensiunii și a formei, dar și proprietăților optice. AuNP au fost exploatate în vaccinuri împotriva infecțiilor bacteriene, infecțiilor virale, cancerului, infecțiilor parazitare etc.
Scopul proiectului este de a oferi industriei vaccinurilor și celei din domeniul suplimentelor alimentare un imunogen împotriva SARS-CoV-2 care să fie utilizat pentru profilaxia COVID-19. Noutatea proiectului se referă la (a) prepararea imunogenului; (b) aplicații în vaccinologie; (c) rezolvarea vechii probleme a stabilității AuNP; (d) rezolvarea problemei stabilității legăturii ionice în soluții apoase cu tărie ionică ridicată; (e) prepararea de suplimente alimentare imunizante (f) acceptarea socială.

OBIECTIVUL PROIECTULUI:

Obiectivul principal al proiectului este de a prepara un imunogen asemănător virusului pe bază de nanoparticule de aur (AuNP) acoperite cu proteine ​​S recombinante (spike) disponibile comercial pentru utilizare ulterioară în dezvoltarea unui vaccin SARS-CoV-2. Vaccinul rezultat poate fi utilizat pentru (1) obținerea de produse naturale cu proprietăți imunizatoare (adică ouă imunizate de la găini vaccinate sau produse din ouă imunizate liofilizate administrate sub formă de spray nazal) care conțin anticorpi anti-SARS-CoV-2 pentru a oferi imunizare pasivă împotriva coronavirusului celor care consumă astfel de produse de origine animală și (2) pentru imunizarea activă după inocularea directă a unui astfel de vaccin la om. Soluția oferită ar trebui să funcționeze și ca o platformă comună pentru alte tipuri de vaccinuri.

REZULTATE ESTIMATE:

• Un imunogen funcțional anti-SARS-CoV-2 condiționat ca suspensii apoase de bionanocompozite nanometrice AuNP-spike, care seamănă cu coronavirusul. Indicator: produs
• O metodă de stabilizare a citratului de sodiu pe suprafața nanoparticulelor de aur. Indicator: metoda.
• O platformă funcțională bazată pe nanoparticule de aur acoperite cu citrat care poate fi partajată pentru a prepara și o serie de nanoparticule de aur magnetice și nemagnetice foarte stabile acoperite, de exemplu, cu ioni de aluminiu, fier (așa cum se propune în acest proiect); nichel, cobalt, mangan etc. Indicator: metoda.
• O metodă inspirată din natură pentru a crește tăria legăturii dintre o suprafață funcționalizată cu grupări carboxil (COO-) și o proteină (grupe NH3+). Indicator: metoda.
• Un brevet internațional înregistrat, 3 articole indexate ISI și un articol prezentat la o conferință internațională.

Rezumat executiv al activităților realizate în perioada de implementare 2022

În  cadrul primei etape a proiectului, s-au desfășurat o serie de activități privind:

(i) elaborarea protocolului de studiu și realizarea designului imunogen propus,
(ii) sinteza și caracterizarea nanoparticulelor de aur (NP-Au), acoperite cu citrat de sodiu, având dimensiuni optimizate,
(iii) prepararea și caracterizarea nanoparticulelor de aur, acoperite cu citrat de sodiu și aluminiu (NP-Au-Al), cu dimensiuni comparabile cu cele ale SARS-CoV-2 precum și
(iv) testarea biocompatibilității in vitro pe două tipuri celule normale (fibroblaști umani și Adipose tissue-Derived Stem Cells (ADSC)) și tumorale (celule HeLa și osteosarcom uman).

Rezultatele cele mai semnificative privesc:
(a) biocompatibilitatea foarte înaltă (supraunitară în raport cu controlul) a nanoparticulelor de aur acoperite cu citrat de sodiu (peste 130 % în cazul celulelor STEM),
(b) obținerea de suspensii de nanoparticule de aur funcționalizate cu citrat de sodiu reticulat cu ioni de aluminiu (NP-Au-Al) cu dimensiuni apropiate de cele ale SARS-CoV-2,
(c) biocompatibilitatea foarte bună a nanoparticulelor de NP-Au-Al (în jur de 100%)
(d) obținerea unei stabilități excelente a nanoparticulelor de aur stabilizate cu citrat de sodiu și aluminiu (NP-Au-Al) într-o soluție cu tărie ionică foarte crescută (comparabilă cu cea a mediului sangvin).
(e) creșterea semnificativă a rezonanței  plasmonice de suprafață a nanoparticulelor NP-Au-Al.

