Fluorescence Imaging

wprowadzenie

molekularne leki przeciwnowotworowe, w tym małe cząsteczki, przeciwciała, peptydy i kwasy nukleinowe, są jedną z niewielu realnych opcji leczenia guzów delokalizowanych, przerzutowych i nieoperacyjnych, a także guzów, których nie można wykryć przy użyciu konwencjonalnych metod obrazowania klinicznego . Leczenie chirurgicznie operowanych guzów za pomocą terapeutyków molekularnych jest również pożądane, ponieważ są one mniej inwazyjne niż chirurgia i mogą powodować mniejsze uszkodzenia otaczających zdrowych tkanek . Idealnie, molekularne terapeutyczne zlokalizuje selektywnie do miejsca guza po podaniu dożylnym. Po zlokalizowaniu w tkance nowotworowej, terapeutyczny będzie albo wyeliminować komórki nowotworowe, lub spowodować ich powrót do stanu spoczynku. W rzeczywistości cząsteczki terapeutyczne napotykają szereg barier biologicznych, które uniemożliwiają im selektywną lokalizację w miejscu działania w aktywnej formie . Leki kwasu nukleinowego, w tym siRNA, mogą być inaktywowane przez endogenne nukleazy, podczas gdy wiele cząsteczek chemioterapeutycznych jest sekwestrowanych w populacjach komórek poza celem. Chemioterapeutyki małocząsteczkowe, które oddziałują z docelowymi komórkami nowotworowymi, mogą być wydalane przez transportery leku. Bariery fizyczne, w tym śródbłonka, może ograniczyć transport cząsteczek terapeutycznych z naczyń do tkanek nowotworowych . Cząsteczki terapeutyczne, które omijają śródbłonek i dostają się do mikrośrodowiska guza, mogą rozproszyć się z powrotem do krążenia ogólnoustrojowego przed interakcją z komórkami docelowymi . Bariery na poziomie komórkowym, w tym błona osocza, mogą zapobiegać wewnątrzkomórkowej akumulacji cząsteczek terapeutycznych .

nieefektywność, z jaką wiele klas molekularnych leków przeciwnowotworowych lokalizuje się od krążenia układowego do miejsca działania, jest znaczącym wyzwaniem stojącym przed ich klinicznym tłumaczeniem. Koformulacja molekularnego środka terapeutycznego za Pomocą nanoskali terapeutycznego nośnika dostarczania (NDV) może zwiększyć jego selektywną lokalizację w miejscu działania .

NDV to nanomateriały, Zwykle o wielkości od 10 do 100 nm, które składają się ze związków organicznych, takich jak lipidy i polimery i/lub materiały nieorganiczne, w tym złoto, tlenek żelaza i krzemionka . Sam, NDVs zazwyczaj nie posiadają zdolności terapeutycznych. Zamiast tego działają jako nośnik, transportując leki molekularne z miejsca podania do miejsca działania. Po zlokalizowaniu w miejscu działania, NDV uwalnia swój ładunek terapeutyczny, umożliwiając selektywną interakcję z celem molekularnym. Ze względu na ich unikalną skalę rozmiarów, NDVs oddziałują z systemami biologicznymi w sposób zasadniczo różniący się od terapeutyków molekularnych. W rezultacie NDVs może pokonać wiele barier transportu biologicznego stojących przed terapeutykami molekularnymi. Większość NDVs są większe niż rozmiar odcięcia filtracji kłębuszkowej w nerkach . W tym samym czasie dobrze rozproszone NDV są zwykle mniejsze niż rozmiar odcięcia filtracji śledziony . W rezultacie NDV są fizycznie ograniczone do przedziału naczyniowego, umożliwiając im krążenie we krwi przez dłuższy czas.

podczas gdy NDV są większe niż węzły międzybłonkowe w zdrowych tkankach, często są mniejsze niż rozszerzone pory śródbłonkowe w łóżku naczyniowym szybko rozwijających się guzów . Po wynaczynieniu do mikrośrodowiska guza, stosunkowo duży rozmiar NDV pozwala na utrzymanie go w tkance . Funkcjonalizując powierzchnię NDV z neutralnymi cząsteczkami hydrofilowymi, można zminimalizować jego związek w komórkach poza celem . Następnie przyłączając cząsteczki celujące, można promować interakcję NDV z populacją komórek docelowych. NDVs mogą być internalizowane w komórkach nowotworowych przez endocytozę, umożliwiając im ominięcie transporterów wypływu leku i mogą być zaprojektowane tak, aby wydostawały się z endosomu, umożliwiając im dostarczanie leków do określonych przedziałów subkomórkowych . Oprócz pokonania wielu barier stojących przed dostarczaniem leków molekularnych, NDVs może również zwiększyć rozpuszczalność hydrofobowych cząsteczek terapeutycznych, które nie nadają się do bezpośredniego podawania .

wiele preparatów NDV zostało pomyślnie opracowanych w celu dostarczenia molekularnych leków przeciwnowotworowych specjalnie do ich miejsca działania. Niektóre chemioterapeutyki koformulowane liposomami i nanostrukturami polimerowymi zostały nawet przełożone na praktykę kliniczną . Preparaty te wykazały znaczną redukcję niepożądanych skutków ubocznych w porównaniu do podawania wolnych cząsteczek terapeutycznych . Jednak wyniki kliniczne i przedkliniczne wielu NDVs były rozczarowujące. Podczas gdy NDVs wykazały sukces w ograniczaniu toksyczności poza celem poprzez unikanie akumulacji w tkankach wrażliwych, wiele preparatów zapewnia niewielką poprawę wyników terapeutycznych . Podobnie jak w przypadku terapii molekularnej, NDVs napotykają bariery biologiczne, które uniemożliwiają im skuteczną lokalizację w miejscu działania. Na przykład, NDVs mogą być szybko usuwane z krwi po podaniu dożylnym przez makrofagi układu fagocytów jednojądrzastych (MPS) zamieszkujących wątrobę, śledzionę, szpik kostny i węzły chłonne . Makrofagi MPS są wyspecjalizowane do rozpoznawania, pochłaniania i niszczenia obcych cząstek i szczątków komórkowych. W łóżku naczyniowym guza przepuszczalność porów śródbłonka jest często nierówna, a niektóre obszary guza są wysoce przepuszczalne dla NDVs, podczas gdy inne nie . W rezultacie, NDVs często perfuse mikrośrodowiska guza nierównomiernie. NDVs, które nie wynaczyniają się do mikrośrodowiska guza można zapobiec dyfuzji w gęstej kolagenowej macierzy pozakomórkowej, która otacza komórki nowotworowe .

ze względu na swoje rozmiary w skali nanoskali, NDV mają ogromną swobodę projektowania. Zmiany w strukturze NDV, w tym jego wielkości, kształtu, chemii powierzchni i składu, może mieć dramatyczny wpływ na jego handlu w systemie biologicznym. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób struktura NDV wpływa na jej interakcje biologiczne, co utrudnia wykorzystanie swobody projektowania do pokonania barier biologicznych, przed którymi stoi . W rezultacie większość NDV jest formułowana w oparciu o doraźne zasady projektowania i intuicję projektanta. Możliwość dynamicznego śledzenia procesu dostarczania, w tym transportu NDV w systemie biologicznym i jego profilu uwalniania terapeutycznego, może zapewnić krytyczne informacje zwrotne podczas procesu projektowania. Dynamiczne śledzenie pozwala projektantowi zidentyfikować konkretne bariery biologiczne uniemożliwiające lokalizację NDV do miejsca docelowego . Na przykład, NDV, który jest przeznaczony do rozproszenia głęboko w mikrośrodowisku nowotworu może być sequestered w przestrzeni okołonaczyniowej otaczających naczynia krwionośne nowotworu. Alternatywnie, NDV, który jest przeznaczony do internalizacji w docelowej populacji komórek, może zamiast tego przylegać tylko do błony komórkowej. Inny preparat NDV może internalizować się w komórce docelowej, ale może nie skutecznie uwolnić swojego ładunku terapeutycznego. W tych scenariuszach identyfikacja odpowiedniej bariery biologicznej daje projektantowi cenne informacje, które można wykorzystać do przeformułowania NDV w celu pokonania bariery. Jednocześnie dynamiczne śledzenie procesu dostarczania terapeutycznego zapewnia fundamentalny wgląd w mechanizmy, za pomocą których NDV wchodzą w interakcje z systemami biologicznymi i mogą być wykorzystane do ustalenia zależności między projektem NDV a wynikającym z niego zachowaniem biologicznym . Informacje te mogą być wykorzystane do kierowania projektowaniem nowych preparatów NDV.

aby NDV mógł być śledzony za pomocą obrazowania optycznego, musi generować kontrast optyczny. Jednak większość konwencjonalnych NDV, w tym liposomy, nanocząstki polimerowe, nanocząstki tlenku żelaza i nanocząstki złota, nie generują kontrastu optycznego endogennie. Zamiast tego muszą być modyfikowane za pomocą egzogennych etykiet optycznych, takich jak fluorofory molekularne. Jednak modyfikacja NDV z etykietą egzogenną ma kilka wad. Jeśli etykieta jest przymocowana do powierzchni NDV, może promować interakcje poza celem. Na przykład etykiety egzogenne mogą ułatwiać rozpoznawanie NDV przez zamieszkujące tkanki makrofagi MPS, zwiększając szybkość klirensu krwi . Po drugie, Etykieta egzogenna może negatywnie wpływać na właściwości fizykochemiczne NDV, zmieniając wydajność i dynamikę terapeutycznego obciążenia i uwalniania . Wreszcie, etykiety egzogenne mogą oddzielić się od NDV podczas handlu wewnątrz systemu biologicznego, wytwarzając artefakty podczas procesu obrazowania . Aby uniknąć tych wad, pożądane jest, aby NDV został sformułowany przy użyciu platformy nanomateriałowej, która posiada endogenny kontrast optyczny. Nanokrystale półprzewodnikowe, znane również jako kropki kwantowe (QDs), są jedną z takich platform nanomateriałów . Gdy QD jest wzbudzony z fotonów światła o wystarczającej energii, elektron w jego pasmie walencyjnym jest promowany do pasma przewodnictwa, tworząc wzbudzoną parę elektron-dziura. Jeśli QD składa się z półprzewodnika z bezpośrednim pasmem szczeliny, de-wzbudzenie pary elektron-dziura powoduje emisję fotonu światła. Długość fali emitowanego fotonu zależy zarówno od wielkości QD, jak i jego składu chemicznego. Oprócz generowania endogennego kontrastu optycznego, QDs mają również dużą powierzchnię funkcjonalną, którą można szczepić cząsteczkami terapeutycznymi. Pozwala to QD działać jako nanoskalowy terapeutyczny nośnik dostarczania (NDV). Qd, które działają jako NDV, nazywane są teranostic Quantum dots, ponieważ łączą one możliwości diagnostyczne rdzenia QD z możliwościami terapeutycznymi dołączonych cząsteczek terapeutycznych .

ten rozdział bada rozwój i zastosowanie theranostic QDs. W pierwszej części omówiono projektowanie i syntezę teranostycznych QDs. Druga sekcja podkreśla zastosowanie teranostycznych QDs do identyfikowalnego dostarczania terapeutycznego, pokazując, w jaki sposób można je wykorzystać do walidacji i optymalizacji preparatu, aby wyjaśnić podstawowe mechanizmy interakcji z systemami biologicznymi i rozwinąć relacje struktura-aktywność. Pomimo rosnącej liczby badań przedklinicznych wykazujących potencjał QD zarówno w zastosowaniach diagnostycznych, jak i terapeutycznych, żadne preparaty oparte na QD nie zostały przetłumaczone do kliniki. W trzeciej części omówiono toksyczność jako główną barierę w klinicznym tłumaczeniu teranostycznych QDs. Ostatnia część kończy się omówieniem przyszłych zmian w tej dziedzinie, podkreślając potrzebę teranostycznych QDs, które można łatwiej przełożyć na praktykę kliniczną.