Toxicidade de nanopartículas relacionadas a espécies de oxigênio reativo no campo biomédico

Resumo

As características físico-químicas únicas das nanopartículas têm ganhado atenção crescente em um conjunto diversificado de aplicações, particularmente no campo biomédico. No entanto, as preocupações com os potenciais efeitos toxicológicos das nanopartículas permanecem, pois elas têm uma tendência maior de gerar quantidades excessivas de espécies reativas de oxigênio (ROS). Devido ao forte potencial de oxidação, o excesso de ROS induzido por nanopartículas pode resultar no dano de biomoléculas e estruturas de organela e levar à carbonilação oxidativa de proteínas, peroxidação lipídica, quebra de DNA / RNA e destruição da estrutura da membrana, que ainda causam necrose, apoptose, ou mesmo mutagênese. Esta revisão tem como objetivo fornecer um resumo dos mecanismos e responsáveis pela geração de ROS por nanopartículas a nível celular e fornecer informações sobre a mecânica da biotoxicidade mediada por ROS. Resumimos a literatura sobre a toxicidade das nanopartículas e sugerimos estratégias para otimizar as nanopartículas para aplicações biomédicas.

Introdução

Nanopartículas (NPs) são uma classe de novas partículas sintéticas com dimensões <100 nm. Dependendo de sua forma e tamanho, as características físicas e químicas distintas dão às NPs funções diferentes. NPs são amplamente utilizados em muitos produtos de consumo, incluindo têxteis, cosméticos, purificação de água e embalagens de alimentos [1, 2]. Eles também são usados na engenharia de fotocatalisadores, energia e optoeletrônica [3,4,5,6].

Em particular, NPs se tornaram um material preferido em materiais biomédicos e são amplamente usados em biossensores, entrega de siRNAs, knockdown de gene direcionado, entrega de drogas e em materiais médicos de bio-preenchimento [7,8,9,10,11]. Outros usos de NPs ainda estão sendo descobertos. Por exemplo, Duan et al. [12] mostrou que Fe ₃ O ₄ -polietilenoglicol-poliamida-amina-matriz metaloproteinase2 @ chlorin e6 (Fe ₃ O ₄ As nanossondas -PEG-G5-MMP2 @ Ce6) inibiram significativamente o crescimento do tumor gástrico. Em outro caso, nanopartículas de pDNA-polietilenimina CeO (pDNA-PEI-CeO NPs) poderiam induzir mais apoptose de células de fibrossarcoma [13]. Além disso, nanopartículas ocas de sílica-Fe-polietilenoglicol-receptor do fator de crescimento epidérmico humano 2 (HS-Fe-PEG-HER2 NPs) poderiam se ligar seletivamente às células tumorais e foram usadas como agentes de imagem para distinguir o tecido normal das células cancerosas [14]. Finalmente, as nanopartículas de prata (Ag NPs) servem como nano-antibióticos, que combatem com eficiência infecções bacterianas resistentes associadas ao biofilme [15].

Apesar do potencial para aplicações positivas de NPs em vários campos, um número crescente de estudos indicou seus efeitos adversos em organismos [16, 17] e células após a exposição a NPs [18, 19]. O potencial tóxico dos NPs é dependente de seu tamanho e forma, o que determina sua propensão para induzir a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) [20, 21]. O excesso de geração de ROS pode induzir uma série de resultados fisiopatológicos, incluindo genotoxicidade, apoptose, necrose, inflamação, fibrose, metaplasia, hipertrofia e carcinogênese [18, 22, 23]. A toxicidade dos NPs também mostrou aumentar a expressão de citocinas pró-inflamatórias e ativar células inflamatórias, como macrófagos, que aumentam ainda mais a geração de ROS [23, 24]. O aumento da geração de ROS após a exposição a NPs também mostrou induzir a modulação das funções celulares, com resultados fatais em alguns casos [17, 23, 25]. Nesta revisão, discutimos os principais mecanismos subjacentes aos surtos de ROS induzidos por NPs, analisamos as principais razões para a citotoxicidade dos NPs e resumimos os potenciais efeitos patogênicos dos NPs. Nossa presente revisão fornece evidências contundentes de que a superprodução de ROS é a principal causa da biotoxicidade de NPs. Portanto, novas pesquisas devem ter como objetivo reduzir a citotoxicidade de NPs, projetando NPs que induzam baixa produção de ROS.

