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Nanopartículas para la terapia del cáncer:avances y desafíos actuales

Resumen

El cáncer es una de las principales causas de muerte y morbilidad con una fisiopatología compleja. Las terapias tradicionales contra el cáncer incluyen quimioterapia, radioterapia, terapia dirigida e inmunoterapia. Sin embargo, limitaciones como la falta de especificidad, citotoxicidad y resistencia a múltiples fármacos plantean un desafío sustancial para el tratamiento favorable del cáncer. El advenimiento de la nanotecnología ha revolucionado el campo del diagnóstico y tratamiento del cáncer. Las nanopartículas (1–100 nm) se pueden usar para tratar el cáncer debido a sus ventajas específicas, como biocompatibilidad, toxicidad reducida, estabilidad más excelente, mayor permeabilidad y efecto de retención y orientación precisa. Las nanopartículas se clasifican en varias categorías principales. El sistema de administración de fármacos de nanopartículas es particular y utiliza las características del tumor y del entorno del tumor. Las nanopartículas no solo resuelven las limitaciones del tratamiento convencional del cáncer, sino que también superan la resistencia a múltiples fármacos. Además, a medida que se desentrañan y estudian nuevos mecanismos de resistencia a múltiples fármacos, las nanopartículas se están investigando más enérgicamente. Varias implicaciones terapéuticas de las nanoformulaciones han creado nuevas perspectivas para el tratamiento del cáncer. Sin embargo, la mayor parte de la investigación se limita a estudios in vivo e in vitro, y el número de nanofármacos aprobados no ha aumentado mucho a lo largo de los años. Esta revisión analiza numerosos tipos de nanopartículas, mecanismos de orientación y nanoterapéuticos aprobados para las implicaciones oncológicas en el tratamiento del cáncer. Además, también resumimos la perspectiva, las ventajas y los desafíos actuales de la traducción clínica.

Introducción

El cáncer es un término genérico para un conjunto de enfermedades caracterizadas por una división celular aleatoria e invasiva incontrolada. Se han realizado grandes esfuerzos durante varios años en la detección de varios factores de riesgo de cáncer. Para algunos cánceres, la etiología se ha asociado de manera influyente con factores ambientales específicos (factores adquiridos) como la radiación y la contaminación. Sin embargo, un estilo de vida poco saludable, como una dieta mal equilibrada, el consumo de tabaco, el tabaquismo, el estrés y la falta de actividad física, tienen un fuerte impacto en la determinación del riesgo de cáncer [1, 2]. Si bien estos factores externos han sido reconocidos como causas principales de cáncer, la participación de mutaciones de protooncogenes, patrones de expresión de genes supresores de tumores y genes involucrados en la reparación del ADN ha sido difícil de estimar. Sólo el 5-10% de los casos de cáncer están relacionados con la genética hereditaria [3]. La edad avanzada es otro factor de riesgo crucial para el cáncer y muchos tipos individuales de cáncer.

El cáncer es uno de los problemas de salud pública más importantes a nivel mundial y es la segunda causa principal de muerte. Según la Sociedad Estadounidense del Cáncer, se prevé que el número de casos nuevos sea de 1,9 millones para fines del año 2021 [4]. Los enfoques terapéuticos convencionales utilizados en el tratamiento del cáncer incluyen cirugía, quimioterapia, radioterapia, terapia dirigida, inmunoterapia y terapia hormonal [5, 6]. Aunque la quimioterapia y la radioterapia poseen capacidades de citostasis y citotoxicidad [7], estos enfoques a menudo se relacionan con efectos secundarios agudos y un alto riesgo de recurrencias. Los efectos secundarios más comunes inducidos por incluyen neuropatías, supresión de la médula ósea, trastornos gastrointestinales y de la piel, caída del cabello y fatiga. Además, existen algunos efectos secundarios específicos del fármaco, como las antraciclinas y la cardiotoxicidad y toxicidad pulmonar inducidas por bleomicina [8] (Fig. 1).

Nanopartículas para la terapia del cáncer

El advenimiento de la terapia dirigida ha hecho crecer la terapia de precisión [9]. Sin embargo, todavía existen muchos efectos adversos inevitables, como la resistencia a múltiples fármacos, que limita la eficacia terapéutica [8]. Los agentes inmunoterapéuticos han dado resultados prometedores no solo al tratar el cáncer primario, sino también al prevenir la metástasis a distancia y reducir la tasa de recurrencia [10]. Sin embargo, la enfermedad autoinmune es un efecto secundario importante de la inmunoterapia. Además, estudios y jirones de evidencia sugieren que la inmunoterapia es menos efectiva contra los tumores sólidos que el linfoma [11]. Estos cánceres crean una matriz extracelular inusual (MEC) que es bastante difícil de infiltrar para las células inmunes [12]. Estas terapias dirigidas e inmunoterapias recientemente desarrolladas interfieren con las vías de señalización que son vitales en los comportamientos malignos y las funciones homeostáticas normales de la epidermis y la dermis y causan eventos adversos dermatológicos (dAE) [13].

Teniendo en cuenta todos estos detalles, la demanda del avance de estrategias novedosas para buscar una terapia precisa del cáncer ha ganado impulso en los últimos años. Se han realizado esfuerzos recientes para abordar las limitaciones de los enfoques terapéuticos existentes que utilizan nanopartículas. Los sistemas de administración de fármacos basados ​​en nanopartículas han reflejado beneficios en el tratamiento y manejo del cáncer al demostrar una buena farmacocinética, una focalización precisa, efectos secundarios reducidos y resistencia a los fármacos [14, 15].

Inmediatamente después de los avances de la nanotecnología, una serie de fármacos nanoterapéuticos se han comercializado y se comercializan ampliamente, y muchos más han entrado en la etapa clínica desde 2010. Los fármacos nanoterapéuticos han avanzado en el dominio de los sistemas de administración de fármacos y de múltiples fármacos antitumorales. resistencia (MDR) al brindar una oportunidad para la terapia de combinación de medicamentos y la inhibición de los mecanismos de resistencia a los medicamentos [16]. El esfuerzo pionero se realizó para aplicar la nanotecnología en la medicina en la ETH de Zúrich en la década de 1960 [17]. Esta combinación ha demostrado ser una mejor combinación en el desarrollo de varios dispositivos de diagnóstico y mejores terapias. Esta revisión se centra principalmente en los principios básicos de la aplicación de la nanoterapéutica, las perspectivas de los desafíos actuales y describe el camino de la investigación futura.

Nanopartículas

Las nanopartículas (NP) se definen técnicamente como partículas con una dimensión inferior a 100 nm con propiedades únicas que normalmente no se encuentran en muestras a granel del mismo material [18]. Dependiendo de la forma general de la nanopartícula, estas se pueden clasificar como 0D, 1D, 2D o 3D [19]. La composición básica de las nanopartículas es bastante compleja, y comprende la capa superficial, la capa de la cáscara y el núcleo, que es fundamentalmente la parte central del NP y normalmente se denomina NP en sí mismo [20]. Debido a sus características excepcionales como alta superficie:relación de volumen, disimilitud, tamaño submicrónico y sistema de focalización mejorado, estos materiales han ganado mucha importancia en campos multidisciplinarios.

Se ha descubierto que las NP tienen una penetración profunda en los tejidos para aumentar el efecto de mayor permeabilidad y retención (EPR). Además, las características de la superficie afectan la biodisponibilidad y la vida media al cruzar eficazmente la fenestración epitelial [21]. Por ejemplo, los NP recubiertos con polietilenglicol (PEG), un polímero hidrófilo, disminuyen la opsonización y evitan la depuración del sistema inmunológico [22]. Además, es posible optimizar la velocidad de liberación de fármacos o resto activo manipulando las características del polímero de partículas. En conjunto, las distintas propiedades de los NP regulan su efecto terapéutico en el manejo y tratamiento del cáncer.

