Peixe-zebra:um sistema de modelo em tempo real promissor para a entrega de medicamentos neuroespecíficos mediada por nanotecnologia

Resumo

Distribuir medicamentos ao cérebro sempre foi um desafio para a comunidade de pesquisadores e os médicos. A barreira hematoencefálica (BBB) ​​atua como um grande obstáculo para o fornecimento de drogas a partes específicas do cérebro e do sistema nervoso central. É fisiologicamente composto por uma rede complexa de capilares para proteger o cérebro de quaisquer agentes invasivos ou partículas estranhas. Portanto, há uma necessidade absoluta de compreensão do BBB para intervenções terapêuticas bem-sucedidas. Pesquisas recentes indicam o forte surgimento do peixe-zebra como modelo para avaliar a permeabilidade da BBB, que é altamente conservada em sua estrutura e função entre o peixe-zebra e os mamíferos. O sistema de modelo de peixe-zebra oferece uma infinidade de vantagens, incluindo fácil manutenção, alta fecundidade e transparência de embriões e larvas. Portanto, tem potencial para ser desenvolvido como um modelo para analisar e elucidar a permeabilidade da BBB a novas tecnologias de permeação com neuroespecificidade. A nanotecnologia tornou-se agora uma área de foco dentro da comunidade industrial e de pesquisa para a entrega de drogas ao cérebro. As nanopartículas estão sendo desenvolvidas com maior eficiência e precisão para superar o BBB e entregar drogas neuroespecíficas ao cérebro. O peixe-zebra se destaca como um excelente sistema modelo para avaliar a biocompatibilidade e toxicidade das nanopartículas. Conseqüentemente, o modelo do peixe-zebra é indispensável para a descoberta ou desenvolvimento de novas tecnologias para a entrega de drogas neuroespecíficas e terapias potenciais para doenças cerebrais.

Introdução

A distribuição de drogas refere-se ao método de transferência de compostos para o corpo para fins terapêuticos. Os compostos são principalmente de natureza farmacêutica e direcionados contra uma determinada condição de doença para uma determinada população de células in vivo. O termo liberação de medicamento engloba duas idéias principais:forma de dosagem e via de administração [1]. A administração adequada do medicamento garante a atividade eficiente do medicamento, regulando o seguinte:liberação do medicamento, absorção pelas células e distribuição correta no sistema [2]. Algumas rotas comuns de distribuição de drogas incluem as vias enteral (trato gastrointestinal), parenteral (via injeções), inalação (mediada pelo olfato), transdérmica (via derme), tópica (pela pele) e oral (via esôfago) [3]. A distribuição de um medicamento é crítica e de grande importância no campo da terapêutica. O método escolhido deve ser mais eficaz e também menos tóxico para o sistema [4]. O problema se torna ainda maior quando o órgão em questão é o cérebro. Distribuir drogas para o cérebro tem sido uma luta entre os pesquisadores por mais de décadas [5, 6]. Inúmeras tecnologias e idéias têm sido utilizadas para o desenvolvimento de uma técnica eficaz [7, 8]. No entanto, o sucesso não parece muito próximo. O maior obstáculo nessa luta é a capacidade de cruzar a barreira hematoencefálica (BBB). O BBB é uma barreira fisiológica para proteger nossos cérebros de compostos que estão sendo transferidos do sangue para o cérebro [9]. A composição natural da barreira permite que apenas moléculas muito pequenas na corrente sanguínea tenham acesso ao cérebro [10]. Moléculas com pequenos pesos moleculares <400 Da e aquelas que são lipossolúveis têm a capacidade de penetrar no cérebro [11]. Os medicamentos neuroespecíficos devem atender a esses parâmetros para a entrega eficaz de medicamentos em toda a BBB. Atualmente, a maioria das drogas desenvolvidas para atingir o cérebro não têm sucesso em cruzar a BBB [9, 12, 13]. As doenças do sistema nervoso central são algumas das doenças mais prevalentes que afetam várias pessoas em todas as fases da vida. No entanto, essas doenças ainda são as menos tratadas [14]. Há uma necessidade imediata de novas tecnologias de entrega de medicamentos neurosspecíficos, uma vez que as taxas de sucesso dos medicamentos existentes direcionados ao cérebro são extremamente baixas. Além da permeabilidade restrita do BBB, a complexidade do cérebro e os efeitos colaterais causados ​​pelas tecnologias de entrega de drogas existentes também precisam ser cuidados [15]. A ausência de um método absoluto para a entrega eficiente de medicamentos neuroespecíficos tem dificultado o desenvolvimento de medicamentos eficazes neste campo. A comunidade de pesquisa explorou vários caminhos para a entrega de drogas seguras e direcionadas ao cérebro. Macromoléculas em nanopartículas estão sendo exploradas para garantir a máxima eficácia [16].

