Dependência da toxicidade das nanopartículas em suas propriedades físicas e químicas

Resumo

Os estudos sobre os métodos de síntese de nanopartículas (NP), a análise de suas características e a exploração de novos campos de suas aplicações estão na vanguarda da nanotecnologia moderna. A possibilidade de desenvolver NPs solúveis em água abriu caminho para seu uso em várias pesquisas biomédicas básicas e aplicadas. Atualmente, os NPs são usados no diagnóstico de imagens de vários marcadores moleculares de doenças genéticas e autoimunes, tumores malignos e muitos outros distúrbios. NPs também são usados para distribuição direcionada de medicamentos aos tecidos e órgãos, com parâmetros controláveis de liberação e acúmulo de medicamentos. Além disso, existem exemplos do uso de NPs como componentes ativos, por exemplo, fotossensibilizadores em terapia fotodinâmica e na destruição de tumor hipertérmico através da incorporação e aquecimento de NPs. No entanto, uma alta toxicidade de NPs para organismos vivos é um forte fator limitante que dificulta seu uso in vivo. Os estudos atuais sobre os efeitos tóxicos dos NPs com o objetivo de identificar os alvos e os mecanismos de seus efeitos nocivos são realizados em modelos de cultura de células; estudos sobre os padrões de transporte, acumulação, degradação e eliminação de NP, em modelos animais. Esta revisão sistematiza e resume os dados disponíveis sobre como os mecanismos de toxicidade de NP para sistemas vivos estão relacionados às suas propriedades físicas e químicas.

Histórico

A Organização Internacional de Padronização define nanopartículas (NPs) como estruturas cujos tamanhos em uma, duas ou três dimensões estão na faixa de 1 a 100 nm. Além do tamanho, NPs podem ser classificados em termos de seus parâmetros físicos, por exemplo, carga elétrica; características químicas, como a composição do núcleo ou casca NP; forma (tubos, filmes, hastes, etc.); e origem:NPs naturais (NPs contidos em poeira vulcânica, partículas virais, etc.) e NPs artificiais, que são o foco desta revisão.

As nanopartículas tornaram-se amplamente utilizadas na eletrônica, agricultura, produção têxtil, medicina e muitas outras indústrias e ciências. A toxicidade da NP para organismos vivos, entretanto, é o principal fator que limita seu uso no tratamento e diagnóstico de doenças. Atualmente, os pesquisadores freqüentemente enfrentam o problema de equilíbrio entre o efeito terapêutico positivo dos NPs e os efeitos colaterais relacionados à sua toxicidade. Nesse sentido, a escolha de um modelo experimental adequado para estimar a toxicidade entre modelos in vitro (linhagens celulares) e in vivo (animais experimentais) é de suma importância. Os efeitos tóxicos de NP em componentes celulares individuais e tecidos individuais são mais fáceis de analisar em modelos in vitro, enquanto experimentos in vivo tornam possível estimar a toxicidade de NP para órgãos individuais ou o corpo como um todo. Além disso, o possível efeito tóxico dos NPs depende de sua concentração, da duração de sua interação com a matéria viva, de sua estabilidade em fluidos biológicos e da capacidade de acumulação em tecidos e órgãos. O desenvolvimento de NPs seguros e biocompatíveis que podem ser usados para diagnóstico e tratamento de doenças humanas só pode ser baseado na compreensão completa das interações entre todos os fatores e mecanismos subjacentes à toxicidade por NP.

Aplicações médicas de nanopartículas

Na medicina, os NPs podem ser usados para fins diagnósticos ou terapêuticos. No diagnóstico, eles podem servir como marcadores fluorescentes para detecção de biomoléculas e patógenos e como agentes de contraste em ressonância magnética e outros estudos. Além disso, os NPs podem ser usados para a distribuição direcionada de drogas, incluindo proteínas e substâncias polinucleotídicas; na terapia fotodinâmica e destruição térmica de tumores, e no reparo protético [1,2,3,4,5,6]. Alguns tipos de NPs já são usados com sucesso na clínica para entrega de drogas e imagens de células tumorais [7,8,9].

Exemplos do uso de NPs de ouro têm se acumulado recentemente. Eles provaram ser portadores eficientes de quimioterápicos e outras drogas. Os NPs de ouro são altamente biocompatíveis; entretanto, embora o ouro como substância seja inerte em relação a objetos biológicos, não se pode argumentar que o mesmo seja verdadeiro para NPs de ouro, uma vez que ainda não existem dados conclusivos sobre a ausência de efeitos tóxicos retardados [10]. Além dos NPs de ouro, aqueles baseados em micelas, lipossomas [11] e polímeros com “moléculas de captura” [12] já são usados como carreadores de drogas. Nanotubos de parede única e múltipla são bons exemplos de NPs usados para entrega de drogas. Eles são adequados para anexar vários grupos funcionais e moléculas para entrega direcionada, e sua forma única permite que eles penetrem seletivamente através das barreiras biológicas [13]. O uso de NPs como veículos para drogas aumenta a especificidade de entrega e diminui a quantidade mínima de NPs necessária para atingir e manter o efeito terapêutico, reduzindo assim a eventual toxicidade. Isso é especialmente importante no caso de agentes quimio e radioterapêuticos altamente tóxicos e de curta duração [14].

Os pontos quânticos (QDs) constituem outro grupo de NPs com alto potencial para uso clínico. QDs são nanocristais semicondutores de 2 a 10 nm de tamanho. Sua capacidade de fluorescência em diferentes regiões espectrais, incluindo infravermelho [15], os torna adequados para marcação e imagem de células, estruturas celulares ou agentes biológicos patogênicos, bem como vários processos em células, tecidos e corpo como um todo [ 16,17,18], que tem implicações diagnósticas importantes [19, 20]. NPs baseados em óxido de ferro superparamagnético são eficientemente usados como agentes de contraste em tomografia por ressonância magnética (MRT) para imagens de fígado, medula óssea e tecidos de nódulos linfáticos [21]. Há também um exemplo em que nanotubos de carbono de parede única marcados radioativamente e funcionalizados com fosfolipídios foram usados para rotular tumores contendo integrina e sua subsequente detecção por meio de tomografia por emissão de pósitrons em experimentos em camundongos [22].

Nanopartículas também têm sido usadas na concepção de biossensores, incluindo aqueles baseados em nanotubos de carbono para medir o nível de glicose [23], detectar fragmentos de DNA e regiões específicas [24] e identificar células bacterianas [25].

NPs de prata (ou contendo prata) exercem efeitos antimicrobianos e citostáticos; por esse motivo, são amplamente utilizados na medicina, por exemplo, para o tratamento de curativos, instrumentos cirúrgicos, próteses e anticoncepcionais [13, 22]. Foi relatado que NPs de prata servem como agentes de preservação eficazes e seguros na indústria cosmética [26].

No entanto, os NPs ainda podem ser altamente tóxicos, mesmo que a segurança do uso de muitos de seus constituintes químicos na medicina tenha sido comprovada. O efeito tóxico pode ser causado por suas propriedades físicas e químicas únicas, que fundamentam mecanismos específicos de interação com os sistemas vivos. Em geral, isso determina a importância de estudar as causas e os mecanismos do potencial efeito tóxico dos NPs.

Mecanismos de toxicidade de nanopartículas

A toxicidade dos NPs é amplamente determinada por suas características físicas e químicas, como tamanho, forma, área superficial específica, carga superficial, atividade catalítica e a presença ou ausência de uma casca e grupos ativos na superfície.

O pequeno tamanho dos NPs permite que eles penetrem através das barreiras epiteliais e endoteliais na linfa e no sangue para serem transportados pela corrente sanguínea e pela corrente linfática para diferentes órgãos e tecidos, incluindo o cérebro, coração, fígado, rins, baço, medula óssea e sistema nervoso [27, 28], e podem ser transportados para as células por mecanismos de transcitose ou simplesmente difundir-se nelas através da membrana celular. Os nanomateriais também podem aumentar o acesso à corrente sanguínea por meio da ingestão [29, 30]. Alguns nanomateriais podem penetrar na pele [31, 32] e micropartículas ainda maiores podem penetrar na pele quando ela é flexionada [33]. As nanopartículas, devido ao seu tamanho pequeno, podem extravasar através do endotélio em locais inflamatórios, epitélio (por exemplo, trato intestinal e fígado), tumores ou penetrar em microcapilares [34]. Experimentos que modelam os efeitos tóxicos dos NPs no corpo mostraram que os NPs causam trombose ao aumentar a agregação plaquetária [35], inflamação do trato respiratório superior e inferior, distúrbios neurodegenerativos, acidente vascular cerebral, infarto do miocárdio e outros distúrbios [36,37,38 ] Observe que os NPs podem entrar não apenas em órgãos, tecidos e células, mas também em organelas celulares, por exemplo, mitocôndrias e núcleos; isso pode alterar drasticamente o metabolismo celular e causar lesões no DNA, mutações e morte celular [39].

Foi demonstrado que a toxicidade dos QDs está diretamente relacionada ao vazamento de íons livres de metais contidos em seus núcleos, como cádmio, chumbo e arsênio, mediante oxidação por agentes ambientais. Os QDs podem ser absorvidos pelas mitocôndrias e causar alterações morfológicas e disfunção das organelas [40]. Entrada de QDs à base de cádmio nas células e formação de Cd livre ²⁺ íons causam estresse oxidativo [41, 42].

Estudos recentes demonstraram que o contato do tecido pulmonar com NPs de cerca de 50 nm leva à perfuração das membranas das células alveolares do tipo I e à entrada resultante dos NPs nas células. Isso, por sua vez, causa necrose celular, evidenciada pela liberação de lactato desidrogenase [43]. Há evidências de que a penetração QD aumenta a fluidez da membrana celular [44]. Por outro lado, a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS) induzida pela peroxidação dos lipídios da membrana pode levar à perda de flexibilidade da membrana, que, além de uma fluidez anormalmente elevada, inevitavelmente resulta na morte celular.

A interação dos NPs com o citoesqueleto também pode danificá-lo. Por exemplo, TiO ₂ NPs induzem mudanças conformacionais na tubulina e inibem sua polimerização [45], o que perturba o transporte intracelular, divisão celular e migração celular. Em células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs), o dano do citoesqueleto impede a maturação dos complexos adesivos de coordenação que ligam o citoesqueleto à matriz extracelular, perturbando assim a formação da rede vascular [46].

