La terapia fototérmica (PTT) se refiere a los esfuerzos para utilizar radiación electromagnética (con mayor frecuencia en longitudes de onda infrarrojas ) para el tratamiento de diversas afecciones médicas, incluido el cáncer . Este enfoque es una extensión de la terapia fotodinámica , en la que un fotosensibilizador se excita con una banda de luz específica. Esta activación lleva al sensibilizador a un estado de excitación donde luego libera energía vibratoria ( calor ), que es lo que mata las células objetivo.
A diferencia de la terapia fotodinámica, la terapia fototérmica no requiere oxígeno para interactuar con las células o tejidos diana. Los estudios actuales también muestran que la terapia fototérmica puede utilizar luz de longitud de onda más larga, que es menos energética y, por lo tanto, menos dañina para otras células y tejidos.
Materiales a nanoescala
La mayoría de los materiales de interés que se están investigando actualmente para la terapia fototérmica se encuentran en la nanoescala . Una de las razones clave detrás de esto es la permeabilidad mejorada y el efecto de retención observado con partículas en un cierto rango de tamaño (típicamente 20 - 300 nm). [1] Se ha observado que las moléculas en este rango se acumulan preferentemente en el tejido tumoral . Cuando se forma un tumor, se requieren nuevos vasos sanguíneos para alimentar su crecimiento; Estos nuevos vasos sanguíneos en / cerca de los tumores tienen propiedades diferentes en comparación con los vasos sanguíneos normales, como un drenaje linfático deficiente y una vasculatura desorganizada y con fugas. Estos factores conducen a una concentración significativamente mayor de ciertas partículas en un tumor en comparación con el resto del cuerpo.
NanoRods de oro (AuNR)
Huang y col. investigó la viabilidad del uso de nanobarras de oro tanto para la obtención de imágenes de células cancerosas como para la terapia fototérmica. [2] Los autores conjugaron anticuerpos (anticuerpos monoclonales anti-EGFR) a la superficie de las nanovarillas de oro, permitiendo que las nanovarillas de oro se unieran específicamente a ciertas células cancerosas malignas (células malignas HSC y HOC). Después de incubar las células con las nanovarillas de oro, se utilizó un láser de Ti: zafiro de 800 nm para irradiar las células con diferentes potencias. Los autores informaron sobre la destrucción exitosa de las células cancerosas malignas, mientras que las células no malignas resultaron ilesas.
Cuando los AuNR se exponen a la luz NIR, el campo electromagnético oscilante de la luz hace que los electrones libres del AuNR oscilen de forma coherente y colectiva. [3] Cambiar el tamaño y la forma de las AuNR cambia la longitud de onda que se absorbe. Una longitud de onda deseada estaría entre 700-1000 nm porque el tejido biológico es ópticamente transparente en estas longitudes de onda. [4] Si bien todas las AuNP son sensibles a los cambios en su forma y tamaño, las propiedades de las nanovarillas de Au son extremadamente sensibles a cualquier cambio en cualquiera de sus dimensiones con respecto a su longitud y ancho o su relación de aspecto. Cuando se ilumina un NP metálico, el NP forma una oscilación dipolo a lo largo de la dirección del campo eléctrico. Cuando la oscilación alcanza su máximo, esta frecuencia se llama resonancia de plasmón de superficie (SPR). [3] AuNR tiene dos bandas de espectro SPR: una en la región NIR causada por su oscilación longitudinal que tiende a ser más fuerte con una longitud de onda más larga y otra en la región visible causada por la oscilación electrónica transversal que tiende a ser más débil con una longitud de onda más corta . [5] Las características de SPR explican el aumento de la absorción de luz de la partícula. [3] A medida que aumenta la relación de aspecto AuNR, la longitud de onda de absorción se desplaza al rojo [5] y aumenta la eficiencia de dispersión de la luz. [3] Los electrones excitados por el NIR pierden energía rápidamente después de la absorción a través de colisiones electrón-electrón, y a medida que estos electrones se relajan, la energía se libera como un fonón que luego calienta el entorno del AuNP, que en los tratamientos contra el cáncer sería el células cancerosas. Este proceso se observa cuando un láser tiene una onda continua sobre el AuNP. Los rayos de luz láser pulsada generalmente dan como resultado la fusión o ablación de la partícula con AuNP. [3] Los láseres de onda continua toman minutos en lugar de un solo pulso para un láser pulsado, los láseres de onda continua son capaces de calentar áreas más grandes a la vez. [3]
