introduktion
molekylære anticancerterapeutika, inklusive små molekyler, antistoffer, peptider og nukleinsyrer, er en af de få levedygtige behandlingsmuligheder for delokaliserede, metastatiske og inoperable tumorer såvel som tumorer, der ikke kan påvises ved hjælp af konventionelle kliniske billeddannelsesmetoder . Behandling af kirurgisk opererbare tumorer med molekylær terapi er også ønskelig, da de er mindre invasive end kirurgi og har potentialet til at forårsage mindre skade på omgivende sunde væv . Ideelt set vil en molekylær terapeutisk lokaliseres selektivt til et tumorsted efter intravenøs administration. Når det er lokaliseret til tumorvævet, vil det terapeutiske enten udrydde kræftcellerne eller få dem til at vende tilbage til en hvilende tilstand. I virkeligheden står terapeutiske molekyler over for en række biologiske barrierer, der forhindrer dem i selektivt at lokalisere til handlingsstedet i en aktiv form . Nukleinsyreterapeutika, inklusive siRNA, kan inaktiveres af endogene nukleaser, mens mange kemoterapeutiske molekyler sekvestreres i cellepopulationer uden for målet . Kemoterapeutika med små molekyler, der interagerer med målkræftceller, kan udvises af lægemiddeludstrømningstransportører . Fysiske barrierer, herunder endotelet, kan begrænse transporten af terapeutiske molekyler fra vaskulaturen ind i tumorvævene . Terapeutiske molekyler, der omgår endotelet og kommer ind i tumormikromiljøet, kan diffundere tilbage i systemisk cirkulation, før de interagerer med målceller . Barrierer på cellulært niveau, herunder plasmamembranen, kan forhindre intracellulær akkumulering af terapeutiske molekyler .
den ineffektivitet, som mange klasser af molekylære anticancerterapeutika lokaliserer fra systemisk cirkulation til handlingsstedet, er en betydelig udfordring for deres kliniske oversættelse. Coformulering af en molekylær terapeutisk med et nanoskala terapeutisk leveringskøretøj (NDV) kan forbedre dets selektive lokalisering til handlingsstedet .
ndv ‘ er er nanomaterialer, der typisk varierer i størrelse fra 10 til 100 nm, der er sammensat af organiske forbindelser såsom lipider og polymerer og/eller uorganiske materialer, herunder guld, jern og silica . Alene har ndv ‘ er typisk ikke terapeutiske evner. I stedet fungerer de som en bærer, der transporterer molekylære terapeutiske midler fra administrationsstedet til handlingsstedet. Efter lokalisering til handlingsstedet frigiver NDV sin terapeutiske last, hvilket gør det muligt at interagere selektivt med dets molekylære mål. På grund af deres unikke størrelsesskala interagerer ndv ‘ er med biologiske systemer på måder, der er fundamentalt forskellige fra molekylær terapi. Som et resultat kan ndv ‘ er overvinde mange af de biologiske transportbarrierer, der står over for molekylær terapi. De fleste ndv ‘ er er større end den glomerulære filtreringsafskæringsstørrelse i nyrerne . Samtidig er godt dispergerede ndv ‘ er typisk mindre end miltfiltreringsafbrydelsesstørrelsen . Som et resultat er ndv ‘ er fysisk begrænset til det vaskulære rum, så de kan cirkulere i blodet i en længere periode.
mens ndv ‘ er er større end de interendotheliale kryds i sunde væv, er de ofte mindre end forstørrede endotelporer i det vaskulære leje af hurtigt ekspanderende tumorer . Efter ekstravasation i et tumormikromiljø tillader den relativt store størrelse af en NDV, at den bevares i vævet . Ved at funktionalisere overfladen af en NDV med neutrale hydrofile molekyler kan dens tilknytning inden for celler uden for målet minimeres . Ved efterfølgende at vedhæfte målretningsmolekyler kan interaktionen mellem en NDV og en målcellepopulation fremmes. Ndv ‘ er kan internaliseres i kræftceller ved endocytose, så de kan omgå lægemiddeludstrømningstransportører og kan konstrueres til at flygte fra endosomet, så de kan levere terapeutiske midler til specifikke subcellulære rum . Ud over at overvinde mange af de barrierer, der står over for levering af molekylær terapi, kan ndv ‘ er også forbedre opløseligheden af hydrofobe terapeutiske molekyler, der ikke er egnede til direkte administration .
en række NDV-formuleringer er med succes udviklet til at levere molekylære anticancerterapeutika specifikt til deres virkningssted. Nogle kemoterapeutika coformuleret med liposomer og polymere nanostrukturer er endda blevet oversat til klinisk praksis . Disse formuleringer har vist en betydelig reduktion i bivirkninger sammenlignet med administrationen af frie terapeutiske molekyler . Imidlertid har den kliniske og prækliniske ydeevne for mange ndv ‘ er været skuffende. Mens ndv ‘ er har vist succes med at begrænse toksicitet uden for målet ved at undgå akkumulering i følsomme væv, giver mange formuleringer ringe forbedring i terapeutisk resultat . Ligesom molekylær terapi står ndv ‘ er over for biologiske barrierer, der forhindrer dem i effektivt at lokalisere til handlingsstedet. For eksempel kan ndv ‘ er hurtigt fjernes fra blodet efter intravenøs administration af makrofager af det mononukleære fagocytsystem (MPS), der er bosiddende i leveren, milten, knoglemarven og lymfeknuder . MPS-makrofager er specialiserede til at genkende, opsluge og ødelægge fremmede partikler og celleaffald. Inden for tumorvaskulærlejet er permeabiliteten af endotelporer ofte ujævn, hvor nogle områder af en tumor er meget permeable for ndv ‘ er, mens andre ikke er det . Som et resultat perfuse ndv ‘ er ofte tumormikromiljøet ujævnt. Ndv ‘ er, der ekstravaserer ind i tumormikromiljøet, kan forhindres i at diffundere inden i den tætte kollagenøse ekstracellulære matrice, der omgiver tumorcellerne .
på grund af deres nanoskala dimensioner har ndv ‘ er enorm designfrihed. Variation i strukturen af en NDV, inklusive dens størrelse, form, overfladekemi, og sammensætning, kan have en dramatisk effekt på dens handel inden for et biologisk system. Endnu, det er ikke klart, hvordan strukturen af en NDV påvirker dens biologiske interaktioner, hvilket gør det vanskeligt at udnytte designfriheden til at overvinde de biologiske barrierer, den står over for . Som et resultat formuleres de fleste ndv ‘ er baseret på ad hoc-designprincipper og designerens intuition. Evnen til dynamisk at spore leveringsprocessen, herunder transport af en NDV inden for et biologisk system og dets terapeutiske frigivelsesprofil, kan give kritisk feedback under designprocessen. Dynamisk sporing giver en designer mulighed for at identificere de specifikke biologiske barrierer, der forhindrer lokalisering af en NDV til målstedet . For eksempel kan en NDV, der er beregnet til at diffundere dybt inde i et tumormikromiljø, være sekvestreret i det perivaskulære rum, der omgiver tumorblodkar. Alternativt kan en NDV, der er beregnet til at internalisere inden for en målcellepopulation, i stedet kun klæbe til cellemembranen. En anden NDV-formulering kan internalisere sig i en målcelle, men kan muligvis ikke effektivt frigive sin terapeutiske last. I disse scenarier giver identifikation af den relevante biologiske barriere designeren værdifuld information, der kan bruges til at omformulere NDV for at overvinde barrieren. Samtidig giver dynamisk sporing af den terapeutiske leveringsproces grundlæggende indsigt i de mekanismer, hvormed ndv ‘ er interagerer med biologiske systemer og kan bruges til at etablere forhold mellem designet af en NDV og dens resulterende biologiske opførsel . Disse oplysninger kan bruges til at styre designet af nye NDV-formuleringer.
optisk billeddannelse har en række muligheder, der gør det attraktivt at spore den terapeutiske leveringsproces:
•
det giver høj rumlig opløsning. Ved at bruge et passende billeddannelsessystem kan en NDV lokaliseres i et biologisk system i en subcellulær skala.
*
optisk kontrast kan moduleres, hvilket gør det muligt at konstruere sensorer til at overvåge kompleksationen og afkomplekseringen af en terapeutisk last.
*
billeder kan erhverves hurtigt. Afhængigt af billeddannelsessystemet kan rammer erhverves i sekunder eller minutter, hvilket muliggør dynamisk sporing af en NDV, når den migrerer gennem et biologisk system.
*
optisk billeddannelse tillader, at flere forskellige spektralt opløste arter afbildes samtidigt. Denne evne gør det muligt at spore placeringen af en NDV i forhold til biologiske komponenter såvel som andre forskellige NDV-formuleringer.
*
med passende normalisering er optisk billeddannelse semikvantitativ, hvilket gør det muligt at sammenligne akkumuleringen af en NDV mellem forskellige placeringer.
*
optisk billeddannelse er følsom, med detektion mulig på enkeltmolekylet niveau.
*
optisk billeddannelse er relativt enkel og billig sammenlignet med andre kliniske billeddannelsesmetoder, herunder magnetisk resonansafbildning (MRI) og positronemissionstomografi (PET).
for at en NDV kan spores ved hjælp af optisk billeddannelse, skal den generere optisk kontrast. Imidlertid genererer de fleste konventionelle ndv ‘ er, herunder liposomer, polymere nanopartikler, jernnanopartikler og guldnanopartikler, ikke optisk kontrast endogent. I stedet skal de modificeres med eksogene optiske etiketter, såsom molekylære fluoroforer. Ændring af en NDV med en eksogen etiket har imidlertid flere ulemper. Hvis etiketten er fastgjort til overfladen af NDV, kan den fremme interaktioner uden for målet. For eksempel kan eksogene etiketter lette genkendelsen af en NDV af vævsbestandige makrofager fra MPS, hvilket øger hastigheden af blodklarering . For det andet kan den eksogene etiket negativt påvirke NDV ‘ s fysisk-kemiske egenskaber og ændre effektiviteten og dynamikken i terapeutisk belastning og frigivelse . Endelig kan eksogene etiketter adskille sig fra NDV under menneskehandel inden for et biologisk system og producere artefakter under billeddannelsesprocessen . For at undgå disse ulemper er det ønskeligt, at NDV formuleres under anvendelse af en nanomaterialeplatform, der besidder endogen optisk kontrast. Halvleder nanokrystaller, også kendt som kvantepunkter, er en sådan nanomaterialeplatform . Når en KVD er ophidset med fotoner af lys med tilstrækkelig energi, fremmes en elektron i dens valensbånd til ledningsbåndet, hvilket skaber et ophidset elektronhulspar. Hvis KVD er sammensat af en direkte båndgab halvleder, de-eksitering af elektronhulsparet resulterer i emission af en foton af lys. Bølgelængden af den udsendte foton afhænger af både størrelsen af KVD såvel som dens kemiske sammensætning. Ud over at generere endogen optisk kontrast, har SD ‘ er også en stor funktionel overflade, der kan podes med terapeutiske molekyler. Dette gør det muligt for KD at fungere som et nanoskala terapeutisk leveringskøretøj (NDV). Dd ‘er, der fungerer som ndv’ er, kaldes theranostiske kvantepunkter, fordi de kombinerer de diagnostiske evner i KD-kernen med de terapeutiske evner i de vedhæftede terapeutiske molekyler .
dette kapitel udforsker udviklingen og anvendelsen af theranostisk kvalitetssikring. Det første afsnit diskuterer design og syntese af theranostisk Kvalitet. Det andet afsnit fremhæver anvendelsen af theranostisk kvalitetssikring til sporbar terapeutisk levering, der viser, hvordan de kan bruges til at validere og optimere en formulering, til at belyse de grundlæggende mekanismer for interaktion med biologiske systemer og til at udvikle struktur-aktivitetsforhold. På trods af et stigende antal prækliniske undersøgelser, der demonstrerer potentialet for Kvalitetsdirektiver til både diagnostiske og terapeutiske leveringsapplikationer, er der ikke oversat nogen KVALITETSDESIGNBASEREDE formuleringer til klinikken. Det tredje afsnit diskuterer toksicitet som en væsentlig barriere for den kliniske oversættelse af theranostisk Kvalitet. Det sidste afsnit afsluttes med at diskutere den fremtidige udvikling på dette område, understreger behovet for theranostisk kvalitet, der lettere kan oversættes til klinisk praksis.