Introdução
Molecular anticâncer terapêutica, incluindo pequenas moléculas, anticorpos, peptídeos e ácidos nucléicos, são uma das poucas opções de tratamento viável para deslocalizados, metástases e tumores inoperáveis, bem como tumores que não podem ser detectados usando clínicos convencionais modalidades de imagem . Tratar tumores operáveis cirurgicamente com terapeutas moleculares também é desejável, uma vez que eles são menos invasivos do que a cirurgia e têm o potencial de causar menos danos aos tecidos saudáveis circundantes . Idealmente, uma terapia molecular localizará selectivamente um local tumoral após administração intravenosa. Uma vez localizado ao tecido tumoral, o terapêutico ou erradicará as células cancerosas, ou fará com que elas voltem a um estado quiescente. Na realidade, as moléculas terapêuticas enfrentam uma série de barreiras biológicas que as impedem de localizá-las seletivamente para o local de ação em uma forma ativa . A terapêutica com ácido nucleico, incluindo siRNA, pode ser inactivada por nucleases endógenas, enquanto muitas moléculas quimioterapêuticas são sequestradas em populações de células fora do alvo . Pequenas moléculas quimioterapêuticas que interagem com células cancerígenas alvo podem ser expelidas por transportadores de efluxo de drogas . As barreiras físicas, incluindo o endotélio, podem limitar o transporte de moléculas terapêuticas da vasculatura para os tecidos tumorais . Moléculas terapêuticas que contornam o endotélio e entram no microambiente tumoral podem se difundir de volta à circulação sistémica antes de interagir com as células-alvo . As barreiras a nível celular, incluindo a membrana plasmática, podem prevenir a acumulação intracelular de moléculas terapêuticas .
a ineficiência com que muitas classes de terapia anticancerosa molecular localizam-se da circulação sistémica ao local de acção é um desafio significativo para a sua tradução clínica. A coformulação de uma terapêutica molecular com um veículo de distribuição terapêutica nanoscal (NDV) pode melhorar a sua localização seletiva para o local de ação .
NDVs são nanomateriais, tipicamente de tamanho de 10 a 100 nm, que são compostos de compostos orgânicos, tais como lípidos e polímeros e/ou materiais inorgânicos, incluindo ouro, óxido de ferro e sílica . Por si só, os NDVs normalmente não possuem capacidades terapêuticas. Em vez disso, actuam como portadoras, transportando terapeutas moleculares do local de administração para o local de Acção. Após a localização para o local de ação, o NDV libera sua carga terapêutica, permitindo-lhe interagir seletivamente com seu(s) alvo (s) molecular (s). Devido à sua escala de tamanho única, NDVs interagem com sistemas biológicos de maneiras que são fundamentalmente diferentes da terapia molecular. Como resultado, os NDVs podem superar muitas das barreiras de transporte biológico enfrentando terapeutas moleculares. A maioria dos NDVs são maiores do que o tamanho do corte de filtração glomerular no rim . Ao mesmo tempo, NDVs bem dispersos são tipicamente menores do que o tamanho do corte de filtração esplênico . Como resultado, os NDVs estão fisicamente confinados ao compartimento vascular, permitindo-lhes circular no sangue por um longo período de tempo.
enquanto os NDVs são maiores do que as junções interendoteliais em tecidos saudáveis, eles são muitas vezes menores do que poros endoteliais alargados dentro do leito vascular de tumores em rápida expansão . Após a extravasação em um microambiente tumoral, o tamanho relativamente grande de um NDV permite que ele seja retido no tecido . Ao funcionalizar a superfície de um NDV com moléculas hidrofilicas neutras, sua Associação dentro de células fora do alvo pode ser minimizada . Ao anexar subsequentemente moléculas alvo, a interação de um NDV com uma população de células alvo pode ser promovida. NDVs pode ser internalizado dentro de células cancerosas por endocitose, permitindo-lhes ignorar a droga transportadores de efluxo, e podem ser projetados para escapar do endossomo, permitindo-lhes entregar terapêuticas específicas compartimentos subcelulares . Além de superar muitas das barreiras que enfrentam a entrega de terapêuticos moleculares, o NDVs também pode aumentar a solubilidade de moléculas terapêuticas hidrofóbicas que não são adequadas para administração direta .
um número de formulações NDV foram desenvolvidas com sucesso para fornecer terapeuticas anticancer moleculares especificamente para o seu local de ação. Alguns quimioterapêuticos coformulados com lipossomas e nanoestruturas poliméricas foram até mesmo traduzidos para a prática clínica . Estas formulações demonstraram uma redução considerável dos efeitos secundários adversos em comparação com a administração de moléculas terapêuticas livres . No entanto, o desempenho clínico e pré-clínico de muitos NDVs tem sido decepcionante. Embora os NDVs tenham mostrado sucesso na limitação da toxicidade fora do alvo, evitando a acumulação em tecidos sensíveis, muitas formulações fornecem pouca melhoria no resultado terapêutico . Como a terapia molecular, Os NDVs enfrentam barreiras biológicas que os impedem de localizar eficientemente o local de ação. Por exemplo, os NDVs podem ser rapidamente limpos do sangue após a administração intravenosa por macrófagos do sistema fagocitário mononuclear (MPS) residentes no fígado, baço, medula óssea e gânglios linfáticos . Os macrófagos MPS são especializados para reconhecer, engolir e destruir partículas estranhas e detritos celulares. Dentro da cama vascular do tumor, a permeabilidade dos poros endoteliais é muitas vezes desigual, com algumas áreas de um tumor sendo altamente permeável a NDVs, enquanto outros não são . Como resultado, os NDVs muitas vezes perfuram o microambiente tumoral de forma desigual. Os NDVs que se extraviam para o microambiente tumoral podem ser impedidos de se difundirem dentro da densa matriz extracelular colagenosa que rodeia as células tumorais .
devido às suas dimensões nanoscais, os NDVs possuem uma enorme liberdade de design. A variação na estrutura de um NDV, incluindo seu tamanho, forma, química de superfície e composição, pode ter um efeito dramático em seu tráfico dentro de um sistema biológico. No entanto, não é claro como a estrutura de um NDV influencia suas interações biológicas, tornando difícil aproveitar a liberdade de projeto para superar as barreiras biológicas que enfrenta . Como resultado, a maioria dos NDVs são formulados com base em princípios de design Ad-hoc e na intuição do designer. A capacidade de acompanhar dinamicamente o processo de entrega, incluindo o transporte de um NDV dentro de um sistema biológico e seu perfil de libertação terapêutica, pode fornecer feedback crítico durante o processo de projeto. O monitoramento dinâmico permite que um designer identifique as barreiras biológicas específicas que impedem a localização de um NDV para o site alvo . Por exemplo, um NDV que se destina a se difundir profundamente dentro de um microambiente tumoral pode ser sequestrado dentro do espaço perivascular circundante vasos sanguíneos tumorais. Alternativamente, um NDV que é destinado a internalizar dentro de uma população de células alvo pode, em vez disso, aderir apenas à membrana celular. Outra formulação NDV pode internalizar-se dentro de uma célula alvo, mas pode não conseguir libertar eficientemente a sua carga terapêutica. Nestes cenários, identificar a barreira biológica relevante dá ao designer informações valiosas que podem ser usadas para reformular o NDV para superar a barreira. Ao mesmo tempo, rastreando dinamicamente o processo de entrega terapêutica fornece insights fundamentais sobre os mecanismos pelos quais os NDVs interagem com sistemas biológicos e podem ser usados para estabelecer relações entre o projeto de um NDV e seu comportamento biológico resultante . Esta informação pode ser utilizada para orientar a concepção de novas formulações NDV.
a imagem óptica tem uma série de capacidades que a tornam atraente para rastrear o processo de entrega terapêutica :
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ela fornece alta resolução espacial. Usando um sistema de imagem apropriado, um NDV pode ser localizado dentro de um sistema biológico em uma escala subcelular.
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contraste óptico pode ser modulado, permitindo a construção de sensores para monitorar a complexação e descomplexação de uma carga terapêutica.
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as imagens podem ser adquiridas rapidamente. Dependendo do sistema de imagem, os quadros podem ser adquiridos em segundos ou minutos, o que permite o rastreamento dinâmico de um NDV à medida que ele migra através de um sistema biológico.
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a imagem óptica permite que várias espécies distintas com resolução espectral sejam fotografadas simultaneamente. Esta capacidade permite que a localização de um NDV seja rastreada em relação a componentes biológicos, bem como outras formulações NDV distintas.
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com uma normalização adequada, a imagem óptica é semiquantitativa, permitindo que a acumulação de um NDV seja comparada entre diferentes locais.
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a imagem óptica é sensível, com detecção possível ao nível da molécula única.
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a imagiologia óptica é relativamente simples e barata em comparação com outras modalidades de imagiologia clínica, incluindo a imagiologia por ressonância magnética (MRI) e a tomografia por emissão de positrões (PET).
para um NDV ser rastreado usando imagens ópticas, ele deve gerar contraste óptico. No entanto, a maioria dos NDV convencionais, incluindo lipossomas, nanopartículas poliméricas, nanopartículas de óxido de ferro e nanopartículas de ouro, não geram endogenamente contraste óptico. Em vez disso, devem ser modificados com etiquetas ópticas exógenas, tais como fluoróforos moleculares. No entanto, modificar um NDV com um rótulo exógeno tem vários inconvenientes. Se o rótulo estiver ligado à superfície do NDV, pode promover interacções fora do alvo. Por exemplo, rótulos exógenos podem facilitar o reconhecimento de um NDV por macrófagos dos MPS residentes no tecido, aumentando a taxa de depuração do sangue . Em segundo lugar, o rótulo exógeno pode impactar negativamente as propriedades físico-químicas do NDV, alterando a eficiência e dinâmica da carga terapêutica e liberação . Finalmente, etiquetas exógenas podem se dissociar do NDV durante o tráfico dentro de um sistema biológico, produzindo Artefatos durante o processo de imagem . Para evitar estes inconvenientes, é desejável que o NDV seja formulado usando uma plataforma nanomaterial que possui contraste óptico endógeno. Nanocristais semicondutores, também conhecidos como pontos quânticos (QDs), são uma dessas plataformas nanomateriais . Quando um QD é animado com fótons de luz com energia suficiente, um elétron dentro de sua banda de Valência é promovido para a banda de condução, criando um par de elétrons-buracos excitados. Se o QD é composto por um semicondutor de banda direta, a des-excitação do par buraco de elétrons resulta na emissão de um fóton de luz. O comprimento de onda do fóton emitido depende tanto do tamanho do QD como de sua composição química. Além de gerar contraste óptico endógeno, QDs também possuem uma grande superfície funcional que pode ser enxertada com moléculas terapêuticas. Isto permite que o QD a atuar como um veículo de entrega terapêutica em nanoscala (NDV). QDs que atuam como NDVs são chamados pontos quânticos teranósticos porque eles combinam as capacidades diagnósticas do núcleo QD com as capacidades terapêuticas das moléculas terapêuticas anexadas .
este capítulo explora o desenvolvimento e aplicação de QDs theranosticos. A primeira seção discute o design e síntese do QDs teranóstico. A segunda seção destaca a aplicação de theranostic QDs para rastreáveis terapêutico entrega, mostrando como eles podem ser utilizados para validar e otimizar sua formulação, para elucidar os mecanismos fundamentais de interação com sistemas biológicos, e para desenvolver relações estrutura-atividade. Apesar de um número crescente de estudos pré-clínicos que demonstram o potencial de QDs tanto para aplicações de diagnóstico como para aplicações terapêuticas de parto, nenhuma formulação baseada em QD foi traduzida para a clínica. A terceira seção discute a toxicidade como uma grande barreira para a tradução clínica do QDs teranóstico. A seção final conclui discutindo desenvolvimentos futuros neste campo, enfatizando a necessidade de QDs theranosticos que possam ser mais facilmente traduzidos para a prática clínica.