Nanopartículas: Transformando el Diagnóstico y Tratamiento del Cáncer con Precisión

Resumen

Las terapias tradicionales contra el cáncer han sido criticadas debido a diversos efectos adversos e insuficiente daño a tumores objetivo. El avance de las nanopartículas proporciona un enfoque novedoso para mejorar los tratamientos y diagnósticos tradicionales. En realidad, las nanopartículas no solo pueden resolver los defectos del diagnóstico y tratamiento tradicional del cáncer, sino también crear perspectivas totalmente nuevas y dispositivos de vanguardia para el diagnóstico y tratamiento de tumores. Sin embargo, la mayoría de la investigación sobre nanopartículas permanece en etapas in vivo e in vitro, y solo se han reportado pocas investigaciones clínicas sobre nanopartículas. En esta revisión, primero resumimos las aplicaciones actuales de nanopartículas en diagnóstico y tratamiento del cáncer. Después, proponemos los desafíos que obstaculizan las aplicaciones clínicas de NPs y proporcionamos soluciones factibles en combinación con la literatura actualizada de los últimos dos años. Al final, proporcionaremos nuestras opiniones sobre los desarrollos futuros de NPs en diagnóstico y tratamiento de tumores.

Introducción

La incidencia y mortalidad de tumores permanecen altas en todo el mundo. Cada año, hay casi 14 millones de nuevos pacientes con cáncer y 8 millones de personas mueren de enfermedades relacionadas con el cáncer. En años recientes, los tratamientos tradicionales de tumores, como quimioterapia, terapia dirigida, radioterapia, cirugía, etc., son constantemente criticados por estar estancados en progreso y por muchas reacciones adversas y resultados de tratamiento insatisfactorios. Debido a los defectos de las terapias tradicionales de tumores, cada vez más investigaciones han comenzado a buscar nuevos métodos médicos tumorales con capacidad de direccionamiento, capacidad efectiva de eliminación de células madre tumorales y reacciones adversas menores. Los nuevos métodos de tratamiento tumoral incluyen, pero no se limitan a, inmunoterapia, terapia dirigida, ablación física, terapia génica, terapia fotodinámica (PDT) y terapia fototérmica (PTT) que han mostrado eficacia superior comparada con la terapia tumoral tradicional. Los métodos de tratamiento aquí mencionados tienen una característica común que requiere cooperación de un vector. Aunque los virus pueden usarse como vectores, se ha confirmado que los vectores virales causan mutagénesis por inserción e inmunogenicidad. Por tanto, encontrar un vector más seguro y efectivo se ha convertido en una prioridad máxima.

Debido al pequeño tamaño, bioseguridad, carga de fármacos y propiedades físicas de las nanopartículas que pueden asistir la terapia física, las nanopartículas se han utilizado cada vez más como vectores en nuevos métodos de tratamiento tumoral. Estas terapias mediadas por nanopartículas tienen virtudes de multifuncionalidad, menos reacciones adversas y mejor efecto curativo. Además, muchas tecnologías de imagen médica mediadas por nanopartículas también tienen mejor claridad y precisión, lo que ayuda al diagnóstico tumoral preciso. Con el desarrollo de la nanotecnología y tecnología médica, metales y materiales biológicos como oro, plata, hierro, liposomas, etc. han sido ampliamente aplicados en la producción de nanopartículas médicas (NPs). Actualmente, muchos investigadores utilizan esos materiales basándose en sus propiedades físicas, químicas y/o biológicas para incrustar fármacos, agentes de imagen e incluso genes en nanopartículas, expandiendo el campo existente de diagnóstico y tratamiento tumoral como administración dirigida de fármacos, imagen mejorada, criocirugía, PTT y PDT.

Además, existe el fenómeno de que la mayoría de las nanopartículas solo permanecen en etapas in vivo e in vitro. Sin embargo, hay falta de literatura que resuma las razones que impiden la aplicación clínica de NPs. Por tanto, este artículo tiene como objetivo no solo resumir el estado de aplicación de nanopartículas en el campo de diagnóstico y tratamiento tumoral, sino también encontrar los factores que inhiben la entrada de nanopartículas en aplicaciones clínicas y proponer soluciones factibles.

Preparación y Caracterización de Nanopartículas Funcionales Médicas

Las nanopartículas comúnmente usadas en medicina pueden dividirse en tres tipos: nanopartículas metálicas, no metálicas y compuestas según sus materiales constituyentes y funciones, y sus propiedades físico-químicas se ven afectadas por parámetros como tamaño y forma. Por tanto, en vista de los requisitos funcionales de nanopartículas en diferentes direcciones de aplicación, es muy importante elegir un proceso de preparación adecuado. Todos los métodos de preparación de nanopartículas pueden clasificarse en dos métodos: enfoques bottom-up y top-down. El enfoque bottom-up es esencialmente a través de unidades básicas (átomos, moléculas e incluso partículas más pequeñas pueden usarse como base para ensamblar las nanoestructuras requeridas) apiladas unas sobre otras para formar nanopartículas, mientras que el enfoque top-down es esencialmente un material sólido completo comienza a descomponerse en nanopartículas. La Tabla 1 enumera algunos ejemplos de preparación de nanopartículas médicas.

Entre los tres tipos de nanopartículas comúnmente usadas en medicina, las nanopartículas metálicas son las más ampliamente utilizadas. Los materiales de nanopartículas metálicas incluyen metales y óxidos metálicos. El proceso de preparación más comúnmente usado para nanopartículas metálicas es el proceso sol-gel propuesto por el científico japonés Sugimoto et al. en los años 1990, que se usa a menudo para preparar partículas de óxido metálico monodispersas en fase líquida. El método sol-gel es un proceso de preparación bottom-up. El principio principal de este método para preparar nanopartículas metálicas es formar un sol uniformemente disperso de iones metálicos a través de medios químicos y físicos, y luego formar un gel a través de reacción redox. Las nanopartículas metálicas generadas en el gel pueden nuclearse, crecer y depositarse controlablemente. Mientras se controle la monodispersidad del coloide metálico usado en el experimento, la relación de concentración de iones metálicos y el agente oxidante/reductor, el tamaño de las nanopartículas metálicas sintetizadas puede controlarse. La Figura 1 es el diagrama esquemático del método sol-gel.

Métodos bottom-up comúnmente usados para preparar nanopartículas metálicas incluyen coprecipitación, enfoque hidrotérmico y método fotoquímico. El método de codeposición es un proceso de nucleación, crecimiento y agregación en un ambiente líquido al mismo tiempo. Cuando la solución está sobresaturada, se obtienen un gran número de productos insolubles de tamaño pequeño. El método hidrotérmico es un proceso realizado en un ambiente líquido para controlar la morfología de las nanopartículas resultantes controlando la presión de vapor aplicada al material en la solución. Además, hay algunos métodos top-down para preparar nanopartículas metálicas, como explosión de hilo eléctrico y molienda con bolas. El principio de explosión de hilo eléctrico es que en el proceso de explosión eléctrica, los átomos metálicos se evaporan y enfrían rápidamente en el electrolito para formar nanopartículas de óxido. Controlando la composición del electrolito e intensidad de corriente, se pueden controlar nanopartículas más finas y uniformes. La molienda con bolas es un método de producción rápida y a gran escala de nanopartículas con tamaño controlable usando herramientas de mecanizado como engranajes planetarios de molienda seleccionando tiempo de molienda apropiado y parámetros de proceso de equipo relacionados. Además de nanopartículas metálicas, este método de preparación también puede aplicarse a otros tipos de nanopartículas.

El segundo tipo común son nanopartículas no metálicas. Las nanopartículas no metálicas comúnmente usadas en medicina incluyen nanopartículas poliméricas, NPs derivadas de biomoléculas, NPs basadas en carbono y nanopartículas de sílice. Entre ellas, las nanopartículas de sílice son las más representativas. La superficie de sílice tiene abundantes grupos hidroxilo, lo que facilita la unión de sondas o grupos fluorescentes en la superficie y por tanto tiene funcionalidad más flexible. Los métodos de síntesis comúnmente usados de nanopartículas de sílice son el método sol-gel y el método Stöber. El método Stöber clásico es la preparación simple y eficiente de nanopartículas de sílice a través de la hidrólisis y condensación de silicato bajo condiciones alcalinas.

Con el desarrollo de la nanotecnología, se han desarrollado nanopartículas compuestas debido a su superior compatibilidad funcional. Las nanopartículas metálicas tienen muchas características que las nanopartículas no metálicas no tienen, como efecto de resonancia plasmónica (SPR), controlabilidad en campo magnético, etc., pero las partículas metálicas son difíciles de degradar efectivamente en el cuerpo, y el uso excesivo tiene cierta toxicidad para las células. Por tanto, combinar nanopartículas de diferentes materiales en nanopartículas compuestas a través de diferentes métodos de preparación puede lograr expansión funcional. Wei et al. prepararon nanobarras de oro (Au NRs), y luego realizaron polimerización radicalaria de transferencia de átomo iniciada en superficie (SI-ATRP) de N-isopropilacrilamida (NIPAAM) en Au NRs para sintetizar nano-híbridos de respuesta infrarroja cercana. Esta nanopartícula compuesta que combina materiales metálicos y poliméricos tiene tanto capacidades fototérmicas como de liberación de fármacos correspondiente a luz infrarroja cercana. La cubierta de gel hidrófilo hace que esta nanopartícula tenga mejor biocompatibilidad que NPs de Au individuales. Prakash sintetizó NPs compuestas con Au como núcleo y SiO₂ como cubierta a través del método Stöber mejorado. La cubierta inerte de nanopartículas núcleo-cáscara es beneficiosa para reducir la toxicidad de partículas metálicas y mejorar la estabilidad del material y capacidad de carga de fármacos de NPs metálicas individuales originales.

Además de los métodos tradicionales de preparación de nanopartículas mencionados anteriormente, con el desarrollo de la ciencia de nanotecnología, se han planteado nuevos requisitos para protección ecológica y ambiental, por lo que han surgido nuevos métodos de síntesis de nanopartículas ambientalmente amigables. Por primera vez, Hajar et al. usaron Stevia rebaudiana como agente reductor biológico para sintetizar exitosamente NPs de ZnS con tamaño de partícula de 1 a 40 nm. Las NPs de ZnS sintetizadas de esta manera tienen buena biocompatibilidad. Según los principios de química verde, Miri et al. usaron extracto de P. farcta (una planta perteneciente a Leguminosae) para sintetizar rápidamente NPs de CeO₂ con tamaño de partícula de aproximadamente 30 nm. Este tipo de nanopartículas tiene buena biocompatibilidad.

Nanopartículas para Imagen Médica

La imagen médica juega un papel importante en el diagnóstico y tratamiento de tumores. Muchas nanopartículas, como NPs de óxido de hierro, tienen propiedades ópticas, magnéticas, acústicas y estructurales que pueden mejorar la imagen. Algunos estudios han mostrado que introducir NPs en tejidos objetivo puede mejorar el contraste de imagen y proporcionar mejor guía de imagen para cirugía y diagnóstico tumoral. Por ejemplo, en criocirugía, NPs pueden mejorar la calidad de imagen del tumor y bordes de bola de hielo, lo que ayuda a cubrir las bolas de hielo con precisión y mejorar el efecto terapéutico. Además, la mayoría de las nanopartículas usadas en imagen están hechas de metal. Según la diferencia de diferentes principios de imagen, las nanopartículas también se harán de diferentes materiales metálicos. La Tabla 2 enumera algunos ejemplos recientes sobre NPs hechas por diferentes materiales para imagen médica.

La tomografía de coherencia óptica (OCT) es una tecnología de imagen biomédica no invasiva, de resolución a nivel de micrón. OCT es útil en diagnóstico en tiempo real y guía quirúrgica. Sin embargo, OCT no puede detectar luz dispersada inelástica porque esta luz no es coherente en el campo incidente. Recientemente, muchas investigaciones han probado que el estado de movimiento de NPs puede cambiar la amplitud de OCT, lo que puede resolver este problema. Interferir con el movimiento de NPs a través del campo magnético puede causar cambios locales en la dispersión de luz. Algunos estudios han señalado que colocar NPs magnéticas en un campo magnético para controlar su movimiento puede cambiar la dispersión óptica en el área, por lo que la luz dispersada inelástica originalmente incoherente puede detectarse. Este nuevo método de imagen es tomografía de coherencia óptica magnetomotriz (MMOCT).

La resonancia magnética (RM) es una de las tecnologías de detección tumoral no invasiva más efectivas. Sin embargo, la falta de comparación de señal RM entre fondo biológico y tejido canceroso a menudo afecta el diagnóstico clínico tumoral. La RM es un método de imagen por escaneo que mide la magnetización de moléculas de hidrógeno en moléculas de agua. Cada estructura anatómica presenta una imagen diferente ya que los protones de cada tejido causan diferentes cambios en la magnetización. La visibilidad de imágenes puede mejorarse aplicando más agentes de contraste. El efecto EPR relacionado con tumor ampliamente utilizado en la detección temprana de tumores produce gran capacidad de mejora de contraste a NPs magnéticas. Las NPs magnéticas de óxido de hierro (IONPs) que son actualmente los agentes de contraste nanoprobe de RM más comunes tienen cierta direccionalidad celular. Por ejemplo, estudios han encontrado que IONPs podrían entrar en células de Kupffer hepáticas sanas durante el diagnóstico de cáncer hepático usando RM pero serán excluidas de células cancerosas, resultando en tejido sano de baja señal y tejido tumoral de alta señal. Basado en estudios recientes, la modificación adecuada de superficie de partícula y la incrustación apropiada de bio-oligómeros tumor-específicos de NPs pueden fijar mejor NPs en tumores para lograr resultados de imagen más claros e incluso usarse para imagen de microtumores tempranos. Por ejemplo, estudios han encontrado que AuNPs dirigidos a transferrina humana pueden mejorar significativamente el efecto de imagen de tumores cerebrales. Gao et al. equiparon con anticuerpo monoclonal anti-receptor de factor de crecimiento epidérmico (mAb) sobre la base de sondas NPs paramagnéticas para lograr imagen de tumores pequeños.

Nanopartículas para Administración Dirigida de Fármacos

Aunque los fármacos quimioterápicos ahora son el tratamiento más común para tumores, todavía tienen el problema de pobre enriquecimiento en áreas de tumor maligno y sobreacumulación en tejido sano. Esto puede causar la inhibición de células que se dividen vigorosamente, como médula ósea, folículos pilosos, células gastrointestinales y linfocitos, llevando a reacciones adversas como supresión de médula ósea, mucositis, caída del cabello e incluso muerte. La administración dirigida de fármacos que se refiere a diferenciación activa entre células normales y cancerosas para administración de fármacos tiene mejor eficacia y menos reacciones adversas que el tratamiento convencional. Muchos estudios han confirmado que NPs pueden dirigir fármacos quimioterápicos a células tumorales a través de direccionamiento activo o pasivo. Además, muchos experimentos han encontrado que NPs también juegan un papel importante en la administración dirigida de fármacos inmunes.

Como se muestra en Fig. 3, el direccionamiento pasivo a menudo se basa en algunas características patofisiológicas de tejido tumoral, incluyendo vasos sanguíneos anormales, temperatura, pH y carga de superficie de células tumorales. Por ejemplo, debido al efecto de permeabilidad y retención mejorada (EPR) de vasos sanguíneos en tejido tumoral, NPs con diámetro de aproximadamente 400 nm pueden transferirse pasivamente al tejido tumoral. Sin embargo, hay muchas limitaciones en el enfoque de direccionamiento pasivo en términos de propiedades físico-químicas de NPs como diámetro, carga de superficie, peso molecular, hidrofobicidad o hidrofilicidad. Además, la técnica de direccionamiento pasivo tiene bajo rendimiento en eficiencia de difusión de fármacos y muestra efecto EPR insuficiente en células tumorales. Debido a las deficiencias del direccionamiento pasivo, en años recientes, la mayoría de investigaciones sobre NPs de administración de fármacos se han desplazado hacia direccionamiento activo (direccionamiento por ligando). La Tabla 3 destaca algunos ejemplos recientes sobre NPs usadas en administración de fármacos.

Los NPs de direccionamiento activo (direccionamiento por ligando) a menudo llevan algunos ligandos de biomarcadores tumor-específicos. Como se muestra en Fig. 4 cuando el ligando contacta al receptor en la superficie tumoral, NPs pueden ser internalizadas por células tumorales a través de endocitosis mediada por receptor, y los fármacos pueden liberarse debido al pH ácido y enzimas específicas en el ambiente intracelular. En cuanto a ligandos de direccionamiento, ácido fólico, transferrina, receptor de factor de crecimiento epidérmico (EGFR) y glicoproteína se utilizan generalmente en investigaciones actuales. Por ejemplo, Sandoval et al. observaron enriquecimiento significativo de fármaco y eficacia evidente en el tratamiento de ratones con cáncer de mama a través de NPs estearílicos dirigidos a EGFR equipados con gemcitabina. Pandey et al. encontraron que NPs de oro dirigidos por ácido fólico llevando clorhidrato de berberina (BHC) pueden entregar fármacos efectivamente a células de cáncer cervical humano expresando receptor de folato.

