Nanopartículas: Transformando Diagnóstico e Tratamento do Câncer com Precisão

Resumo

Terapêuticas tradicionais contra câncer têm sido criticadas devido a vários efeitos adversos e dano insuficiente a tumores alvo. O avanço das nanopartículas fornece uma abordagem inovadora para atualizar tratamentos e diagnósticos tradicionais. Na verdade, nanopartículas não apenas resolvem as deficiências do diagnóstico e tratamento tradicional do câncer, mas também criam perspectivas novas e dispositivos de ponta para diagnóstico e tratamento de tumores. No entanto, a maioria das pesquisas sobre nanopartículas permanece em estágio in vivo e in vitro, e apenas poucas pesquisas clínicas sobre nanopartículas foram relatadas. Nesta revisão, primeiro resumimos as aplicações atuais de nanopartículas em diagnóstico e tratamento do câncer. Depois, propomos os desafios que impedem aplicações clínicas de NPs e fornecemos soluções viáveis em combinação com a literatura atualizada dos últimos dois anos. No final, forneceremos nossas opiniões sobre desenvolvimentos futuros de NPs em diagnóstico e tratamento de tumores.

Introdução

A incidência e mortalidade de tumores permanecem altas mundialmente. Todos os anos, há quase 14 milhões de novos pacientes com câncer e 8 milhões de pessoas morrem de doenças relacionadas ao câncer [1]. Nos últimos anos, tratamentos tradicionais de tumores, como quimioterapia, terapia alvo, radioterapia, cirurgia, etc., são constantemente criticados por estarem estagnados no progresso e por muitas reações adversas e resultados de tratamento insatisfatórios. Devido às deficiências das terapias tradicionais de tumores, cada vez mais pesquisas começaram a buscar novos métodos médicos de tumor com capacidade de direcionamento, capacidade efetiva de matar células-tronco tumorais e reações adversas menores. Novos métodos de tratamento de tumor incluem, mas não se limitam a, imunoterapia, terapia alvo, ablação física, terapia gênica, terapia fotodinâmica (PDT) e terapia fototérmica (PTT) que têm mostrado eficácia superior comparada à terapia tradicional de tumor. Os métodos de tratamento aqui todos têm uma característica comum que requer cooperação de carreador. Embora vírus possam ser usados como carreadores, vetores virais foram confirmados por causar mutagênese de inserção e imunogenicidade [2]. Portanto, encontrar um carreador mais seguro e eficaz tornou-se prioridade máxima.

Devido ao pequeno tamanho, biossegurança, carregamento de fármacos e propriedades físicas das nanopartículas que podem auxiliar terapia física, nanopartículas têm sido cada vez mais utilizadas como carreadores em novos métodos de tratamento de tumor. Estas terapias mediadas por nanopartículas têm virtudes de multi-função, menos reações adversas e melhor efeito curativo [3]. Além disso, muitas tecnologias de imagem médica mediadas por nanopartículas também têm melhor clareza e precisão, o que ajuda no diagnóstico preciso de tumores [4]. Com o desenvolvimento de nanotecnologia e tecnologia médica, metais e materiais biológicos como ouro, prata, ferro, lipossomos, etc. têm sido amplamente aplicados na produção de nanopartículas médicas (NPs) [5]. Atualmente, muitos pesquisadores utilizam esses materiais baseados em suas propriedades físicas, químicas e/ou biológicas para incorporar fármacos, agentes de imagem e até genes em nanopartículas, expandindo o campo existente de diagnóstico e tratamento de tumores como entrega direcionada de fármacos, imagem aprimorada, criocirurgia, PTT e PDT [6].

Além disso, há um fenômeno de que a maioria das nanopartículas apenas permanece em estágio in vivo e in vitro. No entanto, há falta de literatura para resumir as razões que impedem a aplicação clínica de NPs. Portanto, este artigo visa não apenas resumir o status de aplicação de nanopartículas no campo de diagnóstico e tratamento de tumores, mas também encontrar os fatores que inibem a entrada de nanopartículas em aplicações clínicas e propor soluções viáveis.

Preparação e Caracterização de Nanopartículas Funcionais Médicas

Nanopartículas comumente usadas em medicina podem ser divididas em três tipos: nanopartículas metálicas, não metálicas e compostas de acordo com seus materiais constituintes e funções, e suas propriedades físico-químicas são afetadas por parâmetros como tamanho e forma. Portanto, em vista dos requisitos funcionais de nanopartículas em diferentes direções de aplicação, é muito importante escolher um processo de preparação adequado. Todos os métodos de preparação de nanopartículas podem ser classificados em dois métodos: abordagens bottom-up e top-down. A abordagem bottom-up é essencialmente através de unidades básicas (átomos, moléculas e até partículas menores podem ser usadas como base para montar as nanoestruturas requeridas) empilhadas umas sobre as outras para formar nanopartículas, enquanto a abordagem top-down é essencialmente um material sólido inteiro começa a se decompor em nanopartículas [7]. A Tabela 1 lista alguns exemplos de preparação de nanopartículas médicas.

Entre os três tipos de nanopartículas comumente usadas em medicina, nanopartículas metálicas são as mais amplamente utilizadas. Materiais de nanopartículas metálicas incluem metais e óxidos metálicos. O processo de preparação mais comumente usado para nanopartículas metálicas é o processo sol-gel proposto pelo cientista japonês Sugimoto et al. nos anos 1990, que é frequentemente usado para preparar partículas de óxido metálico monodispersas em fase líquida. O método sol-gel é um processo de preparação bottom-up. O princípio principal deste método para preparar nanopartículas metálicas é formar um sol uniformemente disperso de íons metálicos através de meios químicos e físicos, e então formar um gel através de reação redox. As nanopartículas metálicas geradas no gel podem nucleação, crescimento e deposição controláveis. Contanto que a monodispersidade do coloide metálico usado no experimento, a relação de concentração dos íons metálicos e do agente oxidante/redutor sejam controladas, o tamanho das nanopartículas metálicas sintetizadas pode ser controlado. A Figura 1 é o diagrama esquemático do método sol-gel.

Métodos bottom-up comumente usados para preparar nanopartículas metálicas incluem co-precipitação, abordagem hidrotérmica e método fotoquímico. O método de co-deposição é um processo de nucleação, crescimento e agregação em ambiente líquido ao mesmo tempo. Quando a solução é supersaturada, um grande número de produtos insolúveis de pequeno tamanho é obtido [15]. O método hidrotérmico é um processo realizado em ambiente líquido para controlar a morfologia das nanopartículas resultantes controlando a pressão de vapor aplicada ao material na solução. Além disso, existem alguns métodos top-down para preparar nanopartículas metálicas, como explosão de fio elétrico e moagem de bolas. O princípio da explosão de fio elétrico é que no processo de explosão elétrica, os átomos metálicos são evaporados e rapidamente resfriados no eletrólito para formar nanopartículas de óxido. Controlando a composição do eletrólito e intensidade de corrente, nanopartículas mais finas e uniformes podem ser controladas. Moagem de bolas é um método de produção rápida e em larga escala de nano-partículas com tamanho controlável usando ferramentas de usinagem como engrenagens planetárias de fresamento selecionando tempo de moagem apropriado e parâmetros de processo de equipamento relacionados. Além de nanopartículas metálicas, este método de preparação também pode ser aplicado a outros tipos de nanopartículas.

O segundo tipo comum é nanopartículas não metálicas. Nanopartículas não metálicas comumente usadas em medicina incluem nanopartículas poliméricas, NPs derivadas de biomoléculas, NPs baseadas em carbono e nanopartículas de sílica [16,17,18]. Entre elas, nanopartículas de sílica são as mais representativas. A superfície de sílica tem grupos hidroxila abundantes, o que facilita a ligação de sondas ou grupos fluorescentes na superfície e portanto tem funcionalidade mais flexível. Os métodos de síntese comumente usados de nanopartículas de sílica são o método sol-gel e o método Stöber [19, 20]. O clássico método Stöber é a preparação simples e eficiente de nanopartículas de sílica através da hidrólise e condensação de silicato sob condições alcalinas.

Com o desenvolvimento de nanotecnologia, nanopartículas compostas foram desenvolvidas devido à sua superior compatibilidade funcional. Nanopartículas metálicas têm muitas características que nanopartículas não metálicas não têm, como efeito de ressonância plasmônica (SPR), controlabilidade em campo magnético, etc., mas partículas metálicas são difíceis de degradar efetivamente no corpo, e uso excessivo tem certa toxicidade para células [21]. Portanto, combinar nanopartículas de diferentes materiais em nanopartículas compostas através de diferentes métodos de preparação pode alcançar expansão funcional. Wei et al. prepararam nanobastões de ouro (Au NRs), e então realizaram polimerização radicalar de transferência de átomo iniciada na superfície (SI-ATRP) de N-isopropilacrilamida (NIPAAM) em Au NRs para sintetizar nano-híbridos de resposta no infravermelho próximo [22]. Esta nanopartícula composta que combina materiais metálicos e poliméricos tem tanto capacidades fototérmicas quanto de liberação de fármaco correspondente à luz infravermelha próxima. A casca de hidrogel envolvente faz esta nanopartícula ter melhor biocompatibilidade que NPs de Au únicas. Prakash sintetizou NPs compostas com Au como núcleo e SiO₂ como casca através do método Stöber melhorado. A casca inerte das nanopartículas núcleo-casca é benéfica para reduzir toxicidade de partículas metálicas e melhorar estabilidade do material e capacidade de carregamento de fármaco das NPs metálicas únicas originais [23].

Além dos métodos tradicionais de preparação de nanopartículas mencionados acima, com o desenvolvimento da ciência de nanotecnologia, novos requisitos para proteção ecológica e ambiental foram propostos, então novos métodos de síntese de nanopartículas ambientalmente amigáveis surgiram [24]. Pela primeira vez, Hajar et al. usaram Stevia rebaudiana como agente redutor biológico para sintetizar com sucesso NPs de ZnS com tamanho de partícula variando de 1 a 40 nm. Os NPs de ZnS sintetizados desta forma têm boa biocompatibilidade [25]. De acordo com princípios de química verde, Miri et al. usaram extrato de P. farcta (planta pertencente a Leguminosae) para sintetizar rapidamente NPs de CeO₂ com tamanho de partícula de cerca de 30 nm. Este tipo de nanopartículas tem boa biocompatibilidade [26].

Nanopartículas para Imagem Médica

Imagem médica desempenha papel importante no diagnóstico e tratamento de tumores. Muitas nanopartículas, como NPs de óxido de ferro, têm propriedades ópticas, magnéticas, acústicas e estruturais que podem melhorar imagem (Fig. 2). Alguns estudos mostraram que introduzir NPs em tecidos alvo pode melhorar contraste de imagem e fornecer melhor orientação de imagem para cirurgia e diagnóstico de tumores [27]. Por exemplo, em criocirurgia, NPs podem melhorar qualidade de imagem do tumor e bordas da bola de gelo, o que ajuda a cobrir as bolas de gelo precisamente e melhorar efeito terapêutico [28]. Além disso, a maioria das nanopartículas usadas em imagem são feitas de metal. De acordo com a diferença de diferentes princípios de imagem, nanopartículas também serão feitas de diferentes materiais metálicos. A Tabela 2 lista alguns exemplos recentes sobre NPs feitas por diferentes materiais para imagem médica.

Tomografia de coerência óptica (OCT) é tecnologia de imagem biomédica não invasiva, resolução de mícron. OCT é útil em diagnóstico em tempo real e orientação cirúrgica. No entanto, OCT não pode detectar luz espalhada inelástica porque esta luz não é coerente no campo incidente [35]. Recentemente, muitas pesquisas provaram que o estado de movimento de NPs pode ser capaz de mudar amplitude de OCT, o que pode lidar com este problema. Interferir com movimento de NPs através de campo magnético pode causar mudanças locais em espalhamento de luz. Alguns estudos apontaram que colocar NPs magnéticas em campo magnético para controlar seu movimento pode mudar espalhamento óptico na área, então a luz espalhada inelástica originalmente incoerente pode ser detectada. Este novo método de imagem é tomografia de coerência óptica magnetomotora (MMOCT) [36].