A aplicação de NPs no campo biomédico

NPs têm sido usados em uma variedade de aplicações médicas, e vários NPs novos exibem propriedades que são promissoras para seu uso em novos materiais biomédicos. Conforme resumido na Tabela 1, o Nano-C60 pode ser usado como um agente anticâncer, que inibe a proliferação de células cancerosas, tanto in vivo quanto in vitro [26]. ZnO NPs têm sido usados como preenchimentos em implantes ortopédicos e dentários [38]. TiO ₂ podem ser usados como agentes antibacterianos, na purificação do ar e da água e para próteses dentárias [52,53,54]. Davaeifar et al. relataram que um nanorod ficocianina-ZnO poderia proteger a célula diminuindo a geração de ROS endógenos [68]. Pacurari et al. apontaram que os SWCNTs podem ser aplicados como um agente de diagnóstico clínico e como materiais de bioengenharia [88]. Além disso, vários NPs podem ser usados como agentes antimicrobianos, que matam bactérias por indução de explosões de ROS (Tabela 1).

Os mecanismos de aumento de ROS induzido por NPs em células

ROS são partículas quimicamente reativas que contêm oxigênio, incluindo peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ), radicais ânion superóxido reativos (O ^2- ) e radicais hidroxila (• OH) [92, 93]. ROS são predominantemente gerados em organelas como o retículo endoplasmático (RE), em peroxissomos e mais notavelmente na mitocôndria [94]. Durante a fosforilação oxidativa, o oxigênio é usado para a síntese de água pela adição de elétrons através da cadeia de transporte de elétrons mitocondrial (ETC). Alguns desses elétrons são aceitos pelo oxigênio molecular para formar O ^2- , que pode transformar ainda mais H ₂ O ₂ e • OH [93].

Em um contexto fisiológico, as ROS são produzidas como uma resposta natural ao metabolismo normal do oxigênio [95] e desempenham um papel vital em várias vias de sinalização celular [96, 97]. Dröge e Holmstrom et al. relataram que ROS pode ativar inúmeras cascatas de sinalização, incluindo o receptor do fator de crescimento epidérmico (EGF), as cascatas da proteína quinase ativada por mitogênio (MAPK), a proteína-1 ativadora do fator de transcrição (AP-1) e o fator nuclear-KB ( NF-κB), e ainda participou do processo de crescimento, proliferação e diferenciação de mamíferos [98, 99]. Outros estudos mostraram que as ROS também regulavam o reparo de feridas [100], a sobrevivência após hipóxia [101], a homeostase do pH intracelular [102] e a imunidade inata [103].

No entanto, após a exposição a NPs, a geração intracelular de ROS pode aumentar drasticamente por indução de bursts de ROS nas células [20] (Tabela 1). As principais explicações mecanísticas para as explosões de ROS são que os íons metálicos liberados por NPs promovem a superexpressão de ROS ao prejudicar a respiração mitocondrial [30, 104].

Foi demonstrado que os íons metálicos liberados por NPs se misturam ao ciclo redox e à quimiocatálise por meio da reação de Fenton [H ₂ O ₂ + Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + HO ^- + • OH] ou reação do tipo Fenton [Ag ⁺ H ₂ O ₂ + H ⁺ =Ag ⁺ + • OH + H ₂ O] [23, 105, 106]. O íon metálico dissociado (ou seja, Ag ⁺ ) também causa a desativação da enzima celular, ruptura da estrutura da membrana [31, 107], processo de transporte de elétrons perturbado [108], níveis de potencial redox esgotados, potenciais de membrana mitocondrial (MMP) reduzidos [109] e aumenta ainda mais o acúmulo de ROS intracelulares. NPs também foram relatados para promover o acúmulo de ROS intracelular por perturbar o processo de transferência de elétrons [32, 110], aumentando o NADP ⁺ / Relação NADPH [30] e função mitocondrial interferente [18]. NPs interferem ainda mais na expressão de genes relacionados ao estresse oxidativo, como soxS , soxR , oxyR e ahpC [58]; genes antioxidantes, como sod1 e gpx 1 [111, 112]; e o gene relacionado à produção de NADPH met9 [30]. A instabilidade na expressão de genes oxidativos e antioxidantes causada por NPs acelera o acúmulo de ROS intracelular.

