Наночастицы:новый подход к усовершенствованию диагностики и лечения рака

Введение

Заболеваемость и смертность от опухолей во всем мире остаются высокими. Ежегодно появляется около 14 миллионов новых больных раком и 8 миллионов человек умирают от связанных с раком заболеваний [1]. В последние годы традиционные методы лечения опухолей, такие как химиотерапия, таргетная терапия, лучевая терапия, хирургия и т. Д., Постоянно критикуются за то, что они застопорились, а также за многие побочные реакции и неудовлетворительные результаты лечения. Из-за недостатков традиционных методов лечения опухолей все больше и больше исследователей начали искать новые методы лечения опухолей, обладающие способностью нацеливания, эффективной способностью уничтожать стволовые клетки опухоли и незначительными побочными реакциями. Новые методы лечения опухолей включают, помимо прочего, иммунотерапию, таргетную терапию, физическую абляцию, генную терапию, фотодинамическую терапию (PDT) и фототермическую терапию (PTT), которые показали более высокую эффективность по сравнению с традиционной терапией опухолей. Все описанные здесь методы лечения имеют общую особенность, требующую сотрудничества с операторами связи. Хотя вирусы могут использоваться в качестве носителей, подтверждено, что вирусные векторы вызывают инсерционный мутагенез и иммуногенность [2]. Поэтому поиск более безопасного и эффективного оператора связи стал главным приоритетом.

Из-за небольшого размера наночастиц, биобезопасности, загрузки лекарств и физических свойств, которые могут помочь в физиотерапии, наночастицы все чаще используются в качестве носителей в новых методах лечения опухолей. Эти методы лечения с использованием наночастиц обладают такими достоинствами, как многофункциональность, меньшее количество побочных реакций и лучший лечебный эффект [3]. Кроме того, многие технологии медицинской визуализации, опосредованные наночастицами, также обладают большей ясностью и точностью, что помогает точно диагностировать опухоль [4]. С развитием нанотехнологий и медицинских технологий металлы и биологические материалы, такие как золото, серебро, железо, липосомы и т. Д., Стали широко применяться в производстве медицинских наночастиц (НЧ) [5]. В настоящее время многие исследователи используют эти материалы на основе их физических, химических и / или биологических свойств для встраивания лекарств, агентов визуализации и даже генов в наночастицы, расширяя существующую область диагностики и лечения опухолей, такую ​​как адресная доставка лекарств, улучшенная визуализация, криохирургия, PTT и PDT [6].

Кроме того, существует феномен, заключающийся в том, что большинство наночастиц остаются только на стадии in vivo и in vitro. Однако в литературе не хватает информации о причинах, сдерживающих клиническое применение НЧ. Таким образом, цель данной статьи - не только обобщить статус применения наночастиц в области диагностики и лечения опухолей, но также найти факторы, препятствующие проникновению наночастиц в клиническую практику, и предложить возможные решения.

Подготовка и характеристика медицинских функциональных наночастиц

Наночастицы, обычно используемые в медицине, можно разделить на три типа:металлические наночастицы, неметаллические наночастицы и композитные наночастицы в соответствии с их материалами и функциями, а на их физические и химические свойства влияют такие параметры, как размер и форма. Поэтому, учитывая функциональные требования к наночастицам в различных направлениях применения, очень важно выбрать подходящий способ получения. Все методы получения наночастиц можно разделить на два метода:подходы снизу вверх и подходы сверху вниз. Подход снизу вверх, по сути, состоит из базовых единиц (атомы, молекулы и даже более мелкие частицы могут использоваться в качестве основы для сборки необходимых наноструктур), наложенных друг на друга для образования наночастиц, тогда как подход сверху вниз представляет собой, по сути, цельный твердый материал. начинает распадаться на наночастицы [7]. В таблице 1 приведены некоторые примеры приготовления медицинских наночастиц.

Среди трех типов наночастиц, обычно используемых в медицине, наиболее широко используются металлические наночастицы. Материалы металлических наночастиц включают металлы и оксиды металлов. Наиболее часто используемый способ получения металлических наночастиц - это золь-гель (золь-гель) процесс, предложенный японским ученым Сугимото и др. в 1990-е годы, который часто использовался для получения монодисперсных частиц оксида металла в жидкой фазе. Золь – гель метод - это восходящий процесс подготовки. Главный принцип этого метода получения металлических наночастиц заключается в образовании однородно диспергированного золя ионов металлов химическими и физическими способами, а затем в образовании геля посредством окислительно-восстановительной реакции. Наночастицы металла, образующиеся в геле, могут контролируемым образом зарождаться, расти и осаждаться. Пока монодисперсность металлического коллоида, используемого в эксперименте, соотношение концентраций ионов металла и окислителя / восстановителя контролируется, можно контролировать размер синтезированных металлических наночастиц. На рисунке 1 представлена ​​схематическая диаграмма золь-гель метода.

Принципиальная схема золь – гель метода

Обычно используемые восходящие методы получения металлических наночастиц включают соосаждение, гидротермальный подход и фотохимический метод. Метод соосаждения - это процесс зарождения, роста и агрегации в жидкой среде одновременно. При перенасыщении раствора получается большое количество нерастворимых продуктов с мелкими частицами [15]. Гидротермальный метод - это процесс, выполняемый в жидкой среде для управления морфологией полученных наночастиц путем управления давлением пара, применяемым к материалу в растворе. Кроме того, существуют некоторые нисходящие методы получения металлических наночастиц, такие как взрыв электрической проволоки и шаровая мельница. Принцип взрыва электрического провода заключается в том, что в процессе электрического взрыва атомы металла испаряются и быстро охлаждаются в электролите с образованием наночастиц оксида. Контролируя состав электролита и силу тока, можно контролировать более мелкие и однородные наночастицы. Шаровая мельница - это метод быстрого и крупномасштабного производства наночастиц контролируемого размера с использованием обрабатывающих инструментов, таких как фрезерование планетарных шестерен, путем выбора подходящего времени измельчения и соответствующих технологических параметров оборудования. Помимо металлических наночастиц, этот метод получения также может применяться к другим типам наночастиц.