Síntesis de NP

Los NP son de diferentes formas, tamaños y estructuras. Para lograr esto, se adoptan numerosos métodos de síntesis. Estos métodos se pueden clasificar en gran medida en dos grupos principales:1) enfoque de abajo hacia arriba y 2) enfoque de arriba hacia abajo. Estos enfoques se pueden clasificar en diferentes subclases según las condiciones de reacción y el funcionamiento (Fig. 2).

Clasificación de síntesis de NP a de arriba hacia abajo y b enfoques de abajo hacia arriba

Enfoque de abajo hacia arriba

Este método implica la construcción de material desde átomos hasta grupos y NP, es decir, la construcción a partir de sustancias más simples, por lo que se conoce como método constructivo [23]. Algunos métodos comúnmente utilizados son el hilado, la síntesis de solgel, la deposición química de vapor (CVD), la síntesis por pulverización de plasma o llama, la pirólisis láser y la biosíntesis.

Enfoque de arriba hacia abajo

También se conoce como el método destructivo, que reduce el material a granel o la sustancia para sintetizar NP. Una molécula más grande se descompone o descompone en unidades más pequeñas que se convierten en NP [24]. Incluye técnicas como fresado mecánico, nanolitografía, grabado químico, ablación láser, pulverización catódica, electroexplosión y descomposición térmica.

Sorprendentemente, los parámetros morfológicos como el tamaño, la forma y la carga de las NP pueden modificarse cambiando las condiciones de reacción y otros parámetros de síntesis [25]. Además, el mecanismo de crecimiento también determina las propiedades químicas de las NP. Por lo tanto, comprender el mecanismo de crecimiento es esencial para sintetizar los NP necesarios.

Mecanismos de focalización celular

Para una terapia eficaz contra el cáncer, es esencial desarrollar o diseñar un sistema de administración de fármacos o genes que tenga una excelente capacidad para atacar las células tumorales sin afectar a las células sanas normales. Mejora la eficacia terapéutica, protegiendo así a las células normales del efecto de la citotoxicidad. Se puede lograr mediante la administración bien organizada de NP en el microambiente tumoral (TME), dirigiéndose indirectamente a las células cancerosas. Estas nanoformulaciones deberían atravesar numerosas barreras fisiológicas y biológicas. Estas barreras son sistemas complejos de varias capas (epitelio, endotelio y membranas celulares) y componentes (barreras mecánicas y fisicoquímicas y barreras enzimáticas). Estos hechos imponen especificaciones con respecto al tamaño, la biocompatibilidad y la química de la superficie de las NP para evitar un objetivo inespecífico. Sin embargo, la mera internalización citosólica de una molécula de fármaco NP no significa que alcance su objetivo subcelular. La ingeniería y la optimización específicas son obligatorias para permitir la focalización celular o nuclear.

Se han llevado a cabo varios estudios hasta ahora y varios más están en curso para descubrir el diseño de direccionamiento de fármacos basado en NP. Estos nanoportadores normalmente deben poseer ciertas características fundamentales tales como 1) capacidad para permanecer estables en el sistema vascular (sangre) hasta que alcancen su objetivo, TME, 2) para escapar del aclaramiento del sistema reticuloendotelial (RES), 3) escapar del sistema de fagocitos mononucleares ( MPS), 4) se acumulan en la TME a través de la vasculatura tumoral, 5) penetran a alta presión en el líquido tumoral y 6) alcanzan el objetivo y solo interactúan con las células tumorales [26]. Los aspectos vitales como la funcionalización de la superficie, las propiedades fisicoquímicas y las características fisiopatológicas regulan el proceso de focalización del fármaco NP.

Generalmente, los NP considerados aptos para el tratamiento del cáncer tienen un rango de diámetro de 10 a 100 nm. Para comprender el proceso de interacción y diafonía entre los portadores de NP y las células cancerosas y la biología tumoral, es importante abordar los mecanismos de focalización. Los mecanismos de focalización pueden clasificarse ampliamente en dos grupos, focalización pasiva y focalización activa.

Orientación pasiva

La observación de la acumulación preferencial de pocas macromoléculas en las células cancerosas se descubrió a fines de la década de 1980. La primera macromolécula que se informó que se acumuló en el tumor fue poli (estireno-co-ácido maleico) -neocarzinostatina (SMANCS) por Matsuura y Maeda [27]. En estudios posteriores, esta distribución preferencial se atribuyó a la aparición de fenestraciones que se encuentran en los vasos sanguíneos del tumor dañados y al drenaje linfático deficiente, cuya fusión se conoce como "efecto mejorado de permeación y retención".

En determinadas condiciones, como la hipoxia o la inflamación, la capa de endotelio de los vasos sanguíneos se vuelve más permeable [28]. En situaciones de hipoxia, las células tumorales de rápido crecimiento tienden a poner en acción más vasos sanguíneos o envolver los existentes para hacer frente. Este proceso se conoce como neovascularización. Estos nuevos vasos sanguíneos tienen fugas ya que tienen poros grandes que conducen a una mala selectividad de los vasos sanguíneos tumorales a la permanente en comparación con los vasos sanguíneos normales [29, 30]. Estos poros grandes o fenestraciones oscilan entre 200 y 2000 nm, según el tipo de cáncer, la TME y la localización [31]. Esta angiogénesis rápida y defectuosa proporciona muy poca resistencia a la extravasación y permite que los NP se difundan desde dichos vasos sanguíneos y finalmente se acumulen dentro de las células cancerosas.

En tejidos normales, el drenaje de ECF (líquido extracelular) hacia los vasos linfáticos se produce con frecuencia a una velocidad de flujo promedio de 0,1 a 2 µm / s, lo que mantiene el drenaje y la renovación constantes [32]. Cuando se forma un tumor, la función linfática se descarrila, lo que da como resultado una captación mínima de líquido intersticial [33]. Esta característica contribuye a la retención de NP, ya que no se eliminan ni se acumulan en el intersticio del tumor. Este proceso denota la parte de retención mejorada del efecto EPR. Esta característica excepcional no se aplica a moléculas con un tiempo de circulación corto y se elimina rápidamente de las células cancerosas. Por lo tanto, para mejorar tales situaciones, la encapsulación de estas pequeñas moléculas en portadores de fármacos de tamaño nanométrico se lleva a cabo de forma rutinaria para mejorar su farmacocinética, proporcionar selectividad tumoral y reducir los efectos secundarios [34].

Sobre el efecto EPR, TME es una característica vital en la focalización pasiva. Una de las características metabólicas importantes de las células tumorales que proliferan rápidamente es la glucólisis. Es la principal fuente de energía para la división celular [35] y hace que el ambiente circundante sea ácido. Este pH reducido de la TME se puede aprovechar para utilizar NP sensibles al pH que liberan fármacos a un pH bajo [36].

Este tipo de focalización de tumores se denomina "pasivo". La focalización pasiva se basa principalmente en diferentes biologías tumorales (vascularidad, fugas) y características del portador (tamaño y tiempo de circulación). Este tipo de orientación tumoral no posee un ligando específico para ciertos tipos de células tumorales. El efecto EPR depende en gran medida de la biología fundamental del tumor, como 1) el grado o extensión de angiogénesis y linfangiogénesis, 2) la extensión o grado de invasión perivascular del tumor y 3) la presión intratumoral. Estos factores, combinados con las características fisicoquímicas de las NP, determinan la eficiencia del sistema de administración de fármacos NP (Fig. 3).

Orientación celular pasiva

Ejemplos de segmentación pasiva

Los taxanos son uno de los grupos de fármacos más exitosos que se utilizan en el tratamiento del cáncer. El paclitaxel ha demostrado una gran potencia contra una amplia gama de cánceres. El cáncer de mama, el cáncer de pulmón (de células pequeñas y no pequeñas) y el cáncer de ovario son las histologías más tratadas con taxanos. La FDA de EE. UU. Aprobó en 2005 Abraxane® (paclitaxel unido a albúmina, Abraxis Bio-Sciences), que se utiliza para el cáncer de mama (CMM) avanzado o metastásico.

Abraxane® es un fármaco anti-microtúbulos que estabiliza los microtúbulos evitando la despolimerización. Ocurre cuando el fármaco estimula el ensamblaje de microtúbulos de los dímeros de tubulina. Esta estabilidad ganada dificulta la reorganización de los microtúbulos, que es muy importante durante la interfase y las funciones celulares mitóticas. Durante el ciclo celular y la mitosis, el paclitaxel, un taxano muy utilizado, desencadena una serie de microtúbulos inusuales junto con múltiples ásteres, respectivamente. Abraxane® solo o combinado con otro agente citotóxico como la gemcitabina disminuye el estroma pancreático en modelos de ratón con xenoinjerto de cáncer de páncreas [37].

Genexol PM® es una nanoformulación innovadora de paclitaxel y una formulación micelar polimérica liofilizada estéril sin CrEL. Se encontró que Genexol PM®, según los ensayos, tiene una dosis máxima tolerada (MTD) tres veces mayor en ratones desnudos. Además, la biodistribución exhibió niveles de dos a tres veces más altos en diferentes tejidos como hígado, bazo, riñón y pulmón y de manera más prominente en las células cancerosas. Ha sido aprobado en Corea del Sur para tratar el MBC. Todavía se encuentra en un estudio clínico de fase II en los EE. UU. Para tratar el cáncer de páncreas [38].

DaunoXome® (daunorrubicina liposomal; Gilead Science / Diatos) es un medicamento contra el cáncer que reduce el crecimiento de células tumorales. El principio activo es daunorrubicina. Es una fórmula única de daunorrubicina (en forma de liposoma) que se usa para tratar el sarcoma de Kaposi, una forma de cáncer que afecta la piel, los pulmones y los intestinos. La FDA de EE. UU. Aprobó esto en 1996 [39].

Aunque la neovascularización y la angiogénesis influyen en la difusión de los NP, conduce a una mayor presión intersticial, que inhibe la acumulación de NP. Además, debido al suministro de sangre heterogéneo, el crecimiento de las células tumorales es irregular, es decir, las células que están cerca de los vasos sanguíneos se dividen más rápido que las que están lejos del vaso sanguíneo o en lo profundo del área hipóxica o necrótica que forma el núcleo dentro el tumor. Esta fuga irregular, que causa una alta presión intersticial, impide la administración y acumulación de fármacos y ralentiza el proceso de neovascularización [34]. Sin embargo, es posible controlar el efecto EPR, ya sea mecánica o químicamente. Estos incluyen óxido nítrico, peroxinitrato, bradicinina, VPF (factor de permeabilidad vascular), ultrasonido, radiación, hipertermia, etc. Sin embargo, existen ciertas limitaciones y contraindicaciones.

Orientación activa

El direccionamiento activo depende de ligandos o moléculas específicos, como transferrina y folato, que se une a moléculas o receptores que se expresan específicamente o sobreexpresan en las células diana (órganos, tejidos, células o dominios subcelulares enfermos) [40]. Este tipo de direccionamiento se denomina direccionamiento mediado por ligando [41]. Aquí, las NP que poseen ligando con funciones específicas como la retención y la captación deben estar en la proximidad del objetivo para que haya una mayor afinidad. Esta estrategia mejora los cambios de los NP que se unen a la célula cancerosa, mejorando la penetración del fármaco. La principal indicación de lo mismo se observó en 1980 con anticuerpos injertados en la superficie de los liposomas [34], seguidos de otros tipos de ligandos como péptidos, aptámeros. Por lo tanto, el método principal está destinado a aumentar la diafonía entre las NP y el objetivo sin fluctuar la biodistribución total [42]. El mecanismo vital del direccionamiento activo o el direccionamiento mediado por ligando es la identificación del ligando por los receptores del sustrato diana. Los ligandos ilustrativos pueden incluir proteínas, péptidos, anticuerpos, ácidos nucleicos, azúcares, moléculas pequeñas como vitaminas, etc. [43]. Los receptores más comúnmente estudiados son el receptor de transferrina, el receptor de folato, las glucoproteínas y el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR). La interacción ligando-objetivo desencadena el plegamiento de la membrana y la internalización de NP a través de endocitosis mediada por receptores. Existen varios mecanismos mediante los cuales se lleva a cabo la focalización activa. La mayor parte de la focalización de tumores se realiza mediante la focalización de células tumorales en general por NP. Este proceso mejora la penetración celular. Como se indicó anteriormente, la transferrina es uno de los receptores más estudiados. Es un tipo de glicoproteína sérica que ayuda a transportar hierro a las células. Se encuentra que estos receptores se sobreexpresan en la mayoría de las células tumorales, especialmente en los tumores sólidos, y se expresan a niveles más bajos en las células sanas. Por lo tanto, podemos modificar las NP con ligandos asociados que se dirigen específicamente a la transferrina [44]. Por ejemplo, las células de carcinoma de ovario A2780 sobreexpresan transferrina. Esta característica es utilizada por NPs de PEG-fosfatidil-etanolamina (Tf-Mpeg-pe) modificadas con transferrina que se dirigen específicamente a tales células [45]. Otro método alternativo es apuntar a las células adyacentes a las células cancerosas, como las células endoteliales angiogénicas. Estas células también están en estrecho contacto con los vasos sanguíneos del tumor. Esta estrategia permite crear hipoxia y necrosis al reducir el suministro de sangre a las células cancerosas. Se ha descubierto que los tejidos tumorales son más ácidos que los normales. Esto se ha explicado ampliamente por el efecto Warburg [46]. Esto explica el cambio del metabolismo de las células cancerosas a la glucólisis, formando ácido láctico. Cuando el ácido láctico se acumula, la célula muere. Para hacer frente a esta situación, las células comienzan a sobreexpresar bombas de protones que bombean el exceso de ácido láctico al entorno extracelular, haciéndolo más ácido. Por lo tanto, se ha estudiado el sistema de administración de fármacos sensible al pH basado en liposomas.

La naturaleza multivalente de las NP mejora la diafonía de las NP recubiertas de ligando con las células cancerosas diana. El diseño de tales NP es complejo ya que la arquitectura de NP y la química ligando-objetivo influyen en la eficacia de todo el método. Otros factores como la vía de administración, las propiedades fisicoquímicas como la densidad del ligando [47] y el tamaño de las NP [8] contribuyen al éxito del sistema (Fig. 4).

Representación pictórica de la focalización celular activa

Ejemplos de segmentación activa

EGFR, un miembro de la familia ErbB de receptores de tirosina quinasa (TK), se sobreexpresa en varios tipos de cáncer, especialmente con histología de células escamosas. Los NP de oro con nanopartículas anti-EGFR-PEG-AuNP y anti-IgG-PEG-Au se pueden utilizar para atacar el SCC humano [48].

Herceptin® es un fármaco terapéutico que se dirige al receptor 2 de EGF humano (HER2) que se sobreexpresa en las superficies de las células del cáncer de mama. La doxorrubicina liposomal pegilada dirigida a HER2 se desarrolló para reducir la cardiotoxicidad, un efecto secundario conocido de las antraciclinas [49].

La superficie del endotelio del tumor expresa una glicoproteína conocida como molécula de adhesión de células vasculares-1 (VCAM-1) que está involucrada en el proceso de angiogénesis. Un estudio ha destacado NP que se dirigen a VCAM-1 en el modelo de cáncer de mama, lo que indica su papel potencial [50].

El ácido fólico, también conocido como vitamina B9, es vital en la síntesis de nucleótidos. El ácido fólico es internalizado por el receptor de folato que se expresa en las células. Sin embargo, las células tumorales sobreexpresan FR-α (isoforma alfa del receptor de folato), mientras que FR-β se sobreexpresa en las células cancerosas líquidas [51]. En la actualidad, las NP se han dirigido a los receptores de folato para tratamientos específicos del cáncer [52, 53].

Nanopartículas en la terapia contra el cáncer

Las NP que se utilizan ampliamente en los sistemas de administración de fármacos incluyen NP orgánicas, NP inorgánicas y NP híbridas (Fig. 5).

Varios tipos de nanomateriales utilizados en la terapia del cáncer

Nanopartículas orgánicas

Nanopartículas poliméricas

Las nanopartículas poliméricas (PNP) están bien definidas como "macromoléculas coloidales" con una arquitectura estructural específica formada por diferentes monómeros [54]. El fármaco está atrapado o adherido al exterior de las NP, creando una nanoesfera o una nanocápsula para lograr la liberación regulada del fármaco en el objetivo [55]. Inicialmente, los PNP estaban compuestos por polímeros no biodegradables como poliacrilamida, polimetilmetacrilato (PMMA) y poliestireno [56]. Sin embargo, la acumulación de estos provocó toxicidad debido a la dificultad para eliminarlos del sistema. Actualmente se utilizan polímeros biodegradables como el ácido poliláctico, poli (aminoácidos), quitosano, alginato y albúmina y se sabe que reducen la toxicidad y mejoran la liberación y biocompatibilidad del fármaco [57]. La investigación comprobada ha reflejado que al recubrir los PNP con polisorbatos y al usar polisorbatos con efecto tensioactivo. El revestimiento exterior mejora las interacciones de las NP con la membrana celular endotelial de la barrera hematoencefálica (BBB) ​​[58].

Un estudio mostró que las nanocápsulas cargadas con indometacina implicaron una disminución sustancial del tamaño del tumor y una mejor supervivencia en un modelo de glioma de xenoinjerto en ratas [59]. Este es un campo en crecimiento con más de diez NP poliméricos que contienen medicamentos contra el cáncer que se encuentran en desarrollo clínico. Algunos ejemplos incluyen paclitaxel poliglumex (Xyotax), PEG-camptotecina (Prothecan), dextrano-camptotecina modificada (DE 310), copolímero de HPMA-DACH-platinato (AP5346), copolímero de HPMA-platinato (AP 5280), copolímero de HPMA-paclitaxel ( PNU166945) y copolímero de HPMA-doxorrubicina galactosamina (PK2) [60].

Dendrímeros

Los dendrímeros son macromoléculas poliméricas esféricas con una arquitectura hiperramificada definida. Las estructuras muy ramificadas son el rasgo característico de los dendrímeros. Normalmente, la síntesis de dendrímeros se inicia haciendo reaccionar un núcleo de amoniaco con ácido acrílico. Esta reacción da como resultado la formación de una molécula de "tri-ácido" que reacciona más con etilendiamina para producir "tri-amina", un producto de GO. Este producto reacciona además con el ácido acrílico para dar lugar al hexaácido, que además produce el producto “hexa-amina” (Generación 1) y así sucesivamente [61]. Normalmente, el tamaño de los dendrímeros varía entre 1 y 10 nm. Sin embargo, el tamaño puede alcanzar hasta 15 nm [62]. Dada su estructura específica como peso molecular definido, ramas ajustables, biodisponibilidad y carga, estos se utilizan para apuntar a ácidos nucleicos. Algunos dendrímeros que se utilizan ampliamente son poliamidoamina (PAMAM), PEG (poli (etilenglicol)), PPI (polipropilenimina) y TEA (trietanolamina) [63].

Inicialmente, se diseñó un dendrímero PAMAM para lograr la gestión de MDR. Los dendrímeros PAMAM ensamblados con ADN se han descrito extensamente. En comparación con los animales tratados con quimioterapia de agente único, los dendrímeros sintetizados retrasaron significativamente el crecimiento de xenoinjertos de cáncer epitelial [64].

Nanopartículas de mAb

Los anticuerpos monoclonales se utilizan ampliamente en el tratamiento del cáncer por sus capacidades específicas de focalización [65]. Estos mAb ahora se combinan con NP para formar conjugados anticuerpo-fármaco (ADC). Se ha demostrado que estos son muy específicos y convincentes que los fármacos citotóxicos o los mAb solos. Por ejemplo, un NP de anticuerpo-fármaco compuesto por un núcleo de paclitaxel y una superficie modificada con trastuzumab presentó una mejor eficacia antitumoral y una menor toxicidad que el paclitaxel como agente único o el trastuzumab solo en el control de células epiteliales mamarias positivas para HER2 [66].

Vesículas extracelulares

Las vesículas extracelulares (VE) son vesículas de fósforo-lípidos de doble capa que varían entre 50 y 1000 nm n de tamaño [67]. Los EV son secretados continuamente por diferentes tipos de células y varían en origen, tamaño y composición. Los EV se dividen en tres clases:1) exosomas, 2) microvesículas y 3) cuerpos apoptóticos [68]. Las NP combinadas con exosomas se utilizan ampliamente ya que tienen lípidos y moléculas muy similares a las células de origen. Además, escapan a la vigilancia inmunológica y se internalizan muy rápidamente dentro de las células cancerosas. Actúan como vehículos naturales al administrar fármacos citotóxicos y otros fármacos antitumorales a los sitios de destino. Los exosomas cargados con doxorrubicina (exoDOX) son el mejor ejemplo. exoDOX se utiliza para tratar el cáncer de mama y ha mostrado excelentes resultados en comparación con el tratamiento conservador con doxorrubicina al mejorar la citotoxicidad y evitar la cardiotoxicidad [69]. Los NP de exosomas tienen características de biocompatibilidad intrínsecas, estabilidad química avanzada y comunicaciones intracelulares en comparación con los NP sintéticos. Sin embargo, los inconvenientes como la deficiencia de las condiciones estándar para el aislamiento y la purificación exosomal son cruciales y deben abordarse [70, 71].

Liposomas

Se trata de vesículas esféricas que comprenden fosfolípidos que pueden ser unilamelares o multilamelares para encapsular moléculas de fármaco [72]. Los liposomas son únicos por tener características tales como baja toxicidad intrínseca, inmunogenicidad débil e inercia biológica [73]. Los liposomas son el primer fármaco a nanoescala que se aprobó en 1965 [74]. Una estructura de liposoma típica se compone de un "núcleo hidrófilo" y una "bicapa de fosfolípidos hidrófobos". Esta arquitectura única les permite atrapar fármacos tanto hidrófilos como hidrófobos para proteger eficazmente el fármaco atrapado de la degradación ambiental en la circulación [75].

Los liposomas proporcionan una plataforma excelente para la administración de fármacos como doxorrubicina, paclitaxel y ácido nucleico, además de demostrar una mayor eficacia antitumoral y una mayor biodisponibilidad [76]. Doxil® y Myocet® son formulaciones aprobadas de daunorrubicina a base de liposomas que se utilizan para tratar el CMM [77, 78]. Sin embargo, debido a deficiencias como la disminución de la eficacia de la encapsulación, la eliminación rápida por MP, la adsorción celular y la corta vida útil, la aplicación de NP a base de liposomas es limitada.

Nanopartículas de lípidos sólidos (SLN)

Son nanoportadores coloidales (1-100 nm) compuestos por una monocapa de fosfolípidos, emulsionante y agua [79]. Estos se conocen como nanomateriales de dimensión cero. El componente lipídico puede ser triglicéridos, ácidos grasos, ceras, esteroides y lípidos PEGilados [80]. Unlike conventional liposomes, SLNs have a “micelle-like structure” within which the drug is entrapped in a non-aqueous core. Examples include mitoxantrone-loaded SLN, which has shown reduced toxicity and enhanced bioavailability [81]. The incorporation of doxorubicin and idarubicin by SLN in “P388/ADR leukemia cells” and the “murine leukemia mouse model” has shown positive results [82].

Nanoemulsions

Nanoemulsions are colloidal NPs with heterogeneous mixtures of an oil droplet in aqueous media ranging from 10–1000 nm [83]. Three representative types of nanoemulsions can be made in:1) oil-in-water system, 2) water-in-oil system, and 3) bi-continuous nanoemulsions. Membrane-modified nanoemulsions have been extensively studied. For instance, nanoemulsions loaded with spirulina and paclitaxel showed an improved anti-tumor effect by regulating immunity through TLR4/NF-kB signaling pathways [84]. Nanoemulsion consisting of rapamycin, bevacizumab, and temozolomide is known to treat advanced melanoma [85]. Nanoemulsions are different from liposomes and certainly have enhanced characteristics than others, such as optical clarity, stability, and biodegradability [86]. However, there are challenges to clinical applications of these nanoemulsions as these involve high temperature and pressure and instruments such as homogenizers and microfluidizers that are expensive.

Cyclodextrin Nanosponges

Cyclodextrins are usually used as stabilizers to increase the drug loading capacity of NPs [87]. Nanosponges are tiny, mesh-like structures [88]. Β-cyclodextrin nanosponges loaded with paclitaxel have shown sound cytotoxic effects in MCF-7 cell line culture [89]. Similarly, camptothecin has shown improved solubility and stability when formulated with cyclodextrin-based nanosponges [90].

Inorganic Nanoparticles

Carbon Nanoparticles

Carbon NPs as the name suggests are based on the element carbon. They have been widely utilized in medical arenas because of their optical, mechanical, and electronic properties combined with biocompatibility [91]. Due to their inherent hydrophobic nature, carbon NPs can encapsulate drugs through π-π stacking [92]. Carbon NPs are further categorized into graphene, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanohorns, and graphyne. Although all these are carbon-based, they vary in their structure, morphology, and properties.

“Graphene” is 2D crystal with sp2-hybridized carbon sheet that holds extraordinary mechanical, electrochemical, and high drug loading properties. Further, based on composition, properties, and composition, graphene can be divided as follows:1) single-layer graphene, 2) graphene oxide (GO), 3) reduced graphene oxide (rGO), and 4) multi-layer graphene [93]. GO and rGOs are widely used due to their ability to target hypoxia [94] and irregular angiogenesis in TME [95]. Studies have shown that GO-doxorubicin exhibits higher anticancer activities in cellular models of breast cancer [96].

Fullerenes are large carbon-cage molecules composed of carbon allotrope with different conformation types such as sphere, ellipsoid, or tube. They are the most widely studied nanocarriers as they have typical structural, physical, chemical, and electrical properties [97]. These are used in photodynamic therapy as they have triple yield and generate oxygen species due to the presence of extended π-conjugation and the ability to absorb light [98]. PEG-modified fullerenes showed promising photodynamic effects on tumor cells [99].

Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical tubes, most often considered as rolls of graphene, were discovered in the late 1980s. They are classified into two groups:1) single-walled CNTs and 2) multi-walled CNTs. As they are carbon-based, they can bring upon immune response by interacting with immune cells, thereby suppressing the tumor growth. Traditionally, they have been used as DNA delivery vectors and for thermal ablation therapy. For instance, a fluorescent single-walled CNT with mAb encapsulating doxorubicin is used to target colon cancer cells. Such CNTs form a complex which is effectively engulfed by the cancer cells leading to the intracellular release of doxorubicin, whereas the CNTs are retained in the cytoplasm [100].

Quantum Dots

Quantum dots are typically nanometer-scale semiconductors with a broad spectrum of absorption, narrow emission bands, and high photostability, allowing them to be widely used in biological imaging [101]. Based on carbon, these are divided into:1) graphene quantum dots, 2) nanodiamond quantum dots, and 3) carbon quantum dots. Besides biological imaging, quantum dots are being actively investigated in cancer treatment. The most commonly used quantum dots is graphene quantum dots due to their inherent biocompatibility and rapid excretion. For example, quantum dots aptamer—doxorubicin conjugate targets prostate cancer cells [102]. However, the deficiency of optimized process in producing quantum dots is the major obstacle.

Metallic Nanoparticles

Metallic nanoparticles are commonly explored in “biological imaging” and targeted DDS due to their remarkable optical, magnetic, and photothermal properties. Some of the most commonly used metallic NPs are gold NPs, silver NPs, iron-based NPs, and copper NPs. Gold NPs are used as intracellular targeting drug carriers because the size and surface properties are easily controlled [103]. Moreover, their visible light extinction behavior makes it possible to track NP trajectories in the cells. “Anti-HER2 functionalized gold-on-silica nanoshells” have been shown to aim HER2 positive breast cancer cells [104]. Combidex®, an iron oxide NP formulation, is presently in the late-stage clinical testing phase to detect nodal metastases [105]. Feraheme®, a ferumoxytol containing iron oxide NP formulation, is used to treat iron-deficiency anemia. This is also used to treat nodal metastases in prostate and testicular cancer and was approved by FDA in June 2009 [106, 107].

Magnetic Nanoparticles

Magnetic NPs are generally used in MRI imaging, and drug delivery contains metal or metal oxides. These are usually covered with organic substances like polymers and fatty acids to enhance stability and biocompatibility [108]. LHRH-conjugated superparamagnetic iron oxide NPs are effective in targeting and imaging of breast cancer [109]. Moreover, magnetic NPs are used in magnetic hyperthermia for thermal ablation of cancer cells [110, 111]. Some of the magnetic NPs that are in the market or in the clinical trial phase are Feridex® and Resovist® for liver metastasis and colon cancer [112].

Calcium Phosphate Nanoparticles

“Calcium phosphate NPs” is biologically compatible, biodegradable, and do not cause any harsh adverse reactions. Hence, they are used as a delivery agent for insulin, growth factors, antibiotics, and contraceptives [113]. They are also used in the delivery of oligonucleotides and plasmid DNA [114]. Calcium phosphate NPs combined with either viral or non-viral vector has been positively used as delivery vectors in cellular gene transfer. A “liposomal nanolipoplex formulation” of calcium and glycerol has shown decreased toxicity and enhanced transfection features [115, 116].

Silica Nanoparticles

Silica being a significant component of many natural materials was only studied concerning biology recently. Silica NPs are commonly used to deliver genes by functionalizing the NP surface with amino-silicanes [117]. N-(6–aminohexyl)–3–aminopropyl–trimethoxysilane functionalized silica NPs have shown excellent efficiency in the transfection of Cos-1 cells with minimal toxicity and is now commercially available [118]. Mesoporous silica NPs are considered one of the best drug carriers due to their better pharmacokinetic properties. They have been extensively used in immunotherapy. According to a study, colorectal cancer cells have shown successful uptake of camptothecin-loaded mesoporous silica NPs.

Mechanism of NPs in Overcoming Drug Resistance

Drug resistance is one of the chief problems in cancer therapy and management. It prevails across all types of cancer and all possible treatment modalities. Drug resistance is a phenomenon that results when diseases become tolerant to pharmaceutical treatments. Drug resistance can be classified into two types:1) innate and 2) acquired [119]. Innate resistance usually results from pre-existing mutations in the genes that are involved in cell growth or apoptosis. Acquired resistance is defined as the type of resistance that is developed after a particular anti-tumor treatment, which may result from the development of new mutations or from alterations in the TME during treatment. Nanoparticles, due to their extraordinary ability to co-encapsulate multiple therapeutic agents, can also be used to overcome cancer-related drug resistance.

Targeting Efflux Transporters

Efflux transporters are classified under the family of “ATP-binding cassette (ABC) transporters.” These have a significant role in MDR. The primary function of these transporters is to pump out drugs out of the cell and reduce the concentration. “P-glycoprotein (P-gp)” is one such efflux transporter that is overexpressed by drug-resistant cancer cells [120, 121].

Overexpression of P-gp has been linked with inadequate treatment response, especially in breast cancer [122] and ovarian cancer [123]. NPs can be used to tackle efflux pumps. As NPs internalize the cell via “endocytosis” instead of diffusion and release the drug at the “perinuclear site,” which is distant from active efflux pumps, NPs can bypass the efflux pumps [124]. Besides, by modifying the control of drug releases, such as by utilizing low pH levels and redox as triggers, NPs can effectively bypass efflux pumps [125, 126].

Combination therapy is yet another method to overcome MDR. NPs can be loaded with multiple drugs within a single drug carrier [127]. Inhibiting efflux transporter expression instead of just dodging them would be another viable option. This can be achieved by building NPs in such a way that it can entrap both efflux pump inhibitors and chemotherapy agents [128]. A recent study positively reflected upon reversing MDR in breast cancer cells by using NPs that co-deliver COX-2 inhibitors and doxorubicin [129]. Similarly, using silica NP that encapsulates miRNA-495 and doxorubicin has proved effective in overcoming drug resistance in lung cancer cells [130]. Another interesting study found out that using NPs in the tumor neo-vasculature targeting KDR receptors is a more effective anti-tumor function than P-gp inhibitor combination therapy. Yet, another way of overcoming drug resistance is by depleting the source of ATP, which is essential for the functioning of ABC transporters. This can be done by targeting mitochondria which leads to a decrease in ATP production.

Targeting an Apoptotic Pathway

Cancer cells proliferate due to faulty apoptotic machinery and upsurge their survival adding to drug resistance [131]. The faulty apoptotic pathway gets activated by “deregulation of Bcl-2” and “nuclear factor kappa B (NF-κB).” These are the most widely investigated anti-apoptotic proteins and can be potentially used as the target for reversing drug resistance. Using a classic process of co-delivery of “Bcl-2 siRNA and chemotherapeutics” by NPs is a way to overcome MDR [132]. NF-κB inhibitors have been used in combination with “pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC)” [133] and curcumin [134]. Besides suppressing anti-apoptotic factors, triggering pro-apoptotic factors is another to fight “apoptotic pathway-mediated drug resistance.” For instance, a combination of ceramide and paclitaxel is a good example [135]. Ceramide restores the expression of a chief tumor suppressor, p53 protein, by regulating alternative pre-mRNA splicing. Delivering ceramide via NPs is an excellent way to correct the p53 missense mutation [136]. Owing to its potential, a combination of ceramide and paclitaxel has shown significant therapeutic efficacy in cancer drug resistance models. Transfecting the p53 gene by cationic SLNs has been reported in lung cancer cases [137]. Similarly, transfecting the p53 gene by PLGA has been carried out in breast cancer cells models that have shown potent induction of apoptosis and inhibition of tumor growth [138].

Some NP-based DDS act by impeding efflux pumps and encouraging apoptosis [139]. A pioneering study conducted to prove both pump- and non-pump-mediated drug resistance used an “amphiphilic cationic NP” entrapping paclitaxel and Bcl-2 converter gene in drug-resistant liver cancer models. NP complex diminished P-gp-induced drug efflux and the apoptosis activation. Similarly, co-delivery of “doxorubicin and resveratrol encapsulated in NPs” has shown noteworthy cellular toxicity on doxorubicin resistance breast cancer cells by downregulating the expression of Bcl-2 and NF-κB, thereby initiating apoptosis as well as through the inhibition of efflux transporter expression [140]. A similar study was done on multi-drug resistant prostate cancer cells by using folic acid-conjugated planetary ball milled NPs encapsulated with resveratrol and docetaxel. This worked by downregulating anti-apoptotic gene expression while inhibiting ABC transporter markers [141].

Targeting Hypoxia

Hypoxia is yet an additional aspect that backs MDR [142]. Due to abnormal blood vessels in the vicinity of the tumor and due to the increasing demand of oxygen by the rapidly growing tumor, some tumor cells are repeatedly in a hypoxic condition. The part of the tumor that is in hypoxic condition often escapes from the chemotherapy drugs. Hypoxia creates an oxygen ramp inside the tumor that intensifies tumor heterogeneity, encouraging a more aggressive phenotype. Moreover, the hypoxia condition has been established to facilitate the overexpression of efflux proteins [143]. The major protein, “hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α)” acts an important role. Hence targeting HIF-1α or silencing HIF-1α gene is a way to overcome drug resistance. NPs containing HIF-1α siRNA can be used to reduce hypoxia-mediated drug resistance [144]. Instead of directly targeting HIF-1α, indirect inhibition of HIF-1α signaling can be used. For example, the “PI3K/Akt/mTOR pathway” is known to control the expression of HIF-1α. Inhibition of this pathway effectively downregulates the expression of HIF-1α, which enhances the sensitivity of MDR cells to cancer treatment [145]. NPs like PLGA-PEG and PEGylated and non-PEGylated liposomes can be used effectively. In addition, “heat shock protein 90 (HSP90)” is needed for transcriptional activity of HIF-1 and inhibition of HSP90, which downregulates the expression of HIF-1α [146]. The HSP90 inhibitor in “17AAG loaded NPs” has dramatically improved MDR in bladder cancer treatment [147].

Nanoparticles and Proteomics

When NPs are subjected to the biological system, they are surrounded by cellular and serum proteins which form a structure known as protein corona (PC) [148]. Based on the degree of interaction of these proteins with the NPs, there are classified into the hard corona and soft corona. “Hard corona” is formed when these proteins have a high binding affinity towards the NPs. “Soft corona” is produced when these proteins are loosely bound to the NPS. It has been established that the most protein forming a PC first will be eventually substituted by proteins with higher affinities. This is known as Vroman effect [149]. Hence developing the technology that can manufacture NPs with desired properties is essential. Several proteomic approaches such as MS, LC–MS, SDS-PAGE, isothermal microcalorimetry (ITC), etc. [150], are being used. PC affects the crosstalk of NP with the biological setting and thereby governs the application and usage of the same in the medical field.

Cancer proteomics studies the number of proteins in cancer cells and serum, which supports hunting proteins and biomarkers that aids in diagnosis, treatment, and prognosis [151]. It also helps in understanding cancer pathogenesis and drug resistance mechanism. Post-translational modifications (PTMs) play an indispensable part in occurrence, recurrence, and metastasis. Besides using chemotherapy and kinase inhibitors, novel agents like siRNA, mRNA, and gene editing are central therapeutics used with NPs.

Nanotechnology for Small Interfering RNA (siRNA) Delivery

siRNAs are small ds RNA molecules (around 21 nucleotides long) that suppress the expression of genes in the target. This process is known as “RNA interference.” A few siRNA-based NPs that are currently under clinical investigations are ALN-TTR01 that is used to target the transthyretin gene to treat transthyretin-mediated amyloidosis, and Atu027, which is a liposomal siRNA that targets protein kinase N3 and TKM-ApoB that knock downs the expression of ApoB [152, 153].

Nanotechnology for Tumor microRNA Profiling and Delivery

MicroRNAs are a class of endogenous “single-stranded non-coding RNA” molecules that control post-transcription gene expression by blocking translation of the target mRNA or repressing protein production by destabilizing mRNA [154]. These are emerging as vital biomarkers that are a significant target for cancer diagnosis, therapy, and treatment. The base priming nature of nucleic acid forms the very foundation for nanotechnology used miRNA profiling techniques. Several profiling techniques use biosensors or surface plasmon resonance imaging techniques in combination with molecular biology enzymatic reactions. Nanotechnology can be used for the delivery of MicroRNAs. For example, biodegradable polycationic prodrugs showed promising results in the regulation of polyamine metabolism [155]. MicroRNA-loaded polycation-hyaluronic acid NPs of single-chain antibody fragments have shown progressive downregulation of “survivin expression” in high metastatic cancer load in the lung of murine B16F10 melanoma.

DNA Nanotechnology for Cancer Therapy

DNA-based nanostructures have been synthesized for DNA sensors to detect nucleic acid, DNA-coated gold NPs for lead sensing by hybridizing Pb-activated DNAzyme to the linking DNA, scaffolds to organize organics, inorganic, and biomolecules into distinct morphology molecular transporters, and drug delivery (Table 1).

Advantages of Nanoparticles in Cancer Therapy

The utilization of nanotechnology in the diagnosis, treatment, and management of cancer has led to a whole new era. NPs, either by active or passive targeting, augment the intracellular concentration of drugs while avoiding toxicity in the healthy tissue. The targeted NPs can be designed and altered as either pH-sensitive or temperature-sensitive to establish and regulate the drug release. The pH-sensitive drug delivery system can deliver drugs within the acidic TME. Similarly, the temperature-sensitive NPs release the drugs in the target site due to changes in temperature brought in by sources like magnetic fields and ultrasound waves. In addition, the “physicochemical characteristics” of NPs, such as shape, size, molecular mass, and surface chemistry, have a significant part in the targeted drug delivery system. Further, NPs can be modified according to the target and used to target a particular moiety.

Conventional chemotherapy and radiation therapy have several disadvantages concerning efficacy and side effects because of uneven dispersal and cytotoxicity. Therefore, cautious dosing is required that effectively kills cancer cells without any significant toxicity. To reach the target site, the drug has to pass several fortifications. Drug metabolism is a very complex process. In physiological conditions, the drug needs to pass TME, RES, BBB, and kidney infiltration. RES or macrophage system is made up of “blood monocytes, macrophages, and other immune cells” [160]. MPS in the liver, spleen, or lungs react with the drugs and activate “macrophages or leukocytes” that rapidly remove the drug. This leads to a short half-life of the drug [161]. To overcome this, NPs with “surface modification,” such as PEG, bypass this mechanism and increase the “drug half-life.” Besides, kidney infiltration is a crucial function in the human body. Proper kidney infiltration thus minimizes the toxicity caused by NPs.

The brain-blood barrier (BBB) is a specialized protection structure offered to protect the CNS from harmful and toxic agents. “Brain capillary endothelial cells” are arranged in the form of a wall that provides essential nutrients to the brain. Since the primary function of BBB is to block toxic agents to reach the brain, currently available chemotherapy agents for brain cancer are highly limited to intraventricular or intracerebral infusions [162]. However, NPs are known to cross BBB. Now, several approaches such as EPR effect, focused ultrasound, peptide-modified endocytosis, and transcytosis are used to deliver NPs. Glutathione PEGylated liposome encapsulated with methotrexate showed improved methotrexate uptake in rats [163]. Au-NPs are often used as they have proven to help transport drugs to induce apoptosis [164].

NPs being carriers also increase the drug stability by preventing the degradation of the encapsulated cargo. Additionally, a large volume of drugs can be encapsulated without any chemical reaction. Dry solid dosage forms are more stable than nanoliquid products [165]. Stabilizers can be used to enhance stability. Yet another way to increase stability is to use porous NPs.

Tumor has unique pathophysiology features such as extensive angiogenesis, flawed vascular architecture and defective lymphatic drainage. The NPs use these features to target tumor tissue. Due to reduced venous return in tumor tissue and meager lymphatic clearance, NPs are effectively retained. This phenomenon is known as EPR. Similarly, by targeting the adjacent tissues, tumor-targeting can be accomplished [166].

NPs can be administered through several routes like oral, nasal, parenteral, intra-ocular etc. NPs have a high surface-to-volume ratio and intracellular uptake. Studies have reported that NPs are more effective than microparticles as drug carriers [167].

Nanoparticles in Immunotherapy

The immune system sets an important part in the establishment and development of cancer cells. The advancement of immunotherapy has revolutionized cancer therapy. It is found that NPs not only help in target delivery of chemotherapy but can also be used in combination with immunotherapy. There are several approaches in immunotherapy aimed at activating the immune system against cancer cells [168] by “immune checkpoint blockade therapy,” “cancer vaccine therapy,” “chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy,” and “immune system modulator therapy” [169,170,171]. NP-based immunotherapy includes “nanovaccines,” “aAPCs (artificial antigen-presenting cells),” and “immunosuppressed TME targeting.”

Nanovaccines specialize in delivering “tumor-associated antigens” and “adjuvants” to antigen-presenting cells, such as dendritic cells (DCs) [172]. Moreover, these can also be employed as adjuvants to enhance “APC antigen presentation” and promote DC maturation that leads to the stimulation of cytotoxic T cells that have anti-tumor function [173, 174]. Liposomes, PLGA NPs, gold NPs are found to have the ability to deliver TAAs into DCs in the cytoplasm [175]. Mesoporous silica, the most used inorganic NP, has exhibited an adjuvant role, leading to immune response stimulation [176]. Artificial APCs interact with MHC-antigen complexes directly which binds to T cells. They also bind to co-stimulatory molecules that bind to co-stimulatory receptors leading to T cell activation [177]. Targeting the immunosuppressed TME is yet another method of using NPs in immunotherapies. This is done by targeting essential cell types in TME such as “tumor-associated macrophages (TAMs),” regulatory T cells, and “myeloid-derived suppressor cells (MDSCs).”

Besides, the combination of chemoimmunotherapy has been demonstrated to be a capable approach in cancer therapy. For instance, a study has shown that co-loading Nutlin-3a, which is a chemotherapeutic agent and cytokine GM-CSF, in “spermine-modified acetylated dextran (AcDEX) NPs” improved cytotoxic CD8( +) T cells proliferation and activated an immune response [178].