A nanotecnologia tem adquirido cada vez mais o interesse da comunidade científica por seu impacto crescente na pesquisa sobre a entrega de drogas para o cérebro [17]. Com o crescimento da nanotecnologia, houve uma expansão simultânea do setor de nanotoxicologia. A avaliação da toxicidade das nanopartículas desempenha um papel fundamental na análise do impacto das nanopartículas nas espécies individuais e no ambiente em geral [18]. Nos últimos anos, viu-se a aplicação do peixe-zebra como protótipo para estudos de toxicidade [19]. O peixe-zebra tem sido usado extensivamente para estudos de biologia experimental e agora está evoluindo como um sistema modelo robusto para estudar nanotoxicidade [20]. Em termos de sistema modelo para nanotoxicidade, o peixe-zebra oferece várias vantagens. É altamente econômico para uso como animal experimental e fácil de manter. Possui alta taxa de fecundidade tornando-os facilmente disponíveis e auxiliando no entendimento da fisiologia dos vertebrados de forma mais fácil [21]. No entanto, o uso do peixe-zebra como sistema modelo também tem suas limitações. Em primeiro lugar, o sistema nervoso do peixe-zebra pode não ser tão complicado e desenvolvido como o dos humanos; os sistemas nervosos de roedores e murinos são comparativamente mais desenvolvidos e podem ser usados ​​para estudar as doenças cerebrais humanas complexas; no entanto, eles não são idênticos aos dos humanos [22]. Em segundo lugar, o peixe-zebra não possui alguns sistemas de órgãos encontrados em humanos, como os pulmões, a próstata e as glândulas mamárias; também, doenças causadas por genes ausentes no peixe-zebra não podem ser estudadas [23]. No entanto, o peixe-zebra compartilha 70% de similaridade genômica com o genoma humano e 84% de homologia com genes causadores de doenças humanas, o que o torna altamente adequado para imitar a patologia de doenças humanas [24]. O peixe-zebra adulto foi previamente postulado como desprovido do macrófago do fígado; as células de Kupffer foram consideradas presentes apenas temporariamente no estágio embrionário inicial e ausentes ou esparsas em estágios posteriores de desenvolvimento [25,26,27]. No entanto, trabalhos recentes mostraram a origem hematopoiética das células de Kupffer e sua persistência mesmo no fígado do peixe-zebra adulto, tornando o peixe-zebra adepto da pesquisa em células de Kupffer também [28, 29]. Além disso, espera-se que os modelos de vertebrados superiores imitem as complicadas patologias humanas com maior precisão do que o peixe-zebra. Recentemente, um debate começou sobre a confiança em dados disponíveis de modelos animais e sua extrapolação para humanos [30]. Isso aponta para o fato de que qualquer modelo animal, seja qual for, tem suas próprias limitações quando aplicado a estudos clínicos [30, 31].

Esta revisão discute os estudos mais recentes sobre a entrega de drogas mediada por nanotecnologia especificamente para o cérebro usando o peixe-zebra como sistema modelo. Ele resume os obstáculos do BBB e as várias otimizações de nanofármacos, sua avaliação de toxicidade e impacto como uso para terapêutica em doenças neurodegenerativas usando embriões de peixe-zebra e adultos. Finalmente, a revisão destaca as vantagens e desvantagens do modelo do peixe-zebra para a entrega de drogas neuroespecíficas e traz à luz o imenso escopo que detém para futuras pesquisas translacionais.

Barreira hematoencefálica:o principal obstáculo na administração de medicamentos neuroespecíficos

O BBB garante entrada restrita de substâncias no cérebro, agindo assim como uma barreira de difusão ajudando a manter a homeostase cerebral normal [32]. Várias células estão envolvidas na formação da estrutura composta da BBB [33]. Pericitos, astrócitos e neurônios constituem os componentes celulares, enquanto as células endoteliais, as junções estreitas e a membrana basal juntas constituem a BBB [34]. A falta de fenestrações nas células endoteliais do cérebro não garante a difusão de pequenas moléculas em sua superfície. Mesmo as substâncias solúveis em água são impedidas de entrar no cérebro pela presença de junções endoteliais como junções apertadas, junções aderentes e junções gap, ligando as células endoteliais [35]. Essas células endoteliais são, por sua vez, circundadas por pericitos, astrócitos e membrana basal que completam a estrutura da BBB [36]. As junções aderentes e as junções estreitas regulam a permeabilidade da camada de células endoteliais. As junções gap são compostas por moléculas de conexina e controlam a comunicação entre as células endoteliais [37]. As moléculas podem cruzar a BBB por meio de duas vias:a via paracelular ou a via transcelular [38]. Na via paracelular, os íons e moléculas passam pela BBB por difusão passiva entre as células usando um gradiente de concentração [39]. A via transcelular emprega o uso de vários mecanismos como transcitose ou transporte mediado por receptor para a passagem de moléculas através das células [40]. Vários parâmetros influenciam a permeabilidade da BBB. Peso molecular, carga na superfície, atividade de superfície, solubilidade da molécula e tamanho relativo da molécula impactam a permeabilidade BBB [41].

Barreira hematoencefálica:tecnologias modernas para entrega de medicamentos

A barreira hematoencefálica (BBB) ​​em um cérebro saudável opera principalmente como uma barreira de difusão para proteger as funções cerebrais normais. Impede que a maioria dos compostos seja transferida do sangue para o cérebro. O rigoroso BBB permite que apenas moléculas muito pequenas entrem no cérebro; no entanto, observa-se que é interrompido em condições de doença.

Por que as nanopartículas são uma escolha atual para a administração de medicamentos neuroespecíficos

A técnica de engenharia e síntese de materiais em nível molecular é conhecida como nanotecnologia. O National Nanotechnology Institute define nanotecnologia como qualquer material que existe em pelo menos uma dimensão e varia em tamanho entre 1 e 100 nm (Fig. 1). A última década viu um boom no campo da nanotecnologia e suas aplicações no campo biomédico. Acredita-se que a distribuição de medicamentos baseados em nanotecnologia tenha agitado todas as indústrias de biotecnologia e farmacêutica e trouxe uma mudança profunda neste campo nos próximos anos [42,43,44,45,46,47]. A aplicação da nanotecnologia promete várias vantagens na entrega direcionada de medicamentos. Estes incluem a capacidade de entregar drogas (a) de menos solubilidade em água ao seu respectivo local alvo, (b) de dois ou mais tipos para alcançar a terapia combinatória, (c) entrega direcionada no local de ação específico, (d) transporte de drogas através de barreiras rígidas, ou seja, barreira hematoencefálica, (e) oportunidades de visualização para melhor compreensão e análise da atividade da droga [48] e (f) facilidade de rastreamento em tempo real para alcançar eficácia perfeita no modo de atividade da droga [44]. Portanto, a técnica da nanotecnologia possui um enorme potencial para a terapêutica neurespecífica.

Características dos medicamentos neurosspecíficos. O BBB é normalmente composto de junções apertadas nas células endoteliais rodeadas por astrócitos, pericitos e neurônios. Moléculas neuroespecíficas devem possuir características específicas para serem capazes de cruzar a barreira hematoencefálica (BBB). As características preferidas são:tamanho muito pequeno com um diâmetro inferior a 100 nm, baixo peso molecular, de preferência inferior a 400 Da, deve ter carga positiva, forma esférica e solubilidade lipídica

Peixe-zebra como modelo para administração de medicamentos neuroespecíficos

O Danio rerio (peixe-zebra) é um modelo demonstrado de vertebrados para explorar estudos de desenvolvimento e o estudo de doenças degenerativas [49,50,51,52]. Pode ser modelado para análises de longo alcance, desde análises fundamentais e toxicológicas até estudos pré-clínicos [53,54,55]. Das várias vantagens oferecidas pelo peixe-zebra, sua manutenção econômica, teste fácil com requisitos de alojamento simples e um tamanho de embreagem grande são altamente adequados para testes de alto rendimento [56]. A alta fecundidade é uma característica distintiva que acentua ainda mais o uso deste sistema modelo [24, 57]. Os sistemas de órgãos do peixe-zebra são altamente conservados em comparação aos dos vertebrados superiores [58].

Os embriões de peixe-zebra têm desenvolvimento externo e são completamente transparentes, pelo que podem ser extensivamente estudados visualmente. Assim, eles são uma excelente ferramenta para análises de triagem usando agentes que interrompem o crescimento normal, o desenvolvimento e o ciclo celular [59]. Eles exibem padrões de desenvolvimento completos que vão desde a epibolia até o desenvolvimento final de estruturas-chave [60, 61]. O peixe-zebra é agora amplamente usado para pesquisa neuropsiquiátrica e vários estudos para analisar a toxicidade do desenvolvimento na entrega de drogas mediada por nanopartículas. A exposição do peixe-zebra às nanopartículas de ouro interrompeu o desenvolvimento normal do olho e a pigmentação, conforme observado através de um microscópio de luz simples [62, 63]. A administração de nanopartículas de ouro ao peixe-zebra resultou em efeitos genotóxicos e graves alterações na constituição do genoma [64]. A toxicidade dependente da dose e do tempo de NPs de sílica foi determinada analisando seu impacto no sistema cardiovascular [65, 66] e nas taxas de mortalidade [67]. Também foi descoberto que os NPs de quitosana têm maior compatibilidade em comparação com quitosana normal [68].

