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Pez cebra:un sistema modelo en tiempo real prometedor para la administración de fármacos neuroespecíficos mediada por nanotecnología

Resumen

La administración de medicamentos al cerebro siempre ha sido un desafío para la comunidad de investigadores y los médicos. La barrera hematoencefálica (BBB) ​​actúa como un obstáculo importante para la administración de medicamentos a partes específicas del cerebro y el sistema nervioso central. Está fisiológicamente compuesto por una compleja red de capilares para proteger el cerebro de agentes invasores o partículas extrañas. Por lo tanto, existe una necesidad absoluta de comprender la BBB para que las intervenciones terapéuticas tengan éxito. Investigaciones recientes indican la fuerte aparición del pez cebra como modelo para evaluar la permeabilidad del BBB, que está muy conservado en su estructura y función entre el pez cebra y los mamíferos. El sistema de modelo de pez cebra ofrece una plétora de ventajas que incluyen fácil mantenimiento, alta fecundidad y transparencia de embriones y larvas. Por lo tanto, tiene el potencial de ser desarrollado como un modelo para analizar y dilucidar la permeabilidad de BBB a nuevas tecnologías de permeación con neuroespecificidad. La nanotecnología se ha convertido ahora en un área de enfoque dentro de la comunidad industrial y de investigación para administrar medicamentos al cerebro. Las nanopartículas se están desarrollando con mayor eficiencia y precisión para superar la BBB y administrar fármacos neuroespecíficos al cerebro. El pez cebra se erige como un excelente sistema modelo para evaluar la biocompatibilidad y toxicidad de las nanopartículas. Por lo tanto, el modelo del pez cebra es indispensable para el descubrimiento o desarrollo de tecnologías novedosas para la administración de fármacos neuroespecíficos y posibles terapias para enfermedades cerebrales.

Introducción

La administración de fármacos se refiere al método de transferir compuestos al cuerpo con fines terapéuticos. Los compuestos son principalmente de naturaleza farmacéutica y están dirigidos contra una enfermedad particular a una población celular particular in vivo. El término administración de fármacos engloba dos ideas principales:forma de dosificación y vía de administración [1]. La administración adecuada del fármaco asegura una actividad eficaz del fármaco regulando lo siguiente:liberación del fármaco, absorción por las células y distribución correcta dentro del sistema [2]. Algunas vías comunes de administración de fármacos incluyen las vías enteral (tracto gastrointestinal), parenteral (mediante inyecciones), inhalación (mediada por el olfato), transdérmica (a través de la dermis), tópica (a través de la piel) y oral (a través del esófago) [3]. La administración de un fármaco es fundamental y de gran importancia en el campo de la terapéutica. El método elegido debe ser más eficaz y también menos tóxico para el sistema [4]. El problema se agrava aún más cuando el órgano en cuestión es el cerebro. La administración de fármacos al cerebro ha sido una lucha entre los investigadores durante más de décadas [5, 6]. Se han utilizado innumerables tecnologías e ideas para el desarrollo de una técnica eficaz [7, 8]. Sin embargo, el éxito no parece estar demasiado cerca. El mayor obstáculo en esta lucha es la capacidad de cruzar la barrera hematoencefálica (BBB). La BBB es una barrera fisiológica para proteger nuestro cerebro de los compuestos que se transfieren de la sangre al cerebro [9]. La composición natural de la barrera permite que sólo moléculas muy pequeñas del torrente sanguíneo accedan al cerebro [10]. Las moléculas con pesos moleculares pequeños <400 Da y las que son liposolubles tienen la capacidad de penetrar en el cerebro [11]. Los fármacos neuroespecíficos deben cumplir con estos parámetros para una administración eficaz del fármaco a través de la BBB. En la actualidad, la mayoría de los fármacos desarrollados para atacar el cerebro no logran cruzar la BBB [9, 12, 13]. Las enfermedades del sistema nervioso central son algunas de las enfermedades más prevalentes que afectan a varias personas en todas las etapas de la vida. Sin embargo, estas enfermedades siguen siendo las menos tratadas [14]. Existe una necesidad inmediata de nuevas tecnologías de administración de fármacos neuroespecíficos, ya que las tasas de éxito de los fármacos existentes dirigidos al cerebro son extremadamente bajas. Además de la permeabilidad restringida de la BHE, también es necesario tener en cuenta la complejidad del cerebro y los efectos secundarios causados ​​por las tecnologías de administración de fármacos existentes [15]. La ausencia de un método absoluto para la administración eficaz de fármacos neuroespecíficos ha obstaculizado el desarrollo eficaz de fármacos en este campo. La comunidad de investigadores ha explorado varias vías para administrar medicamentos seguros y dirigidos al cerebro. Se están estudiando macromoléculas a nanopartículas para garantizar la máxima eficacia [16].

