Nanoarcillas: Una Prometedora Defensa Nano-Inmune Contra el COVID-19

En el software, la sorción y simulaciones de las configuraciones formuladas de la proteína de pico S del SARS-CoV-2, cristalitos de Na-montmorillonita y hACE2 se realizaron usando técnicas de Monte Carlo (MC) y mecánica molecular (MM). La mejora de la afinidad en todas las configuraciones simuladas se evaluó en términos de la densidad de energía cohesiva (CED) calculada—la CED considerada como una medida de la cohesividad del sistema molecular. Debido a los grandes cálculos involucrados en las simulaciones, estos se realizaron usando instalaciones de computación de alto rendimiento (HPC) en KFUPM, KSA. La metodología general y la elección de métodos particulares y parámetros de simulación se basaron en investigaciones previas de los autores [41-47], mientras que se detalla en la sección siguiente.

Interacciones del Pico (S) del SARS-CoV-2 con hACE2 y Cristalitos de Arcilla

Para simular la interacción de la proteína de pico S del SARS-CoV-2 con cristalitos de arcilla, varios números de cristalitos de arcilla Na-montmorillonita se sorbieron en el modelo de la proteína de pico S. Para estas simulaciones de sorción, se seleccionó el método de Monte Carlo de Metrópolis en el módulo de Sorción del software. En cada paso de sorción, los cristalitos de arcilla ocupan espacios alrededor del modelo de la proteína de pico S para reducir la energía general del complejo. El número requerido de cristalitos se sorbió en un máximo de 25,000 pasos, y luego la energía del sistema se minimizó usando el módulo Forcite del software basado en principios de MD. El proceso de sorción similar se repitió para el modelado de interacción de la molécula de pico del SARS-CoV-2 con hACE2. En este proceso, las moléculas de hACE2 se sorbieron alrededor del RBD de la proteína de pico S del SARS-CoV-2. Después de la finalización del proceso de sorción, la energía de la formulación se minimizó usando el módulo basado en MD del software.

El módulo Forcite del software incorporando el ensamble NPT (número constante de partículas, presión y temperatura) se usó para simulaciones MD con un campo de fuerza universal modificado [41]. Las simulaciones se ejecutaron durante 5 a 30 ps con un intervalo de 0.5 fs o hasta que se obtiene un volumen constante. Se usó un termostato de Berendsen con una constante de decaimiento de 0.1 ps para controlar la temperatura durante la simulación. Durante las simulaciones MD, la temperatura asumida se mantuvo constante a 310 K (37 °C) con presión atmosférica (100 kPa). Se usó un barostato de Berendsen con una constante de decaimiento de 0.1 ps para controlar la presión del sistema. La metodología de Berendsen se consideró la más apropiada para cristalitos individuales después de varios ensayos que involucraban otros termostatos y barostatos disponibles en el software. En el método de Monte Carlo, los parámetros para las razones de intercambio, conformador, rotación, traducción y regeneración se seleccionaron como 0.39, 0.2, 0.2, 0.2 y 0.2 respectivamente con las probabilidades correspondientes como 0.39, 0.2, 0.2, 0.2 y 0.2. Las amplitudes adaptadas para rotación y traducción fueron 5° y 1 Å, respectivamente.

Medición de la Densidad de Energía Cohesiva (CED)

En este estudio, la evaluación del nivel de afinidad/unión en los complejos SARS-CoV-2-cristalitos de arcilla y SARS-CoV-2-hACE2 se midió a través de los cambios en la CED. Después de la sorción de cristalitos de arcilla y la subsiguiente realización de dinámica molecular de cada una de las configuraciones, la CED se determinó usando la opción de densidad de energía cohesiva del módulo Forcite del software. Los autores han experimentado que el concepto de CED, que consiste en las CEDs total, de van der Waals y electrostáticas, puede explicar bastante de cerca varios procesos e interacciones a nivel molecular y simular la extensión de la afinidad/unión creada entre los complejos simulados [41-47]. Cuantitativamente, la CED se define como la cantidad de energía necesaria para la transición de 1 mol de material de la fase líquida a la gaseosa. También es una medida de la afinidad/atractividad mutua de las moléculas y se expresa tanto como fuerzas electrostáticas como de van der Waals, promediadas sobre un ensamble NPT.

En el módulo Forcite, las energías de van der Waals se evaluaron usando cortes basados en átomos. En este método, las interacciones no enlazadas se calculan simplemente hasta una distancia de corte, e interacciones más allá de esta distancia se ignoran. Para evitar las discontinuidades causadas por cortes directos, la mayoría de las simulaciones usan una función de conmutación para apagar las interacciones no enlazadas sobre un rango de distancias suavemente. Se crea un potencial efectivo multiplicando el potencial real por la función de suavizado. La elección de la función en el rango intermedio es crucial y debe ser continuamente diferenciable en esta región para que se puedan calcular las fuerzas. En este estudio, se usó una función de suavizado spline cúbico con un ancho de spline de 1 Å y una distancia de corte de 12.5 Å.

