自2019年底出現以來，新冠病毒(SARS-CoV-2)感染導致的COVID-19在全世界範圍內導致了數億人感染和數百萬人死亡。由於新冠病毒傳播過程中，新突變株不斷出現，尤其是Omicron，引發了新一波的感染高峰。
新冠疫苗能夠顯著降低COVID-19的感染率和重症/死亡風險，是保護人們免受新冠病毒侵害的最有效策略之一，其工作原理主要是幫助人體產生針對新冠病毒表麵的刺突蛋白(S蛋白)的中和抗體。然而，新冠病毒不斷出現的突變株，尤其是發生在S蛋白的突變會限製新冠疫苗的有效性。因此，迫切需要能夠有效預防新冠病毒感染的新策略，最好是在到達肺部細胞之前阻斷它們。
為了避免感染新冠病毒及其他呼吸道病原體，我們可以通過佩戴口罩來給我們的呼吸係統增加一道物理屏障。然而，在日常生活中，長時間保持嚴格正確佩戴口罩並不是一件容易的事，而且，在飲食過程中、遊泳時，以及劇烈運動期間，無法佩戴口罩。此外，對於一些幼兒來說，他們可能不願意長時間佩戴口罩。在這種情況下，我們該如何保護自己呢?
2023年2月9日，北卡羅萊納州立大學程柯教授團隊在 Nature Materials 期刊發表了題為：An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection 的研究論文。
該研究開發了一種基於可吸入生物粘合劑水凝膠的對抗新冠病毒(SARS-CoV-2)感染的物理屏障——增強肺部防禦的吸入式球形水凝膠(Spherical Hydrogel Inhalation for Enhanced Lung Defence，SHIELD)。SHIELD顆粒可以通過幹粉吸入器隨時隨地吸入，形成密集的水凝膠網絡，覆蓋呼吸道，增強擴散屏障性能，限製病毒的滲透(SHIELD也正是“盾”的英文翻譯)。
研究團隊首先在小鼠身上證明了SHIELD顆粒的保護作用，它能夠對抗具有不同突變的S蛋白的新冠假病毒的感染。研究團隊還在非人靈長類動物(非洲綠猴)進行了進一步驗證，結果顯示，吸入SHIELD顆粒一次，即可提供長達8小時的保護，有效減少新冠原始毒株和突變株(Delta)的感染及感染後的傷害。
值得一提的是，SHIELD是由食品級材料製成的，不會影響正常的呼吸功能。因此，這種方法可以為人們抵禦新冠病毒及其他呼吸道病原體提供額外的保護。
程柯教授本科畢業於浙江大學，目前擔任北卡大學教堂山分校-北卡州立大學蘭道爾·特瑞傑出講席教授，大學教務長辦公室分管交叉學科的執行主任，美國國立衛生研究院(NIH)生物材料和生物界麵基金評審專家組主席。他是國際醫學與生物工程學院(IAMBE)會士，美國醫學與生物工程學院(AIMBE) 會士， 美國心髒病協會(AHA) 會士。他所創立的生物技術公司 Xsome Biotech 目前正在積極開發細胞外囊泡在心肺組織再生和修複、癌症治療和精確給藥等領域的應用。程教授是美國細胞外囊泡協會(American Association of Extracellular Vesicles)共同創始人，愛思唯爾出版集團《細胞外囊泡》(Extracellular Vesicle)雜誌主編，《生物活性材料》( Bioactive Materials)雜誌副主編。
新冠病毒(SARS-CoV-2)通過空氣傳播，它們首先穿透粘液，然後進入呼吸道粘膜細胞。新冠病毒高傳染性的可能原因包括感染早期呼吸道上皮細胞中活躍的病毒複製。作為免疫係統的第一道防線，呼吸道黏膜等物理屏障在抵禦感染方麵發揮著關鍵作用。
粘液屏障通過兩個步驟提供保護作用，首先捕獲外來病原體，然後通過粘液纖毛清除這些病原體。人類呼吸道粘液在阻止許多呼吸道病毒到達靶細胞方麵發揮了重要作用。然而，之前的研究發現，新冠病毒導致粘液纖毛清除受損，這會促進新冠病毒在呼吸道中的傳播，增加感染風險。
受粘液屏障保護機製和高性能生物粘合劑最新進展的啟發，程柯團隊設計並開發了一種名為SHIELD的方法來保護受試者免受新冠病毒(SARS-CoV-2)的感染和傷害。
SHIELD顆粒，是一種可吸入微球，由聚丙烯酸接枝N-羥基琥珀酰亞胺酯(PAAc-NHS酯)和明膠組成。SHIELD顆粒與粘液相互作用，增強其擴散屏障特性，以減少病毒滲透。
SHIELD顆粒的作用分為三個步驟，分別是吸入、膨脹和粘連，SHIELD顆粒的製備采用了油包水乳化技術，由PAAc-NHS酯和明膠的交聯網絡組成，在乳化過程中，物理交聯促進了鬆散的水凝膠結構向致密的球形結構的轉變。掃描電子顯微鏡顯示，SHIELD顆粒呈粒徑在5μm以下的粉末狀良好分散。SHIELD顆粒接觸水後會膨脹形成類似水凝膠的結構，它們的體積在10分鍾內膨脹>10倍，膨脹後SHIELD顆粒相互交聯形成水凝膠網絡結構。
研究團隊先進行了新冠假病毒感染實驗，小鼠吸入SHIELD顆粒後4小時、8小時和24小時候，給予小鼠鼻內滴注攜帶S蛋白D614G突變的新冠假病毒，以及同時攜帶D614G、E484K、N501Y和K417N突變的新冠假病毒。
結果顯示，吸入SHIELD顆粒可阻斷肺內的病毒滯留，對攜帶D614G突變的新冠假病毒而言，吸入SHIELD顆粒在4小時的阻斷率為75.8%，8小時為57.7%，24小時時為17.7%。
對於同時攜帶D614G、E484K、N501Y和K417N突變的新冠假病毒而言，吸入SHIELD顆粒在4小時的阻斷率為71.8%，8小時為60.6%，24小時為15.1%。
為了評估SHIELD顆粒的保護效果，研究團隊在非人靈長類動物(非洲綠猴)上進行了進一步驗證，在吸入SHIELD顆粒8小時後，分別使用新冠病毒原始毒株(WA1)和新冠病毒突變株(Delta)經呼吸途徑感染，結果顯示，相比對照組，吸入SHIELD顆粒的非洲綠猴的新冠病毒的載量僅為前者的1/300-1/50。此外，吸入SHIELD顆粒的非洲綠猴的肺部纖維化和損傷更輕，新冠病毒複製更少。更重要的是，血液學分析證明，吸入SHIELD顆粒沒有產生毒性作用。
總的來說，該研究開發了一種幹粉形式的可吸入SHIELD顆粒，這些顆粒尺寸為1-5μm，能夠很好地深入呼吸道和肺部並有效沉積，從而幫助呼吸係統抵禦新冠病毒及其他呼吸道病原體的感染。SHIELD顆粒是生物可降解和生物兼容的，它們會在48小時之內被機體清除。
在日常生活中，長時間保持嚴格正確佩戴口罩並不是一件容易的事，而且，在飲食過程中、遊泳時，以及劇烈運動期間，無法佩戴口罩。此外，對於一些幼兒來說，他們可能不願意長時間佩戴口罩。該研究開發的吸入SHIELD顆粒的方法，可以作為佩戴口罩時的補充防護，也能夠在不方便或不能佩戴口罩時的作為一種替代防護方法。
論文通訊作者程柯教授表示，論文中的是第一代SHIELD，僅用於預防感染，而不能用於感染後的治療。團隊目前正在努力優化SHIELD，例如將其與抗病毒治療相結合。下一代SHIELD還將能在感染後發揮作用，從而更接近真實口罩的效果，降低病毒從感染者向未感染者的傳播。此外，對滅活H1N1病毒和肺炎病毒的研究證實了SHIELD對其他呼吸道病原體具有廣譜保護效果。因此，將SHIELD與口罩和疫苗接種結合使用時，可以為普通人群提供對新冠病毒及其他其他呼吸道病原體有效和額外的保護作用。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01475-7
