Магнитные функционализированные наночастицы для биомедицинских приложений, приложений доставки лекарств и визуализации

Введение

Металлические наноматериалы представляют собой важные двери в будущее медицины. Хотя до сих пор многое неизвестно о долгосрочной безопасности металлических наночастиц в медицине [1], эти частицы уже нашли свое место в различных биомедицинских приложениях, таких как сайт-специфическая визуализация in vivo [2,3,4], обнаружение рака. [5, 6], терапия рака [7,8,9,10], терапия нейродегенеративных заболеваний [11,12,13], терапия ВИЧ / СПИДа [14,15,16], терапия заболеваний глаз [17,18,19] ] и терапии респираторных заболеваний [20, 21]. На рисунке 1 представлен спектр современных применений наночастиц в медицине. Несмотря на недавние достижения в области наномедицины, на пути нанотерапии все еще существует множество препятствий, например, может быть трудно достичь такого пути синтеза, который дает легко воспроизводимые результаты, при этом многие методы синтеза наночастиц дают диапазон обоих размеров [22 , 23,24] и форма [25,26,27,28] наночастиц и / или не производят наноматериалы в достаточно большом количестве, чтобы сделать это экономически жизнеспособным [29]. Другим ключевым фактором является то, что относительно неизвестна долгосрочная токсичность некоторых наночастиц в течение определенного периода времени из-за относительно новой области исследований [30,31,32]. Среди множества возможных применений металлических наночастиц находится область доставки лекарств [33, 34]. Благодаря большой площади поверхности, которую обеспечивают наночастицы [35], они обладают способностью доставлять большие количества лекарств или других медицинских грузов [36]. Альтернативой одиночным металлическим наночастицам является включение ядра в наночастицу, которая имеет свойства, альтернативные материалу оболочки, и одним из примеров этого является включение магнитного сердечника. Одной из проблем, которая все еще остается, является синтез наночастиц ядро-оболочка; Есть много способов синтезировать наночастицы [37], но при попытке синтезировать наночастицы ядро-оболочка [38] возникают новые проблемы.

Некоторые из текущих применений наночастиц в медицине

В этом обзоре сначала рассматриваются некоторые методы, используемые в настоящее время для создания наночастиц ядро-оболочка, с использованием ядер из Fe ₃ . О ₄ и покрытия из золота или серебра. Затем мы исследуем текущие биомедицинские применения наночастиц отдельных металлов, их ограничения и способы их преодоления с помощью магнитных сердечников.

Синтез наночастиц Core-Shell

Способы синтеза металлических наночастиц известны много лет, например, Stevenson et al. опубликовал синтез наночастиц золота путем восстановления HAuCl ₄ в 1951 г. [39]. С тех пор было много различных способов синтеза наночастиц, таких как осаждение из газа [40], золь-гель [41] и аэрозоль / паровая фаза [42]. Однако новая проблема возникает при попытке синтезировать металлические наночастицы, состоящие из структуры ядро-оболочка, в которой один металл образует ядро, а второй металл образует оболочку, например частицы Fe разлагаются в воде, в то время как HAuCl ₄ является сильным окислителем [38]. Одним из таких примеров, который будет обсуждаться далее, является использование Fe ₃ О ₄ (оксид железа) ядро ​​и золото в качестве оболочки покрытия. При приготовлении таких металлических наночастиц ядро-оболочка двумя наиболее важными проблемами являются попытки контролировать скорость нанесения покрытия и контроль однородности покрытия для создания раствора наночастиц, которые имеют очень похожую форму и размер [43]. Покрытие золотом или серебром на сердечнике из оксида железа можно разделить на две основные категории:прямое нанесение золота / серебра на железо [44] или использование промежуточного слоя, который действует как клей между золотом и слоем железа [45]. Здесь и пойдет речь о первой категории. В следующем тексте описаны некоторые методы, разработанные для синтеза Fe ₃ с покрытием из золота и серебра. О ₄ наночастицы.

Обратный синтез мицелл

Популярным способом синтеза металлических наночастиц является использование метода обратных мицелл, который иногда называют микроэмульсионным путем [46]. Этот метод был впервые применен в 1980-х годах, когда были впервые синтезированы коллоидные растворы наночастиц родия, платины и палладия [47].

Мицеллы образуются, когда молекулы с гидрофобными и гидрофильными составляющими контактируют либо с водной, либо с гидрофобной фазой [48]. Мицеллы будут организовываться таким образом, чтобы позволить гидрофильной части контактировать с водной фазой, а гидрофобный компонент обращен к гидрофобной фазе [49]. По сути, сфероид сформирован с внутренней экранированной фазой, которая, кроме того, может содержать груз [43, 50,51,52].

Существуют различные подходы к микроэмульсии, в том числе вода в масле (в / м) [53] и вода в сверхкритическом CO ₂ (с sc-CO ₂ ) [54]. Эмульсия типа вода / масло возникает, когда вода диспергирована в непрерывной фазе на основе углеводородов [53], термодинамически управляемая самосборка поверхностно-активного вещества, а затем генерируются обратные мицеллы, причем сферические мицеллы являются наиболее распространенной формой [43]. Любые добавленные полярные или ионные материалы, добавленные к этой смеси, разделяются на мицеллы, и наночастицы затем образуются, когда мембраны мицелл вступают в контакт друг с другом посредством броуновского движения [55]. А с СК-СО ₂ эмульсия предполагает использование жидкости (CO ₂ ), находящегося в сверхкритическом состоянии, т.е. выше критического давления и температуры [56]. Этот метод представляет особый интерес, поскольку это более «зеленый» подход к синтезу наночастиц, поскольку не требуются токсичные органические растворители. Также легче восстановить продукт, просто снизив давление и выпуская жидкость в виде CO ₂ газ [57].

Обратный путь мицелл был адаптирован от синтеза металлических наночастиц до покрытия ранее синтезированных наночастиц [58]. Первый оксид железа с золотым покрытием (Au-Fe ₃ О ₄ ) наночастицы, синтезированные в обратных мицеллах, были созданы почти 20 лет назад [59]. Этот синтез Au-Fe ₃ О ₄ наночастиц было сделано с использованием H ₂ Система O / CTAB (цетилтриметиламмонийбромид) для получения мицелл с боргидридом натрия (NaBH ₄ ) в качестве восстановителя, восстанавливающего хлорид золота (HAuCl ₄ ) на железный сердечник. В результате этого синтеза была получена дисперсия наночастиц со средним размером 12 нм. Поскольку это первое производство Au-Fe ₃ О ₄ НЧ с использованием микроэмульсий, был диапазон Au-Fe ₃ О ₄ Открыты маршруты синтеза НЧ [46, 60,61,62,63]. Рисунок 2 представляет собой общее представление о том, как наночастицы образуются с использованием обратного мицеллярного пути.

Общее представление о взаимодействии обратных мицелл, содержащих соли, с образованием металлических наночастиц

Lin et al. опубликовали слегка измененный метод покрытия Fe ₃ О ₄ с золотом обратным мицеллярным методом [60]. В синтезе также используется система с использованием ЦТАБ в качестве поверхностно-активного вещества для образования обратной мицеллы, но с 1-бутанолом в качестве дополнительного поверхностно-активного вещества и октаном в качестве масляной фазы с добавлением водного раствора, содержащего ионы металлов, с использованием NaBH ₄ для уменьшения HAuCl ₄ на поверхность наночастиц оксида железа. Представленные оптические результаты покрытых частиц показали сдвиг пика поглощения УФ / видимых спектров от коллоида золота (526 нм) к Au-Fe ₃ О ₄ (555 нм). Результаты ПЭМ покрытых частиц показали распределение по размерам 5-15 нм при среднем размере 10 нм. Этот метод был повторен Pana et al. с немного большим распределением по размерам Au-Fe ₃ размером 5–35 нм О ₄ наночастицы [63]. Кроме того, очень похожая система была использована Seip et al. за исключением использования гидразина для восстановления HAuCl ₄ [64].

Покрытие из Fe ₃ О ₄ наночастицы не ограничиваются только золотом; Лопес Перес и др. сообщил о синтезе наночастиц оксида железа с использованием системы, содержащей циклогексан / Brij-97 (вспомогательное поверхностно-активное вещество) и водную фазу с солями железа FeSO ₄ .7H ₂ O и FeCl ₃ .6H ₂ O [65]. Эта система была покрыта серебром [58] и золотом [46], давая частицы размером 13 нм. Об альтернативном методе сообщили Tamer et al. для синтеза Au-Fe ₃ О ₄ наночастицы [62]. В этом методе используется соосаждение солей железа в NaOH, которые затем промываются HClO ₄ . для получения окисленного Fe ₃ О ₄ наночастицы. Нанесение золота на Fe ₃ О ₄ НЧ возникли за счет восстановления HAuCl ₄ NaOH доставляется в систему мицеллами CTAB. Au-Fe ₃ О ₄ НЧ были получены со средним размером 23,5 нм. После характеризации частицы были модифицированы различными функциональными группами для образования самоорганизующегося монослоя (SAM) и в дальнейшем использованы для улавливания и обнаружения Escherichia coli .

Модифицированная версия обратного синтеза мицелл была сделана Zhang et al. с использованием лазера в качестве инициатора покрытия наночастиц железа золотом [66]. Процесс включает приготовление реакционной смеси наночастиц железа, инкапсулированных в мицеллы CTAB, нанопорошок золота в воде и октане, затем облучение импульсным лазером при интенсивном перемешивании реакции. Лазерное облучение способствует термическому разложению наночастиц золота. Атомы и кластеры золота сформировались вокруг наночастиц железа, образуя покрытые золотом наночастицы железа. Результаты ПЭМ для наночастиц Au-Fe, синтезированных таким образом, дали средний размер 18 нм с распределением по размерам ± 36 нм.

Термальный синтез

Среди различных методов синтеза наночастиц золотая оболочка и железное ядро ​​есть термический путь, в котором реакция включает нагревание реакционной смеси до температуры выше ее точки кипения [67], а иногда и кипячение с обратным холодильником [68, 69]. Существует две основные категории этого типа синтеза:гидротермальный (растворитель на водной основе) [70, 71] и сольвотермальный (растворитель на органической основе) [68, 72]. Хотя существует множество методов синтеза металлических наночастиц термическим способом [73,74,75,76,77,78], невозможно добиться синтеза ядер и покрытия из золота в реакции в одном сосуде [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81] и в некоторых случаях Fe ₃ О ₄ ядра синтезируются обратным мицеллярным путем [70] или коллоидным путем [78], а затем частицы покрываются с использованием гидро- или сольвотермической техники [70, 76, 78]. Хотя существует множество систем растворителей, которые используются в этих синтетических методах, большинство способов включают добавление наночастиц оксида железа к кипящему HAuCl ₄ или обратное HAuCl ₄ добавляются в кипящие растворы наночастиц оксида железа [74, 79].

