Nanotecnología:del sistema de imágenes in vivo a la administración controlada de fármacos

Revisión

Introducción

De hecho, la nanotecnología está progresando en todos los campos imperativos de la ingeniería y la ciencia, y los científicos están revolucionando todas las industrias y vidas humanas al diseñar cosas capaces de funcionar en la escala más pequeña, átomo por átomo [1]. La nanotecnología implica el estudio de estructuras eminentemente pequeñas. La nanotecnología se puede definir de manera integral como el estudio, la creación, el diseño, la síntesis y la implementación de materiales, sistemas y dispositivos funcionales mediante el control de la materia dentro del rango de tamaño de 1 a 100 nm a escala nanométrica. Además, la manipulación de fenómenos innovadores y propiedades mejoradas de la materia a esta escala nanométrica, también conocida como nanotecnología molecular, es un punto mágico en la escala de longitud donde los aparatos más pequeños hechos por el hombre se encuentran con las moléculas y átomos del universo [2,3,4 ].

El inicio temprano del concepto de nanotecnología y nanomedicina surgió de la idea perspicaz de Feynman de que los diminutos nanorobots y dispositivos relacionados podrían desarrollarse, fabricarse e introducirse en el cuerpo humano para reparar células a nivel molecular. Aunque más tarde en las décadas de 1980 y 1990, este concepto innovador fue defendido en los famosos escritos de Drexler [5, 6], y en las décadas de 1990 y 2000 en los escritos populares de Freitas [7, 8]. Feynman ofreció la primera propuesta conocida de un procedimiento nanomédico para curar enfermedades cardíacas. En general, la miniaturización de herramientas médicas proporcionará enfoques más precisos, controlables, fiables, versátiles, rentables y rápidos para mejorar la calidad de vida humana [9]. En 2000, se lanzó por primera vez la Iniciativa Nacional de Nanotecnología; luego, a partir de ahora, el modelado de la electrónica y las estructuras moleculares de nuevos materiales, el establecimiento de dispositivos fotónicos y electrónicos a nanoescala [10, 11], el desarrollo de redes 3D, la nanorobótica [12] y el advenimiento de la microscopía de fuerza multifrecuencia [13] han pavimentado el camino para el surgimiento de la nanotecnología molecular.

Las nanopartículas se consideran los componentes básicos de la nanotecnología. La presencia de enlaces químicos fuertes, la deslocalización extensa de los electrones de valencia que varían con el tamaño y las modificaciones estructurales en las nanopartículas conducen a diferentes propiedades físicas y químicas, incluidos los puntos de fusión, las propiedades ópticas, las propiedades magnéticas, los calores específicos y la reactividad de la superficie. Estas nanopartículas ultrafinas exhiben propiedades completamente nuevas y mejoradas en comparación con su contraparte a granel debido a la variación en características específicas como el tamaño, la distribución y de las partículas que dan lugar a una mayor relación superficie / volumen [14, 15, 16]. A medida que el campo de los materiales nanoestructurados ha evolucionado, se están utilizando muchas etiquetas y terminologías diferentes, incluidas nanopartículas 3D, nanocristales, nanofilms, nanotubos, nanocables y puntos cuánticos con un potencial prometedor de un número infinito de propiedades [17]. Debido a la variedad de aplicaciones potenciales (incluidas las industriales y militares), los gobiernos han invertido miles de millones de dólares en investigación en nanotecnología. Estados Unidos ha invertido 3.700 millones de dólares a través de su Iniciativa Nacional de Nanotecnología, y la Unión Europea también ha subvencionado 1.200 millones, y Japón invirtió 750 millones de dólares [18].

Hoy en día, la nanotecnología es una de las áreas de estudio científico más innovadoras y de vanguardia, y continúa progresando a un ritmo asombroso [19]. Gracias al avance de la nanotecnología, muchas tecnologías de vanguardia estuvieron disponibles para la administración de fármacos. Los investigadores han investigado ampliamente el potencial de los nanodispositivos para la administración controlada y específica de diversas micro y macromoléculas, incluidos fármacos, proteínas, anticuerpos monoclonales y ADN (ácido desoxirribonucleico) en diversas aplicaciones biomédicas como el cáncer [20, 21], la vacunación [22] , dentales [23], inflamatorios [24] y otros trastornos de salud. Por lo tanto, es una necesidad del día demostrar el uso eficiente de aplicaciones de nanotecnología que van desde el sistema de imágenes in vivo hasta la administración controlada de fármacos, para marcar el progreso actual y obtener direcciones para la investigación inminente en los campos médicos.

Nanosistemas farmacéuticos

La nanotecnología farmacéutica se puede clasificar en dos categorías principales de nanoherramientas, es decir, nanomateriales y nanodispositivos. Los nanomateriales se pueden categorizar aún más sobre la base de tres parámetros básicos que incluyen estructura, dimensión y composición de fases. Las nanoestructuras se clasifican además en estructuras poliméricas y no poliméricas que incluyen nanopartículas, micelas, dendrímeros, conjugados de fármacos, nanopartículas metálicas y puntos cuánticos [25]. Sobre la base de sus dimensiones, los nanomateriales se clasifican en cuatro grupos, es decir, materiales de cero, una, dos y tres dimensiones. Según la composición de las fases, estos nanomateriales se pueden clasificar en tres grupos. Los nanodispositivos se subdividen en tres grupos, incluidos los sistemas microelectromecánicos / sistema nanoelectromecánico (MEMS / NEMS), microarrays y respirocytes. Estas estructuras y dispositivos pueden fabricarse con un alto grado de propiedad funcional para su uso en medicina para interactuar con las células a nivel molecular, lo que permite un grado de integración entre los sistemas biológicos y la última tecnología que no se podía lograr anteriormente [26]. La clasificación detallada de las nanoherramientas farmacéuticas se describe con sus ejemplos en la Tabla 1.

Enfoques de fabricación

Las tecnologías de nanoescala han alcanzado una gran importancia para la formulación de fármacos poco solubles en agua. Al reducir el tamaño de partícula al rango de nanoescala, la tasa de disolución y la biodisponibilidad aumentan debido al aumento de la superficie, según la ecuación de Noyes-Whitney [27]. Los enfoques utilizados para los materiales de fabricación se clasifican en técnicas de abajo hacia arriba, técnicas de arriba hacia abajo y la combinación de técnicas de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo. Las técnicas de abajo hacia arriba implican la acumulación de moléculas. Algunas de las técnicas que siguen el enfoque de abajo hacia arriba para la fabricación de materiales a nanoescala incluyen técnicas de fase líquida basadas en micelas inversas, deposición química de vapor (CVD), procesamiento sol-gel y autoensamblaje molecular. Los componentes producidos de abajo hacia arriba son significativamente más fuertes que los componentes de macroescala debido a las fuerzas covalentes que los mantienen unidos. En las técnicas de arriba hacia abajo, los materiales se micronizan mediante el corte, el tallado y el moldeado para la fabricación de nanomateriales. Los ejemplos incluyen molienda, deposición física de vapor, galvanoplastia con técnica hidrodérmica y nanolitografía [28]. Los diferentes enfoques de fabricación con sus respectivos tipos se describen en la Tabla 2.

Aplicaciones biomédicas de la nanotecnología avanzada

Imágenes

Se informaron tremendos avances durante la última década, utilizando las herramientas de nanotecnología para la obtención de imágenes y la terapia en la investigación dirigida especialmente a las células cancerosas. Las nanopartículas, con un tamaño de 10 a 100 nm, ofrecen un medio muy adecuado para realizar modificaciones a nivel molecular, como la obtención de imágenes de sitios específicos y la focalización en las células cancerosas [29]. La siguiente sección resume algunos avances recientes en las técnicas de imagen.

Imágenes de radionúclidos

Debido a la incapacidad de las moléculas pequeñas para ser vistas con la técnica no invasiva, los agentes de contraste dirigidos al sitio se emplean para identificar un biomarcador seleccionado que es imposible de separar de los tejidos circundantes normales [30]. La formación de imágenes con radionúclidos se ha desarrollado con el concepto de que la proteína expresada se sondea con un radiofármaco o un agente o una célula marcada con isótopos y se realiza un seguimiento adicional in vivo [31]. La tomografía por emisión de positrones (PET) se utiliza en pacientes con cáncer para obtener imágenes de la resistencia a múltiples fármacos a través del transporte de la glicoproteína P utilizando 99 m de tetrofosmina y sestamibi como sustratos radiomarcados para la glicoproteína P [32, 33]. El mecanismo de obtención de imágenes está determinado por el tipo de modalidad utilizada para la obtención de imágenes, como nanoportadores que incluyen liposomas [34], dendrímeros [35], bolas de Bucky [36] y numerosos polímeros y copolímeros [37]. Pueden llenarse con una gran cantidad de partículas de formación de imágenes, como compuestos ópticamente activos y radionúclidos, para la detección con equipos de formación de imágenes. Los análogos de jasplakinolida marcados con BODIPY (boro dipirrometano) se han utilizado para visualizar los filamentos de actina de larga duración dentro de las células vivas [38, 39].

