Nanopartículas funcionalizadas magnéticas para aplicaciones biomédicas, de administración de fármacos y de imágenes

Resumen

La medicina busca constantemente tratamientos nuevos y mejorados para las enfermedades, que deben tener una alta eficacia y ser rentables, creando una gran demanda de investigación científica para descubrir estos nuevos tratamientos. Un aspecto importante de cualquier tratamiento es la capacidad de poder atacar solo la enfermedad y no causar daño a otra parte sana del cuerpo. Por esta razón, las nanopartículas metálicas han sido y están siendo investigadas extensamente por sus posibles usos médicos, incluyendo imágenes médicas, aplicaciones antibacterianas y antivirales. Las nanopartículas metálicas superparamagnéticas poseen propiedades que les permiten ser dirigidas alrededor del cuerpo con un campo magnético o dirigidas a un implante magnético, lo que abre el potencial para conjugar diversas biocargas a las nanopartículas que luego podrían ser dirigidas para su tratamiento en el cuerpo. Aquí informamos sobre algunas de las aplicaciones biomédicas actuales de varias nanopartículas metálicas, incluidas nanopartículas de un solo metal, nanopartículas metálicas funcionalizadas y nanopartículas metálicas núcleo-capa que utilizan un núcleo de Fe ₃ O ₄ así como métodos de síntesis de estas nanopartículas núcleo-capa.

Introducción

Los nanomateriales metálicos representan una puerta importante para el futuro de la medicina. Aunque todavía se desconoce mucho sobre la seguridad a largo plazo de las nanopartículas metálicas en la medicina [1], estas partículas ya han encontrado su lugar en diversas aplicaciones biomédicas, como la obtención de imágenes in vivo de sitios específicos [2,3,4], la detección de cáncer [5, 6], terapia del cáncer [7,8,9,10], terapia de enfermedades neurodegenerativas [11,12,13], terapia de VIH / SIDA [14,15,16], terapia de enfermedades oculares [17,18,19 ], y terapia de enfermedades respiratorias [20, 21]. La Figura 1 presenta una variedad de usos actuales de las nanopartículas en medicina. A pesar de los avances recientes en nanomedicina, todavía existen muchos obstáculos en el camino de la nanoterapia, como que puede ser difícil lograr una ruta de síntesis que produzca resultados fácilmente repetibles, con muchos métodos de síntesis de nanopartículas que producen un rango en ambos tamaños [22 , 23,24] y la forma [25,26,27,28] de las nanopartículas y / o no producen los nanomateriales en una cantidad suficientemente grande para que sean económicamente viables [29]. Otro factor clave es que se desconoce relativamente la toxicidad a largo plazo de algunas nanopartículas durante un período de tiempo debido a lo relativamente nuevo que es el campo de investigación [30,31,32]. Entre los muchos usos posibles de las nanopartículas metálicas se encuentra el área de administración de fármacos [33, 34]. Debido a la gran superficie que proporcionan las nanopartículas [35], poseen la capacidad de poder administrar grandes cantidades de medicamentos u otras cargas médicas [36]. Una alternativa a las nanopartículas de un solo metal es incorporar un núcleo a la nanopartícula que tiene propiedades alternativas al material de la cubierta, y un ejemplo de esto es incorporar un núcleo magnético. Un desafío que todavía se presenta es sintetizar nanopartículas de núcleo-capa; Hay muchas formas de sintetizar nanopartículas [37], pero surgen nuevos desafíos cuando se intenta sintetizar una nanopartícula núcleo-capa [38].

Algunos de los usos actuales de las nanopartículas en medicina

Esta revisión se centra primero en algunos de los métodos que se utilizan actualmente para generar nanopartículas de núcleo-capa, centrándose en el uso de núcleos de Fe ₃ O ₄ y revestimientos de oro o plata. Luego examinamos las aplicaciones biomédicas actuales de las nanopartículas de un solo metal, sus limitaciones y cómo superarlas con la aplicación de núcleos magnéticos.

Síntesis de nanopartículas Core-Shell

Los métodos para la síntesis de nanopartículas metálicas se conocen desde hace muchos años, por ejemplo, Stevenson et al. publicó una síntesis de nanopartículas de oro mediante la reducción de HAuCl ₄ en 1951 [39]. Desde entonces, ha habido muchas rutas diferentes para la síntesis de nanopartículas, como la deposición de gas [40], sol-gel [41] y aerosol / fase de vapor [42]. Sin embargo, se presenta un nuevo desafío al intentar sintetizar nanopartículas metálicas que consisten en una estructura núcleo-capa, en la que un metal forma el núcleo y un segundo metal forma la capa, por ejemplo, las partículas de Fe se degradan en el agua, mientras que HAuCl ₄ es un agente oxidante fuerte [38]. Un ejemplo que se discutirá más a fondo es el uso de un Fe ₃ O ₄ (óxido de hierro) y oro como capa de revestimiento. En la preparación de tales nanopartículas de metal núcleo-capa, dos de los mayores problemas son intentar controlar la velocidad de recubrimiento y controlar la uniformidad del recubrimiento para crear una solución de nanopartículas que son todas de forma y tamaño muy similares [43]. El revestimiento de oro o plata sobre un núcleo de óxido de hierro se puede dividir en dos categorías principales:revestimiento directo de oro / plata sobre hierro [44] o uso de una capa intermedia para actuar como pegamento entre el oro y la capa de hierro [45]. La primera categoría se discutirá aquí. El siguiente texto describe algunos métodos que se han ideado para sintetizar Fe ₃ recubierto de oro y plata O ₄ nanopartículas.

Síntesis de micelas inversa

Una ruta popular para sintetizar nanopartículas metálicas es utilizar el método de la micela inversa, o en ocasiones llamado ruta de microemulsión [46]. Este método se introdujo por primera vez en la década de 1980 cuando se sintetizaron por primera vez soluciones coloidales de nanopartículas de rodio, platino y paladio [47].