“Programmed cell death protein 1 (PD-1)” and “programmed cell death ligand 1 (PD-L1)” are some of the essential immune checkpoints [179]. Hence immune checkpoint inhibitors are used to target these using NPs. According to a study, conventional immune checkpoint inhibitors of PD-L1/PD-1 displayed inconsistent responses. To enhance the chances and bonding of immune checkpoint inhibitors and immune checkpoints, multivalent poly (amidoamine) dendrimers were used. Usage of these dendrimers not only showed enhanced PD-L1 blockade but also showed improved drug accumulation at the tumor site [180].

Nanoparticles in Cryosurgery

Cryosurgery is an advanced practice of freeze-destroying cancer tissue. Although this is less invasive and causes intraoperative bleeding and postoperative complications, certain drawbacks like inadequate freezing capacity and damage to adjacent cells need to be addressed [181]. The rise of nanotechnology has enabled the use of NPs in cryosurgery.

The primary working of nanocryosurgery is introducing NPs with particular properties into the cancer cells and causing freezing [182]. During this process, ice is formed within the cells, which causes damage to it. This is an important process and can be carried out effectively using NPs. The thermal conductivity property of NPs can be exploited, which significantly freeze the tumor tissue and cause tumor damage [183]. Besides, they cool down rapidly, and it is feasible to regulate the “growth direction” and “direction of the ice ball” (Fig. 6).

Diagrammatic representation of NPs in cryosurgery

When the location of the tumor makes it not feasible for cryosurgery or if other adjacent organs are at risk, there are high chances that the freezing can damage healthy tissue. Recently, phase change materials (PMs) made up of NPs are used to protect the adjacent normal healthy tissue during cryosurgery [184]. For instance, liposome-based microencapsulated phase change NPs have shown incredible results in protecting surrounding healthy tissue [185]. These NPs are deemed to possess large latent heat and low thermal conductivity, making them perfect for cryosurgery.

Significant Challenges in the Clinical Application of Nanoparticles

At present, as nanotechnology has bloomed, the amount of knowledge and research put into nanoparticles has steeply raised. But only a few of them actually make it up to clinical trials. Most of them only halt at in vivo and in vitro stages. Each individual nanoformulation has particular challenges in their clinical translation, but most NPs face similar challenges that can be divided into biological, technological, and study-design related.

Biological challenges include lack of routes of administration, tempering biodistribution, the channel of NPs across the biological barriers, their degradation, and toxicity [186]. NPs are usually injected via intravenous injections directly into the blood, which takes away NPs, making it challenging to stay and interact with the target site. As a result, a high concentration drug is used, which might not provide desired therapeutic effects [187]. However, magnetic NPs can be used to overcome this as many in vivo and in vitro studies have proved the usage of 3D magnetic fields to control the movement of NPs against blood flow. But, the effect of magnetic fields on the human body, crosstalk between magnetic fields, and a large number of NPs has to be researched upon.

Controlling the biological fate of NPs is very hard and needs a lot of focus. Even though NPs are made up of biosafety materials and are modulated accordingly to increase the retention time and half-life, there runs a risk of lung, liver and kidney damage. Some factors that govern toxicity are surface area, particle size and shape, solubility, and agglomeration [188]. NPs have shown greater deposition in the lung with inflammatory, oxidative and cytotoxic effects [189]. Studies reveal that healthy cells often suffer from free radicals generated by NPs [190]. Fabricating NPs with more biocompatible substances like chitosan and materials that disintegrate after near infrared light irradiation may be potential solutions.

Another tricky challenge is avoiding the “mononuclear phagocytic system (MPS).” In biological fluids, NPs adsorb proteins to produce PC, which attacks MPS to uptake NPs. To escape this, NPs have been coated with materials that prevent the formation of the protein corona. However, they have not shown any significant results. Designing NPs that target “macrophages” and using those as new drug vehicles can be pitched to overcome this problem. Currently, preventing macrophage recruitment, depleting and reprograming TAMs, and obstructing “CD47-SIRPα pathways” are commonly used strategies [191].

Technological challenges of NPs include scale-up synthesis, equal optimization, and performance predictions. These are very crucial in safeguarding the clinical success of NPs. Most of the NPs that are used in vivo and in vitro studies are usually produced in minor batches, and scale-up for huge quantities is not constantly feasible given instrumentation and other reasons. The lead clinical candidates that prove to be the best in animal models are not systematically designed optimized. To overcome this, we can use certain methods that can test numerous nanoformulation and by selective iterations selecting a single optimized formulation [192,193,194]. However, such hits shouldn’t be introduced directly in human testing. Predicting nanoparticle efficacy and performance is hard and replicating the in vivo results in human trials is a herculean task. Computational or theoretical modeling along with experimental results can be designed to imitate physiological tissue and surrounding. For instance, organs-on-chips are being actively studied and can improve NP predictions of efficacy and performance.

Study-design challenges like study size, intent, and timing of NP therapies during the therapy impact significantly during clinical studies. Most of the studies revolve around “cell and animal models” that may not provide comprehensible results in human trials. Therefore, the usage of a single model is tough to imitate natural reactions in the human body. In addition, “models of cancer metastasis” should be actively researched as metastasis is one of the significant properties of cancer. Moreover, N  = 1 clinical studies will be required if we focus on personalized medicine. This needs to count in many factors such as genetic, environmental, and past medical history. [195, 196]. Another major challenge is that NPs are never used as first-line therapies. Although we have effectively approved nanoformulations, they are usually saved for further treatment if disease progression is found in the clinical trial scenario. Most of the patients have either had progressed on multiple lines of therapies or have gained drug resistance. These situations often skew the clinical trial results and lessen the chance of NP treatment to benefit those who are likely still treatable.

Conclusion and Future Perspective

Nanotechnology has shown a promising new era of cancer treatment by delivering small molecules for cancer detection, diagnosis, and therapy. Cancer therapies based on the exceptional features of NPs are being vastly used in the clinical setting of several cancer types. NP-based DDS is linked with enhanced pharmacokinetics, biocompatibility, tumor targeting, and stability compared to conventional drugs. Moreover, NPs provide an excellent platform for combination therapy which helps in overcoming MDR. With increasing research, several types of NPs, such as polymeric NPs, metallic NPs, and hybrid NPs, have shown improved efficacy of drug delivery. Researchers must be well attentive to the features of the nominated nanoplatforms and the properties of therapeutic agents. However, there are certain limitations like deficiency of in vitro models that precisely replicate in vivo stage, immunotoxicity, the long-term toxicity, and neurotoxicity. Although “nanovaccines” and “artificial APCs” have proved improved efficacy compared to conventional immunotherapy, the clinical efficacy is substandard. The safety and tolerance of these new modalities should to be inspected. Additionally, developing “immunomodulatory factor-loaded NPs” may advance the efficiency of vaccines for immunotherapy.

This is an emerging area, and it is anticipated that with growth in proteomics research on the “mechanism of cancer origin, MDR, occurrence,” more NP-based drugs can be exploited. Compared to the mammoth amount of investigations, only a few NP-based drugs are actually in use, a few others in clinical trials, and most in the exploratory stage. For rational nanotechnology design, more efforts must be reserved in “understanding toxicity, cellular and physiological factors that regulate NP-based drug delivery, EPR, and PC mechanism” in the human body. Based on the evidence cited above, we presuppose that the revolution in clinical translation for NP-based cancer therapy will be attained with nanotechnology and cancer therapy development.

Availability of Data and Materials

Not applicable.


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