Curiosamente, o aumento da produção de ROS foi fortemente associado a tamanhos e formatos particulares de NPs [113, 114]. Por exemplo, TiO ₂ NPs contribuíram para a geração de ROS intracelular, o que levou a danos ao ácido nucléico e à proteína [10]. Liao et al. descobriram que 10 nm TiO ₂ NPs tinham maior genotoxicidade do que outros tamanhos testados e, portanto, poderiam induzir mais geração de ROS [115]. Em outro caso, Se NPs promoveram a produção de ROS nas células, e o rendimento de ROS intracelulares foi altamente associado com o diâmetro de Se NPs. Nesse caso, um diâmetro de 81 nm induziu mais produção de ROS do que outros tamanhos testados [113]. Cho et al. mostrou ainda que a forma de NPs afetou fortemente sua capacidade de induzir a produção de ROS. Nanopartículas metálicas que mimetizam flores diurnas (D-NP) levam a uma produção significativamente maior de ROS do que nanopartículas metálicas que mimetizam flores noturnas (N-NP), resultando em um efeito de morte celular aprimorado [114] (Fig. 1).

A produção de ROS induzida por NPs em soluções e células circundantes [32]. Os elétrons gerados a partir de NPs podem entrar nas células e perturbar as funções da cadeia respiratória, aumentando a produção de ROS intracelular. Os elétrons também podem reagir com O ₂ diretamente e aumentou a geração de ROS extracelulares

NPs podem induzir bursts de ROS intracelulares em uma concentração muito baixa (mostrado na Tabela 1), por exemplo, Nano-C60 a 1 μg / mL pode aumentar significativamente a apoptose celular induzindo estresse oxidativo [26, 27]. Notavelmente, a maioria dos NPs tem um efeito dependente da dose, como foi relatado para VO ₂ NPs [60, 61] e CuO NPs [74, 75].

Consequências catastróficas de NPs em células por aumento da produção de ROS

NPs que entram na célula freqüentemente têm efeitos adversos sobre ela. A explicação mais suportada para a citotoxicidade de NPs é que o estresse oxidativo é induzido por uma explosão de ROS. Explosões de ROS causadas por NPs resultaram na modificação oxidativa de biomacromoléculas, no dano de estruturas celulares, no desenvolvimento de resistência a drogas, na mutação genética e na carcinogênese [116, 117]. Além disso, as explosões de ROS alteraram as funções fisiológicas normais das células, como é o caso da inflamação desencadeadora, que em última instância bloqueia as funções celulares e danifica o organismo [23, 118, 119]. Geralmente, os NPs são primeiro adsorvidos na superfície da célula e, em seguida, passados através da membrana para a célula, onde induzem a geração de ROS [36]. Devido ao seu forte potencial oxidativo, ROS é altamente estressante para a célula [46] e ataca quase todos os tipos de biomoléculas na célula, incluindo carboidratos, ácidos nucléicos, ácidos graxos insaturados, proteínas e aminoácidos e vitaminas [36, 120, 121 ] (Figura 2).

O papel crucial das ROS na citotoxicidade induzida por NPs [33]. Os possíveis eventos celulares que ocorrem após NPs interagirem com sistemas intracelulares

Resultados de ROS em peroxidato lipídico e danos à estrutura da membrana

Os lipídios, especialmente os ácidos graxos insaturados, são macromoléculas intracelulares importantes, que desempenham papéis importantes na estrutura e no funcionamento da membrana celular. Os NPs são fortemente atraídos para a membrana celular, onde podem gerar ROS e levar à peroxidação lipídica da membrana externa. O conteúdo alterado de ácidos graxos da membrana celular pode resultar em aumento da permeabilidade celular, o que resulta no transporte descontrolado de NPs do ambiente extracelular para o citoplasma, onde o dano celular pode progredir ainda mais [76, 122].

NPs intracelulares induzem a próxima rodada de rajadas de ROS. ROS sobrecarregados levam à ruptura das membranas das organelas, o vazamento do conteúdo das organelas [52, 123], a inativação dos receptores celulares [124], a liberação de lactato desidrogenase (LDH) e outros danos celulares irreversíveis [125 ]

ROS ataca proteínas e resulta em inativação funcional

ROS ataca os resíduos hidrofóbicos de aminoácidos, contribuindo para a quebra de ligações peptídicas e interferindo na função dessas proteínas [126,127,128]. A carbonilação é outra característica das proteínas sujeitas a danos oxidativos [129]. As proteínas carboniladas formam agregados que são quimicamente irreversíveis e não podem ser degradados por meio de proteassomas, levando à perda permanente da função dessas proteínas [130, 131]. Gurunathan et al. [132] mostraram que os PtNPs podem aumentar a geração de ROS e aumentar os níveis de proteínas carboniladas, que inibem a proliferação do osteossarcoma e contribuem para a apoptose. Em um caso, nanopartículas derivadas de combustão e fricção (CFDNPs) acumularam-se no cérebro de adultos jovens com doença de Alzheimer, o que provavelmente promoveu a geração de ROS, resultando em dobramento incorreto, agregação e fibrilação da proteína [133]. Além disso, Pelgrift et al. mostraram que Mg NPs podem inibir a transcrição de genes ou danificar proteínas diretamente [10].

Mutação genética induzida por ROS

Os ácidos nucleicos, incluindo DNA e RNA, são essenciais para a função, crescimento e desenvolvimento celular, e seus nucleotídeos componentes são alvos vulneráveis de ROS [134,135,136]. Devido ao seu baixo potencial redox, os ROS podem reagir diretamente com as nucleobases e modificá-las [137]. Por exemplo, ROS poderia oxidar guanina a 8-oxo-7,8 dihidroguanina (8-oxoG) [138] e adenina a 1,2-dihidro-2-oxoadenina (2-oxoA) [139]. Essas modificações de base levam a danos ao DNA [140]. Devido ao seu potencial genotóxico e sua capacidade de induzir a formação de ROS [141], os NPs induzem significativamente quebras de DNA de fita simples e dupla [142, 143], danos cromossômicos e eventos gênicos aneuploides [144].

O aumento da produção de ROS é a principal causa de codificação incorreta de genes, aneuploidia, poliploidia e ativação da mutagênese em células expostas a NPs [145,146,147,148]. Entre os pools de nucleotídeos, a guanina é o mais vulnerável e é facilmente oxidada a 8-oxoG por ROS [149]. O nível elevado de 8-oxo-dG no DNA resulta na incompatibilidade de bases do DNA [150]. Da mesma forma, a incorporação de A:8-oxoG causa um aumento da taxa de mutações transversais deletérias G:C> T:A [151, 152]. A razão da transversão G:C> T:A para a mutação de transição G:C> A:T também tem sido usada como um índice para quantificar o dano oxidativo ao DNA [153].

A geração de ROS induzida por NPs resultou no acúmulo de danos ao DNA, o que leva ao desenvolvimento de mutagenicidade [154], oncogênese [155], resistência a múltiplas drogas [156, 157], envelhecimento e escape imunológico [158]. Jin et al. mostraram que a superprodução de ROS aumentou dramaticamente a mutagênese de genes reguladores da transcrição de ligação ao DNA, o que resultou em um efluxo acelerado de antibióticos [159], que por sua vez promove a resistência a antibióticos múltipla das bactérias [34]. Giannoni et al. relataram que as mutações do DNA mitocondrial ocorreram com o aumento de ROS intracelulares e danificaram ainda mais a atividade do complexo ETC I e resultaram em disfunção mitocondrial [160, 161].

Foi demonstrado que o dano ao DNA induzido por NPs inibe a síntese de aminoácidos, a replicação [162] e causa o acúmulo aberrante das proteínas p53 [163] e Rab51 [82, 142]. O dano ao DNA também pode atrasar ou prender totalmente a célula [164]. As células com DNA danificado perdem a capacidade de crescimento e proliferação [165] e podem eventualmente resultar em morte celular [166] (Fig. 3).