Las micelas se forman cuando moléculas con partes constituyentes hidrófobas e hidrófilas entran en contacto con una fase acuosa o hidrófoba [48]. Las micelas se organizarán de tal manera que permitan que la parte hidrófila esté en contacto con la fase acuosa y el constituyente hidrófobo enfrente a la fase hidrófoba [49]. En esencia, un esferoide se forma con una fase interna blindada, que además puede contener una carga [43, 50,51,52].

Existen diferentes enfoques para la ruta de la microemulsión y estos incluyen agua en aceite (w / o) [53] y agua en CO ₂ supercrítico (con sc-CO ₂ ) [54]. Una emulsión w / o ocurre cuando el agua se dispersa en una fase continua basada en hidrocarburos [53], autoensamblaje de surfactante termodinámicamente impulsado, y luego genera las micelas inversas, siendo las micelas esféricas la forma más común [43]. Cualquier material polar o iónico agregado a esta mezcla se compartimenta dentro de las micelas, y luego se forman nanopartículas cuando las membranas de las micelas se contraen entre sí a través del movimiento browniano [55]. A w / sc-CO ₂ La emulsión implica el uso de un fluido (CO ₂ ) que se encuentra en un estado supercrítico, es decir, por encima de su presión y temperatura críticas [56]. Este método tiene un interés particular, ya que es un enfoque más "verde" para la síntesis de nanopartículas, ya que no se requieren disolventes orgánicos tóxicos. También es más fácil recuperar el producto simplemente bajando la presión y liberando el líquido como CO ₂ gas [57].

La ruta de la micela inversa se ha adaptado desde la síntesis de nanopartículas metálicas hasta el recubrimiento de nanopartículas sintetizadas previamente [58]. El primer óxido de hierro recubierto de oro (Au-Fe ₃ O ₄ ) Las nanopartículas sintetizadas en micelas inversas se hicieron hace casi 20 años [59]. Esta síntesis de Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas se hizo usando un H ₂ Sistema O / CTAB (cetiltrimetil amonio bromuro) para producir las micelas con borohidruro de sodio (NaBH ₄ ) como agente reductor, reduciendo el cloruro de oro (HAuCl ₄ ) sobre el núcleo de hierro. Esta síntesis produjo una dispersión de nanopartículas con un tamaño promedio de 12 nm. Dado que esta es la primera producción de Au-Fe ₃ O ₄ NP que utilizan microemulsiones, ha habido una gama de Au-Fe ₃ O ₄ Rutas de síntesis de NP descubiertas [46, 60,61,62,63]. La Figura 2 es una representación genérica de cómo se forman las nanopartículas usando la ruta de micelas inversa.

Una representación genérica de la interacción de micelas inversas que contienen sales que reaccionan para formar nanopartículas metálicas

Lin y col. publicó un método ligeramente modificado para recubrir Fe ₃ O ₄ con oro utilizando un método de micelas inversas [60]. La síntesis también emplea un sistema que utiliza CTAB como tensioactivo para formar la micela inversa, pero con 1-butanol como co-tensioactivo y octano como fase oleosa, añadiendo una solución acuosa que contiene los iones metálicos utilizando NaBH _{4 para reducir HAuCl ₄ sobre la superficie de las nanopartículas de óxido de hierro. Los resultados ópticos informados de las partículas recubiertas mostraron un cambio en el pico de absorbancia de los espectros UV / vis del coloide de oro (526 nm) al Au-Fe ₃ O ₄ (555 nm). Los resultados de TEM de las partículas recubiertas indicaron una distribución de tamaño de 5 a 15 nm, con un tamaño promedio de 10 nm. Este método fue repetido por Pana et al. con una distribución de tamaño ligeramente mayor de Au-Fe ₃ de 5 a 35 nm O ₄ nanopartículas [63]. Además, Seip et al. Han empleado un sistema muy similar. con la excepción del uso de hidracina para reducir el HAuCl ₄ [64].}

El recubrimiento de Fe ₃ O ₄ las nanopartículas no se limitan solo al oro; Lopez Perez y col. informó sobre la síntesis de nanopartículas de óxido de hierro utilizando un sistema que contiene ciclohexano / Brij-97 (cotensioactivo) y una fase acuosa con sales de hierro de FeSO ₄ .7H ₂ O y FeCl ₃ .6H ₂ O [65]. Este sistema ha sido recubierto con plata [58] y oro [46], produciendo partículas de 13 nm. Un método alternativo es informado por Tamer et al. para la síntesis de Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas [62]. Este método emplea una coprecipitación de sales de hierro en NaOH, que luego se lavaron en HClO ₄ para producir Fe ₃ oxidado O ₄ nanopartículas. Recubrimiento de oro sobre el Fe ₃ O ₄ Los NP ocurrieron a través de la reducción de HAuCl ₄ por NaOH entregado al sistema por micelas CTAB. Au-Fe ₃ O ₄ Se produjeron NP con un tamaño medio de 23,5 nm. Después de la caracterización, las partículas se modificaron con varios grupos funcionales para formar una monocapa autoensamblada (SAM) y se utilizaron posteriormente para la captura y detección de Escherichia coli .

Zhang et al. que implica el uso de un láser como iniciador para el recubrimiento de nanopartículas de hierro con oro [66]. El proceso implica hacer una mezcla de reacción de nanopartículas de hierro encapsuladas en micelas CTAB, nanopolvo de oro en agua y octano, luego irradiar con un láser pulsado mientras se agita vigorosamente la reacción. La irradiación láser facilita la descomposición térmica de las nanopartículas de oro. Los átomos y grupos de oro se formaron alrededor de las nanopartículas de hierro, formando nanopartículas de hierro recubiertas de oro. Los resultados de TEM para las nanopartículas de Au-Fe sintetizadas de esta manera dieron un tamaño promedio de 18 nm con una distribución de tamaño de ± 36 nm.

Síntesis térmica

Entre los diversos métodos de síntesis de nanopartículas de cáscara de oro y núcleo de hierro se encuentra una ruta térmica, en la que la reacción implica calentar la mezcla de reacción por encima de su punto de ebullición [67] y, a veces, someterla a reflujo [68, 69]. Hay dos categorías principales para este tipo de síntesis:hidrotermal (solvente a base de agua) [70, 71] y solvotermal (solvente de base orgánica) [68, 72]. Si bien existen muchas técnicas para sintetizar nanopartículas metálicas a través de la ruta térmica [73,74,75,76,77,78], no es posible lograr la síntesis de los núcleos y el recubrimiento de oro en una reacción en un solo recipiente [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81] y, en algunos casos, Fe ₃ O ₄ los núcleos se sintetizan a través de una ruta micelar inversa [70] o una ruta coloidal [78] y luego las partículas se recubren utilizando una técnica hidro o solvotermal [70, 76, 78]. Si bien hay una variedad de sistemas de disolventes que se utilizan en estos métodos sintéticos, la mayoría de las rutas implican la adición de nanopartículas de óxido de hierro a HAuCl ₄ hirviendo o la inversa de HAuCl ₄ que se agrega a soluciones hirviendo de nanopartículas de óxido de hierro [74, 79].

Un método para la síntesis de Au-Fe ₃ O ₄ Las nanopartículas han sido realizadas por Rudakovskaya et al. mediante una técnica hidrotermal [76]. El principio del método sigue la adición de Fe ₃ O ₄ nanopartículas a un HAuCl ₄ hirviendo solución. El análisis TEM de estas nanopartículas indicó un tamaño promedio de 30 nm, con una forma esférica general y una distribución de tamaño entre 20 y 35 nm; estas imágenes se pueden ver en la Fig. 3.

Una imagen TEM de las nanopartículas sintetizadas por Rudakovskaya et al. Como puede verse, las nanopartículas tienen una forma aproximadamente esférica con un tamaño medio de 30 nm [76]

Síntesis coloidal

Las técnicas de síntesis coloidal ofrecen una forma sencilla pero eficaz de sintetizar nanopartículas metálicas [82]. Las técnicas coloidales suelen ofrecer un nivel de sencillez frente a otras técnicas de síntesis de nanopartículas, sin la necesidad de diferentes disolventes, o que se puede realizar a temperatura ambiente [83, 84]. Los principios básicos de la síntesis implican dispersar diferentes iones metálicos en una fase acuosa, agregar un agente reductor a la mezcla y luego mezclar a temperatura controlada para formar nanopartículas insolubles [39]. Las rutas de síntesis coloidal ofrecen el beneficio de no tener que involucrar potenciales disolventes tóxicos en la síntesis (ideal si las nanopartículas están destinadas a un uso biológico). Sin embargo, existen algunas limitaciones para las rutas coloidales, como que puede ser difícil controlar la distribución del tamaño de las nanopartículas sintetizadas finales [85] y la forma de las nanopartículas puede verse fuertemente influenciada por la concentración del reactivo [85]. En el lado positivo, sin embargo, puede ser más fácil producir nanopartículas en mayor cantidad [86]. Este método para la síntesis de nanopartículas metálicas existe desde hace muchos años, y se utiliza para la síntesis de diferentes tipos de nanopartículas como la plata [87] y el oro [39, 88].

Este método básico ha sido avanzado y desarrollado para producir diferentes rutas sintéticas para la formación de nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de oro [83, 84, 89,90,91,92,93,94,95,96,97]. La mayoría de los métodos para la síntesis de óxido de hierro recubierto de oro giran en torno al uso de varios agentes reductores para reducir el HAuCl ₄ sobre la superficie del óxido de hierro. Nadagouda y col. ofrecer una ruta sintética "verde" propuesta, utilizando ácido ascórbico para reducir HAuCl ₄ [84] _. Sin embargo, este método parece mostrar poco o ningún control sobre el tamaño o la forma de las nanopartículas recubiertas debido a la falta de agente de recubrimiento (un agente que se une al exterior de la nanopartícula que detiene un mayor "crecimiento" de la nanopartícula) utilizado en la síntesis [98]. Pal et al. [95] Este método emplea acetato de oro como sal de oro, que se reduce a la superficie de Fe ₃ de 6 nm. O ₄ nanopartículas para crear Au-Fe ₃ de 7 nm O ₄ partículas, que son de forma esférica. Un método rápido para recubrir Fe ₃ O ₄ nanopartículas es presentado por Rawal et al. que implica la dispersión de Fe ₃ O ₄ nanopartículas en una solución de HAuCl ₄ , luego mezclando con etanol [83]. Después de 15 minutos a temperatura ambiente, la reacción se detuvo y el Au-Fe ₃ O ₄ A continuación, las nanopartículas se separaron con un imán. El análisis TEM de la solución purificada mostró que las partículas producidas tenían un tamaño de 30 a 100 nm y tenían formas variadas en toda la muestra; estas imágenes se pueden ver en la Fig. 4. Si bien esta técnica de síntesis produjo las nanopartículas recubiertas rápidamente, no parece ser una síntesis muy eficiente para la producción de partículas de tamaño y forma uniforme [83].

Una imagen TEM de las nanopartículas sintetizadas por Rawal et al. Estas nanopartículas tienen una distribución de tamaño de 20 a 100 nm [83]

Mientras que algunas técnicas ofrecen solo la reducción de sales de oro, otras prefieren poner el agente reductor sobre la superficie del hierro, como la hidroxilamina [90, 93]. En muchos casos, cuando Fe ₃ O ₄ Las nanopartículas están recubiertas con oro, la reducción de una sal de oro también produce nanopartículas de oro estándar [74], por lo que la adición del agente reductor a la superficie de las nanopartículas de hierro tiene como objetivo mejorar la eficiencia del recubrimiento y tiene como objetivo reducir la cantidad de nanopartículas de oro producidas como subproducto [93].

Otra técnica consiste en sembrar oro en la superficie de las nanopartículas magnéticas, lo que proporciona una ruta más directa para conseguir que el oro se nuclee alrededor del núcleo magnético de las nanopartículas [91, 92, 97]. Esta técnica consiste en unir semillas de oro, que son más pequeñas que las nanopartículas de óxido de hierro en solución, a la superficie del óxido de hierro. Cuando HAuCl ₄ se reduce en solución, el Au ⁺ Los iones se sembrarán en el óxido de hierro y formarán una cáscara alrededor de las nanopartículas de óxido de hierro. Esta siembra de oro ha sido empleada con éxito por varios grupos; Goon y col. usó polietilenimina para controlar la siembra de oro en la superficie de Fe ₃ O ₄ , produciendo nanopartículas completamente recubiertas. [91] Sin embargo, el Au-Fe ₃ sintetizado O ₄ las partículas mostraron una alta polidispersidad, con un tamaño de partícula de entre 40 y 110 nm. Levin y col. logró producir nanopartículas de núcleo magnético de caparazón de oro con un rango de tamaño de 50-70 nm, utilizando un núcleo funcionalizado con moléculas de organosilano para unirse a las semillas de oro [92]. La siembra de nanopartículas de oro en un núcleo de hierro se puede demostrar con una variedad de formas de núcleo, por ejemplo, Wang et al. demostró la siembra de oro en "Nano arroz" con forma de arroz Fe ₃ O ₄ estructuras, que luego condujeron a una capa de oro completamente gruesa cuando el oro se redujo a la superficie [97].

Aplicaciones biomédicas de nanopartículas metálicas

Agentes antimicrobianos

Las infecciones bacterianas son muy frecuentes, siendo los antibióticos el método principal de tratamiento desde el descubrimiento de la penicilina en 1928 por Alexander Fleming [99]. La nanomedicina nos proporciona una nueva y amplia gama de posibles modalidades de tratamiento, con nanopartículas metálicas que se están explorando para tratamientos futuros [100]. La Tabla 1 enumera algunas de las nanopartículas que se han explorado para aplicaciones antimicrobianas. Un material que ha sido examinado por su uso potencial es la plata, que ha demostrado tener una variedad de usos biomédicos [101], por ejemplo, Sreekumar et al. utilizó nanopartículas de plata como parte de una red de fibras antimicrobianas. Las nanopartículas variaban en tamaño de 20 a 120 nm, con una eficacia antibacteriana contra Escherichia coli tan alto como 94,3% en comparación con las fibras sin nanopartículas de plata [102]. Si bien se ha demostrado que un antibiótico como la ampicilina es capaz de lograr una tasa de destrucción de ≤ 99,9% en E. coli [103], el mismo estudio también informó la aparición de resistencia a la ampicilina en ciertas cepas de E. coli . En esta misma nota, se ha informado que E. coli puede desarrollar una resistencia a las nanopartículas de plata; sin embargo, esta resistencia no es un cambio genético, sino una respuesta física que intenta hacer que las nanopartículas coloidales se agreguen [104]. También empleando plata por sus propiedades antibacterianas, Holtz et al. diseñó un sistema de nanocables de vanadato de plata de 60 nm "decorados" con nanopartículas de plata con un diámetro de 1 a 20 nm [105]. Este sistema demostró ser prometedor contra tres Staphylococcus aureus cepas y también curiosamente tenía una concentración de inhibición del crecimiento mucho más baja contra Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA) que el antibiótico oxacilina.

Verma et al. donde emplearon sus nanopartículas contra las bacterias: Pseudomonas fluorescens , E. coli y el hongo Candida albicans [106]. Las nanopartículas de plata tenían una concentración mínima promedio de crecimiento inhibidor de 5,83 μg / ml en las tres cepas, en comparación con algunos antibióticos de uso común, como la ampicilina y la neomicina, que tienen concentraciones mínimas de crecimiento inhibitorio de 4,0 μg / ml y 16,0 μg / ml, respectivamente. contra cepas de E. coli [110]. De interés potencial son las propiedades que muestran las nanopartículas contra P. fluorescentes una C. albicans , los cuales están asociados con causar enfermedad en pacientes inmunodeprimidos [111]. Investigaciones posteriores podrían encontrar que las nanopartículas de plata son una forma más eficaz de tratar los patógenos que algunos de los antibióticos más utilizados, como la anfotericina B, que tiene efectos secundarios importantes [112].

Selvaraj et al. Han informado de la síntesis de nanopartículas de oro cubiertas con tioguanina. donde un efecto antimicrobiano mejorado contra varias bacterias, incluyendo: E. coli , Aspergillus fumigatus y Pseudomonas aeruginosa [107]. Se encontró que las nanopartículas de oro cubiertas con tioguanina eran más efectivas que la tioguanina no conjugada como agentes anticancerosos y antimicrobianos, y sus actividades mostraban un uso potencial como portadores de medicamentos contra el cáncer. De manera similar, se ha informado que las nanopartículas de oro tienen un efecto antimicrobiano sobre Corynebacterium pseudotuberculosis [108], nanopartículas con un tamaño promedio de 25 nm, usando una dosis de 50 μg / ml mostraron una inhibición del crecimiento bacteriano del 95% después de 20 min de exposición. De manera similar, se demostró que las nanopartículas de oro desnudo tienen un efecto antimicrobiano en una variedad de bacterias gram negativas y gram positivas, incluida S. aureus , neumonía por Klebsiella y Bacillus subtilis [109]. Una dosis de 1,35 μg / ml de AuNP mostró una inhibición del crecimiento de 46,4 ± 0,4%, 38,3 ± 0,2% y 57,8 ± 0,2% para S. aureus , K. neumonía y B. subtilis , respectivamente.

Antiviral

Al igual que con las aplicaciones antibacterianas, las nanopartículas metálicas han demostrado ser prometedoras en aplicaciones antivirales; La Tabla 2 muestra una variedad de nanopartículas que han demostrado poseer propiedades antivirales y podrían potencialmente aplicarse al tratar virus. Se ha demostrado que tanto las nanopartículas de plata desnudas como las recubiertas [113,114,115,116] tienen una variedad de aplicaciones antivirales cuando se encuentran en el rango de nanoescala.

La hepatitis B (VHB) es una infección viral que actualmente afecta a 257 millones de personas en todo el mundo y fue responsable de 887.000 muertes en 2015 según la Organización Mundial de la Salud [121]. Se han probado pequeñas nanopartículas de plata desnuda (10–50 nm) como posible tratamiento para el VHB [113] y se ha demostrado que se unen eficazmente al VHB e inhiben aún más la producción de ARN del VHB. Se hipotetiza que el modo de acción se debe a la unión de los AgNP al ADN de doble cadena (ADN bicatenario) del VHB. Rogers y col. han demostrado el uso de nanopartículas de plata, tanto desnudas como con un recubrimiento de polisacárido, como agente antivírico contra el virus de la viruela del simio (MPV) [114]. Las nanopartículas se probaron in vitro contra MPV en un rango de concentraciones entre 12,5 y 100 μg / ml; Los resultados del estudio mostraron que todas las concentraciones de nanopartículas de plata recubiertas de polisacáridos (Ag-PS-NP) utilizadas fueron capaces de reducir las formaciones de placa inducidas por MPV in vitro.

Las nanopartículas de plata pueden incluso tener un papel que desempeñar en el tratamiento del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) [115, 116]. El VIH es un problema de salud importante, y la OMS estima que, en 2016, 36,7 millones de personas viven con el VIH [122]. Es importante que los tratamientos para el VIH se descubran e implementen de manera rápida y eficiente; Lara y col. han demostrado el efecto de las nanopartículas de plata (30-50 nm) en los aislados de VIH-1 que muestran inhibición de todas las cepas de los aislados de VIH-1 [116]. Las nanopartículas desnudas mostraron un IC general ₅₀ de 0,44 mg / ml ± 0,3 contra el VIH-1, con el mecanismo de inhibición viral demostrado ser la inhibición de la unión entre el virus y la célula huésped, específicamente las nanopartículas de plata inhiben la interacción entre la proteína gp120 (una glicoproteína de la envoltura) y la célula diana receptores de membrana. El mismo grupo también demostró la capacidad de las nanopartículas de plata recubiertas con polivinilpirrolidona (PVP) para prevenir la transfección del VIH-1 en un modelo de explante de tejido cervical humano [115]. Específicamente, nanopartículas de plata recubiertas de PVP (PVP-AgNP) de 0,15 mg / ml inhibieron la infección por VIH- _IIIB y VIH- _AZT-RV aislamientos. Esta concentración de PVP-AgNP también indujo una proliferación de linfocitos (células inmunes) en el sitio de la infección, en comparación con la muestra de control [115].

No son solo plata y nanopartículas de plata recubiertas las que se han empleado contra los virus:las nanopartículas de oro de 2 nm recubiertas con un ligando de sulfato anfifílico también demostraron ser efectivas contra el VIH-1 [118]. Se demostró que estas partículas se dirigen al proceso de fusión del virus y se demostró in vitro que se unen a la proteína gp120 y neutralizan directamente la infección por VIH-1. Las nanopartículas de oro recubiertas de mercaptoetanosulfonato (Au-MES) mostraron una inhibición de la infección por el virus del herpes simple tipo 1 (HSV-1), posiblemente al inhibir la unión del virus a la célula huésped, la propagación del virus de célula a célula o la alteración de la susceptibilidad celular a virus. infección inducida por la presencia de nanopartículas [117].

Se ha demostrado que las nanopartículas de yoduro de cobre (CuI-NP) tienen propiedades antivirales sobre varios virus diferentes:calicivirus felino (FCV) [119] y, más interesante, virus de la influenza A de origen porcino (H1N1) [120]. Los CuI-NP de 100 a 400 nm mostraron una propiedad antiviral cuando se utilizaron contra FCV, y se planteó la hipótesis de que los iones de Cu monovalentes eran responsables de la producción de una especie de oxígeno reactivo (ROS) que causaba la posterior oxidación de la proteína de la cápside, lo que conducía a la inactivación del FCV. También se demostró que el virus H1N1 es inhibido por CuI-NP, de una manera muy similar, a saber, la producción de radicales hidroxilo, lo que conduce a la degradación de proteínas. Sin embargo, estos radicales también podrían resultar tóxicos para los tejidos no infectados, lo que sería importante determinar antes de aprobar un tratamiento para su uso [123].

Imágenes

La exploración por imágenes de resonancia magnética (IRM) es una herramienta muy útil para el diagnóstico médico y proporciona imágenes anatómicas claras. Mediante la resonancia magnética, se puede visualizar el flujo sanguíneo, los rasgos fisicoquímicos y el estado de los tejidos y órganos del cuerpo [124]. Los agentes de contraste se emplean a menudo en la RM para mejorar la sensibilidad diagnóstica [125]. Los agentes de contraste usados convencionalmente están basados en quelatos, pero los principales inconvenientes de los agentes de contraste actuales son su estabilidad biológica y sus niveles de toxicidad cuando se acumulan en las células [126]. Por ejemplo, algunos agentes de contraste están basados en yodo, y se ha informado que la exposición a los medios de contraste yodados se asocia con el desarrollo subsiguiente de hipertiroidismo incidente e hipotiroidismo manifiesto incidente [127]. Se han desarrollado alternativas para proporcionar una eficacia de exploración mejorada al reducir el impacto negativo que pueden tener los agentes de contraste en el cuerpo [128]. Las alternativas incluyen nanopartículas metálicas posiblemente conjugadas con un agente que actúa de manera similar a un agente de contraste para la exploración por resonancia magnética [129]. La Figura 5 es una imagen de contraste de resonancia magnética de una corteza cerebral de rata antes y después del tratamiento de AuNP [130].

Una imagen de contraste de resonancia magnética de la corteza cerebral de una rata antes (izquierda) y después del tratamiento (derecha). El área que contiene los AuNP está anillada en rojo

La Tabla 3 muestra algunas de las nanopartículas que se han explorado para su uso en imágenes médicas. Algunos agentes de contraste para tomografía computarizada (TC) tienen problemas que incluyen vidas medias de circulación cortas [131] y daño tisular potencial [130]. Debido a esto, las nanopartículas metálicas también se han investigado para su uso en imágenes de TC [132]; Las nanopartículas de Au muestran un uso prometedor en la formación de imágenes debido a su atenuación de rayos X [133]. Kojima y col. mostró que las nanopartículas de oro conjugadas con un dendrímero PEGilado (PEG-AuNPs) producían un agente de contraste superior in vitro así como para la tomografía computarizada de rayos X, en comparación con el agente yodo disponible comercialmente iopamidal [134]. Los PEG-AuNP mostraron una mayor eficacia de contraste que el iopamidal disponible comercialmente, con una rápida excreción del cuerpo [135]. Los autores también señalaron que los PEG-AuNP tenían propiedades fotocitotóxicas para permitir la terapia fototérmica.

Li y col. han demostrado el uso de AuNP recubiertos como herramienta de imagen para la aterosclerosis; las AuNP se aplicaron en un tipo de imagen médica denominada “tomografía computarizada por emisión de fotón único” (SPECT) [136]. Este tipo de imagen es muy similar al uso de una cámara gamma, pero puede proporcionar imágenes en 3D reales que se pueden cortar, rotar y manipular para lograr una técnica analítica más precisa [136]. Las nanopartículas modificadas se dirigieron específicamente a las placas de aterosclerosis que contienen macrófagos apoptóticos, lo que indica una herramienta útil para la detección invasiva y precisa de placas de aterosclerosis [136].

Se ha demostrado previamente que las AuNP son un posible agente para la formación de imágenes fotoacústicas (AP), mostrando una alta resolución espacial y sensibilidad [137]. PA relies on the detection of ultrasonic waves which are emitted from tissues when exposed to non-ionizing pulsed laser irradiation [140]. The intensity/magnitude of the ultrasonic emission is responsible for the image contrast, therefore any agent that can both absorb the laser pulses and then give off heat as a result will increase the magnitude of the ultrasonic emission and AuNPs possess the ability to do both of these [141, 142]. AuNPs are potentially better than organic dyes due to the organic dyes’ susceptibility to photo-bleaching and rapid clearing from the blood [143]. AuNPs also have use in cell imaging for examining movement of nanoparticles within cells when conjugated with various cargoes. Figure 6 is a darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs that target epidermal growth factor receptor, and the bright areas within the cells are the nanoparticles indicating their locations within the cells [144].

Darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs; the bright yellow/orange dots are nanoparticles within the cells

Biomedical Cargo Delivery

Nanoparticles make for an ideal molecule for drug delivery due to the huge surface area to the volume ratio they provide when compared to their bulk material [145]. In addition, it is possible to engineer nanoparticles to either avoid or interact with the immune system in specific ways [146, 147]. For example, it has been demonstrated that an increased hydrophobicity of nanoparticles/sub-groups conjugated to the nanoparticles illicit and increased immune response by measuring cytokine mRNA levels in mice [146]. Focusing in the opposite direction, it has been suggested that nanoparticles can be conjugated with various ligands to directly activate the immune system to target the destruction of a tumor [148] or by accumulation in the liver or spleen for the generation of tolerance or immunity, respectively [147].

Gold nanoparticles have been extensively studied for their delivery of medical cargo, for example, Bhumkar et al. have explored the application of AuNPs for trans-mucosal delivery of insulin. Gold nanoparticles were synthesized in the presence of chitosan, which acts as a polymeric stabilizer [149]. These nanoparticles were then loaded with insulin and administered both nasally and orally to diabetic rats. The results showed an overall reduction in the rat’s blood glucose levels, an indication of successful movement of the nanoparticles through the mucosal membranes and into the bloodstream.

More recently “smart” AuNPs have been employed in PA [138]. These nanoparticles are roughly 10 nm in diameter and are functionalized with citraconic amide moieties which are susceptible to hydrolysis. The citraconic amides are converted into positively charged primary amino acids at a mildly acidic pH, while the surface molecules adopt negative charges at physiological pH [138]. Combined, these two properties cause the “smart” nanoparticles to adopt both positive and negative charges allowing them to aggregate rapidly due to electrostatic attraction. These nanoparticles are referred to as “smart” due to the nanoparticles presenting cancer-specific properties and accumulate rapidly and efficiently in cancer tissues and show a much lower accumulation in normal tissues [150].

Gold nanoparticles can also be used as a delivery system for nucleic acids [153], including oligonucleotides [151] and small interfering RNA (siRNA) [154]. Many different methods have been developed to functionalize AuNPs with nucleic acids, for example, Yonezawa et al. have synthesized gold nanoparticles modified with thiocholine, which then bound to DNA and formed a fusion of wire-like structures throughout the DNA [155]. Sandström et al. demonstrated the ability to bind nucleic acids onto gold nanoparticles [151], and a similar modification has been done by Rosi et al. where tetrathiol-modified antisense oligonucleotides were bound to 13-nm gold nanoparticles [152]. Being able to conjugate nucleic acids to nanoparticles opens up the possibility of targeted gene delivery, which could, for example, lead to genes coding for a specific protein to be delivered to a cell that was either deficient in that protein or could not produce the protein themselves [156]. It has also been exhibited that gold nanoparticles modified with DNA can transfect cancer cells [157] (Table 4).

Anticancer Drug Delivery

Cancer is one of the world’s leading killers with large areas of scientific research being dedicated to the fight against cancer, and nanoparticles offer a new doorway into methods to target and treat cancer. Table 5 presents a selection of nanoparticle/drug conjugates that have been tested for anticancer treatments. Paciotti et al. have investigated the application of PEGylated AuNPs as a carrier for tumor necrosis factor (TNF) which is a cell-signaling protein that possess the ability to induce apoptosis in healthy cells [158]. The Au-PEG-TNF nanoparticles were injected intravenously and agglomerated significantly more in MC-38 colon carcinoma cells compared to other healthy cells/tissues. The TNF not only gave therapeutic action on the MC-38 cells, but also seemed to possess a targeting property, indicated by the lack of agglomeration in healthy cells. Another interesting observation reported was the ability for the Au-PEG-TNF nanoparticles to diminish a tumor mass compared to “free” TNF.

Doxorubicin is a widely used cancer therapeutic agent but has dose-limiting associations with cardiotoxicity. A gold nanoparticle-doxorubicin conjugate has been developed that demonstrates little no to cardiotoxicity to mice while being able to treat cancer [160]. Dixit et al. demonstrated the selective delivery of folic acid-coated AuNPs into folate receptor (FR) positive cancer cells, whereas when compared with a cell line that did not have folate receptors, uptake was shown to be minimal [159]. These results demonstrated the use of folate to target metal nanoparticles to FR-positive cancer cells for tumor imaging and ablation.

Limitations of Single Metal Nanoparticles and Overcoming Them

The principal obstacle with nanoparticle drug delivery is the ability to direct the nanoparticle to the target area [162, 163]. There are several methods in use for metal nanoparticle targeting such as antibodies [164,165,166] and homing peptides [167, 168]. There are however limitations to these methods, with the biggest being that before they even reach the desired target cells they have to pass through a variety of other barriers, such as blood vessels and the blood-brain barrier [169]. One way to overcome this targeting limitation is to use magnetic nanoparticles [170]. A magnetic nanoparticle-targeting system works by directing the nanoparticles to a target site using an external magnetic field, it has already been demonstrated that the magnetic anisotropy of the nanoparticle is a very important factor for medical treatments [171], with a change in anisotropy being able to the change the efficacy of hypothermia treatments for example [172]. Superparamagnetic metal nanoparticles have this property (they only present magnetic properties while in the presence of a magnetic field) [173]. However, the benefit of magnetic nanoparticles also presents a potential limitation, due to the toxicity of many magnetic materials [31, 174, 175]. Despite iron being approved for various imaging uses [5, 6, 31], it has been suggested in several studies that naked iron oxide nanoparticles may have some adverse effects when used in cell labeling [176,177,178]. One method that can be used to overcome any potential toxicity limitations is to coat the iron core [179]. A range of materials can be used as the coating material:silica [180,181,182], polymers [183, 184], gold [62, 93, 95, 185], or silver [58, 186]. Gold has low pharmaceutical activity [187] and silver has been used in biomedical applications for many years [188, 189],

The combination of a superparamagnetic core with an inert and safe metal coating produces metal nanoparticles with superior characteristics to non-magnetic metal particles [190]. As well as reducing toxicity, the coating also provides the potential for the conjugation of functionalized molecules onto the surface, such as drugs and biomolecules for application in the medical field [97, 140, 152]. It is of note that a core-shell nanoparticle still possesses the properties and uses of a nanoparticle made from the same material as just the shell, but the superparamagnetic core gives the ability to direct the nanoparticle in the body [191]. For example, a gold nanoparticle with an antibody is classified as a targeting nanoparticle, introducing the core would classify the nanoparticle as a directed targeting nanoparticle [173].

Current Medicinal Uses of Gold-Coated Iron Oxide Nanoparticles

Core-shell superparamagnetic nanoparticles have already been assessed for their biomedical uses, with a wide range of uses already being applied [192] and with a majority of research investigating into the use of gold as a shell for the nanoparticles, in part due to its biocompatibility and ability to easily bind to a variety of materials. As such, this section will deal exclusively with gold shell nanoparticles. One of these uses is as a magnetic carrier for drug targeting [192,193,194,195,196]. Kayal and Ramanujan have tested an in vitro apparatus that simulates the human circulatory system as a test for the magnetic delivery of gold-coated iron oxide nanoparticles (Au-Fe₃ O ₄ ) loaded with doxorubicin [194]. Their system had various magnetic fields of increasing strength next to a capillary through which the doxorubicin-loaded particles were passed. A significant percentage of these nanoparticles were captured within the magnetic fields, strongly indicating the potential for the use of magnetic nanoparticles in drug delivery. Another use for a targeted system is the application of Au-Fe₃ O ₄ nanoparticles in photothermal therapy. Bhana et al. demonstrated the use of a core-shell system used in combination therapy deployed against two different cancer cell lines; head and neck (KB-3-1) and breast (SK-BR-3) with a reported decrease in cell viability of 64% when they exposed cell lines to a combined photothermal and photodynamic therapy, compared to each modality used on its own [197]. In photothermal therapy, gold nanoparticles are coated with a ligand, such as PEG [142], and these nanoparticles are irradiated with a laser, with a wavelength that matches the UV-vis λ -max of the gold nanoparticles [194]. The nanoparticles vibrate at the laser’s frequency which causes heat to be released causing the death of the surrounding tissue [198], introducing a core which is superparamagnetic can allow for a more accurate targeting for use in this therapy. Similarly, it has been reported by Kirui et al. that gold hybrid nanoparticles were deployed against SW1222 colorectal cancer in photothermal therapy, showing an increased case of cellular apoptosis after therapy, with their conclusion being that the cells showed an increased uptake, leading to a reduced laser power required to reach threshold therapeutic levels [199]. The use of core-shell nanoparticles for photothermal therapy of cancer has also been reported by other groups [200, 201].

Metal nanoparticles have already shown to have a place in contrast imaging, for example core-shell nanoparticles can also be used in T_1- and T₂ -weighted imaging in MRI [202]. Research by Cho et al. demonstrated that gold-coated iron nanoparticles can be successfully used in MRI imaging, as well as opening the route for conjugating various ligands for use in biosensors [202]. A magnetic carrier capable of imaging and photothermal therapy has been reported by Cheng et al. They demonstrated the magnetic targeting of multi-functional nanoparticles to a tumor in a mouse model, which could be imaged inside the tumor and showed a reduction in the tumor size when combined with photothermal therapy [203]. It is also of note that in this work, both the nanoparticle dosage (1.6 mg/kg) and laser power (1 W/cm² ) are among the lowest applied for in vivo photothermal therapy. Moreover, there was no obvious toxicity from the nanoparticles reported. Table 6 presents some of the currently reported uses of core-shell nanoparticles.

Another medical area where such core-shell metal nanoparticles have been suggested to make an impact is in directed enzyme prodrug therapy (DEPT) [170, 191]. DEPT is a promising method of cancer treatment, with several therapies making it through to clinical trials [207, 208]. The main principal of DEPT is the targeted delivery of a prodrug-activating enzyme to a tumor site. Upon arrival at the tumor site, the enzyme enters the target cells where it can later activate an administered prodrug. However, the efficacy of the therapy depends on the ability to direct the enzyme to the tumor site, with current directional techniques relying on passive targeting methods such as viruses [207, 209] or antibodies [210, 211], rather than an active targeting system for enzyme delivery. A novel therapy proposed by Gwenin et al. potentially overcomes the targeting issue [170, 212]. This approach involves conjugating a genetically modified prodrug-activating enzyme onto the surface of a gold-coated iron oxide superparamagnetic nanoparticle (AuMNP), then directing the AuMNP-enzyme conjugate to the target site using a magnetic field to increase the efficacy of the targeted therapy. Figure 7 presents some of the uses of a core-shell nanoparticle.

A pictorial representation of the applications of core/shell nanoparticles

Conclusiones

In brief, single metal nanoparticles have been shown to currently possess a wide range of biomedical applications, with more application for these nanoparticles being discovered. One of the limiting factors that these nanoparticles face in medical treatments is to find a way for precise accurate targeting of areas within the body, be it for targeting of a drug delivery or for therapies involving the nanoparticles directly. A way to overcome this is to employ a magnetic core to create core-shell nanoparticles that can then be directed around a body using a magnetic field. There are a variety of methods that can be used to synthesize these core-shell nanoparticles, with each method having its own advantages and disadvantages. There remain many obstacles for core-shell nanoparticles before they can be routinely applied in the medical field and these include

1)
Achieving a synthesis route which produces easily repeatable results;
2)
Producing particles of a set size [22,23,24] and shape [25,26,27,28]; and
3)
Producing large enough quantities to make it economically viable [29].

Another key factor is the relatively unknown toxicity of some nanoparticles over an extended period of time due to how relatively new the field of research is.

Disponibilidad de datos y materiales

Not applicable

Abreviaturas

(o/w):: Oil-in-water
(w/o):: Water-in-oil
(w/sc-CO₂ ):: Water-in-supercritical CO₂
AgNP:: Silver nanoparticle
Ag-PS-NPs:: Polysaccharide-coated silver nanoparticles
Au-Fe₃ O ₄ :: Gold-coated iron oxide nanoparticle
Au-MES:: Mercaptoethane sulfate-coated gold nanoparticle
AuNP:: Gold nanoparticle
Au-PEG-TNF:: Polyethylene glycol-coated tumor necrosis factor-loaded gold nanoparticles
CT:: Tomografía computarizada
CTAB:: Cetyltrimethylammonium bromide
CuI NPs:: Copper-iodine nanoparticles
ADN:: Ácido desoxirribonucleico
FCV:: Feline calicivirus
FR:: Folate receptor
Gp120:: Glycoprotein 120
H1N1:: Influenza A of swine origin
HBV:: Hepatitis B virus
HIV:: Human immune-deficiency virus-1
HSV-1:: Herpes simplex virus 1
KB-3-1:: Head and neck cancer
MC-38:: Colon carcinoma
MPV:: Monkeypox virus
IRM:: Imágenes por resonancia magnética
PA:: Imágenes fotoacústicas
PEG:: Polietilenglicol
PVP-AgNP:: Polyvinylpyrrolidone-coated silver nanoparticle
RNA:: Ribonucleic acid
ROS:: Especies reactivas de oxígeno
siRNA:: Small interfering ribonucleic acid
Sk-BR-3:: Breast cancer
SPECT:: Single-photon emission computed tomography
TNF:: Tumor necrosis factor

Biosensor electroquímico salival de cortisol basado en nanoflakes de disulfuro de estaño Ingeniería de captura de luz para las mejoras de la fotodetección selectiva de espectro y de banda ancha mediante matrices de microcavidades dieléctricas autoensambladas

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias