Inledning
molekylära anticancer therapeutics, inklusive små molekylar, antikroppar, peptides och nucleic syror, är en av de få livskraftiga behandlingsalternativ för delocalized, metastatic och inoperable tumors, såväl som tumors som inte kan avkännas genom att använda konventionella kliniska avbilda modaliteter . Att behandla kirurgiskt opererbara tumörer med molekylär terapi är också önskvärt, eftersom de är mindre invasiva än kirurgi och har potential att orsaka mindre skador på omgivande friska vävnader . Helst kommer en molekylär terapeutisk lokaliseras selektivt till ett tumörställe efter intravenös administrering. En gång lokaliserad till tumörvävnaden kommer den terapeutiska antingen att utrota cancercellerna eller få dem att återgå till ett vilande tillstånd. I verkligheten står terapeutiska molekyler inför ett antal biologiska barriärer som hindrar dem från att selektivt lokaliseras till verkningsstället i en aktiv form . Nukleinsyraterapi, inklusive siRNA, kan inaktiveras av endogena nukleaser, medan många kemoterapeutiska molekyler sekvestreras i off-target cellpopulationer . Småmolekylära kemoterapeutika som interagerar med målcancerceller kan utvisas av läkemedelsutflödestransportörer . Fysiska barriärer, inklusive endotelet, kan begränsa transporten av terapeutiska molekyler från vaskulaturen till tumörvävnaderna . Terapeutiska molekyler som kringgår endotelet och går in i tumörmikromiljön kan diffundera tillbaka i systemisk cirkulation innan de interagerar med målceller . Barriärer på cellulär nivå, inklusive plasmamembranet, kan förhindra intracellulär ackumulering av terapeutiska molekyler .
ineffektiviteten med vilken många klasser av molekylära anticancerbehandlingar lokaliseras från systemisk cirkulation till verkningsstället är en betydande utmaning för deras kliniska översättning. Koformulering av en molekylär terapeutisk med en nanoskala terapeutisk leveransfordon (NDV) kan förbättra sin selektiva lokalisering till verkningsplatsen .
NDV är nanomaterial, som vanligtvis sträcker sig i storlek från 10 till 100 nm, som består av organiska föreningar såsom lipider och polymerer och/eller oorganiska material inklusive guld, järnoxid och kiseldioxid . Ensam, NDV: er har vanligtvis inte terapeutiska förmågor. Istället fungerar de som bärare och transporterar Molekylär Terapi från administreringsstället till verkningsstället. Efter lokalisering till verkningsstället släpper NDV sin terapeutiska Last, så att den kan interagera selektivt med dess molekylära mål. På grund av deras unika storleksskala interagerar NDV med biologiska system på sätt som är fundamentalt annorlunda än molekylära terapier. Som ett resultat kan NDV övervinna många av de biologiska transportbarriärerna mot Molekylär Terapi. De flesta NDV: er är större än den glomerulära filtreringsstorleken i njurarna . På samma gång, väl dispergerade NDV är typiskt mindre än mjälten filtrering cutoff storlek . Som ett resultat är NDVs fysiskt begränsade till kärlfacket, vilket gör att de kan cirkulera i blodet under en längre tid.
medan NDV: er är större än de interendoteliala korsningarna i friska vävnader, är de ofta mindre än förstorade endotelporer i kärlbädden av snabbt växande tumörer . Efter extravasation i en tumörmikromiljö tillåter den relativt stora storleken på en NDV att den behålls i vävnaden . Genom att functionalizing ytbehandla av en NDV med neutrala hydrophilic molekylar, kan dess anslutning inom off-uppsätta som mål celler minimeras . Genom att därefter fästa målmolekyler kan interaktionen mellan en NDV och en målcellpopulation främjas. NDV: er kan internaliseras i cancerceller genom endocytos, så att de kan kringgå läkemedelsutflödestransportörer och kan konstrueras för att fly från endosomen, så att de kan leverera terapier till specifika subcellulära fack . Förutom att övervinna många av de hinder som står inför leveransen av molekylära terapier kan NDV också förbättra lösligheten hos hydrofoba terapeutiska molekyler som inte är lämpliga för direkt administrering .
ett antal NDV-formuleringar har framgångsrikt utvecklats för att leverera molekylära anticancerbehandlingar specifikt till deras verkningsställe. Vissa kemoterapeutika som koformuleras med liposomer och polymera nanostrukturer har till och med översatts till klinisk praxis . Dessa formuleringar har visat en avsevärd minskning av negativa biverkningar jämfört med administrering av fria terapeutiska molekyler . Den kliniska och prekliniska prestandan hos många NDV har dock varit en besvikelse. Medan NDV har visat framgång i att begränsa off-target toxicitet genom att undvika ackumulering i känsliga vävnader, ger många formuleringar liten förbättring av terapeutiskt resultat . Liksom Molekylär Terapi möter NDV biologiska hinder som hindrar dem från att effektivt lokalisera till handlingsplatsen. Till exempel kan NDVs snabbt rensas från blodet efter intravenös administrering av makrofager i det mononukleära fagocytsystemet (MPS) som finns i levern, mjälten, benmärgen och lymfkörtlarna . MPS makrofager är specialiserade för att känna igen, uppsluka och förstöra främmande partiklar och cellskräp. Inom tumörkärlbädden är permeabiliteten hos endotelporer ofta ojämn, med vissa områden av en tumör som är mycket permeabla för NDVs, medan andra inte är det . Som ett resultat perfuserar NDVs ofta tumörmikromiljön ojämnt. NDV: er som extravaserar in i tumörmikromiljön kan förhindras från att diffundera i den täta kollagenösa extracellulära matrisen som omger tumörcellerna .
på grund av deras nanoskala dimensioner har NDV: er enorm designfrihet. Variation i strukturen hos en NDV, inklusive dess storlek, form, ytkemi, och sammansättning, kan ha en dramatisk effekt på dess handel inom ett biologiskt system. Ändå är det inte klart hur strukturen hos en NDV påverkar dess biologiska interaktioner, vilket gör det svårt att utnyttja designfriheten för att övervinna de biologiska hinder som den står inför . Som ett resultat formuleras de flesta NDV: er baserat på ad hoc-designprinciper och designerns intuition. Förmågan att dynamiskt spåra leveransprocessen, inklusive transport av en NDV inom ett biologiskt system och dess terapeutiska frisättningsprofil, kan ge kritisk feedback under designprocessen. Dynamisk spårning gör det möjligt för en designer att identifiera de specifika biologiska barriärerna som förhindrar lokalisering av en NDV till målplatsen . Till exempel kan en NDV som är avsedd att diffundera djupt i en tumörmikromiljö sekvestreras i det perivaskulära utrymmet som omger tumörblodkärl. Alternativt kan en NDV som är avsedd att internalisera inom en målcellpopulation istället bara fästa vid cellmembranet. En annan NDV-formulering kan internalisera i en målcell, men kan misslyckas med att effektivt frigöra sin terapeutiska Last. I dessa scenarier ger identifiering av relevant biologisk barriär designern värdefull information som kan användas för att omformulera NDV för att övervinna barriären. Samtidigt ger dynamisk spårning av den terapeutiska leveransprocessen grundläggande insikter i mekanismerna genom vilka NDV: er interagerar med biologiska system och kan användas för att upprätta relationer mellan utformningen av en NDV och dess resulterande biologiska beteende . Denna information kan användas för att styra utformningen av nya NDV-formuleringar.
optisk avbildning har ett antal funktioner som gör det attraktivt för att spåra den terapeutiska leveransprocessen:
•
det ger hög rumslig upplösning. Genom att använda ett lämpligt avbildningssystem kan en NDV lokaliseras inom ett biologiskt system i en subcellulär skala.
•
optisk kontrast kan moduleras, vilket möjliggör konstruktion av sensorer för att övervaka komplexbildning och dekomplexering av en terapeutisk Last.
•
bilder kan förvärvas snabbt. Beroende på bildsystemet kan ramar förvärvas på några sekunder eller minuter, vilket möjliggör dynamisk spårning av en NDV när den migrerar genom ett biologiskt system.
•
optisk avbildning gör att flera distinkta spektralt upplösta arter kan avbildas samtidigt. Denna förmåga gör det möjligt att spåra placeringen av en NDV i förhållande till biologiska komponenter såväl som andra distinkta NDV-formuleringar. med lämplig normalisering är optisk avbildning semikvantitativ, vilket gör att ackumuleringen av en NDV kan jämföras mellan olika platser.
•
optisk avbildning är känslig, med detektion möjlig på singelmolekylnivå.
•
optisk avbildning är relativt enkel och billig jämfört med andra kliniska avbildningsmetoder inklusive magnetisk resonansavbildning (MRI) och positronemissionstomografi (PET).
för att en NDV ska kunna spåras med optisk avbildning måste den generera optisk kontrast. De flesta konventionella NDV: er, inklusive liposomer, polymera nanopartiklar, järnoxidnanopartiklar och guldnanopartiklar, genererar emellertid inte optisk kontrast endogent. Istället måste de modifieras med exogena optiska etiketter, såsom molekylära fluoroforer. Att modifiera en NDV med en exogen etikett har emellertid flera nackdelar. Om etiketten är fäst vid NDV: s yta kan den främja interaktioner utanför målet. Exogena etiketter kan till exempel underlätta igenkänningen av en NDV av vävnadsinvånare makrofager av MPS, vilket ökar graden av blodclearance . För det andra kan den exogena etiketten negativt påverka NDV: s fysikalisk-kemiska egenskaper, vilket förändrar effektiviteten och dynamiken i terapeutisk belastning och frisättning . Till sist, exogena etiketter kan skilja sig från NDV under handel inom ett biologiskt system, producerar artefakter under avbildningsprocessen . För att undvika dessa nackdelar är det önskvärt att NDV formuleras med användning av en nanomaterialplattform som har endogen optisk kontrast. Halvledarnanokristaller, även kända som kvantprickar (QDs), är en sådan nanomaterialplattform . När en QD är upphetsad med fotoner av ljus med tillräcklig energi, främjas en elektron inom sitt valensband till ledningsbandet, vilket skapar ett upphetsat elektronhålpar. Om QD består av en halvledare med direkt bandgap, resulterar de-excitation av elektronhålsparet i utsläpp av en foton av ljus. Våglängden för den emitterade fotonen beror på både QD: s storlek och dess kemiska sammansättning. Förutom att generera endogen optisk kontrast har QDs också en stor funktionell yta som kan ympas med terapeutiska molekyler. Detta gör det möjligt för QD att fungera som ett terapeutiskt leveransfordon i nanoskala (NDV). QDs som fungerar som NDVs kallas theranostiska kvantprickar eftersom de kombinerar QD-kärnans diagnostiska egenskaper med de terapeutiska egenskaperna hos de bifogade terapeutiska molekylerna .
detta kapitel utforskar utvecklingen och tillämpningen av theranostic QDs. Det första avsnittet diskuterar design och syntes av theranostic QDs. Det andra avsnittet belyser tillämpningen av theranostic QDs för spårbar terapeutisk leverans, som visar hur de kan användas för att validera och optimera en formulering, för att belysa de grundläggande mekanismerna för interaktion med biologiska system och för att utveckla struktur-aktivitetsrelationer. Trots ett växande antal prekliniska studier som visar QDS potential för både diagnostiska och terapeutiska leveransapplikationer har inga QD-baserade formuleringar översatts till kliniken. Det tredje avsnittet diskuterar toxicitet som ett stort hinder för den kliniska översättningen av theranostic QDs. Det sista avsnittet avslutas med att diskutera framtida utveckling inom detta område och betonar behovet av theranostiska QDs som lättare kan översättas till klinisk praxis.