La nanotecnología ha adquirido cada vez más el interés de la comunidad científica por su impacto en auge en la investigación sobre la administración de fármacos al cerebro [17]. Con el crecimiento de la nanotecnología, se ha producido una expansión simultánea del sector de la nanotoxicología. La evaluación de la toxicidad de las nanopartículas desempeña un papel fundamental en el análisis del impacto de las nanopartículas en las especies individuales y el medio ambiente en general [18]. En los últimos años se ha visto la aplicación del pez cebra como prototipo para estudios de toxicidad [19]. El pez cebra se ha utilizado ampliamente para estudios de biología experimental y ahora está evolucionando como un sistema modelo robusto para estudiar la nanotoxicidad [20]. En términos de sistema modelo de nanotoxicidad, el pez cebra ofrece varias ventajas. Es muy económico de utilizar como animal de experimentación y de fácil mantenimiento. Tiene una alta tasa de fecundidad, lo que los hace fácilmente disponibles y ayuda a comprender la fisiología de los vertebrados de una manera más sencilla [21]. Sin embargo, el uso del pez cebra como sistema modelo también tiene sus limitaciones. En primer lugar, es posible que el sistema nervioso del pez cebra no sea tan complicado y desarrollado como el de los humanos; los sistemas nerviosos de roedores y murinos están comparativamente mejor desarrollados y pueden usarse para estudiar las complejas enfermedades del cerebro humano; sin embargo, no son idénticos a los de los humanos [22]. En segundo lugar, el pez cebra carece de algunos sistemas de órganos que se encuentran en los humanos, como los pulmones, la próstata y las glándulas mamarias; Además, las enfermedades causadas por genes ausentes en el pez cebra no pueden estudiarse [23]. Sin embargo, el pez cebra comparte un 70% de similitud genómica con el genoma humano y un 84% de homología con los genes que causan enfermedades humanas, lo que lo hace muy adecuado para imitar la patología de enfermedades humanas [24]. Se había postulado previamente que el pez cebra adulto carecía del macrófago hepático; se consideró que las células de Kupffer estaban presentes sólo de forma transitoria en la etapa embrionaria temprana y ausentes o escasas en las etapas posteriores del desarrollo [25, 26, 27]. Sin embargo, un trabajo reciente ha demostrado el origen hematopoyético de las células de Kupffer y su persistencia incluso en el hígado del pez cebra adulto, lo que hace que el pez cebra sea también un experto en la investigación de las células de Kupffer [28, 29]. Además, se espera que los modelos de vertebrados superiores imiten las patologías humanas complicadas con mayor precisión que el pez cebra. Recientemente, ha comenzado un debate sobre la dependencia de los datos disponibles de modelos animales y su extrapolación a los seres humanos [30]. Esto señala el hecho de que cualquier modelo animal tiene sus propias limitaciones cuando se aplica a estudios clínicos [30, 31].

Esta revisión analiza los estudios más recientes sobre la administración de fármacos mediada por nanotecnología específicamente al cerebro utilizando el pez cebra como sistema modelo. Resume los obstáculos de la BBB y las diversas optimizaciones de nanofármacos, su evaluación de toxicidad y su impacto como uso terapéutico en enfermedades neurodegenerativas utilizando tanto embriones de pez cebra como adultos. Finalmente, la revisión destaca las ventajas y desventajas del modelo de pez cebra para la administración de fármacos neuroespecíficos y saca a la luz el inmenso alcance que tiene para futuras investigaciones traslacionales.

Barrera hematoencefálica:el principal obstáculo en la administración de fármacos neuroespecíficos

La BHE asegura la entrada restringida de sustancias al cerebro, por lo que actúa como una barrera de difusión que ayuda a mantener la homeostasis cerebral normal [32]. Varias células participan en la formación de la estructura compuesta de la BHE [33]. Los pericitos, astrocitos y neuronas comprenden los componentes celulares, mientras que las células endoteliales, las uniones estrechas y la membrana basal constituyen juntas la BHE [34]. La falta de fenestraciones en las células endoteliales del cerebro asegura que no haya difusión de moléculas pequeñas a través de su superficie. Incluso las sustancias solubles en agua no pueden entrar en el cerebro por la presencia de uniones inter endoteliales como uniones estrechas, uniones adherentes y uniones gap, que unen las células endoteliales [35]. Estas células endoteliales, a su vez, están rodeadas por pericitos, astrocitos y membrana basal que completan la estructura de la BHE [36]. Las uniones adherentes y las uniones estrechas regulan la permeabilidad de la capa de células endoteliales. Las uniones gap están formadas por moléculas de conexina y controlan la comunicación entre las células endoteliales [37]. Las moléculas pueden cruzar la BHE a través de dos vías:la vía paracelular o la vía transcelular [38]. En la vía paracelular, los iones y moléculas atraviesan la BHE mediante la difusión pasiva entre las células mediante un gradiente de concentración [39]. La vía transcelular emplea el uso de varios mecanismos como la transcitosis o el transporte mediado por receptores para el paso de moléculas a través de las células [40]. Varios parámetros influyen en la permeabilidad de la BBB. El peso molecular, la carga en la superficie, la actividad superficial, la solubilidad de la molécula y el tamaño relativo de la molécula afectan la permeabilidad de la BBB [41].

Barrera hematoencefálica:tecnologías modernas para la administración de fármacos

La barrera hematoencefálica (BBB) ​​en un cerebro sano opera principalmente como barrera de difusión para proteger las funciones normales del cerebro. Evita que la mayoría de los compuestos se transfieran de la sangre al cerebro. La estricta BBB permite que sólo moléculas muy pequeñas entren en el cerebro; sin embargo, se observa que se altera en condiciones de enfermedad.

Por qué las nanopartículas son una opción actual para la administración de fármacos neuroespecíficos

La técnica de ingeniería y síntesis de materiales a nivel molecular se conoce como nanotecnología. El Instituto Nacional de Nanotecnología define la nanotecnología como cualquier material que existe en al menos una dimensión y varía en tamaño entre 1 y 100 nm (Fig. 1). La última década ha experimentado un auge en el campo de la nanotecnología y sus aplicaciones en el campo biomédico. Se cree que la administración de fármacos basada en la nanotecnología ha conmovido a toda la industria biotecnológica y farmacéutica y ha provocado un cambio profundo en este campo en los próximos años [42,43,44,45,46,47]. La aplicación de la nanotecnología promete varias ventajas en la administración de fármacos dirigida. Estos incluyen la capacidad de administrar medicamentos (a) de menor solubilidad en agua a su sitio objetivo respectivo, (b) de dos o más tipos para lograr la terapia combinatoria, (c) administración dirigida en el sitio de acción específico, (d) transporte de medicamentos a través de barreras estrictas, es decir, barrera hematoencefálica, (e) oportunidades de visualización para una mejor comprensión y análisis de la actividad del fármaco [48] y (f) facilidad de seguimiento en tiempo real para lograr una eficacia perfecta en el modo de actividad del fármaco [44]. Por lo tanto, la técnica de la nanotecnología tiene un enorme potencial para la terapéutica neuroespecífica.

Características de los fármacos neuroespecíficos. La BHE está formada típicamente por uniones estrechas en las células endoteliales rodeadas por astrocitos, pericitos y neuronas. Las moléculas neuroespecíficas deben poseer características específicas para poder atravesar la barrera hematoencefálica (BHE). Las características preferidas son:tamaño muy pequeño con un diámetro de menos de 100 nm, bajo peso molecular preferiblemente menos de 400 Da, debe tener carga positiva, forma esférica y solubilidad en lípidos

El pez cebra como modelo para la administración de fármacos neuroespecíficos

El Danio rerio (pez cebra) es un modelo de vertebrados demostrado para explorar estudios de desarrollo y el estudio de enfermedades degenerativas [49,50,51,52]. Puede modelarse para análisis de gran alcance, desde análisis fundamentales y toxicológicos hasta estudios preclínicos [53,54,55]. De las varias ventajas que ofrece el pez cebra, su mantenimiento rentable, la facilidad de prueba con requisitos de alojamiento simples y un tamaño de embrague grande son muy adecuados para pruebas de alto rendimiento [56]. La alta fecundidad es una característica distintiva que acentúa aún más el uso de este sistema modelo [24, 57]. Los sistemas de órganos del pez cebra están muy conservados en comparación con los de los vertebrados superiores [58].

Los embriones de pez cebra tienen un desarrollo externo y son completamente transparentes, por lo que pueden estudiarse visualmente de forma extensa. Por lo tanto, son una excelente herramienta para los análisis de cribado que utilizan agentes que interrumpen el crecimiento, el desarrollo y el ciclo celular normales [59]. Muestran patrones de desarrollo completos que van desde la epibolia hasta el desarrollo final de estructuras clave [60, 61]. El pez cebra ahora se usa ampliamente para la investigación neuropsiquiátrica y varios estudios para analizar la toxicidad del desarrollo en la administración de medicamentos mediada por nanopartículas. La exposición del pez cebra a nanopartículas de oro interrumpió el desarrollo normal del ojo y la pigmentación, como se observa a través de un microscopio óptico simple [62, 63]. La administración de nanopartículas de oro al pez cebra produjo efectos genotóxicos y alteraciones graves en la constitución de su genoma [64]. La toxicidad dependiente de la dosis y del tiempo de los NP de sílice se determinó analizando su impacto en el sistema cardiovascular [65, 66] y en las tasas de mortalidad [67]. También se encontró que los NP de quitosano tienen una mayor compatibilidad en comparación con el quitosano normal [68].

Es absolutamente vital que las nanopartículas utilizadas para intervenciones clínicas sean biodegradables y no tóxicas. Las nanopartículas tienen un gran potencial en el campo de la administración de fármacos dirigida y la investigación traslacional. El uso de nanopartículas se ha aplicado a un número cada vez mayor de campos, incluidas las aplicaciones in vivo. Este amplio aumento en el uso de nanopartículas implica el peligro latente de una exposición excesiva de estos nanoportadores a los seres humanos. Los estudios de toxicidad de las nanopartículas son una parte indispensable de la nanotecnología. Se deben realizar estudios que se centren en las interacciones de las nanopartículas a nivel celular y molecular para analizar la toxicidad antes de que puedan usarse clínicamente. La Tabla 1 resume los estudios de neurotoxicidad de diversos nanoportadores empleados para la administración de fármacos dirigidos al cerebro utilizando pez cebra. La toxicidad de las nanopartículas implica analizar la toxicidad, la permeabilidad, la tasa de mortalidad, la teratogenicidad inducida, las reacciones inmunes y la toxicidad genómica.

El pez cebra se utiliza ampliamente como un sistema modelo para evaluar la toxicidad y biocompatibilidad de las nanopartículas [111,112,113], y tiene un gran potencial como modelo para estudiar la neurotoxicidad y el cribado de alto rendimiento de las nanopartículas [114,115,116,117]. Ningún modelo que no sea el pez cebra es tan adecuado para tales análisis. Este sistema modelo se puede utilizar para estudiar, analizar y gestionar los riesgos derivados de la toxicidad de los nanomateriales. La información obtenida será útil para formular directrices específicas, enmarcar medidas de protección y controles de calidad al trabajar con productos relacionados con la nanotecnología [118, 119].

Información sobre la administración de fármacos mediada por nanopartículas mediante embriones de pez cebra

Para utilizar nanopartículas para dirigirse al cerebro, es esencial un conocimiento previo de sus efectos in vivo. El modelo de pez cebra es el más adecuado para este propósito. Se han realizado estudios recientes utilizando nanopartículas para obtener conocimientos vitales sobre la eclosión de larvas de pez cebra. Uso de TiO 2 Las nanopartículas inducen la eclosión temprana en las larvas de una manera dependiente de la dosis [120]. Chen y col. sugiera que TiO 2 Las nanopartículas tienen un impacto en el comportamiento de nado de las larvas que afectan tanto a la velocidad como al nivel de actividad [121]. Por otro lado, Ong et al. informaron sobre la inhibición completa de la eclosión y la muerte embrionaria de las larvas tras la exposición a nanopartículas. Añadieron además que la causa de la muerte de los embriones es la interacción física de las nanopartículas con los embriones más que los efectos de las propiedades físico-químicas de las nanopartículas [122]. También se ha observado una alteración del sistema endocrino tiroideo en las larvas de pez cebra cuando se exponen al TiO 2 nanopartículas [123]. Se ha atribuido a la acumulación de plomo la causa de este efecto adverso. TiO 2 También se ha informado que las nanopartículas activan significativamente los niveles de expresión de BDNF, C-fos y C-jun. Por el contrario, también se encontró que tiene un efecto inhibidor sobre genes como p38, NGF y CRE, lo que resulta en el daño cerebral del pez cebra [124]. TiO 2 También se ha demostrado que las nanopartículas tienen efectos adversos sobre el potencial reproductivo de los peces, lo que provoca una reducción del 9,5% en el número de huevos liberados [125]. Vogt y col. informó además de la toxicidad química de la molécula pequeña BCI cuando se agrega a los embriones de pez cebra 24-48 h después de la fertilización [126]. Ali y Legler et al. mostraron malformaciones inducidas por nanopartículas de nonilfenol en los embriones incluso a dosis bajas [127]. Usenko y col. fullereno de carbono evaluado [C 60 , C 70 y C 60 (OH) 24 ] toxicidad inducida por el uso de embriones de pez cebra [128], mientras que Daroczi et al. enumeró el potencial protector del mismo nanomaterial frente a la radiación ionizante [129]. Efecto neuroprotector de C 60 También se ha informado de un derivado de fullereno, nanopartícula de dendrofullereno (DF-1), en los embriones de pez cebra mediante la evaluación de su toxicidad [129]. La administración de nanopartículas de sílice a los embriones de peces resultó en un aumento de la mortalidad [67], mientras que las nanopartículas de ZnO aumentaron la mortalidad y también causaron ulceración de la piel con retraso en la eclosión [82]. Brun et al. [130]. Este estudio destaca la importancia de las respuestas moleculares como indicadores de toxicidad biológica. Se obtuvieron imágenes en tiempo real de embriones de pez cebra injertados con células cancerosas y sometidos a nanopartículas poliméricas para comprender la toxicidad de las nanopartículas y la estrategia de tratamiento [131].

Curiosamente, la obtención de imágenes biológicas utilizando embriones de pez cebra de diversas etapas de desarrollo reveló los efectos tóxicos de las nanopartículas de Ag agrupadas en colato de sodio [132, 133]. Este estudio tiene una importancia inmensa [134], ya que muestra que la toxicidad derivada de las nanopartículas de Ag afecta el desarrollo de las branquias y lamelos en los peces. Este efecto inhibidor se debe principalmente a la interacción de los iones Ag en las branquias, donde bloquean la actividad de la ATPasa Na + / K + [135, 136]. Además, se ha informado de que las nanopartículas de Cu tienen un efecto inhibidor similar sobre el crecimiento de las branquias en los peces [76]. El uso de nanopartículas de cobre en las larvas provocó malformaciones y retrasó la eclosión [69, 76]. La aplicación de nanopartículas de oro no tuvo ningún efecto tóxico sobre las larvas [69], mientras que las nanopartículas de plata afectaron el desarrollo [137]. Las nanopartículas hechas de zinc, magnesio, hierro, cobre y níquel no tuvieron toxicidad en los adultos, pero en las larvas se observó un retraso en la eclosión [78, 79, 81, 82, 138]. También se ha demostrado que las nanopartículas del compuesto orgánico fullereno no son tóxicas para las larvas en concentraciones inferiores a 200 mg / L [139]. Además, también se demostró que las nanopartículas de quitosano eran mucho más efectivas y no tóxicas en comparación con las partículas de quitosano habituales [68].

Nanopartículas de óxido metálico como TiO 2 Se ha informado que induce algunas malformaciones del desarrollo en las larvas de pez cebra [120], mientras que algunos informan que es completamente no tóxico [140, 141]. El parámetro crucial aquí es la dosis y el tiempo de exposición. Dosis más altas de TiO 2 Las NP resultan fatales para las larvas con acumulaciones de NP en las branquias, el corazón, el hígado y el cerebro [141, 142]. Los efectos genotóxicos también son el resultado de la exposición a altas dosis de TiO 2 al pez [143]. Exposición crónica a concentraciones más bajas (<4 mg / L) de TiO 2 Los NP conducen a una menor toxicidad y una mayor tasa de mortalidad [142]. Otra característica importante de una nanopartícula que debe tenerse en cuenta es la forma de la nanopartícula y las proteínas en su superficie. Los cristales hexagonales de columna de grano de las NP de ZnO impactaron el ciclo celular del pez cebra [144], mientras que las NP de ZnO que tenían forma de hoja y estaban recubiertas de polímero mostraron una mayor biocompatibilidad en comparación con las NP esféricas [122]. Además, se ha demostrado que los nanosticks son más tóxicos que las esferas y las nanopartículas cuboidales [145]. Los NP de hierro producen deformidades graves en las larvas [146] y efectos genotóxicos en los adultos [134], mientras que los NP de níquel, cobalto y aluminio han demostrado ser relativamente inertes [82, 147].

Teniendo en cuenta la creciente devastación causada por el plástico en el mundo actual, Pitt et al. mostró su impacto en el pez cebra. Observaron que el pez cebra en desarrollo es altamente susceptible a los nanoplásticos disponibles en los ecosistemas acuáticos. Estas nanopartículas pueden penetrar el corion y tener un impacto nefasto en su fisiología y respuestas conductuales [148]. Este estudio continúa para dilucidar la molestia creada por el plástico para el mundo submarino que a su vez impacta en la civilización humana. La investigación sugiere que las nanopartículas muy pequeñas que tienen una alta relación superficie / volumen son altamente capaces de absorber contaminantes del medio ambiente. Se ha estudiado el uso de perlas nanoplásticas de poliestireno en productos cosméticos por su toxicidad para el desarrollo y su impacto en los embriones de pez cebra [149]. Otro estudio sobre nanoplásticos de poliestireno de tamaño inferior a 20 nm ha demostrado que se acumula en el cerebro de los embriones [150].

Información revelada por estudios de nanopartículas en pez cebra adulto

Se ha realizado un repertorio relativamente extenso de investigación sobre los efectos de las nanopartículas en el pez cebra adulto. Actúa como una valiosa fuente de información sobre el uso de nanopartículas en vertebrados. Truong y col. evaluaron la anomalía del comportamiento que surge en 122 embriones dpf por exposición a nanopartículas de oro [151]. La administración de fármacos a la piel también se ha logrado mediante la administración de nanopartículas al pez cebra. Los investigadores han demostrado que las nanopartículas de Ag-BSA entran en la piel por endocitosis, donde se acumulan y provocan anomalías cutáneas [63]. La administración de fármacos a través de nanopartículas también se ha utilizado para inducir condiciones de estrés en el pez cebra para que actúen como modelos potenciales para el descubrimiento de fármacos [152]. Se ha demostrado que algunas nanopartículas inducen asma, apoptosis y una respuesta inmunitaria mejorada en los peces, lo que hace posible su uso en estudios inmunotoxicológicos [153,154,155,156]. El modelo del pez cebra se ha estudiado ampliamente para la cardiotoxicidad inducida por fármacos [157, 158]. El corazón de un pez cebra presenta varias características funcionales similares a las de un corazón humano, incluidas las respuestas farmacológicas a los fármacos [159,160,161,162]. El corazón de pez cebra es el primero en desarrollarse a 22 hpf, mientras que todo el sistema cardiovascular está listo para 48 hpf [163]. Los embriones de pez cebra se han visualizado para estudiar los efectos de los fármacos sobre la frecuencia cardíaca, el ritmo, la contractilidad y la circulación. Se han realizado varios ensayos visuales utilizando el pez cebra para ayudar a elaborar sobre la salud cardíaca. El intervalo QT es uno de los parámetros en los que se basan la mayoría de los fármacos cardíacos. El intervalo QT es el intervalo de tiempo entre una onda Q y una T en el ciclo eléctrico del corazón. Se han evaluado varios fármacos por su efecto sobre el intervalo QT (duración del potencial de acción ventricular) utilizando pez cebra [164,165,166]. Uno de los estudios informó que el fármaco que causa la prolongación del intervalo QT en humanos en realidad conduce a bradicardia y bloquea la conducción ventricular auricular [160]. El hígado de pez cebra se forma en 48 hpf y se vuelve completamente funcional en 72 hpf; este sistema modelo se utiliza ampliamente para estudiar la administración de fármacos en el hígado. Los estudios en este campo han revelado que la respuesta exhibida por el pez cebra en la toxicidad hepática es similar a la exhibida por los vertebrados superiores [167]. El pez cebra se ha utilizado para caracterizar los ortólogos del citocromo P450, CYP3A y CYP3A65 [168, 169]. Se han realizado evaluaciones adicionales para profundizar en el efecto del fármaco sobre CYP3A4, CYP2D6 y CYP3A65 [170]. Los efectos neuroprotectores de las nanoformulaciones de hesperetina se han estudiado en un modelo de lesión cerebral traumática de pez cebra [171].

El pez cebra ofrece un modelo de estudio patológico completo para la administración de fármacos neuroespecíficos

Cuando se administra el fármaco al cerebro, pueden producirse varios efectos adversos. El modelo del pez cebra ofrece la ventaja de estudiarlos en detalle y, por tanto, proporciona una técnica adecuada de administración de fármacos al cerebro [172]. Teratogenicidad:cualquier tipo de crecimiento o desarrollo teratogénico anormal puede evaluarse fácilmente observando los embriones transparentes de pez cebra [59]. De las perturbaciones clave que se pueden observar durante la formación del teratoma son la pigmentación del ojo [67], las tasas de mortalidad [65], los cambios en el sistema cardiovascular [68] y los efectos sobre la eclosión [115]. Inmunotoxicidad:Se han realizado investigaciones sobre las reacciones inmunológicas que surgen en el pez cebra en respuesta a fármacos o nanopartículas. Esto conduce a la acumulación de neutrófilos y macrófagos [173]. Se ha informado que el uso de nanopartículas de oro altera las respuestas inmunitarias inflamatorias [174], mientras que, por otro lado, se ha demostrado que las nanopartículas de plata inducen respuestas inflamatorias [175]. Genotoxicidad:los cambios que se producen a nivel del ADN pueden observarse mediante PCR en tiempo real [143] y otros ensayos de cometa [134]. Las investigaciones recientes sobre NP basadas en carbono han atraído una mayor atención recientemente [176] principalmente debido a su baja toxicidad [177]. Los NP de carbono se utilizan en diversas formas en el pez cebra, que incluyen fullerenos [128], nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono (CNT) [178], QD de grafeno [179] y QD de carbono (puntos C) [180]. Los alótropos de carbono, como los fullerenos, también se han utilizado como NP desde su descubrimiento en 1985. Se han utilizado ampliamente para aplicaciones de administración de fármacos [181, 182]. Los estudios en pez cebra revelaron que la toxicidad de los NP de fullereno depende de la carga en su superficie. Los fullerenos con carga positiva fueron más tóxicos en comparación con los fullerenos con carga negativa [128]. La investigación muestra que los fullerenos solubles en agua tienen la capacidad de proteger contra la muerte celular actuando como captadores de radicales libres [129, 183]. Se han realizado investigaciones recientes en pez cebra con nanocebollas que son estructuras de fullereno de múltiples conchas. Presentan baja toxicidad y buena biocompatibilidad en las larvas de pez cebra [184]. Los nanotubos de carbono (CNT) poseen características físico-químicas distintas por lo que son un modo atractivo de administración de fármacos para los investigadores [176, 185, 186]. La eficiencia de los CNT depende de su longitud y la naturaleza de sus paredes, ya sean de una o varias paredes. Los informes sugieren que los NTC prístinos de una o varias paredes tienen un impacto mínimo en el crecimiento y desarrollo de las larvas de pez cebra [187]. Las variaciones en la longitud de los NTC pueden provocar cambios a nivel molecular, siendo más citotóxicos los NTC más largos [188]. Se ha demostrado que el pez cebra adulto cuando se expone a NTC de paredes múltiples exhibe toxicidad que incluye branquias inflamatorias [189] y acumulación de NTC en el cerebro y las gónadas [105, 190]. Otra forma de NP basadas en carbono son los puntos cuánticos (QD) y los puntos cuánticos de grafeno (GQD). La característica típica de los QD son las estructuras de carbono cuasi esféricas con un diámetro inferior a 10 nm [191] y el de los GQD es inferior a 30 nm [192, 193]. Una característica adicional de los QDs incluye su fotoestabilidad única que le permite combinarse con los fluoróforos abriendo así una gran cantidad de posibilidades de bioimagen [194]. Los QD presentan la menor toxicidad, ya que están compuestos predominantemente por moléculas de carbono inertes [195]. Por lo tanto, una combinación de fluoroluminiscencia y propiedades de baja toxicidad la convierte en una herramienta muy atractiva para la administración de fármacos [195,196,197].

Nanopartículas enfocadas para administrar el fármaco al cerebro

Con el conocimiento previo sobre la acción de las nanopartículas en la fisiología del pez cebra, los investigadores ahora están tratando de administrar medicamentos al cerebro a través de la nanotecnología utilizando modelos de pez cebra. Tabla 2. Qian et al. han informado de nanopartículas de polímero conjugadas con etiquetas de ácido fenilborónico en su superficie que ayuda a detectar la fluorescencia del neurotransmisor dopamina utilizando larvas de pez cebra [91]. Este hallazgo allana el camino para los teranósticos de las enfermedades relacionadas con la dopamina. Sin embargo, un informe reciente elaboró ​​sobre la toxicidad de la nanopartícula de oro en comparación con el oro iónico en el pez cebra que fue sometido a sedimentos puntiagudos [64]. Informaron que la nanopartícula alteraba la neurotransmisión en el cerebro del pez cebra, ya que tenía un efecto sobre la actividad de la acetilcolina esterasa. En un trabajo interesante, Sivaji et al. [198] tenía como objetivo administrar donepezil, un fármaco bien establecido para la enfermedad de Alzheimer, a través de poli N funcionalizado -Nanogeles de isopropil acrilamida PNIPAM nanogel en el cerebro. Informaron que el gel podría superar la BBB y también mostró una liberación sostenida del fármaco utilizando el modelo de pez cebra. Por lo tanto, este estudio pone de relieve el desarrollo de nanogel neuroespecífico para la administración de fármacos dirigidos al cerebro. El mismo grupo informó además sobre la síntesis de nanopartículas de oro coloidal funcionalizadas con polisorbato 80 y polietilenglicol, con capacidad para superar la barrera hematoencefálica con fines terapéuticos [199]. En este estudio, sintetizaron y validaron un nanoportador biocompatible con capacidad para cruzar la barrera hematoencefálica y administrar fármacos neuroespecíficos de manera eficiente.

Enfoque traslacional de nanopartículas neuroespecíficas:pez cebra para humanos

A variety of model organisms have been employed till date to investigate human diseases. While chimpanzees and monkeys have a high degree of similarity with humans, mice and rats have been used extensively over the past few decades. Research using zebrafish models to study various human diseases is now on the increase [31]. Various state-of-the-art technologies have been analysed and evaluated using the zebrafish model. In this context, nanodiamonds (ND) which refer to a newer class of nanoparticles belonging to the carbon family are being explored in the latest techniques for drug delivery across the BBB [200, 201]. They possess outstanding optical properties, malleability of surface structures and mechanical properties which are pertinent for targeted drug delivery. The zebrafish has proved to be an apt model system to study the fluorescent nanodiamonds (FND) in detail. Chang et al. have studied the photostability and non-toxicity of FNDs by single particle tracking using zebrafish yolk cells [202]. Further, evaluation of ND to facilitate their application as nanolabels has been performed using laser confocal microscopy and real-time fluorescence tagging in zebrafish [203]. Zebrafish model can hence be explored to assess the potential of NDs as nanolabelling systems to deliver neurospecific drugs. The use of zebrafish is validated by its high genetic and systems similarity with that of humans. Regenerative ability of zebrafish is also a very interesting aspect of its physiology which has made it an important model organism to study neurodegenerative diseases. Recent studies have identified pivotal insights into brain drug delivery mechanism using zebrafish models of neurodegenerative diseases. Recent research conducted regarding drug delivery in the brain using the zebrafish model has revealed pivotal insights about the dynamics of this mechanism. The only drawback withholding accelerated research in this arena is the lack of established protocols to validate the studies. However, it is only a matter of time when such protocols are developed through ongoing research in this field. A great deal of scope still exists for further research on the following focus areas.

  • Admixture of nanoparticles along with two or more drugs to provide better holistic treatment

  • Analysis of fullerenes, nano-onions and nanodiamonds in neurodegenerative diseases

  • Understanding the biocompatibility of the newer nanoparticles and their brain-penetrating ability.

All the above-mentioned focus areas can be easily assessed using zebrafish model systems. The zebrafish model, therefore, holds great promise for development and evaluation of novel techniques for targeted drug delivery within the brain for translational analysis (Fig. 2). This could open up exciting new vistas for medical intervention to develop therapeutic strategies to treat neurodegenerative diseases.

Schematic representation of zebrafish model for delivering drugs encapsulated in nanoparticles to the brain. This method ensures efficient delivery of drugs across the blood–brain barrier (BBB). Several nanoparticles possess the potential to treat a variety of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and motor neuron diseases (MND)

Future Research Directions

The last decade witnessed a surge in the use of nanotechnology for brain drug delivery unfolding several exciting new strategies in this arena [16, 17, 204, 205]. However, problems like toxicity, immunogenicity and efficient drug delivery still persist and have restrained the research community from achieving their ultimate goal [206,207,208,209]. Future research prospects for neurospecific drug delivery therefore involve overcoming the existing challenges in this field. Research on nanomaterial toxicity and side effects should be extensive, accurate and always preceed the in vivo implementation of any new nanocarrier formulation. Proper comprehensive analysis of the nano-bio-interactions is absolutely essential for developing strategies for neurospecific drug delivery [210]. Newer imaging techniques should be adopted to broaden the understanding of bio distribution and pharmacokinetics of the delivered drug. Complete knowledge on the bio availability and clearance of the drug is indispensable for achieving the translation from bench side to bed side. Zebrafish, long considered as a “gold standard” for studying several developmental and metabolic diseases, is highly prospective for studies on nanodrug delivery. The transparent embryonic development with the ability to facilitate large-scale drug screening in a vertebrate model among other innumerable key attributes of the zebrafish holds promise for overcoming these roadblocks. The use of this robust model system therefore has immense potential for further research in nanotherapeutics to achieve safe and successful neurospecific drug delivery.

Conclusion

The BBB poses as the main obstacle in delivering drugs to the brain. The physiological function of the BBB is to protect the brain from foreign substances and in doing so it acts as a hurdle even for therapeutic purpose. The current need of the hour is a strategy in drug delivery which is able to overcome the BBB. Only then can effective treatments for brain specific diseases be possible. Recent focus on nanotechnology-based approaches for drug delivery across the BBB seems to have promising prospects for the field of neurospecific drug delivery in the future. Research towards this end is ongoing using a variety of nanoparticles like liposomes, dendrimers, micelles and carbon nanotubes as nanocarriers and nanogels. The zebrafish model is a favourite when it comes to nanotechnology-based toxicity studies and neurospecific drug delivery. Further research on nanotechnology using this model is needed for newer insights which can lead to possible breakthroughs in discovery in neurospecific drug delivery.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica.

Abreviaturas

BBB:

Blood–brain barrier

NPs:

Nanopartículas

Au:

Gold

Ag:

Silver

Cu:

Copper

Cd:

Cadmium

CuO:

Copper oxide

MgO:

Magnesium oxide

NiO:

Nickel oxide

ZnO:

Zinc oxide

MPs:

Microplastics

MOFs:

Metal organic frameworks

CNTs:

Carbon nanotubes

TiO2 :

Titanium dioxide

QDs:

Quantum dots

PCR:

Polymerase chain reaction

GQDs:

Graphene quantum dots

PNIPAM:

Poly N -isopropyl acrylamide

NDs:

Nanodiamonds

FND:

Fluorescent nanodiamonds

AD:

Disease

PD:

Parkinson’s disease

HD:

Huntington’s disease

ALS:

Amyotrophic lateral sclerosis

MND:

Motor neuron diseases


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