Nanoconchas de oro
Nanoconchas de oro , nanopartículas de sílice recubiertas con una fina capa de oro. [6] se han conjugado con anticuerpos (anti-HER2 o anti-IgG) mediante enlazadores PEG. Después de la incubación de las células cancerosas SKBr3 con las nanocapas de oro, se utilizó un láser de 820 nm para irradiar las células. Solo las células incubadas con las nanocapas de oro conjugadas con el anticuerpo específico (anti-HER2) fueron dañadas por el láser. Otra categoría de nanocapas de oro son las capas de oro en los liposomas, como plantilla blanda. En este caso, el fármaco también puede encapsularse en el interior y / o en bicapa y la liberación puede activarse mediante luz láser. [7]
termo Nano-arquitecturas (tNA)
El fracaso de la traducción clínica del PTT mediado por nanopartículas se atribuye principalmente a las preocupaciones sobre su persistencia en el cuerpo. [8] De hecho, la respuesta óptica de los nanomateriales anisotrópicos se puede ajustar en la región NIR aumentando su tamaño hasta 150 nm. [9] Por otro lado, la excreción corporal de nanomateriales de metales nobles no biodegradables por encima de 10 nm se produce a través de la ruta hepatobiliar de manera lenta e ineficaz. [10] Un enfoque común para evitar la persistencia del metal es reducir el tamaño de las nanopartículas por debajo del umbral de aclaramiento renal, es decir , nanopartículas ultrapequeñas (USNP), mientras que la transducción máxima de luz a calor es para nanopartículas de <5 nm. [11] Por otro lado, el plasmón de superficie de los USNP de oro excretable se encuentra en la región UV / visible (lejos de las primeras ventanas biológicas), lo que limita gravemente su aplicación potencial en PTT.
La excreción de metales se ha combinado con PTT activado por NIR mediante el empleo de arquitecturas ultrapequeñas en nano compuestas por USNP metálicos incrustados en nanocápsulas de sílice biodegradables. [12] t NAs son las primeras plataformas ultrapequeñas en nano plasmónicas absorbentes de NIR que combinan conjuntamente: i) eficacia de conversión fototérmica adecuada para hipertermia, ii) múltiples secuencias fototérmicas y iii) excreción renal de los componentes básicos después de la acción terapéutica . [12] [13] [14] En la actualidad, el efecto terapéutico del tNA se ha evaluado en valiosos modelos 3D de adenocarcinoma de páncreas humano. [12]
Grafeno y óxido de grafeno
El grafeno es viable para la terapia fototérmica. [15] Se utilizó un láser de 808 nm con una densidad de potencia de 2 W / cm 2 para irradiar los sitios del tumor en ratones durante 5 minutos. Como señalaron los autores, las densidades de potencia de los láseres utilizados para calentar nanobarras de oro oscilan entre 2 y 4 W / cm 2 . Por lo tanto, estas láminas de grafeno a nanoescala requieren una potencia de láser en el extremo inferior del rango utilizado con nanopartículas de oro para la ablación fototérmica de tumores.
En 2012, Yang et al. incorporó los resultados prometedores con respecto al óxido de grafeno reducido a nanoescala informados por Robinson et al. en otro estudio in vivo con ratones. [16] < [17] El tratamiento terapéutico utilizado en este estudio implicó el uso de láminas de óxido de grafeno reducidas a nanoescala, casi idénticas a las utilizadas por Robinson et al. (pero sin ninguna secuencia de selección activa adjunta). Se irradiaron con éxito láminas de óxido de grafeno reducido a nanoescala para destruir por completo los tumores diana. En particular, la densidad de potencia requerida del láser de 808 nm se redujo a 0,15 W / cm 2 , un orden de magnitud menor que las densidades de potencia requeridas anteriormente. Este estudio demuestra la mayor eficacia de las láminas de óxido de grafeno reducidas a nanoescala en comparación con las láminas de grafeno a nanoescala y las nanobarras de oro.
