Fluorescence Imaging

Introduction

Molecular anticancer therapeutics, including small molecules, vasta-aineet, peptidit, and nucleic acids, are one of the few viable treatment options for delocalised, metastatic, and inoperable tumors, as as there can be detected using conventional clinical imaging modalities . Kirurgisesti leikattavien kasvainten hoitaminen molekyyliterapeutiikalla on myös toivottavaa, koska ne ovat vähemmän invasiivisia kuin leikkaus ja voivat aiheuttaa vähemmän vahinkoa ympäröiville terveille kudoksille . Ihannetapauksessa molekyyliterapeuttinen paikallistaa selektiivisesti kasvaimen sivuston jälkeen laskimoon. Kun lokalisoitu kasvainkudokseen, terapeuttinen joko hävittää syöpäsoluja, tai aiheuttaa ne palata takaisin lepotilaan. Todellisuudessa terapeuttisilla molekyyleillä on useita biologisia esteitä, jotka estävät niitä lokalisoimasta valikoivasti toimintapaikalle aktiivisessa muodossa . Nukleiinihappohoidot, myös siRNA, voidaan inaktivoida endogeenisten nukleaasien avulla, kun taas monet solunsalpaajamolekyylit eristäytyvät kohdesolupopulaatioihin . Pienimolekyyliset solunsalpaajat, jotka ovat vuorovaikutuksessa kohde-syöpäsolujen kanssa, voidaan karkottaa lääkeaineiden efflux-kuljettimilla . Fyysiset esteet, mukaan lukien endoteeli, voivat rajoittaa terapeuttisten molekyylien kuljetusta verisuonesta kasvainkudoksiin . Terapeuttiset molekyylit, jotka ohittavat endoteelin ja tulevat kasvaimen mikroympäristöön, voivat hajaantua takaisin systeemiseen verenkiertoon ennen vuorovaikutusta kohdesolujen kanssa . Solutason esteet, mukaan lukien plasmakalvo, voivat estää terapeuttisten molekyylien solunsisäistä kertymistä .

tehottomuus, jolla monet molekulaariset syöpähoidot paikallistuvat systeemisestä verenkierrosta vaikutuspaikkaan, on merkittävä haaste niiden kliiniselle translaatiolle. Molekyyliterapeutin koformulointi NANOKOKOISELLA terapeuttisella annostelualustalla (NDV) voi parantaa sen selektiivistä lokalisointia toiminta-alueelle .

NDV: t ovat nanomateriaaleja, joiden koko on tyypillisesti 10-100 nm ja jotka koostuvat orgaanisista yhdisteistä, kuten lipideistä ja polymeereistä ja/tai epäorgaanisista aineista, kuten kullasta, rautaoksidista ja piidioksidista . Pelkästään NDV: llä ei tyypillisesti ole terapeuttisia valmiuksia. Sen sijaan ne toimivat kantajana, kuljettaen molekyyliterapeuttisia aineita antopaikasta toimintapaikalle. Kun NDV on paikallistettu toimintapaikalle, se vapauttaa terapeuttisen lastinsa, jolloin se voi vuorovaikuttaa selektiivisesti molekyylikohteidensa kanssa. NDV: t ovat ainutlaatuisen kokoluokkansa vuoksi vuorovaikutuksessa biologisten järjestelmien kanssa tavoilla, jotka poikkeavat olennaisesti molekyyliterapeutiikasta. Tämän seurauksena NDV: t voivat voittaa monet molekyyliterapeuttisten aineiden biologisista kuljetusesteistä. Useimmat NDV: t ovat suurempia kuin munuaisen glomerulussuodatuksen katkaisukoko . Samaan aikaan hyvin dispergoituneet NDV: t ovat tyypillisesti pienempiä kuin pernan suodatusraja . Tämän seurauksena NDV: t rajoittuvat fyysisesti verisuonitilaan, jolloin ne voivat kiertää veressä pitkään.

vaikka NDV: t ovat suurempia kuin endoteelien väliset liitokset terveissä kudoksissa, ne ovat usein pienempiä kuin laajentuneiden kasvainten verisuonten laajentuneet endoteelihuokoset . Sen jälkeen ekstravasation osaksi kasvain mikroympäristöön, suhteellisen suuri koko NDV mahdollistaa sen säilyttää kudokseen . Funktionalisoimalla NDV: n pintaa neutraaleilla hydrofiilisillä molekyyleillä sen assosiaatio kohdesolujen ulkopuolella voidaan minimoida . Kiinnittämällä kohdemolekyylejä myöhemmin NDV: n vuorovaikutusta kohdesolupopulaation kanssa voidaan edistää. NDV: t voidaan sisäistää syöpäsolujen sisällä endosytoosilla, jolloin ne voivat ohittaa lääkeaineiden efflux-kuljettajia, ja ne voidaan suunnitella pakenemaan endosomista, jolloin ne voivat toimittaa terapeuttisia aineita tiettyihin subsellulaarisiin lokeroihin . Monien molekyyliterapeuttisten aineiden toimitusesteiden voittamisen lisäksi NDVs voi myös parantaa hydrofobisten terapeuttisten molekyylien liukoisuutta, jotka eivät sovellu suoraan annosteluun .

useita NDV-valmisteita on onnistuneesti kehitetty tuottamaan molekulaarisia syöpälääkkeitä erityisesti niiden vaikutuspaikkaan. Jotkut kemoterapeuttiset lääkkeet, jotka on yhdistetty liposomeihin ja polymeerisiin nanorakenteisiin, on jopa muunnettu kliiniseksi käytännöksi . Nämä lääkemuodot ovat osoittaneet, että haittavaikutukset ovat vähentyneet huomattavasti verrattuna vapaiden terapeuttisten molekyylien antoon . Monien NDV: iden kliininen ja prekliininen suorituskyky on kuitenkin ollut pettymys. Vaikka NDV: t ovat onnistuneet rajoittamaan kohde-eläinlajin ulkopuolista toksisuutta välttämällä kertymistä herkkiin kudoksiin, monet lääkemuodot eivät juurikaan paranna terapeuttista tulosta . Molekyyliterapeuttien tavoin NDV: t kohtaavat biologisia esteitä, jotka estävät niitä tehokkaasti lokalisoitumasta toimintapaikalle. Esimerkiksi NDV: t voidaan nopeasti poistaa verestä laskimonsisäisen annostelun jälkeen makrofageilla mononukleaarisesta fagosyyttijärjestelmästä (MPS), joka sijaitsee maksassa, pernassa, luuytimessä ja imusolmukkeissa . MPS makrofagit ovat erikoistuneet tunnistamaan, nielaisemaan ja tuhoamaan vieraita hiukkasia ja solujätteitä. Sisällä kasvain verisuonten sänky, läpäisevyys endoteelin huokoset on usein epätasainen, Joidenkin alueiden kasvain on erittäin läpäisevä NDVs, kun taas toiset eivät . Tämän seurauksena NDVs usein perfuse kasvaimen mikroympäristö epätasaisesti. NDVs, jotka eivät ekstravasate osaksi kasvaimen mikroympäristöön voidaan estää diffusing sisällä tiheä kollageeninen solunulkoinen matriisi, joka ympäröi kasvainsoluja .

Nanomittojensa vuoksi NDV: t ovat suunnattoman suunnitteluvapaita. NDV: n rakenteen vaihtelu, mukaan lukien sen koko, muoto, Pintakemia ja koostumus, voi vaikuttaa dramaattisesti sen kauppaan biologisessa järjestelmässä. On kuitenkin epäselvää, miten NDV: n rakenne vaikuttaa sen biologisiin vuorovaikutuksiin, mikä vaikeuttaa suunnitteluvapauden valjastamista sen kohtaamien biologisten esteiden voittamiseksi . Tämän seurauksena useimmat NDV: t on muotoiltu ad-hoc-suunnitteluperiaatteiden ja suunnittelijan intuition pohjalta. Kyky seurata dynaamisesti toimitusprosessia, mukaan lukien NDV: n kuljetus biologisessa järjestelmässä ja sen terapeuttinen vapautusprofiili, voi antaa kriittistä palautetta suunnitteluprosessin aikana. Dynaamisen seurannan avulla suunnittelija voi tunnistaa erityiset biologiset esteet, jotka estävät NDV: n lokalisoinnin kohdealueelle . Esimerkiksi NDV, joka on tarkoitettu diffuusi syvälle sisällä kasvaimen mikroympäristöön voidaan eristää sisällä perivaskulaarinen tila ympäröivän kasvaimen verisuonia. Vaihtoehtoisesti NDV, jonka on tarkoitus sisäistää kohdesolupopulaation sisällä, voi sen sijaan kiinnittyä vain solukalvoon. Toinen NDV-formulaatio voi sisäistää kohdesolun sisällä, mutta se ei välttämättä vapauta terapeuttista lastiaan tehokkaasti. Näissä skenaarioissa merkityksellisen biologisen esteen tunnistaminen antaa suunnittelijalle arvokasta tietoa, jonka avulla NDV voidaan muotoilla uudelleen esteen ylittämiseksi. Samanaikaisesti dynaamisesti seuranta terapeuttinen toimitus prosessi tarjoaa perustavaa tietoa mekanismeista, joilla NDV vuorovaikutuksessa biologisten järjestelmien ja voidaan käyttää luomaan suhteita suunnittelun NDV ja sen tuloksena biologinen käyttäytyminen . Näitä tietoja voidaan käyttää ohjaamaan uusien NDV-formulaatioiden suunnittelua.

jotta NDV: tä voidaan seurata optisen kuvantamisen avulla, sen on luotava optinen kontrasti. Useimmat perinteiset NDV: t, kuten liposomit, polymeeriset nanohiukkaset, rautaoksidinanohiukkaset ja kultananohiukkaset, eivät kuitenkaan tuota optista kontrastia endogeenisesti. Sen sijaan niitä on muokattava eksogeenisilla optisilla merkinnöillä, kuten molekyylifluoroforeilla. NDV: n muokkaamisella eksogeenisella merkinnällä on kuitenkin useita haittoja. Jos merkki on kiinnitetty NDV: n pintaan, se voi edistää kohteen ulkopuolisia vuorovaikutuksia. Esimerkiksi eksogeeniset merkinnät voivat helpottaa NDV: n tunnistamista MPS: n kudoksessa asuvilla makrofageilla, mikä parantaa veren puhdistumisnopeutta . Toiseksi eksogeeninen merkintä voi vaikuttaa negatiivisesti NDV: n fysikaalis-kemiallisiin ominaisuuksiin muuttaen terapeuttisen kuormituksen ja vapautumisen tehokkuutta ja dynamiikkaa . Lopuksi, eksogeeniset merkinnät voivat irtautua NDV: stä biologisen järjestelmän sisällä tapahtuvan kaupan aikana, tuottaen artefakteja kuvantamisprosessin aikana . Näiden haittojen välttämiseksi on toivottavaa, että NDV muotoillaan käyttämällä nanomateriaalialustaa, jolla on endogeeninen optinen kontrasti. Puolijohteiden nanokrystaalit, jotka tunnetaan myös nimellä quantum dots (QDs), ovat yksi tällainen nanomateriaalialusta . Kun QD: tä jännitetään valon fotoneilla, joilla on riittävästi energiaa, sen valenssikaistan sisällä oleva elektroni etenee johtuvuuskaistalle, jolloin syntyy jännittynyt elektroni-reikäpari. Jos QD koostuu suorasta kaistanraosta puolijohteesta, elektroni-reikäparin de-eksitaatio johtaa valon fotonin emissioon. Säteilevän fotonin aallonpituus riippuu sekä QD: n koosta että sen kemiallisesta koostumuksesta. Endogeenisen optisen kontrastin tuottamisen lisäksi QDs: llä on myös suuri toiminnallinen pinta, johon voidaan kiinnittää terapeuttisia molekyylejä. Tämä mahdollistaa QD: n toiminnan NANOKOKOISENA terapeuttisena kuljetusvälineenä (NDV). NDV: nä toimivia QD: itä kutsutaan theranostisiksi kvanttipisteiksi, koska niissä yhdistyvät QD-ytimen diagnostiset ominaisuudet ja siihen liitettyjen terapeuttisten molekyylien terapeuttiset ominaisuudet .

tässä luvussa tarkastellaan theranostisen QDs: n kehittämistä ja soveltamista. Ensimmäisessä osassa käsitellään theranostisen QDs: n rakennetta ja synteesiä. Toisessa osassa korostetaan theranostisten QDs: ien soveltamista jäljitettävissä oleviin terapeuttisiin toimituksiin ja osoitetaan, miten niitä voidaan käyttää formulaation validointiin ja optimointiin, biologisten järjestelmien kanssa tapahtuvan vuorovaikutuksen perusmekanismien selventämiseen ja rakenne-aktiivisuussuhteiden kehittämiseen. Vaikka yhä useammat Prekliiniset tutkimukset osoittavat QDs: n potentiaalin sekä diagnostisissa että terapeuttisissa synnytyssovelluksissa, klinikalle ei ole käännetty QD-pohjaisia lääkemuotoja. Kolmannessa jaksossa käsitellään myrkyllisyyttä merkittävänä esteenä theranostisen QDs: n kliiniselle translaatiolle. Viimeisessä osassa käsitellään alan tulevaa kehitystä ja korostetaan, että tarvitaan theranostista QDs: ää, joka voidaan helpommin muuntaa kliiniseksi käytännöksi.