Nanopartículas magnéticas funcionalizadas para aplicações biomédicas, administração de medicamentos e imagens

Resumo

A medicina está constantemente em busca de novos e melhores tratamentos para doenças, que precisam ter alta eficácia e custo-benefício, gerando uma grande demanda por pesquisas científicas para a descoberta desses novos tratamentos. Um aspecto importante de qualquer tratamento é a capacidade de direcionar apenas a doença e não causar danos a outra parte saudável do corpo. Por esse motivo, as nanopartículas metálicas foram e estão sendo amplamente pesquisadas para seus possíveis usos médicos, incluindo imagens médicas e aplicações antibacterianas e antivirais. As nanopartículas metálicas superparamagnéticas possuem propriedades que permitem que sejam direcionadas pelo corpo com um campo magnético ou direcionadas a um implante magnético, o que abre o potencial para conjugar várias biocombustíveis às nanopartículas que poderiam então ser direcionadas para tratamento no corpo. Aqui, relatamos algumas das aplicações biomédicas atuais de várias nanopartículas de metal, incluindo nanopartículas de metal único, nanopartículas de metal funcionalizadas e nanopartículas de metal de casca de núcleo usando um núcleo de Fe ₃ O ₄ bem como métodos de síntese dessas nanopartículas de núcleo-casca.

Introdução

Os nanomateriais de metal representam uma porta significativa para o futuro da medicina. Embora ainda haja muito desconhecido sobre a segurança a longo prazo das nanopartículas de metal na medicina [1], essas partículas já encontraram seu lugar dentro de várias aplicações biomédicas, como imagens específicas do local in vivo [2,3,4], detecção de câncer [5, 6], terapia de câncer [7,8,9,10], terapia de doenças neurodegenerativas [11,12,13], terapia de HIV / AIDS [14,15,16], terapia de doenças oculares [17,18,19 ] e terapia para doenças respiratórias [20, 21]. A Figura 1 apresenta uma gama de usos atuais para nanopartículas na medicina. Apesar dos avanços recentes na nanomedicina, ainda existem muitos obstáculos no caminho da nanoterapia, como pode ser difícil alcançar uma rota de síntese que produza resultados facilmente repetíveis, com muitos métodos de síntese de nanopartículas produzindo uma faixa em ambos os tamanhos [22 , 23,24] e formato [25,26,27,28] das nanopartículas e / ou não produzem os nanomateriais em quantidade grande o suficiente para torná-los economicamente viáveis [29]. Outro fator chave é que é relativamente desconhecido quanto à toxicidade de longo prazo de algumas nanopartículas ao longo de um período de tempo devido ao quão relativamente novo é o campo de pesquisa [30,31,32]. Entre os muitos usos possíveis de nanopartículas de metal está a área de entrega de drogas [33, 34]. Devido à grande área de superfície que as nanopartículas fornecem [35], elas possuem a capacidade de entregar grandes quantidades de medicamentos ou outras cargas médicas [36]. Uma alternativa às nanopartículas de metal único é incorporar um núcleo à nanopartícula que possui propriedades alternativas ao material da casca, e um exemplo disso é incorporar um núcleo magnético. Um desafio que ainda se apresenta é a síntese de nanopartículas de núcleo-casca; existem muitas maneiras de sintetizar nanopartículas [37], mas novos desafios surgem ao tentar sintetizar uma nanopartícula core-shell [38].

Alguns dos usos atuais das nanopartículas na medicina

Esta revisão concentra-se primeiro em alguns dos métodos atualmente usados para gerar nanopartículas de núcleo-casca com foco no uso de núcleos de Fe ₃ O ₄ e revestimentos de ouro ou prata. Em seguida, examinamos as aplicações biomédicas atuais de nanopartículas de metal único, suas limitações e como superá-las com a aplicação de núcleos magnéticos.

Síntese de Nanopartículas Core-Shell

Os métodos para a síntese de nanopartículas metálicas são conhecidos há muitos anos, por exemplo, Stevenson et al. publicou uma síntese para nanopartículas de ouro através da redução de HAuCl ₄ em 1951 [39]. Desde então, tem havido muitas rotas diferentes para a síntese de nanopartículas, como deposição de gás [40], sol-gel [41] e fase de aerossol / vapor [42]. No entanto, um novo desafio se apresenta ao tentar sintetizar nanopartículas de metal consistindo de uma estrutura núcleo-casca, na qual um metal forma o núcleo e um segundo metal forma a casca, por exemplo, partículas de Fe se degradam em água, enquanto HAuCl ₄ é um forte agente oxidante [38]. Um exemplo que será discutido mais adiante é o uso de um Fe ₃ O ₄ (óxido de ferro) núcleo e ouro como a concha de revestimento. Na preparação de tais nanopartículas de metal núcleo-casca, dois dos maiores problemas são tentar controlar a taxa de revestimento e controlar a uniformidade do revestimento para criar uma solução de nanopartículas que são todas de formato e tamanho muito semelhantes [43]. O revestimento de ouro ou prata sobre um núcleo de óxido de ferro pode ser dividido em duas categorias principais:revestimento direto de ouro / prata sobre ferro [44] ou uso de uma camada intermediária para atuar como cola entre o ouro e a camada de ferro [45]. A primeira categoria será discutida aqui. O texto a seguir descreve alguns métodos que foram concebidos para sintetizar Fe revestido com ouro e prata ₃ O ₄ nanopartículas.

Síntese reversa de micelas

Uma rota popular para sintetizar nanopartículas de metal é usar o método da micela reversa, ou às vezes chamado de rota de microemulsão [46]. Este método foi introduzido pela primeira vez na década de 1980, quando as soluções coloidais de ródio, platina e nanopartículas de paládio foram sintetizadas pela primeira vez [47].

Micelas são formadas quando moléculas com partes constituintes hidrofóbicas e hidrofílicas entram em contato com uma fase aquosa ou hidrofóbica [48]. As micelas se organizarão de forma que permita que a parte hidrofílica entre em contato com a fase aquosa e o constituinte hidrofóbico voltado para a fase hidrofóbica [49]. Em essência, um esferóide é formado com uma fase blindada interna, que pode, além disso, conter uma carga [43, 50,51,52].

Existem diferentes abordagens para a rota de microemulsão e incluem água em óleo (w / o) [53] e água em CO supercrítico ₂ (com sc-CO ₂ ) [54]. Uma emulsão w / o ocorre quando a água é dispersa em uma fase contínua à base de hidrocarbonetos [53], auto-montagem de surfactante termodinamicamente acionada e, em seguida, gera as micelas reversas, com micelas esféricas sendo a forma mais comum [43]. Quaisquer materiais polares ou iônicos adicionados a esta mistura tornam-se compartimentalizados dentro das micelas, e nanopartículas são então formadas quando as membranas das micelas entram em contato umas com as outras através do movimento browniano [55]. A w / sc-CO ₂ emulsão envolve o uso de um fluido (CO ₂ ) que está em um estado supercrítico, ou seja, acima de sua pressão e temperatura críticas [56]. Este método tem um interesse particular, pois é uma abordagem mais "verde" para a síntese de nanopartículas, pois não são necessários solventes orgânicos tóxicos. Também é mais fácil recuperar o produto simplesmente baixando a pressão e liberando o fluido como CO ₂ gás [57].

A rota da micela reversa foi adaptada da síntese de nanopartículas de metal para o revestimento de nanopartículas previamente sintetizadas [58]. O primeiro óxido de ferro revestido de ouro (Au-Fe ₃ O ₄ ) nanopartículas sintetizadas em micelas reversas foram feitas há quase 20 anos [59]. Esta síntese de Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas foi feito usando um H ₂ Sistema O / CTAB (brometo de cetiltrimetilamônio) para produzir as micelas com boro-hidreto de sódio (NaBH ₄ ) como o agente redutor, reduzindo o cloreto de ouro (HAuCl ₄ ) no núcleo de ferro. Essa síntese produziu uma dispersão de nanopartículas com tamanho médio de 12 nm. Uma vez que esta é a primeira produção de Au-Fe ₃ O ₄ NPs usando microemulsões, tem havido uma gama de Au-Fe ₃ O ₄ Vias de síntese de NPs descobertas [46, 60,61,62,63]. A Figura 2 é uma representação genérica de como as nanopartículas são formadas usando a rota reversa da micela.

Uma representação genérica da interação de micelas reversas contendo sais que reagem para formar nanopartículas de metal

Lin et al. publicou um método ligeiramente modificado para revestir Fe ₃ O ₄ com ouro usando um método de micela reversa [60]. A síntese também emprega um sistema usando CTAB como surfactante para formar a micela reversa, mas com 1-butanol como co-surfactante e octano como fase oleosa, adicionando uma solução aquosa contendo os íons metálicos usando NaBH ₄ para reduzir HAuCl ₄ na superfície das nanopartículas de óxido de ferro. Os resultados ópticos relatados das partículas revestidas mostraram uma mudança no pico de absorbância dos espectros de UV / vis do colóide de ouro (526 nm) para o Au-Fe ₃ O ₄ (555 nm). Os resultados de TEM das partículas revestidas indicaram uma distribuição de tamanho de 5–15 nm, com um tamanho médio de 10 nm. Esse método foi repetido por Pana et al. com uma distribuição de tamanho ligeiramente maior de 5–35 nm de tamanho Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas [63]. Além disso, um sistema muito semelhante foi empregado por Seip et al. com exceção do uso de hidrazina para reduzir o HAuCl ₄ [64].

O revestimento de Fe ₃ O ₄ as nanopartículas não se limitam apenas a ouro; Lopez Perez et al. relataram a síntese de nanopartículas de óxido de ferro usando um sistema contendo ciclohexano / Brij-97 (co-surfactante) e uma fase aquosa com sais de ferro de FeSO ₄ .7H ₂ O e FeCl ₃ .6H ₂ O [65]. Este sistema foi revestido com prata [58] e ouro [46], produzindo partículas de 13 nm. Um método alternativo é relatado por Tamer et al. para a síntese de Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas [62]. Este método emprega uma co-precipitação de sais de ferro em NaOH, que foram então lavados em HClO ₄ para produzir Fe oxidado ₃ O ₄ nanopartículas. Revestimento de ouro no Fe ₃ O ₄ NPs ocorreram através da redução de HAuCl ₄ por NaOH entregue ao sistema por micelas CTAB. Au-Fe ₃ O ₄ NPs foram produzidos com um tamanho médio de 23,5 nm. Após a caracterização, as partículas foram então modificadas com vários grupos funcionais para formar uma monocamada automontada (SAM) e posteriormente utilizadas para a captura e detecção de Escherichia coli .

Uma versão modificada da síntese de micelas reversas foi feita por Zhang et al. envolvendo o uso de um laser como iniciador para o revestimento de nanopartículas de ferro com ouro [66]. O processo envolve fazer uma mistura de reação de nanopartículas de ferro encapsuladas em micelas CTAB, nanopó de ouro em água e octano e, em seguida, irradiar com um laser pulsado enquanto agita vigorosamente a reação. A irradiação do laser facilita a decomposição térmica das nanopartículas de ouro. Átomos de ouro e aglomerados se formaram em torno das nanopartículas de ferro, formando nanopartículas de ferro revestidas de ouro. Os resultados de TEM para as nanopartículas de Au-Fe sintetizadas desta forma deram um tamanho médio de 18 nm com uma distribuição de tamanho de ± 36 nm.

Síntese térmica

Entre os vários métodos de síntese de nanopartículas de núcleo de ferro e casca de ouro encontra-se uma rota térmica, em que a reação envolve o aquecimento da mistura de reação acima de seu ponto de ebulição [67] e, às vezes, refluxo [68, 69]. Existem duas categorias principais para este tipo de síntese:hidrotérmica (solvente de base aquosa) [70, 71] e solvotérmica (solvente de base orgânica) [68, 72]. Embora existam muitas técnicas para sintetizar nanopartículas de metal por via térmica [73,74,75,76,77,78], não é possível alcançar a síntese dos núcleos e revestimento de ouro em uma reação de um vaso [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81] e, em alguns casos, Fe ₃ O ₄ núcleos são sintetizados por meio de uma rota micela reversa [70] ou uma rota coloidal [78] e, em seguida, as partículas são revestidas usando uma técnica hidro ou solvotérmica [70, 76, 78]. Embora haja uma variedade de sistemas de solventes usados nesses métodos sintéticos, a maioria das rotas envolve a adição de nanopartículas de óxido de ferro ao HAuCl em ebulição ₄ ou o inverso de HAuCl ₄ sendo adicionado a soluções em ebulição de nanopartículas de óxido de ferro [74, 79].

