Fluorescence Imaging

Úvod

Molekulární protinádorových léčiv, včetně malých molekul, protilátky, peptidy, nukleové kyseliny, jsou jedním z mála životaschopných možností léčby pro delokalizována, metastazující, a neoperovatelnými nádory, stejně jako nádory, které nemohou být zjištěny pomocí konvenčních klinických zobrazovacích modalit . Léčba chirurgicky operovat nádory s molecular therapeutics je také žádoucí, protože jsou méně invazivní než operace, a mají potenciál způsobit menší poškození okolní zdravé tkáně . V ideálním případě se molekulární terapeut bude selektivně lokalizovat do místa nádoru po intravenózním podání. Jakmile je lokalizován do nádorové tkáně, terapeutický buď vymýtí rakovinné buňky, nebo způsobí, že se vrátí zpět do klidového stavu. Ve skutečnosti terapeutické molekuly čelí řadě biologických bariér, které jim brání v selektivní lokalizaci na místo působení v aktivní formě . Nukleové kyseliny therapeutics, včetně siRNA, mohou být inaktivovány endogenními nukleázami, zatímco mnoho chemoterapeutické molekuly jsou izolováni v off-cílové buněčné populace . Chemoterapeutika s malými molekulami, která interagují s cílovými rakovinnými buňkami, mohou být vyloučena transportéry efluxu léků . Fyzikální bariéry, včetně endotelu, mohou omezit transport terapeutických molekul z vaskulatury do nádorových tkání . Terapeutické molekuly, které obcházejí endotel a vstupují do mikroprostředí nádoru, se mohou před interakcí s cílovými buňkami difundovat zpět do systémové cirkulace . Bariéry na buněčné úrovni, včetně plazmatické membrány, mohou zabránit intracelulární akumulaci terapeutických molekul .

neúčinnost, s níž se mnoho tříd molekulárních protinádorových léčiv lokalizuje ze systémového oběhu do místa působení, je významnou výzvou, která čelí jejich klinickému překladu. Coformulation molekulární terapeutické s nano terapeutické dodání vozidla (NDV), může zvýšit jeho selektivní lokalizace na webu akce .

NDV jsou nanomateriály, typicky v rozsahu od 10 do 100 nm, které jsou složeny z organických sloučenin, jako jsou lipidy a polymery a / nebo anorganické materiály včetně zlata, oxidu železa a oxidu křemičitého . Sám, NDV obvykle nemají terapeutické schopnosti. Místo toho působí jako nosič a transportují molekulární terapeutika z místa podání do místa působení. Po lokalizaci na místo působení NDV uvolňuje svůj terapeutický náklad, což mu umožňuje selektivní interakci s jeho molekulárním cílem(molekulárními cíli). Díky své jedinečné velikostní škále NDV interagují s biologickými systémy způsoby, které se zásadně liší od molekulárních terapeutik. Výsledkem je, že NDV mohou překonat mnoho biologických transportních bariér, kterým čelí molekulární terapeutika. Většina NDV je větší než velikost mezní hodnoty glomerulární filtrace v ledvinách . Ve stejnou dobu, dobře dispergované NDV jsou obvykle menší než mezní velikost slezinové filtrace . Výsledkem je, že NDV jsou fyzicky omezeny na vaskulární kompartment, což jim umožňuje cirkulovat v krvi po delší dobu.

Zatímco NDVs jsou větší než interendothelial křižovatek ve zdravých tkáních, které jsou často menší, než rozšířené póry endotelové do cévního řečiště z rychle rostoucí nádory . Po extravazaci do mikroprostředí nádoru umožňuje relativně velká velikost NDV jeho zadržení v tkáni . Funkcionalizací povrchu NDV neutrálními hydrofilními molekulami lze minimalizovat jeho asociaci v mimocílových buňkách . Následným připojením cílených molekul lze podpořit interakci NDV s populací cílových buněk. NDVs mohou být internalizovány do rakovinné buňky tím, že endocytóza, což jim umožňuje obejít efluxními transportéry, a může být navržen tak, aby uniknout z endosome, které jim umožní poskytovat therapeutics specifických subcelulárních kompartmentů . Kromě překonání mnoha překážek, kterým čelí dodání molecular therapeutics, NDVs může také zvýšit rozpustnost hydrofobních terapeutické molekuly, které nejsou vhodné pro přímé správy .

byla úspěšně vyvinuta řada NDV formulací, které dodávají molekulární protinádorová léčiva specificky do místa jejich působení. Některé chemoterapeutika coformulated s liposomy a polymerní nanostruktury byly dokonce přeloženy do klinické praxe . Tyto formulace ukázaly značné snížení nežádoucích vedlejších účinků ve srovnání s podáváním volných terapeutických molekul . Klinický a preklinický výkon mnoha NDV byl však zklamáním. Zatímco NDV prokázaly úspěch v omezování off-cílové toxicity tím, že se zabránilo akumulaci v citlivých tkáních, mnoho formulací poskytuje malé zlepšení terapeutického výsledku . Stejně jako molekulární terapeutika, NDV čelí biologickým bariérám, které jim brání v efektivní lokalizaci na místo působení. Například, NDVs může být rychle mizí z krve po intravenózním podání makrofágy v mononukleárním fagocytárním systému (MPS) s bydlištěm v játrech, slezině, kostní dřeně a lymfatických uzlin . Makrofágy MPS se specializují na rozpoznání, pohlcení a zničení cizích částic a buněčných zbytků. V nádorovém vaskulárním loži je propustnost endotelových pórů často nerovnoměrná, přičemž některé oblasti nádoru jsou vysoce propustné pro NDV, zatímco jiné nejsou . Výsledkem je, že NDV často perfuzují mikroprostředí nádoru nerovnoměrně. NDV, které extravazují do mikroprostředí nádoru, lze zabránit difúzi v husté kolagenní extracelulární matrici, která obklopuje nádorové buňky .

díky svým rozměrům nanometrů mají NDV obrovskou svobodu designu. Variace ve struktuře NDV, včetně jeho velikosti, tvar, povrchová chemie, a složení, může mít dramatický vliv na jeho obchodování v biologickém systému. Dosud, není jasné, jak struktura NDV ovlivňuje jeho biologické interakce, což ztěžuje využití svobody designu k překonání biologických bariér, kterým čelí . Výsledkem je, že většina NDV je formulována na základě principů návrhu ad-hoc a intuice designéra. Schopnost dynamicky sledovat proces dodávky, včetně transportu NDV v biologickém systému a jeho terapeutického profilu uvolňování, může poskytnout kritickou zpětnou vazbu během procesu návrhu. Dynamické sledování umožňuje návrháři identifikovat specifické biologické bariéry bránící lokalizaci NDV na cílové místo . Například, NDV, který je určen k rozptýlené hluboko v mikroprostředí nádoru může být izolován v perivaskulárních prostor obklopující nádorové cévy. Alternativně může NDV, který je určen k internalizaci v cílové buněčné populaci, místo toho ulpívat pouze na buněčné membráně. Další formulace NDV se může internalizovat v cílové buňce, ale nemusí účinně uvolňovat svůj terapeutický náklad. V těchto scénářích poskytuje identifikace příslušné biologické bariéry návrháři cenné informace, které lze použít k přeformulování NDV k překonání bariéry. Ve stejné době, dynamicky sledování terapeutického procesu doručení poskytuje základní vhled do mechanismů, které NDVs interakci s biologickými systémy a může být použit ke stanovení vztahů mezi designem NDV a jeho výsledné biologické chování . Tyto informace lze použít k vedení návrhu nových formulací NDV.

pro sledování NDV pomocí optického zobrazování musí generovat optický kontrast. Většina konvenčních NDV, včetně liposomů, polymerních nanočástic, nanočástic oxidu železa a nanočástic zlata, však endogenně nevytváří optický kontrast. Místo toho musí být modifikovány exogenními optickými štítky, jako jsou molekulární fluorofory. Modifikace NDV s exogenním štítkem má však několik nevýhod. Pokud je štítek připevněn k povrchu NDV, může podporovat mimo cílové interakce. Například exogenní štítky mohou usnadnit rozpoznání NDV makrofágy MPS rezidentními v tkáni, což zvyšuje rychlost clearance krve . Druhý, exogenní štítek může negativně ovlivnit fyzikálně-chemické vlastnosti NDV, mění účinnost a dynamiku terapeutického zatížení a uvolňování . Konečně, exogenní štítky se mohou během obchodování v biologickém systému disociovat od NDV, produkovat artefakty během zobrazovacího procesu . Aby se předešlo těmto nevýhodám, je žádoucí, aby NDV byla formulována za použití nanomateriálové platformy, která má endogenní optický kontrast. Polovodičové nanokrystaly, také známé jako kvantové tečky (QDs), jsou jednou takovou nanomateriálovou platformou . Když QD je nadšený, že s fotony světla s dostatečnou energii, elektron ve své valenční pásmo je povýšen do vedení kapely, vytvoření excitovaného elektronu-díra páru. Pokud je QD složen z polovodiče s přímou pásmovou mezerou, de-excitace páru elektron-díra vede k emisi fotonu světla. Vlnová délka emitovaného fotonu závisí jak na velikosti QD, tak na jeho chemickém složení. Kromě generování endogenního optického kontrastu mají QDs také velký funkční povrch, který může být naroubován terapeutickými molekulami. To umožňuje QD působit jako terapeutické doručovací vozidlo v nanoměřítku (NDV). Qd, které působí jako NDV, se nazývají theranostické kvantové tečky, protože kombinují diagnostické schopnosti jádra QD s terapeutickými schopnostmi připojených terapeutických molekul .

tato kapitola se zabývá vývojem a aplikací theranostických QDs. První část pojednává o návrhu a syntéze theranostických QDs. Druhá část zdůrazňuje, že uplatňování theranostic Zp pro sledovatelné terapeutické dodání, ukazuje, jak mohou být použity k ověření a optimalizaci formulace, k objasnění základních mechanismů interakce s biologickými systémy, a rozvíjet vztahy mezi strukturou a aktivitou. Navzdory rostoucímu počtu předklinických studií prokazujících potenciál QDs pro diagnostické i terapeutické aplikace, na kliniku nebyly přeloženy žádné formulace založené na QD. Třetí část pojednává o toxicitě jako hlavní bariéře klinického translace Theranostických QDs. Poslední část končí tím, že diskutovat o budoucí vývoj v této oblasti, s důrazem na potřebu theranostic Zp, které mohou být snadno převedeny do klinické praxe.