Lauren M Graham

1 Departamentul de chimie și biochimie, Universitatea din Maryland, College Park, MD 20742, SUA

Thao M Nguyen

1 Departamentul de chimie și biochimie, Universitatea din Maryland, College Park, MD 20742, SUA

Sang Bok Lee

1 Departamentul de chimie și biochimie, Universitatea din Maryland, College Park, MD 20742, SUA

2 Graduate School of Nanoscience & Technology (WCU), Korea Advanced Institute of Science & Technology (KAIST), Daejeon 305-701, Korea

Abstract

Tratamentul pentru intoxicație implică neutralizarea sau eliminarea unui compus toxic, dar metodele actuale de tratament sunt limitate în ceea ce privește capacitatea lor de a detoxifica în siguranță și eficient pacientul. Cercetările emergente s-au concentrat pe utilizarea nanoparticulelor ca agenți de detoxifiere parenterală pentru a circula prin corp și a captura toxinele. Compozițiile variabile ale acestor nanoparticule controlează mecanismul în care captează și îndepărtează compuși specifici. După cum sa discutat în acest articol, metodele recente de utilizare a nanoparticulelor pentru detoxifiere arată un potențial mare pentru tratamentul intoxicației. Cu toate acestea, mai multe provocări trebuie depășite înainte ca o metodă universală de detoxifiere a nanoparticulelor să fie disponibilă pentru uz clinic.

În ultimele decenii, s-au efectuat ample investigații cu privire la utilizarea nanoparticulelor în furnizarea de medicamente, în direcționarea, etichetarea și bioimagistica. Numeroase tipuri de nanomateriale, cum ar fi lipozomi, microemulsii, nanoparticule și nanotuburi, au fost dezvoltate pentru astfel de aplicații [1-12]. Avantajele unei metode bazate pe nanoparticule față de metodele convenționale rezultă în principal din proprietățile lor fiziochimice. Nanoparticulele sintetizate pentru aplicații biologice au fost compuse din acizi grași, anorganici, organici și oxizi metalici. Raportul suprafață mare la volum, distribuția mărimii reglabile, ușurința modificării suprafeței și capacitatea de încărcare specifică fac din nanoparticule alegerea optimă pentru aplicații in vivo, cum ar fi livrarea țintită și eliberarea controlată a medicamentelor [5,6,11-14]. Versatilitatea intrinsecă și multifuncționalitatea nanoparticulelor oferă progrese față de metodele convenționale prin îmbunătățirea biocompatibilității, a timpilor de circulație și a direcționării. Cel mai recent, a apărut un nou domeniu de studiu care utilizează aceste progrese pentru a dezvolta nanoparticule special pentru detoxifiere [1,15-18].

Nanomateriale utilizate ca agenți de detoxifiere

Trei clase principale de nanomateriale au fost investigate ca nanodetoxifianți: nanopurtori micelari, lipozomi și nanoparticule pe bază de ligand (Tabelul 1). Aceste particule trebuie injectate pacientului, circulă prin fluxul sanguin și captează compuși toxici prin adsorbția toxinei la suprafața materialului sau prin interiorizarea toxinei de către material [24-33].

tabelul 1

Nanomaterialele aflate sub investigație ca nanodetoxifianți.

Tipul nanomaterialului Compoziție Mecanismul absorbției Ref.
MicroemulsiePoloxamer/butirat de etil/acizi grașiAdsorbţie[30]
Brij 97/hexadecan/octadeciltrimetoxisilan
Tween-80/butirat de etil/acizi grași/octadeciltrimetoxisilan		Partiție[28.33]
Nanocapsule lipidiceFosfatidilcolină/trigliceridăPartiție[34]
LipozomiDimiroiilfosfatidilglicerol/dioleoilglicerofosfoglicerolInteracțiuni electrostatice[27,37]
Fosfatidilcolină/distearoilfosfatidiletanolamină-PEGgradient de pH[24,25,35]
Palmitoyloleoylglycerophosphocholine /
dioleoilglicerofosfocolina/dipalmitoylglicerofosfocolina /
dipalmitoylglycerophosphoethanolamine-PEG/Rhodanese		Degradare enzimatică[38]
PolimeriOligochitosan/dinitrobenzenesulfonilinteracțiuni π - π[42,43]
N-izopropilacrilamidă/N, N'-metilenebisacrilamidă /
butilacrilamidă/acid acrilic		Legătură hidrofobă/hidrogen /
interacțiuni electrostatice		[31]
NanoparticuleNanoparticule magnetice din carbură de fier acoperite cu carbon, digoxină
FAB antiimun		Interacțiuni anticorp - antigen[40]
Carbură de fier acoperită cu carbon/acid dietilenetriamin pentaaceticChelare[40]
Nanoparticule de latex magnetic, streptavidinăInteracțiunea proteină-ligand[32]

FAB: Fragment care leagă antigenul; PEG: Polietilen glicol.

Nanopurtători micelari

nanomaterialelor

Adaptat cu permisiunea de la [35].

Adaptat cu permisiunea de la [30].

Lipozomi

Nanoparticule pe bază de ligand

MIPNP: Nanoparticule de polimer imprimate molecular.

Adaptat cu permisiunea de la [55].

Limitările actuale ale sistemelor de nanodetoxificare

Deși aceste metode de detoxifiere asistate de nanoparticule au demonstrat capacitatea de a captura compuși țintă, există mai multe dezavantaje care limitează aplicarea lor. Așa cum s-a menționat mai sus, extracția cu microemulsii și nanoparticule pe bază de ligand are loc prin adsorbția moleculelor de medicament pe suprafața exterioară a particulei. Cu toate acestea, eficiența extracției este mult redusă in vivo datorită prezenței unor cantități mari de proteine ​​serice pentru care medicamentele au o afinitate mare de legare [15,27]. În prezența acestor proteine, un nanodetoxifiant trebuie să concureze agresiv pentru legarea moleculelor de medicament. În plus, datorită eficienței scăzute de captare, trebuie administrată o concentrație mai mare de nanoparticule pentru a atinge nivelurile terapeutice ale tratamentului. Experimentele in vivo cu chitosan modificat și MIP au necesitat o doză de 33 și, respectiv, 30 mg/kg [31,42].

Deși legarea competitivă nu este o limitare a nanocapsulelor lipidice și a lipozomilor, toxinele capturate trebuie să treacă în continuare prin membrana fosfolipidă înainte de a se împărți în miez. Pentru a se produce acest lucru, toxina trebuie să aibă o afinitate pentru componentele membranei. Ca rezultat, nanocapsulele lipidice și lipozomii sunt de obicei eficienți în îndepărtarea compușilor amfifilici și hidrofobi. O altă limitare se datorează faptului că lipozomii anionici pot captura molecule în membrana bistratificată, ceea ce poate perturba ordonarea fosfolipidelor și poate duce la scurgerea componentelor centrale [37].

Nanoparticulele pe bază de ligand sunt limitate de aceeași constrângere ca și tratamentul antidotal convențional. În prezent, fiecare toxină cunoscută nu are un ligand corespunzător; prin urmare, metoda se aplică numai unei clase mici de medicamente. După cum sa menționat anterior, MIP-urile pot fi sintetizate cu o gamă largă de monomeri pentru a adapta site-urile de legare pentru a captura orice compus. Ele pot fi fabricate pentru a capta o țintă specifică, optimizând tipurile și rapoartele monomerilor specifici. Cu toate acestea, acest proces este consumator de timp și costisitor.

Problema generală a metodelor propuse este incapacitatea lor de a adapta diversitatea medicamentelor disponibile și a altor toxine. În mod ideal, o metodă de detoxifiere de succes ar trebui să se concentreze pe inactivarea toxinelor, mai degrabă decât pe eliminarea acestora. În această perspectivă, studierea metabolismului xenobiotic uman poate oferi informații despre realizarea acestei metode de detoxifiere.

Sistem de detoxifiere care imită biotransformarea

Perspectivă de viitor: o nouă platformă pentru nanodetoxifiere

Mai multe studii de dovadă a conceptului demonstrează diversitatea și selectivitatea SNT-urilor funcționalizate. Lee și colab. a atașat IgG antibovinic la un set de nanotuburi și IgG antiuman la un alt set folosind un aldehid silan și chimia bazei Schiff [6]. Suprafețele exterioare ale tuturor nanotuburilor au fost funcționalizate cu polietilen glicol (PEG) pentru a limita adsorbția nespecifică. Când au fost plasate într-o soluție care conține IgG umană, numai nanotuburile funcționalizate cu IgG antiumane au fost capabile să captureze antigenul. Mai important, Mitchell și colab. a arătat că enzimele au rămas active și au funcționat corect atunci când sunt atașate la suprafața nanotuburilor [3]. Nanotuburile enzimatice funcționalizate în soluție au fost utilizate pentru a măsura activitatea glucozei oxidazei. Pe lângă direcționarea specifică și activitatea enzimatică controlată, grupul Lee a studiat, de asemenea, rata selectivă de absorbție și eliberare a 4-nitrofenolului, fluorouracilului și ibuprofenului de către SNTs [6]. Suprafața interioară a nanotuburilor a fost funcționalizată mai întâi cu amino silan, apoi SNT-urile au fost adăugate la o soluție de hexan sau etanol care conține unul dintre medicamente. Medicamentele acumulate în nanotuburi prin interacțiuni ionice între molecule și amine de suprafață ale SNT.