Um método para a síntese de Au-Fe ₃ O ₄ nanopartículas foi feito por Rudakovskaya et al. por meio de uma técnica hidrotérmica [76]. O princípio do método segue a adição de Fe ₃ O ₄ nanopartículas para um HAuCl fervente ₄ solução. A análise TEM dessas nanopartículas indicou um tamanho médio de 30 nm, com uma forma esférica geral e uma distribuição de tamanho entre 20 e 35 nm; essas imagens podem ser vistas na Fig. 3.

Uma imagem TEM das nanopartículas sintetizadas por Rudakovskaya et al. Como pode ser visto, as nanopartículas têm formato aproximadamente esférico com um tamanho médio de 30 nm [76]

Síntese coloidal

As técnicas de síntese coloidal oferecem uma maneira simples, mas eficaz, de sintetizar nanopartículas metálicas [82]. As técnicas coloidais muitas vezes oferecem um nível de simplicidade em relação a outras técnicas de síntese de nanopartículas, sem a necessidade de diferentes solventes, ou que podem ser realizadas em temperatura ambiente [83, 84]. Os princípios básicos da síntese envolvem a dispersão de diferentes íons metálicos em uma fase aquosa, adicionando um agente redutor à mistura e, em seguida, misturando a uma temperatura controlada para formar nanopartículas insolúveis [39]. As rotas de síntese coloidal oferecem o benefício de não ter que envolver solventes tóxicos potenciais na síntese (ideal se as nanopartículas forem destinadas ao uso biológico). No entanto, existem algumas limitações para as rotas coloidais, como pode ser difícil controlar a distribuição do tamanho das nanopartículas sintetizadas finais [85] e a forma das nanopartículas pode ser fortemente influenciada pela concentração do reagente [85]. Do lado positivo, pode, entretanto, ser mais fácil produzir nanopartículas em uma quantidade maior [86]. Este método de síntese de nanopartículas de metal já existe há muitos anos, sendo usado para a síntese de diferentes tipos de nanopartículas, como prata [87] e ouro [39, 88].

Este método básico foi avançado e desenvolvido para produzir diferentes rotas sintéticas para a formação de nanopartículas de óxido de ferro revestidas de ouro [83, 84, 89,90,91,92,93,94,95,96,97]. A maioria dos métodos para a síntese de óxido de ferro revestido de ouro gira em torno do uso de vários agentes redutores para reduzir HAuCl ₄ na superfície do óxido de ferro. Nadagouda et al. oferecer uma rota sintética “verde” proposta, usando ácido ascórbico para reduzir HAuCl ₄ [84] _. Este método, no entanto, parece mostrar pouco ou nenhum controle sobre o tamanho ou a forma das nanopartículas revestidas devido à falta de agente de cobertura (um agente que se liga ao exterior da nanopartícula que impede o "crescimento" posterior da nanopartícula) usado na síntese [98]. Um método que mostra mais controle sobre a forma e o tamanho das partículas revestidas sintetizadas é apresentado por Pal et al. [95] Este método emprega acetato de ouro como sal de ouro, que é reduzido na superfície de Fe ₃ de 6 nm O ₄ nanopartículas para criar Au – Fe de 7 nm ₃ O ₄ partículas, que são de forma esférica. Um método rápido para revestir Fe ₃ O ₄ nanopartículas é apresentado por Rawal et al. que envolve a dispersão de Fe ₃ O ₄ nanopartículas em uma solução de HAuCl ₄ e, em seguida, misturar com etanol [83]. Após 15 min à temperatura ambiente, a reação foi interrompida e o Au-Fe ₃ O ₄ as nanopartículas foram então separadas com um ímã. A análise de TEM da solução purificada mostrou que as partículas produzidas variavam em tamanho de 30 a 100 nm e tinham formas variadas ao longo da amostra; essas imagens podem ser vistas na Fig. 4. Embora essa técnica de síntese tenha produzido as nanopartículas revestidas rapidamente, ela não parece ser uma síntese muito eficiente para a produção de partículas de formato e tamanho uniformes [83].

Uma imagem TEM das nanopartículas sintetizadas por Rawal et al. Essas nanopartículas têm uma distribuição de tamanho de 20-100 nm [83]

Enquanto algumas técnicas oferecem apenas a redução de sais de ouro, outras preferem colocar o agente redutor na superfície do ferro, como a hidroxilamina [90, 93]. Em muitos casos, quando Fe ₃ O ₄ nanopartículas são revestidas com ouro, a redução de um sal de ouro produz nanopartículas de ouro padrão também [74], portanto, a adição do agente redutor na superfície das nanopartículas de ferro visa melhorar a eficiência do revestimento e tem como objetivo diminuir o quantidade de nanopartículas de ouro produzidas como subproduto [93].

Outra técnica envolve a semeadura de ouro na superfície de nanopartículas magnéticas, o que fornece uma rota mais direta de obter ouro para nuclear em torno do núcleo magnético das nanopartículas [91, 92, 97]. Essa técnica envolve a ligação de sementes de ouro, que são menores do que as nanopartículas de óxido de ferro em solução, à superfície do óxido de ferro. Quando o HAuCl ₄ é reduzido em solução, o Au ⁺ os íons semearão no óxido de ferro e formarão uma casca ao redor das nanopartículas de óxido de ferro. Esta semeadura de ouro foi empregada com sucesso por vários grupos; Goon et al. usaram polietilenoimina para controlar a semeadura de ouro na superfície de Fe ₃ O ₄ , produzindo nanopartículas totalmente revestidas. [91] No entanto, o Au-Fe sintetizado ₃ O ₄ as partículas apresentaram alta polidispersividade, com tamanho de partícula variando de 40 a 110 nm. Levin et al. conseguiu produzir nanopartículas de núcleo magnético de casca de ouro com uma faixa de tamanho de 50-70 nm, usando um núcleo funcionalizado com moléculas de organosilano para se ligar às sementes de ouro [92]. A semeadura de nanopartículas de ouro em um núcleo de ferro pode ser demonstrada com uma variedade de formatos de núcleo, por exemplo, Wang et al. demonstrou a semeadura de ouro em “arroz Nano” Fe ₃ em forma de arroz O ₄ estruturas, que então levaram a uma casca de ouro completa e espessa quando o ouro foi reduzido à superfície [97].

Aplicações biomédicas de nanopartículas de metal

Agentes Antimicrobianos

As infecções bacterianas são muito comuns, sendo os antibióticos o principal método de tratamento desde a descoberta da penicilina em 1928 por Alexander Fleming [99]. A nanomedicina nos fornece uma nova e ampla gama de modalidades de tratamento possíveis, com nanopartículas de metal sendo exploradas para tratamentos futuros [100]. A Tabela 1 lista algumas das nanopartículas que foram exploradas para aplicações antimicrobianas. Um material que foi examinado quanto ao seu uso potencial é a prata, que demonstrou ter uma variedade de usos biomédicos [101], por exemplo, Sreekumar et al. utilizou nanopartículas de prata como parte de uma rede de fibras antimicrobianas. As nanopartículas variaram em tamanho de 20 a 120 nm, com eficácia antibacteriana contra Escherichia coli tão alto quanto 94,3% em comparação com as fibras sem nanopartículas de prata [102]. Embora tenha sido demonstrado que um antibiótico como a ampicilina é capaz de atingir uma taxa de morte ≤ 99,9% em E. coli [103], o mesmo estudo também relatou o surgimento de resistência à ampicilina em certas cepas de E. coli . Na mesma nota, foi relatado que E. coli pode desenvolver uma resistência às nanopartículas de prata; entretanto, esta resistência não é uma mudança genética, mas é uma resposta física que tenta fazer com que as nanopartículas coloidais se agregem [104]. Também empregando prata por suas propriedades antibacterianas, Holtz et al. projetou um sistema de nanofios de vanadato de prata de 60 nm ‘decorados’ com nanopartículas de prata com um diâmetro de 1–20 nm [105]. Este sistema mostrou-se promissor contra três Staphylococcus aureus e também tiveram uma concentração de inibição de crescimento muito menor contra Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA) do que o antibiótico oxacilina.

A síntese de nanopartículas de prata foi relatada por Verma et al. onde eles empregaram suas nanopartículas contra as bactérias: Pseudomonas fluorescens , E. coli , e o fungo Candida albicans [106]. As nanopartículas de prata tinham uma concentração de crescimento inibitória mínima média de 5,83 μg / ml nas três cepas, em comparação com alguns antibióticos comumente usados, como ampicilina e neomicina, que têm concentrações inibitórias de crescimento mínimas de 4,0 μg / ml e 16,0 μg / ml, respectivamente, contra cepas de E. coli [110]. De potencial interesse são as propriedades das nanopartículas exibidas contra P. fluorescens um C. albicans , ambos associados a causar doença em pacientes imunocomprometidos [111]. Investigações adicionais podem descobrir que as nanopartículas de prata são uma forma mais eficiente de tratar os patógenos do que alguns dos antibióticos mais comumente usados, como a anfotericina B, que tem efeitos colaterais extensos [112].

A síntese de nanopartículas de ouro revestidas com tioguanina foi relatada por Selvaraj et al. onde um efeito antimicrobiano aprimorado contra várias bactérias, incluindo: E. coli , Aspergillus fumigatus e Pseudomonas aeruginosa [107]. Verificou-se que as nanopartículas de ouro revestidas com tioguanina foram mais eficazes do que a tioguanina não conjugada como agentes anticâncer e antimicrobianos, com suas atividades mostrando potencial uso como carreadores de drogas contra o câncer. De maneira semelhante, foi relatado que nanopartículas de ouro têm um efeito antimicrobiano em Corynebacterium pseudotuberculosis [108], nanopartículas com tamanho médio de 25 nm, utilizando uma dose de 50 μg / ml, mostraram uma inibição do crescimento bacteriano de 95% após 20 min de exposição. Da mesma forma, nanopartículas de ouro descobertas mostraram ter um efeito antimicrobiano em uma variedade de bactérias gram negativas e gram positivas, incluindo S. aureus , pneumonia por Klebsiella e Bacillus subtilis [109]. Uma dose de 1,35 μg / ml de AuNPs mostrou uma inibição do crescimento de 46,4 ± 0,4%, 38,3 ± 0,2% e 57,8 ± 0,2% para S. aureus , K. pneumonia , e B. subtilis , respectivamente.

Antiviral

Tal como acontece com as aplicações antibacterianas, as nanopartículas metálicas têm se mostrado promissoras em aplicações antivirais; A Tabela 2 demonstra uma gama de nanopartículas que demonstraram possuir propriedades antivirais e podem ser potencialmente aplicadas no tratamento de vírus. Nanopartículas de prata nuas e revestidas [113.114.115.116] mostraram ter uma gama de aplicações antivirais quando na escala de nanoescala.

A hepatite B (HBV) é uma infecção viral que afeta atualmente 257 milhões de pessoas em todo o mundo e foi responsável por 887.000 mortes em 2015, de acordo com a Organização Mundial da Saúde [121]. Nanopartículas de prata nuas pequenas (10–50 nm) foram testadas como um possível tratamento para o VHB [113] e mostraram se ligar com eficiência ao VHB e inibir ainda mais a produção de RNA do VHB. O modo de ação é hipotetizado como sendo devido à ligação de AgNPs ao dsDNA de HBV (DNA de fita dupla). Rogers et al. demonstraram o uso de nanopartículas de prata, tanto nuas quanto com revestimento de polissacarídeo, como agente antiviral contra o vírus da varíola dos macacos (MPV) [114]. As nanopartículas foram testadas in vitro contra MPV em uma faixa de concentrações entre 12,5–100 μg / ml; os resultados do estudo mostraram que todas as concentrações de nanopartículas de prata revestidas com polissacarídeo (Ag-PS-NPs) usadas foram capazes de reduzir a formação de placa induzida por MPV in vitro.

As nanopartículas de prata podem até ter um papel a desempenhar no tratamento do vírus da imunodeficiência humana (HIV) [115, 116]. O HIV é um grande problema de saúde, com a OMS estimando que 36,7 milhões de pessoas viviam com o HIV em 2016 [122]. É importante que os tratamentos para o HIV sejam descobertos e implementados de forma rápida e eficiente; Lara et al. demonstraram o efeito das nanopartículas de prata (30–50 nm) em isolados de HIV-1, mostrando a inibição de todas as cepas de isolados de HIV-1 [116]. As nanopartículas nuas mostraram um IC geral ₅₀ de 0,44 mg / ml ± 0,3 contra HIV-1, com o mecanismo de inibição viral demonstrado ser a inibição da ligação vírus-célula hospedeira, especificamente as nanopartículas de prata inibem a interação entre a proteína gp120 (uma glicoproteína de envelope) e a célula alvo receptores de membrana. Também foi demonstrada pelo mesmo grupo a capacidade das nanopartículas de prata revestidas com polivinilpirrolidona (PVP) para prevenir a transfecção de HIV-1 em um modelo de explante de tecido cervical humano [115]. Especificamente, nanopartículas de prata revestidas com PVP de 0,15 mg / ml (PVP-AgNPs) inibiram a infecção por HIV- _IIIB e HIV- _AZT-RV isolados. Essa concentração de PVP-AgNPs também induziu a proliferação de linfócitos (células do sistema imunológico) para o local da infecção, em comparação com a amostra controle [115].

Não são apenas as nanopartículas de prata e prata revestidas que têm sido empregadas contra vírus:nanopartículas de ouro de 2 nm revestidas com um ligante de sulfato anfifílico também se mostraram eficazes contra o HIV-1 [118]. Essas partículas mostraram ter como alvo o processo de fusão do vírus e, in vitro, se ligar à proteína gp120 e neutralizar diretamente a infecção por HIV-1. Nanopartículas de ouro revestidas de mercaptoetanossulfonato (Au-MES) mostraram uma inibição da infecção pelo vírus herpes simplex tipo 1 (HSV-1), possivelmente por inibir a ligação do vírus à célula hospedeira, disseminação viral de célula a célula ou alteração da suscetibilidade celular ao vírus infecção induzida pela presença de nanopartículas [117].

Foi demonstrado que as nanopartículas de iodeto de cobre (CuI-NPs) têm propriedades antivirais em vários vírus diferentes:calicivírus felino (FCV) [119] e, de forma mais interessante, o vírus influenza A de origem suína (H1N1) [120]. De cem a 400 nm CuI-NPs mostraram uma propriedade antiviral quando utilizados contra o FCV, e foi hipotetizado que os íons Cu monovalentes eram responsáveis pela produção de uma espécie reativa de oxigênio (ROS) que causou subsequente oxidação da proteína do capsídeo, levando à inativação do FCV. O vírus H1N1 também mostrou ser inibido por CuI-NPs, de forma muito semelhante, ou seja, a produção de radicais hidroxila, levando à degradação de proteínas. No entanto, esses radicais também podem ser tóxicos para tecidos não infectados, o que seria importante determinar antes de um tratamento ser aprovado para uso [123].

Imagens

A varredura de imagem por ressonância magnética (MRI) é uma ferramenta muito útil para o diagnóstico médico e fornece imagens anatômicas claras. Usando a ressonância magnética, pode-se visualizar o fluxo sanguíneo, características físico-químicas e os estados dos tecidos e órgãos do corpo [124]. Agentes de contraste são frequentemente empregados em ressonância magnética para melhorar a sensibilidade diagnóstica [125]. Os agentes de contraste usados convencionalmente são à base de quelatos, mas as principais desvantagens dos agentes de contraste atuais são sua estabilidade biológica e seus níveis de toxicidade quando acumulados nas células [126]. Por exemplo, alguns agentes de contraste são à base de iodo, e foi relatado que a exposição ao meio de contraste iodado está associada ao desenvolvimento subsequente de hipertireoidismo incidente e hipotireoidismo declarado incidente [127]. Alternativas foram desenvolvidas para fornecer uma eficácia de varredura aprimorada, reduzindo o impacto negativo que os agentes de contraste podem ter no corpo [128]. As alternativas incluem nanopartículas de metal possivelmente conjugadas com um agente que atua de maneira semelhante a um agente de contraste para varredura de ressonância magnética [129]. A Figura 5 é uma imagem de contraste de ressonância magnética de um córtex cerebral de rato pré e pós-tratamento de AuNPs [130].

Uma imagem de contraste de ressonância magnética de um córtex cerebral de rato pré- (esquerda) e pós-tratamento (direita). A área que contém os AuNPs é marcada em vermelho

A Tabela 3 mostra algumas das nanopartículas que foram exploradas para uso em imagens médicas. Alguns agentes de contraste de tomografia computadorizada (TC) têm problemas, incluindo meia-vida de curta circulação [131] e dano potencial ao tecido [130]. Devido a isso, nanopartículas de metal também foram investigadas para uso em imagens de TC [132]; Nanopartículas de Au mostram uso promissor em imagens devido à sua atenuação de raios-X [133]. Kojima et al. mostraram que nanopartículas de ouro conjugadas com um dendrímero PEGuilado (PEG-AuNPs) feito para um agente de contraste superior in vitro , bem como para tomografia computadorizada de raios-X, em comparação com o agente iopamidal comercialmente disponível [134]. Os PEG-AuNPs mostraram uma maior eficiência de contraste do que o iopamidal disponível comercialmente, com rápida excreção do corpo [135]. Os autores também observaram que os PEG-AuNPs tinham propriedades fotocitotóxicas para permitir a terapia fototérmica.

Li et al. demonstraram o uso de AuNPs revestidos como uma ferramenta de imagem para aterosclerose; os AuNPs foram aplicados em um tipo de imagem médica chamada “tomografia computadorizada por emissão de fóton único” (SPECT) [136]. Este tipo de imagem é muito semelhante ao uso de uma câmera gama, mas é capaz de fornecer imagens 3D verdadeiras que podem ser fatiadas, giradas e manipuladas para se obter uma técnica analítica mais precisa [136]. As nanopartículas modificadas visam especificamente placas de aterosclerose contendo macrófagos apoptóticos, indicando uma ferramenta útil para a detecção invasivamente precisa de placas de aterosclerose [136].

AuNPs já foi demonstrado ser um possível agente para imagens fotoacústicas (PA), apresentando alta resolução espacial e sensibilidade [137]. O PA depende da detecção de ondas ultrassônicas que são emitidas pelos tecidos quando expostos à irradiação de laser pulsado não ionizante [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

Conclusões

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]; e
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.

Disponibilidade de dados e materiais

Not applicable

Abreviações

(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:: Nanopartícula de ouro
Au-PEG-TNF:: Polyethylene glycol-coated tumor necrosis factor-loaded gold nanoparticles
CT:: Tomografia computadorizada
CTAB:: Cetyltrimethylammonium bromide
CuI NPs:: Copper-iodine nanoparticles
DNA:: 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
MRI:: Imagem de ressonância magnética
PA:: Imagem fotoacústica
PEG:: Polietileno glicol
PVP-AgNP:: Polyvinylpyrrolidone-coated silver nanoparticle
RNA:: Ribonucleic acid
ROS:: Espécies que reagem ao oxigênio
siRNA:: Small interfering ribonucleic acid
Sk-BR-3:: Breast cancer
SPECT:: Single-photon emission computed tomography
TNF:: Tumor necrosis factor

Biossensor de cortisol eletroquímico salivar baseado em nanoflocos de dissulfeto de estanho Engenharia de captura de luz para aprimoramentos de banda larga e fotodetecção espectrosseletiva por matrizes de microcavidades dielétricas auto-montadas

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias