Introducción
Los tratamientos moleculares anticancerosos, que incluyen moléculas pequeñas, anticuerpos, péptidos y ácidos nucleicos, son una de las pocas opciones de tratamiento viables para tumores deslocalizados, metastásicos e inoperables, así como para tumores que no se pueden detectar mediante modalidades de imágenes clínicas convencionales . El tratamiento de tumores operables quirúrgicamente con terapias moleculares también es deseable, ya que son menos invasivos que la cirugía y tienen el potencial de causar menos daño a los tejidos sanos circundantes . Idealmente, una terapia molecular se localizará selectivamente en un sitio tumoral después de la administración intravenosa. Una vez localizado en el tejido tumoral, el tratamiento erradicará las células cancerosas o hará que vuelvan a un estado de reposo. En realidad, las moléculas terapéuticas se enfrentan a una serie de barreras biológicas que les impiden localizarse selectivamente en el sitio de acción de una forma activa . Las terapias de ácido nucleico, incluido el ARNip, pueden ser inactivadas por nucleasas endógenas, mientras que muchas moléculas quimioterapéuticas se secuestran en poblaciones de células fuera del objetivo . Los quimioterapéuticos de moléculas pequeñas que interactúan con las células cancerosas diana pueden ser expulsados por transportadores de eflujo de medicamentos . Las barreras físicas, incluido el endotelio, pueden limitar el transporte de moléculas terapéuticas desde la vasculatura hasta los tejidos tumorales . Las moléculas terapéuticas que pasan por alto el endotelio y entran en el microambiente tumoral pueden volver a difundirse a la circulación sistémica antes de interactuar con las células diana . Las barreras a nivel celular, incluida la membrana plasmática, pueden prevenir la acumulación intracelular de moléculas terapéuticas .
La ineficiencia con la que muchas clases de terapias moleculares anticancerígenas se localizan desde la circulación sistémica hasta el sitio de acción es un desafío significativo que enfrenta su traducción clínica. La coformulación de un terapéutico molecular con un vehículo de administración terapéutica (VEN) a nanoescala puede mejorar su localización selectiva en el sitio de acción .
Los NDV son nanomateriales, que normalmente varían en tamaño de 10 a 100 nm, que están compuestos de compuestos orgánicos como lípidos y polímeros y/o materiales inorgánicos, incluidos oro, óxido de hierro y sílice . Por sí solas, las VEN no suelen poseer capacidades terapéuticas. En cambio, actúan como portadores, transportando terapias moleculares desde el sitio de administración hasta el sitio de acción. Tras la localización en el lugar de acción, el VEN libera su carga terapéutica, lo que le permite interactuar selectivamente con su(s) objetivo (s) molecular (es). Debido a su escala de tamaño única, los VEN interactúan con los sistemas biológicos de maneras que son fundamentalmente diferentes de la terapéutica molecular. Como resultado, los VEN pueden superar muchas de las barreras de transporte biológico que enfrentan las terapias moleculares. La mayoría de los VEN son más grandes que el tamaño de corte de filtración glomerular en el riñón . Al mismo tiempo, los NDV bien dispersos suelen ser más pequeños que el tamaño de corte de filtración esplénica . Como resultado, los VEN están físicamente confinados al compartimiento vascular, lo que les permite circular en la sangre durante un período prolongado de tiempo.
Si bien los VEN son más grandes que las uniones interendoteliales en tejidos sanos, a menudo son más pequeños que los poros endoteliales agrandados dentro del lecho vascular de los tumores en rápida expansión . Después de la extravasación en un microambiente tumoral, el tamaño relativamente grande de un VEN permite que se retenga en el tejido . Al funcionalizar la superficie de un VEN con moléculas hidrófilas neutras, se puede minimizar su asociación dentro de las células fuera del objetivo . Al unir posteriormente moléculas diana, se puede promover la interacción de un VEN con una población de células diana. Los VEN pueden internalizarse dentro de las células cancerosas mediante endocitosis, lo que les permite evitar los transportadores de eflujo de fármacos, y pueden ser diseñados para escapar del endosoma, lo que les permite administrar terapias a compartimentos subcelulares específicos . Además de superar muchas de las barreras que enfrenta la administración de terapias moleculares, los VEN también pueden mejorar la solubilidad de moléculas terapéuticas hidrofóbicas que no son adecuadas para la administración directa .
Se han desarrollado con éxito varias formulaciones de VEN para administrar terapias moleculares anticancerígenas específicamente en su lugar de acción. Algunos quimioterapéuticos coformulados con liposomas y nanoestructuras poliméricas incluso se han traducido en la práctica clínica . Estas formulaciones han demostrado una reducción considerable de los efectos secundarios adversos en comparación con la administración de moléculas terapéuticas libres . Sin embargo, el rendimiento clínico y preclínico de muchos VEN ha sido decepcionante. Si bien los VEN han demostrado éxito en la limitación de la toxicidad fuera del objetivo al evitar la acumulación en tejidos sensibles, muchas formulaciones proporcionan poca mejora en el resultado terapéutico . Al igual que la terapéutica molecular, los VEN enfrentan barreras biológicas que les impiden localizarse de manera eficiente en el sitio de acción. Por ejemplo, los VEN pueden eliminarse rápidamente de la sangre después de la administración intravenosa por macrófagos del sistema mononuclear de fagocitos (MPS) que residen en el hígado, el bazo, la médula ósea y los ganglios linfáticos . Los macrófagos MPS están especializados en reconocer, absorber y destruir partículas extrañas y desechos celulares. Dentro del lecho vascular del tumor, la permeabilidad de los poros endoteliales a menudo es desigual, y algunas áreas del tumor son altamente permeables al VEN, mientras que otras no lo son . Como resultado, los VEN a menudo perfunden el microambiente tumoral de manera desigual. Se puede evitar que los VEN que se extravasan en el microambiente tumoral se difundan dentro de la densa matriz extracelular colagenosa que rodea a las células tumorales .
Debido a sus dimensiones a nanoescala, los NDV poseen una enorme libertad de diseño. La variación en la estructura de un VEN, incluyendo su tamaño, forma, química de la superficie y composición, puede tener un efecto dramático en su tráfico dentro de un sistema biológico. Sin embargo, no está claro cómo la estructura de un VEN influye en sus interacciones biológicas, lo que dificulta aprovechar la libertad de diseño para superar las barreras biológicas a las que se enfrenta . Como resultado, la mayoría de los NDV se formulan sobre la base de principios de diseño ad hoc y la intuición del diseñador. La capacidad de rastrear dinámicamente el proceso de entrega, incluido el transporte de un VEN dentro de un sistema biológico y su perfil de liberación terapéutica, puede proporcionar retroalimentación crítica durante el proceso de diseño. El seguimiento dinámico permite al diseñador identificar las barreras biológicas específicas que impiden la localización de un VEN al sitio objetivo . Por ejemplo, un VEN destinado a difundirse profundamente dentro de un microambiente tumoral puede estar secuestrado dentro del espacio perivascular que rodea los vasos sanguíneos tumorales. Alternativamente, un VEN que está destinado a internalizarse dentro de una población de células diana solo puede adherirse a la membrana celular. Otra formulación del VEN puede internalizarse dentro de una célula diana, pero puede no liberar de manera eficiente su carga terapéutica. En estos escenarios, la identificación de la barrera biológica relevante proporciona al diseñador información valiosa que se puede utilizar para reformular el VEN para superar la barrera. Al mismo tiempo, el seguimiento dinámico del proceso de administración terapéutica proporciona información fundamental sobre los mecanismos por los que los VEN interactúan con los sistemas biológicos y se puede utilizar para establecer relaciones entre el diseño de un VEN y su comportamiento biológico resultante . Esta información puede utilizarse para orientar el diseño de nuevas formulaciones del VEN.
La imagen óptica tiene una serie de capacidades que la hacen atractiva para el seguimiento del proceso de administración terapéutica :
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Proporciona una alta resolución espacial. Mediante el uso de un sistema de imágenes apropiado, un VEN puede localizarse dentro de un sistema biológico a escala subcelular.
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El contraste óptico se puede modular, lo que permite la construcción de sensores para monitorear la complejación y la descomplejación de una carga terapéutica.
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Las imágenes se pueden adquirir rápidamente. Dependiendo del sistema de imágenes, los fotogramas se pueden adquirir en segundos o minutos, lo que permite el seguimiento dinámico de un VEN a medida que migra a través de un sistema biológico.
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La imagen óptica permite obtener imágenes simultáneas de múltiples especies distintas con resolución espectral. Esta capacidad permite rastrear la ubicación de un VEN en relación con los componentes biológicos, así como con otras formulaciones distintas de VEN.
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Con una normalización adecuada, la imagen óptica es semicuantitativa, lo que permite comparar la acumulación de un VEN entre diferentes ubicaciones.
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La imagen óptica es sensible, con detección posible a nivel de molécula única.
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Las imágenes ópticas son relativamente simples y económicas en comparación con otras modalidades de imágenes clínicas, como la resonancia magnética (RM) y la tomografía por emisión de positrones (PET).
Para que un VEN pueda rastrearse mediante imágenes ópticas, debe generar contraste óptico. Sin embargo, la mayoría de los NDV convencionales, incluidos los liposomas, las nanopartículas poliméricas, las nanopartículas de óxido de hierro y las nanopartículas de oro, no generan contraste óptico endógeno. En su lugar, deben modificarse con etiquetas ópticas exógenas, como fluoróforos moleculares. Sin embargo, modificar un VEN con una etiqueta exógena tiene varios inconvenientes. Si la etiqueta está adherida a la superficie del VEN, puede promover interacciones fuera del objetivo. Por ejemplo, las etiquetas exógenas pueden facilitar el reconocimiento de un VEN por los macrófagos residentes en tejidos del MPS, mejorando la tasa de aclaramiento sanguíneo . En segundo lugar, la etiqueta exógena puede impactar negativamente en las propiedades fisicoquímicas del VEN, alterando la eficiencia y la dinámica de carga y liberación terapéutica . Por último, las etiquetas exógenas pueden disociarse del VEN durante el tráfico dentro de un sistema biológico, produciendo artefactos durante el proceso de obtención de imágenes . Para evitar estos inconvenientes, es deseable que el VEN se formule utilizando una plataforma de nanomateriales que posea contraste óptico endógeno. Los nanocristales semiconductores, también conocidos como puntos cuánticos (QDs), son una de esas plataformas de nanomateriales . Cuando un QD es excitado con fotones de luz con suficiente energía, un electrón dentro de su banda de valencia es promovido a la banda de conducción, creando un par electrón-agujero excitado. Si el QD está compuesto por un semiconductor de separación de banda directa, la desexcitación del par electrón-agujero da como resultado la emisión de un fotón de luz. La longitud de onda del fotón emitido depende tanto del tamaño del QD como de su composición química. Además de generar contraste óptico endógeno, los QDs también poseen una gran superficie funcional que se puede injertar con moléculas terapéuticas. Esto permite que el QD actúe como un vehículo de administración terapéutica a nanoescala (NDV). Los QD que actúan como NDV se denominan puntos cuánticos teranósticos porque combinan las capacidades diagnósticas del núcleo QD con las capacidades terapéuticas de las moléculas terapéuticas conectadas .
Este capítulo explora el desarrollo y la aplicación de QDs teranósticas. La primera sección discute el diseño y síntesis de QDs teranósticas. La segunda sección destaca la aplicación de las QDs teranósticas para la administración terapéutica trazable, mostrando cómo se pueden usar para validar y optimizar una formulación, para dilucidar los mecanismos fundamentales de interacción con los sistemas biológicos y para desarrollar relaciones estructura-actividad. A pesar de un número creciente de estudios preclínicos que demuestran el potencial de la QDs para aplicaciones diagnósticas y terapéuticas, no se han traducido a la clínica formulaciones basadas en QD. La tercera sección discute la toxicidad como una barrera importante para la traducción clínica de la QDs teranóstica. La sección final concluye discutiendo los desarrollos futuros en este campo, enfatizando la necesidad de QDs teranósticas que se puedan traducir más fácilmente en la práctica clínica.