Второй распространенный тип - неметаллические наночастицы. Неметаллические наночастицы, обычно используемые в медицине, включают полимерные наночастицы, наночастицы, полученные из биомолекул, наночастицы на основе углерода и наночастицы кремнезема [16,17,18]. Среди них наночастицы кремнезема являются наиболее представительными. Поверхность диоксида кремния имеет большое количество гидроксильных групп, что облегчает связывание зондов или флуоресцентных групп на поверхности и, следовательно, имеет более гибкую функциональность. Обычно используемые методы синтеза наночастиц кремнезема - золь-гель метод и метод Штёбера [19, 20]. Классический метод Штёбера - это простое и эффективное получение наночастиц диоксида кремния путем гидролиза и конденсации силиката в щелочных условиях.

С развитием нанотехнологий были разработаны композитные наночастицы благодаря их превосходной функциональной совместимости. Металлические наночастицы обладают многими характеристиками, которых нет у неметаллических наночастиц, такими как эффект плазмонного резонанса (SPR), управляемость в магнитном поле и т. Д., Но металлические частицы трудно эффективно разлагать в организме, а чрезмерное использование имеет определенную токсичность. в клетки [21]. Следовательно, объединение наночастиц из разных материалов в композитные наночастицы с помощью различных методов подготовки может обеспечить функциональное расширение. Wei et al. подготовили золотые наностержни (Au NR), а затем выполнили инициированную поверхностью радикальную полимеризацию с переносом атома (SI-ATRP) N-изопропилакриламида (NIPAAM) на Au NR для синтеза наногибридов с откликом в ближнем инфракрасном диапазоне [22]. Эта композитная наночастица, которая сочетает в себе металлические и полимерные материалы, обладает способностями к высвобождению лекарств как в фототермическом, так и в ближнем инфракрасном диапазоне. Обволакивающая гидрогелевая оболочка обеспечивает лучшую биосовместимость этой наночастицы, чем отдельные наночастицы Au. Пракаш синтезировал композитные НЧ с Au в качестве ядра и SiO ₂ . как оболочка по усовершенствованному методу Штёбера. Инертная оболочка наночастиц ядро-оболочка способствует снижению токсичности металлических частиц и повышению стабильности материала и способности переносить лекарственные средства исходных отдельных металлических НЧ [23].

В дополнение к традиционным методам получения наночастиц, упомянутым выше, с развитием науки о нанотехнологиях были выдвинуты новые требования к экологии и охране окружающей среды, поэтому появились новые экологически безопасные методы синтеза наночастиц [24]. Впервые Hajar et al. использовали Stevia rebaudiana в качестве биологического восстановителя для успешного синтеза наночастиц ZnS с размером частиц от 1 до 40 нм. Синтезированные таким образом наночастицы ZnS обладают хорошей биосовместимостью [25]. Согласно принципам зеленой химии Miri et al. использовали экстракт P. farcta (растение, принадлежащее к семейству Leguminosae) для быстрого синтеза CeO ₂ НЧ с размером частиц около 30 нм. Этот вид наночастиц обладает хорошей биосовместимостью [26].

Наночастицы для медицинской визуализации

Медицинская визуализация играет важную роль в диагностике и лечении опухолей. Многие наночастицы, такие как наночастицы оксида железа, обладают оптическими, магнитными, акустическими и структурными свойствами, которые могут улучшить визуализацию (рис. 2). Некоторые исследования показали, что введение НЧ в ткани-мишени может улучшить контраст изображения и обеспечить лучшее руководство по изображению при хирургии опухолей и диагностике [27]. Например, в криохирургии НЧ могут улучшить качество изображения краев опухоли и ледяных шариков, что помогает точно покрыть ледяные шары и улучшить терапевтический эффект [28]. Кроме того, большинство наночастиц, используемых при визуализации, сделаны из металла. В зависимости от разницы в принципах построения изображения наночастицы также будут изготавливаться из разных металлических материалов. В таблице 2 приведены некоторые недавние примеры НЧ, изготовленных из различных материалов для медицинской визуализации.

Схематическое изображение улучшенной визуализации НЧ

Оптическая когерентная томография (ОКТ) - это неинвазивная технология получения изображений с микронным разрешением и биомедицинской визуализацией. ОКТ полезна для диагностики в режиме реального времени и хирургических рекомендаций. Однако ОКТ не может обнаружить неупруго рассеянный свет, потому что этот свет не когерентен в падающем поле [35]. В последнее время многие исследования доказали, что состояние движения НЧ может изменять амплитуду ОКТ, что может решить эту проблему. Вмешательство в движение НЧ через магнитное поле может вызвать локальные изменения в рассеянии света. Некоторые исследования показали, что размещение магнитных НЧ в магнитном поле для управления его движением может изменить оптическое рассеяние в этой области, поэтому изначально некогерентный неупругий рассеянный свет может быть обнаружен. Этот новый метод визуализации - магнитодвижущая оптическая когерентная томография (MMOCT) [36].

МРТ - одна из самых эффективных технологий неинвазивного обнаружения опухолей. Тем не менее, отсутствие сравнения сигналов МРТ между биологическим фоном и раковой тканью часто влияет на клинический диагноз опухоли [37]. МРТ - это метод сканирования изображений, который измеряет намагниченность молекул водорода в молекулах воды. Каждая анатомическая структура представляет собой разное изображение, поскольку протоны каждой ткани вызывают разные изменения намагниченности. Видимость изображений можно улучшить, применяя больше контрастных веществ [38, 39]. Связанный с опухолью эффект ЭПР, широко используемый при раннем обнаружении опухолей, дает большую контрастную способность магнитных НЧ [40]. Магнитные наночастицы оксида железа (ИОНП), которые в настоящее время являются наиболее распространенными контрастными агентами для МРТ нанозондов, имеют определенное нацеливание на клетки [41]. Например, исследования показали, что IONP могут проникать в здоровые клетки Купфера печени во время диагностики рака печени с помощью МРТ, но будут исключены из раковых клеток, что приведет к образованию здоровой ткани с низким уровнем сигнала и ткани опухоли с высоким сигналом [42]. Основываясь на недавних исследованиях, правильная модификация поверхности частиц и соответствующее встраивание наночастиц в биоолигомеры, специфичные для опухоли, могут лучше фиксировать наночастицы в опухолях для достижения более четких результатов визуализации и даже могут использоваться для ранней визуализации микро опухолей. Например, исследования показали, что AuNP, нацеленные на трансферрин человека, могут значительно усиливать визуализирующий эффект опухолей головного мозга [43]. Gao et al. снабжены моноклональными антителами (mAb) к рецепторам противоэпидермального фактора роста на основе зондов парамагнитных НЧ для получения изображений малых опухолей [44].

Наночастицы для целевой доставки лекарств

Хотя химиотерапевтические препараты в настоящее время являются наиболее часто используемым лечением опухолей, они все еще имеют проблему недостаточного обогащения мишеней в областях злокачественных опухолей и чрезмерного накопления в здоровых тканях [45]. Это может вызвать подавление интенсивного деления клеток, таких как костный мозг, волосяные фолликулы, клетки желудочно-кишечного тракта и лимфоциты, что приводит к побочным реакциям, таким как угнетение костного мозга, мукозит, выпадение волос и даже смерть [46]. Нацеленная доставка лекарств, которая относится к активной дифференциации между нормальными клетками и раковыми клетками для доставки лекарств, имеет лучшую эффективность и меньше побочных реакций, чем обычное лечение [45]. Многие исследования подтвердили, что НЧ могут нацеливать химиотерапевтические препараты на опухолевые клетки посредством активного или пассивного нацеливания. [47]. Кроме того, многие эксперименты показали, что НЧ также играют важную роль в адресной доставке иммунных лекарств [48].

Как показано на рис. 3, пассивное нацеливание часто зависит от некоторых патофизиологических характеристик опухолевой ткани, включая аномальные кровеносные сосуды, температуру, pH и поверхностный заряд опухолевых клеток [49]. Например, из-за повышенной проницаемости и удерживающего эффекта (EPR ) кровеносных сосудов в опухолевой ткани НЧ диаметром около 400 нм могут пассивно переноситься в опухолевую ткань [50]. Однако есть много ограничений на подход пассивного нацеливания с точки зрения физико-химических свойств наночастиц, таких как диаметр, поверхностный заряд, молекулярная масса, гидрофобность или гидрофильность. Кроме того, метод пассивного нацеливания неэффективен по эффективности диффузии лекарственного средства и показывает недостаточный эффект ЭПР в опухолевых клетках [51]. Из-за недостатков пассивного таргетинга в последние годы большинство исследований НЧ для доставки лекарств переместилось в сторону активного таргетинга (таргетинг на лиганд). В таблице 3 приведены некоторые недавние примеры использования НЧ для доставки лекарств.

Схематическое изображение пассивного наведения на АЭС

НЧ с активным нацеливанием (нацеливание на лиганд) часто несут лиганды опухолеспецифических биомаркеров [61]. Как показано на фиг. 4, когда лиганд контактирует с рецептором на поверхности опухоли, НЧ могут быть интернализованы опухолевыми клетками посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза, а лекарства могут высвобождаться из-за кислого pH и специфических ферментов во внутриклеточной среде [ 62]. Что касается нацеленных лигандов, в текущих исследованиях обычно используются фолиевая кислота, трансферрин, рецептор эпидермального фактора роста (EGFR) и гликопротеин [62]. Например, Sandoval et al. наблюдали значительное обогащение лекарствами и очевидную эффективность в лечении мышей с раком груди с помощью нацеленных на EGFR стеариловых НЧ, снабженных гемцитабином [63]. Pandey et al. обнаружили, что нацеленные на фолиевую кислоту НЧ золота, несущие гидрохлорид берберина (BHC), могут эффективно доставлять лекарства к клеткам рака шейки матки человека, экспрессирующим рецептор фолиевой кислоты [64].

Схематическое изображение активного наведения на АЭС

В последние годы, по сравнению с химиотерапевтическими препаратами, терапия подавления гена, опосредованная короткой интерферирующей РНК (миРНК), рассматривается как новая перспектива лечения опухолей [64]. Хотя вирусы можно использовать в качестве носителей для siRNA, подтверждено, что вирусные векторы вызывают инсерционный мутагенез и иммуногенность [65]. Напротив, НЧ селена, как сообщается, обладают большим потенциалом в качестве носителей миРНК, потому что сам микроэлемент селен может уменьшить возникновение опухоли, снизить токсичность лекарств и регулировать иммунную функцию [66]. Кроме того, поверхность НЧ селена может загружать различные нацеленные на опухоль фрагменты (такие как фолат, гиалуроновая кислота и пептид RGD) для повышения способности нацеливания на опухоль [67]. Xia et al. сообщили, что наночастицы селена (RGDfC-Se @ siRNA), нацеленные на пептид RGDfC, обладают превосходной способностью воздействовать на рак шейки матки HeLa [60]. Между тем, поскольку RGDfC может специально сочетаться с α _v β ₃ интегрин, который высоко экспрессируется множеством опухолевых клеток, RGDfC-Se @ siRNA NP могут быть повторно использованы для адресной доставки лекарств для множества опухолей [68]. С точки зрения структуры, RGDfC-SeNPs с положительным зарядом могут плотно упаковывать отрицательно заряженные siRNA за счет своего электростатического взаимодействия [69]. В экспериментах на животных RGDfC-Se @ siRNA NPs демонстрируют способность эффективно проникать в опухолевые клетки посредством клатрин-ассоциированного эндоцитоза. В опухолевых клетках он может быстро высвобождать миРНК и эффективно заглушать родственные гены и способствовать генерации активных форм кислорода (АФК), подавляющих пролиферацию опухолевых клеток и способствующих апоптозу опухолевых клеток [69]. Кроме того, несколько SeNP продемонстрировали превосходную биологическую безопасность и не имеют явных токсических повреждений печени, почек, сердца, легких, селезенки и других основных органов мышей [60, 70, 71].

В настоящее время, несмотря на то, что для адресной доставки лекарств используется много НЧ, большинство приложений все еще находится на стадии экспериментов на клетках или животных, не имея мощной поддержки клинического применения. Кроме того, многие НЧ вводятся внутриопухолево, что ограничивает область применения НЧ в опухолях и не позволяет использовать специальные средства доставки НЧ и другие методы доставки лекарств.

Следовательно, изучение лучшего способа введения НЧ может стать направлением для будущих исследований НЧ с адресной доставкой лекарств. Согласно существующим академическим журналам, сосудистое интервенционное введение может быть возможным способом. В предположении, сначала определите положение кровеносного сосуда, питающего опухоль, с помощью визуализации, а затем используйте направляющий провод, чтобы ввести НЧ непосредственно в кровеносный сосуд, питающий опухоль, и контролировать движение НЧ в небольшом диапазоне, применяя магнитное поле одновременно. Следовательно, НЧ можно зафиксировать в нужном положении, не подвергаясь влиянию кровотока в сосуде. В остальном НЧ, нацеленные на доставку лекарств, имеют только определенные ограничения. Нацеливание на НЧ повлияет на системное распределение химиотерапевтических препаратов и снизит эффект химиотерапии на свободные опухолевые клетки и микрометастазы. Если они снабжены целевыми лекарствами, целевой эффект имеет тенденцию к усилению, тогда как улучшение не очевидно на основе существующих исследований. Кроме того, противоопухолевые препараты вряд ли устранят все стволовые клетки опухоли сами по себе. Тем не менее физиотерапия, основанная на физических характеристиках НЧ, имеет тенденцию быть более эффективной против стволовых клеток опухоли. Следовательно, в будущем рекомендуется использовать многофункциональные НЧ, нацеленные на носители лекарств, такие как криохирургия, фототермическая терапия (ФТТ) и фотодинамическая терапия (ФДТ) и т. Д., Для формирования многофункциональных НЧ для лечения опухолей.

Наночастицы для криохирургии

Криохирургия, метод разрушения опухолевой ткани путем замораживания, имеет преимущества низкой инвазивности, низкой стоимости, меньшего количества интраоперационных кровотечений и меньшего количества послеоперационных осложнений, но все же есть недостатки, такие как недостаточная эффективность замораживания и повреждение замораживанием окружающих тканей [28]. Хотя защитные агенты, такие как антифризный белок (AFP-1), использовались для облегчения холодовой абляции, эффект все еще не идеален [72]. С развитием нанотехнологий была предложена концепция нанокриохирургии. Основной механизм нанокриохирургии - введение НЧ с определенными физическими или химическими свойствами в ткани опухоли. Используя свойства наночастиц, можно не только повысить эффективность и действенность замораживания, но также можно контролировать диапазон и направление образования ледяных шариков. Таким образом, нанокриохирургия способна убить опухолевую ткань и предотвратить одновременное замораживание окружающих здоровых тканей [73]. Преимущества нанокриохирургии показаны на рис. 5.

Схематическое изображение НЧ для криохирургии. а НЧ защищают клетки здоровья во время криохирургии. б НЧ усиливают повреждение от замерзания и контролируют покрытие от замерзания. c С помощью НЧ было образовано больше льда

В криохирургии образование внутриклеточного льда является ключом к повреждению опухолевых клеток. Между тем, исследования доказывают, что НЧ могут эффективно вызывать образование внутриклеточного льда [28]. НЧ как внешние частицы могут вызывать гетерогенное зародышеобразование. Исследования показали, что ткани, обогащенные НЧ, замерзают быстрее, чем обычные ткани, и более склонны к гетерогенному зарождению. В тех же условиях замораживания образование льда в ткани с НЧ происходит легче, что указывает на то, что НЧ могут значительно увеличить скорость и вероятность образования льда в клетках, что может более эффективно убивать опухолевые клетки [74]. Кроме того, НЧ с оксидом металла значительно улучшат теплопроводность опухолевой ткани. Например, Лю и Дэн сравнили кривую температурного отклика тканей свинины с НЧ и без них. Они обнаружили, что ткани, содержащие НЧ, быстро охлаждались, и самая низкая температура могла достигать 115 ℃, что было намного ниже, чем в контрольной группе без НЧ.

Поскольку опухоли обычно имеют неправильную форму, кристаллы льда, полученные с помощью традиционной криохирургии, как правило, не покрывают всю опухолевую ткань. По сравнению с традиционной криохирургией, нанокриохирургия может легко справиться с этой проблемой. Поскольку НЧ могут проникать во внутриклеточную жидкость и иметь хорошие физические свойства, такие как теплопроводность, можно контролировать направление роста и направление ледяного шара с помощью распределения НЧ [73].

В криохирургии недостаточное замораживание может не полностью разрушить опухолевую ткань, а чрезмерное замораживание может повредить соседние здоровые ткани. Повреждение здоровой ткани может быть особенно серьезным, особенно когда опухоль находится в тесном контакте с хрупкими органами, находится глубоко или имеет неправильную форму. В последние годы материалы с фазовым переходом (ПКМ), изготовленные из НЧ, продемонстрировали превосходный защитный потенциал для окружающих здоровых тканей во время криохирургии [75]. Например, Lv et al. микрокапсулированные НЧ с фазовым переходом с большой скрытой теплотой и низкой теплопроводностью через липосомы, а до криохирургии вводили микрокапсулированные НЧ с фазовым переходом в здоровые ткани вокруг опухоли, и было обнаружено, что это позволило избежать повреждения здоровой ткани при низких температурах [76].

Хотя НЧ широко используются в криохирургии, все еще существует ряд недостатков. Во-первых, он все еще не может контролировать НЧ in vitro, что приводит к неравномерному распределению НЧ в опухолевой ткани и неудовлетворительному ожидаемому функционированию. Во-вторых, хотя существует множество магнитных наночастиц, реальный эффект НЧ, контролирующих магнитное поле in vitro, все еще не идеален. Кроме того, в области нано-криохирургии отсутствуют клинические экспериментальные исследования, и многие НЧ все еще находятся на лабораторной стадии.

Применение НЧ при холодной абляции в целом можно разделить на два типа:синергетический эффект и защитный эффект, которые различаются с точки зрения требований к конструкции НЧ и распределения in vivo. В будущем нанокриохирургии могут помочь различные НЧ, а именно синергические НЧ распределяются внутри опухоли, а защитные НЧ распределяются вокруг опухоли. Кроме того, в криохирургии можно использовать многие устройства нанопозиционирования, такие как трехмерный печатный копланарный шаблон (3DPCT), который в настоящее время используется для позиционирования опухоли перед имплантацией радиоактивных частиц. Перед криохирургией защитные НЧ могут быть проколоты и введены вокруг опухоли для защиты окружающей здоровой ткани с помощью 3D-печати копланарного шаблона (3DPCT) и контроля компьютерной томографии. НЧ помогают ледяным шарикам при криохирургии покрывать неровный край опухоли. Затем синергетические НЧ будут введены в ткань опухоли через пункцию предварительно заданного места абляции или сосудистое вмешательство для выполнения холодной абляции. Этот метод нано-криохирургии может не только преодолеть трудности холодной абляции опухолей неправильной формы, но также усилить эффект холодной абляции и уменьшить повреждение здоровых тканей. Этот метод может стать перспективным направлением исследований нанокриохирургии. В таблице 4 приведены некоторые недавние примеры использования НЧ в криохирургии.

Наночастицы для PTT и PDT

В настоящее время фототермическая терапия (ФТТ) и фотодинамическая терапия (ФДТ) на основе наночастиц (НЧ) продемонстрировали сильную эффективность, небольшую инвазию и умеренные побочные эффекты при лечении опухолей (рис. 6) [80]. Помимо непосредственного уничтожения опухолевых клеток, фрагменты мертвых опухолевых клеток, полученные в результате лечения PDT и PTT, могут использоваться в качестве потенциальных антигенов для запуска непрерывного иммунного ответа, называемого фототермической и фотодинамической иммунотерапией [81]. Наночастицы, разработанные на основе концепции лечения PTT, представляют собой новый тип наноматериалов, преобразующих свет в тепло, которые могут преобразовывать световую энергию в тепловую энергию для уничтожения раковых клеток. По сравнению с традиционными материалами для фототермического преобразования наночастицы имеют много преимуществ. Во-первых, НЧ могут достигать эффекта целевой агрегации опухоли за счет модификации поверхности частиц, что способствует более высокой способности опухоли-мишени к обогащению [82, 83]. Во-вторых, наночастицы обладают лучшими возможностями визуализации, чем традиционные фототермические материалы, которые можно точно определить с помощью компьютерной томографии, МРТ и фотоакустической визуализации [84, 85]. Направленные наночастицы, синтезированные Pan et al. может выполнять PTT ниже 0,2 Вт / см ² NIR для индукции апоптоза опухолевых клеток путем разрушения ядерной ДНК опухолевых клеток и ингибирования процесса репарации ДНК [86]. В таблице 5 приведены некоторые недавние примеры NP, используемых в PDT и PTT.

Схематическая иллюстрация NPs-опосредованной PDT и PTT. а НЧ способствуют образованию реактивного кислорода. б НЧ усиливают повреждение опухоли во время ЧТВ

Кроме того, некоторые исследования показали, что PTT, опосредованная наночастицами, может обратить вспять множественную лекарственную устойчивость опухоли (MDR). Считается, что сверхэкспрессия переносчиков лекарств, белка 1, ассоциированного с множественной лекарственной устойчивостью (MRP1) и p-гликопротеина (p-gp), вызывает МЛУ в различных опухолях [95]. Например, многофункциональные запускаемые светом наночастицы, разработанные Li et al. может подавлять экспрессию MRP1 в PTT, что, следовательно, обращает лекарственную устойчивость клеток A549R [96]. Wang et al. сообщили, что как наночастицы золота, так и наночастицы на основе углерода могут преодолевать сопротивление DOX, способствуя экспрессии тримера фактора теплового шока в PTT, тем самым ингибируя образование p-gp [97, 98]. Кроме того, PTT, опосредованная наночастицами, также может повысить эффективность химиотерапии, разрушая целостность мембран опухолевых клеток [99].

PDT is a treatment that uses the selective retention of photosensitizing substances (PSs) in tumor tissue under the activation of specific wavelength excitation light and the presence of molecular oxygen to produce singlet oxygen and other reactive oxygen species, which leads to tumor cell apoptosis and necrosis [100]. However, traditional PS has poor tumor targeting, poor solubility, and instability, which is vulnerable to the internal environment [100]. Nanoparticle carriers modified by targeted molecules can not only improve the stability and biocompatibility of PS but also deliver PS to target cells, which improves the efficacy and reduces adverse effects [100]. Additionally, some common nanomaterials, like gold nanorods, have excellent PTT effects themselves. For example, Vankayala et al. found that the exposure of gold nanorods to near infra-red light (915 nm) were able to efficiently induce the generation of singlet oxygen [100].

In recent years, the role of up-conversion (UC) nanoparticles in PDT has attracted much attention. The NPs can convert long-wavelength light excitation into multiple short wavelengths, which enables the UC to replace the traditional ps-dependent short-wavelength excitation light with the near-infrared light with strong tissue penetration ability [101]. For example, Li et al. developed dual-band luminescent lanthanide nanoparticles as a PS carrier. This UC nanoparticles rely on the excitation light wavelength of 808 nm to achieve image-guided PDT without affecting imaging signals [102].

Since most photosensitive materials utilized in the phototherapy are metals, the biocompatibility of NPs designed for inorganic nanomaterials like metal ions still needs to be improved.

NPs-mediated phototherapy is now credited for not only the effectiveness against tumor but also the potential for spare internal space of nanoparticles since the therapy only utilizes the physical properties of NPs skeleton. Therefore, NPs are often multifunctioned by PDT and PTT. In the future, such NPs may be designed as dedicated NPs for tumor stem cells that are not sensitive to chemotherapy. Tumor stem cells are dormant for a long time and have a variety of drug-resistant molecules, so it is difficult to kill them by conventional treatments like chemotherapy, whereas the light therapy is more effective by killing the tumor stem cells physically. In the future, nanophysical therapy may be used with many other techniques, such as the multifunctional NPs for photothermal therapy after cryosurgery. Multifunctional NPs mediated therapy can give full play to its characteristics of low side effects, strong local lethality, and tumor stem cell killing. In addition, because nano-physiotherapy has a local killing effect and can effectively kill tumor stem cells, it may become a treatment method for small metastases.

Nanoparticles for Radiotherapy

Radiotherapy (RT) is a tumor treatment technique that kills local cells by ionizing radiation generated by rays and is currently an effective treatment for many primary and metastatic solid tumors [103]. Experiments prove that radiotherapy can effectively kill tumor stem cells [104].However, how to further improve the efficacy of radiotherapy is still a serious challenge. In recent years, nanoparticles in the field of radiotherapy have demonstrated strong radiosensitization capabilities, tumor-targeted delivery capabilities of radiosensitizing drugs, and imaging guidance enhancement capabilities [105]. At present, the most popular nanoparticles are made by high Z (atomic number) metal materials, which are featured by chemical inertness and strong radiation absorption capacity. They produce various reactions such as photoelectric effect and Compton effect after absorbing radiation, thereby releasing a variety of particles such as optoelectronics, Compton electrons, and Auger electrons. These electrons react with organic molecules or water in tumor cells to generate a large number of free radicals, leading to synergistic chemotherapy [106]. Common chemotherapy-sensitized NPs are currentlycategorized as precious metals, iron oxides, and semiconductors in terms of materials.

Precious metals NPs are made of high atomic number metal materials such as gold, silver, gadolinium, hafnium, platinum, bismuth, etc. [107]. Among them, gold nanoparticles have become the most popular NPs due to their good biocompatibility, chemical stability, and relatively strong photoelectric absorption coefficient [108]. In 2000, Herold et al. discovered the chemosensitizing ability of gold nanoparticles in kilovoltage X-rays. Nowadays, the specific mechanism of chemosensitization of gold nanoparticles is not yet clear, and the mainstream view believes that it depends on the photoelectric absorption capacity of high atomic number [109]. In addition to this, there are studies suggesting that the presence of gold nanoparticles improve the chemical sensitization of DNA to radiation, which increases the DNA damage induced by ionizing radiation (IR). At the same time, gold NPs can catalyze the mechanism of radiotherapy sensitization such as free radical production [105]. For instance, Liu found that AuNPs could significantly increase the production of hydroxyl radicals as well as the killing effect of x-rays and fast carbon ions on cells [110]. The hypothesis of the chemotherapy sensitization mechanism of other precious metals is similar to that of gold nanoparticles. Particularly, platinum NPs have an anti-tumor effect due to the inherent nature. Consequently, platinum NPs are expected to play the role of chemotherapy and radiotherapy simultaneously. However, the number of relevant research reports is insufficient, and the sensitizing effect of platinum NPs is also questionable. For example, Charest et al. reported that liposomal formulation of cisplatin was able to increase the uptake of platinum by tumor cells, and could enhance the killing of F98 glioma cells by γ-rays at the same time [111]. On the contrary, Jawaid et al. reported that platinum NPs would reduce the generation of reactive oxygen species (ROS) and the efficacy of radiotherapy during chemotherapy [112].

Iron oxide nanoparticles (IONs), especially the superparamagnetic magnet Fe₃ О ₄ , have shown great potential in image-guided tumor radiotherapy because they are capable of enhancing the dose of radiotherapy and MRI imaging, whereas its sensitization mechanism is not clear yet. Its sensitization mechanism is not yet clear. Some studies believe that iron oxide NPs mainly catalyze the generation of ROS through Fenton's reaction and Haber–Weiss reaction. Then the highly reactive ROS will kill tumors [112,113,115]. Other studies propose that the mechanism depends on the radiation sensitization and synergistic effects of magnetic nanoparticles. As Khoei reported, iron oxide NPs can improve the radiosensitization of prostate cancer cells in vitro [116]. Хуанг и др. pointed out that cross-linked dextran-coated IONs (CLIONs) could be internalized by HeLa cells and EMT-6 mouse breast cancer cells, which enhances radiation therapy [117]. Although the synergistic effect of iron oxide NPs is obvious, its biological safety still needs to be improved. Many studies have proved that the biocompatibility and chemical stability of iron oxide NPs are questionable, and it has certain toxicity [118].

Semiconductor NPs like silica NPs have also been found to have a synergistic effect on radiotherapy. For instance, Zhang et al. used flow cytometry analysis and MTT experiments to find that mesoporous silica NPs can effectively enhance the radiotherapy of glioblastoma [119]. He et al. reported the mechanism of radioactive enhancement of silica NPs. He found that under X-ray irradiation, silica nanoparticles could produce fine hydroxyl radicals, which can effectively kill tumor cells [120].

At present, although many experiments have confirmed that NPs were able to sensitize radiotherapy, the specific mechanism of sensitization is still unclear, which hinders the development of new sensitized NPs. There are some doctrines like sensitizing chemotherapy that promotes free radical production. Nevertheless, there is a lack of a quantitative relationship among the amount of free radical production, radiation intensity, and physical data of nanoparticles. In addition, most sensitized NPs are made of high atomic number metals. These metals have many disadvantages in human body such as difficulty in self-metabolism and biodegrading. Meanwhile, long-term accumulation of the metals will produce toxicity, which limits the safe use of radiosensitized NPs. Moreover, compared with the radiotherapy sensitization NPs, fewer studies focused on NPs which can prevent the adverse reactions of radiotherapy and protect healthy tissues. The research on radiotherapy protective NPs is short in quantities.

In the future, searching for NPs material that can be metabolized by the kidney, biometabolized, biocompatible, stable in physicochemical properties, and inherently less toxic, or looking for surface modification that can help the body metabolize NPs may become a research direction for sensitized NPs. Moreover, although there have been many NPs studies on multi-function, namely simultaneous sensitization of radiotherapy and chemotherapy, there are still many potentials in this field, which are worthy of focus in the future. The development of protective NPs that can protect normal tissues around radiotherapy and alleviate poor defense against radiotherapy may also become a research direction.

Заключение

The poor curative effect, inefficient targeting ability, various side effects, and potential biological risk are some of the unfavorable attributes of conventional cancer therapy and diagnosis. In recent years, advanced nanotechnology and molecular cell biology have promoted the applications of NPs in cancer field. Not only metal NPs, but also many lipid, nucleic acid and silicon NPs showed evident outperformance in cancer diagnosis and treatment.. Moreover, new generation of NPs is no longer limited to solo but multiple functions. For example, gold-coated poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) NPs equipped with PD-1 blockers which were designed by Luo et al. can not only target drug delivery but also mediate PTT therapy [121]. (Pd @ Au) / Fe3O4 Spirulina NPs with doxorubicin created by Wang et al. demonstrated the functions of photothermal therapy, delivery of chemotherapy drugs, and magnetic field control in cell experiments [122]. Multifunctional nanoparticles will become the trend of future research.

At present, we find that most of the nanoparticles only stay in vivo and in vitro stage. According to this review, we think the following reasons hinder the clinical application of NPs.

1. (i)

   Lack of injection routes and methods

Most NPs are injected into body via puncture or intravenous injection. Therefore, the blood flow will take away NPs, making NPs difficult to stay in the target area for a long time, which leads to just few NPs that can be uptaked by tumor cells. Low-concentration drugs cannot produce the expected therapeutic effect, and low-concentration NPs also affect the physical killing effects of PDT, PTT, cryosurgery, and radiotherapy. In our opinion, magnetic NPs platform may be a solution. There have been many in vitro and in vivo experiments that have proved the feasibility of using the three-dimensional magnetic field to control the movement of NPs against blood flow [122,123,125]. However, how to solve the interference of the human body to the magnetic field, how to solve the impact of blood cells colliding with NPs, and how to control a large number of NPs in a group are still in discovery.

1. (ii)

   Difficulty in localization of NPs in vivo

Compared with the human body, the size of NPs is too tiny. Even if NPs are loaded with fluorescent proteins, it is still difficult for conventional imaging equipment (CT, X-ray, MRI) to locate the NPs in the human body in real time. To deal with this challenge, photoacoustic computed tomography (PACT) may be a solution. Photoacoustic computed tomography (PACT) has attained high spatiotemporal resolution (125-μm in-plane resolution and 50-μs frame ⁻¹ data acquisition), deep penetration (48-mm tissue penetration in vivo), and anatomical and molecular contrasts [126]. Because of excellent performance, PACT has great potential in NPs localization imaging in vivo. The PACT-guided microrobotic system designed by Wu et al. has achieved controlled propulsion and prolonged cargo retention in vivo of NPs with a diameter of 50 μm [127]. Although the current resolution and deep penetration of PACT are still insufficient, it is superior to conventional imaging equipment (CT, X-ray, MRI) in terms of NPs imaging positioning.

1. (iii)

   Difficulty of degrading in the human body

Although NPs are made of high biosafety materials, there is still a risk of damages to liver, kidney, and other organs if they stay in the body for a long time and cannot be degraded or excreted The use of materials that will be disintegrated after near-infrared light irradiation to fabricate NPs may be a solution to this problem. Recently, more and more NPs have been produced by these materials. Such NPs mediate PTT while loading drugs, meanwhile, the substances produced by the disintegration of NPs can be rapidly metabolized by the human body. In addition, the use of more biocompatible and degradable materials for nanoparticle preparation is also a solution. For example, the surface of chitosan is positively charged and can be broken down by the colonic flora, which facilitates interaction with specific tissues and can be metabolized by the body. The biocompatibility and degradability of chitosan has been proven to be non-toxic at appropriate drug concentrations [128].

1. (iv)

   Difficulty in avoiding mononuclear phagocytic system (MPS)

In biofluids, NPs will adsorb proteins to form a corona layer referred to as “protein corona” in a broader sense giving biological identity to NPs and alters their biological characters, which will attract MPS especially macrophages to uptake NPs [129]. In order to avoid being uptaken by MPS, various polymer coatings such as forpolyether, polybetaine (PB) and polyolhave were investigated to cover NPs. For example, polyglycerol-grafting NPs are able to evade macrophage uptake by reducing protein adsorption [130]. In addition, there are two types of tumor-associated macrophages (TAM), M1 and M2. M1 macrophages inhibit tumor growth while M2 macrophages promote tumor growth. Therefore, no longer avoiding macrophages, but designing NPs targeted by macrophages, by regulating the function of macrophages, and even using macrophages as new drug carriers to exert anti-tumor effects may become a novel solution. At present, common design strategies for such NPs include inhibiting macrophage recruitment, depleting TAM, reprogramming TAMs, and blocking CD47-SIRPα pathway [131]. Among them, following the design concept of reprogramming or blocking CD47-SIRPα pathway, NPs that repolarize M2 macrophages to M1 type have made a breakthrough in vivo experiments [132].

Considering the above difficulties and referencing to advanced researches, we come up with a new possible design of NPs. The NPs skeleton is made of pyrolytic material (spirulina, exosomes, et al.). Then, photothermal materials (Au, Pd, etc.) are deposited on the NPs skeleton through electroless plating. After that the superparamagnetic iron oxide will be loaded on the surface of NPs through the sol–gel method. Then, suitable polymers (polybetaine, polyglycerol, etc.) will coat the NPs. Finally, drug (like doxorubicin) will be loaded on the NPs. Afterwards, under the guidance of PACT, NPs will be injected into the upstream of tumor supplying blood vessel, and the tumor will be irradiated with NIR. At the same time, three-dimensional magnetic field control is given to maximize the accumulation of NPs at the tumor site. Through this design, a large number of NPs will accumulate at the tumor site to ensure the drug concentration and PTT effect. At the same time, most NPs will be decomposed at the tumor site, and only a small number of NPs will circulate in the body.

Nowadays, anti-tumor therapy with NPs as the main body is still in the exploratory stage, and related technologies and equipments need to be invented, so it is unlikely to be clinically used in the short term. However, NPs can change part of the function or structure of many actual technologies. The upgrade of actual technologies is expected to be applied in clinic quickly, which contributes to upgrading the diagnosis and treatment of tumors in consequence. For example, NPs can help to develop electrochemical devices based on the interaction between ions and conductive polymers, such as organic electrochemical transistors (OFETs), electrolyte gated field-effect transistors (FETs), fin field-effect transistor (FinFETs), tunneling field-effect transistors (TFETs), electrochemical lab-on-chips (LOCs) [133]. These electrochemical devices are widely used in various tumor testing and diagnostic equipment. The use of NPs can help improve the accuracy of the equipment and reduce the detecting time. Many studies indicate that medical equipment using electronic components upgraded by NPs have been applied clinically [133,134,136].

Based on the evidence cited above, future research of NPs may not only focus on NPs themselves but also consider a feasible administration and efficacy assessing platform. In addition, the platform needs to be able to monitor immunotoxicity, the long-term toxicity, and neurotoxicity of NPs. As nanotechnology develops, if these problems were solved, NPs would be an ideal approach to upgrade cancer therapy and diagnosis.

Доступность данных и материалов

All data generated or analysed during this study are included in this published article.

Сокращения

НП:

Наночастицы

PDT:

Photodynamics therapy

PTT:

Photothermal therapy

SPR:

Plasmon resonance effect

Au NRs:

Gold nanorods

SI-ATRP:

Surface-initiated atom transfer radical polymerization

NIPAAM:

N-isopropylacrylamide

США:

Ультразвук

MSNs:

Mesoporous silica nanoparticles

USMO:

Ultrasmall manganese oxide

GEM:

Gemcitabine

OINPs:

Oxygen/indocyanine green-loaded lipid nanoparticles

PA:

Фотоакустика

MPI:

Magnetic particle imaging

МРТ:

Магнитно-резонансная томография

SPIO:

Superparamagnetic iron oxide

USPIO:

Ultra-small SPIO

OCT:

Optical coherence tomography

MMOCT:

Magnetomotive optical coherence tomography

mAb:

Monoclonal antibody

DOX:

Доксорубицин

5-FU:

5-фторурацил

FA:

Фолиевая кислота

PTX:

Paclitaxel

ROS:

Активные формы кислорода

EPR:

Enhanced permeability and retention effect

EGFR:

Epidermal growth factor receptor

BHC:

Berberine hydrochloride

AFP-1:

Antifreeze protein

PCMs:

Phase change materials

3DPCT:

3D printed coplanar template

RCDs:

Amino-rich red emissive carbon dots

COF:

Covalent organic framework

ICG:

Indocyanine green

HSA:

Serum albumin

MDR:

Multidrug resistance

MRP1:

Multidrug resistance-associated protein 1

p-gp:

P-glycoprotein

PSs:

Photosensitizing substances

UC:

Повышение конверсии

RT:

Radiotherapy

PLGA:

Poly(lactic-co-glycolic acid)

PACT:

Photoacoustic computed tomography

MPS:

Mononuclear phagocytic system

PB:

Polybetaine

TAM:

Tumor-associated macrophages

OFETs:

Organic electrochemical transistors

полевые транзисторы:

Electrolyte gated field-effect transistors

FinFETs:

Fin field-effect transistor

TFETs:

Tunnelling field-effect transistors

LOCs:

Electrochemical lab-on-chips