Eventos celulares induzidos por NPs. ① Os NPs contribuem para a destruição da membrana celular e para a peroxidação lipídica. ② A membrana lisossomal é destruída por NPs e resulta na liberação de seu conteúdo. ③ A membrana mitocondrial é danificada por NPs, levando à liberação de conteúdo. NPs reduzem a geração de ATP e aumentam a produção de ROS. ④ As ROS induzidas por NPs resultam na tradução incorreta do RNA. ⑤ Os NPs evitam a ligação do tRNA ao ribossomo. ⑥ As ROS induzidas por NPs resultam na polimerização de proteínas e DNA. ⑦ As ROS induzidas por NPs levam a mutações no DNA ⑧ A membrana nuclear é destruída por NPs, resultando na liberação de seu conteúdo

Maior produção de ROS induz dano celular e ocorrência de doença

A citotoxicidade de NP está associada ao estresse oxidativo, produção endógena de ROS e depleção dos pools de antioxidantes intracelulares. O aumento do estresse oxidativo leva ao dano oxidativo às biomacromoléculas, o que afeta ainda mais o funcionamento normal da célula e contribui para a ocorrência e o desenvolvimento de várias doenças [167].

NPs induzem danos à membrana e aumentam o transporte de NPs para o citoplasma. NPs se concentram em lisossomos, mitocôndrias e no núcleo, o que resulta em consequências catastróficas para a célula [168, 169]. Foi relatado que os NPs podem reduzir a geração de trifosfato de adenosina (ATP) [89], esgotar a glutationa, induzir a tradução incorreta de proteínas [170], romper lisossomas [171] e inibir a subunidade ribossômica de se ligar ao RNA de transferência (tRNA). Esses eventos celulares indicam um colapso do processo biológico fundamental na célula e levam a uma diminuição significativa na viabilidade celular [47]. Singh e Scherz-Shouval et al. relataram que os NPs podem perturbar as funções do citoesqueleto ao induzir a geração de ROS e ativar o processo de autofagia e apoptose nas células [89].

Os NPs entram no corpo por diferentes vias, por exemplo, através da pele, pulmões ou trato intestinal (Fig. 4a) e podem ter uma ampla variedade de efeitos toxicológicos e induzir respostas biológicas, como inflamação e respostas imunes [172,173,174]. Em um caso, a exposição de células a NPs de sílica fez com que os macrófagos secretassem grandes quantidades de interleucina-1β (IL-1β), o que acabou resultando na morte celular [175]. Gao e colegas relataram que a inflamação pulmonar foi consideravelmente maior em camundongos após a exposição a nanotubos de carbono, que poderiam ativar macrófagos alveolares e induzir uma forte resposta inflamatória [176]. Em outro estudo, as cobaias expostas a NPs de ZnO sofreram danos pulmonares, o que leva a uma diminuição da capacidade pulmonar total e da capacidade vital [177,178,179].

Entrada de NP em e dano de órgãos. a NPs podem entrar nos organismos através da cavidade oral, cavidade nasal, trato respiratório, rins e trato intestinal; b Os NPs podem se espalhar pela circulação sistêmica e se acumular nos rins, fígado, coração, cérebro, trato intestinal e pulmões, levando à disfunção orgânica (esta figura foi criada em BioRender.com).

Os NPs de ZnO também induziram lesões graves na barreira epitelial alveolar e causaram inflamação nos pulmões humanos [180]. Em outro caso, os NPs absorvidos pelos intestinos causaram a inflamação e a degradação da mucosa intestinal [181]. Shubayev et al. observaram que Mg NPs aumentaram a migração de macrófagos para o sistema nervoso ao degradar as barreiras sangue-cérebro e sangue-nervo de uma maneira dependente de MMP [182]. Além disso, os camundongos que inalaram nanotubos de carbono exibiram imunossupressão e resposta reprimida de anticorpos em células ingênuas do baço [183]. Finalmente, Cd NPs causou uma redução severa na viabilidade dos monócitos sanguíneos, resultando em imunodeficiência [184].

Além das patologias acima, o nível altamente variável de ROS foi identificado como a principal causa do desenvolvimento de inúmeras doenças humanas. Tretyakova e Liou et al. mostraram que o DNA oxidado tende a formar conjugados DNA-proteína, que se acumulam no coração e no cérebro e contribuem para a ocorrência de câncer, doenças relacionadas ao envelhecimento e inflamação crônica [185, 186]. Andersen [187] concluiu que o diabetes, assim como as doenças cardiovasculares e neurodegenerativas, estavam altamente relacionadas ao desequilíbrio das ROS. Além disso, Pérez-Rosés et al. mostraram que o aumento de ROS promoveu o desenvolvimento da doença de Alzheimer e Parkinson [188].

Foi ainda relatado que os NPs promovem a apoptose de células de câncer de mama [35] e destroem tecidos malignos e patógenos, promovendo a geração de ROS [189, 190]. No entanto, também se descobriu que ROS induz a proliferação de células normais e cancerosas, estimulando mutações e iniciando a carcinogênese em células normais e a resistência a múltiplas drogas em células cancerosas [191, 192]. Handy et al. descobriram que peixes expostos a nanotubos de carbono exibiam granulomas em seus pulmões e tumores em seus fígados com tempos de exposição prolongados [193]. Alguns NPs causaram falência de múltiplos órgãos, afetando principalmente o coração, pulmão, rins e fígado. TiO ₂ Demonstrou-se que os NPs promovem redução do peso corporal, lesões do baço, coagulação do sangue no sistema respiratório, necrose e fibrose nas células do fígado e incremento do septo alveolar [194, 195]. Em um estudo, os NPs também impediram a diferenciação das células-tronco, o que agravou os danos aos órgãos [196]. Outras pesquisas também relataram que os NPs diminuíram a qualidade do esperma [197] e que a exposição dos espermatozoides a NPs de carbono influenciou sua capacidade de fertilizar óvulos e prejudicou o desenvolvimento dos embriões em ouriços-do-mar roxos [198]. Evidências crescentes mostram os efeitos toxicológicos dos NPs em microrganismos, algas, nematóides, plantas, animais e humanos especificamente [22, 199, 200] (Fig. 4b).

O novo tipo de NPs com menos ou nenhuma citotoxicidade

NPs possuem uma gama de propriedades biomédicas que os tornam valiosos (por exemplo, como agentes antibacterianos e anticâncer [26,27,28]). Seu principal modo de ação é a capacidade de aumentar a produção de ROS nas células; no entanto, essa propriedade também torna essas partículas tóxicas, por causar mutação gênica, apoptose e até mesmo carcinogênese [45, 49, 58]. Consequentemente, há uma necessidade urgente de desenvolver novos NPs que mantenham suas propriedades necessárias sem levar à produção excessiva de ROS. Estudos recentes relataram novos tipos de NPs que podem remover ROS intracelulares. Esses tipos se enquadram em duas classes:(1) NPs que podem eliminar ROS [77] e (2) NPs que são revestidos com materiais adicionais para diminuir sua citotoxicidade [87].

Panikkanvalappil e colegas mostraram que Pt NPs inibem a quebra da fita dupla de DNA pela degradação de ROS [201]. Em outro caso, Mn ₃ O ₄ Os NPs modulam a redox celular resultando na proteção das biomacromoléculas contra o estresse oxidativo [77]. Além disso, o CeO ₂ NP é um novo agente que protege células e tecidos contra danos oxidativos com sua capacidade de eliminação de radicais livres [79, 202].

H ₂ O ₂ é o principal subproduto das interações NP-célula. H ₂ O ₂ destrói biomoléculas importantes, incluindo proteínas, lipídios e ácidos nucléicos. No entanto, quando as células foram tratadas com MNPs especializados revestidos com ácido mercaptopropiônico (MPA-NPs) ou sílica aminada (SiO ₂ -MNPs), tal dano não foi observado [203, 204]. Da mesma forma, GO revestido com polivinilpirrolidona (PVP) tem menos efeitos tóxicos nas células dendríticas (DCs), linfócitos T e macrófagos do que sem este revestimento. Foi demonstrado que o PVP-GO reduz a apoptose dos linfócitos T e até aumenta a atividade dos macrófagos [205]. AuNRs revestidos com Pt (PtAuNRs) retêm a eficácia dos nanobastões de ouro tradicionais (AuNR) e podem desencadear a morte celular das células desejadas enquanto eliminam as ROS, protegendo assim as células saudáveis não tratadas da morte indireta induzida pela produção de ROS [87].

Conclusões e Outlook

NPs que possuem propriedades físico-químicas únicas (por exemplo, tamanho ultrapequeno, grande área de superfície para razão de massa e alta reatividade) os tornam altamente desejáveis em diferentes aplicações. NPs projetados para fins comerciais têm aumentado rapidamente. Por isso, a biossegurança dos NPs vem ganhando cada vez mais atenção do público. Nesta revisão, resumimos os mecanismos e responsáveis pela formação de ROS por NPs no nível celular, bem como os avanços recentes da toxicidade NP relacionada a ROS no campo biomédico e destacamos o campo emergente de NPs amigáveis às células. A geração de ROS induzida por NPs associada a seu tamanho, morfologia, área de superfície e componente. Além disso, o ROS é bio-multifuncional em biologia celular e biomedicina, bem como o mediador-chave da sinalização celular, incluindo apoptose celular, viabilidade e diferenciação.

Porém, para melhorar a biossegurança dos NPs e acelerar seu uso na área biomédica, alguns gargalos precisam ser superados e muito trabalho ainda é necessário. Em primeiro lugar, espera-se que os métodos de alto rendimento (HTMs) sejam projetados para detectar com eficiência a biotoxicidade dos NPs in vitro e in vivo. Os HTMs podem economizar tempo e recursos, combinar vários parâmetros em um único sistema e minimizar erros metodológicos ou sistemáticos. Também ofereceria uma compreensão profunda da relação entre as propriedades NP e as respostas celulares, o que poderia nos ajudar a identificar a condição ideal.

Em segundo lugar, os mecanismos moleculares e celulares relacionados à biotoxicidade das ROS induzidas por NP ainda não são claros. Há uma demanda para explorar mais os mecanismos associados à formação de ROS por NPs, o que forneceria mais informações para modificar as características físico-químicas de NPs para controlar a geração de ROS. Isso poderia ajudar os pesquisadores a desenvolver novas estratégias para reduzir os riscos de NPs projetados para acelerar sua tradução clínica e comercial no campo biomédico.

Finalmente, devido às suas características estruturais, os NPs podem entrar no corpo livremente por várias vias, e o acúmulo de NPs no corpo pode induzir inflamação e respostas imunológicas, que resultam em lesão ou morte celular, disfunção orgânica e, em última análise, estimulam a ocorrência de numerosas doenças, como Alzheimer, Parkinson, inflamação do fígado e disembrioplasia. Essas questões se tornaram mais prementes com o uso generalizado de NPs.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado [e seus arquivos de informações complementares].

Abreviações

• OH:: Radical hidroxila
2-oxoA:: 1,2-Diidro-2-oxoadenina
8-oxoG:: 8-oxo-7,8 dihidroguanina
Ag NPs:: Nanopartículas de prata
AP-1:: Proteína-1 ativadora do fator de transcrição
ATP:: Trifosfato de adenosina
AuNR:: Nanobastões de ouro
CFDNPs:: Nanopartículas derivadas de combustão e fricção
DCs:: Células dendríticas
D-NP:: Nanopartículas metálicas que imitam flores do dia
EGF:: Fator de crescimento epidérmico
ER:: Retículo endoplasmático
ETC:: Cadeia de transporte de elétrons mitocondrial
Fe ₃ O ₄ -PEG-G5-MMP2 @ Ce6:: Fe ₃ O ₄ -polietilenoglicol-poliamida-amina-matriz metaloproteinase2 @ clorina e6
H ₂ O ₂ :: Peróxido de hidrogênio
HS-Fe-PEG-HER2 NPs:: Nanopartículas ocas de sílica-Fe-polietilenoglicol-receptor de fator de crescimento epidérmico humano 2
LDH:: Lactato desidrogenase
MMP:: Potenciais de membrana mitocondrial
MPA-NPs:: MNPs revestidos com ácido mercaptopropiônico
NADP ⁺ / NADPH:: Fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina oxidado / reduzido
NF-κB:: Fator nuclear-κB
N-NP:: Nanopartículas metálicas que imitam flor da noite
NPs:: Nanopartículas
O ^2- :: Radical ânion superóxido reativo
NPs pDNA-PEI-CeO:: Nanopartículas de pDNA-polietilenimina CeO
PtAuNRs:: AuNRs revestidos de Pt
PVP:: Polivinilpirrolidona
ROS:: Espécies que reagem ao oxigênio
SiO ₂ -MNPs:: MNPs com sílica aminada
tRNA:: RNA de transferência

Gene direcionado silenciando o efeito fototérmico sinergizado BRAF inibe o crescimento de células de hepatoma usando o novo nanossistema GAL-GNR-siBRAF HEMTs de canal duplo AlGaN de alto desempenho com densidade de corrente de drenagem aprimorada e alta tensão de ruptura

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias