Introduzione
Molecolare terapie antitumorali, tra cui piccole molecole, gli anticorpi, peptidi e acidi nucleici, sono una delle poche opzioni terapeutiche valide per delocalizzata, metastasi e tumori inoperabili, così come i tumori che non possono essere rilevati utilizzando cliniche convenzionali modalità di imaging . È anche auspicabile trattare tumori operabili chirurgicamente con terapie molecolari, poiché sono meno invasivi della chirurgia e hanno il potenziale di causare meno danni ai tessuti sani circostanti . Idealmente, un terapeutico molecolare si localizzerà selettivamente in un sito tumorale dopo somministrazione endovenosa. Una volta localizzato al tessuto tumorale, il terapeutico sradicherà le cellule cancerose o le farà tornare a uno stato di quiescenza. In realtà, le molecole terapeutiche affrontano una serie di barriere biologiche che impediscono loro di localizzarsi selettivamente al sito di azione in una forma attiva . Le terapie dell’acido nucleico, compreso siRNA, possono essere inattivate dalle nucleasi endogene, mentre molte molecole chemioterapeutiche sono sequestrate nelle popolazioni cellulari fuori bersaglio . I chemioterapici a piccola molecola che interagiscono con le cellule tumorali bersaglio possono essere espulsi dai trasportatori di efflusso dei farmaci . Le barriere fisiche, compreso l’endotelio, possono limitare il trasporto di molecole terapeutiche dalla vascolarizzazione nei tessuti tumorali . Le molecole terapeutiche che bypassano l’endotelio ed entrano nel microambiente tumorale possono diffondersi nuovamente nella circolazione sistemica prima di interagire con le cellule bersaglio . Le barriere a livello cellulare, compresa la membrana plasmatica, possono prevenire l’accumulo intracellulare di molecole terapeutiche .
L’inefficienza con cui molte classi di terapie anticancro molecolari si localizzano dalla circolazione sistemica al sito di azione è una sfida significativa per la loro traduzione clinica. La coformulazione di un terapeutico molecolare con un nanoscala therapeutic delivery vehicle (NDV) può migliorare la sua localizzazione selettiva al sito di azione .
Gli NDV sono nanomateriali, di dimensioni tipicamente variabili da 10 a 100 nm, composti da composti organici come lipidi e polimeri e / o materiali inorganici tra cui oro, ossido di ferro e silice . Da solo, gli NDV non possiedono tipicamente capacità terapeutiche. Invece, agiscono come un vettore, trasportando terapie molecolari dal sito di somministrazione al sito di azione. Dopo la localizzazione al sito di azione, il NDV libera il suo carico terapeutico, permettendogli di interagire selettivamente con i suoi bersagli molecolari. A causa della loro scala di dimensioni uniche, gli NDV interagiscono con i sistemi biologici in modi fondamentalmente diversi dalla terapia molecolare. Di conseguenza, gli NDV possono superare molte delle barriere di trasporto biologico che devono affrontare le terapie molecolari. La maggior parte degli NDV sono più grandi della dimensione di taglio della filtrazione glomerulare nel rene . Allo stesso tempo, gli NDV ben dispersi sono in genere più piccoli della dimensione di taglio della filtrazione splenica . Di conseguenza, gli NDV sono fisicamente confinati nel compartimento vascolare, consentendo loro di circolare nel sangue per un lungo periodo di tempo.
Mentre gli NDV sono più grandi delle giunzioni interendoteliali nei tessuti sani, sono spesso più piccoli dei pori endoteliali allargati all’interno del letto vascolare dei tumori in rapida espansione . A seguito di stravaso in un microambiente tumorale, la dimensione relativamente grande di un NDV consente di mantenerlo nel tessuto . Funzionalizzando la superficie di un NDV con molecole idrofile neutre, la sua associazione all’interno di cellule fuori bersaglio può essere ridotta al minimo . Collegando successivamente molecole di targeting, l’interazione di un NDV con una popolazione di cellule bersaglio può essere promossa. Gli NDV possono essere interiorizzati all’interno delle cellule cancerose mediante endocitosi, consentendo loro di bypassare i trasportatori di efflusso dei farmaci e possono essere progettati per fuoriuscire dall’endosoma, consentendo loro di fornire terapie a specifici compartimenti subcellulari . Oltre a superare molte delle barriere che affrontano la consegna di terapie molecolari, NDVS può anche migliorare la solubilità di molecole terapeutiche idrofobiche che non sono adatte per la somministrazione diretta .
Un certo numero di formulazioni NDV sono state sviluppate con successo per fornire terapie anticancro molecolari specificamente al loro sito d’azione. Alcuni chemioterapici coformulati con liposomi e nanostrutture polimeriche sono stati persino tradotti nella pratica clinica . Queste formulazioni hanno mostrato una notevole riduzione degli effetti collaterali avversi rispetto alla somministrazione di molecole terapeutiche libere . Tuttavia, le prestazioni cliniche e precliniche di molti NDV sono state deludenti. Mentre gli NDV hanno dimostrato successo nel limitare la tossicità fuori bersaglio evitando l’accumulo nei tessuti sensibili, molte formulazioni forniscono pochi miglioramenti nell’esito terapeutico . Come la terapia molecolare, gli NDV affrontano barriere biologiche che impediscono loro di localizzarsi in modo efficiente nel sito di azione. Ad esempio, gli NDV possono essere rapidamente eliminati dal sangue dopo somministrazione endovenosa da parte dei macrofagi del sistema fagocitario mononucleare (MPS) che risiedono nel fegato, nella milza, nel midollo osseo e nei linfonodi . I macrofagi MPS sono specializzati per riconoscere, inghiottire e distruggere particelle estranee e detriti cellulari. All’interno del letto vascolare del tumore, la permeabilità dei pori endoteliali è spesso irregolare, con alcune aree di un tumore che sono altamente permeabili a NDVS, mentre altri non lo sono . Di conseguenza, gli NDV spesso perfudono il microambiente tumorale in modo non uniforme. NDVs che extravasate nel microambiente del tumore può essere impedito la diffusione all’interno della matrice extracellulare collagena densa che circonda le cellule tumorali .
A causa delle loro dimensioni su scala nanometrica, gli NDV possiedono un’enorme libertà di progettazione. La variazione nella struttura di un NDV, comprese le sue dimensioni, forma, chimica superficiale e composizione, può avere un effetto drammatico sul suo traffico all’interno di un sistema biologico. Tuttavia, non è chiaro come la struttura di un NDV influenzi le sue interazioni biologiche, rendendo difficile sfruttare la libertà di progettazione per superare le barriere biologiche che deve affrontare . Di conseguenza, la maggior parte degli NDV sono formulati in base a principi di progettazione ad hoc e all’intuizione del progettista. La capacità di tracciare dinamicamente il processo di consegna, incluso il trasporto di un NDV all’interno di un sistema biologico e il suo profilo di rilascio terapeutico, può fornire un feedback critico durante il processo di progettazione. Il tracciamento dinamico consente al progettista di identificare le barriere biologiche specifiche che impediscono la localizzazione di un NDV nel sito di destinazione . Ad esempio, un NDV destinato a diffondersi in profondità all’interno di un microambiente tumorale può essere sequestrato all’interno dello spazio perivascolare che circonda i vasi sanguigni del tumore. In alternativa, un NDV che è destinato a interiorizzare all’interno di una popolazione cellulare bersaglio può invece aderire solo alla membrana cellulare. Un’altra formulazione NDV può interiorizzare all’interno di una cellula bersaglio, ma potrebbe non riuscire a rilasciare in modo efficiente il suo carico terapeutico. In questi scenari, l’identificazione della barriera biologica pertinente fornisce al progettista informazioni preziose che possono essere utilizzate per riformulare l’NDV per superare la barriera. Allo stesso tempo, il monitoraggio dinamico del processo di erogazione terapeutica fornisce informazioni fondamentali sui meccanismi con cui gli NDV interagiscono con i sistemi biologici e possono essere utilizzati per stabilire relazioni tra la progettazione di un NDV e il suo comportamento biologico risultante . Queste informazioni possono essere utilizzate per guidare la progettazione di nuove formulazioni NDV.
L’imaging ottico ha una serie di funzionalità che lo rendono attraente per il monitoraggio del processo di consegna terapeutico:
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Fornisce un’elevata risoluzione spaziale. Utilizzando un sistema di imaging appropriato, un NDV può essere localizzato all’interno di un sistema biologico su scala subcellulare.
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Il contrasto ottico può essere modulato, consentendo la costruzione di sensori per monitorare la complessazione e la decomplessazione di un carico terapeutico.
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Le immagini possono essere acquisite rapidamente. A seconda del sistema di imaging, i frame possono essere acquisiti in secondi o minuti, il che consente il tracciamento dinamico di un NDV mentre migra attraverso un sistema biologico.
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L’imaging ottico consente di fotografare contemporaneamente più specie distinte risolte spettralmente. Questa capacità consente di tracciare la posizione di un NDV rispetto ai componenti biologici e ad altre formulazioni NDV distinte.
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Con un’adeguata normalizzazione, l’imaging ottico è semiquantitativo, consentendo di confrontare l’accumulo di un NDV tra diverse posizioni.
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L’imaging ottico è sensibile, con rilevamento possibile a livello di singola molecola.
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L’imaging ottico è relativamente semplice e poco costoso rispetto ad altre modalità di imaging clinico, tra cui la risonanza magnetica (MRI) e la tomografia ad emissione di positroni (PET).
Affinché un NDV possa essere tracciato mediante imaging ottico, deve generare contrasto ottico. Tuttavia, la maggior parte dei NDV convenzionali, inclusi liposomi, nanoparticelle polimeriche, nanoparticelle di ossido di ferro e nanoparticelle d’oro, non generano il contrasto ottico endogeno. Invece, devono essere modificati con etichette ottiche esogene, come i fluorofori molecolari. Tuttavia, la modifica di un NDV con un’etichetta esogena presenta diversi inconvenienti. Se l’etichetta è attaccata alla superficie dell’NDV, può promuovere interazioni fuori bersaglio. Ad esempio, le etichette esogene possono facilitare il riconoscimento di un NDV da parte dei macrofagi residenti nei tessuti del MPS, aumentando il tasso di clearance del sangue . In secondo luogo, l’etichetta esogena può influire negativamente sulle proprietà fisico-chimiche dell’NDV, alterando l’efficienza e la dinamica del carico e del rilascio terapeutici . Infine, le etichette esogene possono dissociarsi dall’NDV durante il traffico all’interno di un sistema biologico, producendo artefatti durante il processo di imaging . Per evitare questi inconvenienti, è auspicabile che l’NDV sia formulato utilizzando una piattaforma nanomateriale che possiede un contrasto ottico endogeno. I nanocristalli a semiconduttore, noti anche come punti quantici (QDs), sono una di queste piattaforme nanomateriali . Quando un QD è eccitato con fotoni di luce con energia sufficiente, un elettrone all’interno della sua banda di valenza viene promosso alla banda di conduzione, creando una coppia elettrone-foro eccitato. Se il QD è composto da un semiconduttore a gap di banda diretto, la diseccitazione della coppia elettrone-foro provoca l’emissione di un fotone di luce. La lunghezza d’onda del fotone emesso dipende sia dalla dimensione del QD che dalla sua composizione chimica. Oltre a generare contrasto ottico endogeno, i QDS possiedono anche una grande superficie funzionale che può essere innestata con molecole terapeutiche. Ciò consente al QD di agire come un veicolo terapeutico di consegna su scala nanometrica (NDV). I QD che agiscono come NDV sono chiamati punti quantici theranostici perché combinano le capacità diagnostiche del nucleo QD con le capacità terapeutiche delle molecole terapeutiche associate .
Questo capitolo esplora lo sviluppo e l’applicazione di theranostic QDs. La prima sezione discute la progettazione e la sintesi di QDS theranostic. La seconda sezione evidenzia l’applicazione dei QD theranostici per la consegna terapeutica tracciabile, mostrando come possono essere utilizzati per convalidare e ottimizzare una formulazione, per chiarire i meccanismi fondamentali dell’interazione con i sistemi biologici e per sviluppare relazioni struttura-attività. Nonostante un numero crescente di studi preclinici che dimostrano il potenziale del QDs sia per applicazioni diagnostiche che terapeutiche, nessuna formulazione basata sul QD è stata tradotta nella clinica. La terza sezione discute la tossicità come una delle principali barriere alla traduzione clinica del QDS theranostico. La sezione finale si conclude discutendo gli sviluppi futuri in questo campo, sottolineando la necessità di QDs theranostici che possono essere tradotti più facilmente nella pratica clinica.