É absolutamente vital que as nanopartículas usadas para intervenções clínicas sejam biodegradáveis ​​e não tóxicas. As nanopartículas têm grande potencial no campo da entrega de drogas direcionadas e da pesquisa translacional. O uso de nanopartículas tem sido aplicado a um número cada vez maior de campos, incluindo aplicações in vivo. Este amplo aumento no uso de nanopartículas implica o perigo oculto de exposição excessiva desses nanocarreadores a humanos. Os estudos de toxicidade das nanopartículas são uma parte indispensável da nanotecnologia. Estudos enfocando as interações de nanopartículas nos níveis celular e molecular devem ser realizados para analisar a toxicidade antes que possam ser usados ​​clinicamente. A Tabela 1 resume os estudos de neurotoxicidade de diversos nanocarreadores empregados para entrega de drogas direcionadas ao cérebro usando peixe-zebra. A toxicidade das nanopartículas envolve a análise da toxicidade, permeabilidade, taxa de mortalidade, teratogenicidade induzida, reações imunes e toxicidade genômica.

O peixe-zebra é amplamente utilizado como sistema modelo para avaliar a toxicidade e biocompatibilidade das nanopartículas [111,112,113] e possui grande potencial como modelo para estudar neurotoxicidade e triagem de alto rendimento de nanopartículas [114,115,116,117]. Nenhum outro modelo além do peixe-zebra é tão adequado para tais análises. Este sistema modelo pode ser usado para estudar, analisar e gerenciar os riscos decorrentes da toxicidade dos nanomateriais. As informações obtidas serão úteis na formulação de diretrizes específicas, enquadrando medidas de proteção e controles de qualidade ao trabalhar com produtos relacionados à nanotecnologia [118, 119].

Insights sobre a entrega de medicamentos mediada por nanopartículas usando embriões de peixe-zebra

Para usar nanopartículas para direcionar o cérebro, um conhecimento prévio sobre seus efeitos in vivo é essencial. O modelo do peixe-zebra é o mais adequado para essa finalidade. Estudos recentes foram conduzidos usando nanopartículas para obter informações vitais sobre a eclosão das larvas do peixe-zebra. Uso de TiO ₂ nanopartículas induz a eclosão precoce nas larvas de uma maneira dependente da dose [120]. Chen et al. sugerem que TiO ₂ nanopartículas têm um impacto no comportamento de natação das larvas afetando a velocidade e o nível de atividade [121]. Por outro lado, Ong et al. relataram inibição completa da incubação e morte embrionária de larvas após exposição a nanopartículas. Eles ainda acrescentaram que a causa da morte de embriões é a interação física das nanopartículas com os embriões, ao invés dos efeitos das propriedades físico-químicas das nanopartículas [122]. A perturbação do sistema endócrino da tireóide nas larvas do peixe-zebra também foi observada quando elas são expostas ao TiO ₂ nanopartículas [123]. O acúmulo de chumbo foi atribuído como a causa desse efeito adverso. TiO ₂ nanopartículas também foram relatadas para ativar significativamente os níveis de expressão de BDNF, C-fos e C-jun. Por outro lado, também foi encontrado um efeito inibidor em genes como p38, NGF e CRE, resultando em dano cerebral do peixe-zebra [124]. TiO ₂ nanopartículas também demonstraram ter efeitos adversos no potencial reprodutivo dos peixes, causando redução de 9,5% no número de ovos liberados [125]. Vogt et al. relatou ainda a toxicidade química da pequena molécula BCI quando adicionada a embriões de peixe-zebra 24-48 h pós-fertilização [126]. Ali e Legler et al. mostraram malformações induzidas por nanopartículas de nonilfenol nos embriões, mesmo em dose baixa [127]. Usenko et al. avaliou o carbono fulereno [C ₆₀ , C ₇₀ e C ₆₀ (OH) ₂₄ ] -induzida a toxicidade usando embriões de peixe-zebra [128], enquanto Daroczi et al. enumerou o potencial de proteção do mesmo nanomaterial da radiação ionizante [129]. Efeito neuroprotetor de C ₆₀ derivado de fulereno, nanopartícula de dendrofulereno (DF-1), em embriões de peixe-zebra também foi relatado avaliando sua toxicidade [129]. A administração de nanopartículas de sílica aos embriões de peixes resultou em aumento da mortalidade [67], enquanto as nanopartículas de ZnO aumentaram a mortalidade e também causaram ulceração da pele com atraso na eclosão [82]. O impacto da exposição de nanopartículas transmitidas pela água em genes que regulam o sistema imunológico foi relatado pela primeira vez por Brun et al. [130]. Este estudo destaca a importância das respostas moleculares como indicadores de toxicidade biológica. Embriões de peixe-zebra enxertados com células cancerígenas e submetidos a nanopartículas de polímeros foram fotografados em tempo real para entender a toxicidade das nanopartículas e a estratégia de tratamento [131].