Além disso, a citotoxicidade do NP pode interferir na diferenciação celular e na síntese de proteínas, bem como ativar genes pró-inflamatórios e síntese de mediadores inflamatórios. Deve-se observar especialmente que os mecanismos de proteção normais não afetam os PNs; A absorção de macrófagos de grandes nanopartículas PEGuiladas é mais eficiente do que a absorção de pequenas, o que leva ao acúmulo de NPs no corpo [47]. Foi demonstrado que NPs de óxido de ferro superparamagnético perturbam ou suprimem totalmente a diferenciação osteogênica das células-tronco e ativam a síntese de moléculas sinalizadoras, antígenos tumorais, etc. [48, 49]. Além disso, a interação de NPs com a célula aumenta a expressão dos genes responsáveis pela formação de lisossomas [50], perturba seu funcionamento [51] e inibe a síntese de proteínas [52, 53]. Um estudo sobre os efeitos tóxicos de NPs de diferentes composições em células epiteliais de pulmão e linhas de células tumorais humanas mostrou que NPs estimulam a síntese de mediadores de inflamação, por exemplo, interleucina 8 [54]. De acordo com Park, que estudou a expressão de citocinas pró-inflamatórias in vitro e in vivo, as expressões da interleucina 1 beta (IL-1β) e do fator de necrose tumoral alfa (TNFα) são aumentadas em resposta aos NPs de silício [55].

A oxidação, assim como a ação de várias enzimas na casca e superfície dos NPs, resulta em sua degradação e liberação de radicais livres. Além do efeito tóxico dos radicais livres expressos como oxidação e inativação de enzimas, mutagênese e perturbação das reações químicas que levam à morte celular, a degradação dos NPs leva à alteração ou perda de sua própria funcionalidade (por exemplo, a perda do momento magnético e as mudanças no espectro de fluorescência e transporte ou outras funções) [56, 57].

Em resumo, os mecanismos mais comuns de citotoxicidade de NP são os seguintes:

1.
NPs podem causar oxidação através da formação de ROS e outros radicais livres;
2.
NPs podem danificar as membranas celulares ao perfurá-las;
3.
Os NPs danificam os componentes do citoesqueleto, perturbando o transporte intracelular e a divisão celular;
4.
NPs perturbam a transcrição e danificam o DNA, acelerando assim a mutagênese;
5.
Os NPs danificam as mitocôndrias e perturbam seu metabolismo, o que leva ao desequilíbrio da energia celular;
6.
NPs interferem na formação de lisossomas, dificultando a autofagia e degradação de macromoléculas e desencadeando a apoptose;
7.
Os NPs causam mudanças estruturais nas proteínas da membrana e perturbam o transporte de substâncias para dentro e para fora das células, incluindo o transporte intercelular;
8.
Os NPs ativam a síntese de mediadores inflamatórios ao perturbar os mecanismos normais do metabolismo celular, bem como o metabolismo dos tecidos e órgãos (Fig. 1).

Embora existam vários mecanismos de toxicidade dos NP, é necessário determinar e classificar o tipo e o mecanismo de cada efeito tóxico específico dos NPs como dependente de suas propriedades físicas e químicas.

Relações da toxicidade das nanopartículas com suas propriedades físicas e químicas

A toxicidade dos NPs é considerada dependente de suas características físicas e químicas, incluindo o tamanho, forma, carga superficial, composições químicas do núcleo e da casca e estabilidade. Em particular, Oh et al., Usando a meta-análise de dados de 307 artigos que descrevem 1741 amostras de dados relacionados à viabilidade celular, analisou recentemente a toxicidade do ponto quântico CdSe. Foi demonstrado que a nanotoxicidade QD está intimamente correlacionada com suas propriedades de superfície (incluindo casca, ligante e modificações de superfície), diâmetro, tipo de ensaio de toxicidade usado e o tempo de exposição [58]. Qual desses fatores é o mais importante é determinado pelo modelo e tarefa experimental específicos; portanto, agora consideraremos cada fator separadamente.

Tamanho e toxicidade das nanopartículas

O tamanho e a área de superfície do NP desempenham um papel importante, determinando em grande parte o mecanismo único de interação do NP com os sistemas vivos. NPs são caracterizados por uma área de superfície específica muito grande, o que determina sua alta capacidade de reação e atividade catalítica. Os tamanhos dos NPs (de 1 a 100 nm) são comparáveis ao tamanho dos glóbulos de proteína (2-10 nm), diâmetro da hélice de DNA (2 nm) e espessura das membranas celulares (10 nm), o que lhes permite facilmente entrar nas células e organelas celulares. Por exemplo, Huo et al. demonstraram que NPs de ouro não maiores que 6 nm efetivamente entram no núcleo da célula, enquanto NPs grandes (10 ou 16 nm) apenas penetram através da membrana celular e são encontrados apenas no citoplasma. Isso significa que NPs com vários nanômetros de tamanho são mais tóxicos do que NPs de 10 nm ou maiores, que não podem entrar no núcleo [59]. Pan et al. rastrearam a dependência da toxicidade das NPs de ouro em seu tamanho na faixa de 0,8 a 15 nm. Verificou-se que os NPs de 15 nm de tamanho são 60 vezes menos tóxicos do que os NPs de 1,4 nm para fibroblastos, células epiteliais, macrófagos e células de melanoma. Também é digno de nota que NPs de 1,4 nm causam necrose celular (dentro de 12 h após sua adição ao meio de cultura de células), enquanto NPs de 1,2 nm causam predominantemente apoptose [60]. Esses dados sugerem não apenas que os NPs podem entrar no núcleo, mas também que a correspondência do tamanho geométrico dos NPs (1,4 nm) ao do sulco principal do DNA permite que eles interajam efetivamente com o esqueleto do DNA açúcar-fosfato carregado negativamente e bloquear a transcrição [61, 62].

Além disso, o tamanho do NP determina em grande parte como os NPs interagem com os sistemas de transporte e defesa das células e do corpo. Essa interação, por sua vez, afeta a cinética de sua distribuição e acúmulo no corpo. O artigo de revisão de [63] apresenta considerações teóricas e numerosos dados experimentais demonstrando que NPs menores que 5 nm geralmente superam barreiras celulares de forma inespecífica, por exemplo, via translocação, enquanto partículas maiores entram nas células por fagocitose, macropinocitose e mecanismos de transporte específicos e não específicos . Acredita-se que um tamanho de NP de cerca de 25 nm seja ideal para pinocitose, embora isso também dependa fortemente do tamanho e tipo de célula [63, 64]. Experimentos in vivo mostraram que NPs menores que 10 nm são rapidamente distribuídos entre todos os órgãos e tecidos após administração intravenosa, enquanto a maioria dos NPs maiores (50–250 nm) são encontrados no fígado, baço e sangue [65]. Isso sugere que NPs grandes são reconhecidos por sistemas de defesa específicos do corpo e absorvidos pelo sistema de fagócitos mononucleares, que os impede de entrar em outros tecidos. Além disso, Talamini et al. afirmaram que o tamanho e a forma do NP influenciam a cinética de acúmulo e excreção de NPs de ouro em órgãos de filtro, e apenas NPs de ouro semelhantes a estrelas são capazes de se acumular no pulmão. Eles também mostraram que as mudanças na geometria NP não melhoram a passagem NP da barreira hematoencefálica [66].

A grande área de superfície específica garante a adsorção eficaz de NPs na superfície da célula. Isso foi demonstrado em um estudo sobre a atividade hemolítica de partículas mesoporosas de silício de 100 a 600 nm em relação aos eritrócitos humanos [67]. As partículas de 100 nm de tamanho foram efetivamente adsorvidas na superfície do eritrócito sem causar destruição celular ou quaisquer alterações morfológicas nas células, enquanto as partículas de 600 nm deformaram a membrana e entraram nas células, resultando na destruição dos eritrócitos (hemólise) [67].

Forma e toxicidade das nanopartículas

As formas características dos NPs são esferas, elipsóides, cilindros, folhas, cubos e hastes. A toxicidade de NP depende fortemente de sua forma. Isso foi demonstrado para vários NPs de diferentes formas e composições químicas [68,69,70,71]. Por exemplo, NPs esféricos são mais propensos a endocitose do que nanotubos e nanofibras [72]. Foi descoberto que os nanotubos de carbono de parede única bloqueiam os canais de cálcio de forma mais eficaz em comparação com os fulerenos esféricos [73].

A comparação dos efeitos de NPs de hidroxiapatita com diferentes formas (em forma de agulha, em placa, em bastonete e esférica) em células BEAS-2B em cultura mostraram que NPs em placa e em agulha causam a morte de uma proporção maior de células do que NPs esféricas e semelhantes a bastonetes [74]. Isso é parcialmente explicado pela capacidade dos NPs em forma de placa e em agulha de danificar células e tecidos em contato direto. Hu et al. [75] obtiveram dados interessantes ao estudar o dano de células de mamíferos por nanofolhas de óxido de grafeno. A toxicidade desses NPs foi determinada por sua forma, permitindo-lhes danificar fisicamente a membrana celular. No entanto, sua toxicidade diminuiu com o aumento da concentração de soro fetal de bezerro no meio de cultura. Isso foi explicado por uma alta capacidade dos NPs de óxido de grafeno para adsorver moléculas de proteínas, que cobrem a superfície do NP, alterando assim a forma dos NPs e prevenindo parcialmente o dano às membranas celulares [75].

Composição química e toxicidade das nanopartículas

Embora a toxicidade dos NPs dependa fortemente de seu tamanho e forma, a influência de outros fatores, como a composição química e a estrutura cristalina dos NPs, não deve ser desconsiderada. Comparação dos efeitos do dióxido de silício de 20 nm (SiO ₂ ) e NPs de óxido de zinco (ZnO) em fibroblastos de camundongo mostraram que eles diferem nos mecanismos de toxicidade. ZnO NPs causam estresse oxidativo, enquanto SiO ₂ NPs alteram a estrutura do DNA [76].

A toxicidade dos NPs é, de fato, amplamente determinada por sua composição química. Foi demonstrado que a degradação de NPs pode ocorrer e sua extensão depende das condições ambientais, por exemplo, pH ou força iônica. A causa mais comum do efeito tóxico dos NPs interagindo com as células é o vazamento de íons metálicos do núcleo do NP. A toxicidade também depende da composição do núcleo dos NPs. Alguns íons metálicos, como Ag e Cd, são de fato tóxicos e, portanto, causam danos às células. Outros íons metálicos, como Fe e Zn, são biologicamente úteis, mas, em altas concentrações, podem danificar as vias celulares e, portanto, causar alta toxicidade. No entanto, este efeito pode ser diminuído, por exemplo, revestindo núcleos de NP com cascas de polímero espessas, camadas de sílica ou cascas de ouro em vez de ligantes curtos ou usando compostos não tóxicos para a síntese de NP. Por outro lado, a composição do núcleo pode ser alterada pela adição de outros metais. Isso pode resultar em maior estabilidade química contra a degradação do NP e vazamento de íons metálicos no corpo [77].

A toxicidade dos NPs também depende de sua estrutura cristalina. A relação entre a estrutura cristalina e a toxicidade foi estudada usando uma linha celular de epitélio brônquico humano e NPs de óxido de titânio com diferentes tipos de rede cristalina. Foi demonstrado que NPs com uma estrutura de cristal semelhante a rutilo (TiO em forma de prisma ₂ cristais) causam danos oxidativos ao DNA, peroxidação lipídica e formação de micronúcleos, o que indica segregação cromossômica anormal durante a mitose, enquanto NPs com estrutura cristalina semelhante à anatase (TiO octaédrico ₂ cristais) do mesmo tamanho não são tóxicos [78]. Deve-se notar que a estrutura do cristal NP pode variar dependendo do ambiente, por exemplo, mediante interação com água, fluidos biológicos ou outros meios de dispersão. Há evidências de que a rede cristalina de NPs de ZnS é reorganizada em uma estrutura mais ordenada ao entrar em contato com a água [79].

Carga e toxicidade da superfície das nanopartículas

A carga superficial dos NPs desempenha um papel importante em sua toxicidade, pois determina em grande parte as interações dos NPs com os sistemas biológicos [80, 81].

As superfícies NP e suas cargas podem ser modificadas enxertando polímeros com cargas diferentes. O PEG (polietilenoglicol) ou ácido fólico é frequentemente usado para melhorar a captação intracelular de NP e a capacidade de atingir células específicas [82]. A síntese de nanopartículas de TiO2 biocompatíveis contendo grupos NH2 ou SH funcionais também foi relatada [83]. Outras substâncias, como metotrexato, polietilenoimina e dextrano, também foram usadas para modificar as superfícies de NP e sua carga [84].

Uma alta toxicidade de NPs com carga positiva é explicada por sua capacidade de entrar facilmente nas células, em contraste com NPs com carga negativa e neutros. Isso é explicado pela atração eletrostática entre as glicoproteínas de membrana celular carregadas negativamente e NPs carregadas positivamente. A comparação dos efeitos citotóxicos de NPs de poliestireno carregados negativamente e positivamente em células HeLa e NIH / 3T3 mostrou que os últimos NPs são mais tóxicos. Isso não ocorre apenas porque NPs carregados positivamente penetram mais efetivamente através da membrana, mas também porque eles estão mais fortemente ligados ao DNA carregado negativamente, causando seu dano e, como resultado, o prolongamento da fase G0 / G1 do ciclo celular. NPs carregados negativamente não têm efeito no ciclo celular [85]. Resultados semelhantes foram obtidos para NPs de ouro carregados positiva e negativamente, NPs positivos sendo absorvidos pelas células em grandes quantidades e mais rapidamente do que os negativos e sendo mais tóxicos [86].

NPs carregados positivamente têm uma capacidade aumentada de opsonização, isto é, adsorção de proteínas que facilitam a fagocitose, incluindo anticorpos e componentes do complemento, de sangue e fluidos biológicos [87]. As proteínas adsorvidas, conhecidas como coroa de proteínas, podem afetar as propriedades de superfície dos NPs. Por exemplo, eles podem alterar a carga superficial, características de agregação e / ou diâmetro hidrodinâmico de NPs. Além disso, a adsorção de proteínas na superfície do NP leva às suas alterações conformacionais, que podem diminuir ou inibir completamente as atividades funcionais das proteínas adsorvidas. A coroa de proteínas consiste principalmente nas principais proteínas séricas, como albumina, fibrinogênio e imunoglobulina G, bem como outras moléculas efetoras, sinalizadoras e funcionais [88, 89]. A ligação a NPs altera a estrutura da proteína, o que leva à perda de sua atividade enzimática, perturbação de processos biológicos e precipitação de estruturas poliméricas ordenadas, por exemplo, fibrilas amilóides [90]. Isso pode levar a várias doenças, como a amiloidose. Experimentos in vitro demonstraram que QDs revestidos com um polímero hidrofílico aceleram a formação de fibrilas de β ₂ humano microglobulina, que é então organizada em estruturas de múltiplas camadas na superfície da partícula; isso resulta em um aumento local na concentração de proteína na superfície de NP, precipitação e formação de oligômeros [91].

Xu et al. desenvolveu um método para alterar a carga NP de negativa para positiva por meio de várias modificações da superfície. Por exemplo, NPs de polímero foram modificados com um polímero sensível ao pH de modo que, sendo carregados negativamente em um meio neutro, eles adquiriram uma carga positiva em um meio ácido, em pH 5-6 [92]. Essa técnica torna possível aumentar substancialmente a taxa de captação de NP pelas células, que poderia ser usada para a administração de drogas às células tumorais. A estimativa da citotoxicidade de NPs de óxido de cério modificado de superfície para células H9C2, HEK293, A549 e MCF-7 mostrou que basicamente diferentes efeitos biológicos e tóxicos podem ser obtidos usando diferentes polímeros para tornar os NPs carregados positivamente ou negativamente ou neutros. Especificamente, NPs carregados positivamente e neutros são absorvidos por todos os tipos de células na mesma taxa, enquanto os carregados negativamente se acumulam predominantemente nas células tumorais [93]. Assim, a modificação da carga de NP permite que sua localização e toxicidade sejam controladas, o que poderia ser usado para o desenvolvimento de sistemas eficazes para entrega de drogas quimioterápicas a tumores.

Casca de nanopartículas e toxicidade

A aplicação de um escudo na superfície de NPs é necessária para alterar suas propriedades ópticas, magnéticas e elétricas; é usado para melhorar a biocompatibilidade e solubilidade de NP em água e fluidos biológicos, diminuindo sua capacidade de agregação, aumentando sua estabilidade, etc. Assim, a casca diminui a toxicidade de NPs e fornece-lhes a capacidade de interação seletiva com diferentes tipos de células e moléculas biológicas. Além disso, a casca influencia consideravelmente a farmacocinética de NP, mudando os padrões de distribuição e acúmulo de NP no corpo [94].

Como observado acima, a toxicidade de NP está amplamente relacionada à formação de radicais livres [40, 57, 95, 96]. No entanto, a casca pode mitigar ou eliminar consideravelmente esse efeito negativo, bem como estabilizar os NPs, aumentar sua resistência a fatores ambientais, diminuir a liberação de substâncias tóxicas deles ou torná-los tecidos-específicos [97]. Por exemplo, Cho et al. NPs de polímero modificado revestindo-os com lectinas. Os NPs modificados ligaram-se seletivamente a células tumorais apresentando moléculas de ácido siálico na superfície, o que tornou os NPs adequados para marcar especificamente células cancerosas [98].

A superfície NP pode ser modificada com compostos orgânicos e inorgânicos, por exemplo, polietilenoglicol, ácido poliglicólico, ácido polilático, lipídios, proteínas, compostos de baixo peso molecular e silício. Esta variedade de modificadores torna possível formar sistemas complexos na superfície do NP para alterar as propriedades do NP e para seu transporte e acumulação específicos.

Nanopartículas revestidas com cascas de polímeros sintéticos são utilizadas para a entrega de antígenos, servindo assim como adjuvantes que aumentam a resposta imune. Isso permite a obtenção de vacinas contra os antígenos que são alvos de forte imunidade celular inespecífica natural [99].

O invólucro é frequentemente usado para melhorar a solubilização e diminuir a toxicidade de QDs, porque seus núcleos de metal são hidrofóbicos e consistem principalmente de metais pesados tóxicos, como cádmio, telúrio e mercúrio. O invólucro aumenta a estabilidade do núcleo QD e evita sua dessalinização e degradação oxidativa ou fotolítica. Isso, por sua vez, diminui o vazamento de íons metálicos fora do núcleo QD e, portanto, a toxicidade dos QDs [100,101,102].

Estudo de toxicidade de nanopartículas

Durante as últimas duas décadas, o uso de NPs se estendeu tremendamente e levou à fundação da nanotoxicologia, uma nova ciência que estuda os efeitos tóxicos potenciais dos NPs nos sistemas biológicos e ecológicos. O objetivo geral da nanotoxicologia é desenvolver as regras de síntese de NPs seguros [103]. Isso exige uma abordagem abrangente e sistêmica para a análise das propriedades tóxicas dos NPs e seus efeitos nas células, tecidos, órgãos e no corpo como um todo.

Existem duas abordagens de rotina para o estudo dos efeitos de várias substâncias em sistemas vivos, que também são aplicáveis aos efeitos tóxicos de NP:experimentos in vitro em linhas de células modelo e experimentos in vivo em animais de laboratório. Não consideramos aqui a terceira abordagem possível para estimar a toxicidade de NPs, simulação de computador, porque as vias e mecanismos dos efeitos tóxicos de NPs não são conhecidos o suficiente para um modelo de computador prever as consequências das interações entre NPs e matéria viva para um ampla gama de NPs com confiabilidade suficiente.

Tanto a cultura de células quanto os modelos experimentais animais para estudar a toxicidade de NP têm suas vantagens e desvantagens específicas. Os primeiros permitem uma visão mais profunda dos mecanismos moleculares de toxicidade e identificação dos alvos primários dos NPs; no entanto, os padrões de distribuição de NPs no corpo e seu transporte para diferentes tecidos e células não são levados em consideração. O estudo da toxicidade do NP em experimentos com animais permite estimar os efeitos retardados da ação do NP in vivo. However, the general pattern of toxicity manifestations becomes so complicated that it is impossible to determine which of them is the primary cause of the observed effect and which are its consequences.

Study of Toxicity in Cell Cultures

Many studies of NP toxicity are carried out in primary cell cultures serving as models of various types of human and animal tissues. In some cases, tumor cell lines are used, e.g., for estimating the toxic effects of NPs used in cancer chemotherapy. The type of cells is selected according to the potential route by which NPs enter the body. This may be oral uptake (mainly by ingestion), transdermal uptake (through the skin surface), inhalation uptake of NPs contained in the breathing air, or intentional NP injection in clinic. Intestinal epithelium cells (Caco-2, HT29, and SW480) are often used in experimental models for studying the toxicity of ingested NPs (Table 1). In these models, the kinetics of NP uptake by cells and the viability of cells upon the NP uptake are studied.

The NPs that serve as carriers of drugs or contrast agents, or those used for imaging, are administered by injection. The toxicity of these NPs is studied in primary blood cell cultures. Most commonly, hemolysis, platelet activation, and platelet aggregation are estimated. In addition to primary blood cell cultures, cultured HUVECs, mesenchymal stem cells, mononuclear blood cells, and various tumor cell lines (HeLa, MCF-7, PC3, C4-2, and SKBR-3) are used (Table 2).

The toxicity of inhaled NPs is studied using the cell lines modeling different tissues of the respiratory system, e.g., A549 and C10 cells of pulmonary origin, alveolar macrophages (RAW 264.7), various epithelial cells and fibroblasts (BEAS-2B, NHBE, 16-HBE, SAEC), as well as human monocytes (THP-1) (Table 3).

The toxicity of NPs that enter the body transdermally is usually studied in keratinocytes, fibroblasts, and, more rarely, sebocytes (cells of sebaceous glands) (Table 4).

Co-cultured Cell Lines and 3D Cell Cultures

Although the majority of in vitro nanotoxicity studies are carried out on cell monocultures, studies using two other approaches are increasingly often reported in the literature. One of them is co-culturing of several types of cells; the other is the use of 3D cultures. The rationale for these approaches is the need for more realistic models of mammalian tissues and organs. For example, co-cultured Caco-2 epithelial colorectal adenocarcinoma cells and Raji cells (a lymphoblast cell line) have served as a model of the human intestinal epithelium in experiments on the toxicity of silver NPs [104]. A co-culture of three cell lines derived from lung epithelial cells, human blood macrophages, and dendritic cells has been used as an experimental model in a study on the toxic effects of inhaled NPs [105]. A model of skin consisting of co-cultured fibroblasts and keratinocytes has been suggested [106].

It is known that the cell phenotype, as well as cell functions and metabolic processes, is largely determined by the complex system of cell interactions with other cells and the surrounding extracellular matrix [107]. Therefore, many important characteristics of cells with an adhesive type of growth in a monolayer culture substantially differ from those of the same cells in the living tissue; hence, conclusions from many experiments on the NP toxic effects on cells growing in a monolayer are somewhat incorrect [108]. Experimental 3D models of tissues and organs have been used for analysis of NP toxicity and penetration into cells in several published studies. For example, there are 3D models based on polymer hydrogels [109] and models constructed in special perfusion chambers containing a semipermeable membrane to which the cells are attached. Li et al. and Lee et al. [110, 111] used multicellular spheroids about 100 μm in size to obtain a 3D model of the liver and compare the toxicities of CdTe and Au NPs in experiments on this model and a monolayer culture of liver cells [111]. The results obtained using the 3D model were more closely correlated with the data obtained in experiments on animals, which indicates a considerable potential of this approach for adequate and informative testing of NP toxicity.

In vivo Study of Nanoparticle Toxicity

In addition to the study of multilayered and 3D cell cultures, the behavior of NPs in the living body is being extensively studied. Since these studies are focused on the biomedical applications of NPs, the NP toxicity for living organisms remains an important issue. Although NPs are highly promising for various clinical applications, they are potentially hazardous. This hazard cannot be estimated correctly in vitro, following from the comparison of the in vivo and in vitro effects of NPs.

Titanium dioxide (TiO₂ ) particles are among the most widely used NPs, in particular, in environment protection measures. Therefore, it was exceptionally important to estimate their toxicity in the case of a 100% bioavailability, namely, in experiments with their intravenous injection to experimental animals. This study has been performed by Fabian et al. [112]. Experimental animals (rats) were injected with a suspension of TiO₂ NPs at a dose of 5 mg/kg, and their biodistribution, as well as the general condition of the animals, was monitored. The results have shown that the animals exhibit no signs of ailment or disorder, nor is inflammation or another manifestation of a toxic effect observed, within 28 days. This suggests that TiO₂ NPs are relatively harmless.

Silver NPs are another example of NPs potentially useful in medicine, owing to their antimicrobial activity. Their toxicity and biodistribution were analyzed in an experiment where CD-1 mice were intravenously injected with 10 mg/kg of silver NPs of different sizes (10, 40, and 100 nm) coated with different shells. Although each type of NPs was found to cause toxic damage of tissues, larger particles were less toxic, probably, due to their lower penetration capacity [113]. Asare et al. [114] estimated the genotoxicity of silver and titanium NPs administered at a dose of 5 mg/kg. They have found that silver NPs cause DNA strand breaks and oxidation of purine bases in the tissues examined. Gold nanoparticles have a similar effect [115]. They have been shown to be toxic for mice, causing weight loss, decrease in the hematocrit, and reduction of the red blood cell count.

Targeted drug delivery is one of the most important applications of NPs. In this case, it is also paramount to know their toxic properties, because the positive effect of their use should prevail over the negative one. Kwon et al. [116] have developed antioxidant NPs from the polymeric prodrug of vanillin. Their study has shown that the NPs have no toxic effect on the body, specifically the liver, at doses lower than 2.5 mg/kg. Similar results have been obtained for gelatin NPs modified with polyethylene glycol, which are planned to be used for targeted delivery of ibuprofen sodium salt [117]. The NPs have proved to be nontoxic at the dose that is necessary for effective drug delivery (1 mg/kg), which has been confirmed by measuring the inflammatory cytokine levels in the animals studied, as well as histological analysis of their organs.

Quantum dots are among the NPs that are most promising for medical applications (Fig. 2). However, they are potentially hazardous for human health, because they exhibit various toxic effects in both in vitro and in vivo experiments [118,119,120,121,122].

Toxic effects of QDs in vivo are usually studied in experiments on mice and rats [123]. A study on the toxicity of cadmium-based QDs for mice showed that QDs were distributed throughout the body as soon as 15 min after injection to the caudal vein, after which they accumulated in the liver, kidneys, spleen, red bone marrow, and lymph nodes. Two years after the injection, fluorescence was mainly retained in lymph nodes; in other organs, no QDs were detected [124]. It should be also noted that the fluorescence spectrum was shifted to the blue spectral region because of the destruction of the QD shell and changes in the shape, size, and surface charge of the QDs. This, however, occurred rather slowly, because the QDs were found to be nontoxic after their injection at the doses at which pure cadmium ions would have had a lethal effect. Similar results were obtained by Yang et al. [125]. Zhang et al. [95] showed that CdTe QDs predominantly accumulated in the liver, decreasing the amount of antioxidants in it and inducing oxidative stress in liver cells.

Cadmium and tellurium ions tend to accumulate in various organs and tissues upon degradation and decay of the cores of CdTe/ZnS QDs. Experiments on mice have shown that cadmium predominantly accumulates in the liver, kidneys, and spleen, whereas tellurium accumulates almost exclusively in the kidneys [126]. Ballou et al. [127] found that cadmium-containing QDs coated with polymer shells of polyacrylic acid or different derivatives of polyethylene glycol had no lethal effect on experimental mice and remained fluorescent for 4 months. СdSe/ZnS NPs also had no detectable pathological effect on mice [128]; however, the absence of distinct signs of pathology still does not mean that the QDs are absolutely nontoxic.

Hu et al. [129] found that lead-containing QDs had no toxic effect on mice for 4 weeks; however, this was most probably because the QDs studied were coated with a polyethylene glycol shell.

Since heavy metals contained in QDs are a factor of their toxicity, several research groups suggested that heavy-metal-free NPs be synthesized. For example, Pons et al. [130] synthesized CuInS2/ZnS QDs fluorescing in the near-infrared spectral region (at a wavelength of about 800 nm) and supposed that this composition would make the QDs nontoxic for experimental animals. Comparison of the effects of CuInS₂ /ZnS and CdTeSe/CdZnS QDs on regional lymph nodes in mice showed that the lymph nodes were only slightly, if at all, enlarged upon injection of the QDs not containing heavy metals, whereas injection of the CdTeSe/CdZnS QDs induced a distinct immune response in them [130]. QDs in which silicon was substituted for heavy metals also had no toxic effect on mice [131].

Even QDs containing heavy metals are often found to be nontoxic. One of the possible explanations is that QDs are coated with the protein crown upon entering the living body; this crown shields their surface and protects cells against damage [132]. Usually, the proteins that are included in the NP molecular corona are major serum proteins, such as albumin, immunoglobulin G (IgG), fibrinogen, and apolipoproteins [133]. Molecular corona also can influence on the interaction of NPs with cells. Zyuzin et al. have demonstrated that, in human endothelial cells, the NP protein corona decreases the NP nonspecific binding to the cell membrane, increases the residence time of NP in early endosomes, and reduces the amount of internalized NPs [134].

However, even in the absence of direct signs of intoxication in experimental animals, it remains unclear whether the use of QDs in medicine is safe for humans. In some cases, the QD toxicity was not detected in mice because the NPs were neutralized by the liver and accumulated in it [135]; in other cases, QDs coated with phospholipid micelles exhibited reduced toxicity owing to the shell [129]. Despite the extensive in vivo studies on QD toxicity, their use in biomedicine remains an open question. One of the main reasons is that all the delayed effects of QDs cannot be monitored in experimental animals, because their lifespan is as short as a few years, which is insufficient for complete elimination or degradation of NPs.

Conclusões

The potential toxicity of NPs is the main problem of their use in medicine. Therefore, not only positive results of the use of NPs, but also the possible unpredictable negative consequences of their action on the human body, should be scrutinized. The toxicity of NPs is related to their distribution in the bloodstream and lymph stream and their capacities for penetrating into almost all cells, tissues, and organs and interacting with various macromolecules and altering their structure, thereby interfering with intracellular processes and the functioning of whole organs. The NP toxicity strongly depends on their physical and chemical properties, such as the shape, size, electric charge, and chemical compositions of the core and shell. Many types of NPs are not recognized by the protective systems of cells and the body, which decreases the rate of their degradation and may lead to considerable accumulation of NPs in organs and tissues, even to highly toxic and lethal concentrations. However, a number of approaches to designing NPs with a decreased toxicity compared to the traditional NPs are already available. Advanced methods for studying the NP toxicity make it possible to analyze different pathways and mechanisms of toxicity at the molecular level, as well as reliably predict the possible negative effect at the body level.

Thus, it is obvious that designing NPs that have small or no negative effects is impossible unless all qualitative and quantitative physical and chemical properties of NPs are systematically taken into consideration and a relevant experimental model for estimating their influence on biological systems is available.

Abreviações

FDA:: Food and Drug Administration
IL-1β:: Interleukin-1-beta
MRT:: Magnetic resonance tomography
NP:: Nanoparticle
QD:: Quantum dot
ROS:: Espécies que reagem ao oxigênio
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
TNFα:: Fator de necrose tumoral alfa

Comparação entre o ácido fólico e a funcionalização baseada no peptídeo gH625 de nanopartículas magnéticas Fe3O4 para internalização celular aprimorada Predição do efeito Hall anômalo quântico em MBi e MSb (M:Ti, Zr e Hf) Favos de mel

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias