Toxicidad de nanopartículas relacionada con especies de oxígeno reactivo en el campo biomédico

Resumen

Las características fisicoquímicas únicas de las nanopartículas han ganado recientemente una atención creciente en un conjunto diverso de aplicaciones, particularmente en el campo biomédico. Sin embargo, persisten las preocupaciones sobre los posibles efectos toxicológicos de las nanopartículas, ya que tienen una mayor tendencia a generar cantidades excesivas de especies reactivas de oxígeno (ROS). Debido al fuerte potencial de oxidación, el exceso de ROS inducido por nanopartículas puede resultar en el daño de biomoléculas y estructuras de orgánulos y conducir a carbonilación oxidativa de proteínas, peroxidación de lípidos, rotura de ADN / ARN y destrucción de la estructura de la membrana, que además causan necrosis, apoptosis, o incluso mutagénesis. Esta revisión tiene como objetivo dar un resumen de los mecanismos responsables de la generación de ROS por nanopartículas a nivel celular y proporcionar información sobre la mecánica de la biotoxicidad mediada por ROS. Resumimos la literatura sobre la toxicidad de las nanopartículas y sugerimos estrategias para optimizar las nanopartículas para aplicaciones biomédicas.

Introducción

Las nanopartículas (NP) son una clase de partículas sintéticas novedosas con dimensiones <100 nm. Dependiendo de su forma y tamaño, las distintas características físicas y químicas confieren a los NP diferentes funciones. Los NP se utilizan ampliamente en muchos productos de consumo, incluidos textiles, cosméticos, purificación de agua y envasado de alimentos [1, 2]. También se utilizan en la ingeniería de fotocatalizadores, energía y optoelectrónica [3, 4, 5, 6].

En particular, los NP se han convertido en un material preferido en materiales biomédicos y se utilizan ampliamente en biosensores, suministro de ARNip, eliminación de genes dirigidos, suministro de fármacos y en materiales médicos de relleno biológico [7,8,9,10,11]. Aún se están descubriendo otros usos de los NP. Por ejemplo, Duan et al. [12] mostró que Fe ₃ O ₄ -polietilenglicol-poliamida-amina-matriz metaloproteinasa2 @ chlorin e6 (Fe ₃ O ₄ -PEG-G5-MMP2 @ Ce6) nanoprobes inhibieron significativamente el crecimiento del tumor gástrico. En otro caso, las nanopartículas de pDNA-polietilenimina CeO (pDNA-PEI-CeO NPs) podrían inducir más apoptosis de células de fibrosarcoma [13]. Además, las nanopartículas huecas de sílice-Fe-polietilenglicol-receptor del factor de crecimiento epidérmico humano 2 (NP de HS-Fe-PEG-HER2) podrían unirse selectivamente a las células tumorales y se utilizaron como agentes de imagen para distinguir el tejido normal de las células cancerosas [14]. Por último, las nanopartículas de plata (Ag NP) sirven como nanoantibióticos que combaten eficazmente las infecciones bacterianas resistentes asociadas a las biopelículas [15].

A pesar del potencial de aplicaciones positivas de las NP en varios campos, un número creciente de estudios ha indicado sus efectos adversos sobre los organismos [16, 17] y las células después de la exposición a las NP [18, 19]. El potencial tóxico de las NP depende de su tamaño y forma, lo que determina su propensión a inducir la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) [20, 21]. La generación excesiva de ROS puede inducir una serie de resultados fisiopatológicos, que incluyen genotoxicidad, apoptosis, necrosis, inflamación, fibrosis, metaplasia, hipertrofia y carcinogénesis [18, 22, 23]. También se ha demostrado que la toxicidad de las NP mejora la expresión de citocinas proinflamatorias y activa células inflamatorias, como los macrófagos, que aumentan aún más la generación de ROS [23, 24]. También se ha demostrado que el aumento de la generación de ROS después de la exposición a NP induce la modulación de las funciones celulares, con resultados fatales en algunos casos [17, 23, 25]. En esta revisión, discutimos los principales mecanismos subyacentes a las explosiones de ROS inducidas por las NP, analizamos las razones principales de la citotoxicidad de las NP y resumimos los efectos patogénicos potenciales de las NP. Nuestra revisión actual proporciona pruebas abrumadoras de que la sobreproducción de ROS es la principal causa de la biotoxicidad de las NP. Por lo tanto, la investigación novedosa debería tener como objetivo reducir la citotoxicidad de las NP mediante el diseño de NP que induzcan una baja producción de ROS.