Способ синтеза Au-Fe ₃ О ₄ наночастицы были получены Рудаковской и соавт. гидротермальным методом [76]. Принцип метода основан на добавлении Fe ₃ . О ₄ наночастиц к кипящему HAuCl ₄ решение. ПЭМ-анализ этих наночастиц показал средний размер 30 нм, общую сферическую форму и распределение по размерам от 20 до 35 нм; эти изображения можно увидеть на рис. 3.

ПЭМ-изображение наночастиц, синтезированных Рудаковской и соавт. Как видно, наночастицы имеют примерно сферическую форму со средним размером 30 нм [76]

Коллоидный синтез

Методы коллоидного синтеза предлагают простой, но эффективный способ синтеза металлических наночастиц [82]. Коллоидные методы часто предлагают уровень простоты по сравнению с другими методами синтеза наночастиц, поскольку они не требуют использования различных растворителей или их можно проводить при комнатной температуре [83, 84]. Основные принципы синтеза включают диспергирование различных ионов металлов в водной фазе, добавление восстановителя к смеси, а затем перемешивание при контролируемой температуре с образованием нерастворимых наночастиц [39]. Пути коллоидного синтеза предлагают преимущество, заключающееся в том, что в синтезе не используются потенциально токсичные растворители (идеально, если наночастицы предназначены для биологического использования). Однако существуют некоторые ограничения для коллоидных путей, например, может быть трудно контролировать распределение размеров конечных синтезированных наночастиц [85], а на форму наночастиц может сильно влиять концентрация реагента [85]. С положительной стороны, однако, может быть проще производить наночастицы в больших количествах [86]. Этот метод синтеза металлических наночастиц существует уже много лет и используется для синтеза различных типов наночастиц, таких как серебро [87] и золото [39, 88].

Этот основной метод был усовершенствован и разработан для получения различных синтетических путей образования покрытых золотом наночастиц оксида железа [83, 84, 89,90,91,92,93,94,95,96,97]. Большинство методов синтеза покрытого золотом оксида железа основаны на использовании различных восстановителей для восстановления HAuCl ₄ на поверхность оксида железа. Nadagouda et al. предлагают предлагаемый «зеленый» путь синтеза с использованием аскорбиновой кислоты для восстановления HAuCl ₄ [84] _. Однако этот метод, похоже, практически не контролирует размер или форму наночастиц с покрытием из-за отсутствия укупорочного агента (агента, который связывается с внешней стороной наночастицы, что останавливает дальнейший «рост» наночастицы), используемого в синтезе. [98]. Метод, который демонстрирует больший контроль над формой и размером синтезированных покрытых частиц, представлен Pal et al. [95] В этом методе в качестве соли золота используется ацетат золота, который восстанавливается на поверхности 6-нм Fe ₃ О ₄ наночастицы для создания Au – Fe ₃ размером 7 нм О ₄ частицы, имеющие сферическую форму. Быстрый метод покрытия Fe ₃ О ₄ наночастицы представлены Rawal et al. который включает диспергирование Fe ₃ О ₄ наночастицы в растворе HAuCl ₄ , затем смешивание с этанолом [83]. Через 15 минут при комнатной температуре реакция была остановлена ​​и Au-Fe ₃ О ₄ Затем наночастицы отделяли магнитом. Анализ очищенного раствора с помощью ПЭМ показал, что полученные частицы имели размер от 30 до 100 нм и имели различную форму по всему образцу; эти изображения можно увидеть на рис. 4. Хотя этот метод синтеза позволил быстро получить покрытые наночастицы, он не представляется очень эффективным для получения частиц однородной формы и размера [83].

ПЭМ-изображение наночастиц, синтезированных Rawal et al. Эти наночастицы имеют распределение по размерам от 20 до 100 нм [83]

В то время как некоторые методы предлагают только восстановление солей золота, другие предпочитают наносить восстановитель на поверхность железа, такой как гидроксиламин [90, 93]. Во многих случаях, когда Fe ₃ О ₄ наночастицы покрыты золотом, восстановление соли золота дает и стандартные наночастицы золота [74], поэтому добавление восстановителя на поверхность наночастиц железа направлено на повышение эффективности покрытия и предназначено для снижения количество наночастиц золота, образующихся в качестве побочного продукта [93].

Другой метод заключается в нанесении золота на поверхность магнитных наночастиц, что обеспечивает более прямой путь к зарождению золота вокруг магнитного ядра наночастиц [91, 92, 97]. Этот метод включает связывание зародышей золота, которые меньше наночастиц оксида железа в растворе, с поверхностью оксида железа. Когда HAuCl ₄ уменьшается в растворе, Au ⁺ ионы проникают в оксид железа и образуют оболочку вокруг наночастиц оксида железа. Этот золотой посев был успешно использован несколькими группами; Goon et al. использовал полиэтиленимин, чтобы контролировать высев золота на поверхность Fe ₃ О ₄ , производя полностью покрытые наночастицы. [91] Однако синтезированный Au-Fe ₃ О ₄ частицы демонстрируют высокую полидисперсность с размером частиц от 40 до 110 нм. Левин и др. удалось получить наночастицы с золотой оболочкой и магнитным сердечником в диапазоне размеров 50–70 нм, используя ядро, функционализированное молекулами органосилана для связывания с золотыми затравками [92]. Посев наночастиц золота на железное ядро ​​можно продемонстрировать с помощью различных форм ядра, например, Wang et al. продемонстрировал золотой посев на рисовый «нано-рис» Fe ₃ О ₄ структур, которые затем привели к полной толстой золотой оболочке, когда золото было восстановлено на поверхности [97].

Биомедицинское применение металлических наночастиц

Антимикробные агенты

Бактериальные инфекции очень распространены, причем антибиотики являются основным методом лечения с момента открытия пенициллина в 1928 году Александром Флемингом [99]. Наномедицина предоставляет нам новый широкий спектр возможных методов лечения, при этом исследуются металлические наночастицы для будущего лечения [100]. В таблице 1 перечислены некоторые наночастицы, которые были исследованы для применения в антимикробных препаратах. Одним из материалов, который был исследован на предмет его потенциального использования, является серебро, которое, как было показано, имеет множество биомедицинских применений [101], например, Sreekumar et al. использовали наночастицы серебра как часть сети антимикробных волокон. Наночастицы имели размер от 20 до 120 нм, обладали антибактериальной эффективностью против Escherichia coli . достигает 94,3% по сравнению с волокнами без наночастиц серебра [102]. Хотя было показано, что антибиотик, такой как ампициллин, способен обеспечить уровень уничтожения ≤ 99,9% у E. coli [103], в том же исследовании сообщалось о возникновении устойчивости к ампициллину у некоторых штаммов E. coli . В этой же заметке сообщалось, что Э. coli может развить устойчивость к наночастицам серебра; однако это сопротивление не является генетическим изменением, а представляет собой физический ответ, который пытается вызвать агрегацию коллоидных наночастиц [104]. Также используя серебро из-за его антибактериальных свойств, Holtz et al. разработали систему нанопроволок ванадата серебра диаметром 60 нм, «украшенных» наночастицами серебра диаметром 1–20 нм [105]. Эта система показала себя многообещающей против трех Staphylococcus aureus . штаммов, а также, что интересно, имели гораздо более низкую ингибирующую концентрацию против метициллин-резистентного Staphylococcus aureus (MRSA), чем антибиотик оксациллин.

О синтезе наночастиц серебра сообщили Verma et al. где они использовали свои наночастицы против бактерий: Pseudomonas fluorescens , Э. coli , и гриб Candida albicans [106]. Наночастицы серебра имели среднюю минимальную ингибирующую концентрацию роста 5,83 мкг / мл для трех штаммов по сравнению с некоторыми широко используемыми антибиотиками, такими как ампициллин и неомицин, которые имеют минимальные ингибирующие концентрации роста 4,0 мкг / мл и 16,0 мкг / мл соответственно. против штаммов E. coli [110]. Потенциальный интерес представляют свойства, которые наночастицы проявляют по сравнению с P. флуоресцентный an C. albicans , оба из которых связаны с возникновением заболевания у пациентов с ослабленным иммунитетом [111]. Дальнейшие исследования могут обнаружить, что наночастицы серебра являются более эффективным способом лечения патогенов, чем некоторые из наиболее часто используемых антибиотиков, такие как амфотерицин B, который имеет обширные побочные эффекты [112].

О синтезе наночастиц золота, блокированных тиогуанином, сообщили Selvaraj et al. где усилен антимикробный эффект против нескольких бактерий, в том числе: E. coli , Aspergillus fumigatus и синегнойная палочка [107]. Было обнаружено, что покрытые тиогуанином золотые наночастицы были более эффективны, чем неконъюгированный тиогуанин в качестве противоопухолевых и противомикробных агентов, и их активность показывает потенциальное использование в качестве носителей для лекарств от рака. Аналогичным образом, наночастицы золота обладают антимикробным действием на Corynebacterium pseudotuberculosis . [108], наночастицы со средним размером 25 нм при использовании дозы 50 мкг / мл показали подавление роста бактерий на 95% после 20 минут воздействия. Аналогичным образом было показано, что голые наночастицы золота обладают противомикробным действием на различные грамотрицательные и грамположительные бактерии, включая S. золотистый , Klebsiella pneumonia и Bacillus subtilis [109]. Доза 1,35 мкг / мл AuNP показала ингибирование роста 46,4 ± 0,4%, 38,3 ± 0,2% и 57,8 ± 0,2% для S. золотистый , К. пневмония , и Б. subtilis соответственно.

Антивирусный

Как и в случае с антибактериальными средствами, металлические наночастицы оказались многообещающими в противовирусных применениях; В таблице 2 показан ряд наночастиц, которые обладают противовирусными свойствами и потенциально могут применяться при лечении вирусов. Было показано, что наночастицы серебра без покрытия и покрытые оболочкой [113,114,115,116] имеют ряд противовирусных применений в наномасштабе.

Гепатит B (HBV) - это вирусная инфекция, от которой в настоящее время страдают 257 миллионов человек во всем мире. По данным Всемирной организации здравоохранения, в 2015 году от нее умерло 887 000 человек [121]. Небольшие (10–50 нм) голые наночастицы серебра были протестированы в качестве возможного лечения HBV [113], и было показано, что они эффективно связываются с HBV и дополнительно ингибируют производство РНК HBV. Предполагается, что механизм действия обусловлен связыванием AgNP с дцДНК HBV (двухцепочечной ДНК). Rogers et al. продемонстрировали использование наночастиц серебра, как голых, так и с полисахаридным покрытием, в качестве противовирусного агента против вируса оспы обезьян (MPV) [114]. Наночастицы были протестированы in vitro против MPV в диапазоне концентраций от 12,5 до 100 мкг / мл; Результаты исследования показали, что все использованные концентрации покрытых полисахаридом наночастиц серебра (Ag-PS-NP) были способны уменьшить образование бляшек, вызванное MPV, in vitro.

Наночастицы серебра могут даже играть определенную роль в лечении вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) [115, 116]. ВИЧ представляет собой серьезную проблему для здоровья, по оценкам ВОЗ, по состоянию на 2016 г. 36,7 миллиона человек жили с ВИЧ [122]. Важно, чтобы методы лечения ВИЧ были обнаружены и реализованы быстро и эффективно; Лара и др. продемонстрировали действие наночастиц серебра (30–50 нм) на изоляты ВИЧ-1, продемонстрировав ингибирование всех штаммов изолятов ВИЧ-1 [116]. Голые наночастицы показали общий IC ₅₀ 0,44 мг / мл ± 0,3 против ВИЧ-1, причем механизм вирусного ингибирования представляет собой ингибирование связывания вируса с клеткой-хозяином, в частности, наночастицы серебра ингибируют взаимодействие между белком gp120 (гликопротеин оболочки) и клеткой-мишенью мембранные рецепторы. Та же группа продемонстрировала способность наночастиц серебра, покрытых поливинилпирролидоном (ПВП), предотвращать трансфекцию ВИЧ-1 в модель эксплантата ткани шейки матки человека [115]. В частности, наночастицы серебра, покрытые ПВП (ПВП-AgNP) 0,15 мг / мл, ингибируют инфицирование ВИЧ- _IIIB и ВИЧ- _AZT-RV изолирует. Эта концентрация PVP-AgNP также вызвала пролиферацию лимфоцитов (иммунных клеток) в очаг инфекции по сравнению с контрольным образцом [115].

Против вирусов применялись не только серебро и покрытые серебряные наночастицы:2-нм наночастицы золота, покрытые амфифильным сульфатным лигандом, также оказались эффективными против ВИЧ-1 [118]. Было показано, что эти частицы нацелены на процесс слияния вируса, и было показано, что in vitro они связываются с белком gp120 и напрямую нейтрализуют инфекцию ВИЧ-1. Покрытые меркаптоэтансульфонатом золотые наночастицы (Au-MES) показали подавление инфекции вируса простого герпеса типа 1 (HSV-1), возможно, путем ингибирования связывания вируса с клеткой-хозяином, распространения вируса от клетки к клетке или изменения восприимчивости клеток к вирусам. инфекция, вызванная наличием наночастиц [117].

Было показано, что наночастицы йодида меди (CuI-NP) обладают противовирусными свойствами в отношении нескольких различных вирусов:калицивируса кошек (FCV) [119] и, что более интересно, вируса гриппа A свиного происхождения (H1N1) [120]. CuI-NP размером от 100 до 400 нм проявляли противовирусные свойства при использовании против FCV, и было высказано предположение, что одновалентные ионы Cu ответственны за производство активных форм кислорода (ROS), которые вызывают последующее окисление капсидного белка, что приводит к инактивации FCV. Было также показано, что вирус H1N1 очень похожим образом ингибируется CuI-NP, а именно, продуцирование гидроксильных радикалов, что приводит к деградации белка. Однако эти радикалы также могут оказаться токсичными для неинфицированных тканей, что важно определить, прежде чем лечение будет одобрено для использования [123].

Изображение

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является очень полезным инструментом для медицинской диагностики и обеспечивает четкие анатомические изображения. С помощью МРТ можно визуализировать кровоток, физико-химические особенности, а также состояние тканей и органов тела [124]. В МРТ часто используются контрастные вещества для повышения диагностической чувствительности [125]. Обычно используемые контрастные вещества имеют хелатную основу, но основными недостатками существующих контрастных агентов являются их биологическая стабильность и уровень токсичности при накоплении в клетках [126]. Например, некоторые контрастные вещества содержат йод, и сообщалось, что воздействие йодсодержащих контрастных веществ связано с последующим развитием гипертиреоза и явным гипотиреозом [127]. Были разработаны альтернативы для повышения эффективности сканирования за счет уменьшения негативного воздействия контрастных веществ на организм [128]. Альтернативы включают наночастицы металлов, возможно, конъюгированные с агентом, который действует аналогично контрастному агенту для сканирования МРТ [129]. Рисунок 5 представляет собой контрастное изображение МРТ коры головного мозга крысы до и после лечения AuNPs [130]. ​​

Контрастное изображение МРТ коры головного мозга крысы до (слева) и после лечения (справа). Область, содержащая AuNP, обведена красным

В таблице 3 показаны некоторые наночастицы, которые были исследованы для использования в медицинской визуализации. Некоторые контрастные вещества для компьютерной томографии (КТ) имеют проблемы, в том числе короткий период полураспада в кровотоке [131] и возможное повреждение тканей [130]. По этой причине металлические наночастицы также были исследованы для использования в компьютерной томографии [132]; Наночастицы золота перспективны для использования в визуализации из-за их ослабления в рентгеновских лучах [133]. Кодзима и др. показали, что наночастицы золота, конъюгированные с ПЭГилированным дендримером (ПЭГ-AuNP), создают превосходный контрастный агент in vitro , а также для рентгеновской компьютерной томографии, по сравнению с коммерчески доступным йодным препаратом иопамидом [134]. PEG-AuNP показали более высокую контрастную эффективность, чем коммерчески доступный иопамидный препарат, с быстрым выведением из организма [135]. Авторы также отметили, что PEG-AuNP обладают фотоцитотоксическими свойствами, что позволяет проводить фототермическую терапию.

Ли и др. продемонстрировали использование покрытых AuNPs в качестве инструмента визуализации атеросклероза; AuNP были применены в виде медицинской визуализации, называемой «однофотонной эмиссионной компьютерной томографией» (ОФЭКТ) [136]. Этот тип визуализации очень похож на использование гамма-камеры, но он может предоставить истинные трехмерные изображения, которые можно разрезать, вращать и обрабатывать для достижения более точной аналитической техники [136]. Модифицированные наночастицы специально нацелены на бляшки атеросклероза, содержащие апоптотические макрофаги, что указывает на полезный инструмент для инвазивно точного обнаружения бляшек атеросклероза [136].

Ранее было продемонстрировано, что AuNP являются возможным агентом для фотоакустической визуализации (PA), демонстрируя высокое пространственное разрешение и чувствительность [137]. PA relies on the detection of ultrasonic waves which are emitted from tissues when exposed to non-ionizing pulsed laser irradiation [140]. The intensity/magnitude of the ultrasonic emission is responsible for the image contrast, therefore any agent that can both absorb the laser pulses and then give off heat as a result will increase the magnitude of the ultrasonic emission and AuNPs possess the ability to do both of these [141, 142]. AuNPs are potentially better than organic dyes due to the organic dyes’ susceptibility to photo-bleaching and rapid clearing from the blood [143]. AuNPs also have use in cell imaging for examining movement of nanoparticles within cells when conjugated with various cargoes. Figure 6 is a darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs that target epidermal growth factor receptor, and the bright areas within the cells are the nanoparticles indicating their locations within the cells [144].

Darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs; the bright yellow/orange dots are nanoparticles within the cells

Biomedical Cargo Delivery

Nanoparticles make for an ideal molecule for drug delivery due to the huge surface area to the volume ratio they provide when compared to their bulk material [145]. In addition, it is possible to engineer nanoparticles to either avoid or interact with the immune system in specific ways [146, 147]. For example, it has been demonstrated that an increased hydrophobicity of nanoparticles/sub-groups conjugated to the nanoparticles illicit and increased immune response by measuring cytokine mRNA levels in mice [146]. Focusing in the opposite direction, it has been suggested that nanoparticles can be conjugated with various ligands to directly activate the immune system to target the destruction of a tumor [148] or by accumulation in the liver or spleen for the generation of tolerance or immunity, respectively [147].

Gold nanoparticles have been extensively studied for their delivery of medical cargo, for example, Bhumkar et al. have explored the application of AuNPs for trans-mucosal delivery of insulin. Gold nanoparticles were synthesized in the presence of chitosan, which acts as a polymeric stabilizer [149]. These nanoparticles were then loaded with insulin and administered both nasally and orally to diabetic rats. The results showed an overall reduction in the rat’s blood glucose levels, an indication of successful movement of the nanoparticles through the mucosal membranes and into the bloodstream.

More recently “smart” AuNPs have been employed in PA [138]. These nanoparticles are roughly 10 nm in diameter and are functionalized with citraconic amide moieties which are susceptible to hydrolysis. The citraconic amides are converted into positively charged primary amino acids at a mildly acidic pH, while the surface molecules adopt negative charges at physiological pH [138]. Combined, these two properties cause the “smart” nanoparticles to adopt both positive and negative charges allowing them to aggregate rapidly due to electrostatic attraction. These nanoparticles are referred to as “smart” due to the nanoparticles presenting cancer-specific properties and accumulate rapidly and efficiently in cancer tissues and show a much lower accumulation in normal tissues [150].

Gold nanoparticles can also be used as a delivery system for nucleic acids [153], including oligonucleotides [151] and small interfering RNA (siRNA) [154]. Many different methods have been developed to functionalize AuNPs with nucleic acids, for example, Yonezawa et al. have synthesized gold nanoparticles modified with thiocholine, which then bound to DNA and formed a fusion of wire-like structures throughout the DNA [155]. Sandström et al. demonstrated the ability to bind nucleic acids onto gold nanoparticles [151], and a similar modification has been done by Rosi et al. where tetrathiol-modified antisense oligonucleotides were bound to 13-nm gold nanoparticles [152]. Being able to conjugate nucleic acids to nanoparticles opens up the possibility of targeted gene delivery, which could, for example, lead to genes coding for a specific protein to be delivered to a cell that was either deficient in that protein or could not produce the protein themselves [156]. It has also been exhibited that gold nanoparticles modified with DNA can transfect cancer cells [157] (Table 4).

Anticancer Drug Delivery

Cancer is one of the world’s leading killers with large areas of scientific research being dedicated to the fight against cancer, and nanoparticles offer a new doorway into methods to target and treat cancer. Table 5 presents a selection of nanoparticle/drug conjugates that have been tested for anticancer treatments. Paciotti et al. have investigated the application of PEGylated AuNPs as a carrier for tumor necrosis factor (TNF) which is a cell-signaling protein that possess the ability to induce apoptosis in healthy cells [158]. The Au-PEG-TNF nanoparticles were injected intravenously and agglomerated significantly more in MC-38 colon carcinoma cells compared to other healthy cells/tissues. The TNF not only gave therapeutic action on the MC-38 cells, but also seemed to possess a targeting property, indicated by the lack of agglomeration in healthy cells. Another interesting observation reported was the ability for the Au-PEG-TNF nanoparticles to diminish a tumor mass compared to “free” TNF.

Doxorubicin is a widely used cancer therapeutic agent but has dose-limiting associations with cardiotoxicity. A gold nanoparticle-doxorubicin conjugate has been developed that demonstrates little no to cardiotoxicity to mice while being able to treat cancer [160]. Dixit et al. demonstrated the selective delivery of folic acid-coated AuNPs into folate receptor (FR) positive cancer cells, whereas when compared with a cell line that did not have folate receptors, uptake was shown to be minimal [159]. These results demonstrated the use of folate to target metal nanoparticles to FR-positive cancer cells for tumor imaging and ablation.

Limitations of Single Metal Nanoparticles and Overcoming Them

The principal obstacle with nanoparticle drug delivery is the ability to direct the nanoparticle to the target area [162, 163]. There are several methods in use for metal nanoparticle targeting such as antibodies [164,165,166] and homing peptides [167, 168]. There are however limitations to these methods, with the biggest being that before they even reach the desired target cells they have to pass through a variety of other barriers, such as blood vessels and the blood-brain barrier [169]. One way to overcome this targeting limitation is to use magnetic nanoparticles [170]. A magnetic nanoparticle-targeting system works by directing the nanoparticles to a target site using an external magnetic field, it has already been demonstrated that the magnetic anisotropy of the nanoparticle is a very important factor for medical treatments [171], with a change in anisotropy being able to the change the efficacy of hypothermia treatments for example [172]. Superparamagnetic metal nanoparticles have this property (they only present magnetic properties while in the presence of a magnetic field) [173]. However, the benefit of magnetic nanoparticles also presents a potential limitation, due to the toxicity of many magnetic materials [31, 174, 175]. Despite iron being approved for various imaging uses [5, 6, 31], it has been suggested in several studies that naked iron oxide nanoparticles may have some adverse effects when used in cell labeling [176,177,178]. One method that can be used to overcome any potential toxicity limitations is to coat the iron core [179]. A range of materials can be used as the coating material:silica [180,181,182], polymers [183, 184], gold [62, 93, 95, 185], or silver [58, 186]. Gold has low pharmaceutical activity [187] and silver has been used in biomedical applications for many years [188, 189],

The combination of a superparamagnetic core with an inert and safe metal coating produces metal nanoparticles with superior characteristics to non-magnetic metal particles [190]. As well as reducing toxicity, the coating also provides the potential for the conjugation of functionalized molecules onto the surface, such as drugs and biomolecules for application in the medical field [97, 140, 152]. It is of note that a core-shell nanoparticle still possesses the properties and uses of a nanoparticle made from the same material as just the shell, but the superparamagnetic core gives the ability to direct the nanoparticle in the body [191]. For example, a gold nanoparticle with an antibody is classified as a targeting nanoparticle, introducing the core would classify the nanoparticle as a directed targeting nanoparticle [173].

Current Medicinal Uses of Gold-Coated Iron Oxide Nanoparticles

Core-shell superparamagnetic nanoparticles have already been assessed for their biomedical uses, with a wide range of uses already being applied [192] and with a majority of research investigating into the use of gold as a shell for the nanoparticles, in part due to its biocompatibility and ability to easily bind to a variety of materials. As such, this section will deal exclusively with gold shell nanoparticles. One of these uses is as a magnetic carrier for drug targeting [192,193,194,195,196]. Kayal and Ramanujan have tested an in vitro apparatus that simulates the human circulatory system as a test for the magnetic delivery of gold-coated iron oxide nanoparticles (Au-Fe₃ О ₄ ) loaded with doxorubicin [194]. Their system had various magnetic fields of increasing strength next to a capillary through which the doxorubicin-loaded particles were passed. A significant percentage of these nanoparticles were captured within the magnetic fields, strongly indicating the potential for the use of magnetic nanoparticles in drug delivery. Another use for a targeted system is the application of Au-Fe₃ О ₄ nanoparticles in photothermal therapy. Bhana et al. demonstrated the use of a core-shell system used in combination therapy deployed against two different cancer cell lines; head and neck (KB-3-1) and breast (SK-BR-3) with a reported decrease in cell viability of 64% when they exposed cell lines to a combined photothermal and photodynamic therapy, compared to each modality used on its own [197]. In photothermal therapy, gold nanoparticles are coated with a ligand, such as PEG [142], and these nanoparticles are irradiated with a laser, with a wavelength that matches the UV-vis λ -max of the gold nanoparticles [194]. The nanoparticles vibrate at the laser’s frequency which causes heat to be released causing the death of the surrounding tissue [198], introducing a core which is superparamagnetic can allow for a more accurate targeting for use in this therapy. Similarly, it has been reported by Kirui et al. that gold hybrid nanoparticles were deployed against SW1222 colorectal cancer in photothermal therapy, showing an increased case of cellular apoptosis after therapy, with their conclusion being that the cells showed an increased uptake, leading to a reduced laser power required to reach threshold therapeutic levels [199]. The use of core-shell nanoparticles for photothermal therapy of cancer has also been reported by other groups [200, 201].

Metal nanoparticles have already shown to have a place in contrast imaging, for example core-shell nanoparticles can also be used in T_1- and T₂ -weighted imaging in MRI [202]. Research by Cho et al. demonstrated that gold-coated iron nanoparticles can be successfully used in MRI imaging, as well as opening the route for conjugating various ligands for use in biosensors [202]. A magnetic carrier capable of imaging and photothermal therapy has been reported by Cheng et al. They demonstrated the magnetic targeting of multi-functional nanoparticles to a tumor in a mouse model, which could be imaged inside the tumor and showed a reduction in the tumor size when combined with photothermal therapy [203]. It is also of note that in this work, both the nanoparticle dosage (1.6 mg/kg) and laser power (1 W/cm ² ) are among the lowest applied for in vivo photothermal therapy. Moreover, there was no obvious toxicity from the nanoparticles reported. Table 6 presents some of the currently reported uses of core-shell nanoparticles.

Another medical area where such core-shell metal nanoparticles have been suggested to make an impact is in directed enzyme prodrug therapy (DEPT) [170, 191]. DEPT is a promising method of cancer treatment, with several therapies making it through to clinical trials [207, 208]. The main principal of DEPT is the targeted delivery of a prodrug-activating enzyme to a tumor site. Upon arrival at the tumor site, the enzyme enters the target cells where it can later activate an administered prodrug. However, the efficacy of the therapy depends on the ability to direct the enzyme to the tumor site, with current directional techniques relying on passive targeting methods such as viruses [207, 209] or antibodies [210, 211], rather than an active targeting system for enzyme delivery. A novel therapy proposed by Gwenin et al. potentially overcomes the targeting issue [170, 212]. This approach involves conjugating a genetically modified prodrug-activating enzyme onto the surface of a gold-coated iron oxide superparamagnetic nanoparticle (AuMNP), then directing the AuMNP-enzyme conjugate to the target site using a magnetic field to increase the efficacy of the targeted therapy. Figure 7 presents some of the uses of a core-shell nanoparticle.

A pictorial representation of the applications of core/shell nanoparticles

Выводы

In brief, single metal nanoparticles have been shown to currently possess a wide range of biomedical applications, with more application for these nanoparticles being discovered. One of the limiting factors that these nanoparticles face in medical treatments is to find a way for precise accurate targeting of areas within the body, be it for targeting of a drug delivery or for therapies involving the nanoparticles directly. A way to overcome this is to employ a magnetic core to create core-shell nanoparticles that can then be directed around a body using a magnetic field. There are a variety of methods that can be used to synthesize these core-shell nanoparticles, with each method having its own advantages and disadvantages. There remain many obstacles for core-shell nanoparticles before they can be routinely applied in the medical field and these include

1. 1)

   Achieving a synthesis route which produces easily repeatable results;

2. 2)

   Producing particles of a set size [22,23,24] and shape [25,26,27,28]; and

3. 3)

   Producing large enough quantities to make it economically viable [29].

Another key factor is the relatively unknown toxicity of some nanoparticles over an extended period of time due to how relatively new the field of research is.

Доступность данных и материалов

Not applicable

Сокращения

(o/w):

Oil-in-water

(w/o):

Water-in-oil

(w/sc-CO₂ ):

Water-in-supercritical CO₂

AgNP:

Silver nanoparticle

Ag-PS-NPs:

Polysaccharide-coated silver nanoparticles

Au-Fe₃ О ₄ :

Gold-coated iron oxide nanoparticle

Au-MES:

Mercaptoethane sulfate-coated gold nanoparticle

AuNP:

Gold nanoparticle

Au-PEG-TNF:

Polyethylene glycol-coated tumor necrosis factor-loaded gold nanoparticles

CT:

Компьютерная томография

CTAB:

Бромид цетилтриметиламмония

CuI NPs:

Copper-iodine nanoparticles

DNA:

Deoxyribonucleic acid

FCV:

Feline calicivirus

FR:

Folate receptor

Gp120:

Glycoprotein 120

H1N1:

Influenza A of swine origin

HBV:

Hepatitis B virus

HIV:

Human immune-deficiency virus-1

HSV-1:

Herpes simplex virus 1

KB-3-1:

Head and neck cancer

MC-38:

Colon carcinoma

MPV:

Monkeypox virus

МРТ:

Магнитно-резонансная томография

PA:

Photoacoustic imaging

PEG:

Полиэтиленгликоль

PVP-AgNP:

Polyvinylpyrrolidone-coated silver nanoparticle

RNA:

Ribonucleic acid

ROS:

Активные формы кислорода

siRNA:

Small interfering ribonucleic acid

Sk-BR-3:

Breast cancer

SPECT:

Single-photon emission computed tomography

TNF:

Фактор некроза опухоли