Nanobiotecnologie

Acest articol face parte din subiectul de cercetare

Nanomedicină Antioxidantă Vizualizați toate cele 6 articole

Editat de
Chiara Martinelli

Center for Micro-BioRobotics, Institutul italian de tehnologie (IIT), Italia

Revizuite de
Jacqueline N. Zanoni

Universitatea de Stat din Maringá, Brazilia

Bruna Bellaver

Universitatea Federală din Rio Grande do Sul, Brazilia

Afilierile editorului și ale recenzenților sunt cele mai recente oferite în profilurile lor de cercetare Loop și este posibil să nu reflecte situația lor în momentul examinării.

frontiere

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Revizuieste articolul

  • 1 Laborator de epigenetică, D.F. Institutul de Gerontologie Chebotarev, NAMS, Kiev, Ucraina
  • 2 Departamentul de Biochimie și Biotehnologie, Universitatea Națională Precarpatică Vasyl Stefanyk, Ivano-Frankivsk, Ucraina

Introducere

Potențialul terapeutic al antioxidanților dietetici este, totuși, limitat în majoritatea cazurilor de biodisponibilitatea lor scăzută legată de solubilitatea și stabilitatea lor scăzută în fluidele gastro-intestinale. În prezent, apar aplicații inovatoare bazate pe nanotehnologie care vizează îmbunătățirea biodisponibilității orale și, în consecință, eficacitatea terapeutică a fitochimicalelor și a altor antioxidanți naturali. Scopul acestei revizuiri este de a oferi informații despre progresele recente în aplicarea sistemelor de nanodelivrare pe bază de fitoantioxidant pentru combaterea stresului oxidativ legat de îmbătrânire și a condițiilor patologice asociate.

Antioxidanți sintetici: beneficii și pericole pentru sănătate

figura 1. Rezumatul efectelor bifurcate care pot fi induse de ROS. Pe de o parte, ROS induce daune oxidative proteinelor, ADN-ului și lipidelor. Pe de altă parte, ele declanșează, de asemenea, răspunsurile adaptative ale organismului, inclusiv răspunsurile la șocuri antioxidante și la căldură, reacția de dezacilare a acizilor grași, reglarea ciclului celular, repararea ADN și apoptoza, răspunsurile proteice desfășurate și stimularea autofagiei. Figura și legenda ei sunt reproduse din articolul de acces liber de Mao și Franke (2013) distribuit în condițiile Licenței de atribuire Creative Commons cu permisiunea autorilor.

Antioxidanți naturali

Rezultatele dezamăgitoare ale studiilor clinice cu antioxidanți sintetici au dus la îndoieli cu privire la adecvarea utilizării lor pentru a combate ateroscleroza și alte boli degenerative mediate de ROS (Toledo-Ibelles și Mas-Oliva, 2018). Prin urmare, suplimentarea dietetică cu antioxidanți naturali derivați preponderent din surse vegetale, cum ar fi polifenoli și carotenoizi, a fost propusă ca o alternativă rezonabilă la aportul sintetic de antioxidanți (Xu și colab., 2017; Serino și Salazar, 2018; Forni și colab., 2019; Neha și colab., 2019). Fitochimicalele sunt metaboliți secundari produși de plante pentru a le proteja de stresul mediului, cum ar fi infecțiile microbiene, expunerile la poluanții din mediu, modificările de temperatură și seceta (Leonov și colab., 2015). Datorită acestor proprietăți, acestea sunt considerate a fi candidați promițători pentru dezvoltarea intervențiilor care promovează durata de viață a sănătății și durata de viață (Leonov și colab., 2015). Eficacitatea fitochimicalelor precum resveratrolul, curcumina, catechinele, genisteina și quercetina în contracararea diferitelor condiții patologice mediate de stresul oxidativ legat de îmbătrânire și inflamația cronică asociată a fost raportată în mod repetat (Corrêa și colab., 2018; Martel și colab., 2019 ). Structurile chimice ale celor mai frecvent utilizați compuși fitoterapeutici cu proprietăți antioxidante puternice sunt prezentate în Figura 2 de mai jos.

Figura 2. Structuri chimice ale celor mai frecvent folosiți fitoantioxidanți.

O problemă importantă este, totuși, că potențialul terapeutic al fitochimicalelor administrate oral este substanțial restricționat din cauza biodisponibilității lor scăzute decât este atribuită în primul rând solubilității lor slabe în apă și permeabilității intestinale (Aqil și colab., 2013; Khadka și colab., 2014) . În special, sa constatat că biodisponibilitatea orală este de aproximativ 1-2% pentru toate quercetina (Kawabata și colab., 2015; Li și colab., 2016), resveratrol (Walle, 2011) și curcumină (Asai și Miyazawa, 2000; Yang și colab., 2007), în timp ce pentru epigalocatechin-3-galat (EGCG) se estimează că este de aproximativ 0,1-0,3% numai (Pervin și colab., 2019). Prin urmare, noi abordări biotehnologice sunt dezvoltate în mod activ până acum pentru a spori biodisponibilitatea orală și bioactivitatea acestor substanțe. Recent, au fost dezvoltate aplicații nanotehnologice inovatoare pentru a depăși această problemă, îmbunătățind bioactivitatea fitochimicelor după administrarea orală.

Avantajele terapeutice ale sistemelor de nanodelivrare

Sisteme terapeutice de nanodelivrare

Nanoemulsii

Nanoemulsiile includ amestecuri de lichide nemiscibile, cum ar fi, de exemplu, apă și ulei (Jaiswal și colab., 2015). Astfel de nanosisteme sunt în general preparate fie prin metode chimice, fie prin metode mecanice. Metodele chimice duc la formarea spontană a picăturilor de emulsie datorită efectelor hidrofobe ale moleculelor lipofile care au loc în prezența emulgatorilor. Metodele mecanice includ procese cu energie ridicată prin care picăturile mari de emulsie pot fi descompuse în cele mai mici prin diferite operații mecanice. Diferența de bază între nanoemulsii și emulsii convenționale constă în formele și dimensiunile particulelor dispersate într-o suspensie. Mărimea picăturilor în nanoemulsii se încadrează în mod obișnuit în intervalul 20-200 nm.

Nanolipozomi

Nanolipozomii reprezintă vezicule nanosizate auto-asamblate care constau din straturi bifolipidice care prind unul sau mai multe compartimente acvatice (Chan și Král, 2018). Există dispersii fine de ulei în apă (o/w) cu dimensiuni ale picăturilor cuprinse între 50 și 450 nm (Bozzuto și Molinari, 2015). Astfel de sisteme de nanodelevare pot fi produse prin tehnica de depunere electrostatică strat cu strat. În această tehnică, polimerii încărcați sunt adăugați la o soluție care conține o structură de șablon încărcat (Chun și colab., 2013). Astfel de structuri șablon pot fi, de exemplu, picături de emulsie stabilizate de emulgatori ionici, lipozomi compuși din lipide polare încărcate sau particule de hidrogel compuse din biopolimeri încărcați. Cealaltă metodă de producere a nanolipozomilor este hidratarea ușoară (procesul de hidratare a filmelor lipidice uscate cu o soluție apoasă).

Nanopolimersomi

Nanopolimersomii (NPS) sunt vezicule artificiale cu dimensiuni de la zeci de nm până la 1 μm care înglobează cavități apoase, rezultate din auto-asamblarea copolimerilor amfifilici (Zhang și Zhang, 2017). Proprietățile reglabile ale NPS permit ajustarea acestora pentru diferite aplicații biomedicale, de ex. ca vehicule de livrare a medicamentelor sau ca organite artificiale (Pippa și colab., 2016; Tuguntaev și colab., 2016). Acestea sunt sintetizate prin metode similare celor aplicate la producerea nanoparticulelor polimerice (vezi mai jos). Proprietățile generale ale NPS, inclusiv capacitatea de încapsulare și eliberare a medicamentelor, pot fi reglate în mod eficient prin utilizarea copolimerilor bloc biodegradabili și/sau receptivi la stimul (Zhang și Zhang, 2017). Datorită proprietăților lor reglabile, NPS sunt capabile să încapsuleze molecule hidrofobe și hidrofile fie într-o membrană bistratificată, fie respectiv într-un miez apos. Avantajele lor, în comparație cu purtătorii de nanolipide, includ stabilitate și versatilitate sporite, precum și eliberare controlată (Rastogi și colab., 2009). Datorită acestor proprietăți, NPS sunt considerați purtători de medicamente potențial atrăgători în multe aplicații clinice.

Nanocristale

Nanocristalele sunt sisteme de dispersie coloidală sub-micronice (de obicei de la 10 la 800 nm) constând din nanoparticule de medicament pure (fără purtători) (Gigliobianco și colab., 2018). Pot fi produse fie prin metode mecanice, fie chimice. Avantajul de bază al unor astfel de nanosisteme este reducerea dimensiunii particulelor la o gamă de nanoscale, rezultând o creștere a suprafeței particulelor care este în contact cu mediul de dizolvare (Singh și Lillard, 2009). Prin urmare, se crede că formulările nanocristale au potențiale beneficii terapeutice în comparație cu formulările farmaceutice utilizate în mod convențional. Printre altele, aceste beneficii includ solubilitatea și rata de dizolvare a saturației îmbunătățite, precum și încărcarea ridicată a medicamentelor (Zhou și colab., 2017).

Nanoparticule lipidice solide

Nanoparticule polimerice

Unele dintre cele mai utilizate sisteme de nanodeliberare solidă și lichidă sunt prezentate schematic în Figura 3.

Figura 3. Reprezentări grafice ale celor mai frecvente tipuri de nanocompozite.

Nanoparticule metalice

Nanoparticulele metalice cu diametre cuprinse între 1 și 100 nm, cum ar fi cele de argint, aur, cupru, magneziu, aluminiu, titan și zinc, sunt aplicate din ce în ce mai mult pentru livrarea de medicamente pasive sau active în diferite aplicații biomedicale. Un punct important este că nanoparticulele metalice pot fi sintetizate și modificate cu diferite grupuri funcționale chimice care le permit să fie conjugate cu diferite medicamente de interes pentru a viza anumite celule și țesuturi (Mody și colab., 2010). Avantajele lor evidente în aplicațiile clinice includ sinteza relativ simplă, modificarea chimică ușoară, biocompatibilitatea și proprietățile biofizice reglabile (Lushchak și colab., 2018).

Nano-antioxidanți

Nano-fitoantioxidanți: o nouă promisiune în cercetarea anti-îmbătrânire

Multe sisteme de nanodelevare încărcate cu compuși bioactivi pe bază de plante s-au dovedit a fi eficiente în modularea stresului oxidativ și a inflamației cronice conexe, care mediază cele mai multe tulburări asociate îmbătrânirii. Rezultatele studiilor care raportează efectele antioxidante ale unor astfel de sisteme de nanodelevare sunt discutate în subsecțiunile de mai jos.

Nano-Resveratrol

Mai multe studii au demonstrat proprietăți antioxidante ale resveratrolului nano-încapsulat. De exemplu, în studiul realizat de Chen și colab. (2015), resveratrolul nano-încapsulat în sistemul de eliberare a medicamentelor auto-micro-emulsionate a prezentat o capacitate antioxidantă mai mare și o toxicitate redusă în comparație cu resveratrolul liber. Resveratrolul încărcat în purtători de nanolipozomi (dimensiuni de la 103 la 134 nm) a prezentat, de asemenea, un efect mai pronunțat de eliminare a radicalilor în comparație cu resveratrolul pur (Vanaja și colab., 2013). Eficiența ridicată a eliminării ROS a fost demonstrată și pentru nanoemulsia de resveratrol încărcată cu vitamina E (un diametru mediu al globului de aproximativ 100 nm) la pacienții cu boala Parkinson (Pangeni și colab., 2014). Activitățile enzimelor antioxidante endogene, inclusiv SOD și lelele GSH s-au dovedit a fi semnificativ mai mari, iar nivelurile de malondialdehidă au fost semnificativ mai mici în grupul administrat cu nanoemulsie cu resveratrol. S-a demonstrat că resveratrolul încărcat în nanoparticule de zeină cu conjugat de albumină serică albumină-acid cafeic (dimensiunea particulelor de la 206 la 217 nm) exercită o activitate antioxidantă celulară semnificativ mai mare decât resveratrolul singur (Fan et al., 2018a) Au fost raportate, de asemenea, abilitățile antiinflamatorii ale nanoparticulelor încărcate cu resveratrol, cum ar fi nanoparticulele poli (acid lactic-co-glicolic) galactozilate (Siu și colab., 2018).

Nano-curcumina

Curcumina [1,7-bis (4-hidroxi-3-metoxifenil) -1,6-heptadienă-3,5-dionă] este un polifenol extras din rizomul plantei de turmeric, Curcuma longa. Este utilizat în mod tradițional în țările asiatice ca tratament pe bază de plante (Hewlings și Kalman, 2017). Acest compus are trei componente chimice în structura sa, inclusiv un fragment dicetonă și două grupări fenolice (Figura 2). Grupurile funcționale active ale curcuminei pot suferi oxidare prin transfer de electroni și procese de extracție a hidrogenului (Priyadarsini, 2014). În special, activitatea antioxidantă a curcuminei este determinată de hidrogen metilenic și grupări o-metoxi fenolice. Mai mult, grupările β-dicetonă pot chela ionii metalelor de tranziție; unele dintre aceste complexe metalice prezintă activități antioxidante enzimatice-mimetice (Priyadarsini, 2013).

În in vitro experimentele cu o linie celulară Caco-2, s-au obținut, de asemenea, dovezi că nanoparticulele de ser albumină dextran din ser (bovine cu dimensiuni de până la 200 nm) încărcate cu curcumină pot exercita o activitate antioxidantă celulară semnificativă (Fan și colab., 2018b). Adăugarea de nanocapsule încărcate cu curcumină produse din polimerul Eudragit L-100 în dietele ovinelor de lapte a dus la o capacitate antioxidantă mai mare și o peroxidare lipidică mai mică în laptele lor (Jaguezeski și colab., 2019). Activitățile antiinflamatorii ale diferitelor nanocompozite încărcate cu curcumină au fost, de asemenea, raportate în mod repetat (Wang și colab., 2015a; Ameruoso și colab., 2017; Dewangan și colab., 2017; El-Naggar și colab., 2019).

Nano-Quercetin

Citare: Vaiserman A, Koliada A, Zayachkivska A și Lushchak O (2020) Nanodelivrarea de antioxidanți naturali: o perspectivă anti-îmbătrânire. Față. Bioeng. Biotehnologie. 7: 447. doi: 10.3389/fbioe.2019.00447

Primit: 22 octombrie 2019; Acceptat: 12 decembrie 2019;
Publicat: 10 ianuarie 2020.

Chiara Martinelli, Institutul italian de tehnologie, Italia

Jacqueline Nelisis Zanoni, Universitatea de Stat din Maringá, Brazilia
Bruna Bellaver, Universitatea Federală din Rio Grande do Sul, Brazilia