Faptul că s-a reușit sinteza de nanoparticule de aur acoperite cu citrat de sodiu și aluminiu de dimensiuni apropiate de cele ale SARS-CoV-2, care își păstrează stabilitatea într-o soluție cu tărie ionică foarte crescută (NaCl, 4M), alături de o creștere semnificativă a rezonanței  plasmonice (peste 20 % față de NP-Au), reprezintă un rezultat de o importanță și o semnificatie aparte deoarece această metodă, care este cel mai des utilizată pentru obținerea de nanoparticule de aur și care își are rădăcinile în experimentele lui M. Faraday din mijlocul anilor 1850, fiind perfecționată de Turkevich în 1951, a avut întotdeauna acest neajuns al instabilității în medii cu tarii ionice medii și crescute, fapt care a limitat, într-o anumită măsură, utilizarea NP-Au în aplicații biomedicale, inclusiv în cele de detecție și diagnostic, din cauza nevoii de a utiliza cantități crescute de biomolecule active de suprafață (de ex., enzime și anticorpi) care să împiediece aglomerarea nanoparticulelor și destabilizarea lor, inclusiv în mediul sanguin.

De asemenea, s-a reușit introducerea de ioni de aluminiu în structura citratului, creându-se astfel premizele unui răspuns crescut al sistemului imunitar al organismului, cunoscându-se faptul că aluminiul este un adjuvant folosit des în industria vaccinurilor pentru a stimula producția de anticorpi specifici. Această abordare face ca introducerea suplimentară convențională de compuși chimici ai aluminiului să devină redundantă.

Rezumat executiv al activităților realizate în perioada de implementare 2023

În  cadrul celei de a doua etape a proiectului, s-au desfășurat o serie de activități privind:

  1. sinteza și caracterizarea nanoparticulelor de aur acoperite cu citrat de sodiu și ioni metalici de fier (AuNP-Fe) pentru a valida versatilitatea metodei.
  2. funcționalizarea AuNP-Al (în principal) și AuNP-Fe (secundar) cu proteine ​​spike recombinante disponibile comercial, cu dimensiuni și suprafețe finale comparabile cu cele ale SARS-CoV-2.
  3. elaborarea unui brevet internațional.
  4. testarea biocompatibilității in vitro pe două tipuri celule normale (fibroblaști umani și Adipose tissue-Derived Stem Cells (ADSCs)) și tumorale (osteosarcom uman și celule HeLa).

 Rezultatele cele mai mai semnificative privesc:
(a) biocompatibilitatea excelentă a nanoparticulelor de aur acoperite cu citrat de sodiu și ioni de fier,
(b) obținerea de suspensii de nanoparticule de aur funcționalizate cu citrat de sodiu reticulat cu ioni de fier (Au-NP-Fe) cu dimensiuni apropiate de cele ale SARS-CoV-2,
(c) obținerea unei bune stabilități a AuNP-Fe într-o soluție cu tărie ionică foarte crescută (comparabilă cu cea a mediului sangvin).
(d) creșterea semnificativă a rezonanței plasmonice de suprafață a nanoparticulelor AuNP-Fe
(e) biocompatibilitatea foarte bună a nanoparticulelor de AuNP-Al și AuNP-Fe funcționalizate cu proteine spike.
(f) un brevet de invenție pentru o metodă verde de obținere a unor nanoparticule cavitare de metal nobil, în principal aur și argint.

În această etapă s-a reușit sinteza de nanoparticule de aur acoperite cu citrat de fier de dimensiuni apropiate de cele ale SARS-CoV-2, care își păstrează stabilitatea într-o soluție cu tărie ionică crescută (ser fiziologic), alături de o creștere semnificativă a rezonanței  plasmonice (cu peste 116 % mai mare decât în cazul AuNP). Cu toate că stabilitatea nu este la fel de înaltă ca în cazul reticulării cu ioni de aluminiu, rezultatul este unul deosebit în special prin creșterea semnificativă a rezonanței plasmonice de suprafață, aceste nanoparticule putând fi utilizate în aplicații biomedicale, inclusiv în cele de detecție și diagnostic, în special pentru semnalul util pe care îl pot furniza.

De asemenea, s-a reușit funcționalizarea cu succes a suprafețelor nanoparticulelor AuNP-Al și AuNP-Fe cu proteine spike, compușii rezultați fiind apropiați dimensional de SARS-CoV-2. Mai mult, nanoparticulele funcționalizate cu proteine spike au fost testate și pe animale de laborator (activitatea fiind una suplimentară).

Brevetul de invenție înregistrat a vizat nanoparticule de metal nobil cavitare (fără miez), funcționalizate la suprafață cu molecule naturale, în scopul creșterii ariei suprafeței de adsorbție a acestora. Creșterea ariei suprafeței de adsorbție ne interesează foarte mult în cadrul proiectului deoarece va permite creșterea capacității de încărcare a nanoparticulelor cu proteină spike.

REZULTATE OBȚINUTE:

Articole cotate ISI

  1. O.-G. Dragos-Pinzaru, G. Buema, D.-D. Herea (autor corespondent), H. Chiriac, N. Lupu, A.E. Minuti, G. Stoian, D. Shore, V.C. Pierre, I. Tabakovic, B.J.H. Stadler, Synthesis and Characterization of Gold-Shell Magnetic Nanowires for Theranostic Applications, Coatings, 12(11):1755 (2022); https://doi.org/10.3390/coatings12111755 (IF - 3.236)
  2. G. Buema, D.-D. Herea, O.-G. Dragos-Pinzaru, Special Issue: Ceramic and Metallic Biomaterials. Application în Medical Sciences, Coatings, 12 (7), 998 (2022); https://doi.org/10.3390/coatings12070998 (IF - 3.236)
  3. Luminita Labusca, Camelia Danceanu, Anca Emanuela Minuti, Dumitru-Daniel Herea (corresponding author) et al. Magnetic nanowires substrate increases adipose-derived mesenchymal cells osteogenesis. Sci Rep, 12, 16698 (2022); https://doi.org/10.1038/s41598-022-21145-z (IF - 4.996)
  4. Adina-Elena Segneanu, Gabriela Vlase, Teodora Alexandra Lukinich-Gruia, Dumitru-Daniel Herea, and Ioan Grozescu, Untargeted Metabolomic Approach of Curcuma longa to Neurodegenerative Phytocarrier System Based on Silver Nanoparticles, Antioxidants, 11, no. 11: 2261 (2022); https://doi.org/10.3390/antiox11112261 (IF - 7.675)
  5. Herea, D.D.; Zară-Dănceanu, C.-M.; Lăbușcă, L.; Minuti, A.-E.; Stavilă, C.; Ababei, G.; Tibu, M.; Grigoraș, M.; Lostun, M.; Stoian, G.; et al. Enhanced Multimodal Effect of Chemotherapy, Hyperthermia and Magneto-Mechanic Actuation of Silver-Coated Magnetite on Cancer Cells. Coatings 2023, 13 (2), 406. https://doi.org/10.3390/coatings13020406 (IF - 3.4)
  6. Segneanu, A.-E.; Vlase, G.; Vlase, T.; Sicoe, C.A.; Ciocalteu, M.V.; Herea, D.D.; Ghirlea, O.-F.; Grozescu, I.; Nanescu, V. Wild-Grown Romanian Helleborus purpurascens Approach to Novel Chitosan Phyto-Nanocarriers—Metabolite Profile and Antioxidant Properties. Plants 2023, 12 (19), 3479. https://doi.org/10.3390/plants12193479 (IF - 4.5)
  7. Segneanu, A.-E.; Vlase, G.; Chirigiu, L.; Herea, D.D.; Pricop, M.-A.; Saracin, P.-A.; Tanasie, Ș.E. Romanian Wild-Growing Armoracia rusticana L.—Untargeted Low-Molecular Metabolomic Approach to a Potential Antitumoral Phyto-Carrier System Based on Kaolinite. Antioxidants 2023, 12, 1268. https://doi.org/10.3390/antiox12061268 (IF - 7)
  8. Segneanu, A.-E.; Trusca, R.; Cepan, C.; Mihailescu, M.; Muntean, C.; Herea, D.D.; Grozescu, I.; Salifoglou, A. Innovative Low-Cost Composite Nanoadsorbents Based on Eggshell Waste for Nickel Removal from Aqueous Media. Nanomaterials 2023, 13, 2572. https://doi.org/10.3390/nano13182572 (IF - 4.5) - Herea, D.D. and Segneanu, A.-E. contributed equally to this work.
  9. Zară-Dănceanu, C.M.; Stavilă, C.; Minuti, A.E.; Lăbușcă, L.; Nastasa, V.; Herea, D.-D.; Malancus, R.-N.; Ghercă, D.; Pasca, S.-A.; Chiriac, H.; et al. Magnetic Nanoemulsions for the Intra-Articular Delivery of Ascorbic Acid and Dexamethasone. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 11916. https://doi.org/10.3390/ijms241511916 (IF – 5.3)

Capitol de carte

  1. Dumitru-Daniel Herea, Luminiţa Lăbuşcă, Nicoleta Lupu, Horia Chiriac, Magnetic particles for drug delivery, in Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Magnetic Sensors and Actuators in Medicine, Editor(s): Horia Chiriac, Nicoleta Lupu, Woodhead Publishing, Elsevier, 2023, Pages 259-304, ISBN 9780128232941, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823294-1.00002-6.

Cereri de brevet de invenție

  1. D. D. Herea, N. Lupu, H. Chiriac, G. Stoian, O. G. Dragoș-Pînzaru, G. Buema, C. Stavilă, M. Grigoraș, L. Lăbușcă, C. M. Zară, A. E. Minuti, G. Ababei, D. Gherca
    „Metodă ecologică de preparare de nanoparticule cavitare de metal nobil”
    Nr. de înregistrarea2023 00290 / 09.06.2023
  2. D. D. Herea, N. Lupu, H. Chiriac, G. Stoian, O. G. Dragoș-Pînzaru, G. Buema, C. Stavilă, M. Grigoraș, L. Lăbușcă, C. M. Zară, A. E. Minuti, G. Ababei, D. Gherca
    „Ecological method of preparing cavitary nanoparticles of noble metal”
    Patent registration number: PCT/RO2023/000014

PERSOANA DE CONTACT:
Herea Dumitru-Daniel
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT Iaşi
Bulevardul D. Mangeron, Nr. 47, Iași, cod 700050
email: dherea@phys-iasi.ro
Tel: 0232-430.680
Fax: 0232-231.132