La aplicación de NP en el campo biomédico

Los NP se han utilizado en una variedad de aplicaciones médicas, y varios NP nuevos exhiben propiedades que son prometedoras para su uso en materiales biomédicos novedosos. Como se resume en la Tabla 1, Nano-C60 puede usarse como un agente contra el cáncer, que inhibe la proliferación de células cancerosas, tanto in vivo como in vitro [26]. Los NP de ZnO se han utilizado como rellenos en implantes ortopédicos y dentales [38]. TiO ₂ se puede utilizar como agentes antibacterianos, en la purificación de aire y agua, y para prótesis dentales [52,53,54]. Davaeifar y col. informó de que una nanovarilla de ficocianina-ZnO podría proteger la célula al disminuir la generación de ROS endógenos [68]. Pacurari y col. señaló que los SWCNT podrían aplicarse como agente de diagnóstico clínico y como material de bioingeniería [88]. Más allá de eso, numerosas NP pueden usarse como agentes antimicrobianos, que matan bacterias al inducir explosiones de ROS (Tabla 1).

Los mecanismos del aumento de ROS inducido por NP en las células

Las ROS son partículas químicamente reactivas que contienen oxígeno, incluido el peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂ ), radicales aniónicos superóxido reactivos (O ^2- ) y radicales hidroxilo (• OH) [92, 93]. Las ROS se generan predominantemente en orgánulos como el retículo endoplásmico (RE), en los peroxisomas y, sobre todo, en las mitocondrias [94]. Durante la fosforilación oxidativa, el oxígeno se utiliza para la síntesis de agua mediante la adición de electrones a través de la cadena de transporte de electrones mitocondrial (ETC). Algunos de estos electrones son aceptados por el oxígeno molecular para formar O ^2- , que puede transformar aún más H ₂ O ₂ y • OH [93].

En un contexto fisiológico, las ROS se producen como una respuesta natural al metabolismo normal del oxígeno [95] y desempeñan un papel vital en varias vías de señalización celular [96, 97]. Dröge y Holmstrom et al. informó que ROS podría activar numerosas cascadas de señalización, incluido el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGF), las cascadas de proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK), la proteína activadora del factor de transcripción 1 (AP-1) y el factor nuclear KB ( NF-κB), y además participó en el proceso de crecimiento, proliferación y diferenciación de mamíferos [98, 99]. Otros estudios demostraron que las ROS también regulaban la reparación de heridas [100], la supervivencia después de la hipoxia [101], la homeostasis del pH intracelular [102] y la inmunidad innata [103].

Sin embargo, después de la exposición a NP, la generación intracelular de ROS puede aumentar drásticamente al inducir ráfagas de ROS en las células [20] (Tabla 1). Las principales explicaciones mecanicistas de los estallidos de ROS son que los iones metálicos liberados por las NP promueven la sobreexpresión de ROS al alterar la respiración mitocondrial [30, 104].

Se ha demostrado que los iones metálicos liberados por las NP se mezclan en el ciclo redox y la quimiocatálisis a través de la reacción de Fenton [H ₂ O ₂ + Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + HO ^- + • OH] o reacción similar a Fenton [Ag ⁺ H ₂ O ₂ + H ⁺ =Ag ⁺ + • OH + H ₂ O] [23, 105, 106]. El ion metálico disociado (es decir, Ag ⁺ ) también causa desactivación de enzimas celulares, alteración de la estructura de la membrana [31, 107], proceso de transferencia de electrones alterado [108], niveles de potencial redox reducidos, potenciales de membrana mitocondrial (MMP) reducidos [109] y mejora aún más la acumulación de ROS intracelulares. También se ha informado que las NP promueven la acumulación de ROS intracelulares al alterar el proceso de transferencia de electrones [32, 110], aumentando el NADP ⁺ Relación / NADPH [30] e interferencia de la función mitocondrial [18]. Los NP interfieren aún más con la expresión de genes relacionados con el estrés oxidativo, como soxS , soxR , oxyR y ahpC [58]; genes antioxidantes, como sod1 y gpx 1 [111, 112]; y el gen met9 relacionado con la producción de NADPH [30]. La inestabilidad en la expresión de genes oxidativos y antioxidantes provocada por las NP acelera la acumulación de ROS intracelulares.

Curiosamente, el aumento de la producción de ROS se ha asociado fuertemente con tamaños y formas particulares de NP [113, 114]. Por ejemplo, TiO ₂ Los NP contribuyeron a la generación de ROS intracelulares, lo que provocó daños en los ácidos nucleicos y las proteínas [10]. Liao y col. encontró que 10 nm TiO ₂ Los NP tenían mayor genotoxicidad que otros tamaños probados y, por lo tanto, podrían inducir una mayor generación de ROS [115]. En otro caso, las NP de Se promovieron la producción de ROS en las células, y el rendimiento de ROS intracelulares se asoció en gran medida con el diámetro de las NP de Se. En este caso, un diámetro de 81 nm indujo más producción de ROS que otros tamaños probados [113]. Cho y col. mostró además que la forma de los NP afectó fuertemente su capacidad para inducir la producción de ROS. Las nanopartículas metálicas que imitan las flores diurnas (D-NP) conducen a una producción significativamente mayor de ROS que las nanopartículas metálicas que imitan las flores nocturnas (N-NP), lo que da como resultado un efecto de muerte celular mejorado [114] (Fig. 1).

La producción de ROS inducida por NP en la solución y las células circundantes [32]. Los electrones generados a partir de las NP podrían entrar en las células y alterar las funciones de la cadena respiratoria, y luego mejorar la producción de ROS intracelulares. Los electrones también podrían reaccionar con O ₂ directamente y aumentó la generación de ROS extracelulares

Las NP pueden inducir ráfagas de ROS intracelulares a una concentración muy baja (que se muestra en la Tabla 1), por ejemplo, Nano-C60 a 1 μg / mL puede aumentar significativamente la apoptosis celular al inducir estrés oxidativo [26, 27]. En particular, la mayoría de los NP tienen un efecto dependiente de la dosis, como se ha informado para VO ₂ NP [60, 61] y NP CuO [74, 75].

Consecuencias catastróficas de los NP en las células por una mayor producción de ROS

Los NP que entran en la célula a menudo tienen efectos adversos sobre ella. La explicación más sustentada de la citotoxicidad de las NP es que el estrés oxidativo es inducido por un estallido de ROS. Los estallidos de ROS causados por NPs han resultado en la modificación oxidativa de biomacromoléculas, en el daño de las estructuras celulares, en el desarrollo de resistencia a los fármacos, en la mutación genética y en la carcinogénesis [116, 117]. Además, los estallidos de ROS han alterado las funciones fisiológicas normales de las células, como es el caso de la inflamación desencadenante, que finalmente bloquea las funciones celulares y daña el organismo [23, 118, 119]. Generalmente, las NP se adsorben primero en la superficie celular y luego pasan a través de la membrana hacia la célula, donde inducen la generación de ROS [36]. Debido a su fuerte potencial oxidativo, ROS es muy estresante para las células [46] y ataca a casi todos los tipos de biomoléculas en la célula, incluidos carbohidratos, ácidos nucleicos, ácidos grasos insaturados, proteínas y aminoácidos, y vitaminas [36, 120, 121 ] (Figura 2).

El papel crucial de ROS en la citotoxicidad inducida por NP [33]. Los posibles eventos celulares que tienen lugar después de que las NP interactúan con los sistemas intracelulares

Resultados de ROS en peroxidato lipídico y daño en la estructura de la membrana

Los lípidos, especialmente los ácidos grasos insaturados, son importantes macromoléculas intracelulares, que desempeñan funciones clave en la estructura y el funcionamiento de la membrana celular. Las NP son fuertemente atraídas por la membrana celular, donde pueden generar ROS y conducir a la peroxidación lipídica de la membrana externa. El contenido alterado de ácidos grasos de la membrana celular puede resultar en un aumento de la permeabilidad celular, lo que da como resultado el transporte incontrolado de NP desde el entorno extracelular al citoplasma, donde el daño celular puede progresar aún más [76, 122].

Los NP intracelulares inducen la siguiente ronda de estallidos de ROS. Las ROS sobrecargadas conducen a la ruptura de las membranas de los orgánulos, la fuga del contenido de los orgánulos [52, 123], la inactivación de los receptores celulares [124], la liberación de lactato deshidrogenasa (LDH) y más daño celular irreversible [125]. ].

ROS ataca proteínas y da como resultado la inactivación funcional

ROS ataca los residuos hidrofóbicos de los aminoácidos, contribuyendo a la rotura de los enlaces peptídicos e interfiriendo con la función de estas proteínas [126,127,128]. La carbonilación es otra característica de las proteínas sometidas a daño oxidativo [129]. Las proteínas carboniladas forman agregados que son químicamente irreversibles y no pueden degradarse a través de los proteasomas, lo que conduce a la pérdida permanente de la función de estas proteínas [130, 131]. Gurunathan y col. [132] mostró que los PtNP podrían mejorar la generación de ROS y aumentar los niveles de proteínas carboniladas, lo que inhibe la proliferación del osteosarcoma y contribuye a la apoptosis. En un caso, las nanopartículas derivadas de la combustión y la fricción (CFDNP) se habían acumulado en el cerebro de adultos jóvenes con enfermedad de Alzheimer, lo que probablemente promovió la generación de ROS, lo que resultó en un plegamiento incorrecto, agregación y fibrilación de proteínas [133]. Además, Pelgrift et al. demostró que las NP de Mg pueden inhibir la transcripción de genes o dañar las proteínas directamente [10].

Mutación genética inducida por ROS

Los ácidos nucleicos, incluidos el ADN y el ARN, son esenciales para la función, el crecimiento y el desarrollo de las células, y los nucleótidos que los componen son dianas vulnerables de las ROS [134,135,136]. Debido a su bajo potencial redox, ROS puede reaccionar directamente con nucleobases y modificarlas [137]. Por ejemplo, ROS podría oxidar la guanina a 8-oxo-7,8 dihidroguanina (8-oxoG) [138] y la adenina a 1,2-dihidro-2-oxoadenina (2-oxoA) [139]. Estas modificaciones de la base provocan daños en el ADN [140]. Debido a su potencial genotóxico y su capacidad para inducir la formación de ROS [141], los NP inducen significativamente roturas del ADN de cadena simple y doble [142, 143], daño cromosómico y eventos génicos aneuploides [144].

El aumento de la producción de ROS es la principal causa de codificación errónea de genes, aneuploidía, poliploidía y activación de mutagénesis en células expuestas a NP [145,146,147,148]. Entre los grupos de nucleótidos, la guanina es la más vulnerable y se oxida fácilmente a 8-oxoG por ROS [149]. El aumento del nivel de 8-oxo-dG en el ADN da como resultado un desajuste de las bases del ADN [150]. De manera similar, la incorporación de A:8-oxoG provoca un aumento de la tasa de mutaciones de transversión deletéreas G:C> T:A [151, 152]. La relación entre la transversión G:C> T:A y la mutación de transición G:C> A:T también se ha utilizado como índice para cuantificar el daño oxidativo del ADN [153].

La generación de ROS inducida por NP dio como resultado la acumulación de daño en el ADN, lo que impulsa el desarrollo de mutagenicidad [154], oncogénesis [155], resistencia a múltiples fármacos [156, 157], envejecimiento y escape inmunológico [158]. Jin y col. demostraron que la sobreproducción de ROS aumentaba drásticamente la mutagénesis de genes reguladores de la transcripción que se unen al ADN, lo que resultó en un flujo de antibiótico acelerado [159], que a su vez promueve la resistencia a múltiples antibióticos de las bacterias [34]. Giannoni y col. informaron que las mutaciones del ADN mitocondrial ocurrieron con el aumento de ROS intracelulares y dañaron aún más la actividad del complejo I de ETC y dieron como resultado una disfunción mitocondrial [160, 161].

Se ha demostrado que el daño del ADN inducido por las NP inhibe la síntesis y la replicación de aminoácidos [162] y causa la acumulación aberrante de las proteínas p53 [163] y Rab51 [82, 142]. El daño del ADN también puede retrasar o detener completamente la célula [164]. Las células con ADN dañado pierden la capacidad de crecimiento y proliferación [165] y, finalmente, pueden provocar la muerte celular [166] (Fig. 3).

Eventos celulares inducidos por NP. ① Los NP contribuyen a la destrucción de la membrana celular y a la peroxidación lipídica. ② La membrana lisosomal es destruida por NP y da como resultado la liberación de su contenido. ③ Las NP dañan la membrana mitocondrial, lo que provoca la liberación de contenido. Los NP reducen la generación de ATP y aumentan la producción de ROS. ④ Las ROS inducidas por NP dan como resultado una mala traducción del ARN. ⑤ Los NP previenen la unión del tRNA al ribosoma. ⑥ Las ROS inducidas por las NP dan como resultado la polimerización de proteínas y ADN. ⑦ Las ROS inducidas por NP conducen a mutaciones en el ADN ⑧ Las NP destruyen la membrana nuclear, lo que resulta en la liberación de su contenido

El aumento de la producción de ROS induce daño celular y la aparición de enfermedades

La citotoxicidad de las NP se asocia con el estrés oxidativo, la producción de ROS endógenos y el agotamiento de las reservas de antioxidantes intracelulares. El aumento del estrés oxidativo conduce al daño oxidativo de las biomacromoléculas, lo que afecta aún más el funcionamiento normal de la célula y contribuye a la aparición y desarrollo de diversas enfermedades [167].

Las NP inducen daño de la membrana y mejoran el transporte de NP al citoplasma. Las NP se concentran en los lisosomas, las mitocondrias y el núcleo, lo que tiene consecuencias catastróficas para la célula [168, 169]. Se ha informado que las NP pueden reducir la generación de trifosfato de adenosina (ATP) [89], agotar el glutatión, inducir una mala traducción de proteínas [170], romper lisosomas [171] e inhibir la subunidad ribosómica de la unión del ARN de transferencia (ARNt). Estos eventos celulares indican un colapso del proceso biológico fundamental en la célula y conducen a una disminución significativa de la viabilidad celular [47]. Singh y Scherz-Shouval et al. informó que las NP podrían alterar las funciones citoesqueléticas al inducir la generación de ROS y activar el proceso de autofagia y apoptosis en las células [89].

Los NP ingresan al cuerpo a través de diferentes rutas, por ejemplo a través de la piel, los pulmones o el tracto intestinal (Fig. 4a) y pueden tener una amplia variedad de efectos toxicológicos e inducir respuestas biológicas como la inflamación y las respuestas inmunes [172,173,174]. En un caso, la exposición de las células a las NP de sílice provocó que los macrófagos secretaran grandes cantidades de interleucina-1β (IL-1β), lo que finalmente provocó la muerte celular [175]. Gao et al. Informaron que la inflamación pulmonar era considerablemente mayor en ratones después de la exposición a nanotubos de carbono, que podrían activar macrófagos alveolares e inducir una fuerte respuesta inflamatoria [176]. En otro estudio, los conejillos de indias expuestos a ZnO NPs sufrieron daño pulmonar, lo que conduce a una disminución de la capacidad pulmonar total y la capacidad vital [177,178,179].

NP entrada y daño de órganos. un Los NP podrían ingresar a los organismos a través de la cavidad oral, la cavidad nasal, el tracto respiratorio, los riñones y el tracto intestinal; b Los NP podrían propagarse por circulación sistémica y acumularse en los riñones, el hígado, el corazón, el cerebro, el tracto intestinal y los pulmones, provocando disfunción orgánica (esta figura fue creada en BioRender.com).

Las NP de ZnO también indujeron lesiones graves en la barrera epitelial alveolar y provocaron inflamación en los pulmones humanos [180]. En otro caso, los NP absorbidos en los intestinos provocaron la inflamación y degradación de la mucosa intestinal [181]. Shubayev y col. señaló que las NP de Mg mejoraban la migración de macrófagos al sistema nervioso al degradar las barreras hematoencefálica y hematoencefálica de una manera dependiente de MMP [182]. Además, los ratones que inhalaron nanotubos de carbono mostraron inmunosupresión y respuesta de anticuerpos reprimida en células de bazo vírgenes [183]. Finalmente, los NP de Cd causaron una disminución severa en la viabilidad de los monocitos sanguíneos, lo que finalmente resultó en inmunodeficiencia [184].

Además de las patologías anteriores, el nivel altamente variable de ROS se ha identificado como la principal causa del desarrollo de numerosas enfermedades humanas. Tretyakova y Liou et al. demostraron que el ADN oxidado tiende a formar conjugados ADN-proteína, que se acumulan en el corazón y el cerebro y contribuyen a la aparición de cáncer, enfermedades relacionadas con el envejecimiento e inflamación crónica [185, 186]. Andersen [187] concluyó que la diabetes, así como las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas, estaban muy relacionadas con el desequilibrio de ROS. Además, Pérez-Rosés et al. mostró que el aumento de ROS promovió el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer y Parkinson [188].

Además, se ha informado de que las NP promueven la apoptosis de las células de cáncer de mama [35] y destruyen los tejidos malignos y los patógenos al promover la generación de ROS [189, 190]. Sin embargo, también se ha encontrado que ROS induce la proliferación de células tanto normales como cancerosas, estimulando mutaciones e iniciando la carcinogénesis en las células normales y la resistencia a múltiples fármacos en las células cancerosas [191, 192]. Handy y col. encontraron que los peces expuestos a nanotubos de carbono presentaban granulomas en los pulmones y tumores en el hígado con tiempos de exposición prolongados [193]. Algunas NP han causado insuficiencia orgánica múltiple, que afecta principalmente al corazón, los pulmones, los riñones y el hígado. TiO ₂ Se ha demostrado que las NP promueven la reducción del peso corporal, las lesiones del bazo, la coagulación de la sangre en el sistema respiratorio, la necrosis y fibrosis de las células hepáticas y la incrasación del tabique alveolar [194, 195]. En un estudio, los NP también impidieron la diferenciación de células madre, lo que agravó el daño orgánico [196]. Investigaciones posteriores también han informado que los NP disminuyeron la calidad del esperma [197] y que la exposición de los espermatozoides a NP de carbono influyó en su capacidad para fertilizar los óvulos y perjudicó el desarrollo de los embriones en los erizos de mar púrpuras [198]. Cada vez hay más evidencia que muestra los efectos toxicológicos de los NP en microorganismos, algas, nematodos, plantas, animales y humanos específicamente [22, 199, 200] (Fig. 4b).

El nuevo tipo de NP con menos o ninguna citotoxicidad

Las NP poseen una variedad de propiedades biomédicas que las hacen valiosas (por ejemplo, como agentes antibacterianos y anticancerosos [26, 27, 28]). Su principal modo de acción es su capacidad para aumentar la producción de ROS en las células; sin embargo, esta propiedad también hace que estas partículas sean tóxicas, al causar mutación genética, apoptosis e incluso carcinogénesis [45, 49, 58]. En consecuencia, existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos NP que conserven sus propiedades requeridas sin conducir a una producción excesiva de ROS. Estudios recientes han informado sobre nuevos tipos de NP que podrían eliminar ROS intracelulares. Estos tipos se dividen en dos clases:(1) NP que pueden eliminar ROS [77] y (2) NP que están recubiertas con materiales adicionales para disminuir su citotoxicidad [87].

Panikkanvalappil et al. Demostraron que las NP de Pt inhiben la rotura de doble hebra del ADN al degradar las ROS [201]. En otro caso, Mn ₃ O ₄ Las NP modulan la redox celular, lo que da como resultado la protección de biomacromoléculas contra el estrés oxidativo [77]. Además, el CeO ₂ NP es un agente novedoso que protege las células y los tejidos contra el daño oxidativo con su capacidad de captación de radicales libres [79, 202].

H ₂ O ₂ es el principal subproducto de las interacciones entre células NP. H ₂ O ₂ destruye biomoléculas importantes, incluidas proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Sin embargo, cuando las células se trataron con MNP especializados recubiertos con ácido mercaptopropiónico (MPA-NP) o sílice aminada (SiO ₂ -MNPs), no se observó tal daño [203, 204]. De manera similar, el GO recubierto con polivinilpirrolidona (PVP) tiene menos efectos tóxicos sobre las células dendríticas (DC), los linfocitos T y los macrófagos que sin este recubrimiento. Se ha demostrado que PVP-GO reduce la apoptosis de los linfocitos T e incluso aumenta la actividad de los macrófagos [205]. Las AuNR recubiertas de Pt (PtAuNR) conservan la eficacia de las nanovarillas de oro tradicionales (AuNR) y pueden desencadenar la muerte celular de las células deseadas mientras eliminan las ROS, protegiendo así las células sanas no tratadas de la muerte indirecta inducida por la producción de ROS [87].

Conclusiones y Outlook

Los NP que poseen propiedades fisicoquímicas únicas (por ejemplo, tamaño ultrapequeño, gran área de superficie a relación de masa y alta reactividad) los hacen muy deseables en diferentes aplicaciones. Los NP modificados con fines comerciales han aumentado rápidamente. Por esa razón, la bioseguridad de las NP ha ganado más atención en el público. En esta revisión, resumimos los mecanismos y responsables de la formación de ROS por NP a nivel celular, así como los avances recientes de la toxicidad de NP relacionada con ROS en el campo biomédico y destacamos el campo emergente de NP amigables con las células. Generación de ROS inducida por NP asociadas a su tamaño, morfología, área de superficie y componente. Además, ROS es biofuncional en biología celular y biomedicina, así como el mediador clave de la señalización celular, incluida la apoptosis, la viabilidad y la diferenciación celular.

Sin embargo, para mejorar la bioseguridad de las NP y acelerar su uso en el campo biomédico, es necesario superar algunos obstáculos y aún se requiere mucho trabajo. Primero, se espera que los métodos de alto rendimiento (HTM) estén diseñados para detectar de manera eficiente la biotoxicidad de las NP in vitro e in vivo. Las HTM podrían ahorrar tiempo y recursos, combinar múltiples parámetros en un solo sistema y minimizar los errores metodológicos o sistemáticos. También ofrecería una comprensión profunda de la relación entre las propiedades NP y las respuestas celulares, lo que podría ayudarnos a identificar la condición óptima.

En segundo lugar, los mecanismos moleculares y celulares relacionados con la biotoxicidad de las ROS inducidas por NP aún no están claros. Existe una demanda para explorar más los mecanismos asociados con la formación de ROS por las NP, lo que proporcionaría más información para modificar las características químico-físicas de las NP para controlar la generación de ROS. Esto podría ayudar a los investigadores a desarrollar estrategias novedosas para reducir los peligros de los NP diseñados para acelerar su traducción clínica y comercial en el campo biomédico.

Finalmente, debido a sus características estructurales, los NP pueden ingresar al cuerpo libremente a través de múltiples rutas, y la acumulación de NP en el cuerpo puede inducir inflamación y respuestas inmunes, que resultan en daño celular o muerte, disfunción orgánica y, en última instancia, estimulan la aparición de numerosas enfermedades, como Alzheimer, Parkinson, inflamación del hígado y disembrioplasia. Estos problemas se han vuelto más urgentes con el uso generalizado de NP.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

Abreviaturas

• OH:: Radical hidroxilo
2-oxoA:: 1,2-dihidro-2-oxoadenina
8-oxoG:: 8-oxo-7,8 dihidroguanina
Ag NP:: Nanopartículas de plata
AP-1:: Proteína 1 activadora del factor de transcripción
ATP:: Trifosfato de adenosina
AuNR:: Nanovarillas de oro
CFDNP:: Nanopartículas derivadas de la combustión y la fricción
DC:: Células dendríticas
D-NP:: Nanopartículas metálicas que imitan la flor del día
EGF:: Factor de crecimiento epidérmico
ER:: Retículo endoplásmico
ETC:: Cadena de transporte de electrones mitocondrial
Fe ₃ O ₄ -PEG-G5-MMP2 @ Ce6:: Fe ₃ O ₄ -polietilenglicol-poliamida-amina-matriz metaloproteinasa2 @ chlorin e6
H ₂ O ₂ :: Peróxido de hidrógeno
NP HS-Fe-PEG-HER2:: Nanopartículas huecas del receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano de sílice-Fe-polietilenglicol-receptor
LDH:: Lactato deshidrogenasa
MMP:: Potenciales de membrana mitocondrial
MPA-NP:: MNP recubiertos con ácido mercaptopropiónico
NADP ⁺ / NADPH:: Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato oxidado / reducido
NF-κB:: Factor nuclear-κB
N-NP:: Nanopartículas metálicas que imitan las flores nocturnas
NP:: Nanopartículas
O ^2- :: Radical aniónico superóxido reactivo
PNs pDNA-PEI-CeO:: Nanopartículas de ceO de pADN-polietilenimina
PtAuNRs:: AuNR recubiertos de Pt
PVP:: Polivinilpirrolidona
ROS:: Especies reactivas de oxígeno
SiO ₂ -MNP:: MNP con sílice aminada
ARNt:: Transferir ARN

El efecto fototérmico sinérgico BRAF de silenciamiento genético dirigido inhibe el crecimiento celular del hepatoma mediante el uso del nuevo nanosistema GAL-GNR-siBRAF HEMT AlGaN de doble canal de alto rendimiento con densidad de corriente de drenaje mejorada y alto voltaje de ruptura

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias