自2019年末出现以来，新冠（SARS-CoV-2）已在全球范围内（截至2022年11月2日）已导致6亿多人感染，659多万人死亡。由于病毒通过变异不断发生变化，病毒的几种变体目前是令人担忧的变异毒株。新变体的出现，特别是B.1.617.2（Delta）和B.1.1.529（Omicron），推动了全球新冠肺炎病例的新一波急剧增加。疫苗是通过降低发病率和死亡率来保护人们免受传染病侵害的有效策略之一，其主要作用是产生针对表面S蛋白的中和抗体。然而，S蛋白的突变可能会限制这些疫苗的效率。因此，迫切需要能够有效预防SARS-CoV-2在感染到达目标肺细胞之前的防止感染的新策略。
SARS-CoV-2通过空气传播传播，首先必须穿透粘液并进入呼吸道细胞。SARS-CoV-2高传播性的可能原因包括感染早期气道上皮中的病毒复制活跃。作为免疫系统的第一层和最顶层，身体屏障（如气道内的粘液）在抵御感染方面发挥着关键作用。粘液屏障通过两个步骤提供保护：首先通过捕获外来病原体，然后通过清除粘液纤毛清除外来病原体。人类气道粘液在阻止许多呼吸道病毒到达靶细胞方面发挥了重要作用；然而，在SARS-CoV-2中，发现粘液清除受损，这促进了病毒在呼吸道中的传播，并增加了感染的风险。
已经研究了粘液和生物粘附聚合物（如壳聚糖）之间的相互作用，为粘液工程阻断SARS-CoV-2感染打开了可能性。受粘液屏障的保护机制和高性能生物粘合剂的最新进展启发，北卡罗来纳州立大学程柯等研究人员设计并开发了SHIELD方法，以保护受试者免受SARS-CoV-2感染。SHIELD颗粒是由接枝N-羟基琥珀酰亚胺酯（PAAc-NHS酯）和明胶的聚（丙烯酸）制成的可吸入微球。SHIELD 颗粒与粘液相互作用以增强其扩散屏障特性，从而减少病毒渗透。
本文介绍了一种名为SHIELD的微粒，它是通过水-油乳液技术制备的，由PAAc-NHS酯和明胶的交联网络组成。SHIELD微粒的大小在0.5-5微米范围内。SHIELD微粒在水中膨胀后形成一个类似于水凝胶的结构，体积可在10分钟内增加10倍以上。膨胀后，SHIELD微粒彼此交联形成一个水凝胶网络结构。在与粘液表面接触时，SHIELD微粒可与粘液结合，这是因为PAAc-NHS酯中的负电荷羧酸基团可以促进这一过程，同时与组织表面形成分子间键。此外，PAAc上的NHS酯基团也可与组织上的主胺基团实现进一步的粘附。
图|SHIELD的制造和表征
该研究团队通过对猪胃粘液的测试，发现加入 SHIELD 颗粒能够使粘液形成更密实的结构。粘液的弹性模量和粘性模量在加入SHIELD 颗粒的情况下增加。为了模拟病毒的侵入，研究团队使用了与病毒大小相似的聚苯乙烯颗粒，发现加入SHIELD 颗粒能够限制颗粒的布朗运动和侵入。该结果通过使用喷雾器生成类似大小的颗粒的气溶胶的实验得到证实。在猪气管管壁表面，SHIELD 颗粒与粘液相互作用后，10 分钟内粘液层的形态发生了变化，形成了更密实的网络结构。
图|SHIELD与粘液的相互作用
随后检测SHIELD 颗粒对SARS-CoV-2 病毒和其他病原体的保护作用的结果。在鼠模型上首先测试了对SARS-CoV-2的保护作用。通过呼吸道给小鼠灌输SHIELD后，它们能够在肺部保持长时间的高效保护，并且能够有效防止SARS-CoV-2病毒的传播。对SHIELD的生物兼容性和安全性进行了测试，结果表明SHIELD对正常肺部功能没有影响，并且它的呼吸道给药不会影响正常的粘膜清除机制。此外，SHIELD也能够有效防护H1N1流感病毒和肺炎病毒。但是，对已感染的个体的保护效果不是很明显。
图|SHIELD吸入阻断SARS-CoV-2假病毒进入小鼠模型
最后，还评估SHIELD方法保护力的非人灵长类动物研究。研究使用SARS-CoV-2 WA1和B.1.617.2 (Delta)变异体，并在病毒挑战前8小时进行SHIELD吸入。通过鼻腔和气管路径进行，并在第1天、第2天、第4天和第7天采集鼻咽拭子和支气管肺灌洗液。PCR结果显示，使用SHIELD保护的动物的病毒载量比对照动物的病毒载量少50倍到300倍。SHIELD对SARS-CoV-2 WA1和B.1.617.2 (Delta)变异体的保护效果相同。研究还发现SHIELD保护减少了肺组织的纤维化，并降低了SARS核蛋白质的含量。RNA组织学技术进一步证明SHIELD保护减少了病毒在肺部组织的复制。血液分析还证实SHIELD微粒吸入不会对动物产生毒性。
图|SHIELD吸入保护非洲绿猴免受SARS-CoV-2感染
综上所述，本研究证明了SHIELD方法可以预防SARS-CoV-2 WA1和B.1.617.2（Delta）变异体的感染。SHIELD颗粒是由食品级材料制成的，既有效又安全，不影响正常的肺功能，也不导致毒性。与疫苗不同，SHIELD方法增强了粘液的扩散屏障性，以提供对病毒感染的物理防护。作为天生的防御机制，呼吸道粘液层在捕捉和保护病原体远离宿主上皮细胞表面方面起着关键作用。
该研究还存在一些局限性值得注意。
1）一个限制是，在非人类灵长类动物研究中，我们每组仅使用三只动物来处理每个变体。这个样本量对于涉及非人类灵长类动物的 COVID-19 研究很常见，足以进行分析，但未来的研究需要更大的样本量。
2）实验结果表明，在感染后应用 SHIELD 方法时缺乏疗效。由于SHIELD的保护机制是加强粘液结构，限制外来病原体的侵入，所以这个结果是可以预料的，因为SHIELD最大的作用是阻断病毒的进入，而不是减少已经感染者体内的病毒量。作为第一代SHIELD 方法，目前的方法仅用于预防目的，而不是针对感染后患者的治疗目的。研究人员现在正在尝试优化SHIELD 方法的配方，例如将其与抗病毒疗法相结合。
SARS-CoV-2 病毒的持续变异导致一系列病毒变体的出现，导致报告的COVID-19 病例出现新的上升。S 蛋白的突变可能会损害中和表位，降低疫苗接种效率并增加病毒传播。可能需要新疫苗来对抗不同的变种。相比之下，SHIELD 策略不会受到病毒突变的限制。因此，当与面罩和疫苗接种结合使用时，SHIELD可以为普通人群提供有效和额外的保护，使其免受 COVID-19 和其他呼吸道病原体的侵害。
参考文献：
Mei, X., Li, J., Wang, Z. et al. An inhaled bioadhesive hydrogel to shield non-human primates from SARS-CoV-2 infection. Nat. Mater. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01475-7