Resultados y Discusión

La configuración final del complejo SARS-CoV-2 S-hACE2 se muestra en la Fig. 4a, mientras que los complejos entre el pico del SARS-CoV-2 y diferentes números de cristalitos de arcilla Na-montmorillonita se muestran respectivamente en la Fig. 4b, c. Para fines de comparación, las CEDs totales de varias proporciones/números de cristalitos de arcilla en el pico del SARS-CoV-2 y la interacción de este último con hACE2 se grafican en la Fig. 5.

Basándonos en nuestra experiencia, hemos hipotetizado que las nanoarcillas, debido a sus altas propiedades adhesivas, también podrían actuar como inhibidores del SARS-CoV-2. Pueden hacerlo asociándose fuertemente con la proteína de pico S presente en el SARS-CoV-2. Los resultados obtenidos de las simulaciones a nivel molecular de las interacciones indican que, debido a la CED muy alta entre el SARS-CoV-2 y las nanoarcillas comparada con la del primero y el hACE2 (Fig. 5), podrían inhibir al SARS-CoV-2 de unirse al hACE2. Además, también se puede concluir de la Fig. 5 que la extensión de la inhibición debido a las nanoarcillas aumenta de manera dependiente de la cantidad (dosis).

Interacciones de Nanoarcillas con la Proteína de Pico S del SARS-CoV-2

Los autores, en su investigación anterior, han demostrado el papel de las nanoarcillas en la promoción de la adhesión entre células cancerosas y su microambiente y, por tanto, controlando la metástasis [10]. Las mediciones de adhesión de una mezcla 75/25 de Na-montmorillonita y palygorskita mostraron un aumento del 100% en la adhesión entre células cancerosas y proteínas de matriz extracelular (Fig. 6a). Una imagen SEM correspondiente de las nanoarcillas uniendo células Raji y proteínas de fibronectina se muestra en la Fig. 6b. La obtención de imágenes de muestra se realizó en modo SEM en un FEI ESEM-FEG XL-30 en la Escuela de Medicina Miller, Universidad de Miami, Florida. Los autores también descubrieron en su investigación previa que las atracciones electrostáticas, de van der Waals y ZP parecen dominar en los procesos de adhesión [10]. Concluimos que los mismos mecanismos también habrían facilitado la unión de las superficies adhesivas de las nanoarcillas al pico del SARS-CoV-2 (Fig. 7). El ZP es una medida de la tendencia a la dispersión o floculación en forma coloidal, incluyendo las interacciones con otros componentes presentes en el medio de suspensión. Como regla general, un potencial zeta mayor a 30 mV (ya sea positivo o negativo) indica tendencia a la dispersión, mientras que un potencial zeta menor a 5 mV generalmente resulta en aglomeración. Las tendencias de dispersión ZP más altas de las nanopartículas de arcilla usadas en el estudio (−24 a −32 mV) conducen a mayor tendencia a la dispersión y, por tanto, a la generación de mayor área superficial amplificando las interacciones con la proteína de pico del SARS-CoV-2. Aunque, basándose en su ZP, las nanopartículas de Na-montmorillonita tienen naturaleza hidrofílica, en presencia de sales también promueven mecanismos de adhesión secundaria entre superficies hidrofóbicas e hidrofílicas [10]. También debe notarse que estas nanopartículas de arcilla tienen alta tendencia a la dispersión debido a su naturaleza hidrofílica y interacciones ácido-base (AB) repulsivas relativamente más altas (Tabla 1). La alta dispersión, a su vez, resulta en la generación de alta área superficial para aumentar las interacciones atractivas. Las áreas superficiales más altas promueven atracciones mayores debido a las atracciones de van der Waals y fuerzas electrostáticas entre superficies cargadas opuestamente. Además, aunque en menor grado, los bordes cargados positivamente de las partículas de Na-montmorillonita también se atraen eléctricamente a la proteína de pico S.

Los resultados de las simulaciones a nivel molecular para la interacción de la proteína de pico S del SARS-CoV-2 con los cristalitos de arcilla (Fig. 5) también confirman los comportamientos de interacción mencionados. Se ha observado que la sorción de nanopartículas de arcilla resulta en la formación de campos de atracción de van der Waals fuertemente interactivos. Estos campos de atracción de van der Waals crean una CED más alta de la configuración arcilla/SARS-CoV-2. El aumento sustancial en la CED total después de la adición de cristalitos de arcilla (Fig. 5) también es un testimonio de una afinidad muy alta del SARS-CoV-2 con estas partículas comparada con la afinidad del primero con el hACE2.

Nanoarcillas como Pseudo-anticuerpos

Basándonos en toda la investigación actual y pasada de los autores, estableciendo el potencial de alta afinidad de las nanoarcillas, postulam0s que las nanoarcillas podrían imitarse como anticuerpos y así atraer y englobar coronavirus antes de que se unan al hACE2 humano. Los anticuerpos son glicoproteínas sintetizadas por células plasmáticas como parte de la respuesta inmune adaptativa para ayudar en la eliminación de la infección del cuerpo. Los anticuerpos ayudan en la eliminación de la infección de múltiples maneras, como la opsonización de patógenos para facilitar la fagocitosis, activación del sistema del complemento, aglutinación de microbios y neutralización de virus y toxinas. Cuando se unen a las proteínas de superficie viral, los anticuerpos previenen la entrada de los virus en la célula al impedir la unión de los virus a su receptor diana en la célula. La unión del anticuerpo puede ocurrir en diferentes sitios de la proteína de superficie llevando a diversos mecanismos que causan el mismo efecto. En el caso del SARS-CoV-2, se han observado dos mecanismos de neutralización viral por anticuerpos [1, 48] y se muestran en la Fig. 1c, d. Uno de los mecanismos implica la unión directa de anticuerpos al sitio de unión del RBD del SARS-CoV-2, resultando en el anticuerpo compitiendo con el receptor diana hACE2. Otro mecanismo implica la unión de anticuerpos a otros sitios en el RBD sin ninguna competencia con el receptor diana. Este último se ha demostrado que está involucrado en la neutralización por el Anticuerpo Monoclonal (mAb) más potente descubierto en el estudio [1, 48]. Análogo a la interacción de anticuerpos con el RBD del SARS-CoV-2, inhibiendo a este último de unirse al hACE2, se prepara un modelo molecular similar para nanoarcillas resultando en una inhibición similar de los coronavirus y se muestra en la Fig. 8. Debido a su muy alta afinidad, las nanoarcillas se verían atraídas a los picos del SARS-CoV-2 y así restringirían el enlace de los RBDs de estos picos con el hACE2.

Metodología Propuesta de Administración de Nanoarcillas

El uso de arcilla como vehículo de fármacos se ha probado múltiples veces, dando resultados prometedores de poca o ninguna citotoxicidad a las células del cuerpo humano. El mineral de arcilla caolinita se probó para uso en un potencial sistema de administración de fármacos y se mostró que tiene alta biocompatibilidad y citotoxicidad muy baja [11]. La citotoxicidad in vitro de nanopartículas de poli(d,l-lactida-co-glicolida)/montmorillonita también se demostró como insignificante [14]. Los nanocompuestos palygorskita-polietilenoimina-fluoresceína isotiocianato también exhibieron casi ninguna citotoxicidad in vitro [13]. Los autores también han experimentado inyectando nanoarcillas subcutáneamente para el tratamiento de melanoma durante estudios in vivo [34]. Basándonos en el uso de arcilla como vehículo de fármacos contra el cáncer y en otras medicinas de liberación sostenida [25-28], proponemos que las nanoarcillas pueden inyectarse como medicina "solo arcillas", sujeto a verificación in vivo y ensayos clínicos.

Aunque las nanoarcillas no son biodegradables, una comprensión integral del diseño de nanopartículas inorgánicas similares con su rendimiento metabólico en el cuerpo realizada en el estudio [49] también podría categorizar estas nanoarcillas como agentes inorgánicos eliminables por el cuerpo humano.

Conclusiones y Recomendaciones

Basándonos en toda la investigación actual y pasada de los autores, estableciendo el potencial de alta afinidad de las nanoarcillas, estas podrían imitarse como anticuerpos y así atraer y englobar coronavirus antes de que se unan al hACE2 humano.

Los resultados de las simulaciones a nivel molecular para la interacción de la proteína de pico S del SARS-CoV-2 con los cristalitos de arcilla resultan en la formación de campos de atracción de van der Waals fuertemente interactivos. Estos campos de atracción de van der Waals crean una CED más alta de la configuración arcilla/SARS-CoV-2. El aumento sustancial en la CED total después de la adición de cristalitos de arcilla también es un testimonio de una afinidad muy alta del SARS-CoV-2 con estas partículas comparada con la afinidad del primero con el hACE2.

Proponemos continuar la investigación realizando estudios de interacción in vitro entre el SARS-CoV-2 y diferentes porcentajes de nanoarcillas. Basándonos en la dosis óptima de nanoarcilla desarrollada en la fase in vitro, sugerimos realizar estudios in vivo en animales. El estudio animal debe realizarse tanto con como sin nanoarcilla para finalizar la dosis de nanoarcilla y debe sentar las bases para los ensayos clínicos.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado.