Наночастицы для терапии рака:текущий прогресс и проблемы

Введение

Рак - это общий термин для набора заболеваний, характеризующихся неконтролируемым случайным делением клеток и инвазивностью. На протяжении нескольких лет обширные усилия были сосредоточены на выявлении различных факторов риска рака. Этиология некоторых видов рака во многом связана с определенными факторами окружающей среды (приобретенными факторами), такими как радиация и загрязнение окружающей среды. Однако нездоровый образ жизни, такой как плохо сбалансированная диета, потребление табака, курение, стресс и недостаток физической активности, сильно влияет на определение риска рака [1, 2]. Хотя эти внешние факторы признаны основными причинами рака, сложно оценить участие мутаций протоонкогенов, паттернов экспрессии генов-супрессоров опухолей и генов, участвующих в репарации ДНК. Только 5–10% случаев рака связаны с наследственной генетикой [3]. Пожилой возраст - еще один важный фактор риска рака и многих других видов рака.

Рак - одна из серьезных проблем общественного здравоохранения во всем мире и вторая по значимости причина смерти. По данным Американского онкологического общества, к концу 2021 года ожидается, что число новых случаев заболевания составит 1,9 миллиона [4]. Традиционные терапевтические подходы, используемые при лечении рака, включают хирургическое вмешательство, химиотерапию, лучевую терапию, таргетную терапию, иммунотерапию и гормональную терапию [5, 6]. Хотя химиотерапия и лучевая терапия обладают способностью к цитостазу и цитотоксичности [7], эти подходы часто связаны с острыми побочными эффектами и высоким риском рецидивов. Наиболее частые побочные эффекты, которые вызваны, включают невропатии, подавление костного мозга, желудочно-кишечные и кожные заболевания, выпадение волос и усталость. Кроме того, существует несколько специфических для лекарств побочных эффектов, таких как антрациклины, кардиотоксичность и легочная токсичность, вызванная блеомицином [8] (рис. 1).

Наночастицы для лечения рака

Появление таргетной терапии привело к росту прецизионной терапии [9]. Однако по-прежнему существует множество неизбежных побочных эффектов, таких как множественная лекарственная устойчивость, ограничивающая терапевтическую эффективность [8]. Иммунотерапевтические агенты дали многообещающие результаты не только в лечении первичного рака, но и в предотвращении отдаленных метастазов и снижении частоты рецидивов [10]. Тем не менее аутоиммунное заболевание - главный побочный эффект иммунотерапии. Кроме того, исследования и некоторые данные свидетельствуют о том, что иммунотерапия менее эффективна против солидных опухолей, чем лимфома [11]. Эти виды рака создают необычный внеклеточный матрикс (ЕСМ), в который иммунным клеткам довольно сложно проникнуть [12]. Эти недавно разработанные таргетные методы лечения и иммунотерапия нарушают сигнальные пути, которые имеют жизненно важное значение для злокачественного поведения и нормальных гомеостатических функций эпидермиса и дермы, и вызывают дерматологические нежелательные явления (dAE) [13].

Принимая во внимание все эти детали, в последние годы возросла потребность в разработке новых стратегий для поиска точной терапии рака. В последнее время были предприняты усилия по устранению ограничений существующих терапевтических подходов с использованием наночастиц. Системы доставки лекарств на основе наночастиц отразили преимущества в лечении и ведении рака, продемонстрировав хорошую фармакокинетику, точное нацеливание, снижение побочных эффектов и лекарственную устойчивость [14, 15].

Вслед за достижениями нанотехнологий ряд нанотерапевтических препаратов был коммерциализирован и широко продается, и многие другие вошли в клиническую стадию с 2010 года. Нанотерапевтические препараты добились прогресса в области систем доставки лекарств и противоопухолевых множественных лекарств. резистентность (MDR), предоставляя возможность для комбинированной лекарственной терапии и подавления механизмов лекарственной устойчивости [16]. Пионерские усилия по применению нанотехнологий в медицине были предприняты в ETH Zurich в 1960-х годах [17]. Эта комбинация оказалась лучшим сочетанием при разработке различных диагностических устройств и более эффективных методов лечения. В этом обзоре основное внимание уделяется основным принципам применения нанотерапевтических средств, перспективам текущих проблем и описанию направлений будущих исследований.

Наночастицы

Наночастицы (НЧ) технически определяются как частицы с одним размером менее 100 нм с уникальными свойствами, которые обычно не встречаются в объемных образцах того же материала [18]. В зависимости от общей формы наночастицы их можно классифицировать как 0D, 1D, 2D или 3D [19]. Базовый состав наночастиц довольно сложен и включает поверхностный слой, слой оболочки и ядро, которое по сути является центральной частью наночастиц и обычно называется самими наночастицами [20]. Благодаря своим исключительным характеристикам, таким как высокое отношение поверхности к объему, несходство, субмикронный размер и улучшенная система наведения, эти материалы приобрели большое значение в междисциплинарных областях.

Обнаружено, что НЧ проникают глубоко в ткани, увеличивая эффект повышенной проницаемости и удерживания (EPR). Кроме того, характеристики поверхности влияют на биодоступность и период полувыведения, эффективно преодолевая фенестрацию эпителия [21]. Например, НЧ, покрытые полиэтиленгликолем (ПЭГ), гидрофильным полимером, снижают опсонизацию и препятствуют клиренсу иммунной системы [22]. Кроме того, можно оптимизировать скорость высвобождения лекарственных средств или активного фрагмента, манипулируя характеристиками полимера частиц. В целом, различные свойства НЧ регулируют их терапевтический эффект при лечении и лечении рака.

Синтез НП

НЧ бывают разной формы, размера и структуры. Для этого используются многочисленные методы синтеза. Эти методы можно в основном разделить на две основные группы:1) восходящий подход и 2) нисходящий подход. Эти подходы можно разделить на различные подклассы в зависимости от условий реакции и работы (рис. 2).

Классификация синтеза НП а сверху вниз и b восходящие подходы

Подход снизу вверх

Этот метод включает в себя строительство материала от атомов до кластеров и наночастиц, то есть строительство из более простых веществ, отсюда и известный как конструктивный метод [23]. Некоторые из часто используемых методов - это прядение, синтез зольгелей, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), синтез с плазменным или пламенным напылением, лазерный пиролиз и биосинтез.

Подход сверху вниз

Он также известен как деструктивный метод, который восстанавливает объемный материал или вещество для синтеза НЧ. Более крупная молекула расщепляется или разлагается на более мелкие единицы, которые превращаются в НЧ [24]. Он включает в себя такие методы, как механическое фрезерование, нанолитография, химическое травление, лазерная абляция, распыление, электровзрыв и термическое разложение.

Примечательно, что морфологические параметры, такие как размер, форма и заряд НЧ, могут быть изменены путем изменения условий реакции и других параметров синтеза [25]. Кроме того, механизм роста также определяет химические свойства НЧ. Следовательно, понимание механизма роста необходимо для синтеза необходимых НЧ.

Механизмы сотового таргетинга

Для эффективной терапии рака важно разработать или спроектировать систему доставки лекарств или генов, которые обладают превосходной способностью нацеливаться на опухолевые клетки, сохраняя нормальные здоровые клетки. Он повышает терапевтическую эффективность, тем самым защищая нормальные клетки от воздействия цитотоксичности. Это может быть достигнуто за счет хорошо организованной доставки НЧ в микроокружение опухоли (TME), косвенно нацеленной на раковые клетки. Эти наноформы должны пройти через многочисленные физиологические и биологические барьеры. Эти барьеры представляют собой сложные системы из нескольких слоев (эпителий, эндотелий и клеточные мембраны) и компонентов (механические и физико-химические барьеры и ферментативные барьеры). Эти факты налагают спецификации в отношении размера, биосовместимости и химического состава поверхности НЧ, чтобы предотвратить неспецифическое нацеливание. Однако простая цитозольная интернализация молекулы лекарственного средства NP не означает, что она достигает своей субклеточной мишени. Специальная разработка и оптимизация являются обязательными для включения клеточного или ядерного нацеливания.

На данный момент было проведено несколько исследований, и еще несколько исследований находятся в стадии разработки, чтобы открыть дизайн нацеливания лекарств на основе NP. Эти наноносители обычно должны обладать определенными фундаментальными характеристиками, такими как 1) способность оставаться стабильными в сосудистой системе (крови) до тех пор, пока они не достигнут своей цели, TME, 2) избегать клиренса ретикулоэндотелиальной системы (RES), 3) избегать системы мононуклеарных фагоцитов ( MPS), 4) накапливаются в TME через сосудистую сеть опухоли, 5) проникают в опухолевую жидкость под высоким давлением и 6) достигают цели и взаимодействуют только с опухолевыми клетками [26]. Жизненно важные аспекты, такие как функционализация поверхности, физико-химические свойства и патофизиологические характеристики, регулируют процесс нацеливания лекарственного средства NP.

Обычно НЧ, которые считаются подходящими для лечения рака, имеют диапазон диаметров 10–100 нм. Для понимания процесса взаимодействия и перекрестных помех между носителями NP и раковых клеток и биологии опухоли важно обратиться к механизмам нацеливания. Механизмы нацеливания можно в общих чертах разделить на две группы:пассивное нацеливание и активное нацеливание.

Пассивный таргетинг

Наблюдение преимущественного накопления небольшого количества макромолекул в раковых клетках было обнаружено в конце 1980-х годов. Первой макромолекулой, накапливающейся в опухоли, был поли (стирол-малеиновая кислота) -неокарзиностатин (SMANCS) Мацууры и Маэда [27]. В дальнейших исследованиях это предпочтительное распределение было объяснено возникновением фенестрации, обнаруживаемой в поврежденных кровеносных сосудах опухоли, и плохим лимфатическим дренажом, слияние которых известно как «усиленный эффект проницаемости и удержания».

При определенных условиях, таких как гипоксия или воспаление, слой эндотелия кровеносных сосудов становится более проницаемым [28]. В условиях гипоксии быстрорастущие опухолевые клетки, как правило, задействуют больше кровеносных сосудов или поглощают существующие, чтобы справиться с ситуацией. Этот процесс известен как неоваскуляризация. Эти новые кровеносные сосуды являются неплотными, поскольку имеют большие поры, что приводит к плохой селективности проницаемости кровеносных сосудов опухоли по сравнению с нормальными кровеносными сосудами [29, 30]. Эти большие поры или фенестрации варьируются от 200 до 2000 нм в зависимости от типа рака, TME и локализации [31]. Этот быстрый и неполноценный ангиогенез обеспечивает очень низкую устойчивость к экстравазации и позволяет НЧ диффундировать из таких кровеносных сосудов и в конечном итоге накапливаться в раковых клетках.

В нормальных тканях дренаж внеклеточной жидкости (внеклеточной жидкости) в лимфатические сосуды часто происходит при средней скорости потока 0,1–2 мкм / с, что обеспечивает постоянный дренаж и обновление [32]. Когда образуется опухоль, лимфатическая функция нарушается, что приводит к минимальному поглощению интерстициальной жидкости [33]. Эта особенность способствует удержанию НЧ, поскольку они не выводятся и не накапливаются в интерстиции опухоли. Этот процесс обозначает усиленную удерживающую часть эффекта ЭПР. Эта исключительная особенность не распространяется на молекулы с коротким временем циркуляции и быстро вымывается из раковых клеток. Следовательно, чтобы улучшить такие ситуации, обычно проводят инкапсуляцию этих небольших молекул в наноразмерные носители лекарств, чтобы улучшить их фармакокинетику, обеспечить селективность опухоли и уменьшить побочные эффекты [34].

Помимо эффекта EPR, TME - жизненно важная функция в пассивном нацеливании. Одной из важных метаболических особенностей быстро пролиферирующих опухолевых клеток является гликолиз. Это главный источник энергии для деления клеток [35], который делает окружающую среду кислой. Этот пониженный pH TME может быть использован для использования pH-чувствительных НЧ, которые выделяют лекарства при низком pH [36].

Этот тип нацеливания на опухоль называется «пассивным». Пассивное нацеливание в основном зависит от различной биологии опухоли (васкуляризация, неплотность) и характеристик носителя (размер и время циркуляции). Этот тип нацеливания на опухоль не имеет специфического лиганда для определенных типов опухолевых клеток. Эффект EPR во многом зависит от фундаментальной биологии опухоли, такой как 1) степень или степень ангиогенеза и лимфангиогенеза, 2) степень или степень периваскулярной инвазии опухоли и 3) внутриопухолевое давление. Эти факторы в сочетании с физико-химическими характеристиками НЧ определяют эффективность системы доставки лекарственного средства НЧ (рис. 3).

Пассивное нацеливание на клетки

Примеры пассивного таргетинга

Таксаны - одна из самых успешных групп лекарств, используемых при лечении рака. Паклитаксел показал высокую эффективность против широкого спектра видов рака. Рак молочной железы, рак легких (мелкоклеточный и немелкоклеточный) и рак яичников являются наиболее часто лечимыми гистологиями с таксанами. В 2005 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило Abraxane® (паклитаксел, связанный с альбумином, Abraxis Bio-Sciences), который используется при запущенном или метастатическом раке молочной железы (MBC).

Abraxane® - это лекарство против микротрубочек, которое стабилизирует микротрубочки, предотвращая деполимеризацию. Это происходит, когда лекарство стимулирует сборку микротрубочек из димеров тубулина. Приобретенная стабильность препятствует реорганизации микротрубочек, что очень важно во время интерфазных и митотических клеточных функций. Во время клеточного цикла и митоза паклитаксел, широко используемый таксан, запускает необычный массив микротрубочек вместе с множеством звездочек, соответственно. Abraxane® отдельно или в сочетании с другим цитотоксическим агентом, таким как гемцитабин, уменьшает строму поджелудочной железы в моделях ксенотрансплантата рака поджелудочной железы на мышах [37].

Genexol PM® - это инновационная наноформа паклитаксела и стерильного лиофилизированного полимерного мицеллярного препарата без CrEL. По данным испытаний, Genexol PM® имеет в три раза более высокую максимально переносимую дозу (МПД) для мышей nude. Кроме того, уровень биораспределения был в два-три раза выше в различных тканях, таких как печень, селезенка, почки и легкие, и более заметно в раковых клетках. Он был одобрен в Южной Корее для лечения МБК. Он все еще находится в стадии II клинических исследований в США для лечения рака поджелудочной железы [38].

ДауноКСом® (липосомальный даунорубицин; Gilead Science / Diatos) - это противораковое лекарство, которое снижает рост опухолевых клеток. Действующее вещество - даунорубицин. Это уникальный препарат даунорубицина (в липосомной форме), используемый для лечения саркомы Капоши, формы рака, поражающей кожу, легкие и кишечник. US-FDA одобрило это в 1996 г. [39].

Хотя неоваскуляризация и ангиогенез влияют на диффузию NP, это приводит к большему интерстициальному давлению, что ингибирует накопление NP. Более того, из-за неоднородного кровоснабжения рост опухолевых клеток происходит нерегулярно, т. Е. Клетки, которые находятся рядом с кровеносными сосудами, делятся быстрее, чем те, которые находятся вдали от кровеносного сосуда или глубоко в формирующей ядро ​​гипоксической или некротической области внутри. опухоль. Эта нерегулярная утечка, которая вызывает высокое межуточное давление, препятствует доставке и накоплению лекарств и замедляет процесс неоваскуляризации [34]. Однако можно контролировать эффект ЭПР механически или химически. К ним относятся оксид азота, пероксинитрат, брадикинин, VPF (фактор проницаемости сосудов), ультразвук, облучение, гипертермия и т. Д. Однако существуют определенные ограничения и противопоказания.

Активный таргетинг

Активное нацеливание зависит от конкретных лигандов или молекул, таких как трансферрин и фолат, которые связываются с молекулами или рецепторами, которые специфически экспрессируются или сверхэкспрессируются на клетках-мишенях (пораженные органы, ткани, клетки или субклеточные домены) [40]. Этот тип нацеливания называется нацеливанием, опосредованным лигандом [41]. Здесь НЧ, которые обладают лигандом со специфическими функциями, такими как удерживание и захват, должны находиться в непосредственной близости от мишени, чтобы было большее сродство. Эта стратегия усиливает изменения связывания НЧ с раковой клеткой, увеличивая проникновение лекарства. Основным указанием на то же самое было в 1980 году с привитыми антителами к поверхности липосом [34], за которыми следовали другие различные типы лигандов, такие как пептиды и аптамеры. Следовательно, основной метод направлен на увеличение перекрестных помех между НЧ и мишенью без флуктуации общего биораспределения [42]. Жизненно важным механизмом активного нацеливания или опосредованного лигандом нацеливания является идентификация лиганда рецепторами субстрата-мишени. Иллюстративные лиганды могут включать белки, пептиды, антитела, нуклеиновые кислоты, сахара, небольшие молекулы, такие как витамины, и т. Д. [43]. Наиболее часто изучаемыми рецепторами являются рецептор трансферрина, рецептор фолиевой кислоты, гликопротеины и рецептор эпидермального фактора роста (EGFR). Взаимодействие лиганд-мишень запускает свертывание мембраны и интернализацию НЧ через рецептор-опосредованный эндоцитоз. Существуют различные механизмы, с помощью которых происходит активное нацеливание. Большая часть нацеливания на опухоль осуществляется путем нацеливания на опухолевые клетки, как правило, с помощью НЧ. Этот процесс улучшает проникновение клеток. Как указывалось ранее, трансферрин - один из широко изученных рецепторов. Это тип сывороточного гликопротеина, который помогает транспортировать железо в клетки. Было обнаружено, что эти рецепторы сверхэкспрессируются в большинстве опухолевых клеток, особенно в солидных опухолях, и экспрессируются на более низких уровнях в здоровых клетках. Следовательно, мы можем модифицировать NP с помощью связанных лигандов, которые специфически нацелены на трансферрин [44]. Например, клетки карциномы яичника A2780 сверхэкспрессируют трансферрин. Эта особенность используется НЧ ПЭГ-фосфатидилэтаноламина (Tf-Mpeg-pe), модифицированных трансферрином, которые специфически нацелены на такие клетки [45]. Другой альтернативный метод - это нацеливание на клетки, прилегающие к раковым клеткам, такие как ангиогенные эндотелиальные клетки. Эти клетки также имеют тесный контакт с кровеносными сосудами опухоли. Эта стратегия позволяет вызвать гипоксию и некроз за счет уменьшения кровоснабжения раковых клеток. Выяснилось, что опухолевые ткани более кислые, чем нормальные. Это широко объясняется эффектом Варбурга [46]. Это объясняет сдвиг метаболизма раковых клеток в гликолиз с образованием молочной кислоты. Когда молочная кислота накапливается, клетка умирает. Чтобы справиться с этой ситуацией, клетки начинают сверхэкспрессировать протонные насосы, которые выкачивают избыток молочной кислоты во внеклеточную среду, делая ее более кислой. Поэтому была изучена система доставки лекарств на основе липосом, чувствительная к pH.

Многовалентная природа НЧ улучшает взаимодействие покрытых лигандом НЧ с раковыми клетками-мишенями. Дизайн таких НЧ сложен, поскольку архитектура НЧ и химия лиганд-мишень влияют на эффективность всего метода. Другие факторы, такие как способ введения, физико-химические свойства, такие как плотность лиганда [47] и размер НЧ [8], способствуют успеху системы (рис. 4).

Графическое изображение активного клеточного таргетинга

Примеры активного таргетинга

EGFR, член семейства рецепторов тирозинкиназы (TK) ErbB, сверхэкспрессируется при различных типах рака, особенно при плоскоклеточной гистологии. НЧ золота с наночастицами против EGFR-PEG-AuNP и против IgG-PEG-Au можно использовать для нацеливания на SCC человека [48].

Герцептин® представляет собой терапевтический препарат, нацеленный на человеческий рецептор-2 EGF (HER2), который сверхэкспрессируется на поверхности клеток рака молочной железы. Пегилированный липосомный доксорубицин, нацеленный на HER2, был разработан для снижения кардиотоксичности - известного побочного эффекта антрациклинов [49].

Поверхность эндотелия опухоли экспрессирует гликопротеин, известный как молекула адгезии сосудистых клеток-1 (VCAM-1), который участвует в процессе ангиогенеза. Исследование выявило НЧ, которые нацелены на VCAM-1 в модели рака груди, что указывает на их потенциальную роль [50].

Фолиевая кислота, также известная как витамин B9, жизненно важна для синтеза нуклеотидов. Фолиевая кислота усваивается рецептором фолиевой кислоты, который экспрессируется в клетках. Однако опухолевые клетки сверхэкспрессируют FR-α (альфа-изоформа рецептора фолиевой кислоты), тогда как FR-β сверхэкспрессируется в жидких раковых клетках [51]. Нацеливание на рецепторы фолиевой кислоты с помощью НЧ в настоящее время используется для специфического лечения рака [52, 53].

Наночастицы в терапии рака

НЧ, широко используемые в системах доставки лекарств, включают органические НЧ, неорганические НЧ и гибридные НЧ (рис. 5).

Различные типы наноматериалов, используемых в терапии рака

Органические наночастицы

Полимерные наночастицы

Полимерные наночастицы (ПНЧ) хорошо известны как «коллоидные макромолекулы» со специфической структурной архитектурой, образованной различными мономерами [54]. Лекарство либо захватывается, либо прикрепляется к НЧ снаружи, создавая наносферу или нанокапсулу для достижения регулируемого высвобождения лекарства в мишени [55]. Первоначально ПНФ состояли из небиоразлагаемых полимеров, таких как полиакриламид, полиметилметакрилат (ПММА) и полистирол [56]. Однако их накопление привело к токсичности из-за сложности их устранения из системы. В настоящее время используются биоразлагаемые полимеры, такие как полимолочная кислота, поли (аминокислоты), хитозан, альгинат и альбумин, которые, как известно, снижают токсичность и увеличивают высвобождение лекарств и биосовместимость [57]. Доказанные исследования показали, что покрытие PNP полисорбатами и использование полисорбатов влияет на поверхностно-активное вещество. Внешнее покрытие усиливает взаимодействие НЧ с мембраной эндотелиальных клеток гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) [58].

Исследование показало, что нанокапсулы, нагруженные индометацином, приводят к значительному уменьшению размера опухоли и повышению выживаемости на модели глиомы ксенотрансплантата у крыс [59]. Это развивающаяся область, в которой более десяти полимерных НЧ, содержащих противоопухолевые препараты, находятся в стадии клинической разработки. Несколько примеров включают паклитаксел полиглумекс (Xyotax), PEG-камптотецин (Prothecan), модифицированный декстран-камптотецин (DE 310), сополимер HPMA-DACH-платинат (AP5346), сополимер HPMA-платинат (AP 5280), сополимер HPMA-паклитаксел PNU166945) и сополимер HPMA-доксорубицин-галактозамин (PK2) [60].

Дендримеры

Дендримеры представляют собой сферические полимерные макромолекулы с определенной гиперразветвленной архитектурой. Характерной чертой дендримеров являются сильно разветвленные структуры. Обычно синтез дендримеров инициируется реакцией аммиачного ядра с акриловой кислотой. Эта реакция приводит к образованию «трехкислотной» молекулы, которая далее реагирует с этилендиамином с образованием «триамина», продукта GO. Этот продукт далее реагирует с акриловой кислотой с образованием гексакислоты, которая в дальнейшем дает продукт «гексаамин» (поколение 1) и так далее [61]. Обычно размер дендримеров составляет 1–10 нм. Однако размер может достигать 15 нм [62]. Учитывая их специфическую структуру, такую ​​как определенная молекулярная масса, регулируемые ответвления, биодоступность и заряд, они используются для нацеливания на нуклеиновые кислоты. Некоторые широко используемые дендримеры:полиамидоамин (ПАМАМ), ПЭГ (поли (этиленгликоль)), PPI (полипропиленимин) и TEA (триэтаноламин) [63].

Дендример PAMAM изначально был разработан для лечения МЛУ. Собранные ДНК дендримеры ПАМАМ подробно описаны. По сравнению с животными, получавшими одноэлементную химиотерапию, синтезированные дендримеры значительно задерживали рост ксенотрансплантатов эпителиального рака [64].

Наночастицы mAb

Моноклональные антитела широко используются при лечении рака из-за их специфических способностей к нацеливанию [65]. Эти mAb теперь объединены с NP с образованием конъюгатов антитело-лекарственное средство (ADC). Доказано, что они более специфичны и убедительны, чем цитотоксические препараты или только моноклональные антитела. Например, НП антитело-лекарство, состоящие из ядра паклитаксела и поверхности, модифицированной трастузумабом, показали лучшую противоопухолевую эффективность и более низкую токсичность, чем монотерапия паклитакселом или только трастузумаб в контроле HER2-положительных эпителиальных клеток молочной железы [66].

Внеклеточные пузырьки

Внеклеточные везикулы (EV) представляют собой двухслойные фосфорно-липидные везикулы размером от 50 до 1000 нм [67]. EV постоянно секретируются разными типами клеток и различаются по происхождению, размеру и составу. ЭВ делятся на три класса:1) экзосомы, 2) микровезикулы и 3) апоптотические тельца [68]. НЧ в сочетании с экзосомами широко используются, поскольку они содержат липиды и молекулы, которые очень похожи на исходные клетки. Кроме того, они избегают иммунного надзора и очень быстро усваиваются в раковых клетках. Они действуют как естественные носители, доставляя цитотоксические и другие противоопухолевые препараты к целевым участкам. Экзосомы, содержащие доксорубицин (exoDOX), являются лучшим примером. exoDOX используется для лечения рака груди и показал отличные результаты по сравнению с консервативным лечением доксорубицином за счет повышения цитотоксичности и предотвращения кардиотоксичности [69]. НЧ экзосом обладают присущими им характеристиками биосовместимости, повышенной химической стабильностью и внутриклеточными коммуникациями по сравнению с синтетическими НЧ. Тем не менее, такие недостатки, как отсутствие стандартных условий для выделения и очистки экзосом, имеют решающее значение и требуют устранения [70, 71].

Липосомы

Это сферические везикулы, содержащие фосфолипиды, которые могут быть либо однослойными, либо многослойными для инкапсуляции молекул лекарственного средства [72]. Липосомы уникальны тем, что обладают такими характеристиками, как низкая внутренняя токсичность, слабая иммуногенность и биологическая инертность [73]. Липосомы - первое лекарство в наномасштабе, которое было одобрено в 1965 году [74]. Типичная структура липосом состоит из «гидрофильного ядра» и «гидрофобного фосфолипидного бислоя». Эта уникальная архитектура позволяет им улавливать как гидрофильные, так и гидрофобные лекарства, чтобы эффективно защищать захваченное лекарство от разложения окружающей среды в циркуляции [75].

Липосомы обеспечивают отличную платформу для доставки лекарств, таких как доксорубицин, паклитаксел и нуклеиновая кислота, а также демонстрируют более высокую противоопухолевую эффективность и повышенную биодоступность [76]. Доксил® и Миоцет® - одобренные препараты даунорубицина на основе липосом, используемые для лечения МБК [77, 78]. Однако из-за недостатков, таких как снижение эффективности инкапсуляции, быстрое удаление MP, клеточная адсорбция и короткий срок хранения, применение НЧ на основе липосом ограничено.

Твердые липидные наночастицы (SLN)

Они представляют собой коллоидные наноносители (1–100 нм), состоящие из монослоя фосфолипидов, эмульгатора и воды [79]. Они известны как нульмерные наноматериалы. Липидный компонент может представлять собой триглицериды, жирные кислоты, воски, стероиды и пегилированные липиды [80]. Unlike conventional liposomes, SLNs have a “micelle-like structure” within which the drug is entrapped in a non-aqueous core. Examples include mitoxantrone-loaded SLN, which has shown reduced toxicity and enhanced bioavailability [81]. The incorporation of doxorubicin and idarubicin by SLN in “P388/ADR leukemia cells” and the “murine leukemia mouse model” has shown positive results [82].

Nanoemulsions

Nanoemulsions are colloidal NPs with heterogeneous mixtures of an oil droplet in aqueous media ranging from 10–1000 nm [83]. Three representative types of nanoemulsions can be made in:1) oil-in-water system, 2) water-in-oil system, and 3) bi-continuous nanoemulsions. Membrane-modified nanoemulsions have been extensively studied. For instance, nanoemulsions loaded with spirulina and paclitaxel showed an improved anti-tumor effect by regulating immunity through TLR4/NF-kB signaling pathways [84]. Nanoemulsion consisting of rapamycin, bevacizumab, and temozolomide is known to treat advanced melanoma [85]. Nanoemulsions are different from liposomes and certainly have enhanced characteristics than others, such as optical clarity, stability, and biodegradability [86]. However, there are challenges to clinical applications of these nanoemulsions as these involve high temperature and pressure and instruments such as homogenizers and microfluidizers that are expensive.

Cyclodextrin Nanosponges

Cyclodextrins are usually used as stabilizers to increase the drug loading capacity of NPs [87]. Nanosponges are tiny, mesh-like structures [88]. Β-cyclodextrin nanosponges loaded with paclitaxel have shown sound cytotoxic effects in MCF-7 cell line culture [89]. Similarly, camptothecin has shown improved solubility and stability when formulated with cyclodextrin-based nanosponges [90].

Inorganic Nanoparticles

Carbon Nanoparticles

Carbon NPs as the name suggests are based on the element carbon. They have been widely utilized in medical arenas because of their optical, mechanical, and electronic properties combined with biocompatibility [91]. Due to their inherent hydrophobic nature, carbon NPs can encapsulate drugs through π-π stacking [92]. Carbon NPs are further categorized into graphene, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanohorns, and graphyne. Although all these are carbon-based, they vary in their structure, morphology, and properties.

“Graphene” is 2D crystal with sp2-hybridized carbon sheet that holds extraordinary mechanical, electrochemical, and high drug loading properties. Further, based on composition, properties, and composition, graphene can be divided as follows:1) single-layer graphene, 2) graphene oxide (GO), 3) reduced graphene oxide (rGO), and 4) multi-layer graphene [93]. GO and rGOs are widely used due to their ability to target hypoxia [94] and irregular angiogenesis in TME [95]. Studies have shown that GO-doxorubicin exhibits higher anticancer activities in cellular models of breast cancer [96].

Fullerenes are large carbon-cage molecules composed of carbon allotrope with different conformation types such as sphere, ellipsoid, or tube. They are the most widely studied nanocarriers as they have typical structural, physical, chemical, and electrical properties [97]. These are used in photodynamic therapy as they have triple yield and generate oxygen species due to the presence of extended π-conjugation and the ability to absorb light [98]. PEG-modified fullerenes showed promising photodynamic effects on tumor cells [99].

Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical tubes, most often considered as rolls of graphene, were discovered in the late 1980s. They are classified into two groups:1) single-walled CNTs and 2) multi-walled CNTs. As they are carbon-based, they can bring upon immune response by interacting with immune cells, thereby suppressing the tumor growth. Traditionally, they have been used as DNA delivery vectors and for thermal ablation therapy. For instance, a fluorescent single-walled CNT with mAb encapsulating doxorubicin is used to target colon cancer cells. Such CNTs form a complex which is effectively engulfed by the cancer cells leading to the intracellular release of doxorubicin, whereas the CNTs are retained in the cytoplasm [100].

Quantum Dots

Quantum dots are typically nanometer-scale semiconductors with a broad spectrum of absorption, narrow emission bands, and high photostability, allowing them to be widely used in biological imaging [101]. Based on carbon, these are divided into:1) graphene quantum dots, 2) nanodiamond quantum dots, and 3) carbon quantum dots. Besides biological imaging, quantum dots are being actively investigated in cancer treatment. The most commonly used quantum dots is graphene quantum dots due to their inherent biocompatibility and rapid excretion. For example, quantum dots aptamer—doxorubicin conjugate targets prostate cancer cells [102]. However, the deficiency of optimized process in producing quantum dots is the major obstacle.

Metallic Nanoparticles

Metallic nanoparticles are commonly explored in “biological imaging” and targeted DDS due to their remarkable optical, magnetic, and photothermal properties. Some of the most commonly used metallic NPs are gold NPs, silver NPs, iron-based NPs, and copper NPs. Gold NPs are used as intracellular targeting drug carriers because the size and surface properties are easily controlled [103]. Moreover, their visible light extinction behavior makes it possible to track NP trajectories in the cells. “Anti-HER2 functionalized gold-on-silica nanoshells” have been shown to aim HER2 positive breast cancer cells [104]. Combidex®, an iron oxide NP formulation, is presently in the late-stage clinical testing phase to detect nodal metastases [105]. Feraheme®, a ferumoxytol containing iron oxide NP formulation, is used to treat iron-deficiency anemia. This is also used to treat nodal metastases in prostate and testicular cancer and was approved by FDA in June 2009 [106, 107].

Magnetic Nanoparticles

Magnetic NPs are generally used in MRI imaging, and drug delivery contains metal or metal oxides. These are usually covered with organic substances like polymers and fatty acids to enhance stability and biocompatibility [108]. LHRH-conjugated superparamagnetic iron oxide NPs are effective in targeting and imaging of breast cancer [109]. Moreover, magnetic NPs are used in magnetic hyperthermia for thermal ablation of cancer cells [110, 111]. Some of the magnetic NPs that are in the market or in the clinical trial phase are Feridex® and Resovist® for liver metastasis and colon cancer [112].

Calcium Phosphate Nanoparticles

“Calcium phosphate NPs” is biologically compatible, biodegradable, and do not cause any harsh adverse reactions. Hence, they are used as a delivery agent for insulin, growth factors, antibiotics, and contraceptives [113]. They are also used in the delivery of oligonucleotides and plasmid DNA [114]. Calcium phosphate NPs combined with either viral or non-viral vector has been positively used as delivery vectors in cellular gene transfer. A “liposomal nanolipoplex formulation” of calcium and glycerol has shown decreased toxicity and enhanced transfection features [115, 116].

Silica Nanoparticles

Silica being a significant component of many natural materials was only studied concerning biology recently. Silica NPs are commonly used to deliver genes by functionalizing the NP surface with amino-silicanes [117]. N-(6–aminohexyl)–3–aminopropyl–trimethoxysilane functionalized silica NPs have shown excellent efficiency in the transfection of Cos-1 cells with minimal toxicity and is now commercially available [118]. Mesoporous silica NPs are considered one of the best drug carriers due to their better pharmacokinetic properties. They have been extensively used in immunotherapy. According to a study, colorectal cancer cells have shown successful uptake of camptothecin-loaded mesoporous silica NPs.

Mechanism of NPs in Overcoming Drug Resistance

Drug resistance is one of the chief problems in cancer therapy and management. It prevails across all types of cancer and all possible treatment modalities. Drug resistance is a phenomenon that results when diseases become tolerant to pharmaceutical treatments. Drug resistance can be classified into two types:1) innate and 2) acquired [119]. Innate resistance usually results from pre-existing mutations in the genes that are involved in cell growth or apoptosis. Acquired resistance is defined as the type of resistance that is developed after a particular anti-tumor treatment, which may result from the development of new mutations or from alterations in the TME during treatment. Nanoparticles, due to their extraordinary ability to co-encapsulate multiple therapeutic agents, can also be used to overcome cancer-related drug resistance.

