Fluoreszenzbildgebung

Einleitung

Molekulare Krebstherapeutika, einschließlich kleiner Moleküle, Antikörper, Peptide und Nukleinsäuren, sind eine der wenigen praktikablen Behandlungsoptionen für delokalisierte, metastasierte und inoperable Tumoren sowie Tumoren, die mit herkömmlichen klinischen Bildgebungsmodalitäten nicht nachgewiesen werden können . Die Behandlung von chirurgisch operierbaren Tumoren mit molekularen Therapeutika ist ebenfalls wünschenswert, da sie weniger invasiv sind als eine Operation und das Potenzial haben, das umgebende gesunde Gewebe weniger zu schädigen . Idealerweise lokalisiert sich ein Molekulartherapeutikum nach intravenöser Verabreichung selektiv an einer Tumorstelle. Sobald das Therapeutikum im Tumorgewebe lokalisiert ist, werden die Krebszellen entweder ausgerottet oder in einen Ruhezustand versetzt. In Wirklichkeit stehen therapeutische Moleküle vor einer Reihe biologischer Barrieren, die verhindern, dass sie sich selektiv in aktiver Form am Wirkungsort lokalisieren . Nukleinsäuretherapeutika, einschließlich siRNA, können durch endogene Nukleasen inaktiviert werden, während viele chemotherapeutische Moleküle in Off-Target-Zellpopulationen sequestriert werden . Niedermolekulare Chemotherapeutika, die mit Zielkrebszellen interagieren, können durch Arzneimittel-Efflux-Transporter ausgestoßen werden . Physikalische Barrieren, einschließlich des Endothels, können den Transport therapeutischer Moleküle aus dem Gefäßsystem in das Tumorgewebe einschränken . Therapeutische Moleküle, die das Endothel umgehen und in die Tumormikroumgebung gelangen, können vor der Interaktion mit Zielzellen wieder in den systemischen Kreislauf diffundieren . Barrieren auf zellulärer Ebene, einschließlich der Plasmamembran, können die intrazelluläre Akkumulation therapeutischer Moleküle verhindern .

Die Ineffizienz, mit der viele Klassen molekularer Krebstherapeutika vom systemischen Kreislauf zum Wirkort lokalisieren, ist eine bedeutende Herausforderung für ihre klinische Translation. Die Koformulierung eines molekularen Therapeutikums mit einem nanoskaligen therapeutischen Trägervehikel (NDV) kann seine selektive Lokalisierung am Wirkungsort verbessern .

NDVs sind Nanomaterialien, die typischerweise eine Größe von 10 bis 100 nm haben und aus organischen Verbindungen wie Lipiden und Polymeren und / oder anorganischen Materialien wie Gold, Eisenoxid und Siliciumdioxid bestehen . Allein besitzen NDVs typischerweise keine therapeutischen Fähigkeiten. Stattdessen fungieren sie als Träger und transportieren molekulare Therapeutika vom Verabreichungsort zum Wirkort. Nach der Lokalisierung am Wirkungsort setzt das NDV seine therapeutische Ladung frei, so dass es selektiv mit seinem / seinen molekularen Ziel (en) interagieren kann. Aufgrund ihrer einzigartigen Größenskala interagieren NDVs mit biologischen Systemen auf eine Weise, die sich grundlegend von molekularen Therapeutika unterscheidet. Infolgedessen können NDVs viele der biologischen Transportbarrieren überwinden, mit denen molekulare Therapeutika konfrontiert sind. Die meisten NDVs sind größer als die glomeruläre Filtrations-Cutoff-Größe in der Niere . Gleichzeitig sind gut dispergierte NDVs typischerweise kleiner als die Milzfiltrations-Cutoff-Größe . Infolgedessen sind NDVs physisch auf das Gefäßkompartiment beschränkt, so dass sie über einen längeren Zeitraum im Blut zirkulieren können.

Während NDVs größer sind als die interendothelialen Übergänge in gesunden Geweben, sind sie oft kleiner als vergrößerte Endothelporen im Gefäßbett schnell expandierender Tumoren . Nach der Extravasation in eine Tumormikroumgebung kann ein NDV aufgrund seiner relativ großen Größe im Gewebe zurückgehalten werden . Durch die Funktionalisierung der Oberfläche eines NDV mit neutralen hydrophilen Molekülen kann seine Assoziation innerhalb von Off-Target-Zellen minimiert werden . Durch anschließende Anlagerung von Targetingmolekülen kann die Interaktion eines NDV mit einer Zielzellpopulation gefördert werden. NDVs können in Krebszellen durch Endozytose internalisiert werden, so dass sie Arzneimittel-Efflux-Transporter umgehen können, und können so konstruiert werden, dass sie aus dem Endosom entkommen, so dass sie Therapeutika an bestimmte subzelluläre Kompartimente abgeben können . NDVs überwinden nicht nur viele der Barrieren, mit denen die Verabreichung molekularer Therapeutika verbunden ist, sondern können auch die Löslichkeit hydrophober therapeutischer Moleküle verbessern, die nicht für die direkte Verabreichung geeignet sind .

Eine Reihe von NDV-Formulierungen wurde erfolgreich entwickelt, um molekulare Krebstherapeutika spezifisch an ihren Wirkungsort zu liefern. Einige Chemotherapeutika, die mit Liposomen und polymeren Nanostrukturen koformuliert wurden, wurden sogar in die klinische Praxis übersetzt . Diese Formulierungen haben eine beträchtliche Verringerung der nachteiligen Nebenwirkungen im Vergleich zur Verabreichung von freien therapeutischen Molekülen gezeigt . Die klinische und präklinische Leistung vieler NDVs war jedoch enttäuschend. Während NDVs Erfolg bei der Begrenzung der Off-Target-Toxizität durch Vermeidung von Akkumulation in empfindlichen Geweben gezeigt haben, bieten viele Formulierungen wenig Verbesserung des therapeutischen Ergebnisses . Wie molekulare Therapeutika sind NDVs mit biologischen Barrieren konfrontiert, die sie daran hindern, sich effizient am Wirkungsort zu lokalisieren. Beispielsweise können NDVs nach intravenöser Verabreichung durch Makrophagen des mononukleären Phagozytensystems (MPS), die sich in Leber, Milz, Knochenmark und Lymphknoten befinden, schnell aus dem Blut entfernt werden . MPS-Makrophagen sind darauf spezialisiert, fremde Partikel und Zelltrümmer zu erkennen, zu verschlingen und zu zerstören. Innerhalb des Tumorgefäßbettes ist die Permeabilität der Endothelporen häufig ungleichmäßig, wobei einige Bereiche eines Tumors für NDVs hochpermeabel sind, während andere dies nicht tun . Infolgedessen durchdringen NDVs die Tumormikroumgebung häufig ungleichmäßig. NDVs, die in die Tumormikroumgebung extravasieren, können daran gehindert werden, innerhalb der dichten kollagenen extrazellulären Matrix, die die Tumorzellen umgibt, zu diffundieren .

NDVs besitzen aufgrund ihrer nanoskaligen Abmessungen eine enorme Gestaltungsfreiheit. Variationen in der Struktur eines NDV, einschließlich seiner Größe, Form, Oberflächenchemie und Zusammensetzung, können einen dramatischen Einfluss auf seinen Handel innerhalb eines biologischen Systems haben. Noch, Es ist nicht klar, wie die Struktur eines NDV seine biologischen Wechselwirkungen beeinflusst, Dies macht es schwierig, die Gestaltungsfreiheit zu nutzen, um die biologischen Barrieren zu überwinden, mit denen es konfrontiert ist . Infolgedessen basieren die meisten NDVs auf Ad-hoc-Designprinzipien und der Intuition des Designers. Die Fähigkeit, den Verabreichungsprozess dynamisch zu verfolgen, einschließlich des Transports eines NDV innerhalb eines biologischen Systems und seines therapeutischen Freisetzungsprofils, kann kritisches Feedback während des Designprozesses liefern. Dynamisches Tracking ermöglicht es einem Designer, die spezifischen biologischen Barrieren zu identifizieren, die die Lokalisierung eines NDV an der Zielstelle verhindern . Beispielsweise kann ein NDV, das tief innerhalb einer Tumormikroumgebung diffundieren soll, innerhalb des perivaskulären Raums, der Tumorblutgefäße umgibt, sequestriert werden. Alternativ kann ein NDV, das innerhalb einer Zielzellpopulation internalisieren soll, stattdessen nur an der Zellmembran haften. Eine andere NDV-Formulierung kann innerhalb einer Zielzelle internalisieren, kann jedoch ihre therapeutische Ladung nicht effizient freisetzen. In diesen Szenarien liefert die Identifizierung der relevanten biologischen Barriere dem Designer wertvolle Informationen, die zur Neuformulierung des NDV zur Überwindung der Barriere verwendet werden können. Gleichzeitig liefert die dynamische Verfolgung des therapeutischen Abgabeprozesses grundlegende Einblicke in die Mechanismen, durch die NDVs mit biologischen Systemen interagieren, und kann verwendet werden, um Beziehungen zwischen dem Design eines NDV und seinem resultierenden biologischen Verhalten herzustellen . Diese Informationen können verwendet werden, um das Design neuer NDV-Formulierungen zu leiten.

Damit ein NDV mit optischer Bildgebung verfolgt werden kann, muss es einen optischen Kontrast erzeugen. Die meisten herkömmlichen NDVs, einschließlich Liposomen, Polymer-Nanopartikel, Eisenoxid-Nanopartikel und Gold-Nanopartikel, erzeugen jedoch keinen optischen Kontrast endogen. Stattdessen müssen sie mit exogenen optischen Markierungen wie molekularen Fluorophoren modifiziert werden. Das Modifizieren eines NDV mit einer exogenen Markierung hat jedoch mehrere Nachteile. Wenn das Etikett an der Oberfläche des NDV angebracht ist, kann es Off-Target-Interaktionen fördern. Zum Beispiel können exogene Markierungen die Anerkennung eines NDV durch Gewebe-ansässige Makrophagen des MPS erleichtern und die Rate der Blutabfertigung erhöhen. Zweitens kann die exogene Markierung die physikochemischen Eigenschaften des NDV negativ beeinflussen und die Effizienz und Dynamik der therapeutischen Beladung und Freisetzung verändern . Schließlich können exogene Markierungen während des Transports innerhalb eines biologischen Systems vom NDV dissoziieren und Artefakte während des Bildgebungsprozesses erzeugen . Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es wünschenswert, dass das NDV unter Verwendung einer Nanomaterialplattform formuliert wird, die endogenen optischen Kontrast besitzt. Halbleiter-Nanokristalle, auch als Quantenpunkte (QDs) bekannt, sind eine solche Nanomaterialplattform . Wenn ein QD mit Photonen von Licht mit ausreichender Energie angeregt wird, wird ein Elektron innerhalb seines Valenzbandes zum Leitungsband befördert, wodurch ein angeregtes Elektron-Loch-Paar entsteht. Wenn der QD aus einem direkten Bandlückenhalbleiter besteht, führt die Entregung des Elektron-Loch-Paares zur Emission eines Lichtphotons. Die Wellenlänge des emittierten Photons hängt sowohl von der Größe des QD als auch von seiner chemischen Zusammensetzung ab. Neben der Erzeugung eines endogenen optischen Kontrasts besitzen QDs auch eine große funktionelle Oberfläche, die mit therapeutischen Molekülen gepfropft werden kann. Dies ermöglicht es dem QD, als nanoskaliges therapeutisches Lieferfahrzeug (NDV) zu fungieren. QDs, die als NDVs fungieren, werden als theranostische Quantenpunkte bezeichnet, da sie die diagnostischen Fähigkeiten des QD-Kerns mit den therapeutischen Fähigkeiten der angehängten therapeutischen Moleküle kombinieren .

Dieses Kapitel befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von theranostic QDs. Der erste Abschnitt behandelt das Design und die Synthese von theranostic QDs. Der zweite Abschnitt beleuchtet die Anwendung theranostischer QDs für die rückverfolgbare therapeutische Verabreichung und zeigt, wie sie zur Validierung und Optimierung einer Formulierung, zur Aufklärung der grundlegenden Mechanismen der Interaktion mit biologischen Systemen und zur Entwicklung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen verwendet werden können. Trotz einer wachsenden Anzahl präklinischer Studien, die das Potenzial von QDs sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Anwendungen belegen, wurden keine QD-basierten Formulierungen in die Klinik übersetzt. Im dritten Abschnitt wird die Toxizität als Haupthindernis für die klinische Translation von theranostischem QDs erörtert. Der letzte Abschnitt schließt mit der Erörterung zukünftiger Entwicklungen auf diesem Gebiet und betont die Notwendigkeit eines theranostischen QDs, das leichter in die klinische Praxis umgesetzt werden kann.