Наночастицы: Трансформация диагностики и лечения рака с точностью

Аннотация

Традиционная терапия рака критикуется из-за различных побочных эффектов и недостаточного повреждения целевых опухолей. Прорыв наночастиц предоставляет новый подход для модернизации традиционных методов лечения и диагностики. Фактически, наночастицы не только решают недостатки традиционной диагностики и лечения рака, но и создают совершенно новые перспективы и передовые устройства для диагностики и лечения опухолей. Однако большинство исследований о наночастицах остается на стадиях in vivo и in vitro, и лишь немногие клинические исследования о наночастицах были опубликованы. В этом обзоре мы сначала суммируем текущие применения наночастиц в диагностике и лечении рака. Затем мы предлагаем вызовы, препятствующие клиническим применениям НЧ, и предоставляем выполнимые решения в сочетании с обновленной литературой за последние два года. В конце мы представим наши взгляды на будущее развитие НЧ в диагностике и лечении опухолей.

Введение

Заболеваемость и смертность от опухолей остаются высокими во всем мире. Ежегодно появляется почти 14 миллионов новых онкобольных и 8 миллионов людей умирают от рако-связанных заболеваний [1]. В последние годы традиционные методы лечения опухолей, такие как химиотерапия, таргетная терапия, лучевая терапия, хирургия и др., постоянно критикуются за застой в прогрессе, множество неблагоприятных реакций и неудовлетворительные результаты лечения. Из-за недостатков традиционных методов терапии опухолей все больше исследований начинают искать новые онкологические методы с таргетинговой способностью, эффективной способностью убивать раковые стволовые клетки и минимальными побочными эффектами. Новые методы лечения опухолей включают, но не ограничиваются, иммунотерапией, таргетной терапией, физической абляцией, генной терапией, фото динамической терапией (PDT) и фототермической терапией (PTT), которые проявили превосходную эффективность по сравнению с традиционной терапией опухолей. У всех перечисленных методов лечения есть общая черта — необходимость сотрудничества с носителем. Хотя вирусы могут использоваться как носители, вирусные векторы подтверждено вызывают вставочный мутагенез и иммуногенность [2]. Поэтому поиск более безопасного и эффективного носителя стал приоритетом.

Благодаря малому размеру, биобезопасности, способности загружать лекарства и физическим свойствам, помогающим физической терапии, наночастицы все чаще используются как носители в новых методах лечения опухолей. Эти наночастицами-опосредованные терапии обладают преимуществами многофункциональности, меньших побочных реакций и лучшего лечебного эффекта [3]. Кроме того, многие медицинские технологии визуализации, опосредованные наночастицами, также имеют лучшую четкость и точность, что помогает точной диагностике опухолей [4]. С развитием нанотехнологий и медицинских технологий металлы и биоматериалы, такие как золото, серебро, железо, липосомы и др., широко применяются в производстве медицинских наночастиц (НЧ) [5]. В настоящее время многие исследователи используют эти материалы, основанные на их физических, химических и/или биологических свойствах, для инкапсуляции лекарств, контрастных веществ и даже генов в наночастицы, расширяя существующую область диагностики и лечения опухолей, такую как таргетированная доставка лекарств, усиленная визуализация, криохирургия, PTT и PDT [6].

Кроме того, существует явление, что большинство наночастиц остаются только на стадиях in vivo и in vitro. Однако не хватает литературы, обобщающей причины, сдерживающие клиническое применение НЧ. Поэтому данная статья направлена не только на обобщение статуса применения наночастиц в области диагностики и лечения опухолей, но и на выявление факторов, препятствующих входу наночастиц в клиническое применение, и предложение выполнимых решений.

Подготовка и характеристика медицинских функциональных наночастиц

Медицинские наночастицы обычно делят на три типа: металлические наночастицы, неметаллические наночастицы и композитные наночастицы в зависимости от их составляющих материалов и функций, а их физико-химические свойства зависят от параметров, таких как размер и форма. Поэтому, учитывая функциональные требования наночастиц в разных направлениях применения, очень важно выбрать подходящий процесс приготовления. Все методы приготовления наночастиц можно классифицировать на два метода: нисходящие (bottom-up) и восходящие (top-down) подходы. Нисходящий подход по сути заключается в сборке необходимых наноструктур путем наслаивания базовых единиц (атомов, молекул и даже более мелких частиц могут использоваться как основа для сборки), в то время как восходящий подход по сути представляет собой процесс разложения целого твердого материала на наночастицы [7]. Таблица 1 приводит некоторые примеры приготовления медицинских наночастиц.

Среди трех типов наночастиц, обычно используемых в медицине, металлические наночастицы наиболее широко применяются. Материалы металлических наночастиц включают металлы и металлические оксиды. Наиболее часто используемый процесс приготовления металлических наночастиц — это соль-гель (Sol-Gel) процесс, предложенный японским ученым Сугимото и др. в 1990-х годах, который часто используется для приготовления монодисперсных частиц металлических оксидов в жидкой фазе. Соль-гель метод — это нисходящий процесс приготовления. Главный принцип этого метода для приготовления металлических наночастиц — сформировать равномерно диспергированный золь металлических ионов химическими и физическими средствами, а затем образовать гель через оксидо-восстановительную реакцию. Металлические наночастицы, образующиеся в геле, могут контролируемо нуклеироваться, расти и осаждаться. Пока контролируется монодисперсность металлического коллоида, используемого в эксперименте, концентрационное соотношение металлических ионов и окислителя/восстановителя, можно контролировать размер синтезированных металлических наночастиц. Рис. 1 — схематическая диаграмма соль-гель метода.

Обычно используемые нисходящие методы приготовления металлических наночастиц включают ко-преципитацию, гидротермальный подход и фотокимический метод. Метод ко-депозиции — это процесс нуклеации, роста и агрегации в жидкой среде одновременно. Когда раствор пересыщен, получают большое количество мелкодисперсных нерастворимых продуктов [15]. Гидротермальный метод — это процесс, проводимый в жидкой среде для контроля морфологии образующихся наночастиц путем контроля парового давления, приложенного к материалу в растворе. Кроме того, существуют некоторые восходящие методы приготовления металлических наночастиц, такие как взрыв электрического провода и шаровая фрезеровка. Принцип взрыва электрического провода заключается в том, что в процессе электрического взрыва атомы металла испаряются и быстро охлаждаются в электролите для формирования оксидных наночастиц. Контролируя состав электролита и силу тока, можно контролировать более мелкие и равномерные наночастицы. Шаровая фрезеровка — это метод быстрого и крупномасштабного производства наночастиц с контролируемым размером с использованием обрабатывающих инструментов, таких как фрезерные планетарные шестерни, путем выбора подходящего времени помола и связанных параметров технологического процесса. Помимо металлических наночастиц, этот метод приготовления также может применяться к другим типам наночастиц.

Второй распространенный тип — неметаллические наночастицы. Неметаллические наночастицы, обычно используемые в медицине, включают полимерные наночастицы, биомолекулярные НЧ, углеродные НЧ и кремнеземные наночастицы [16–18]. Среди них кремнеземные наночастицы наиболее репрезентативны. Поверхность кремнезема имеет обильные гидроксильные группы, что облегчает связывание проб или флуоресцентных групп на поверхности и поэтому обеспечивает более гибкую функциональность. Обычно используемые методы синтеза кремнеземных наночастиц — это соль-гель метод и метод Стьёбера [19, 20]. Классический метод Стьёбера — это простая и эффективная подготовка кремнеземных наночастиц через гидролиз и конденсацию силиката в щелочных условиях.

С развитием нанотехнологий композитные наночастицы были разработаны благодаря их превосходной функциональной совместимости. Металлические наночастицы имеют много характеристик, которых не имеют неметаллические наночастицы, такие как эффект плазмонного резонанса (SPR), управляемость в магнитном поле и др., но металлические частицы трудно эффективно деградируют в организме, и чрезмерное использование имеет определенную токсичность для клеток [21]. Поэтому объединение наночастиц разных материалов в композитные наночастицы разными методами приготовления может достичь функционального расширения. Wei et al. приготовили золотые наностержни (Au NRs), а затем выполнили поверхностно-инициализированную атомно-трансферную радикальную полимеризацию (SI-ATRP) N-изопропилакриламида (NIPAAM) на Au NRs для синтеза близко-инфракрасно-отзывчивых наногибридов [22]. Эта композитная наночастица, объединяющая металл и полимерные материалы, обладает как фототермическими, так и возможностями освобождения лекарства, соответствующими близкому инфракрасному излучению. Оболочечный гидрогелевый слой делает эту наночастицу более биосовместимой, чем одиночные Au наночастицы. Prakash синтезировал композитные НЧ с Au в качестве ядра и SiO₂ в качестве оболочки через улучшенный метод Стьёбера. Инертная оболочка ядро-оболочечных наночастиц способствует снижению токсичности металлических частиц и улучшению стабильности материала и леконосящей способности оригинальных одиночных металлических НЧ [23].

Помимо традиционных методов приготовления наночастиц, упомянутых выше, с развитием науки нанотехнологий были выдвинуты новые требования к экологии и охране окружающей среды, поэтому появились новые экологически чистые методы синтеза наночастиц [24]. Впервые Hajar et al. использовали Stevia rebaudiana как биологический восстановитель для успешного синтеза ZnS наночастиц с размером частиц от 1 до 40 нм. ZnS наночастицы, синтезированные таким образом, имеют хорошую биосовместимость [25]. Согласно принципам зеленой химии, Miri et al. использовали экстракт P. farcta (растение, принадлежащее к бобовым) для быстрого синтеза CeO₂ НЧ с размером частиц около 30 нм. Этот вид наночастиц имеет хорошую биосовместимость [26].

Наночастицы для медицинской визуализации

Медицинская визуализация играет важную роль в диагностике и лечении опухолей. Многие наночастицы, как наночастицы оксида железа, имеют оптические, магнитные, акустические и структурные свойства, которые могут усилить визуализацию (Рис. 2). Некоторые исследования показали, что введение НЧ в целевые ткани может улучшить контраст изображения и обеспечить лучшее изображение для гидкировки опухолевой хирургии и диагностики [27]. Например, в криохирургии НЧ могут улучшить качество визуализации опухоли и краев ледяного шара, что помогает точно покрыть ледяные шары и улучшить терапевтический эффект [28]. Кроме того, большинство наночастиц, используемых в визуализации, сделаны из металлов. В зависимости от различия принципов разных методов визуализации, наночастицы также будут сделаны из разных металлических материалов. Таблица 2 приводит некоторые недавние примеры НЧ, сделанных из разных материалов для медицинской визуализации.

Оптическая когерентная томография (OCT) — неинвазивная, микронного разрешения и биомедицинская технология визуализации. OCT полезна в реальном времени диагностике и хирургической навигации. Однако OCT не может детектировать неэластически рассеянный свет, потому что этот свет не когерентен в падающем поле [35]. Недавно многие исследования доказали, что состояние движения НЧ может менять амплитуду OCT, что может решить эту проблему. Взаимодействие с движением НЧ через магнитное поле может вызывать локальные изменения в рассеянии света. Некоторые исследования указали, что размещение магнитных НЧ в магнитном поле для контроля их движения может менять оптическое рассеяние в области, так что изначально некогерентный неэластически рассеянный свет может быть детектирован. Этот новый метод визуализации — магнитомоторная оптическая когерентная томография (MMOCT) [36].

МРТ — одна из самых эффективных неинвазивных технологий детекции опухолей. Тем не менее, отсутствие сравнения МРТ-сигнала между биологическим фоном и раковой тканью часто влияет на клиническую диагностику опухолей [37]. МРТ — метод сканирующей визуализации, измеряющий намагниченность водородных молекул в водных молекулах. Каждая анатомическая структура представляет разное изображение, так как протоны каждой ткани вызывают разные изменения в намагниченности. Видимость изображений может быть улучшена через применение большего количества контрастных агентов [38, 39]. Опухолевый EPR-эффект, широко используемый в ранней детекции опухолей, производит большую способность контрастного усиления для магнитных НЧ [40]. Магнитные наночастицы оксида железа (IONPs), которые в настоящее время являются самыми распространенными нанозондами-контрастными агентами для МРТ, имеют определенную клеточную таргетированность [41]. Например, исследования обнаружили, что IONPs могли проникать в здоровые купфферовы клетки печени при диагностике рака печени с помощью МРТ, но исключались из раковых клеток, что приводило к низкосигнальной здоровой ткани и высокосигнальной опухолевой ткани [42]. Основываясь на недавних исследованиях, правильная модификация поверхности частиц и соответствующая встраивание опухоль-специфических биоолигомеров в НЧ могут лучше фиксировать НЧ в опухолях для достижения более четких результатов визуализации и даже использоваться для ранней визуализации микропухолей. Например, исследования обнаружили, что AuNPs, таргетированные на человеческий трансферрин, могут значительно усилить эффект визуализации опухолей мозга [43]. Gao et al. оснастили анти-EGFR монохлональным антителом (mAb) на основе парамагнитных нанозондов для достижения визуализации мелких опухолей [44].

Наночастицы для таргетированной доставки лекарств

Хотя химиотерапевтические препараты сейчас являются наиболее часто используемым лечением опухолей, у них все еще есть проблема плохого таргетированного накопления в злокачественных опухолевых областях и чрезмерного накопления в здоровой ткани [45]. Это может вызывать ингибирование активно делящихся клеток, таких как костный мозг, волосяные фолликулы, желудочно-кишечные клетки и лимфоциты, приводя к неблагоприятным реакциям, таким как подавление костного мозга, мукосит, выпадение волос и даже смерть [46]. Таргетированная доставка лекарств, относящаяся к активной дифференциации между нормальными и раковыми клетками для доставки лекарств, имеет лучшую эффективность и меньше неблагоприятных реакций, чем конвенциональное лечение [45]. Многие исследования подтвердили, что НЧ могут таргетировать химиотерапевтические препараты к раковым клеткам через активную или пассивную таргетировку [47]. Кроме того, многие эксперименты обнаружили, что НЧ также играют важную роль в таргетированной доставке иммунных препаратов [48].

Как показано на рис. 3, пассивная таргетировка часто опирается на некоторые патофизиологические характеристики опухолевой ткани, включая аномальные сосуды, температуру, pH и поверхностный заряд опухолевых клеток [49]. Например, из-за усиленного эффекта проницаемости и удержания (EPR) сосудов в опухолевой ткани, НЧ с диаметром около 400 нм могут пассивно переноситься в опухолевую ткань [50]. Однако существует много ограничений пассивного подхода к таргетировке в терминах физико-химических свойств НЧ, таких как диаметр, поверхностный заряд, молекулярный вес, гидрофобность или гидрофильность. Кроме того, пассивная таргетирующая техника недопроизводит в эффективности диффузии лекарств и показывает недостаточный EPR-эффект в опухолевых клетках [51]. Из-за недостатков пассивной таргетировки в последние годы большинство исследований о НЧ для доставки лекарств сместились к активной таргетировке (лигандной таргетировке). Таблица 3 подчеркивает некоторые недавние примеры НЧ, используемых в доставке лекарств.

Активная таргетировка (лигандная таргетировка) НЧ часто несут некоторые лиганды опухоль-специфических биомаркеров [61]. Как показано на рис. 4, когда лиганд контактирует с рецептором на поверхности опухоли, НЧ могут быть интернализированы опухолевыми клетками через рецептор-опосредованный эндоцитоз, и лекарства могут быть выпущены из-за кислого pH и специфических ферментов внутриклеточной среды [62]. Что касается таргетирующих лигандов, фолиевую кислоту, трансферрин, эпидермальный фактор роста рецептор (EGFR) и гликопротеин обычно используют в текущих исследованиях [62]. Например, Sandoval et al. наблюдали значительное обогащение лекарства и явную эффективность в лечении мышей с раком груди через EGFR-таргетированные стеариловые НЧ, оснащенные гемицитабином [63]. Pandey et al. обнаружили, что фолиевая кислота-таргетированные золотые НЧ, несущие бе berbерин гидрохлорид (BHC), могут эффективно доставлять лекарства в человеческие клетки шейки матки, экспрессирующие фолатовый рецептор [64].

В последние годы по сравнению с химиотерапевтическими препаратами, терапия геном через малые интерферирующие РНК (siRNA) рассматривалась как новая перспектива для лечения опухолей [64]. Хотя вирусы могут использоваться как транспортные средства для siRNA, вирусные векторы подтверждено вызывают вставочный мутагенез и иммуногенность [65]. В противовес, селеновые НЧ сообщают о большом потенциале как носители siRNA, потому что следовой элемент селен сам может снижать возникновение опухолей, снижать токсичность лекарств и регулировать иммунную функцию [66]. Кроме того, поверхность селеновых НЧ может загружать различные опухоль-таргетирующие моети (такие как фолат, гиалуроновая кислота и RGD-пептид) для усиления опухолевой таргетирующей способности [67]. Xia et al. сообщили, что селеновые НЧ (RGDfC-Se@siRNA), таргетированные RGDfC-пептидом, имеют отличную способность таргетировать HeLa клетки шейки матки [60]. В то же время, потому что RGDfC может специфически связываться с α_vβ₃ интегрином, который высоко экспрессируется множеством опухолевых клеток, RGDfC-Se@siRNA НЧ могут быть повторно использованы для таргетированной доставки лекарств для множества опухолей [68]. С точки зрения структуры, RGDfC-SeNPs с положительным зарядом могут плотно упаковывать негативно заряженные siRNA через их электростатическое взаимодействие [69]. Через животные эксперименты RGDfC-Se@siRNA НЧ показывают способность эффективно входить в опухолевые клетки через клатрин-ассоциированный эндоцитоз. В опухолевых клетках они могут быстро выпускать siRNA и эффективно глушить связанные гены и продвигать генерацию реактивных форм кислорода (РФК) для ингибирования пролиферации опухолевых клеток и продвижения а폽тоза опухолевых клеток [69]. Кроме того, множественные SeNPs продемонстрировали отличную биологическую безопасность и не имеют очевидного токсического повреждения печени, почек, сердца, легких, селезенки и других главных органов мышей [60, 70, 71].

В настоящее время, хотя существует много НЧ, используемых в таргетированной доставке лекарств, большинство применений все еще остаются на стадии клеточных или животных экспериментов, лишенных мощной поддержки клинического применения. Кроме того, многие НЧ вводят внутриопухольно, что ограничивает сферу применения НЧ к опухолям и лишает специальных инструментов доставки НЧ-лекарств и других методов доставки.

Поэтому изучение лучшего способа введения НЧ может быть направлением будущих исследований НЧ для таргетированной доставки лекарств. Согласно существующим академическим журналам, сосудистая интервенционная инъекция может быть выполнимым способом. В предположении, сначала локализуют положение опухолевого питательного сосуда с помощью визуализации, а затем используют проводник для введения НЧ непосредственно в питательный сосуд опухоли и контролируют движение НЧ в малом диапазоне путем одновременного приложения магнитного поля. Следовательно НЧ могут быть зафиксированы в правильном положении без влияния кровотока в сосуде. В противном случае НЧ для таргетированной доставки лекарств имеют только определенные ограничения. Таргетирующие НЧ будут влиять на системное распределение химиотерапевтических препаратов и снижать эффект химиотерапии на свободные опухолевые клетки и микрометастазы. Если они оснащены таргетированными препаратами, таргетирующий эффект имеет тенденцию усиливаться, тогда как улучшение не очевидно на основе существующих исследований. Кроме того, противоопухолевые препараты маловероятно устранят все раковые стволовые клетки сами по себе. Тем не менее, физическая терапия, основанная на физических характеристиках НЧ, имеет тенденцию быть более эффективной против раковых стволовых клеток. Поэтому многофункциональные НЧ-носители лекарств, таргетирующие доставку, кажутся целесообразными в будущем, такие как криохирургия, фототермическая терапия (PTT) и фото динамическая терапия (PDT) и т.д., для формирования многофункциональных НЧ для лечения опухолей.

Наночастицы для криохирургии

Криохирургия, техника разрушения опухолевой ткани замораживанием, имеет преимущества низкой инвазивности, низкой стоимости, меньшего внутриоперационного кровотечения и меньших послеоперационных осложнений, но есть недостатки, такие как недостаточная эффективность замораживания и замораживающее повреждение окружающих тканей [28]. Хотя защитные агенты, такие как антифризовый белок (AFP-1), использовались для помощи холодной абляции, эффект все еще не идеален [72]. С развитием нанотехнологий была предложена концепция нано-криохирургии. Базовый механизм нано-криохирургии — введение НЧ с определенными физическими или химическими свойствами в опухолевые ткани. Используя свойства НЧ, не только можно улучшить эффективность и результативность замораживания, но также можно контролировать регулировку диапазона и направления формирования ледяного шара. Таким образом, нано-криохирургия способна убивать опухолевую ткань и одновременно предотвращать замораживание окружающей здоровой ткани [73]. Преимущества нано-криохирургии показаны на рис. 5.

В криохирургии внутриклеточное формирование льда является ключом к повреждению опухолевых клеток. В то же время исследования доказывают, что НЧ могут эффективно индуцировать внутриклеточное формирование льда [28]. НЧ как внешние частицы могут индуцировать гетерогенную нуклеацию. Исследования обнаружили, что ткани, обогащенные НЧ, замерзают быстрее обычных тканей и более склонны к гетерогенной нуклеации. При одинаковых условиях замораживания формирование льда ткани с НЧ легче, что указывает на то, что НЧ могут значительно увеличить скорость и вероятность формирования льда в клетках, что может эффективнее убивать опухолевые клетки [74]. Кроме того, НЧ с металлическими оксидами значительно улучшат теплопроводность в опухолевой ткани. Например, Liu и Deng сравнили кривую температурного отклика свинины с НЧ и без НЧ. Они обнаружили, что ткани, содержащие НЧ, быстро охлаждались, и минимальная температура могла достигать -115 °C, что было намного ниже, чем в контрольной группе без НЧ.

Поскольку опухоли обычно неправильной формы, ледяные кристаллы, производимые традиционной криохирургией, склонны не покрывать всю опухолевую ткань. По сравнению с традиционной криохирургией, нано-криохирургия может легко решить эту проблему. Потому что НЧ могут проникать внутриклеточную жидкость и имеют хорошие физические свойства, такие как теплопроводность, становится возможным контролировать направление роста и направление ледяного шара распределением НЧ [73].

В криохирургии недостаточное замораживание может не полностью уничтожить опухолевую ткань, а чрезмерное замораживание может повредить смежную здоровую ткань. Особенно когда опухоль находится в тесном контакте с хрупкими органами, ее расположение глубокое или форма неправильная, повреждение здоровой ткани может быть особенно серьезным. В последние годы материалы фазового перехода (PCM), сделанные из НЧ, продемонстрировали отличный защитный потенциал для окружающих здоровых тканей во время криохирургии [75]. Например, Lv et al. микрокапсулировали фазовые наночастицы с большой латентной теплотой и низкой теплопроводностью через липосомы, и перед криохирургией инъектировали микрокапсулированные фазовые наночастицы в здоровые ткани вокруг опухоли и обнаружили, что избежали низкотемпературного повреждения здоровой ткани [76].

Хотя НЧ широко использовались в криохирургии, все еще существует ряд недостатков. Во-первых, все еще невозможно контролировать НЧ in vitro, что приводит к неравномерному распределению НЧ в опухолевой ткани и неудовлетворительной ожидаемой функции. Во-вторых, хотя существует множество магнитных наночастиц, фактический эффект in vitro магнитного поля на контроль НЧ все еще не идеален. Кроме того, нано-криохирургия лишена клинических экспериментальных исследований, и многие НЧ все еще находятся на лабораторной стадии.

Применение НЧ в холодной абляции можно обще разделить на два типа: синергетический эффект и защитный эффект, которые различаются в терминах требований к дизайну НЧ и распределению in vivo. В будущем нано-криохирургия может быть ассистирована различными НЧ, а именно, синергетические НЧ распределяются внутри опухоли, в то время как защитные НЧ — вокруг опухоли. Кроме того, многие нано-позиционирующие устройства, такие как проколочный 3D-печатный копланарный шаблон (3DPCT), который в настоящее время используется для позиционирования опухоли перед радиоактивной имплантацией частиц, могут использоваться в криохирургии. Перед криохирургией защитные НЧ могут быть проколоно внедрены вокруг опухоли для защиты окружающей здоровой ткани с помощью 3D-печатного копланарного шаблона (3DPCT) и КТ-навигации. НЧ смогут ассистировать криохирургические ледяные шары покрывать неправильные края опухоли. Затем синергетические НЧ будут введены в опухолевую ткань через заранее заданное место прокола абляции или сосудистую интервенцию для выполнения холодной абляции. Эта нано-криохирургическая техника может не только преодолеть трудности холодной абляции неправильных опухолей, но и увеличить эффект холодной абляции и снизить повреждение здоровой ткани. Этот метод может стать будущим направлением исследований нано-криохирургии. Таблица 4 подчеркивает некоторые недавние примеры НЧ, используемых в криохирургии.

Наночастицы для PTT и PDT

В настоящее время фототермическая терапия (PTT) и фото динамическая терапия (PDT), основанные на наночастицах (НЧ), проявили преимущества сильной эффективности, малой инвазивности и мягких неблагоприятных эффектов при лечении опухолей (Рис. 6) [80]. Помимо прямого убийства опухолевых клеток, фрагменты мертвых опухолевых клеток, произведенные PDT и PTT лечением, могут использоваться как потенциальные антигены для запуска непрерывного иммунного ответа, называемого фототермической и фото динамической иммунотерапией [81]. Наночастицы, спроектированные на основе концепции PTT лечения, — новый тип наноматериалов преобразования света в тепло, которые могут конвертировать световую энергию в тепловую для убийства раковых клеток. По сравнению с традиционными фототермическими конверсионными материалами, наночастицы имеют много преимуществ. Во-первых, НЧ могут достигать эффекта таргетированного накопления в опухоли через модификацию поверхности частиц, что способствует более высокой способности накопления в целевой опухоли [82, 83]. Во-вторых, наночастицы имеют лучшие возможности визуализации, чем традиционные фототермические материалы, что позволяет точно позиционировать их КТ, МРТ и фотоакустической визуализацией [84, 85]. Таргетированные наночастицы, синтезированные Pan et al., могут выполнять PTT под 0,2 Вт/см² NIR для индукции а폽тоза опухолевых клеток путем разрушения ДНК ядра опухолевых клеток и ингибирования процесса восстановления ДНК [86]. Таблица 5 перечисляет некоторые недавние примеры НЧ, используемых в PDT и PTT.

Кроме того, некоторые исследования обнаружили, что наночастицами-опосредованная PTT может реверсировать множественную лекарственную устойчивость (MDR) опухолей. Переэкспрессия лекарственных транспортеров, белка, ассоциированного с множественной лекарственной устойчивостью 1 (MRP1), и P-гликопротеина (p-gp) обычно считаются причиной MDR в различных опухолях [95]. Например, многофункциональные светово-триггерные наночастицы, спроектированные Li et al., могут ингибировать экспрессию MRP1 в PTT, что последовательно реверсирует лекарственную устойчивость клеток A549R [96]. Wang et al. сообщили, что как золотые наночастицы, так и углеродные наночастицы могут преодолеть устойчивость к DOX путем продвижения экспрессии тримера теплового шокового фактора в PTT, тем самым ингибируя генерацию p-gp [97, 98]. Кроме того, наночастицами-опосредованная PTT может также увеличить эффективность химиотерапии путем разрушения целостности мембран опухолевых клеток [99].

PDT — это лечение, использующее селективное удержание фотосенсибизирующих веществ (PS) в опухолевой ткани под активацией специфической длины волны возбуждающего света и присутствием молекулярного кислорода для производства синглетного кислорода и других реактивных форм кислорода, что приводит к а폽тозу и некрозу опухолевых клеток [100]. Однако традиционные PS имеют плохую опухолевую таргетированность, плохое растворимость и нестабильность, что делает их уязвимыми для внутренней среды [100]. Наночастицы-носители, модифицированные таргетирующими молекулами, могут не только улучшить стабильность и биосовместимость PS, но и доставлять PS к целевым клеткам, что улучшает эффективность и снижает неблагоприятные эффекты [100]. Кроме того, некоторые распространенные наноматериалы, как золотые наностержни, имеют отличные PTT-эффекты сами по себе. Например, Vankayala et al. обнаружили, что воздействие золотых наностержней ближним инфракрасным светом (915 нм) способно эффективно индуцировать генерацию синглетного кислорода [100].

В последние годы роль ап-конверсионных (UC) наночастиц в PDT привлекла много внимания. НЧ могут конвертировать длинноволновое световое возбуждение в множественные коротковолновые, что позволяет UC заменять традиционное PS-зависимое коротковолновое возбуждающее световое излучение на близкое инфракрасное излучение с сильной способностью проникновения в ткани [101]. Например, Li et al. разработали двухдиапазонно люминесцирующие лантанидные наночастицы как носитель PS. Эти UC наночастицы полагаются на длину волны возбуждающего света 808 нм для достижения образ-навигационной PDT без влияния на сигналы визуализации [102].

Поскольку большинство фоточувствительных материалов, используемых в фотерапии, являются металлами, биосовместимость НЧ, спроектированных для неорганических наноматериалов, таких как металлические ионы, все еще нуждается в улучшении.

НЧ-опосредованная фотерапия теперь зачисляется не только за эффективность против опухолей, но и за потенциал свободного внутреннего пространства наночастиц, так как терапия использует только физические свойства скелета НЧ. Поэтому НЧ часто делают многофункциональными PDT и PTT. В будущем такие НЧ могут быть спроектированы как посвященные НЧ для раковых стволовых клеток, нечувствительных к химиотерапии. Раковые стволовые клетки долгое время находятся в спящем состоянии и имеют множество лекарственно-устойчивых молекул, поэтому трудно убить их конвенциональными методами, такими как химиотерапия, тогда как световая терапия более эффективна физическим убийством раковых стволовых клеток. В будущем нанофизическая терапия может использоваться со многими другими техниками, такими как многофункциональные НЧ для фототермической терапии после криохирургии. Многофункциональные НЧ-опосредованная терапия может полностью реализовать свои характеристики низких побочных эффектов, сильной локальной летальности и убийства раковых стволовых клеток. Кроме того, поскольку нанофизическая терапия имеет локальный убийственный эффект и может эффективно убивать раковые стволовые клетки, она может стать методом лечения микрометастазов.

Наночастицы для лучевой терапии

Лучевая терапия (RT) — техника лечения опухолей, убивающая локальные клетки ионизирующим излучением, генерируемым лучами, и в настоящее время эффективное лечение для многих первичных и метастатических солидных опухолей [103]. Эксперименты доказывают, что лучевая терапия может эффективно убивать раковые стволовые клетки [104]. Однако как еще больше улучшить эффективность лучевой терапии — все еще серьезный вызов. В последние годы наночастицы в области лучевой терапии продемонстрировали сильные радиосенсибилизационные возможности, способности таргетированной доставки радиосенсибизирующих препаратов и возможности усиления визуализации навигации [105]. В настоящее время наиболее популярные наночастицы делаются из высоко-Z (атомного номера) металлических материалов, которые характеризуются химической инертностью и сильной способностью поглощения излучения. Они производят различные реакции, такие как фотоэлектрический эффект и эффект Комптона после поглощения излучения, тем самым выпуская различные частицы, такие как оптоэлектроны, Комптон-электроны и Оже-электроны. Эти электроны реагируют с органическими молекулами или водой в опухолевых клетках для генерации большого количества свободных радикалов, приводя к синергетической химиотерапии [106]. Обычные химиосенсибизирующие НЧ в настоящее время классифицируются как благородные металлы, оксиды железа и полупроводники по материалам.

Благородные металлические НЧ делаются из высоко-атомных металлов, таких как золото, серебро, гадолиний, гафний, платина, висмут и др. [107]. Среди них золотые наночастицы стали самыми популярными НЧ благодаря их хорошей биосовместимости, химической стабильности и относительно сильному фотоэлектрическому коэффициенту поглощения [108]. В 2000 году Herold et al. открыли химиосенсибизирующую способность золотых наночастиц в киловольтных рентгеновских лучах. В настоящее время конкретный механизм химиосенсибилизации золотых наночастиц все еще не ясен, и основное мнение считает, что он зависит от фотоэлектрической поглощающей способности высокого атомного номера [109]. Помимо этого, есть исследования, предполагающие, что присутствие золотых НЧ улучшает химиосенсибилизацию ДНК к излучению, что увеличивает ДНК-повреждение, индуцированное ионизирующим излучением (IR). В то же время золотые НЧ могут катализировать механизм радиосенсибилизации, такой как генерация свободных радикалов [105]. Например, Liu обнаружил, что AuNPs могли значительно увеличить производство гидроксильных радикалов, а также убивающий эффект рентгеновских лучей и быстрых углеродных ионов на клетки [110]. Гипотеза механизма химиосенсибилизации других благородных металлов похожа на золотые наночастицы. В частности, платиновые НЧ имеют противоопухолевой эффект из-за своей природы. Следовательно, платиновые НЧ ожидают играть роль химиотерапии и лучевой терапии одновременно. Однако количество соответствующих исследовательских отчетов недостаточно, и сенсибилизационный эффект платиновых НЧ также под вопросом. Например, Charest et al. сообщили, что липосомная формуляция цисплатина могла увеличить поглощение платины опухолевыми клетками и одновременно усилить убийство клеток F98 глиомы γ-лучами [111]. Напротив, Jawaid et al. сообщили, что платиновые НЧ снижали генерацию реактивных форм кислорода (РФК) и эффективность лучевой терапии во время химиотерапии [112].

Наночастицы оксида железа (IONs), особенно суперпарамагнитный магнетит Fe₃O₄, проявили большой потенциал в образ-навигационной лучевой терапии опухолей, потому что они способны усиливать дозу лучевой терапии и МРТ визуализацию, тогда как их сенсибилизационный механизм все еще не ясен. Его сенсибилизационный механизм все еще не ясен. Некоторые исследования считают, что наночастицы оксида железа в основном катализируют генерацию РОК через реакцию Фентона и реакцию Хабера-Вейсса. Затем высокореактивные РОК убивают опухоли [112, 113, 115]. Другие исследования предполагают, что механизм зависит от радиосенсибилизации и синергетических эффектов магнитных наночастиц. Как сообщил Khoei, наночастицы оксида железа могут улучшить радиосенсибилизацию клеток рака простаты in vitro [116]. Huang et al. указали, что перекрестно-связанные декстран-покрытые IONs (CLIONs) могли быть интернализированы клетками HeLa и EMT-6 мышиного рака груди, что усиливает лучевую терапию [117]. Хотя синергетический эффект наночастиц оксида железа очевиден, их биологическая безопасность все еще нуждается в улучшении. Многие исследования доказали, что биосовместимость и химическая стабильность наночастиц оксида железа под вопросом, и они имеют определенную токсичность [118].

Полупроводниковые НЧ, как кремнеземные НЧ, также были найдены с синергетическим эффектом на лучевую терапию. Например, Zhang et al. использовали анализ потоковой цитометрии и MTT-эксперименты, чтобы обнаружить, что мезопористые кремнеземные НЧ могут эффективно усилить лучевую терапию глиобластомы [119]. He et al. сообщили механизм радиоактивного усиления кремнеземных НЧ. Он обнаружил, что под рентгеновским облучением кремнеземные наночастицы могли производить мелкие гидроксильные радикалы, которые могут эффективно убивать опухолевые клетки [120].

В настоящее время, хотя многие эксперименты подтвердили, что НЧ способны сенсибилизировать лучевую терапию, конкретный механизм сенсибилизации все еще неясен, что препятствует разработке новых сенсибилизирующих НЧ. Суствуют некоторые доктрины, как сенсибилизация химиотерапии, продвигающая генерацию свободных радикалов. Тем не менее, отсутствует количественная взаимосвязь между количеством генерации свободных радикалов, интенсивностью излучения и физическими данными наночастиц. Кроме того, большинство сенсибилизирующих НЧ делаются из высоко-атомных металлов. Эти металлы имеют много недостатков в человеческом теле, такие как трудность в само-метаболизме и биодеградации. В то же время, длительное накопление металлов произведет токсичность, что ограничивает безопасное использование радиосенсибилизирующих НЧ. Более того, по сравнению с радиосенсибилизирующими НЧ, меньше исследований фокусировались на НЧ, которые могут предотвращать неблагоприятные реакции лучевой терапии и защищать здоровые ткани. Исследования на радио-защитные НЧ невелики по количеству.

В будущем поиск материала НЧ, который может метаболизироваться почками, биометаболизироваться, биосовместимый, стабильный по физико-химическим свойствам и интринсически менее токсичный, или поиск поверхностной модификации, которая может помочь организму метаболизировать НЧ, может стать направлением исследований для сенсибилизирующих НЧ. Кроме того, хотя было много исследований НЧ на мультифункциональность, а именно одновременную сенсибилизацию лучевой терапии и химиотерапии, в этой области все еще много потенциалов, достойных фокуса в будущем. Разработка защитных НЧ, которые могут защищать нормальные ткани вокруг лучевой терапии и облегчать плохую защиту от лучевой терапии, также может стать направлением исследований.

Заключение

Плохой терапевтический эффект, неэффективная таргетирующая способность, различные побочные эффекты и потенциальный биологический риск — некоторые неблагоприятные атрибуты конвенциональной терапии и диагностики рака. В последние годы передовые нанотехнологии и молекулярная клеточная биология продвинули применение НЧ в онкологии. Не только металлические НЧ, но и многие липидные, нуклеинокислотные и кремнеземные НЧ проявили явное превосходство в диагностике и лечении рака. Более того, новое поколение НЧ больше не ограничивается соло, а множественными функциями. Например, золото-покрытые поли(лактид-ко-гликолид) (PLGA) НЧ, оснащенные PD-1 блокерами, спроектированные Luo et al., могут не только таргетировать доставку лекарств, но и медиать PTT терапию [121]. (Pd @ Au) / Fe3O4 Спирулина НЧ с доксорубицином, созданные Wang et al., продемонстрировали функции фототермической терапии, доставки химиотерапевтических препаратов и магнитного поля контроля в клеточных экспериментах [122]. Многофункциональные наночастицы станут трендом будущих исследований.

В настоящее время мы обнаружили, что большинство наночастиц остаются только на стадиях in vivo и in vitro. Согласно этому обзору, мы считаем, что следующие причины препятствуют клиническому применению НЧ.

1. (i)

   Нехватка путей и методов инъекции

Большинство НЧ вводят в организм через пункцию или внутривенную инъекцию. Поэтому кровоток уносит НЧ, затрудняя их длительное пребывание в целевой зоне, что приводит к тому, что лишь немногие НЧ могут быть aufgenommen опухолевыми клетками. Низкоконцентрационные препараты не могут произвести ожидаемый терапевтический эффект, и низкоконцентрационные НЧ также влияют на физические эффекты убийства PDT, PTT, криохирургии и лучевой терапии. По нашему мнению, магнитная платформа НЧ может быть решением. Существует много in vitro и in vivo экспериментов, доказавших выполнимость использования трехмерного магнитного поля для контроля движения НЧ против кровотока [122, 123, 125]. Однако как решить интерференцию человеческого тела с магнитным полем, как решить влияние столкновения кровяных клеток с НЧ и как контролировать большое количество НЧ в группе — все еще в открытии.

1. (ii)

   Трудность локализации НЧ in vivo

По сравнению с человеческим телом, размер НЧ слишком мал. Даже если НЧ загружены флуоресцентными белками, все еще трудно для конвенционального оборудывания визуализации (КТ, рентген, МРТ) локализовать НЧ в человеческом теле в реальном времени. Для решения этой проблемы фотоакустическая вычислительная томография (PACT) может быть решением. Фотоакустическая вычислительная томография (PACT) достигла высокого пространственно-временного разрешения (125 мкм вплоскостное разрешение и 50 мкс кадр⁻¹ 획득 данных), глубокого проникновения (48 мм проникновения тканей in vivo) и анатомических и молекулярных контрастов [126]. Благодаря отличной производительности PACT имеет большой потенциал в локализации НЧ in vivo. PACT-направленная микророботизированная система, спроектированная Wu et al., достигла контролируемого движения и удержания груза in vivo НЧ с диаметром 50 мкм [127]. Хотя текущие разрешение и глубокое проникновение PACT все еще недостаточны, оно превосходит конвенциональное оборудование визуализации (КТ, рентген, МРТ) в терминах позиционирования НЧ визуализации.

1. (iii)

   Трудность деградации в человеческом теле

Хотя НЧ делаются из материалов с высокой биобезопасностью, все еще существует риск повреждения печени, почек и других органов, если они долго остаются в теле и не могут быть деградированы или экскретированы. Использование материалов, которые будут дезинтегрированы после облучения ближним инфракрасным светом, для фабрикации НЧ может быть решением этой проблемы. Недавно все больше НЧ производят из этих материалов. Такие НЧ медиают PTT, одновременно загружая лекарства, в то время как вещества, произведенные дезинтеграцией НЧ, могут быть быстро метаболизированы человеческим телом. Кроме того, использование более биосовместимых и деградируемых материалов для приготовления наночастиц также является решением. Например, поверхность хитозана положительно заряжена и может быть разрушена колоночной флорой, что облегчает взаимодействие с конкретными тканями и может метаболизироваться организмом. Биосовместимость и деградабельность хитозана доказана как не токсичная при подходящих концентрациях лекарств [128].

1. (iv)

   Трудность избегания мононуклеарного фагоцитарного системы (MPS)

В биологических жидкостях НЧ адсорбируют белки, образуя коронарий слой, называемый в более широком смысле «белковой короной», дающий биологическую идентичность НЧ и изменяющий их биологические характеристики, что привлекает MPS, особенно макрофаги, к поглощению НЧ [129]. Для избегания поглощения MPS, различные полимерные покрытия, такие как полиэтер, полибетаин (PB) и полиолы, исследовались для покрытия НЧ. Например, полиглицерол-графтированные НЧ способны избегать поглощения макрофагами за счет снижения адсорбции белков [130]. Кроме того, существуют два типа опухолевых ассоциированных макрофагов (TAM), M1 и M2. M1 макрофаги ингибируют рост опухоли, в то время как M2 макрофаги продвигают рост опухоли. Поэтому, вместо избегания макрофагов, проектирование НЧ, таргетированных на макрофаги, путем регуляции функции макрофагов и даже использования макрофагов как новых носителей лекарств для 발휘вания противоопухолевых эффектов, может стать новым решением. В настоящее время общие стратегии дизайна таких НЧ включают ингибирование рекрутмента макрофагов, истощение TAM, репрограммирование TAMs и блокирование пути CD47-SIRPα [131]. Среди них, следуя концепции дизайна репрограммирования или блокирования пути CD47-SIRPα, НЧ, реполяризующие M2 макрофаги в M1 тип, совершили прорыв в in vivo экспериментах [132].

Учитывая вышеуказанные трудности и ссылаясь на передовые исследования, мы придумываем новый возможный дизайн НЧ. Скелет НЧ сделан из пиролитического материала (спирулина, экзосомы и др.). Затем фототермические материалы (Au, Pd и др.) осаждаются на скелет НЧ через бесэлектролитическое покрытие. После этого суперпарамагнитный оксид железа будет загружен на поверхность НЧ через соль-гель метод. Затем подходящие полимеры (полибетаин, полиглицерол и др.) покроют НЧ. Наконец, лекарство (как доксорубицин) будет загружено на НЧ. После этого, под навигацией PACT, НЧ будут инъецированы вверх по течению опухолевого питательного сосуда, и опухоль будет облучена NIR. Одновременно дается трехмерный магнитный контроль для максимизации накопления НЧ в месте опухоли. Через этот дизайн большое количество НЧ накопятся в месте опухоли, обеспечивая концентрацию лекарства и эффект PTT. Одновременно большинство НЧ будут декомпозированы в месте опухоли, и лишь небольшое количество НЧ будет циркулировать в теле.

В настоящее время противоопухолевая терапия с НЧ как основой все еще на исследовательской стадии, и связанные технологии и оборудование должны быть изобретены, поэтому в краткосрочной перспективе маловероятно клиническое применение. Однако НЧ могут изменить часть функции или структуру многих реальных технологий. Обновление реальных технологий ожидается к быстрому клиническому применению, что способствует обновлению диагностики и лечения опухолей вследствие. Например, НЧ могут помочь развить электрохимические устройства на основе взаимодействия ионов и проводимых полимеров, такие как органические электрохимические транзисторы (OFETs), электролит-гатированные полевые транзисторы (FETs), fin-полевые транзисторы (FinFETs), туннельные полевые транзисторы (TFETs), электрохимические lab-on-chips (LOCs) [133]. Эти электрохимические устройства широко используются в различных приборах тестирования и диагностики опухолей. Использование НЧ может помочь улучшить точность оборудования и сократить время детекции. Многие исследования указывают, что медицинское оборудование, использующее электронные компоненты, обновленные НЧ, уже применены клинически [133, 134, 136].

Основываясь на приведенных выше доказательствах, будущие исследования НЧ могут не только фокусироваться на самих НЧ, но и рассматривать выполнимую платформу администрирования и оценки эффективности. Кроме того, платформа должна иметь возможность мониторить иммунотоксичность, долгосрочную токсичность и нейротоксичность НЧ. По мере развития нанотехнологий, если эти проблемы будут решены, НЧ станут идеальным подходом для модернизации терапии и диагностики рака.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Аббревиатуры

NPs:

Наночастицы

PDT:

Фото динамическая терапия

PTT:

Фототермическая терапия

SPR:

Эффект плазмонного резонанса

Au NRs:

Золотые наностержни

SI-ATRP:

Поверхностно-инициализированная атомно-трансферная радикальная полимеризация

NIPAAM:

N-изопропилакриламид

US:

Ультразвук

MSNs:

Мезопористые кремнеземные наночастицы

USMO:

Ультрамалые оксиды марганца

GEM:

Гемицитабин

OINPs:

Кислород/индицианин-грун загруженные липидные наночастицы

PA:

Фотоакустический

MPI:

Магнитная частицевая визуализация

MRI:

Магнитно-резонансная томография

SPIO:

Суперпарамагнитный оксид железа

USPIO:

Ультрамалые SPIO

OCT:

Оптическая когерентная томография

MMOCT:

Магнитомоторная оптическая когерентная томография

mAb:

Монохлональное антитело

DOX:

Доксорубицин

5-FU:

5-фторурацил

FA:

Фолиевая кислота

PTX:

Паклитаксел

ROS:

Реактивные формы кислорода

EPR:

Эффект усиленного проникновения и удержания

EGFR:

Эпидермальный фактор роста рецептор

BHC:

Бе berbерин гидрохлорид

AFP-1:

Антифризовый белок

PCMs:

Материалы фазового перехода

3DPCT:

3D-печатный копланарный шаблон

RCDs:

Амино-богатые красные эмиссивные углеродные точки

COF:

Ковалентная органическая структура

ICG:

Индицианин грин

HSA:

Сывороточный альбумин

MDR:

Множественная лекарственная устойчивость

MRP1:

Белок, ассоциированный с множественной лекарственной устойчивостью 1

p-gp:

P-гликопротеин

PSs:

Фотосенсибизирующие вещества

UC:

Ап-конверсия

RT:

Лучевая терапия

PLGA:

Поли(лактид-ко-гликолид)

PACT:

Фотоакустическая вычислительная томография

MPS:

Мононуклеарная фагоцитарная система

PB:

Полибетаин

TAM:

Опухолевые ассоциированные макрофаги

OFETs:

Органические электрохимические транзисторы

FETs:

Электролит-гатированные полевые транзисторы

FinFETs:

Fin-полевые транзисторы

TFETs:

Туннельные полевые транзисторы

LOCs:

Электрохимические lab-on-chips