El enorme crecimiento de la nanotecnología está liderando la investigación en la imagen molecular con muchos agentes de contraste. Para obtener una imagen adecuada, el agente de contraste seleccionado debe tener una vida media más larga, una señal de fondo baja, unión a un epítopo específico y un contraste mejorado con la mejora del ruido. La disponibilidad de un gran número de portadores puede definir más avances en la obtención de imágenes con un enfoque particular en los mecanismos moleculares y celulares de la enfermedad; esto creará más oportunidades para el desarrollo racional de imágenes y sistemas de administración de fármacos [30].

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos semiconductores se utilizan ahora como una nueva clase de etiquetas fluorescentes. Estos nanocristales semiconductores son una herramienta prometedora para la visualización de las células biológicas debido a su fácil química de superficie, lo que permite la biocompatibilidad y la conjugación con el alargamiento del tiempo de fluorescencia [29, 40]. Las propiedades de visualización de los puntos cuánticos (longitud de onda de fluorescencia) dependen en gran medida del tamaño. Las propiedades ópticas de los puntos cuánticos dependen de su estructura, ya que están compuestos por una capa exterior y un núcleo metálico. Por ejemplo, los puntos cuánticos de grafema (GQD), un tipo de nanomateriales de carbono de fluorescencia verde, se obtienen cortando óxido de grafema solvotermalmente y se descubre que dominan las propiedades de visualización [41].

El núcleo de punto cuántico generalmente se compone de seleniuro de cadmio, sulfuro de cadmio o telururo de cadmio. La capa exterior se fabrica en el núcleo con una alta energía de banda prohibida para proporcionar aislamiento eléctrico con preservación de las propiedades de fluorescencia de los puntos cuánticos. El núcleo afinado y las capas con diferentes tamaños y composiciones con propiedades de visualización de longitud de onda específica proporcionan una gran cantidad de biomarcadores [40]. Los puntos cuánticos se conjugan con diferentes ligandos para obtener una unión específica a los receptores biológicos. Los ligandos que se dirigen al tumor se enlazan con puntos cuánticos de polímeros anfifílicos y se utilizan para llevar a cabo estudios de imagenología del cáncer de próstata en ratones [42]. De manera similar, los puntos cuánticos ofrecen ventajas significativas sobre los tintes convencionales, como una emisión de ancho de banda estrecho, una mayor fotoestabilidad y un espectro de absorción extendido para la fuente de excitación única. Además, el desafío de la hidrofobicidad en los puntos cuánticos se ha superado haciéndolos solubles en agua. Un ejemplo de puntos cuánticos acuosos con un tiempo de retención prolongado en fluidos biológicos es el desarrollo de puntos cuánticos de sulfuro metálico (MS) altamente fluorescentes fabricados con grupos cargados que contienen tiol [43]. Además, las propiedades de fluorescencia únicas de los puntos cuánticos los convertían en herramientas de imagen adecuadas para las células cancerosas [42]. Los puntos cuánticos enlazados con el aptámero de ARN A10 conjugado con doxorrubicina (QD-Apt-Dox) es el ejemplo de formación de imágenes de células cancerosas dirigidas [44]. Sin embargo, se ha observado una mayor toxicidad de los puntos cuánticos debido a la incorporación de metales pesados, lo que resulta en su uso limitado para la formación de imágenes in vivo. Sin embargo, los enfoques recientes se centran en la reducción de la toxicidad y la mejora de la biocompatibilidad de los puntos cuánticos con las células del cuerpo. También vale la pena mencionar que los puntos cuánticos con un diámetro inferior a 5,5 nm se excretan rápida y eficazmente de la orina, lo que reduce la toxicidad. Este fenómeno fue exhibido por la síntesis de cadmio libre, CulnS ₂ / ZnS (sulfuro de cobre e indio / sulfuro de zinc) como núcleo y capa de los puntos cuánticos, lo que resultó en una mayor estabilidad en las células vivas para la obtención de imágenes de los ganglios linfáticos con una clara reducción de la toxicidad local aguda [45, 46].

Biosensores

Uno de los mayores logros en nanomateriales desde los últimos años es el desarrollo de biosensores. Los biosensores son los dispositivos que contienen el elemento sensor biológico que está conectado o integrado en el transductor. El biosensor exhibe su acción mediante el reconocimiento de moléculas específicas en el cuerpo sobre la base de su estructura, incluido el antígeno del anticuerpo, el sustrato enzimático y la hormona receptora. Las dos propiedades principales del biosensor, incluida su especificidad y selectividad, dependen de este sistema de reconocimiento. Estas propiedades básicas de los biosensores se utilizan principalmente para la concentración que es proporcional a las señales [47, 48, 49].

Para producir el biosensor con alta eficiencia, el sustrato seleccionado para la dispersión del material sensor es un requisito previo. Se aplican a los biosensores diferentes tipos de nanomateriales, incluidos puntos cuánticos [50], nanopartículas magnéticas [51], nanotubos de carbono (CNT) [52] y nanopartículas de oro (GNP) [53]. Las propiedades químicas, físicas, magnéticas, ópticas y mecánicas distintivas de los nanomateriales conducen a su mayor especificidad y sensibilidad para la detección. Los biosensores que contienen GNP han ofrecido un entorno compatible para las biomoléculas que ha aumentado la concentración de biomoléculas inmovilizadas en la superficie del electrodo. Ha resultado en una mayor sensibilidad de los biosensores [54, 55]. Las superficies de electrodo más utilizadas dentro de los biosensores son el electrodo de carbono vítreo (GCE), que se modifica a partir de los GNP. Además, han mostrado la mejor sensibilidad y estabilidad electroquímica. En este sentido, el azul de metileno (MB) y los GNP se ensamblan y modifican fácilmente mediante la técnica capa por capa (LBL) en forma de películas en GCE, para detectar la concentración de gonadotropina coriónica humana (HCG) [56]. Debido a la gran superficie contenida por las nanopartículas para cargar anti-HCG, estos inmunosensores tienen su potencial para ser utilizados para detectar las concentraciones de HCG en las muestras de sangre u orina humana. De manera similar, los CNT han encontrado grandes aplicaciones en ingeniería biomédica, bioanálisis, biodetección y nanoelectrónica [57,58,59]. Además, los nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) en forma de capas de polímeros bio-nanocompuestos tienen el potencial de ser utilizados para la detección de ADN [60]. Además, las nanopartículas magnéticas también han encontrado amplias aplicaciones debido a sus propiedades magnéticas, incluido el agente de contraste para imágenes por resonancia magnética (IRM) [61], hipertermia [62], inmunoensayo [63], reparación de tejidos [64], separación celular [65], Sensor de GMR [66] y administración de fármacos o genes [67].

Asimismo, también se ha producido un nuevo tipo de microesferas magnéticas de quitosano (MCMS) simplemente utilizando quitosano y nanopartículas magnéticas recubiertas de carbono [68]. En este estudio, la hemoglobina también se inmovilizó con éxito en la superficie GCE modificada con MCMS mediante el uso de glutaraldehído como agente de reticulación. Otra aplicación importante de los biosensores es la tecnología óptica, que incluye la detección de varios tipos de oligonucleótidos de ADN mediante el uso de sondas SsDNA-CNT como biosensores [69]. Del mismo modo, los biosensores basados ​​en liposomas también han recibido una atención considerable, ya que se han utilizado en el seguimiento de los plaguicidas organofosforados, incluidos el paraoxón y el diclorvos en los niveles mínimos [70].

Nanopartículas magnéticas

Las nanopartículas magnéticas (MNP) proporcionan propiedades magnéticas exclusivas, ya que tienen la capacidad de trabajar a nivel molecular o celular de las interacciones biológicas, lo que las convierte en los mejores compuestos como agentes de contraste en la resonancia magnética y como portadores en la administración de fármacos. Los recientes avances en nanotecnología han llamado la atención, ya que ayudaron a modificar las propiedades y características de las MNP para aplicaciones biomédicas. A este respecto, se ha demostrado que las imágenes de metástasis y tumores hepáticos a través de la captación mediada por RES de óxidos de hierro superparamagnéticos (SPIO) son capaces de diferenciar las lesiones que son tan pequeñas como sólo 2-3 mm [70, 71]. Además, estos óxidos de hierro supermagnéticos ultrapequeños (USPIO) también son muy eficaces en la formación de imágenes de la metástasis de los ganglios linfáticos con sólo 5 a 10 mm de diámetro [72]. Además, la importancia de este enfoque no invasivo también se ha demostrado en la detección de la diseminación linfática, ya que se considera una parte importante en la estadificación, así como en la identificación de los enfoques de tratamiento para los cánceres de mama, colon y próstata [73].

Entrega de medicamentos

La nanotecnología es una herramienta atractiva para disciplinas que van desde la ciencia de los materiales hasta la biomedicina debido a sus diferentes características físicas, ópticas y electrónicas. Las áreas de investigación más eficaces de la nanotecnología son la nanomedicina, que aplica los principios de la nanotecnología para el tratamiento, la prevención y el diagnóstico de enfermedades. Además, muchos productos de nanomedicina se han comercializado debido al aumento de la investigación en nanomedicina durante las últimas décadas en todo el mundo. Actualmente, la nanomedicina está influenciada por los sistemas de administración de fármacos, que representan más del 75% de las ventas totales [74]. En este sentido, las plataformas de administración de fármacos basadas en nanopartículas se han ganado la confianza de los científicos por ser los vehículos más adecuados para abordar los inconvenientes farmacocinéticos asociados con las formulaciones de fármacos convencionales [75]. Por lo tanto, se han intentado varias nanoformas como sistemas de administración de fármacos, como liposomas, nanopartículas de lípidos sólidos, dendrímeros y NP que contienen metales sólidos, para mejorar la eficacia terapéutica de los fármacos [76, 77]. Algunos de los principales campos de interés se analizan a continuación.

Oftalmología

La administración de fármacos por vía oftálmica es muy atractiva pero desafiante para los científicos farmacéuticos. El ojo es un órgano diminuto e intrincado con múltiples compartimentos. Su bioquímica, fisiología y anatomía lo han hecho más impermeable a los xenobióticos. Las condiciones comunes que exigen la administración ocular contienen las infecciones oculares como la conjuntivitis junto con los trastornos de la córnea como el glaucoma. Las clases de fármacos más comunes utilizadas en la administración ocular incluyen midriáticos o ciclopléjicos mióticos, antiinfecciosos, antiinflamatorios, diagnósticos y adyuvantes quirúrgicos. Para la pequeña irregularidad ocular, también se requiere terapia génica, y se está realizando una gran cantidad de trabajo dentro de esta área. Los enfoques apoyados por nanoportadores han llamado la atención de los científicos por su idoneidad y especificidad. Se ha informado de que el sistema de liberación de partículas, como microesferas y nanopartículas, y vehículos vesiculares como liposomas, niosomas, farmacosomas y disgresiones, mejoraron las propiedades farmacocinéticas y farmacodinámicas de varios tipos de moléculas de fármacos [76]. Han surgido muchos sistemas novedosos de administración controlada de fármacos, incluidos hidrogeles, polímeros mucoadhesivos, microemulsiones, dendrímeros, administración de fármacos iontoforéticos, enfoques basados ​​en ARNip, tecnología de células madre, terapia génica no viral y terapia con láser con tapones de la esclerótica [78]. . Se diseñan diferentes sistemas para la administración de fármacos para la administración de fármacos a través de la ruta ocular. El objetivo principal de todos los sistemas de administración de fármacos es mejorar el período de residencia, mejorar la permeabilidad corneal y liberar el fármaco en la cámara posterior del ojo, lo que aumenta la biodisponibilidad y mejora el cumplimiento del paciente [79].

Abrego y col. nanopartículas de pranoprofeno de PLGA (ácido poliláctico co-glicólico) preparadas para administración oftálmica en forma de hidrogel. Esta formulación de hidrogel tiene propiedades reológicas y fisicoquímicas adecuadas para la administración ocular de pranoprofeno con un perfil biofarmacéutico mejorado del fármaco. Además, intensificó los resultados antiinflamatorios y analgésicos locales del fármaco, lo que resultó en un mejor cumplimiento del paciente [80]. En otro estudio, se desarrollaron nanopartículas de quitosano cargadas con cefuroxim utilizando una técnica de doble reticulación en doble emulsión. La inferencia señala las partículas de quitosano-gelatina como candidatos potencialmente prácticos para DD a nivel intraocular [81]. Además, se desarrollaron nanopartículas de N-trimetilquitosano cargadas con diclofenaco (DC-TMCN) para uso oftálmico con el fin de mejorar la biodisponibilidad ocular del fármaco [82]. Además, se han desarrollado conjuntos supramoleculares nanométricos de fosfato de dexametasona a base de quitosano para mejorar el tiempo de residencia del fármaco precorneal debido a sus características mucoadhesivas. Estas nanopartículas interactúan fuertemente tanto con la superficie ocular como con el fármaco y protegen al fármaco de la degradación metabólica que conduce a una residencia precorneal prolongada [83]. El glaucoma, una enfermedad oftálmica, se trató con nanopartículas lipídicas sólidas de liberación sostenida cargadas a base de brimonidina utilizando monoestearato de glicerilo como lípido sólido [84, 85]. De manera similar, se desarrollaron nanopartículas de alginato recubierto de quitosano cargadas con daptomicina (CS-ALG) con un tamaño adecuado para aplicaciones oculares y una alta eficiencia de encapsulación (hasta 92%). Este estudio reveló que el sistema de nanoportadores de daptomicina podría usarse en el futuro para administrar este antibiótico directamente en el ojo, con el fin de actuar como una terapia prospectiva contra la endoftalmitis bacteriana y como una alternativa eficiente a las nanopartículas de quitosano [86].

Una de las principales causas de fracaso a corto y largo plazo de los injertos en el trasplante de córnea es el rechazo inmunológico del injerto. Para ello, se preparó un sistema de nanopartículas biodegradables a base de PLGA de fosfato sódico de dexametasona (DSP), que dio como resultado la liberación sostenida de los corticosteroides para evitar el rechazo del injerto corneal [87]. Además, se notificaron nanopartículas de curcumina MePEG-PCL (polietilenglicol-policaprolactona) que mostraron una mayor eficiencia, una mayor retención de curcumina en la córnea y una mejora significativa en la prevención de la neovascularización corneal sobre la curcumina libre [88]. Asimismo, se desarrolló un adhesivo tisular infundido con nanopartículas de plata (cianoacrilato de 2-octilo) con mayor resistencia mecánica y eficacia antibacteriana. Estos adhesivos dopados (nanopartículas de plata) apoyaron el uso de adhesivos tisulares como un suplemento viable o alternativa a las suturas [89].

Neumología

Las enfermedades pulmonares, probablemente el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y el cáncer de pulmón, tienen una frecuencia alta y, a menudo, son potencialmente mortales. Por ejemplo, se describe que la EPOC es la cuarta causa principal de muerte y el carcinoma de pulmón es la causa más prevalente de muerte por cáncer en todo el mundo. Las nanopartículas se analizan como una opción para mejorar el tratamiento de estas enfermedades graves [90]. Se han utilizado varias nanopartículas cargadas de fármacos por sus efectos locales y sistémicos en el tratamiento de enfermedades pulmonares. La administración de agentes curativos al lugar de acción de las enfermedades pulmonares puede permitir el tratamiento eficaz de infecciones pulmonares crónicas, cánceres de pulmón, tuberculosis y otras patologías respiratorias [91]. Los nanoportadores utilizados para este propósito incluyen liposomas, micelas a base de lípidos o polímeros, dendrímeros y NP poliméricas [92]. Los NP poliméricos son de interés prenominal, ya que los polímeros pueden copolimerizarse, modificarse en la superficie o bioconjugarse para mejorar la capacidad de direccionamiento y la distribución de los agentes encapsulados. Los nanoportadores generalmente utilizados en la administración pulmonar de fármacos contienen polímeros naturales como gelatina, quitosano y alginato y polímeros sintéticos como poloxámero, PLGA y PEG [93].

Se observó que las NP de PLGA exhiben el conjunto de características más conveniente como portadores de la liberación pulmonar de proteína / ADN, mientras que las NP de gelatina son una opción recíproca aceptable [94]. De manera similar, se formularon partículas anisotrópicas o de Janus de doxorrubicina y curcumina para cargar los medicamentos contra el cáncer para el tratamiento del cáncer de pulmón por inhalación. Las partículas se formularon utilizando mezclas binarias de materiales biocompatibles y biodegradables. Estas partículas no mostraron consecuencias geno y citotóxicas. Las células cancerosas internalizan estas partículas de Janus y las acumulan en el núcleo y el citoplasma, lo que conduce a una retención prolongada. Además, los dendrímeros de poliamidoamina (PAMAM) se evaluaron como nanoportadores para la liberación pulmonar del modelo farmacéutico antiasmático dipropionato de beclometasona (BDP) débilmente soluble utilizando dendrímeros G3, G4 y G4 [12]. Este estudio mostró que los dendrímeros de BDP tienen potencial para la inhalación pulmonar mediante nebulizadores de chorro de aire y de malla vibratoria. Además, se observó que las características del aerosol estaban influenciadas por el diseño del nebulizador más que por la generación de dendrímeros [95]. Además, las nanopartículas de ingeniería (ENP), compuestas de metales inorgánicos, óxidos metálicos, metaloides, polímeros orgánicos biodegradables y biocompatibles inorgánicos se utilizaron de manera eficiente como vehículos para la administración de vacunas y fármacos y para el tratamiento de una variedad de enfermedades pulmonares. Las propiedades y los efectos eficaces de los ENP en los pulmones se representan en la Fig. 1. ENP inorgánico (ENP de plata, oro y carbono), óxidos metálicos ENP (óxido de hierro, óxidos de zinc y dióxido de titanio) y ENP orgánico (basado en lípidos, a base de polisacáridos, a base de matriz polimérica) se desarrollaron y evaluaron para la hemostasia inmunitaria pulmonar. Además de ser portadores relativamente seguros, los estudios modernos indicaron un cable ENP de resultados beneficiosos supervinientes con propiedades antiinflamatorias (por ejemplo, plata y poliestireno) e impronta del pulmón que presentan el mantenimiento de la homeostasis inmunitaria (por ejemplo, poliestireno). Un mayor conocimiento de los mecanismos puede ayudar a comprender mejor los efectos útiles de la ENP sobre la homeostasis inmunitaria pulmonar y / o el tratamiento de la enfermedad pulmonar inflamatoria [96].

Propiedades y efectos eficaces de los ENP en los pulmones

Es importante afirmar que recientemente se ha desarrollado lipopoliamina catiónica funcionalizada (Star:Star-mPEG-550) para el suministro in vivo de ARNip (ARN de interferencia corto) a las células vasculares pulmonares. Esta formulación de lípidos equilibrada intensifica la retención de ARNip en los pulmones de ratón y logró un desensamblaje significativo del gen diana. Los resultados resultaron útiles y con una toxicidad reducida de la administración del inhibidor de miARN-145 al pulmón mediante el uso de nanopartículas de lipopoliamina catiónicas funcionalizadas para reclutar la arteriopatía pulmonar y rectificar la función del corazón en ratas con hipertensión arterial pulmonar intensa (HAP) [97].

Sistema cardiovascular

La enfermedad cardiovascular es la dolencia que afecta el sistema cardiovascular, las enfermedades vasculares del cerebro y los riñones y el trastorno arterial periférico. A pesar de todos los avances en el manejo farmacológico y clínico, la insuficiencia cardíaca es una de las principales causas de morbilidad en todo el mundo. Se han estudiado muchas estrategias terapéuticas novedosas, que incluyen el trasplante de células, la administración o terapia de genes y las citocinas u otras moléculas pequeñas, para tratar la insuficiencia cardíaca [98]. Un número insuficiente de personas se ve afectado en los países en desarrollo; más del 80% de las muertes por trastornos cardiovasculares se producen en países subdesarrollados y ocurren casi de manera uniforme en hombres y mujeres [99]. Mathers y col. en 2008 se estimó que hay 9,4 millones de muertes cada año [100]. Esto concluye que el 45% de las muertes causadas por enfermedades coronarias y el 51% de las muertes por accidentes cerebrovasculares cardíacos [101]. Hay muchos tipos distintos de vehículos de administración de fármacos, como micelas poliméricas, liposomas, dendrímeros, portadores farmacéuticos soportados por lipoproteínas y portadores de fármacos de nanopartículas.

Se desarrollaron liposomas de sirolimus a base de quitosano con una eficacia de atrapamiento ≥83% para el tratamiento de la reestenosis y se ha demostrado que son una plataforma novedosa para una administración dirigida eficaz [102]. De manera similar, los niosomas de carvedilol enriquecidos con sales biliares con una eficiencia de atrapamiento del 85% han dado como resultado una biodisponibilidad mejorada del fármaco y, por lo tanto, se obtuvo un mejor efecto terapéutico [103]. La inhibición de la reestenosis en la arteria carótida lesionada por balón se logra en ratas mediante el desarrollo de nanopartículas basadas en PLGA que encapsulan AGL 2043 y AG1295, bloqueadores selectivos de los receptores de factores de crecimiento derivados de plaquetas (PDGF) [104]. Angiogenic therapy of myocardial ischemia with vascular endothelial growth factor (VEGF) is a favorable approach to overcome hypoxia and its sequel effects. Polymeric particles loaded with VEGF have been proved a promising system for delivery of cytokines to rat myocardial ischemic model. This approach could be further explored for clinical studies [105]. Coenzyme Q10 (CoQ10) owing to its role in mitochondrial electron transport chain appears to be a reliable candidate to treat myocardial ischemia (MI) but its poor biopharmaceutical characteristics needed to be addressed by developing promising delivery approaches. Polymeric nanoparticles were developed to encapsulate CoQ10 to overcome its poor pharmaceutical properties and administered to MI-induced rats. Cardiac function was analyzed by determining ejection fraction before and after 3 months of therapy. Results showed significant betterment in the ejection fraction after 3 months [106].

Oncology

Cancer is a prime cause of mortality around the globe. The World Health Organization determines that 84 million people die of cancer between 2005 and 2015. The eventual target of cancer therapeutics is to increase the life span and the quality of life of the patient by minimizing the systemic toxicity of chemotherapy [107]. Chemotherapeutic agents have widely been studied in oncology for the past 25 years, but their tumor specificity is unsatisfactory and therefore exhibit dose-dependent toxicity. To overcome this limitation, recent interest has been centered on developing nanoscale delivery carriers that can be targeted directly to the cancer cell, deliver the drug at a controlled rate, and optimize the therapeutic efficacy [108, 109]. Passive and active targeting is used to deliver the drug at its tumor site. The passive phenomenon called the “enhanced permeability and retention (EPR) effect,” discovered by Matsumura and Maeda, is the dominated pathway used for chemotherapeutics [110, 111]. Active targeting is achieved by grafting ligand at the surface of nanocarriers that bind to receptors or stimuli-based carriers, e.g., dual reverse thermosensitive [112], photo-responsive [113], magnetic nanoparticles [114], and enzymatically activated pro-drugs [115]. Nanoparticles (NPs) can be conjugated with various smart therapeutic carriers like polymeric nanoparticles [116], micelles [117], liposomes [118], solid lipid nanoparticles (SLNs) [119], protein nanoparticles [120], viral nanoparticles [121], metallic nanoparticles [122], aptamers [123], dendrimers [124], and monoclonal antibody [125] to improve their efficacy and decrease the systemic toxicity. Table 3 summarizes the different approaches for drug deliveries which are widely studied to target the tumor with maximize therapeutic response and minimum toxicity.

Biodegradable poly (o-caprolactone) nanocarriers loaded with tamoxifen were developed for the management of estrogen receptor-specific breast cancer [126]. This study suggested that the nanoparticle preparations of selective estrogen receptor modulators deliver the drug in the specific estrogen receptor zone resulting in enhanced therapeutic efficacy. Similarly, a nanoconjugation of doxorubicin and cisplatin was developed by Chohen et al. [127], which have exhibited enhanced efficiency and reduced side effects of the loaded drugs in the treatment of localized progressive breast cancer. Likewise, chemotherapeutic drug oxaliplatin-loaded nanoparticulate micelles were prepared by Cabral et al. [128], with sustained release of loaded drug in the tumor microenvironment, resulted in enhanced antitumor effect [128]. Furthermore, SLN loaded-5-FU resulted in enhanced bioavailability and sustained release of the encapsulated anticancer drug, leading to enhanced antitumor effect [129].

Conclusions

Nanotechnology is subjected to inordinate progress in various fronts especially to make innovations in healthcare. Target-selective drug delivery and approaches for molecular imaging are the areas of prime importance for research where nanotechnology is playing a progressive role. This review provides readers with a wide vision on novel ongoing potentialities of various nanotechnology-based approaches for imaging and delivery of therapeutics. In order to obtain effective drug delivery, nanotechnology-based imaging has enabled us to apprehend the interactions of nanomaterials with biological environment, targeting receptors, molecular mechanisms involved in pathophysiology of diseases, and has made the real time monitoring of therapeutic response possible. Development of analytical technologies to measure the size of particles in nanometer ranges, and advent of latest manufacturing approaches for nanomaterials, has resulted in establishment of more effective methods for delivery of therapeutics for the treatment of ophthalmological, pulmonary, cardiovascular diseases, and more importantly cancer therapy. These new drug therapies have already been shown to cause fewer side effects and be more effective than traditional therapies. Furthermore, the imaging techniques have enhanced the determination of tumor location in human bodies and their selective targeting. Altogether, this comparatively new and thriving data suggest that additional clinical and toxicity studies are required further on the “proof-of-concept” phase. Nanomedicine cost and manufacturing at larger scale is also a matter of concern that needs to be addressed. Notwithstanding, future of nanomedicines is propitious.

Abreviaturas

AIE:

Aggregation-induced emission

BDP:

Beclometasone dipropionate

BODIPY:

Boron dipyrromethane

CNTs:

Carbon nanotubes

COPD:

Chronic obstructive pulmonary disease

CulnS₂ /ZnS:

Copper indium sulfide/zinc sulfide quantum dots

CVD:

Deposición de vapor químico

DNA:

Deoxyribonucleic acid

ENPs:

Engineered nanoparticles

EPR:

Enhanced permeability and retention

GCE:

Electrodo de carbono vítreo

GNPs:

Nanopartículas de oro

GQD:

Grapheme quantum dots

HCG:

Human chorionic gonadotrophin

MEMS:

Microelectromechanical systems

MI:

Myocardial ischemia

MNPs:

Magnetic nanoparticles

MSNs:

Mesoporous silica nanoparticles

MWNT:

Multi-walled carbon nanotubes

NEMS:

Nanoelectromechanical system

PAH:

Pulmonary arterial hypertension

PCL:

Poly caprolactone

PDGF:

Platelet-derived growth factors

PEG:

Poly ethylene glycol

PET:

Positron emission tomography

PLGA:

Poly lactic-co-glycolic acid

ROS:

Especies reactivas de oxígeno

SiRNA:

Short interference RNA

SLNS:

Solid lipid nanoparticles

SPIOs:

Superparamagnetic iron oxides

VEGF:

Vascular endothelial growth factor

Efecto del polietilenglicol en el fotocátodo de NiO Investigación sobre la polarización de la superficie de la heteroestructura de GaN / AlGaN / GaN con cubierta de Al2O3 mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de ángulo resuelto