Targeting Efflux Transporters

Efflux transporters are classified under the family of “ATP-binding cassette (ABC) transporters.” These have a significant role in MDR. The primary function of these transporters is to pump out drugs out of the cell and reduce the concentration. “P-glycoprotein (P-gp)” is one such efflux transporter that is overexpressed by drug-resistant cancer cells [120, 121].

Overexpression of P-gp has been linked with inadequate treatment response, especially in breast cancer [122] and ovarian cancer [123]. NPs can be used to tackle efflux pumps. As NPs internalize the cell via “endocytosis” instead of diffusion and release the drug at the “perinuclear site,” which is distant from active efflux pumps, NPs can bypass the efflux pumps [124]. Besides, by modifying the control of drug releases, such as by utilizing low pH levels and redox as triggers, NPs can effectively bypass efflux pumps [125, 126].

Combination therapy is yet another method to overcome MDR. NPs can be loaded with multiple drugs within a single drug carrier [127]. Inhibiting efflux transporter expression instead of just dodging them would be another viable option. This can be achieved by building NPs in such a way that it can entrap both efflux pump inhibitors and chemotherapy agents [128]. A recent study positively reflected upon reversing MDR in breast cancer cells by using NPs that co-deliver COX-2 inhibitors and doxorubicin [129]. Similarly, using silica NP that encapsulates miRNA-495 and doxorubicin has proved effective in overcoming drug resistance in lung cancer cells [130]. Another interesting study found out that using NPs in the tumor neo-vasculature targeting KDR receptors is a more effective anti-tumor function than P-gp inhibitor combination therapy. Yet, another way of overcoming drug resistance is by depleting the source of ATP, which is essential for the functioning of ABC transporters. This can be done by targeting mitochondria which leads to a decrease in ATP production.

Targeting an Apoptotic Pathway

Cancer cells proliferate due to faulty apoptotic machinery and upsurge their survival adding to drug resistance [131]. The faulty apoptotic pathway gets activated by “deregulation of Bcl-2” and “nuclear factor kappa B (NF-κB).” These are the most widely investigated anti-apoptotic proteins and can be potentially used as the target for reversing drug resistance. Using a classic process of co-delivery of “Bcl-2 siRNA and chemotherapeutics” by NPs is a way to overcome MDR [132]. NF-κB inhibitors have been used in combination with “pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC)” [133] and curcumin [134]. Besides suppressing anti-apoptotic factors, triggering pro-apoptotic factors is another to fight “apoptotic pathway-mediated drug resistance.” For instance, a combination of ceramide and paclitaxel is a good example [135]. Ceramide restores the expression of a chief tumor suppressor, p53 protein, by regulating alternative pre-mRNA splicing. Delivering ceramide via NPs is an excellent way to correct the p53 missense mutation [136]. Owing to its potential, a combination of ceramide and paclitaxel has shown significant therapeutic efficacy in cancer drug resistance models. Transfecting the p53 gene by cationic SLNs has been reported in lung cancer cases [137]. Similarly, transfecting the p53 gene by PLGA has been carried out in breast cancer cells models that have shown potent induction of apoptosis and inhibition of tumor growth [138].

Some NP-based DDS act by impeding efflux pumps and encouraging apoptosis [139]. A pioneering study conducted to prove both pump- and non-pump-mediated drug resistance used an “amphiphilic cationic NP” entrapping paclitaxel and Bcl-2 converter gene in drug-resistant liver cancer models. NP complex diminished P-gp-induced drug efflux and the apoptosis activation. Similarly, co-delivery of “doxorubicin and resveratrol encapsulated in NPs” has shown noteworthy cellular toxicity on doxorubicin resistance breast cancer cells by downregulating the expression of Bcl-2 and NF-κB, thereby initiating apoptosis as well as through the inhibition of efflux transporter expression [140]. A similar study was done on multi-drug resistant prostate cancer cells by using folic acid-conjugated planetary ball milled NPs encapsulated with resveratrol and docetaxel. This worked by downregulating anti-apoptotic gene expression while inhibiting ABC transporter markers [141].

Targeting Hypoxia

Hypoxia is yet an additional aspect that backs MDR [142]. Due to abnormal blood vessels in the vicinity of the tumor and due to the increasing demand of oxygen by the rapidly growing tumor, some tumor cells are repeatedly in a hypoxic condition. The part of the tumor that is in hypoxic condition often escapes from the chemotherapy drugs. Hypoxia creates an oxygen ramp inside the tumor that intensifies tumor heterogeneity, encouraging a more aggressive phenotype. Moreover, the hypoxia condition has been established to facilitate the overexpression of efflux proteins [143]. The major protein, “hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α)” acts an important role. Hence targeting HIF-1α or silencing HIF-1α gene is a way to overcome drug resistance. NPs containing HIF-1α siRNA can be used to reduce hypoxia-mediated drug resistance [144]. Instead of directly targeting HIF-1α, indirect inhibition of HIF-1α signaling can be used. For example, the “PI3K/Akt/mTOR pathway” is known to control the expression of HIF-1α. Inhibition of this pathway effectively downregulates the expression of HIF-1α, which enhances the sensitivity of MDR cells to cancer treatment [145]. NPs like PLGA-PEG and PEGylated and non-PEGylated liposomes can be used effectively. In addition, “heat shock protein 90 (HSP90)” is needed for transcriptional activity of HIF-1 and inhibition of HSP90, which downregulates the expression of HIF-1α [146]. The HSP90 inhibitor in “17AAG loaded NPs” has dramatically improved MDR in bladder cancer treatment [147].

Nanoparticles and Proteomics

When NPs are subjected to the biological system, they are surrounded by cellular and serum proteins which form a structure known as protein corona (PC) [148]. Based on the degree of interaction of these proteins with the NPs, there are classified into the hard corona and soft corona. “Hard corona” is formed when these proteins have a high binding affinity towards the NPs. “Soft corona” is produced when these proteins are loosely bound to the NPS. It has been established that the most protein forming a PC first will be eventually substituted by proteins with higher affinities. This is known as Vroman effect [149]. Hence developing the technology that can manufacture NPs with desired properties is essential. Several proteomic approaches such as MS, LC–MS, SDS-PAGE, isothermal microcalorimetry (ITC), etc. [150], are being used. PC affects the crosstalk of NP with the biological setting and thereby governs the application and usage of the same in the medical field.

Cancer proteomics studies the number of proteins in cancer cells and serum, which supports hunting proteins and biomarkers that aids in diagnosis, treatment, and prognosis [151]. It also helps in understanding cancer pathogenesis and drug resistance mechanism. Post-translational modifications (PTMs) play an indispensable part in occurrence, recurrence, and metastasis. Besides using chemotherapy and kinase inhibitors, novel agents like siRNA, mRNA, and gene editing are central therapeutics used with NPs.

Nanotechnology for Small Interfering RNA (siRNA) Delivery

siRNAs are small ds RNA molecules (around 21 nucleotides long) that suppress the expression of genes in the target. This process is known as “RNA interference.” A few siRNA-based NPs that are currently under clinical investigations are ALN-TTR01 that is used to target the transthyretin gene to treat transthyretin-mediated amyloidosis, and Atu027, which is a liposomal siRNA that targets protein kinase N3 and TKM-ApoB that knock downs the expression of ApoB [152, 153].

Nanotechnology for Tumor microRNA Profiling and Delivery

MicroRNAs are a class of endogenous “single-stranded non-coding RNA” molecules that control post-transcription gene expression by blocking translation of the target mRNA or repressing protein production by destabilizing mRNA [154]. These are emerging as vital biomarkers that are a significant target for cancer diagnosis, therapy, and treatment. The base priming nature of nucleic acid forms the very foundation for nanotechnology used miRNA profiling techniques. Several profiling techniques use biosensors or surface plasmon resonance imaging techniques in combination with molecular biology enzymatic reactions. Nanotechnology can be used for the delivery of MicroRNAs. For example, biodegradable polycationic prodrugs showed promising results in the regulation of polyamine metabolism [155]. MicroRNA-loaded polycation-hyaluronic acid NPs of single-chain antibody fragments have shown progressive downregulation of “survivin expression” in high metastatic cancer load in the lung of murine B16F10 melanoma.

DNA Nanotechnology for Cancer Therapy

DNA-based nanostructures have been synthesized for DNA sensors to detect nucleic acid, DNA-coated gold NPs for lead sensing by hybridizing Pb-activated DNAzyme to the linking DNA, scaffolds to organize organics, inorganic, and biomolecules into distinct morphology molecular transporters, and drug delivery (Table 1).

Advantages of Nanoparticles in Cancer Therapy

The utilization of nanotechnology in the diagnosis, treatment, and management of cancer has led to a whole new era. NPs, either by active or passive targeting, augment the intracellular concentration of drugs while avoiding toxicity in the healthy tissue. The targeted NPs can be designed and altered as either pH-sensitive or temperature-sensitive to establish and regulate the drug release. The pH-sensitive drug delivery system can deliver drugs within the acidic TME. Similarly, the temperature-sensitive NPs release the drugs in the target site due to changes in temperature brought in by sources like magnetic fields and ultrasound waves. In addition, the “physicochemical characteristics” of NPs, such as shape, size, molecular mass, and surface chemistry, have a significant part in the targeted drug delivery system. Further, NPs can be modified according to the target and used to target a particular moiety.

Conventional chemotherapy and radiation therapy have several disadvantages concerning efficacy and side effects because of uneven dispersal and cytotoxicity. Therefore, cautious dosing is required that effectively kills cancer cells without any significant toxicity. To reach the target site, the drug has to pass several fortifications. Drug metabolism is a very complex process. In physiological conditions, the drug needs to pass TME, RES, BBB, and kidney infiltration. RES or macrophage system is made up of “blood monocytes, macrophages, and other immune cells” [160]. MPS in the liver, spleen, or lungs react with the drugs and activate “macrophages or leukocytes” that rapidly remove the drug. This leads to a short half-life of the drug [161]. To overcome this, NPs with “surface modification,” such as PEG, bypass this mechanism and increase the “drug half-life.” Besides, kidney infiltration is a crucial function in the human body. Proper kidney infiltration thus minimizes the toxicity caused by NPs.

The brain-blood barrier (BBB) is a specialized protection structure offered to protect the CNS from harmful and toxic agents. “Brain capillary endothelial cells” are arranged in the form of a wall that provides essential nutrients to the brain. Since the primary function of BBB is to block toxic agents to reach the brain, currently available chemotherapy agents for brain cancer are highly limited to intraventricular or intracerebral infusions [162]. However, NPs are known to cross BBB. Now, several approaches such as EPR effect, focused ultrasound, peptide-modified endocytosis, and transcytosis are used to deliver NPs. Glutathione PEGylated liposome encapsulated with methotrexate showed improved methotrexate uptake in rats [163]. Au-NPs are often used as they have proven to help transport drugs to induce apoptosis [164].

NPs being carriers also increase the drug stability by preventing the degradation of the encapsulated cargo. Additionally, a large volume of drugs can be encapsulated without any chemical reaction. Dry solid dosage forms are more stable than nanoliquid products [165]. Stabilizers can be used to enhance stability. Yet another way to increase stability is to use porous NPs.

Tumor has unique pathophysiology features such as extensive angiogenesis, flawed vascular architecture and defective lymphatic drainage. The NPs use these features to target tumor tissue. Due to reduced venous return in tumor tissue and meager lymphatic clearance, NPs are effectively retained. This phenomenon is known as EPR. Similarly, by targeting the adjacent tissues, tumor-targeting can be accomplished [166].

NPs can be administered through several routes like oral, nasal, parenteral, intra-ocular etc. NPs have a high surface-to-volume ratio and intracellular uptake. Studies have reported that NPs are more effective than microparticles as drug carriers [167].

Nanoparticles in Immunotherapy

The immune system sets an important part in the establishment and development of cancer cells. The advancement of immunotherapy has revolutionized cancer therapy. It is found that NPs not only help in target delivery of chemotherapy but can also be used in combination with immunotherapy. There are several approaches in immunotherapy aimed at activating the immune system against cancer cells [168] by “immune checkpoint blockade therapy,” “cancer vaccine therapy,” “chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy,” and “immune system modulator therapy” [169,170,171]. NP-based immunotherapy includes “nanovaccines,” “aAPCs (artificial antigen-presenting cells),” and “immunosuppressed TME targeting.”

Nanovaccines specialize in delivering “tumor-associated antigens” and “adjuvants” to antigen-presenting cells, such as dendritic cells (DCs) [172]. Moreover, these can also be employed as adjuvants to enhance “APC antigen presentation” and promote DC maturation that leads to the stimulation of cytotoxic T cells that have anti-tumor function [173, 174]. Liposomes, PLGA NPs, gold NPs are found to have the ability to deliver TAAs into DCs in the cytoplasm [175]. Mesoporous silica, the most used inorganic NP, has exhibited an adjuvant role, leading to immune response stimulation [176]. Artificial APCs interact with MHC-antigen complexes directly which binds to T cells. They also bind to co-stimulatory molecules that bind to co-stimulatory receptors leading to T cell activation [177]. Targeting the immunosuppressed TME is yet another method of using NPs in immunotherapies. This is done by targeting essential cell types in TME such as “tumor-associated macrophages (TAMs),” regulatory T cells, and “myeloid-derived suppressor cells (MDSCs).”

Besides, the combination of chemoimmunotherapy has been demonstrated to be a capable approach in cancer therapy. For instance, a study has shown that co-loading Nutlin-3a, which is a chemotherapeutic agent and cytokine GM-CSF, in “spermine-modified acetylated dextran (AcDEX) NPs” improved cytotoxic CD8( +) T cells proliferation and activated an immune response [178].

“Programmed cell death protein 1 (PD-1)” and “programmed cell death ligand 1 (PD-L1)” are some of the essential immune checkpoints [179]. Hence immune checkpoint inhibitors are used to target these using NPs. According to a study, conventional immune checkpoint inhibitors of PD-L1/PD-1 displayed inconsistent responses. To enhance the chances and bonding of immune checkpoint inhibitors and immune checkpoints, multivalent poly (amidoamine) dendrimers were used. Usage of these dendrimers not only showed enhanced PD-L1 blockade but also showed improved drug accumulation at the tumor site [180].

Nanoparticles in Cryosurgery

Cryosurgery is an advanced practice of freeze-destroying cancer tissue. Although this is less invasive and causes intraoperative bleeding and postoperative complications, certain drawbacks like inadequate freezing capacity and damage to adjacent cells need to be addressed [181]. The rise of nanotechnology has enabled the use of NPs in cryosurgery.

The primary working of nanocryosurgery is introducing NPs with particular properties into the cancer cells and causing freezing [182]. During this process, ice is formed within the cells, which causes damage to it. This is an important process and can be carried out effectively using NPs. The thermal conductivity property of NPs can be exploited, which significantly freeze the tumor tissue and cause tumor damage [183]. Besides, they cool down rapidly, and it is feasible to regulate the “growth direction” and “direction of the ice ball” (Fig. 6).

Diagrammatic representation of NPs in cryosurgery

When the location of the tumor makes it not feasible for cryosurgery or if other adjacent organs are at risk, there are high chances that the freezing can damage healthy tissue. Recently, phase change materials (PMs) made up of NPs are used to protect the adjacent normal healthy tissue during cryosurgery [184]. For instance, liposome-based microencapsulated phase change NPs have shown incredible results in protecting surrounding healthy tissue [185]. These NPs are deemed to possess large latent heat and low thermal conductivity, making them perfect for cryosurgery.

Significant Challenges in the Clinical Application of Nanoparticles

At present, as nanotechnology has bloomed, the amount of knowledge and research put into nanoparticles has steeply raised. But only a few of them actually make it up to clinical trials. Most of them only halt at in vivo and in vitro stages. Each individual nanoformulation has particular challenges in their clinical translation, but most NPs face similar challenges that can be divided into biological, technological, and study-design related.

Biological challenges include lack of routes of administration, tempering biodistribution, the channel of NPs across the biological barriers, their degradation, and toxicity [186]. NPs are usually injected via intravenous injections directly into the blood, which takes away NPs, making it challenging to stay and interact with the target site. As a result, a high concentration drug is used, which might not provide desired therapeutic effects [187]. However, magnetic NPs can be used to overcome this as many in vivo and in vitro studies have proved the usage of 3D magnetic fields to control the movement of NPs against blood flow. But, the effect of magnetic fields on the human body, crosstalk between magnetic fields, and a large number of NPs has to be researched upon.

Controlling the biological fate of NPs is very hard and needs a lot of focus. Even though NPs are made up of biosafety materials and are modulated accordingly to increase the retention time and half-life, there runs a risk of lung, liver and kidney damage. Some factors that govern toxicity are surface area, particle size and shape, solubility, and agglomeration [188]. NPs have shown greater deposition in the lung with inflammatory, oxidative and cytotoxic effects [189]. Studies reveal that healthy cells often suffer from free radicals generated by NPs [190]. Fabricating NPs with more biocompatible substances like chitosan and materials that disintegrate after near infrared light irradiation may be potential solutions.

Another tricky challenge is avoiding the “mononuclear phagocytic system (MPS).” In biological fluids, NPs adsorb proteins to produce PC, which attacks MPS to uptake NPs. To escape this, NPs have been coated with materials that prevent the formation of the protein corona. However, they have not shown any significant results. Designing NPs that target “macrophages” and using those as new drug vehicles can be pitched to overcome this problem. Currently, preventing macrophage recruitment, depleting and reprograming TAMs, and obstructing “CD47-SIRPα pathways” are commonly used strategies [191].

Technological challenges of NPs include scale-up synthesis, equal optimization, and performance predictions. These are very crucial in safeguarding the clinical success of NPs. Most of the NPs that are used in vivo and in vitro studies are usually produced in minor batches, and scale-up for huge quantities is not constantly feasible given instrumentation and other reasons. The lead clinical candidates that prove to be the best in animal models are not systematically designed optimized. To overcome this, we can use certain methods that can test numerous nanoformulation and by selective iterations selecting a single optimized formulation [192,193,194]. However, such hits shouldn’t be introduced directly in human testing. Predicting nanoparticle efficacy and performance is hard and replicating the in vivo results in human trials is a herculean task. Computational or theoretical modeling along with experimental results can be designed to imitate physiological tissue and surrounding. For instance, organs-on-chips are being actively studied and can improve NP predictions of efficacy and performance.

Study-design challenges like study size, intent, and timing of NP therapies during the therapy impact significantly during clinical studies. Most of the studies revolve around “cell and animal models” that may not provide comprehensible results in human trials. Therefore, the usage of a single model is tough to imitate natural reactions in the human body. In addition, “models of cancer metastasis” should be actively researched as metastasis is one of the significant properties of cancer. Moreover, N  = 1 clinical studies will be required if we focus on personalized medicine. This needs to count in many factors such as genetic, environmental, and past medical history. [195, 196]. Another major challenge is that NPs are never used as first-line therapies. Although we have effectively approved nanoformulations, they are usually saved for further treatment if disease progression is found in the clinical trial scenario. Most of the patients have either had progressed on multiple lines of therapies or have gained drug resistance. These situations often skew the clinical trial results and lessen the chance of NP treatment to benefit those who are likely still treatable.

Conclusion and Future Perspective

Nanotechnology has shown a promising new era of cancer treatment by delivering small molecules for cancer detection, diagnosis, and therapy. Cancer therapies based on the exceptional features of NPs are being vastly used in the clinical setting of several cancer types. NP-based DDS is linked with enhanced pharmacokinetics, biocompatibility, tumor targeting, and stability compared to conventional drugs. Moreover, NPs provide an excellent platform for combination therapy which helps in overcoming MDR. With increasing research, several types of NPs, such as polymeric NPs, metallic NPs, and hybrid NPs, have shown improved efficacy of drug delivery. Researchers must be well attentive to the features of the nominated nanoplatforms and the properties of therapeutic agents. However, there are certain limitations like deficiency of in vitro models that precisely replicate in vivo stage, immunotoxicity, the long-term toxicity, and neurotoxicity. Although “nanovaccines” and “artificial APCs” have proved improved efficacy compared to conventional immunotherapy, the clinical efficacy is substandard. The safety and tolerance of these new modalities should to be inspected. Additionally, developing “immunomodulatory factor-loaded NPs” may advance the efficiency of vaccines for immunotherapy.

This is an emerging area, and it is anticipated that with growth in proteomics research on the “mechanism of cancer origin, MDR, occurrence,” more NP-based drugs can be exploited. Compared to the mammoth amount of investigations, only a few NP-based drugs are actually in use, a few others in clinical trials, and most in the exploratory stage. For rational nanotechnology design, more efforts must be reserved in “understanding toxicity, cellular and physiological factors that regulate NP-based drug delivery, EPR, and PC mechanism” in the human body. Based on the evidence cited above, we presuppose that the revolution in clinical translation for NP-based cancer therapy will be attained with nanotechnology and cancer therapy development.

Availability of Data and Materials

Not applicable.