Рыба-данио:многообещающая модельная система в реальном времени для доставки нейроспецифических лекарств, опосредованной нанотехнологиями

Введение

Доставка лекарств относится к способу доставки соединений в организм с терапевтической целью. Соединения в основном имеют фармацевтическую природу и нацелены против конкретного болезненного состояния на конкретную популяцию клеток in vivo. Термин «доставка лекарств» включает в себя две основные идеи:форму дозировки и способ введения [1]. Правильная доставка лекарств обеспечивает эффективную активность лекарств, регулируя следующее:высвобождение лекарства, абсорбцию клетками и правильное распределение в системе [2]. Некоторые распространенные пути доставки лекарств включают энтеральный (желудочно-кишечный тракт), парентеральный (через инъекции), ингаляционный (обонятельный), трансдермальный (через дерму), местный (через кожу) и пероральный пути (через пищевод) [3]. Доставка лекарства имеет решающее значение и имеет большое значение в области терапии. Выбранный метод должен быть наиболее эффективным и наименее токсичным для системы [4]. Проблема становится еще больше, когда речь идет о мозге. Доставка лекарств в мозг является предметом борьбы между исследователями уже более десятилетий [5, 6]. Бесчисленные технологии и идеи были использованы для разработки эффективной методики [7, 8]. Тем не менее, успех не кажется слишком близким. Самым большим препятствием в этой борьбе является способность преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ - это физиологический барьер, защищающий наш мозг от соединений, переносимых из крови в мозг [9]. Естественный состав барьера позволяет только очень маленьким молекулам кровотока проникать в мозг [10]. Молекулы с небольшой молекулярной массой <400 Да и липидорастворимые обладают способностью проникать в мозг [11]. Нейроспецифические препараты должны соответствовать этим параметрам для эффективной доставки лекарств через ГЭБ. В настоящее время большинство лекарств, разработанных для нацеливания на мозг, не могут пересечь ГЭБ [9, 12, 13]. Заболевания центральной нервной системы - одни из самых распространенных заболеваний, поражающих несколько человек на всех этапах жизни. Однако эти заболевания по-прежнему остаются наименее излечиваемыми [14]. Существует неотложная потребность в новых технологиях доставки нейроспецифических лекарств, поскольку эффективность существующих лекарств, нацеленных на мозг, чрезвычайно низка. Помимо ограниченной проницаемости ГЭБ, необходимо также учитывать сложность мозга и побочные эффекты, вызванные существующими технологиями доставки лекарств [15]. Отсутствие абсолютного метода эффективной доставки нейроспецифических лекарств препятствует эффективной разработке лекарств в этой области. Исследовательское сообщество изучило различные способы доставки безопасных и целевых препаратов в мозг. Макромолекулы и наночастицы исследуются для обеспечения максимальной эффективности [16].

Нанотехнологии все больше привлекают интерес научного сообщества из-за своего стремительного воздействия на исследования доставки лекарств в мозг [17]. С развитием нанотехнологий произошло одновременное расширение сектора нанотоксикологии. Оценка токсичности наночастиц играет ключевую роль в анализе воздействия наночастиц на отдельные виды и окружающую среду в целом [18]. В последние годы рыбок данио начали использовать в качестве прототипа для исследований токсичности [19]. Рыбки данио широко использовались для исследований по экспериментальной биологии и в настоящее время развиваются как надежная модельная система для изучения нанотоксичности [20]. Что касается модельной системы нанотоксичности, рыба данио предлагает несколько преимуществ. Его очень экономично использовать в качестве экспериментального животного и легко поддерживать. У него высокая плодовитость, что делает их легко доступными и помогает легче понять физиологию позвоночных [21]. Однако использование рыбок данио в качестве модельной системы также имеет свои ограничения. Прежде всего, нервная система рыбок данио может быть не такой сложной и развитой, как у людей; нервные системы грызунов и мышей сравнительно лучше развиты и могут использоваться для изучения сложных заболеваний головного мозга человека; однако они не идентичны человеческим [22]. Во-вторых, у рыбок данио отсутствуют некоторые системы органов человека, такие как легкие, простата и молочные железы; также нельзя изучать заболевания, вызванные генами, отсутствующими у рыбок данио [23]. Однако у рыбок данио 70% геномного сходства с геномом человека и 84% гомологии с генами, вызывающими заболевания человека, что делает их очень подходящими для имитации патологии болезней человека [24]. Ранее предполагалось, что у взрослых рыбок данио макрофаги печени отсутствуют; считалось, что клетки Купфера присутствуют временно на ранней эмбриональной стадии и отсутствуют или редки на более поздних стадиях развития [25,26,27]. Однако недавняя работа показала гематопоэтическое происхождение клеток Купфера и их устойчивость даже в печени взрослых рыбок данио, что сделало рыбок данио подходящими для исследований клеток Купфера [28, 29]. Кроме того, ожидается, что модели высших позвоночных будут имитировать сложные патологии человека с большей точностью, чем модели рыбок данио. Недавно начались дебаты по поводу зависимости от данных, полученных на животных моделях, и их экстраполяции на людей [30]. Это указывает на тот факт, что любая модель на животных имеет свои ограничения в применении к клиническим исследованиям [30, 31].

В этом обзоре обсуждаются самые последние исследования доставки лекарств, опосредованной нанотехнологиями, конкретно в мозг с использованием рыбок данио в качестве модельной системы. В нем обобщены препятствия, связанные с ГЭБ и различными оптимизациями нанопрепаратов, оценка их токсичности и влияние при использовании в терапевтических целях при нейродегенеративных заболеваниях с использованием как эмбрионов рыбок данио, так и взрослых особей. Наконец, в обзоре освещаются преимущества и недостатки модели рыбок данио для нейроспецифической доставки лекарств и освещаются огромные возможности, которые она имеет для будущих трансляционных исследований.

Барьер между кровью и мозгом:главное препятствие на пути доставки нейроспецифических лекарств

ГЭБ обеспечивает ограниченное проникновение веществ в мозг, следовательно, действует как диффузионный барьер, помогая поддерживать нормальный гомеостаз мозга [32]. В составную структуру ГЭБ вовлечено несколько клеток [33]. Перициты, астроциты и нейроны составляют клеточные компоненты, в то время как эндотелиальные клетки, плотные соединения и базальная мембрана вместе составляют ГЭБ [34]. Отсутствие фенестрации в эндотелиальных клетках головного мозга гарантирует отсутствие диффузии небольших молекул по их поверхности. Даже водорастворимым веществам препятствует проникновение в мозг из-за наличия межэндотелиальных контактов, таких как плотные соединения, адгезивные соединения и щелевые соединения, связывающие эндотелиальные клетки [35]. Эти эндотелиальные клетки, в свою очередь, окружены перицитами, астроцитами и базальной мембраной, которые завершают структуру ГЭБ [36]. Адгезивные и плотные соединения регулируют проницаемость слоя эндотелиальных клеток. Щелевые соединения состоят из молекул коннексина, и они контролируют связь между эндотелиальными клетками [37]. Молекулы могут пересекать ГЭБ двумя путями:параклеточным путем или трансцеллюлярным путем [38]. В параклеточном пути ионы и молекулы проходят через ГЭБ, пассивно диффундируя между клетками с использованием градиента концентрации [39]. Трансклеточный путь использует различные механизмы, такие как трансцитоз или опосредованный рецепторами транспорт для прохождения молекул через клетки [40]. Несколько параметров влияют на проницаемость BBB. Молекулярный вес, заряд на поверхности, поверхностная активность, растворимость молекулы и относительный размер молекулы влияют на проницаемость ГЭБ [41].

Барьер между кровью и мозгом:современные технологии доставки лекарств

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) в здоровом мозге в основном действует как диффузионный барьер для защиты нормальных функций мозга. Он предотвращает перенос большинства соединений из крови в мозг. Строгий ГЭБ позволяет проникать в мозг только очень маленьким молекулам; однако наблюдается нарушение его работы в болезненных условиях.

Почему наночастицы являются текущим выбором для доставки нейроспецифических лекарств

Техника разработки и синтеза материалов на молекулярном уровне называется нанотехнологией. Национальный институт нанотехнологий определяет нанотехнологию как любой материал, который существует хотя бы в одном измерении и имеет размер от 1 до 100 нм (рис. 1). В последнее десятилетие наблюдался бум в области нанотехнологий и их приложений в биомедицине. Доставка лекарств на основе нанотехнологий, как полагают, всколыхнула всю биотехнологию и фармацевтическую промышленность и внесла глубокие изменения в эту область в ближайшие годы [42,43,44,45,46,47]. Применение нанотехнологий сулит несколько преимуществ в адресной доставке лекарств. К ним относятся способность доставлять лекарства (а) с меньшей растворимостью в воде к их соответствующему целевому участку, (б) двух или более типов для достижения комбинаторной терапии, (в) направленная доставка в конкретный участок действия, (г) транспорт лекарства через жесткие барьеры, например гематоэнцефалический барьер, (e) возможности визуализации для лучшего понимания и анализа активности лекарства [48] и (f) средство отслеживания в реальном времени для достижения идеальной эффективности в режиме активности лекарства [44]. Таким образом, нанотехнологии обладают огромным потенциалом для нейроспецифической терапии.

Характеристики нейроспецифических препаратов. ГЭБ обычно состоит из плотных контактов в эндотелиальных клетках, окруженных астроцитами, перицитами и нейронами. Нейроспецифические молекулы должны обладать определенными характеристиками, чтобы иметь возможность преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Предпочтительные характеристики:очень маленький размер с диаметром менее 100 нм, низкая молекулярная масса, предпочтительно менее 400 Да, должна быть положительно заряжена, иметь сферическую форму и растворимость в липидах

Рыбки-данио как модель доставки нейроспецифических лекарств

Данио рерио (рыба данио) представляет собой продемонстрированную модель позвоночных для изучения исследований развития и изучения дегенеративных заболеваний [49,50,51,52]. Его можно смоделировать для проведения далеко идущих анализов, от фундаментального и токсикологического анализа до доклинических исследований [53,54,55]. Из нескольких преимуществ, предлагаемых рыбками данио, их рентабельное обслуживание, простота тестирования с простыми требованиями к корпусу и большой размер муфты хорошо подходят для высокопроизводительных испытаний [56]. Высокая плодовитость - отличительная черта, которая еще больше подчеркивает использование этой модельной системы [24, 57]. Системы органов рыбок данио высоко консервативны по сравнению с системами органов высших позвоночных [58].

Эмбрионы рыбок данио имеют внешнее развитие и полностью прозрачны, благодаря чему их можно широко изучать визуально. Таким образом, они являются отличным инструментом для скрининговых анализов с использованием агентов, нарушающих нормальный рост, развитие и клеточный цикл [59]. Они демонстрируют подробные паттерны развития от эпиболии до окончательного развития ключевых структур [60, 61]. Рыбки данио в настоящее время широко используются для нейропсихиатрических исследований и различных исследований для анализа токсичности для развития при доставке лекарств, опосредованной наночастицами. Воздействие на рыбок данио наночастиц золота нарушало нормальное развитие глаз и пигментацию, что наблюдалось с помощью простого светового микроскопа [62, 63]. Введение наночастиц золота рыбкам данио привело к генотоксическим эффектам и серьезным изменениям в их геномной структуре [64]. Зависимая от дозы и времени токсичность НЧ кремнезема была определена путем анализа его воздействия на сердечно-сосудистую систему [65, 66] и на уровень смертности [67]. Также было обнаружено, что НЧ хитозана обладают более высокой совместимостью по сравнению с обычным хитозаном [68].

Абсолютно жизненно важно, чтобы наночастицы, используемые для клинических вмешательств, были биоразлагаемыми и нетоксичными. Наночастицы обладают большим потенциалом в области адресной доставки лекарств и трансляционных исследований. Использование наночастиц применяется во все большем количестве областей, включая приложения in vivo. Этот широкий рост использования наночастиц подразумевает скрытую опасность чрезмерного воздействия этих наноносителей на человека. Исследования токсичности наночастиц являются неотъемлемой частью нанотехнологий. Исследования, посвященные взаимодействию наночастиц на клеточном и молекулярном уровнях, должны быть предприняты для анализа токсичности, прежде чем их можно будет использовать в клинических условиях. В таблице 1 приведены результаты исследований нейротоксичности различных наноносителей, используемых для адресной доставки лекарств в мозг с использованием рыбок данио. Токсичность наночастиц включает анализ токсичности, проницаемости, уровня смертности, индуцированной тератогенности, иммунных реакций и геномной токсичности.

Рыбки данио широко используются в качестве модельной системы для оценки токсичности и биосовместимости наночастиц [111, 112, 113] и имеют большой потенциал в качестве модели для изучения нейротоксичности и высокопроизводительного скрининга наночастиц [114, 115, 116, 117]. Никакая другая модель, кроме рыбок данио, не подходит так хорошо для такого анализа. Эта модельная система может использоваться для изучения, анализа и управления рисками, связанными с токсичностью наноматериалов. Полученная информация будет полезна для формулирования конкретных руководящих принципов, определения защитных мер и контроля качества при работе с продуктами, связанными с нанотехнологиями [118, 119].

Информация о доставке лекарств, опосредованной наночастицами, с использованием эмбрионов рыбок данио

Чтобы использовать наночастицы для воздействия на мозг, необходимо предварительное знание их эффектов in vivo. Лучше всего для этой цели подходит модель рыбки данио. Недавние исследования были проведены с использованием наночастиц, чтобы получить важную информацию о вылуплении личинок рыбок данио. Использование TiO ₂ Наночастицы вызывают раннее отрождение личинок дозозависимым образом [120]. Chen et al. предполагаем, что TiO ₂ наночастицы влияют на плавание личинок, влияя как на скорость, так и на уровень активности [121]. С другой стороны, Ong et al. сообщили о полном подавлении вылупления и гибели эмбрионов личинок при воздействии наночастиц. Они также добавили, что причиной гибели эмбрионов является физическое взаимодействие наночастиц с эмбрионами, а не эффекты физико-химических свойств наночастиц [122]. Нарушение эндокринной системы щитовидной железы у личинок рыбок данио также наблюдалось при воздействии TiO ₂ наночастицы [123]. Накопление свинца считается причиной этого неблагоприятного эффекта. TiO ₂ Также сообщалось, что наночастицы значительно активируют уровни экспрессии BDNF, C-fos и C-jun. Напротив, было также обнаружено, что он оказывает ингибирующее действие на такие гены, как p38, NGF и CRE, что приводит к повреждению головного мозга рыбок данио [124]. TiO ₂ Также было показано, что наночастицы оказывают неблагоприятное воздействие на репродуктивный потенциал рыб, вызывая сокращение количества выпущенной икры на 9,5% [125]. Vogt et al. далее сообщили о химической токсичности низкомолекулярного ИМК при добавлении к эмбрионам рыбок данио через 24–48 часов после оплодотворения [126]. Али и Леглер и др. показали пороки развития эмбрионов, вызванные наночастицами нонилфенола, даже при низких дозах [127]. Усенко и др. оценен углеродный фуллерен [C ₆₀ , С ₇₀ , и C ₆₀ (ОН) ₂₄ ] -индуцированная токсичность с использованием эмбрионов рыбок данио [128], тогда как Daroczi et al. перечислил защитный потенциал того же наноматериала от ионизирующего излучения [129]. Нейропротекторный эффект C ₆₀ Производное фуллерена, наночастица дендрофуллерена (DF-1), в эмбрионах рыбок данио также сообщалось при оценке его токсичности [129]. Введение наночастиц диоксида кремния эмбрионам рыб привело к повышенной смертности [67], в то время как наночастицы ZnO увеличили смертность, а также вызвали изъязвление кожи с задержкой вылупления [82]. О влиянии воздействия наночастиц, содержащихся в воде, на гены, регулирующие иммунную систему, впервые сообщили Brun et al. [130]. Это исследование подчеркивает важность молекулярных ответов как индикаторов биологической токсичности. Эмбрионы рыбок данио, которым прививаются раковые клетки и подвергались воздействию полимерсомных наночастиц, были визуализированы в реальном времени, чтобы понять токсичность наночастиц и стратегию лечения [131].

Интересно, что био-визуализация с использованием эмбрионов рыбок данио на разных стадиях развития выявила токсические эффекты наночастиц Ag, содержащих холат натрия [132, 133]. Это исследование имеет огромное значение [134], поскольку оно показывает, что токсичность, возникающая из-за наночастиц Ag, влияет на развитие жабр и ламеллов у рыб. Этот ингибирующий эффект в основном вызван взаимодействием ионов Ag в жабрах, где они блокируют активность Na + / K + АТФазы [135, 136]. Кроме того, сообщается, что наночастицы Cu обладают аналогичным ингибирующим действием на рост жабр у рыб [76]. Использование наночастиц меди в личинках приводило к уродству и задержке вылупления [69, 76]. Нанесение наночастиц золота не оказывало токсического действия на личинок [69], тогда как наночастицы серебра влияли на развитие [137]. Наночастицы из цинка, магния, железа, меди и никеля не проявляли токсичности для взрослых особей, но у личинок наблюдали замедленное вылупление [78, 79, 81, 82, 138]. Также было показано, что наночастицы органического соединения фуллерена нетоксичны для личинок при концентрациях ниже 200 мг / л [139]. Кроме того, было также показано, что наночастицы хитозана были гораздо более эффективными и нетоксичными по сравнению с обычными частицами хитозана [68].

Наночастицы оксида металла, такие как TiO ₂ сообщалось, что он вызывает некоторые пороки развития у личинок рыбок данио [120], в то время как некоторые сообщают, что он совершенно нетоксичен [140, 141]. Решающим параметром здесь является дозировка, а также время воздействия. Более высокие дозы TiO ₂ НЧ оказываются фатальными для личинок при накоплении НЧ в жабрах, сердце, печени и головном мозге [141, 142]. Генотоксические эффекты также являются результатом воздействия высоких доз TiO ₂ к рыбе [143]. Хроническое воздействие низких концентраций (<4 мг / л) TiO ₂ НЧ приводят к более низкой токсичности и более высокому уровню смертности [142]. Еще одна важная особенность наночастиц, которую следует учитывать, - это форма наночастицы и белков на ее поверхности. Гексагональные кристаллы ZnO NPs в виде столбиков зерен влияют на клеточный цикл рыбок данио [144], тогда как ZnO NPs, которые имеют форму листа и покрыты полимером, демонстрируют более высокую биосовместимость по сравнению со сферическими NPs [122]. Кроме того, было показано, что нанопалочки более токсичны, чем сферы и наночастицы кубической формы [145]. НЧ железа приводят к серьезным деформациям у личинок [146] и генотоксическим эффектам у взрослых особей [134], тогда как НЧ металлов, таких как никель, кобальт и алюминий, оказались относительно инертными [82, 147].

Принимая во внимание рост разрушений, вызванных пластиком в современном мире, Pitt et al. показал свое влияние на рыбок данио. Они заметили, что развивающиеся рыбки данио очень восприимчивы к нанопластику, доступному в водных экосистемах. Эти наночастицы могут проникать в хорион и оказывать мрачное влияние на их физиологию и поведенческие реакции [148]. В этом исследовании выясняется, какое неудобство создает пластик для подводного мира, что, в свою очередь, влияет на человеческую цивилизацию. Исследования показывают, что очень маленькие наночастицы, которые имеют высокое отношение площади поверхности к объему, обладают высокой способностью поглощать загрязнители из окружающей среды. Использование полистирольных нанопластических шариков в косметических продуктах было изучено на предмет их токсичности для развития и воздействия на эмбрионы рыбок данио [149]. Другое исследование нанопластика полистирола размером менее 20 нм показало, что он накапливается в головном мозге эмбрионов [150].

Результаты исследований наночастиц на взрослых рыбках данио

Был проведен относительно обширный репертуар исследований воздействия наночастиц на взрослых рыбок данио. Он действует как ценный источник информации об использовании наночастиц у позвоночных. Truong et al. оценили аномалии поведения, возникающие у эмбрионов 122 dpf в результате воздействия наночастиц золота [151]. Доставка лекарств к коже также осуществляется путем введения наночастиц рыбкам данио. Исследователи показали, что наночастицы Ag-BSA проникают в кожу посредством эндоцитоза, где они накапливаются и вызывают кожные аномалии [63]. Доставка лекарств с помощью наночастиц также использовалась для создания стрессовых состояний у рыбок данио, чтобы выступать в качестве потенциальных моделей для открытия лекарств [152]. Было показано, что некоторые наночастицы вызывают астму, апоптоз и усиление иммунного ответа у рыб, что позволяет использовать их для иммунотоксикологических исследований [153,154,155,156]. Модель рыбок данио широко изучалась на предмет кардиотоксичности, вызванной лекарствами [157, 158]. Сердце рыбки данио демонстрирует несколько функциональных характеристик, аналогичных сердцу человека, включая фармакологические реакции на лекарства [159, 160, 161, 162]. Сердце рыбок данио первым развивается в 22 hpf, в то время как вся сердечно-сосудистая система готова к 48 hpf [163]. Эмбрионы рыбок данио были визуализированы для изучения воздействия лекарств на частоту сердечных сокращений, ритмичность, сократимость и кровообращение. Было проведено несколько визуальных анализов с использованием рыбок данио, чтобы помочь выяснить здоровье сердца. Интервал QT - это один из параметров, на котором основано большинство сердечных препаратов. Интервал QT - это временной интервал между зубцами Q и T в электрическом цикле сердца. Эффект ряда препаратов на интервал QT (продолжительность желудочкового потенциала действия) оценивался с использованием рыбок данио [164, 165, 166]. В одном из исследований сообщается, что лекарство, вызывающее удлинение интервала QT у человека, на самом деле приводит к брадикардии и блокирует проводимость предсердий в желудочках [160]. Печень рыбок данио формируется через 48 часов после оплодотворения и становится полностью функциональной через 72 часа после оплодотворения; Эта модельная система широко используется для изучения доставки лекарств в печень. Исследования в этой области показали, что реакция на печеночную токсичность у рыбок данио аналогична реакции высших позвоночных [167]. Рыбок данио использовали для характеристики ортологов цитохрома P450, CYP3A и CYP3A65 [168, 169]. Дальнейшие оценки были выполнены для уточнения влияния препарата на CYP3A4, CYP2D6 и CYP3A65 [170]. Нейропротекторные эффекты наноформ гесперетина были изучены на модели черепно-мозговой травмы у рыбок данио [171].

Рыбка данио предлагает полную модель патологического исследования доставки нейроспецифических лекарств

При доставке лекарства в мозг может иметь место несколько побочных эффектов. Модель рыбок данио предлагает преимущество их детального изучения и, следовательно, обеспечивает подходящую технику доставки лекарств в мозг [172]. Тератогенность:любой вид аномального тератогенного роста или развития можно легко оценить, наблюдая за прозрачными эмбрионами рыбок данио [59]. К ключевым нарушениям, которые можно наблюдать во время образования тератом, относятся пигментация глаза [67], уровень смертности [65], изменения сердечно-сосудистой системы [68] и влияние на вылупление [115]. Иммунотоксичность:были проведены исследования иммунологических реакций, которые возникают у рыбок данио в ответ на лекарства или наночастицы. Это приводит к накоплению нейтрофилов и макрофагов [173]. Сообщалось, что использование наночастиц золота нарушает воспалительные иммунные реакции [174], в то время как, с другой стороны, было показано, что наночастицы серебра вызывают воспалительные реакции [175]. Генотоксичность:изменения, происходящие на уровне ДНК, можно наблюдать с помощью ПЦР в реальном времени [143] и других анализов комет [134]. Недавние исследования углеродных наночастиц в последнее время привлекли повышенное внимание [176] в основном из-за их низкой токсичности [177]. Углеродные наночастицы используются в различных формах у рыбок данио, включая фуллерены [128], углеродные наночастицы, углеродные нанотрубки (УНТ) [178], графеновые КТ [179] и углеродные КТ (C-точки) [180]. Аллотропы углерода, такие как фуллерены, также использовались в качестве НЧ с момента их открытия в 1985 году. Они широко использовались для приложений доставки лекарств [181, 182]. Исследования на рыбках данио показали, что токсичность наночастиц фуллерена зависит от заряда на их поверхности. Положительно заряженные фуллерены были более токсичными по сравнению с отрицательно заряженными фуллеренами [128]. Исследования показывают, что водорастворимые фуллерены обладают способностью защищать от гибели клеток, действуя как поглотители свободных радикалов [129, 183]. Недавние исследования были проведены на рыбках данио с нано-луковицами, которые представляют собой мультиоболочечные фуллереновые структуры. Они обладают низкой токсичностью и хорошей биосовместимостью у личинок рыбок данио [184]. Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают особыми физико-химическими характеристиками, благодаря которым они являются привлекательным способом доставки лекарств для исследователей [176, 185, 186]. Эффективность УНТ зависит от их длины и характера их стенок, будь то однослойные или многослойные. Отчеты показывают, что однослойные или многослойные первичные УНТ имеют минимальное влияние на рост и развитие личинок рыбок данио [187]. Вариации длины УНТ могут приводить к изменениям на молекулярном уровне, при этом более длинные УНТ более цитотоксичны [188]. Взрослые рыбки данио при воздействии многослойных УНТ проявляют токсичность, включая воспалительные процессы в жабрах [189] и накопление УНТ в головном мозге и гонадах [105, 190]. Другой формой наночастиц на основе углерода являются квантовые точки (КТ) и графеновые квантовые точки (ККТ). Типичной особенностью КТ являются квазисферические углеродные структуры с диаметром менее 10 нм [191], а для ГКТ менее 30 нм [192, 193]. Дополнительной особенностью квантовых точек является их уникальная фотостабильность, которая позволяет им сочетаться с флуорофорами, открывая тем самым множество возможностей для биовизуализации [194]. КТ проявляют наименьшую токсичность, поскольку состоят преимущественно из молекул инертного углерода [195]. Следовательно, сочетание флуоролюминесценции и низкой токсичности делает его очень привлекательным инструментом для доставки лекарств [195,196,197].

Наночастицы, предназначенные для доставки лекарства в мозг

Имея базовые знания о действии наночастиц на физиологию рыбок данио, исследователи теперь пытаются доставлять лекарства в мозг с помощью нанотехнологий, используя модели рыбок данио. Таблица 2. Qian et al. сообщили о полимерных наночастицах, конъюгированных с метками фенилбороновой кислоты на их поверхности, что помогает обнаруживать флуоресценцию нейромедиатора дофамина с использованием личинок рыбок данио [91]. Это открытие открывает путь к тераностике заболеваний, связанных с дофамином. Однако в недавнем отчете подробно рассказывается о токсичности наночастиц золота по сравнению с ионным золотом для рыбок данио, которые подвергались воздействию шипованного осадка [64]. Они сообщили, что наночастицы изменили нейротрансмиссию в головном мозге рыбок данио, поскольку они повлияли на активность ацетилхолинэстеразы. В интересной работе Sivaji et al. [198] был направлен на доставку донепезила, хорошо зарекомендовавшего себя лекарства от болезни Альцгеймера, через функционализированный поли N -изопропилакриламидные наногели ПНИПАМ наногель для мозга. Они сообщили, что гель может преодолеть ГЭБ, а также продемонстрировали замедленное высвобождение лекарства с использованием модели рыбок данио. Таким образом, данное исследование выдвигает на передний план разработку нейроспецифического наногеля для адресной доставки лекарств в мозг. Та же группа также сообщила о синтезе наночастиц коллоидного золота, функционализированных полисорбатом 80 и полиэтиленгликолем, с способностью преодолевать гематоэнцефалический барьер в терапевтических целях [199]. В этом исследовании они синтезировали и проверили биосовместимый наноноситель, способный преодолевать гематоэнцефалический барьер и эффективно доставлять нейроспецифические лекарства.

Трансляционный подход нейроспецифических наночастиц:от рыбок данио к людям

A variety of model organisms have been employed till date to investigate human diseases. While chimpanzees and monkeys have a high degree of similarity with humans, mice and rats have been used extensively over the past few decades. Research using zebrafish models to study various human diseases is now on the increase [31]. Various state-of-the-art technologies have been analysed and evaluated using the zebrafish model. In this context, nanodiamonds (ND) which refer to a newer class of nanoparticles belonging to the carbon family are being explored in the latest techniques for drug delivery across the BBB [200, 201]. They possess outstanding optical properties, malleability of surface structures and mechanical properties which are pertinent for targeted drug delivery. The zebrafish has proved to be an apt model system to study the fluorescent nanodiamonds (FND) in detail. Chang et al. have studied the photostability and non-toxicity of FNDs by single particle tracking using zebrafish yolk cells [202]. Further, evaluation of ND to facilitate their application as nanolabels has been performed using laser confocal microscopy and real-time fluorescence tagging in zebrafish [203]. Zebrafish model can hence be explored to assess the potential of NDs as nanolabelling systems to deliver neurospecific drugs. The use of zebrafish is validated by its high genetic and systems similarity with that of humans. Regenerative ability of zebrafish is also a very interesting aspect of its physiology which has made it an important model organism to study neurodegenerative diseases. Recent studies have identified pivotal insights into brain drug delivery mechanism using zebrafish models of neurodegenerative diseases. Recent research conducted regarding drug delivery in the brain using the zebrafish model has revealed pivotal insights about the dynamics of this mechanism. The only drawback withholding accelerated research in this arena is the lack of established protocols to validate the studies. However, it is only a matter of time when such protocols are developed through ongoing research in this field. A great deal of scope still exists for further research on the following focus areas.

• Admixture of nanoparticles along with two or more drugs to provide better holistic treatment

• Analysis of fullerenes, nano-onions and nanodiamonds in neurodegenerative diseases

• Understanding the biocompatibility of the newer nanoparticles and their brain-penetrating ability.

All the above-mentioned focus areas can be easily assessed using zebrafish model systems. The zebrafish model, therefore, holds great promise for development and evaluation of novel techniques for targeted drug delivery within the brain for translational analysis (Fig. 2). This could open up exciting new vistas for medical intervention to develop therapeutic strategies to treat neurodegenerative diseases.

Schematic representation of zebrafish model for delivering drugs encapsulated in nanoparticles to the brain. This method ensures efficient delivery of drugs across the blood–brain barrier (BBB). Several nanoparticles possess the potential to treat a variety of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and motor neuron diseases (MND)

Future Research Directions

The last decade witnessed a surge in the use of nanotechnology for brain drug delivery unfolding several exciting new strategies in this arena [16, 17, 204, 205]. However, problems like toxicity, immunogenicity and efficient drug delivery still persist and have restrained the research community from achieving their ultimate goal [206,207,208,209]. Future research prospects for neurospecific drug delivery therefore involve overcoming the existing challenges in this field. Research on nanomaterial toxicity and side effects should be extensive, accurate and always preceed the in vivo implementation of any new nanocarrier formulation. Proper comprehensive analysis of the nano-bio-interactions is absolutely essential for developing strategies for neurospecific drug delivery [210]. Newer imaging techniques should be adopted to broaden the understanding of bio distribution and pharmacokinetics of the delivered drug. Complete knowledge on the bio availability and clearance of the drug is indispensable for achieving the translation from bench side to bed side. Zebrafish, long considered as a “gold standard” for studying several developmental and metabolic diseases, is highly prospective for studies on nanodrug delivery. The transparent embryonic development with the ability to facilitate large-scale drug screening in a vertebrate model among other innumerable key attributes of the zebrafish holds promise for overcoming these roadblocks. The use of this robust model system therefore has immense potential for further research in nanotherapeutics to achieve safe and successful neurospecific drug delivery.

Conclusion

The BBB poses as the main obstacle in delivering drugs to the brain. The physiological function of the BBB is to protect the brain from foreign substances and in doing so it acts as a hurdle even for therapeutic purpose. The current need of the hour is a strategy in drug delivery which is able to overcome the BBB. Only then can effective treatments for brain specific diseases be possible. Recent focus on nanotechnology-based approaches for drug delivery across the BBB seems to have promising prospects for the field of neurospecific drug delivery in the future. Research towards this end is ongoing using a variety of nanoparticles like liposomes, dendrimers, micelles and carbon nanotubes as nanocarriers and nanogels. The zebrafish model is a favourite when it comes to nanotechnology-based toxicity studies and neurospecific drug delivery. Further research on nanotechnology using this model is needed for newer insights which can lead to possible breakthroughs in discovery in neurospecific drug delivery.

Availability of data and materials

Not applicable.

Abbreviations

BBB:

Blood–brain barrier

NPs:

Nanoparticles

Au:

Gold

Ag:

Silver

Cu:

Copper

Cd:

Cadmium

CuO:

Copper oxide

MgO:

Magnesium oxide

NiO:

Nickel oxide

ZnO:

Zinc oxide

MPs:

Microplastics

MOFs:

Metal organic frameworks

CNTs:

Carbon nanotubes

TiO₂ :

Titanium dioxide

QDs:

Quantum dots

PCR:

Polymerase chain reaction

GQDs:

Graphene quantum dots

PNIPAM:

Poly N -isopropyl acrylamide

NDs:

Nanodiamonds

FND:

Fluorescent nanodiamonds

AD:

Disease

PD:

Parkinson’s disease

HD:

Huntington’s disease

ALS:

Amyotrophic lateral sclerosis

MND:

Motor neuron diseases