Polímeros conjugados (CP)
PTT utiliza agentes de transducción fototérmica (PTA) que pueden transformar la energía de la luz en calor a través del efecto fototérmico para elevar la temperatura del área del tumor y así provocar la ablación de las células tumorales. [18] [19] Específicamente, los PTA ideales deben tener una alta eficiencia de conversión fototérmica (PCE), una excelente estabilidad óptica y biocompatibilidad , y una fuerte adsorción de luz en la región del infrarrojo cercano (NIR) (650-1350 nm) debido a la profundidad penetración tisular y absorción mínima de luz NIR en los tejidos biológicos. [18] [19] Los ACP incluyen principalmente materiales inorgánicos y materiales orgánicos. [19] Los PTA inorgánicos, como los materiales de metales nobles , los nanomateriales a base de carbono y otros materiales 2D , tienen un PCE elevado y una excelente fotoestabilidad , pero no son biodegradables y, por lo tanto, tienen una potencial toxicidad a largo plazo in vivo. [19] [20] Los PTA orgánicos, incluidos los colorantes de molécula pequeña y los polímeros conjugados (CP), tienen buena biocompatibilidad y biodegradabilidad, pero poca fotoestabilidad. [19] Entre ellos, los colorantes de moléculas pequeñas, como la cianina , la porfirina , la ftalocianina , están limitados en el campo del tratamiento del cáncer debido a su susceptibilidad al fotoblanqueamiento y su escasa capacidad de enriquecimiento tumoral. [19] Los polímeros conjugados con un gran esqueleto conjugado π − π y una estructura de alta deslocalización de electrones muestran potencial para PTT debido a su fuerte absorción NIR, excelente fotoestabilidad , baja citotoxicidad , excelente PCE, buena dispersabilidad en medio acuoso, mayor acumulación en el sitio del tumor, y largo tiempo de circulación sanguínea. [18] [19] [20] [21] Además, los polímeros conjugados se pueden combinar fácilmente con otros agentes de imagen y fármacos para construir nanomateriales multifuncionales para la terapia selectiva y sinérgica del cáncer. [18]
Los CP utilizados para PTT tumoral incluyen principalmente polianilina (PANI), polipirrol (PPy), politiofeno (PTh), polidopamina (PDA), polímeros conjugados de donante-aceptor (DA) y poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli (4 -estirenosulfonato) ( PEDOT: PSS ). [18] [19]
Mecanismo de conversión fototérmica
El proceso no radiativo para la generación de calor de los PTA orgánicos es diferente del de los PTA inorgánicos, como metales y semiconductores, que está relacionado con la resonancia del plasmón superficial . [22] Como se muestra en la figura, los polímeros conjugados se activan primero al estado excitado (S1) bajo irradiación de luz y luego el estado excitado (S1) decae de nuevo al estado fundamental (S0) a través de tres procesos: (I) emitiendo un fotón ( fluorescencia ), (II) cruce entre sistemas y (III) relajación no radiativa (generación de calor). [22] Debido a que estas tres vías del S1 que regresa al S0 suelen ser competitivas en materiales fotosensibles, la emisión de luz y el cruce entre sistemas deben reducirse de manera eficiente para aumentar la generación de calor y mejorar la eficiencia de conversión fototérmica. [18] [22] Para los polímeros conjugados, por un lado, sus estructuras únicas conducen a un apilamiento cerrado de los sensibilizadores moleculares con colisiones intermoleculares muy frecuentes que pueden apagar eficientemente la fluorescencia y el cruce entre sistemas y así mejorar el rendimiento de la relajación no radiativa. [22] Por otro lado, en comparación con las moléculas fototerapéuticas monoméricas, los polímeros conjugados poseen una mayor estabilidad in vivo contra el desmontaje y el fotoblanqueo , mayor tiempo de circulación sanguínea y más acumulación en el sitio del tumor debido al efecto mejorado de permeabilidad y retención (EPR) . [22] Por lo tanto, los polímeros conjugados tienen una alta eficiencia de conversión fototérmica y una gran cantidad de generación de calor. Una de las ecuaciones más utilizadas para calcular la eficiencia de conversión fototérmica (η) de los PTA orgánicos es la siguiente:
η = (hAΔΤ máx -Qs) / I (1-10 -Aλ )
donde h es el coeficiente de transferencia de calor, A es el área de la superficie del recipiente, ΔΤ max significa el cambio máximo de temperatura en la solución, A λ significa la absorbancia de luz, I es la densidad de potencia del láser y Qs es el calor asociado con la absorbancia de luz del solvente. [23]
Además, se han diseñado varios métodos eficientes, especialmente la estrategia de donante-aceptor (DA), para mejorar la eficiencia de conversión fototérmica y la generación de calor de los polímeros conjugados. [18] El sistema de ensamblaje de DA en los polímeros conjugados contribuye a una fuerte transferencia de electrones intermoleculares del donante al aceptor, lo que brinda una fluorescencia eficiente y una extinción de cruces entre sistemas y una mejor generación de calor. [22] Además, la brecha HOMO-LUMO de los polímeros conjugados D-A se puede ajustar fácilmente cambiando la selección de los restos donador de electrones (ED) y aceptor de electrones (EA) y, por lo tanto, polímeros estructurados D-A con niveles extremadamente bajos La banda prohibida se puede desarrollar para mejorar la absorción NIR y la eficiencia de conversión fototérmica de los CP. [19] [21]
Polianilina (PANI)
La polianilina (PANI) es uno de los primeros tipos de polímeros conjugados reportados para PTT tumoral. [19] [24] [20] [21] [25] [26]
Polipirrol (PPy)
El polipirrol (PPy) es adecuado para aplicaciones de PTT debido a su fuerte absorbancia NIR, gran PCE, estabilidad y biocompatibilidad. [21] Los experimentos in vivo muestran que los tumores tratados con PPy NP podrían eliminarse eficazmente bajo la irradiación de un láser de 808 nm (1 W cm -2 , 5 min). [27] Las nanohojas de PPy exhiben una capacidad de ablación fototérmica prometedora hacia las células cancerosas en la ventana NIR II para el PTT de tejido profundo. [28]
Las nanopartículas de PPy y sus nanomateriales derivados también se pueden combinar con agentes de contraste de imágenes y diversos fármacos para construir aplicaciones teranósticas multifuncionales en PTT guiado por imágenes y tratamiento sinérgico, que incluyen imágenes fluorescentes, imágenes por resonancia magnética (MRI), imágenes fotoacústicas (PA), tomografía computarizada. (TC), terapia fotodinámica (TFD), quimioterapia, etc. [19] Por ejemplo, PPy se ha utilizado para encapsular nanopartículas de óxido de hierro ultrapequeñas (IONP) y finalmente desarrollar NP IONP @ PPy para PTT guiado por imágenes de RM y PA in vivo . [29] Los nanocompuestos de polipirrol (I-PPy) se han investigado para el PTT tumoral guiado por imágenes de TC. [30]
Politiofeno (PTh)
El politiofeno (PTh) y sus polímeros basados en derivados también son un tipo de polímeros conjugados para PTT. Los polímeros a base de politiofeno generalmente exhiben una excelente fotoestabilidad , una gran capacidad de captación de luz, una síntesis fácil y una funcionalización fácil con diferentes sustituyentes. [21]
Se puede preparar un copolímero conjugado (C3) con propiedades fototérmicas prometedoras uniendo bis-imida de ácido 2-N, N'-bis (2- (etil) hexil) -perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico a una oligómero de tienilvinileno. C3 se coprecipitó con PEG-PCL y verde de indocianina (ICG) para obtener nanopartículas de PEG-PCL-C3-ICG para la terapia fototérmica / fotodinámica guiada por fluorescencia contra el carcinoma oral de células escamosas (OSCC). [31] Un DPPV biodegradable PEGilado con PLGA (poli {2,2 ′ - [(2,5-bis (2-hexildecil) -3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahidropirrolo [3,4- c] -pirrol-1,4-diil) -ditiofeno] -5,5'-diil-alt-vinileno) polímero conjugado para PTT guiado por PA con PCE 71% (@ 808 nm, 0,3 W cm-2). Los enlaces de vinileno en la cadena principal mejoran la biodegradabilidad, biocompatibilidad y eficiencia de conversión fototérmica de los CP. [32]
Polidopamina (PDA)
La dopamina es uno de los neurotransmisores del cuerpo que ayuda a las células a enviar impulsos. La polidopamina (PDA) se obtiene mediante la autoagregación de la dopamina para formar una sustancia similar a la melanina en condiciones alcalinas suaves. [33] El PDA tiene una fuerte absorción NIR, buena estabilidad fototérmica, excelente biocompatibilidad y biodegradabilidad y alta eficiencia de conversión fototérmica. [34] Además, con una estructura conjugada π y diferentes grupos activos, el PDA se puede combinar fácilmente con varios materiales para lograr multifunción, como imágenes de fluorescencia , resonancia magnética , tomografía computarizada , PA, terapia dirigida, etc. [19] En vista de esto, el PDA y sus nanomateriales compuestos tienen una amplia perspectiva de aplicación en el campo biomédico.
Las nanoesferas coloidales de dopamina-melanina son un agente terapéutico fototérmico del infrarrojo cercano eficaz para la terapia del cáncer in vivo. [23] El PDA también se puede modificar en la superficie de otros PTA, como nanobarras de oro, materiales a base de carbono, para mejorar la estabilidad fototérmica y la eficiencia in vivo. [19] Por ejemplo, las nanopartículas de oro puntiagudas modificadas con PDA (SGNP @ PDA) se han investigado para la terapia quimio-fototérmica. [35]
CP de donante-aceptor (D − A)
Los polímeros conjugados de donante-aceptor (D-A) se han investigado con fines medicinales. Los CP de nano-PCPDTBT tienen dos restos: 2-etilhexil ciclopentaditiofeno y 2,1,3-benzotiadiazol. Cuando la solución de nanopartículas de PCPDTBT (0,115 mg / ml) se expuso a un láser NIR de 808 nm (0,6 W / cm 2 ), la temperatura se pudo incrementar en más de 30 ° C. [36] Wang y col. diseñó cuatro puntos poliméricos conjugados estructurados con DA que absorben NIR (Pdots) que contienen unidades de dicetopirrolo-pirrol (DPP) y tiofeno como materiales fototérmicos efectivos con el PCE hasta un 65% para la terapia del cáncer in vivo. [37] Zhang y col. construyó PBIBDF-BT DA CP utilizando derivado de isoíndigo (BIBDF) y bitiofeno (BT) como EA y ED respectivamente. PBIBDF-BT se modificó adicionalmente con poli (etilenglicol) -bloque-poli (fosfato de hexiletileno) (mPEG-b-PHEP) para obtener PBIBDF-BT @ NP PPE con PCE del 46,7% y alta estabilidad en un entorno fisiológico. [38] El grupo de Yang diseñó PBTPBF-BT CP, en el que la bis (5-oxotieno [3,2-b] pirrol-6-iliden) -benzodifurandiona (BTPBF) y la 3,3′-didodecil-2,2 ′ -Unidades de biofeno (BT) que actúan como EA y ED respectivamente. Los DA CP tienen un pico de absorción máximo a 1107 nm y una eficiencia de conversión fototérmica relativamente alta (66,4%). [39] Pu y col. sintetizaron PC70BM-PCPDTBT DA CP mediante nanoprecipitación de éster metílico del ácido EA (6,6) -fenil-C71-butírico (PC70BM) y ED PCPDTBT (SP) para PTT guiado por PA. [40] Wang y col. desarrollado DA CPs TBDOPV-DT que contiene oligo (p-fenilenvinileno) (TBDOPV) a base de benzodifurandiona fundido con tiofeno como unidad EA y 2,2'-bitio-feno (DT) como unidad ED. Los CP TBDOPV-DT tienen una fuerte absorción a 1093 nm y logran una conversión fototérmica NIR-II altamente eficiente. [41]
PEDOT: PSS
Poli (3,4-etilendioxitiofeno): el poli (4-estirenosulfonato) (PEDOT: PSS) se usa a menudo en electrones orgánicos y tiene una fuerte absorción NIR. En 2012, el grupo de Liu informó por primera vez sobre la nanopartícula polimérica PEDOT: PSS PEGilada (PEDOT: PSS-PEG) para la terapia fototérmica del cáncer en el infrarrojo cercano. PEDOT: Las nanopartículas de PSS-PEG tienen una alta estabilidad in vivo y una vida media de circulación sanguínea prolongada de 21,4 ± 3,1 h. El PTT en animales no mostró efectos secundarios apreciables para la dosis probada y una excelente eficacia terapéutica bajo la irradiación láser de 808 nm. [42] Kang y col. Núcleo-capa de polímero magnetoconjugado sintetizado MNP @ PEDOT: nanopartículas de PSS para PTT guiado por imágenes multimodales. [43] Además, los NP de PEDOT: PSS no solo pueden servir como PTA sino también como portador de fármacos para cargar varios tipos de fármacos, como SN38, fármacos de quimioterapia DOX y agente fotodinámico clorina e6 (Ce6), logrando así una terapia sinérgica contra el cáncer. [44]
Ver también
- Fotomedicina
- Terapia de luz
- Terapia de hipertermia
- Tratamiento experimental del cáncer
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Otras lecturas
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