Curiosamente, a bio-imagem usando embriões de peixe-zebra de vários estágios de desenvolvimento revelou os efeitos tóxicos das nanopartículas de Ag aglomeradas com colato de sódio [132, 133]. Este estudo é de imensa importância [134], pois mostra que a toxicidade decorrente das nanopartículas de Ag afeta o desenvolvimento das brânquias e lamelos dos peixes. Este efeito inibitório é causado principalmente pela interação de íons Ag nas brânquias, onde eles bloqueiam a atividade Na + / K + ATPase [135, 136]. Além disso, é relatado que as nanopartículas de Cu têm um efeito inibitório semelhante no crescimento das brânquias nos peixes [76]. O uso de nanopartículas de cobre nas larvas levou à malformação e à eclosão retardada [69, 76]. A aplicação de nanopartículas de ouro não teve efeito tóxico nas larvas [69], enquanto as nanopartículas de prata afetaram o desenvolvimento [137]. Nanopartículas feitas de zinco, magnésio, ferro, cobre e níquel não tiveram toxicidade nos adultos, mas nas larvas, foi observada eclosão tardia [78, 79, 81, 82, 138]. Nanopartículas de fulereno composto orgânico também mostraram ser não tóxicas para as larvas em concentrações abaixo de 200 mg / L [139]. Além disso, também foi demonstrado que as nanopartículas de quitosana eram muito mais eficazes e não tóxicas em comparação com as partículas de quitosana usuais [68].

Nanopartículas de óxido de metal como TiO ₂ foram relatados que induzem algumas malformações de desenvolvimento nas larvas do peixe-zebra [120], enquanto alguns relatam que é completamente atóxico [140, 141]. O parâmetro crucial aqui é a dosagem, bem como o tempo de exposição. Doses mais altas de TiO ₂ NPs provam ser fatais para as larvas com acúmulos de NP nas brânquias, coração, fígado e cérebro [141, 142]. Os efeitos genotóxicos também são resultado da exposição a altas doses de TiO ₂ para os peixes [143]. Exposição crônica a concentrações mais baixas (<4 mg / L) de TiO ₂ NPs levam a menor toxicidade e maior taxa de mortalidade [142]. Outra característica importante de uma nanopartícula a ser levada em consideração é a forma da nanopartícula e das proteínas em sua superfície. Cristais hexagonais de coluna de grão de ZnO NPs impactaram o ciclo celular do peixe-zebra [144], enquanto ZnO NPs que eram em forma de folha e revestidos com polímero exibiram maior biocompatibilidade em comparação com os NPs esféricos [122]. Além disso, foi demonstrado que as nanosticks são mais tóxicas do que as esferas e as nanopartículas cuboidais [145]. NPs de ferro levam a deformidades graves nas larvas [146] e efeitos genotóxicos em adultos [134], enquanto metais como níquel, cobalto e alumínio NPs são comprovadamente inertes [82, 147].

Tendo em vista o aumento da devastação causada pelo plástico no mundo de hoje, Pitt et al. mostrou seu impacto no peixe-zebra. Eles observaram que os peixes-zebra em desenvolvimento são altamente suscetíveis aos nanoplásticos disponíveis nos ecossistemas aquáticos. Essas nanopartículas podem penetrar no córion e ter um impacto sombrio em sua fisiologia e respostas comportamentais [148]. Este estudo continua a elucidar o incômodo criado pelo plástico para o mundo subaquático que, por sua vez, impacta a civilização humana. Pesquisas sugerem que nanopartículas muito pequenas, com altas relações de área de superfície / volume, são altamente capazes de absorver poluentes do meio ambiente. O uso de esferas nanoplásticas de poliestireno em produtos cosméticos foi estudado por sua toxicidade de desenvolvimento e impacto em embriões de peixe-zebra [149]. Outro estudo com nanoplástico de poliestireno de tamanho inferior a 20 nm mostrou que ele se acumula no cérebro dos embriões [150].

Percepções reveladas por estudos de nanopartículas em peixes-zebra adultos

Um repertório relativamente extenso de pesquisas foi realizado sobre os efeitos das nanopartículas no peixe-zebra adulto. Ele atua como uma valiosa fonte de informações sobre o uso de nanopartículas em vertebrados. Truong et al. avaliaram a anormalidade comportamental que surge em embriões de 122 dpf por exposição a nanopartículas de ouro [151]. A entrega da droga à pele também foi realizada pela administração de nanopartículas ao peixe-zebra. Os pesquisadores demonstraram que as nanopartículas de Ag-BSA entram na pele por endocitose, onde se acumulam e causam anormalidades na pele [63]. A distribuição de drogas por meio de nanopartículas também tem sido usada para induzir condições de estresse no peixe-zebra para atuar como modelos potenciais para a descoberta de drogas [152]. Foi demonstrado que algumas nanopartículas induzem asma, apoptose e aumento da resposta imune em peixes, tornando possível seu uso para estudos imunotoxicológicos [153,154,155,156]. O modelo do peixe-zebra foi extensivamente estudado para cardiotoxicidade induzida por drogas [157, 158]. O coração de um peixe-zebra exibe várias características funcionais semelhantes às de um coração humano, incluindo as respostas farmacológicas aos medicamentos [159,160,161,162]. O coração do peixe-zebra é o primeiro a se desenvolver aos 22 hpf, enquanto todo o sistema cardiovascular está pronto aos 48 hpf [163]. Os embriões de peixe-zebra foram visualizados para estudar os efeitos das drogas na freqüência cardíaca, ritmicidade, contratilidade e circulação. Vários ensaios visuais foram realizados usando o peixe-zebra para ajudar a elaborar sobre a saúde cardíaca. O intervalo QT é um dos parâmetros nos quais a maioria dos medicamentos cardíacos se baseia. O intervalo QT é o intervalo de tempo entre uma onda Q e uma onda T no ciclo elétrico do coração. Vários medicamentos foram avaliados quanto ao seu efeito no intervalo QT (duração do potencial de ação ventricular) usando peixe-zebra [164,165,166]. Um dos estudos relatou que a droga que causa prolongamento do intervalo QT em humanos realmente leva à bradicardia e bloqueia a condução ventricular auricular [160]. O fígado do peixe-zebra se forma aos 48 hpf e torna-se totalmente funcional aos 72 hpf; este sistema modelo é amplamente utilizado para estudar a administração de drogas baseada no fígado. Estudos neste campo revelaram que a resposta exibida pelo peixe-zebra na toxicidade hepática é semelhante à exibida pelos vertebrados superiores [167]. O peixe-zebra tem sido usado para caracterizar os ortólogos do citocromo P450, CYP3A e CYP3A65 [168, 169]. Avaliações adicionais foram realizadas para elaborar o efeito do medicamento no CYP3A4, CYP2D6 e CYP3A65 [170]. Os efeitos neuroprotetores das nanoformulações de hesperetina foram estudados em um modelo de lesão cerebral traumática de peixe-zebra [171].

Peixe-zebra oferece um modelo de estudo patológico completo para administração de medicamentos neuroespecíficos

Ao administrar o medicamento ao cérebro, vários efeitos adversos podem ocorrer. O modelo do peixe-zebra oferece a vantagem de estudá-los em detalhes e, portanto, fornece uma técnica adequada de administração de drogas ao cérebro [172]. Teratogenicidade:Qualquer tipo de crescimento ou desenvolvimento teratogênico anormal pode ser facilmente avaliado observando os embriões de peixe-zebra transparentes [59]. Das principais perturbações que podem ser observadas durante a formação do teratoma são a pigmentação do olho [67], taxas de mortalidade [65], mudanças no sistema cardiovascular [68] e efeitos na eclosão [115]. Imunotoxicidade:Pesquisas foram conduzidas sobre as reações imunológicas que surgem no peixe-zebra em resposta a drogas ou nanopartículas. Isso leva ao acúmulo de neutrófilos e macrófagos [173]. Foi relatado que o uso de nanopartículas de ouro interrompe as respostas imunes inflamatórias [174], enquanto, por outro lado, foi demonstrado que as nanopartículas de prata induzem respostas inflamatórias [175]. Genotoxicidade:Mudanças que ocorrem no nível do DNA podem ser observadas por PCR em tempo real [143] e outros ensaios do cometa [134]. Pesquisas recentes sobre NPs baseados em carbono têm atraído atenção crescente recentemente [176] principalmente por causa de sua baixa toxicidade [177]. NPs de carbono são usados ​​em várias formas em peixe-zebra que incluem fulerenos [128], nanopartículas de carbono, nanotubos de carbono (CNT) [178], QDs de grafeno [179] e QDs de carbono (pontos C) [180]. Alótropos de carbono, como os fulerenos, também têm sido usados ​​como NPs desde sua descoberta em 1985. Eles têm sido usados ​​extensivamente para aplicações de entrega de drogas [181, 182]. Estudos em peixes-zebra revelaram que a toxicidade do fulereno NPs depende da carga em sua superfície. Fulerenos com carga positiva foram mais tóxicos em comparação com os fulerenos com carga negativa [128]. A pesquisa mostra que os fulerenos solúveis em água têm a capacidade de proteger contra a morte celular, agindo como eliminadores de radicais livres [129, 183]. Pesquisas recentes foram feitas em peixes-zebra com nano-cebolas que são estruturas de fulereno com múltiplas camadas. Eles exibem baixa toxicidade e boa biocompatibilidade nas larvas do peixe-zebra [184]. Os nanotubos de carbono (CNTs) possuem características físico-químicas distintas para as quais são um modo atraente de entrega de drogas para pesquisadores [176, 185, 186]. A eficiência dos CNTs depende de seu comprimento e da natureza de suas paredes, sejam de paredes simples ou múltiplas. Os relatórios sugerem que os CNTs primitivos de parede única ou múltipla têm impacto mínimo no crescimento e desenvolvimento das larvas do peixe-zebra [187]. Variações no comprimento dos CNTs podem levar a mudanças no nível molecular com CNTs mais longos sendo mais citotóxicos [188]. O peixe-zebra adulto, quando exposto a CNTs de paredes múltiplas, demonstrou apresentar toxicidade, incluindo guelras inflamatórias [189] e acúmulo de CNTs no cérebro e nas gônadas [105, 190]. Outra forma de NPs baseados em carbono são os pontos quânticos (QDs) e os pontos quânticos de grafeno (GQDs). A característica típica dos QDs são estruturas de carbono quase esféricas com um diâmetro menor que 10 nm [191] e o dos GQDs é menor que 30 nm [192, 193]. Uma característica adicional dos QDs inclui sua fotoestabilidade única, que permite que se combinem com os fluoróforos, abrindo assim uma pontuação de possibilidades de bioimagem [194]. Os QDs exibem menos toxicidade, pois são compostos predominantemente de moléculas de carbono inertes [195]. Portanto, uma combinação de propriedades de fluoroluminiscência e baixa toxicidade o torna uma ferramenta muito atraente para a administração de drogas [195,196,197].

Nanopartículas voltadas para a liberação de drogas para o cérebro

Com o conhecimento de fundo sobre a ação das nanopartículas na fisiologia do peixe-zebra, os pesquisadores agora estão tentando entregar drogas ao cérebro por meio da nanotecnologia usando os modelos do peixe-zebra Tabela 2. Qian et al. relataram nanopartículas de polímero conjugadas com marcadores de ácido fenilborônico em sua superfície, o que ajuda a detectar fluorescência para o neurotransmissor dopamina usando larvas de peixe-zebra [91]. Essa descoberta abre caminho para a teranóstica de doenças relacionadas à dopamina. No entanto, um relatório recente elaborou sobre a toxicidade da nanopartícula de ouro em comparação com o ouro iônico em peixes-zebra que foram submetidos a sedimentos fortificados [64]. Eles relataram que as nanopartículas alteraram a neurotransmissão no cérebro do peixe-zebra, pois afetaram a atividade da acetilcolina esterase. Em um trabalho interessante, Sivaji et al. [198] teve como objetivo entregar donepezil, um medicamento bem estabelecido para a doença de Alzheimer, por meio de poli N funcionalizado -isopropil acrilamida nanogéis PNIPAM nanogel para o cérebro. Eles relataram que o gel pode superar o BBB e também mostrou liberação sustentada do medicamento usando o modelo de peixe-zebra. Este estudo, portanto, traz à tona o desenvolvimento de nanogel neuroespecífico para a entrega de drogas direcionadas ao cérebro. O mesmo grupo relatou ainda a síntese de nanopartículas de ouro coloidal funcionalizadas com polissorbato 80 e polietilenoglicol, com capacidades para superar a barreira hematoencefálica para fins terapêuticos [199]. Neste estudo, eles sintetizaram e validaram um nanocarreador biocompatível com habilidades para cruzar a barreira hematoencefálica e distribuir medicamentos neuroespecíficos com eficiência.

Abordagem translacional de nanopartículas neuroespecíficas:peixe-zebra para humanos

Uma variedade de organismos modelo tem sido empregada até agora para investigar doenças humanas. While chimpanzees and monkeys have a high degree of similarity with humans, mice and rats have been used extensively over the past few decades. Research using zebrafish models to study various human diseases is now on the increase [31]. Various state-of-the-art technologies have been analysed and evaluated using the zebrafish model. In this context, nanodiamonds (ND) which refer to a newer class of nanoparticles belonging to the carbon family are being explored in the latest techniques for drug delivery across the BBB [200, 201]. They possess outstanding optical properties, malleability of surface structures and mechanical properties which are pertinent for targeted drug delivery. The zebrafish has proved to be an apt model system to study the fluorescent nanodiamonds (FND) in detail. Chang et al. have studied the photostability and non-toxicity of FNDs by single particle tracking using zebrafish yolk cells [202]. Further, evaluation of ND to facilitate their application as nanolabels has been performed using laser confocal microscopy and real-time fluorescence tagging in zebrafish [203]. Zebrafish model can hence be explored to assess the potential of NDs as nanolabelling systems to deliver neurospecific drugs. The use of zebrafish is validated by its high genetic and systems similarity with that of humans. Regenerative ability of zebrafish is also a very interesting aspect of its physiology which has made it an important model organism to study neurodegenerative diseases. Recent studies have identified pivotal insights into brain drug delivery mechanism using zebrafish models of neurodegenerative diseases. Recent research conducted regarding drug delivery in the brain using the zebrafish model has revealed pivotal insights about the dynamics of this mechanism. The only drawback withholding accelerated research in this arena is the lack of established protocols to validate the studies. However, it is only a matter of time when such protocols are developed through ongoing research in this field. A great deal of scope still exists for further research on the following focus areas.

• 
  Admixture of nanoparticles along with two or more drugs to provide better holistic treatment
  
• 
  Analysis of fullerenes, nano-onions and nanodiamonds in neurodegenerative diseases
  
• 
  Understanding the biocompatibility of the newer nanoparticles and their brain-penetrating ability.
  

All the above-mentioned focus areas can be easily assessed using zebrafish model systems. The zebrafish model, therefore, holds great promise for development and evaluation of novel techniques for targeted drug delivery within the brain for translational analysis (Fig. 2). This could open up exciting new vistas for medical intervention to develop therapeutic strategies to treat neurodegenerative diseases.

Schematic representation of zebrafish model for delivering drugs encapsulated in nanoparticles to the brain. This method ensures efficient delivery of drugs across the blood–brain barrier (BBB). Several nanoparticles possess the potential to treat a variety of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and motor neuron diseases (MND)

Future Research Directions

The last decade witnessed a surge in the use of nanotechnology for brain drug delivery unfolding several exciting new strategies in this arena [16, 17, 204, 205]. However, problems like toxicity, immunogenicity and efficient drug delivery still persist and have restrained the research community from achieving their ultimate goal [206,207,208,209]. Future research prospects for neurospecific drug delivery therefore involve overcoming the existing challenges in this field. Research on nanomaterial toxicity and side effects should be extensive, accurate and always preceed the in vivo implementation of any new nanocarrier formulation. Proper comprehensive analysis of the nano-bio-interactions is absolutely essential for developing strategies for neurospecific drug delivery [210]. Newer imaging techniques should be adopted to broaden the understanding of bio distribution and pharmacokinetics of the delivered drug. Complete knowledge on the bio availability and clearance of the drug is indispensable for achieving the translation from bench side to bed side. Zebrafish, long considered as a “gold standard” for studying several developmental and metabolic diseases, is highly prospective for studies on nanodrug delivery. The transparent embryonic development with the ability to facilitate large-scale drug screening in a vertebrate model among other innumerable key attributes of the zebrafish holds promise for overcoming these roadblocks. The use of this robust model system therefore has immense potential for further research in nanotherapeutics to achieve safe and successful neurospecific drug delivery.

Conclusion

The BBB poses as the main obstacle in delivering drugs to the brain. The physiological function of the BBB is to protect the brain from foreign substances and in doing so it acts as a hurdle even for therapeutic purpose. The current need of the hour is a strategy in drug delivery which is able to overcome the BBB. Only then can effective treatments for brain specific diseases be possible. Recent focus on nanotechnology-based approaches for drug delivery across the BBB seems to have promising prospects for the field of neurospecific drug delivery in the future. Research towards this end is ongoing using a variety of nanoparticles like liposomes, dendrimers, micelles and carbon nanotubes as nanocarriers and nanogels. The zebrafish model is a favourite when it comes to nanotechnology-based toxicity studies and neurospecific drug delivery. Further research on nanotechnology using this model is needed for newer insights which can lead to possible breakthroughs in discovery in neurospecific drug delivery.

Disponibilidade de dados e materiais

Not applicable.

Abreviações

BBB:

Blood–brain barrier

NPs:

Nanoparticles

Au:

Ouro

Ag:

Silver

Cu:

Cobre

Cd:

Cadmium

CuO:

Copper oxide

MgO:

Magnesium oxide

NiO:

Nickel oxide

ZnO:

Zinc oxide

MPs:

Microplastics

MOFs:

Metal organic frameworks

CNTs:

Carbon nanotubes

TiO₂ :

Titanium dioxide

QDs:

Quantum dots

PCR:

Polymerase chain reaction

GQDs:

Graphene quantum dots

PNIPAM:

Poly N -isopropyl acrylamide

NDs:

Nanodiamonds

FND:

Fluorescent nanodiamonds

AD:

Doença

PD:

Parkinson’s disease

HD:

Huntington’s disease

ALS:

Amyotrophic lateral sclerosis

MND:

Motor neuron diseases

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