En años recientes, comparado con fármacos quimioterápicos, la terapia de silenciamiento génico mediada por ARN interferente corto (siRNA) ha sido considerada como una nueva perspectiva para tratamiento tumoral. Aunque los virus pueden usarse como vehículos de administración para siRNA, los vectores virales han sido confirmados para causar mutagénesis por inserción e inmunogenicidad. Por el contrario, se reporta que NPs de selenio tienen gran potencial como vectores de siRNA, porque el oligoelemento selenio en sí puede reducir la ocurrencia de tumores, reducir toxicidad de fármacos y regular función inmune. Además, la superficie de NPs de selenio puede cargar varias moieties tumor-direccionadas (como folato, ácido hialurónico y péptido RGD) para mejorar la capacidad de direccionamiento tumoral. Xia et al. reportaron que NPs de selenio (RGDfC-Se@siRNA) dirigidos por péptido RGDfC tienen excelente capacidad para dirigir cáncer cervical HeLa. Mientras tanto, porque RGDfC puede combinarse específicamente con integrina α_vβ₃ que es altamente expresada por una variedad de células tumorales, NPs RGDfC-Se@siRNA pueden reutilizarse para administración dirigida de fármacos para una variedad de tumores. En términos de estructura, RGDfC-SeNPs con carga positiva pueden empaquetar firmemente siRNA cargado negativamente a través de su interacción electrostática. A través de experimentos con animales, NPs RGDfC-Se@siRNA muestran capacidad para entrar eficientemente en células tumorales a través de endocitosis asociada a clatrina. En células tumorales, puede liberar rápidamente siRNA y silenciar eficientemente genes relacionados y promover la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) para inhibir la proliferación de células tumorales y promover apoptosis de células tumorales. Además, múltiples SeNPs han demostrado excelente seguridad biológica y no tienen daño tóxico obvio en hígado, riñón, corazón, pulmón, bazo y otros órganos principales de ratones.

Actualmente, aunque hay muchas NPs usadas en administración dirigida de fármacos, la mayoría de aplicaciones aún permanecen en etapa de experimentos celulares o animales, careciendo de soporte potente de aplicación clínica. Además, muchas NPs se administran intratumoralmente, lo que limita el alcance de NPs aplicables a tumores y carece de herramientas especiales de administración de fármacos NPs y otros métodos de administración.

Por tanto, explorar una mejor forma de administrar NPs puede ser una dirección para la investigación futura de NPs de administración dirigida de fármacos. Según revistas académicas existentes, la administración vascular intervencionista puede ser una forma factible. En la suposición, primero localizar la posición del vaso sanguíneo alimentador del tumor con ayuda de imagen, y luego usar una guía para introducir NPs directamente en el vaso sanguíneo alimentador del tumor y controlar el movimiento de NPs en un rango pequeño aplicando un campo magnético simultáneamente. Por tanto NPs pueden fijarse en la posición adecuada sin ser influenciadas por el flujo sanguíneo en el vaso. De lo contrario, NPs dirigidas para administración de fármacos solo tienen ciertas limitaciones. NPs de direccionamiento afectarán la distribución sistémica de fármacos quimioterápicos y reducirán el efecto de quimioterapia en células tumorales libres y micrometástasis. Si se equipan con fármacos dirigidos, el efecto de direccionamiento tiende a mejorar mientras que la mejora no es evidente basada en estudios existentes. Además, fármacos anti-tumorales son poco probables de eliminar todas las células madre tumorales por sí mismos. Sin embargo, la terapia física basada en características físicas de NPs tiende a ser más efectiva contra células madre tumorales. Por tanto, NPs portadores de fármacos dirigidos multifuncionales tienden a ser aconsejables en el futuro, como criocirugía, terapia fototérmica (PTT) y terapia fotodinámica (PDT) etc., para formar NPs multifuncionales para tratamiento tumoral.

Nanopartículas para Criocirugía

La criocirugía, la técnica de destruir tejido tumoral por congelación, tiene ventajas de baja invasividad, bajo costo, menos sangrado intraoperatorio y menos complicaciones postoperatorias, pero aún hay desventajas como eficiencia de congelación insuficiente y daño por congelación a tejidos circundantes. Aunque agentes protectores como proteína anticongelante (AFP-1) se han utilizado para asistir ablación en frío, el efecto aún no es ideal. Con el desarrollo de la nanotecnología, se propuso el concepto de nanocriocirugía. El mecanismo básico de nanocriocirugía es introducir NPs con propiedades físicas o químicas específicas en tejidos tumorales. Utilizando las propiedades de NPs, no solo se puede mejorar la eficiencia y efectividad de congelación, sino que también se puede controlar el ajuste de rango y dirección de formación de bola de hielo. Así, la nanocriocirugía es capaz de matar tejido tumoral y prevenir simultáneamente que tejido sano circundante sea congelado. Las ventajas de nanocriocirugía se muestran en Fig. 5.

En criocirugía, la formación de hielo intracelular es la clave para el daño de células tumorales. Mientras tanto, la investigación prueba que NPs pueden inducir efectivamente formación de hielo intracelular. NPs como partículas externas pueden inducir nucleación heterogénea. Estudios han encontrado que tejidos enriquecidos con NPs se congelan más rápido que tejidos convencionales y son más propensos a nucleación heterogénea. Bajo las mismas condiciones de congelación, la formación de hielo de tejido con NPs es más fácil, indicando que NPs pueden aumentar significativamente la velocidad y probabilidad de formación de hielo en células, lo que puede matar células tumorales más efectivamente. Además, NPs con óxido metálico mejorarán significativamente la conductividad térmica en tejido tumoral. Por ejemplo, Liu y Deng compararon la curva de respuesta de temperatura de tejidos de cerdo con y sin NPs. Encontraron que tejidos conteniendo NPs se enfriaron rápidamente, y la temperatura más baja pudo alcanzar -115 °C, que fue mucho menor que la del grupo control sin NPs.

Dado que los tumores suelen ser irregulares en forma, los cristales de hielo producidos por criocirugía tradicional tienden a no cubrir todo el tejido tumoral. Comparado con criocirugía tradicional, la nanocriocirugía puede resolver el problema fácilmente. Porque NPs pueden permear en fluido intracelular y tienen buenas propiedades físicas como conductividad térmica, es posible controlar la dirección de crecimiento y dirección de la bola de hielo por la distribución de NPs.

En criocirugía, congelación insuficiente puede no destruir completamente tejido tumoral, y congelación excesiva puede dañar tejido sano adyacente. Especialmente cuando el tumor está en contacto cercano con órganos frágiles, su ubicación es profunda, o su forma es irregular, el daño al tejido sano puede ser particularmente severo. En años recientes, materiales de cambio de fase (PCM) hechos de NPs han demostrado excelente potencial protector para tejidos sanos circundantes durante criocirugía. Por ejemplo, Lv et al. microencapsularon NPs de cambio de fase con gran calor latente y baja conductividad térmica a través de liposomas, y antes de criocirugía, inyectaron NPs de cambio de fase microencapsulados en tejidos sanos alrededor del tumor y encontraron que evitaron daño por baja temperatura a tejido sano.

Aunque NPs se han usado ampliamente en criocirugía, aún hay una serie de deficiencias. Primero, aún no se puede controlar NPs in vitro, lo que resulta en distribución desigual de NPs en tejido tumoral y función esperada insatisfactoria. Segundo, aunque hay una variedad de nanopartículas magnéticas, el efecto real de control in vitro de NPs por campo magnético aún no es ideal. Además, la nanocriocirugía carece de investigación clínica experimental, y muchas NPs aún están en etapa de laboratorio.

La aplicación de NPs en ablación en frío puede dividirse generalmente en dos tipos: efecto sinérgico y efecto protector, que son diferentes en términos de requisitos de diseño de NPs y distribución in vivo. En el futuro, la nanocriocirugía puede ser asistida por una variedad de NPs, viz, NPs sinérgicas distribuidas dentro del tumor mientras NPs protectoras distribuidas alrededor del tumor. Además, muchos dispositivos de nano-posicionamiento, como plantilla coplanar impresa en 3D con diseño de punción (3DPCT) que actualmente se usa para posicionamiento tumoral antes de implante de partículas radiactivas puede usarse en criocirugía. Antes de la criocirugía, NPs protectoras pueden ser puncionadas e inyectadas alrededor del tumor para proteger el tejido sano circundante por plantilla coplanar impresa en 3D (3DPCT) y guía TC. Los NPs pueden asistir las bolas de hielo de criocirugía para cubrir el borde irregular del tumor. Luego NPs sinérgicas serán introducidas en el tejido tumoral a través del sitio de ablación preestablecido por punción o intervención vascular para realizar ablación en frío. Esta técnica de nanocriocirugía no solo puede superar las dificultades de ablación en frío de tumores irregulares sino también aumentar el efecto de ablación en frío y reducir el daño a tejido sano. Este método puede convertirse en la dirección de investigación futura de nanocriocirugía. La Tabla 4 destaca algunos ejemplos recientes sobre NPs usadas en criocirugía.

Nanopartículas para PTT y PDT

Actualmente, la terapia fototérmica (PTT) y terapia fotodinámica (PDT) basadas en nanopartículas (NPs) han mostrado virtudes de fuerte eficacia, pequeña invasión y efectos adversos leves durante tratamiento tumoral. Además de matar células tumorales directamente, fragmentos de células tumorales muertas producidos por tratamiento PDT y PTT pueden usarse como antígenos potenciales para desencadenar una respuesta inmune continua, llamada inmunoterapia fototérmica y fotodinámica. Nanopartículas diseñadas basadas en concepto de tratamiento PTT son un nuevo tipo de nanomateriales de conversión luz-calor, que pueden convertir energía lumínica en energía térmica para matar células cancerosas. Comparado con materiales tradicionales de conversión fototérmica, las nanopartículas tienen muchas ventajas. Primero, NPs pueden lograr el efecto de agregación tumoral dirigida a través de modificación de superficie de partícula, lo que contribuye a mayor capacidad de enriquecimiento de tumor objetivo. Segundo, las nanopartículas tienen mejores capacidades de imagen que materiales fototérmicos tradicionales, que pueden ser posicionadas con precisión por TC, RM e imagen fotoacústica. NPs dirigidas sintetizadas por Pan et al. pueden realizar PTT bajo 0,2 W/cm² NIR para inducir apoptosis de células tumorales destruyendo el DNA nuclear de células tumorales e inhibiendo el proceso de reparación de DNA. La Tabla 5 enumera algunos ejemplos recientes sobre NPs usadas en PDT y PTT.

Además, algunos estudios han encontrado que PTT mediada por nanopartículas puede revertir la resistencia multidrogas (MDR) tumoral. La sobreexpresión de transportadores de fármacos, proteína 1 asociada a resistencia multidrogas (MRP1), y glicoproteína P (p-gp) se cree generalmente que causan MDR en varios tumores. Por ejemplo, NPs multifuncionales activadas por luz diseñadas por Li et al. pueden inhibir la expresión de MRP1 en PTT, lo que consecuentemente revierte la resistencia a fármacos de células A549R. Wang et al. reportaron que tanto nanopartículas de oro como NPs basadas en carbono pueden superar resistencia a DOX promoviendo la expresión de trímero de factor de choque térmico en PTT, inhibiendo así la generación de p-gp. Además, PTT mediada por nanopartículas también puede aumentar la efectividad de quimioterapia destruyendo la integridad de membranas de células tumorales.

PDT es un tratamiento que usa la retención selectiva de sustancias fotosensibilizantes (PSs) en tejido tumoral bajo activación de luz de excitación de longitud de onda específica y presencia de oxígeno molecular para producir oxígeno singlete y otras especies reactivas de oxígeno, lo que lleva a apoptosis y necrosis de células tumorales. Sin embargo, PS tradicional tiene pobre direccionamiento tumoral, pobre solubilidad e inestabilidad, vulnerable al ambiente interno. Vectores de nanopartículas modificados por moléculas dirigidas no solo pueden mejorar la estabilidad y biocompatibilidad de PS sino también entregar PS a células objetivo, lo que mejora la eficacia y reduce efectos adversos. Además, algunos nanomateriales comunes, como nanobarras de oro, tienen excelentes efectos PTT por sí mismos. Por ejemplo, Vankayala et al. encontraron que la exposición de nanobarras de oro a luz infrarroja cercana (915 nm) pudo inducir eficientemente la generación de oxígeno singlete.

En años recientes, el papel de NPs de up-conversion (UC) en PDT ha atraído mucha atención. Las NPs pueden convertir excitación de luz de longitud de onda larga en múltiples longitudes de onda cortas, lo que permite a UC reemplazar la luz de excitación de longitud de onda corta dependiente de PS tradicional con luz infrarroja cercana con fuerte capacidad de penetración tisular. Por ejemplo, Li et al. desarrollaron NPs de lantánidos de doble banda luminescente como vector de PS. Estas NPs UC dependen de longitud de onda de luz de excitación de 808 nm para lograr PDT guiado por imagen sin afectar señales de imagen.

Dado que la mayoría de materiales fotosensibles utilizados en fototerapia son metales, la biocompatibilidad de NPs diseñados para nanomateriales inorgánicos como iones metálicos aún necesita mejorarse.

La fototerapia mediada por NPs ahora se acredita no solo por la efectividad contra tumores sino también por el potencial de espacio interno libre de nanopartículas ya que la terapia solo utiliza las propiedades físicas del esqueleto de NPs. Por tanto, NPs a menudo son multifuncionadas por PDT y PTT. En el futuro, tales NPs pueden diseñarse como NPs dedicadas para células madre tumorales que no son sensibles a quimioterapia. Las células madre tumorales están dormidas por largo tiempo y tienen una variedad de moléculas resistentes a fármacos, por lo que es difícil matarlas por tratamientos convencionales como quimioterapia, mientras que la terapia lumínica es más efectiva matando células madre tumorales físicamente. En el futuro, la nanofisioterapia puede usarse con muchas otras técnicas, como NPs multifuncionales para terapia fototérmica después de criocirugía. La terapia mediada por NPs multifuncionales puede dar pleno juego a sus características de bajos efectos secundarios, fuerte letalidad local y eliminación de células madre tumorales. Además, porque la nanofisioterapia tiene efecto de eliminación local y puede eliminar efectivamente células madre tumorales, puede convertirse en un método de tratamiento para micrometástasis pequeñas.

Nanopartículas para Radioterapia

La radioterapia (RT) es una técnica de tratamiento tumoral que mata células locales por radiación ionizante generada por rayos y es actualmente un tratamiento efectivo para muchos tumores sólidos primarios y metastásicos. Experimentos prueban que la radioterapia puede eliminar efectivamente células madre tumorales. Sin embargo, cómo mejorar aún más la eficacia de la radioterapia sigue siendo un desafío serio. En años recientes, las nanopartículas en el campo de radioterapia han demostrado fuertes capacidades de radiosensibilización, capacidades de administración dirigida de fármacos radiosensibilizadores y capacidades de mejora de guía de imagen. Actualmente, las nanopartículas más populares están hechas por materiales metálicos de alto Z (número atómico), que se caracterizan por inercia química y fuerte capacidad de absorción de radiación. Producen varias reacciones como efecto fotoeléctrico y efecto Compton después de absorber radiación, liberando así varias partículas como optoelectrones, electrones Compton y electrones Auger. Estos electrones reaccionan con moléculas orgánicas o agua en células tumorales para generar gran número de radicales libres, llevando a quimioterapia sinérgica. NPs quimiosensibilizantes comunes se categorizan actualmente como metales preciosos, óxidos de hierro y semiconductores en términos de materiales.

NPs de metales preciosos están hechas de materiales metálicos de alto número atómico como oro, plata, gadolinio, hafnio, platino, bismuto, etc. Entre ellos, las nanopartículas de oro se han convertido en las NPs más populares debido a su buena biocompatibilidad, estabilidad química y coeficiente de absorción fotoeléctrica relativamente fuerte. En 2000, Herold et al. descubrieron la capacidad quimiosensibilizante de nanopartículas de oro en rayos X de kilovoltage. Hoy en día, el mecanismo específico de quimiosensibilización de nanopartículas de oro no está claro aún, y la visión principal cree que depende de la capacidad de absorción fotoeléctrica de alto número atómico. Además de esto, hay estudios sugiriendo que la presencia de nanopartículas de oro mejora la sensibilización química de DNA a radiación, lo que aumenta el daño de DNA inducido por radiación ionizante (RI). Al mismo tiempo, NPs de oro pueden catalizar el mecanismo de sensibilización de radioterapia como producción de radicales libres. Por ejemplo, Liu encontró que AuNPs podrían aumentar significativamente la producción de radicales hidroxilo así como el efecto de eliminación de rayos X e iones de carbono rápidos en células. La hipótesis del mecanismo de sensibilización quimioterapéutica de otros metales preciosos es similar a la de nanopartículas de oro. Particularmente, NPs de platino tienen efecto anti-tumoral debido a su naturaleza inherente. Consecuentemente, se espera que NPs de platino jueguen el papel de quimioterapia y radioterapia simultáneamente. Sin embargo, el número de informes de investigación relevantes es insuficiente, y el efecto sensibilizante de NPs de platino también es cuestionable. Por ejemplo, Charest et al. reportaron que la formulación liposomal de cisplatino pudo aumentar la captación de platino por células tumorales, y pudo mejorar la eliminación de células de glioma F98 por rayos γ al mismo tiempo. Por el contrario, Jawaid et al. reportaron que NPs de platino reducirían la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y la eficacia de radioterapia durante quimioterapia.

Las nanopartículas de óxido de hierro (IONs), especialmente el imán superparamagnético Fe₃O₄, han mostrado gran potencial en radioterapia tumoral guiada por imagen porque son capaces de mejorar la dosis de radioterapia e imagen RM, mientras que su mecanismo de sensibilización no está claro aún. Algunos estudios creen que NPs de óxido de hierro catalizan principalmente la generación de ROS a través de reacción de Fenton y reacción Haber-Weiss. Luego los ROS altamente reactivos matarán tumores. Otros estudios proponen que el mecanismo depende de la sensibilización por radiación y efectos sinérgicos de nanopartículas magnéticas. Como reportó Khoei, NPs de óxido de hierro pueden mejorar la radiosensibilización de células de cáncer de próstata in vitro. Huang et al. señalaron que IONs recubiertos de dextrano entrecruzado (CLIONs) pudieron ser internalizados por células HeLa y células de cáncer de mama de ratón EMT-6, lo que mejora la radioterapia. Aunque el efecto sinérgico de NPs de óxido de hierro es obvio, su seguridad biológica aún necesita mejorarse. Muchos estudios han probado que la biocompatibilidad y estabilidad química de NPs de óxido de hierro son cuestionables, y tiene cierta toxicidad.

NPs de semiconductor como NPs de sílice también se han encontrado con efecto sinérgico en radioterapia. Por ejemplo, Zhang et al. usaron análisis de citometría de flujo y experimentos MTT para encontrar que NPs de sílice mesoporosa pueden mejorar efectivamente la radioterapia de glioblastoma. He et al. reportaron el mecanismo de mejora radiactiva de NPs de sílice. Encontró que bajo irradiación de rayos X, nanopartículas de sílice podían producir radicales hidroxilo finos, que pueden eliminar efectivamente células tumorales.

Actualmente, aunque muchos experimentos han confirmado que NPs pudieron sensibilizar radioterapia, el mecanismo específico de sensibilización aún no está claro, lo que obstaculiza el desarrollo de nuevas NPs sensibilizadas. Hay algunas doctrinas como sensibilización quimioterapéutica que promueve producción de radicales libres. Sin embargo, falta una relación cuantitativa entre la cantidad de producción de radicales libres, intensidad de radiación y datos físicos de nanopartículas. Además, la mayoría de NPs sensibilizadas están hechas de metales de alto número atómico. Estos metales tienen muchas desventajas en cuerpo humano como dificultad en autometa bolismo y biodegradación. Mientras tanto, la acumulación a largo plazo de los metales producirá toxicidad, lo que limita el uso seguro de NPs radiosensibilizadas. Además, comparado con NPs de sensibilización de radioterapia, menos estudios se enfocaron en NPs que pueden prevenir reacciones adversas de radioterapia y proteger tejidos sanos. La investigación sobre NPs protectores de radioterapia es escasa en cantidad.

En el futuro, buscar material de NPs que pueda ser metabolizado por riñón, biometabolizado, biocompatible, estable en propiedades físico-químicas e inherentemente menos tóxico, o buscar modificación de superficie que ayude al cuerpo a metabolizar NPs puede convertirse en dirección de investigación para NPs sensibilizadas. Además, aunque ha habido muchos estudios de NPs en multi-función, es decir, sensibilización simultánea de radioterapia y quimioterapia, aún hay muchos potenciales en este campo, que merecen foco en el futuro. El desarrollo de NPs protectores que puedan proteger tejidos normales alrededor de radioterapia y aliviar mala defensa contra radioterapia también puede convertirse en dirección de investigación.

Conclusiones

El pobre efecto curativo, capacidad de direccionamiento ineficiente, varios efectos secundarios y riesgo biológico potencial son algunos de los atributos desfavorables de la terapia y diagnóstico convencional del cáncer. En años recientes, la nanotecnología avanzada y biología molecular celular han promovido las aplicaciones de NPs en campo del cáncer. No solo NPs metálicas, sino también muchos NPs lipídicos, de ácido nucleico y silicio mostraron evidente superación en diagnóstico y tratamiento del cáncer. Además, la nueva generación de NPs ya no se limita a solo sino a múltiples funciones. Por ejemplo, NPs de PLGA recubiertas de oro equipadas con bloqueadores PD-1 diseñadas por Luo et al. no solo pueden administración dirigida de fármacos sino también mediar terapia PTT. NPs (Pd @ Au) / Fe3O4 Spirulina con doxorrubicina creadas por Wang et al. demostraron funciones de terapia fototérmica, administración de fármacos quimioterápicos y control de campo magnético en experimentos celulares. Las nanopartículas multifuncionales se convertirán en la tendencia de investigación futura.

Actualmente, encontramos que la mayoría de las nanopartículas solo permanecen en etapas in vivo e in vitro. Según esta revisión, pensamos que las siguientes razones obstaculizan la aplicación clínica de NPs.

1. Falta de rutas y métodos de inyección

La mayoría de NPs se inyectan en el cuerpo vía punción o inyección intravenosa. Por tanto, el flujo sanguíneo se llevará NPs, haciendo difícil que NPs permanezcan en el área objetivo por mucho tiempo, lo que lleva a que solo pocas NPs puedan ser captadas por células tumorales. Fármacos de baja concentración no pueden producir el efecto terapéutico esperado, y NPs de baja concentración también afectan los efectos de eliminación física de PDT, PTT, criocirugía y radioterapia. En nuestra opinión, la plataforma de NPs magnéticas puede ser una solución. Ha habido muchos experimentos in vitro e in vivo que han probado la factibilidad de usar campo magnético tridimensional para controlar el movimiento de NPs contra el flujo sanguíneo. Sin embargo, cómo resolver la interferencia del cuerpo humano al campo magnético, cómo resolver el impacto de células sanguíneas colisionando con NPs, y cómo controlar un gran número de NPs en grupo aún están en descubrimiento.

2. Dificultad en localización de NPs in vivo

Comparado con el cuerpo humano, el tamaño de NPs es demasiado diminuto. Incluso si NPs están cargadas con proteínas fluorescentes, aún es difícil para equipos de imagen convencionales (TC, rayos X, RM) localizar NPs en el cuerpo humano en tiempo real. Para enfrentar este desafío, la tomografía computarizada fotoacústica (PACT) puede ser una solución. La tomografía computarizada fotoacústica (PACT) ha alcanzado alta resolución espaciotemporal (resolución en plano de 125 μm y adquisición de datos de 50 μs frame⁻¹), penetración profunda (penetración tisular de 48 mm in vivo) y contrastes anatómicos y moleculares. Debido a su excelente rendimiento, PACT tiene gran potencial en imagen de localización de NPs in vivo. El sistema microrobótico guiado por PACT diseñado por Wu et al. ha logrado propulsión controlada y retención prolongada de carga in vivo de NPs con diámetro de 50 μm. Aunque la resolución actual y penetración profunda de PACT aún son insuficientes, es superior a equipos de imagen convencionales (TC, rayos X, RM) en términos de posicionamiento de imagen de NPs.

3. Dificultad de degradación en el cuerpo humano

Aunque NPs están hechas de materiales de alta bioseguridad, aún hay riesgo de daños a hígado, riñón y otros órganos si permanecen en el cuerpo por mucho tiempo y no pueden ser degradadas o excretadas. El uso de materiales que se desintegrarán tras irradiación de luz infrarroja cercana para fabricar NPs puede ser una solución a este problema. Recientemente, cada vez más NPs han sido producidas por estos materiales. Tales NPs median PTT mientras cargan fármacos, mientras tanto, las sustancias producidas por la desintegración de NPs pueden ser metabolizadas rápidamente por el cuerpo humano. Además, el uso de materiales más biocompatibles y degradables para preparación de nanopartículas también es una solución. Por ejemplo, la superficie de quitosano está cargada positivamente y puede ser descompuesta por flora colónica, lo que facilita la interacción con tejidos específicos y puede ser metabolizada por el cuerpo. La biocompatibilidad y degradabilidad de quitosano ha sido probada como no tóxica a concentraciones de fármacos apropiadas.

4. Dificultad en evitar el sistema fagocítico mononuclear (SFM)

En biofluidos, NPs adsorben proteínas para formar una capa de corona referida como "corona de proteína" en un sentido más amplio dando identidad biológica a NPs y alterando sus caracteres biológicos, lo que atraerá SFM especialmente macrófagos para captar NPs. Para evitar ser captadas por SFM, varios recubrimientos poliméricos como poliéter, polibetaína (PB) y poliol fueron investigados para cubrir NPs. Por ejemplo, NPs con injerto de poliglicerol pueden evadir la captación de macrófagos reduciendo la adsorción de proteínas. Además, hay dos tipos de macrófagos asociados a tumor (TAM), M1 y M2. Los macrófagos M1 inhiben el crecimiento tumoral mientras que los macrófagos M2 promueven el crecimiento tumoral. Por tanto, ya no evitando macrófagos, sino diseñando NPs dirigidas por macrófagos, regulando la función de macrófagos, e incluso usando macrófagos como nuevos vectores de fármacos para ejercer efectos anti-tumorales puede convertirse en una solución novedosa. Actualmente, las estrategias de diseño comunes para tales NPs incluyen inhibir reclutamiento de macrófagos, depletar TAM, reprogramar TAMs y bloquear vía CD47-SIRPα. Entre ellas, siguiendo el concepto de diseño de reprogramación o bloqueo de vía CD47-SIRPα, NPs que repolarizan macrófagos M2 a tipo M1 han hecho un avance en experimentos in vivo.

Considerando las dificultades anteriores y referenciando investigaciones avanzadas, proponemos un nuevo diseño posible de NPs. El esqueleto de NPs está hecho de material pirolítico (espirulina, exosomas, etc.). Luego, materiales fototérmicos (Au, Pd, etc.) se depositan en el esqueleto de NPs a través de plateado sin corriente. Después, el óxido de hierro superparamagnético se cargará en la superficie de NPs a través del método sol-gel. Luego, polímeros adecuados (polibetaína, poliglicerol, etc.) cubrirán los NPs. Finalmente, fármaco (como doxorrubicina) se cargará en los NPs. Después, bajo guía de PACT, NPs se inyectarán en la corriente arriba del vaso sanguíneo alimentador del tumor, y el tumor será irradiado con NIR. Al mismo tiempo, se dará control de campo magnético tridimensional para maximizar la acumulación de NPs en el sitio tumoral. A través de este diseño, un gran número de NPs se acumularán en el sitio tumoral para asegurar la concentración de fármaco y efecto PTT. Al mismo tiempo, la mayoría de NPs se descompondrán en el sitio tumoral, y solo un pequeño número de NPs circularán en el cuerpo.

Hoy en día, la terapia anti-tumoral con NPs como cuerpo principal aún está en etapa exploratoria, y tecnologías y equipos relacionados necesitan ser inventados, por lo que es poco probable que se use clínicamente a corto plazo. Sin embargo, NPs pueden cambiar parte de la función o estructura de muchas tecnologías reales. La actualización de tecnologías reales se espera que se aplique en clínica rápidamente, lo que contribuye a mejorar el diagnóstico y tratamiento de tumores en consecuencia. Por ejemplo, NPs pueden ayudar a desarrollar dispositivos electroquímicos basados en la interacción entre iones y polímeros conductores, como transistores electroquímicos orgánicos (OFETs), transistores de efecto de campo con puerta de electrolito (FETs), transistores de efecto de campo de aleta (FinFETs), transistores de efecto de campo de túnel (TFETs), chips de laboratorio electroquímicos (LOCs). Estos dispositivos electroquímicos se usan ampliamente en diversos equipos de prueba y diagnóstico tumoral. El uso de NPs puede ayudar a mejorar la precisión del equipo y reducir el tiempo de detección. Muchos estudios indican que equipos médicos usando componentes electrónicos actualizados por NPs han sido aplicados clínicamente.

Basado en la evidencia citada arriba, la investigación futura de NPs puede no solo enfocarse en NPs en sí mismas sino también considerar una plataforma factible de administración y evaluación de eficacia. Además, la plataforma necesita poder monitorear inmunotoxicidad, toxicidad a largo plazo y neurotoxicidad de NPs. A medida que la nanotecnología se desarrolla, si estos problemas se resuelven, NPs serían un enfoque ideal para mejorar la terapia y diagnóstico del cáncer.