MRI é uma das tecnologias de detecção de tumor não invasivas mais eficazes. No entanto, a falta de comparação de sinal MRI entre fundo biológico e tecido canceroso frequentemente afeta diagnóstico clínico de tumor [37]. MRI é método de imagem por varredura que mede magnetização de moléculas de hidrogênio em moléculas de água. Cada estrutura anatômica apresenta imagem diferente desde que prótons de cada tecido causam diferentes mudanças em magnetização. A visibilidade de imagens pode ser melhorada através da aplicação de mais agentes de contraste [38, 39]. O efeito EPR relacionado a tumor amplamente utilizado na detecção precoce de tumores produz grande capacidade de aumento de contraste para NPs magnéticas [40]. NPs magnéticas de óxido de ferro (IONPs) que são atualmente os agentes de contraste nanoprobe de MRI mais comuns têm certa direcionamento celular [41]. Por exemplo, estudos encontraram que IONPs poderiam entrar em células de Kupffer hepáticas saudáveis durante diagnóstico de câncer de fígado usando MRI mas serão excluídas de células cancerosas, resultando em tecido saudável de baixo sinal e tecido tumoral de alto sinal [42]. Baseado em estudos recentes, modificação adequada de superfície de partícula e incorporação apropriada de bio-oligômero tumor-específico de NPs podem melhor fixar NPs em tumores para alcançar resultados de imagem mais claros e podem até ser usados para imagem de micro tumores precoces. Por exemplo, estudos encontraram que AuNPs direcionadas para transferrina humana podem aumentar significativamente efeito de imagem de tumores cerebrais [43]. Gao et al. equiparam com anticorpo monoclonal anti-receptor de fator de crescimento epidérmico (mAb) na base de sondas NPs paramagnéticas para alcançar imagem de tumores pequenos [44].

Nanopartículas para Entrega Direcionada de Fármacos

Embora fármacos quimioterápicos agora sejam o tratamento mais comumente usado para tumores, eles ainda têm problema de enriquecimento alvo pobre em áreas de tumor maligno e superacumulação em tecido saudável [45]. Isso pode causar inibição de células que se dividem vigorosamente, como medula óssea, folículos capilares, células gastrointestinais e linfócitos, levando a reações adversas como supressão de medula óssea, mucosite, queda de cabelo, e até morte [46]. Entrega direcionada de fármacos que se refere a diferenciação ativa entre células normais e cancerosas para entrega de fármacos tem melhor eficácia e menos reações adversas que tratamento convencional [45]. Muitos estudos confirmaram que NPs podem direcionar fármacos quimioterápicos a células tumorais através de direcionamento ativo ou passivo [47]. Além disso, muitos experimentos encontraram que NPs também desempenham papel importante na entrega direcionada de fármacos imunes [48].

Conforme mostrado na Fig. 3, direcionamento passivo frequentemente depende de algumas características fisiopatológicas de tecido tumoral, incluindo vasos sanguíneos anormais, temperatura, pH e carga de superfície de células tumorais [49]. Por exemplo, devido ao efeito de permeabilidade e retenção aumentada (EPR) de vasos sanguíneos no tecido tumoral, NPs com diâmetro de cerca de 400 nm podem ser transferidas passivamente para o tecido tumoral [50]. No entanto, há muitas limitações na abordagem de direcionamento passivo em termos de propriedades físico-químicas de NPs como diâmetro, carga de superfície, peso molecular, hidrofobicidade ou hidrofilicidade. Além disso, a técnica de direcionamento passivo tem desempenho inferior em eficiência de difusão de fármaco e mostra efeito EPR insuficiente em células tumorais [51]. Devido às deficiências do direcionamento passivo, nos últimos anos, a maioria das pesquisas sobre NPs de entrega de fármacos mudou para direcionamento ativo (direcionamento por ligante). A Tabela 3 destaca alguns exemplos recentes sobre NPs usadas em entrega de fármacos.

NPs de direcionamento ativo (direcionamento por ligante) frequentemente carregam alguns ligantes de biomarcadores tumor-específicos [61]. Conforme mostrado na Fig. 4 quando o ligante contata o receptor na superfície do tumor, NPs podem ser internalizadas pelas células tumorais através de endocitose mediada por receptor, e os fármacos podem ser liberados devido ao pH ácido e enzimas específicas no ambiente intracelular [62]. Quanto a ligantes de direcionamento, ácido fólico, transferrina, receptor de fator de crescimento epidérmico (EGFR) e glicoproteína são geralmente utilizados em pesquisas atuais [62]. Por exemplo, Sandoval et al. observaram enriquecimento significativo de fármaco e eficácia evidente no tratamento de camundongos com câncer de mama através de NPs estearílicas direcionadas por EGFR equipadas com gemcitabina [63]. Pandey et al. encontraram que NPs de ouro direcionadas por ácido fólico carregando cloridrato de berberina (BHC) podem efetivamente entregar fármacos a células de câncer cervical humano expressando receptor de folato [64].

Nos últimos anos, comparado com fármacos quimioterápicos, terapia de silenciamento gênico mediada por RNA interferente curto (siRNA) tem sido considerada nova perspectiva para tratamento de tumor [64]. Embora vírus possam ser usados como veículos de entrega para siRNA, vetores virais foram confirmados por causar mutagênese de inserção e imunogenicidade [65]. Em contraste, NPs de selênio são relatadas como tendo grande potencial como carreadoras de siRNA, porque o oligoelemento selênio em si pode reduzir ocorrência de tumor, diminuir toxicidade de fármacos, e regular função imune [66]. Além disso, a superfície de NPs de selênio pode carregar vários grupos de direcionamento tumoral (como folato, ácido hialurônico e peptídeo RGD) para aumentar capacidade de direcionamento tumoral [67]. Xia et al. relataram que NPs de selênio (RGDfC-Se@siRNA) direcionadas por peptídeo RGDfC têm excelente capacidade de alvejar câncer cervical HeLa [60]. Enquanto isso, porque RGDfC pode combinar especificamente com integrina α_vβ₃ que é altamente expressa por uma variedade de células tumorais, NPs RGDfC-Se@siRNA podem ser reutilizadas para entrega direcionada de fármacos para uma variedade de tumores [68]. Em termos de estrutura, RGDfC-SeNPs com carga positiva podem empacotar firmemente siRNA carregado negativamente através de sua interação eletrostática [69]. Através de experimentos com animais, NPs RGDfC-Se@siRNA mostram capacidade de entrar eficientemente em células tumorais através de endocitose associada a clatrina. Em células tumorais, pode liberar rapidamente siRNA e silenciar eficientemente genes relacionados e promover geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) para inibir proliferação de células tumorais e promover apoptose de células tumorais [69]. Adicionalmente, múltiplas SeNPs demonstraram excelente segurança biológica e nenhum dano tóxico óbvio a fígado, rim, coração, pulmão, baço e outros órgãos principais de camundongos [60, 70, 71].

Atualmente, embora haja muitas NPs usadas em entrega direcionada de fármacos, a maioria das aplicações ainda permanece no estágio de experimentos celulares ou com animais, carecendo de suporte potente de aplicação clínica. Além disso, muitas NPs são administradas intratumoralmente, o que limita o escopo de NPs aplicáveis a tumores e carece de ferramentas especiais de entrega de fármacos NPs e outros métodos de entrega.

Portanto, explorar uma maneira melhor de administrar NPs pode ser direção para pesquisa futura de NPs de entrega direcionada de fármacos. De acordo com periódicos acadêmicos existentes, administração intervencionista vascular pode ser maneira viável. Na hipótese, primeiro localizar posição de vaso sanguíneo alimentador do tumor com ajuda de imagem, e então usar fio guia para introduzir NPs diretamente no vaso sanguíneo alimentador do tumor e controlar movimento dos NPs em pequena faixa aplicando campo magnético simultaneamente. Portanto NPs podem ser fixadas na posição adequada sem ser influenciadas por fluxo sanguíneo no vaso. Caso contrário, NPs direcionadas para entrega de fármacos apenas têm certas limitações. NPs de direcionamento afetarão distribuição sistêmica de fármacos quimioterápicos e reduzirão efeito de quimioterapia em células tumorais livres e micrometástases. Se equipadas com fármacos direcionados, o efeito de direcionamento tende a ser aumentado enquanto a melhoria não é evidente baseada em estudos existentes. Além disso, fármacos anti-tumorais são improváveis de eliminar todas as células-tronco tumorais por si mesmos. No entanto, terapia física baseada nas características físicas de NPs tende a ser mais eficaz contra células-tronco tumorais. Portanto, NPs multifuncionais carreadoras de fármacos direcionados tendem a ser aconselháveis no futuro, como criocirurgia, terapia fototérmica (PTT) e terapia fotodinâmica (PDT) etc., para formar NPs multifuncionais para tratamento de tumor.

Nanopartículas para Criocirurgia

Criocirurgia, técnica de destruir tecido tumoral por congelamento, tem vantagens de baixa invasividade, baixo custo, menos sangramento intraoperatório e menos complicações pós-operatórias, mas ainda há desvantagens como eficiência de congelamento insuficiente e dano de congelamento a tecidos circundantes [28]. Embora agentes protetores como proteína anticongelante (AFP-1) tenham sido utilizados para auxiliar ablação a frio, o efeito ainda não é ideal [72]. Com desenvolvimento de nanotecnologia, conceito de nanocriocirurgia foi proposto. O mecanismo básico de nanocriocirurgia é introduzir NPs com propriedades físicas ou químicas específicas em tecidos tumorais. Utilizando propriedades de NPs, não apenas eficiência e eficácia de congelamento podem ser melhoradas, mas o ajuste de faixa e direção de formação de bola de gelo também podem ser controlados. Assim, nanocriocirurgia é capaz de matar tecido tumoral e prevenir tecido saudável circundante de ser congelado simultaneamente [73]. As vantagens de nanocriocirurgia são mostradas na Fig. 5.

Em criocirurgia, formação de gelo intracelular é chave para dano de células tumorais. Enquanto isso, pesquisa prova que NPs podem efetivamente induzir formação de gelo intracelular [28]. NPs como partículas externas podem induzir nucleação heterogênea. Estudos encontraram que tecidos enriquecidos com NPs congelam mais rápido que tecidos convencionais e são mais propensos a nucleação heterogênea. Sob mesmas condições de congelamento, formação de gelo de tecido com NPs é mais fácil, indicando que NPs podem aumentar significativamente velocidade e probabilidade de formação de gelo em células, que pode matar células tumorais mais efetivamente [74]. Além disso, NPs com óxido metálico aumentarão significativamente condutividade térmica em tecido tumoral. Por exemplo, Liu e Deng compararam curva de resposta de temperatura de tecidos de porco com e sem NPs. Encontraram que tecidos contendo NPs resfriaram rapidamente, e a temperatura mais baixa pôde alcançar 115 °C, que foi muito menor que a do grupo controle sem NPs.

Como tumores são geralmente irregulares em forma, cristais de gelo produzidos por criocirurgia tradicional tendem a não cobrir todo tecido tumoral. Comparado com criocirurgia tradicional, nanocriocirurgia pode lidar com o problema facilmente. Porque NPs podem permear no fluido intracelular e têm boas propriedades físicas como condutividade térmica, é possível controlar direção de crescimento e direção da bola de gelo pela distribuição de NPs [73].

Em criocirurgia, congelamento insuficiente pode não destruir completamente tecido tumoral, e congelamento excessivo pode danificar tecido saudável adjacente. Especialmente quando tumor está em contato próximo com órgãos frágeis, sua localização é profunda, ou sua forma é irregular, o dano ao tecido saudável pode ser particularmente sério. Nos últimos anos, materiais de mudança de fase (PCMs) feitos de NPs demonstraram excelente potencial protetor para tecidos saudáveis circundantes durante criocirurgia [75]. Por exemplo, Lv et al. microencapsularam NPs de mudança de fase com grande calor latente e baixa condutividade térmica através de lipossomos, e antes da criocirurgia, injetaram NPs de mudança de fase microencapsuladas em tecidos saudáveis ao redor do tumor e encontraram que evitaram dano de baixa temperatura a tecido saudável [76].

Embora NPs tenham sido amplamente usadas em criocirurgia, ainda há série de deficiências. Primeiro, ainda é incapaz de controlar NPs in vitro, o que resulta em distribuição desigual de NPs em tecido tumoral e função esperada insatisfatória. Em segundo lugar, embora haja variedade de nanopartículas magnéticas, o efeito real de controle in vitro de NPs por campo magnético ainda não é ideal. Além disso, nanocriocirurgia carece de pesquisa experimental clínica, e muitas NPs ainda estão em estágio de laboratório.

A aplicação de NPs em ablação a frio pode ser geralmente dividida em dois tipos: efeito sinérgico e efeito protetor, que são diferentes em termos de requisitos de design de NPs e distribuição in vivo. No futuro, nanocriocirurgia pode ser assistida por variedade de NPs, viz, NPs sinérgicas distribuídas dentro do tumor enquanto NPs protetoras distribuídas ao redor do tumor. Além disso, muitos dispositivos de nano-posicionamento, como template coplanar impresso em 3D com design de punção (3DPCT) que atualmente usado para posicionamento de tumor antes de implantação de partículas radioativas pode ser usado em criocirurgia. Antes da criocirurgia, NPs protetoras podem ser puncionadas e injetadas ao redor do tumor para proteger tecido saudável circundante por template coplanar impresso em 3D (3DPCT) e orientação por TC. Os NPs são capazes de assistir bolas de gelo de criocirurgia a cobrir borda irregular do tumor. Então NPs sinérgicas serão introduzidas no tecido tumoral através do sítio de ablação predefinido por punção ou intervenção vascular para realizar ablação a frio. Esta técnica de nanocriocirurgia não apenas pode superar dificuldades de ablação a frio de tumores irregulares mas também aumentar efeito de ablação a frio e reduzir dano a tecido saudável. Este método pode se tornar direção de pesquisa futura de nanocriocirurgia. A Tabela 4 destaca alguns exemplos recentes sobre NPs usadas em criocirurgia.

Nanopartículas para PTT e PDT

Atualmente, terapia fototérmica (PTT) e terapia fotodinâmica (PDT) baseadas em nanopartículas (NPs) têm mostrado virtudes de forte eficácia, pequena invasão e efeitos adversos leves durante tratamento de tumor (Fig. 6) [80]. Além de matar células tumorais diretamente, fragmentos de células tumorais mortas produzidas por tratamento PDT e PTT podem ser usados como antígenos potenciais para desencadear resposta imune contínua, chamada imunoterapia fototérmica e fotodinâmica [81]. Nanopartículas desenhadas baseadas no conceito de tratamento PTT são novo tipo de nanomateriais de conversão luz-calor, que podem converter energia luminosa em energia térmica para matar células cancerosas. Comparadas com materiais tradicionais de conversão fototérmica, nanopartículas têm muitas vantagens. Primeiro, NPs podem alcançar efeito de agregação direcionada de tumor através de modificação de superfície de partícula, o que contribui para maior capacidade de enriquecimento de tumor alvo [82, 83]. Segundo, nanopartículas têm melhores capacidades de imagem que materiais fototérmicos tradicionais, que podem ser precisamente posicionadas por TC, MRI e imagem fotoacústica [84, 85]. NPs direcionadas sintetizadas por Pan et al. podem realizar PTT sob 0,2 W/cm² NIR para induzir apoptose de células tumorais destruindo DNA nuclear de células tumorais e inibindo processo de reparo de DNA [86]. A Tabela 5 lista alguns exemplos recentes sobre NPs usadas em PDT e PTT.

Além disso, alguns estudos encontraram que PTT mediada por nanopartículas pode reverter resistência multidroga (MDR) de tumor. A superexpressão de transportadores de fármacos, proteína associada a resistência multidroga 1 (MRP1), e glicoproteína P (p-gp) são geralmente consideradas causadoras de MDR em vários tumores [95]. Por exemplo, nanopartículas multifuncionais acionadas por luz desenhadas por Li et al. podem inibir expressão de MRP1 em PTT, o que consequentemente reverte resistência a fármacos de células A549R [96]. Wang et al. relataram que tanto nanopartículas de ouro quanto nanopartículas baseadas em carbono podem superar resistência a DOX promovendo expressão de trimer de fator de choque térmico em PTT, inibindo assim geração de p-gp [97, 98]. Além disso, PTT mediada por nanopartículas também pode aumentar eficácia de quimioterapia destruindo integridade de membranas de células tumorais [99].

PDT é tratamento que usa retenção seletiva de substâncias fotossensibilizantes (PSs) em tecido tumoral sob ativação de luz de excitação de comprimento de onda específico e presença de oxigênio molecular para produzir oxigênio singlete e outras espécies reativas de oxigênio, que leva a apoptose e necrose de células tumorais [100]. No entanto, PS tradicional tem direcionamento tumoral pobre, solubilidade pobre e instabilidade, vulnerável ao ambiente interno [100]. Carreadores de nanopartículas modificados por moléculas direcionadas não apenas podem melhorar estabilidade e biocompatibilidade de PS mas também entregar PS a células alvo, o que melhora eficácia e reduz efeitos adversos [100]. Adicionalmente, alguns nanomateriais comuns, como nanobastões de ouro, têm excelentes efeitos PTT por si mesmos. Por exemplo, Vankayala et al. encontraram que exposição de nanobastões de ouro a luz infravermelha próxima (915 nm) foram capazes de induzir eficientemente geração de oxigênio singlete [100].

Nos últimos anos, o papel de nanopartículas de up-conversão (UC) em PDT atraiu muita atenção. Os NPs podem converter excitação de luz de comprimento de onda longo em múltiplos comprimentos de onda curtos, o que permite UC substituir luz de excitação de comprimento de onda curto dependente de PS tradicional pela luz infravermelha próxima com forte capacidade de penetração tecidual [101]. Por exemplo, Li et al. desenvolveram nanopartículas de lantânio com luminescência de banda dupla como carreador de PS. Estas NPs UC dependem do comprimento de onda de luz de excitação de 808 nm para alcançar PDT guiado por imagem sem afetar sinais de imagem [102].

Como a maioria de materiais fotossensíveis utilizados na fototerapia são metais, a biocompatibilidade de NPs desenhados para nanomateriais inorgânicos como íons metálicos ainda precisa ser melhorada.

Fototerapia mediada por NPs é agora creditada não apenas pela eficácia contra tumor mas também pelo potencial de espaço interno livre de nanopartículas já que a terapia apenas utiliza propriedades físicas do esqueleto de NPs. Portanto, NPs são frequentemente multifuncionadas por PDT e PTT. No futuro, tais NPs podem ser desenhadas como NPs dedicadas para células-tronco tumorais que não são sensíveis a quimioterapia. Células-tronco tumorais são dormentes por longo tempo e têm variedade de moléculas resistentes a fármacos, então é difícil matá-las por tratamentos convencionais como quimioterapia, enquanto terapia de luz é mais eficaz matando células-tronco tumorais fisicamente. No futuro, nanoterapia física pode ser usada com muitas outras técnicas, como NPs multifuncionais para terapia fototérmica após criocirurgia. Terapia mediada por NPs multifuncionais pode dar pleno jogo às suas características de baixos efeitos colaterais, forte letalidade local, e morte de células-tronco tumorais. Além disso, porque nanofisioterapia tem efeito de morte local e pode efetivamente matar células-tronco tumorais, pode se tornar método de tratamento para micro metástases.

Nanopartículas para Radioterapia

Radioterapia (RT) é técnica de tratamento de tumor que mata células locais por radiação ionizante gerada por raios e é atualmente tratamento eficaz para muitos tumores sólidos primários e metastáticos [103]. Experimentos provam que radioterapia pode efetivamente matar células-tronco tumorais [104]. No entanto, como melhorar ainda mais a eficácia da radioterapia ainda é desafio sério. Nos últimos anos, nanopartículas no campo de radioterapia demonstraram fortes capacidades de radiosensibilização, capacidades de entrega direcionada de fármacos radiosensibilizadores, e capacidades de aumento de orientação de imagem [105]. Atualmente, as nanopartículas mais populares são feitas por materiais metálicos de alto Z (número atômico), que são caracterizados por inércia química e forte capacidade de absorção de radiação. Elas produzem várias reações como efeito fotoelétrico e efeito Compton após absorver radiação, liberando assim variedade de partículas como fotoelétrons, elétrons Compton, e elétrons Auger. Estes elétrons reagem com moléculas orgânicas ou água em células tumorais para gerar grande número de radicais livres, levando a quimioterapia sinérgica [106]. NPs quimiossensibilizantes comuns são atualmente categorizadas como metais preciosos, óxidos de ferro, e semicondutores em termos de materiais.

NPs de metais preciosos são feitas de materiais metálicos de alto número atômico como ouro, prata, gadolínio, háfnio, platina, bismuto, etc. [107]. Entre eles, nanopartículas de ouro tornaram-se as NPs mais populares devido à sua boa biocompatibilidade, estabilidade química, e coeficiente de absorção fotoelétrica relativamente forte [108]. Em 2000, Herold et al. descobriram capacidade quimiossensibilizante de nanopartículas de ouro em raios X de quilovoltagem. Atualmente, mecanismo específico de quimiossensibilização de nanopartículas de ouro ainda não está claro, e visão principal acredita que depende da capacidade de absorção fotoelétrica de alto número atômico [109]. Além disso, há estudos sugerindo que presença de nanopartículas de ouro melhora sensibilização química de DNA à radiação, o que aumenta dano de DNA induzido por radiação ionizante (IR). Ao mesmo tempo, NPs de ouro podem catalisar mecanismo de sensibilização de radioterapia como produção de radicais livres [105]. Por exemplo, Liu encontrou que AuNPs poderiam aumentar significativamente produção de radicais hidroxila bem como efeito de morte de raios X e íons de carbono rápidos em células [110]. Hipótese do mecanismo de sensibilização de quimioterapia de outros metais preciosos é similar à de nanopartículas de ouro. Particularmente, NPs de platina têm efeito anti-tumor devido à natureza inerente. Consequentemente, NPs de platina são esperadas para desempenhar papel de quimioterapia e radioterapia simultaneamente. No entanto, número de relatórios de pesquisa relevantes é insuficiente, e efeito sensibilizante de NPs de platina também é questionável. Por exemplo, Charest et al. relataram que formulação lipossomal de cisplatina foi capaz de aumentar captação de platina por células tumorais, e poderia aumentar morte de células F98 glioma por raios γ ao mesmo tempo [111]. Pelo contrário, Jawaid et al. relataram que NPs de platina reduziriam geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) e eficácia de radioterapia durante quimioterapia [112].

Nanopartículas de óxido de ferro (IONs), especialmente o imã superparamagnético Fe₃O₄, mostraram grande potencial em radioterapia de tumor guiada por imagem porque são capazes de aumentar dose de radioterapia e imagem MRI, enquanto seu mecanismo de sensibilização não está claro ainda. Alguns estudos acreditam que NPs de óxido de ferro principalmente catalisam geração de ROS através de reação de Fenton e reação Haber-Weiss. Então ROS altamente reativos matarão tumores [112,113,115]. Outros estudos propõem que mecanismo depende de sensibilização de radiação e efeitos sinérgicos de nanopartículas magnéticas. Como Khoei relatou, NPs de óxido de ferro podem melhorar radiosensibilização de células de câncer de próstata in vitro [116]. Huang et al. apontaram que IONs revestidos com dextran cruzado (CLIONs) poderiam ser internalizados por células HeLa e EMT-6 de câncer de mama de camundongo, o que aumenta radioterapia [117]. Embora efeito sinérgico de NPs de óxido de ferro seja óbvio, sua segurança biológica ainda precisa ser melhorada. Muitos estudos provaram que biocompatibilidade e estabilidade química de NPs de óxido de ferro são questionáveis, e tem certa toxicidade [118].

NPs semicondutores como NPs de sílica também foram encontrados com efeito sinérgico em radioterapia. Por exemplo, Zhang et al. usaram análise de citometria de fluxo e experimentos MTT para encontrar que NPs de sílica mesoporosa podem efetivamente aumentar radioterapia de glioblastoma [119]. He et al. relataram mecanismo de aumento radioativo de NPs de sílica. Encontrou que sob irradiação de raios X, nanopartículas de sílica poderiam produzir radicais hidroxila finos, que podem efetivamente matar células tumorais [120].

Atualmente, embora muitos experimentos tenham confirmado que NPs foram capazes de sensibilizar radioterapia, mecanismo específico de sensibilização ainda não está claro, o que impede desenvolvimento de novas NPs sensibilizadas. Há algumas doutrinas como sensibilização de quimioterapia que promove produção de radicais livres. No entanto, há falta de relação quantitativa entre quantidade de produção de radicais livres, intensidade de radiação, e dados físicos de nanopartículas. Além disso, a maioria de NPs sensibilizadas são feitas de metais de alto número atômico. Estes metais têm muitas desvantagens no corpo humano como dificuldade em auto-metabolismo e biodegradação. Enquanto isso, acúmulo de longo prazo dos metais produzirá toxicidade, o que limita uso seguro de NPs radiosensibilizadas. Além disso, comparado com NPs de sensibilização de radioterapia, menos estudos focaram em NPs que podem prevenir reações adversas de radioterapia e proteger tecidos saudáveis. Pesquisa em NPs protetoras de radioterapia é curta em quantidades.

No futuro, buscar material de NPs que possa ser metabolizado pelo rim, biometabolizado, biocompatível, estável em propriedades físico-químicas, e inerentemente menos tóxico, ou buscar modificação de superfície que possa ajudar corpo a metabolizar NPs pode se tornar direção de pesquisa para NPs sensibilizadas. Além disso, embora tenham havido muitos estudos de NPs em multi-função, nomeadamente sensibilização simultânea de radioterapia e quimioterapia, ainda há muitos potenciais neste campo, que são dignos de foco no futuro. Desenvolvimento de NPs protetoras que podem proteger tecidos normais ao redor de radioterapia e aliviar defesa pobre contra radioterapia também pode se tornar direção de pesquisa.

Conclusão

O pobre efeito curativo, capacidade de direcionamento ineficiente, vários efeitos colaterais, e risco biológico potencial são alguns dos atributos desfavoráveis da terapia e diagnóstico convencionais de câncer. Nos últimos anos, nanotecnologia avançada e biologia molecular celular promoveram aplicações de NPs em campo de câncer. Não apenas NPs metálicas, mas também muitos lipídios, ácidos nucleicos e NPs de silício mostraram evidente superação em diagnóstico e tratamento de câncer. Além disso, nova geração de NPs não é mais limitada a solo mas múltiplas funções. Por exemplo, NPs de PLGA revestidas de ouro equipadas com bloqueadores PD-1 desenhadas por Luo et al. podem não apenas direcionar entrega de fármacos mas também mediar terapia PTT [121]. (Pd @ Au) / Fe3O4 NPs de Spirulina com doxorrubicina criadas por Wang et al. demonstraram funções de terapia fototérmica, entrega de fármacos quimioterápicos, e controle de campo magnético em experimentos celulares [122]. Nanopartículas multifuncionais se tornarão tendência de pesquisa futura.

Atualmente, encontramos que a maioria das nanopartículas apenas permanece em estágio in vivo e in vitro. De acordo com esta revisão, pensamos que as seguintes razões impedem aplicação clínica de NPs.

1. Falta de rotas e métodos de injeção

A maioria das NPs é injetada no corpo via punção ou injeção intravenosa. Portanto, o fluxo sanguíneo levará NPs, tornando NPs difíceis de permanecer na área alvo por longo tempo, o que leva a apenas poucas NPs que podem ser captadas por células tumorais. Fármacos de baixa concentração não podem produzir efeito terapêutico esperado, e NPs de baixa concentração também afetam efeitos de morte física de PDT, PTT, criocirurgia, e radioterapia. Em nossa opinião, plataforma de NPs magnéticas pode ser solução. Houve muitos experimentos in vitro e in vivo que provaram viabilidade de usar campo magnético tridimensional para controlar movimento de NPs contra fluxo sanguíneo [122,123,125]. No entanto, como resolver interferência do corpo humano ao campo magnético, como resolver impacto de colisão de células sanguíneas com NPs, e como controlar grande número de NPs em grupo ainda estão em descoberta.

2. Dificuldade na localização de NPs in vivo

Comparado com corpo humano, tamanho de NPs é minúsculo. Mesmo se NPs forem carregadas com proteínas fluorescentes, ainda é difícil para equipamentos de imagem convencionais (TC, raio-X, MRI) localizar NPs no corpo humano em tempo real. Para lidar com este desafio, tomografia computadorizada fotoacústica (PACT) pode ser solução. Tomografia computadorizada fotoacústica (PACT) atingiu alta resolução espaciotemporal (resolução planar de 125-μm e aquisição de dados de 50-μs frame⁻¹), penetração profunda (penetração tecidual de 48-mm in vivo), e contrastes anatômicos e moleculares [126]. Devido ao excelente desempenho, PACT tem grande potencial em imagem de localização de NPs in vivo. O sistema microrrobótico guiado por PACT desenhado por Wu et al. alcançou propulsão controlada e retenção prolongada de carga in vivo de NPs com diâmetro de 50 μm [127]. Embora resolução atual e penetração profunda de PACT ainda sejam insuficientes, é superior a equipamentos de imagem convencionais (TC, raio-X, MRI) em termos de posicionamento de imagem de NPs.

3. Dificuldade de degradação no corpo humano

Embora NPs sejam feitas de materiais de alta biossegurança, ainda há risco de danos a fígado, rim, e outros órgãos se permanecerem no corpo por longo tempo e não puderem ser degradadas ou excretadas. O uso de materiais que serão desintegrados após irradiação de luz infravermelha próxima para fabricar NPs pode ser solução para este problema. Recentemente, cada vez mais NPs têm sido produzidas por estes materiais. Tais NPs medeiam PTT enquanto carregam fármacos, enquanto isso, substâncias produzidas pela desintegração de NPs podem ser rapidamente metabolizadas pelo corpo humano. Além disso, uso de materiais mais biocompatíveis e degradáveis para preparação de nanopartículas também é solução. Por exemplo, superfície de quitosana é positivamente carregada e pode ser decomposta pela flora colônica, o que facilita interação com tecidos específicos e pode ser metabolizada pelo corpo. Biocompatibilidade e degradabilidade de quitosana foi provada ser não tóxica em concentrações apropriadas de fármacos [128].

4. Dificuldade em evitar sistema fagocítico mononuclear (MPS)

Em biofluidos, NPs adsorverão proteínas para formar uma camada de coroa referida como "coroa proteica" em sentido amplo dando identidade biológica a NPs e altera seus caracteres biológicos, o que atrairá MPS especialmente macrófagos para captar NPs [129]. Para evitar ser captado por MPS, vários revestimentos poliméricos como poliéter, polibetaína (PB) e poliol foram investigados para cobrir NPs. Por exemplo, NPs com enxerto de poliglicerol são capazes de evitar captação por macrófagos reduzindo adsorção de proteínas [130]. Além disso, há dois tipos de macrófagos associados a tumor (TAM), M1 e M2. Macrófagos M1 inibem crescimento tumoral enquanto M2 promovem crescimento tumoral. Portanto, não mais evitando macrófagos, mas desenhando NPs direcionadas por macrófagos, regulando função de macrófagos, e até usando macrófagos como novos carreadores de fármacos para exercer efeitos anti-tumorais pode se tornar nova solução. Atualmente, estratégias comuns de design para tais NPs incluem inibir recrutamento de macrófagos, depletar TAM, reprogramar TAMs, e bloquear via CD47-SIRPα [131]. Entre eles, seguindo conceito de design de reprogramação ou bloqueio de via CD47-SIRPα, NPs que repolarizam macrófagos M2 para tipo M1 fizeram avanço em experimentos in vivo [132].

Considerando as dificuldades acima e referenciando pesquisas avançadas, propomos novo design possível de NPs. O esqueleto de NPs é feito de material pirolítico (spirulina, exossomos, etc.). Então, materiais fototérmicos (Au, Pd, etc.) são depositados no esqueleto de NPs através de deposição química. Depois, óxido de ferro superparamagnético será carregado na superfície de NPs através do método sol-gel. Então, polímeros adequados (polibetaína, poliglicerol, etc.) cobrirão as NPs. Finalmente, fármaco (como doxorrubicina) será carregado nas NPs. Posteriormente, sob orientação de PACT, NPs serão injetadas a montante do vaso sanguíneo alimentador do tumor, e o tumor será irradiado com NIR. Ao mesmo tempo, controle de campo magnético tridimensional é dado para maximizar acúmulo de NPs no sítio tumoral. Através deste design, grande número de NPs se acumulará no sítio tumoral para garantir concentração de fármaco e efeito PTT. Ao mesmo tempo, a maioria das NPs será decomposta no sítio tumoral, e apenas pequeno número de NPs circulará no corpo.

Atualmente, terapia anti-tumor com NPs como corpo principal ainda está em estágio exploratório, e tecnologias e equipamentos relacionados precisam ser inventados, então é improvável ser usada clinicamente a curto prazo. No entanto, NPs podem mudar parte da função ou estrutura de muitas tecnologias reais. A atualização de tecnologias reais é esperada para ser aplicada em clínica rapidamente, o que contribui para atualizar diagnóstico e tratamento de tumores em consequência. Por exemplo, NPs podem ajudar a desenvolver dispositivos eletroquímicos baseados na interação entre íons e polímeros condutivos, como transistores eletroquímicos orgânicos (OFETs), transistores de efeito de campo com porta de eletrólito (FETs), transistores de efeito de campo do tipo fin (FinFETs), transistores de efeito de campo de tunelamento (TFETs), laboratório eletroquímico em chips (LOCs) [133]. Estes dispositivos eletroquímicos são amplamente usados em vários equipamentos de teste e diagnóstico de tumor. O uso de NPs pode ajudar a melhorar precisão do equipamento e reduzir tempo de detecção. Muitos estudos indicam que equipamentos médicos usando componentes eletrônicos atualizados por NPs foram aplicados clinicamente [133,134,136].

Baseado nas evidências citadas acima, pesquisa futura de NPs pode não apenas focar em NPs em si mas também considerar uma plataforma viável de administração e avaliação de eficácia. Além disso, a plataforma precisa ser capaz de monitorar imunotoxicidade, toxicidade de longo prazo, e neurotoxicidade de NPs. À medida que nanotecnologia se desenvolve, se estes problemas forem resolvidos, NPs seriam abordagem ideal para atualizar terapia e diagnóstico de câncer.