Bevezetés
a molekuláris rákellenes terápiák, beleértve a kis molekulákat, antitesteket, peptideket és nukleinsavakat, egyike azon kevés életképes kezelési lehetőségeknek a delokalizált, metasztatikus és működésképtelen tumorok, valamint a hagyományos klinikai képalkotó módszerekkel nem kimutatható tumorok számára . A műtéti úton operálható daganatok molekuláris terápiával történő kezelése szintén kívánatos, mivel kevésbé invazívak, mint a műtét, és kevesebb kárt okozhatnak a környező egészséges szövetekben . Ideális esetben a molekuláris terápia intravénás beadást követően szelektíven lokalizálódik egy tumor helyére. Miután lokalizált a tumorszövet, a terápiás vagy felszámolása a rákos sejtek, vagy okoz nekik, hogy visszatérjen egy nyugalmi állapotban. A valóságban a terápiás molekulák számos biológiai gáttal szembesülnek, amelyek megakadályozzák őket abban, hogy aktív formában szelektíven lokalizálják a cselekvés helyét . A nukleinsav-terápiák, beleértve az siRNS-t is, inaktiválhatók endogén nukleázok, míg sok kemoterápiás molekula elkülönül a célon kívüli sejtpopulációkban . Kis molekulájú kemoterápiás szerek, amelyek kölcsönhatásba lépnek a célrákos sejtekkel, kábítószer-efflux transzporterek . A fizikai akadályok, beleértve az endotheliumot is, korlátozhatják a terápiás molekulák transzportját az érrendszerből a tumorszövetekbe . Azok a terápiás molekulák, amelyek megkerülik az endotheliumot és belépnek a tumor mikrokörnyezetébe, visszatérhetnek a szisztémás keringésbe, mielőtt kölcsönhatásba lépnének a célsejtekkel . A sejtszintű akadályok, beleértve a plazmamembránt is, megakadályozhatják a terápiás molekulák intracelluláris felhalmozódását .
az a hatékonyság, amellyel a molekuláris rákellenes terápiák számos osztálya lokalizálódik a szisztémás keringéstől a hatás helyéig, jelentős kihívást jelent klinikai fordításuk előtt. A molekuláris terápia együttformálása nanoméretű terápiás szállító vivőanyaggal (NDV) fokozhatja szelektív lokalizációját a hatás helyén .
az NDV-k általában 10-100 nm-es nanoanyagok, amelyek szerves vegyületekből, például lipidekből és polimerekből és/vagy szervetlen anyagokból állnak, beleértve az aranyat, a vas-oxidot és a szilícium-dioxidot . Egyedül az NDV-k általában nem rendelkeznek terápiás képességekkel. Ehelyett hordozóként működnek, molekuláris terápiákat szállítanak az alkalmazás helyéről a hatás helyére. A hatás helyére történő lokalizációt követően az NDV felszabadítja terápiás rakományát, lehetővé téve számára, hogy szelektíven kölcsönhatásba lépjen molekuláris célpontjával(céljaival). Egyedi méretskálájuk miatt az NDV-k olyan módon lépnek kapcsolatba a biológiai rendszerekkel, amelyek alapvetően különböznek a molekuláris terápiától. Ennek eredményeként az NDV-k leküzdhetik a molekuláris terápiával szemben álló számos biológiai szállítási akadályt. A legtöbb NDV nagyobb, mint a vese glomeruláris szűrési határértéke . Ugyanakkor a jól diszpergált NDV-k általában kisebbek, mint a lépszűrési határméret . Ennek eredményeként az NDV-k fizikailag az érrendszerre korlátozódnak, lehetővé téve számukra, hogy hosszabb ideig keringjenek a vérben.
míg az NDV-k nagyobbak, mint az egészséges szövetek interendothelialis csomópontjai, gyakran kisebbek, mint a gyorsan bővülő tumorok vaszkuláris ágyán belüli megnagyobbodott endothel pórusok . A tumor mikrokörnyezetbe történő extravazációt követően az NDV viszonylag nagy mérete lehetővé teszi annak megtartását a szövetben . Az NDV felületének semleges hidrofil molekulákkal történő funkcionalizálásával minimalizálható a célsejteken belüli asszociációja . A célmolekulák későbbi csatolásával elősegíthető az NDV kölcsönhatása a célsejt populációval. Az NDV-k endocitózissal internalizálhatók a rákos sejteken belül, lehetővé téve számukra a gyógyszer efflux transzporterek megkerülését, és úgy tervezhetők, hogy elmeneküljenek az endoszómából, lehetővé téve számukra, hogy terápiákat szállítsanak bizonyos szubcelluláris rekeszekbe . A molekuláris terápiák szállítása előtt álló számos akadály leküzdése mellett az NDV-k fokozhatják a hidrofób terápiás molekulák oldhatóságát is, amelyek nem alkalmasak közvetlen beadásra .
számos NDV készítményt sikeresen fejlesztettek ki molekuláris rákellenes terápiák kifejezetten a hatáshelyükre. A liposzómákkal és polimer nanostruktúrákkal együtt alkotott kemoterápiás szerek némelyikét még a klinikai gyakorlatba is lefordították . Ezek a készítmények a káros mellékhatások jelentős csökkenését mutatták a szabad terápiás molekulák beadásához képest . Számos NDV klinikai és preklinikai teljesítménye azonban csalódást okozott. Míg az NDV-k sikert mutattak a célon kívüli toxicitás korlátozásában az érzékeny szövetekben való felhalmozódás elkerülésével, sok készítmény kevés javulást eredményez a terápiás eredményben . A molekuláris terápiához hasonlóan az NDV-k biológiai akadályokkal is szembesülnek, amelyek megakadályozzák őket abban, hogy hatékonyan lokalizálódjanak a cselekvés helyére. Például az NDV – k gyorsan kiürülhetnek a vérből intravénás beadást követően a májban, a lépben, a csontvelőben és a nyirokcsomókban található mononukleáris fagocita rendszer (MPS) makrofágjai által . Az MPS makrofágok arra specializálódtak, hogy felismerjék, elnyeljék és elpusztítsák az idegen részecskéket és sejttörmeléket. A tumor vaszkuláris ágyán belül az endothel pórusok permeabilitása gyakran egyenetlen, a daganat egyes területei erősen áteresztőek az NDV-k számára, míg mások nem . Ennek eredményeként az NDV-k gyakran egyenetlenül perfundálják a tumor mikrokörnyezetét. Az NDV-k, amelyek extravazálódnak a tumor mikrokörnyezetébe, megakadályozhatók a sűrű kollagénes extracelluláris mátrixban, amely körülveszi a tumorsejteket .
nanoméretük miatt az NDV-k hatalmas tervezési szabadsággal rendelkeznek. Az NDV szerkezetének változása, beleértve annak méretét, alakját, felületi kémiáját és összetételét, drámai hatással lehet a biológiai rendszeren belüli kereskedelmére. Még, nem világos, hogy az NDV szerkezete hogyan befolyásolja biológiai kölcsönhatásait, megnehezítve a tervezési szabadság kihasználását az előtte álló biológiai akadályok leküzdésére . Ennek eredményeként a legtöbb NDV-t ad-hoc tervezési elvek és a tervező intuíciója alapján fogalmazzák meg. A szállítási folyamat dinamikus nyomon követésének képessége, beleértve az NDV biológiai rendszeren belüli szállítását és terápiás felszabadulási profilját, kritikus visszajelzést adhat a tervezési folyamat során. A dinamikus követés lehetővé teszi a tervező számára, hogy azonosítsa azokat a biológiai akadályokat, amelyek megakadályozzák az NDV lokalizációját a célhelyre . Például egy NDV, amelynek célja a tumor mikrokörnyezet mélyén történő diffundálás, elkülöníthető a tumor ereit körülvevő perivaszkuláris térben. Alternatív megoldásként egy NDV, amelynek célja a célsejtpopuláción belüli internalizálás, ehelyett csak a sejtmembránhoz tapadhat. Egy másik NDV készítmény internalizálódhat egy célsejten belül, de nem tudja hatékonyan felszabadítani terápiás rakományát. Ezekben a forgatókönyvekben, a releváns biológiai gát azonosítása értékes információkat ad a tervezőnek, amelyek felhasználhatók az NDV újrafogalmazására az akadály leküzdése érdekében. Ugyanakkor a terápiás szállítási folyamat dinamikus nyomon követése alapvető betekintést nyújt a mechanizmusokba, amelyek révén az NDV-k kölcsönhatásba lépnek a biológiai rendszerekkel, és felhasználhatók az NDV kialakítása és az ebből eredő biológiai viselkedés közötti kapcsolatok létrehozására . Ez az információ felhasználható az új NDV készítmények tervezésének irányítására.
az optikai képalkotás számos olyan képességgel rendelkezik, amelyek vonzóvá teszik a terápiás szállítási folyamat nyomon követését :
•
nagy térbeli felbontást biztosít. Megfelelő képalkotó rendszer alkalmazásával az NDV lokalizálható egy biológiai rendszeren belül szubcelluláris skálán.
*
az optikai kontraszt modulálható, lehetővé téve az érzékelők felépítését a terápiás rakomány komplexációjának és dekomplexációjának figyelemmel kísérésére.
*
a képek gyorsan beszerezhetők. A képalkotó rendszertől függően a keretek másodpercek vagy percek alatt megszerezhetők, ami lehetővé teszi az NDV dinamikus nyomon követését, amikor egy biológiai rendszeren keresztül vándorol.
*
az optikai képalkotás lehetővé teszi több különböző spektrálisan felbontott faj egyidejű leképezését. Ez a képesség lehetővé teszi az NDV helyének nyomon követését a biológiai komponensekhez, valamint más különálló NDV készítményekhez képest. megfelelő normalizálás mellett az optikai képalkotás félig kvantitatív, lehetővé téve az NDV felhalmozódásának összehasonlítását a különböző helyek között.
*
az optikai képalkotás érzékeny, kimutatása egyetlen molekula szintjén lehetséges.
*
az optikai képalkotás viszonylag egyszerű és olcsó más klinikai képalkotási módokhoz képest, beleértve a mágneses rezonancia képalkotást (MRI) és a pozitron emissziós tomográfiát (PET).
ahhoz, hogy az NDV optikai képalkotással nyomon követhető legyen, optikai kontrasztot kell létrehoznia. Azonban a legtöbb hagyományos NDV, beleértve a liposzómákat, a polimer nanorészecskéket, a vas-oxid nanorészecskéket és az arany nanorészecskéket, nem hoznak létre optikai kontrasztot endogén módon. Ehelyett exogén optikai címkékkel, például molekuláris fluoroforokkal kell módosítani őket. Az NDV exogén címkével történő módosításának azonban számos hátránya van. Ha a címke az NDV felületéhez van rögzítve, elősegítheti a célon kívüli interakciókat. Például az exogén címkék megkönnyíthetik az NDV felismerését az MPS szöveti rezidens makrofágjai által, növelve a vér clearance. Másodszor, az exogén címke negatívan befolyásolhatja az NDV fizikai-kémiai tulajdonságait, megváltoztatva a terápiás terhelés és felszabadulás hatékonyságát és dinamikáját . Végül, az exogén címkék elhatárolódhatnak az NDV-től a biológiai rendszeren belüli kereskedelem során, műtárgyak előállítása a képalkotó folyamat során . E hátrányok elkerülése érdekében kívánatos, hogy az NDV-t olyan nanoanyag-platform alkalmazásával állítsuk elő, amely endogén optikai kontraszttal rendelkezik. A félvezető nanokristályok, más néven kvantumpontok (QDs), az egyik ilyen nanoanyag-platform . Amikor a QD-t elegendő energiájú fény fotonjai gerjesztik, a vegyértéksávján belüli elektron előléptetésre kerül a vezetési sávba, gerjesztett elektron-lyuk pár létrehozása. Ha a QD közvetlen sávrés félvezetőből áll, akkor az elektron-lyuk pár gerjesztése a fény fotonjának kibocsátását eredményezi. A kibocsátott foton hullámhossza mind a QD méretétől, mind kémiai összetételétől függ. Az endogén optikai kontraszt létrehozása mellett a QD-k nagy funkcionális felülettel is rendelkeznek, amelyet terápiás molekulákkal lehet oltani. Ez lehetővé teszi a QD számára, hogy nanoméretű terápiás szállító vivőanyagként (NDV) működjön. Az NDV-ként működő QD-ket theranosztikus kvantumpontoknak nevezzük, mert kombinálják a QD mag diagnosztikai képességeit a csatolt terápiás molekulák terápiás képességeivel .
ez a fejezet a teranosztikus QDs fejlesztését és alkalmazását vizsgálja. Az első rész a teranosztikus QDs tervezését és szintézisét tárgyalja. A második rész kiemeli a theranosztikus Qd-k alkalmazását a nyomon követhető terápiás bejuttatáshoz, bemutatva, hogyan használhatók fel egy készítmény validálására és optimalizálására, a biológiai rendszerekkel való kölcsönhatás alapvető mechanizmusainak tisztázására, valamint a szerkezet-aktivitás kapcsolatok kialakítására. Annak ellenére, hogy egyre több preklinikai vizsgálat bizonyítja a QDs potenciálját mind diagnosztikai, mind terápiás alkalmazásokban, QD-alapú készítményeket nem fordítottak le a klinikára. A harmadik szakasz a toxicitást, mint a theranosztikus QDs klinikai transzlációjának fő akadályát tárgyalja. Az utolsó szakasz a jövőbeni fejlemények megvitatásával zárul ezen a területen, hangsúlyozva a teranosztikus Qd-k szükségességét, amelyek könnyebben lefordíthatók a klinikai gyakorlatba.