Magnetic Functionalized Nanoparticles for Biomedical, Drug Delivery and Imaging Applications
Abstrak
Kedokteran terus mencari pengobatan baru dan lebih baik untuk penyakit, yang harus memiliki kemanjuran tinggi dan hemat biaya, menciptakan permintaan besar pada penelitian ilmiah untuk menemukan pengobatan baru tersebut. Salah satu aspek penting dari perawatan apa pun adalah kemampuan untuk hanya menargetkan penyakit dan tidak membahayakan bagian tubuh lain yang sehat. Untuk alasan ini, nanopartikel logam telah dan sedang diteliti secara ekstensif untuk kemungkinan penggunaan medisnya, termasuk aplikasi pencitraan medis, antibakteri dan antivirus. Nanopartikel logam superparamagnetik memiliki sifat yang memungkinkannya diarahkan ke seluruh tubuh dengan medan magnet atau diarahkan ke implan magnetik, yang membuka potensi untuk mengkonjugasikan berbagai bio-kargo ke nanopartikel yang kemudian dapat diarahkan untuk perawatan di dalam tubuh. Di sini kami melaporkan beberapa aplikasi bio-medis saat ini dari berbagai nanopartikel logam, termasuk nanopartikel logam tunggal, nanopartikel logam yang difungsikan, dan nanopartikel logam cangkang inti menggunakan inti Fe3 O4 serta metode sintesis nanopartikel cangkang inti ini.
Pengantar
Nanomaterial logam mewakili pintu yang signifikan untuk masa depan kedokteran. Meskipun masih banyak yang belum diketahui tentang keamanan jangka panjang nanopartikel logam dalam pengobatan [1], partikel ini telah menemukan tempatnya dalam berbagai aplikasi biomedis seperti pencitraan spesifik lokasi in vivo [2,3,4], deteksi kanker [5, 6], terapi kanker [7,8,9,10], terapi penyakit neurodegeneratif [11,12,13], terapi HIV/AIDS [14,15,16], terapi penyakit mata [17,18,19 ], dan terapi penyakit pernapasan [20, 21]. Gambar 1 menyajikan berbagai kegunaan nanopartikel dalam kedokteran saat ini. Meskipun kemajuan dalam nanomedicine baru-baru ini, masih ada banyak kendala dalam cara nano-terapi, seperti sulitnya mencapai rute sintesis yang menghasilkan hasil yang mudah diulang, dengan banyak metode sintesis nanopartikel menghasilkan rentang dalam kedua ukuran [22]. ,23,24] dan bentuk [25,26,27,28] nanopartikel dan/atau tidak menghasilkan nanomaterial dalam jumlah yang cukup besar untuk membuatnya layak secara ekonomi [29]. Faktor kunci lainnya adalah relatif tidak diketahui toksisitas jangka panjang dari beberapa nanopartikel selama periode waktu tertentu karena bidang penelitian yang relatif baru [30,31,32]. Di antara banyak kemungkinan penggunaan nanopartikel logam terletak pada area penghantaran obat [33, 34]. Karena luas permukaan yang besar yang disediakan oleh nanopartikel [35], mereka memiliki kemampuan untuk dapat mengirimkan sejumlah besar obat-obatan atau muatan medis lainnya [36]. Sebuah alternatif untuk nanopartikel logam tunggal adalah untuk menggabungkan inti ke nanopartikel yang memiliki sifat alternatif untuk bahan shell, dan salah satu contohnya adalah untuk menggabungkan inti magnetik. Salah satu tantangan yang masih muncul adalah mensintesis nanopartikel core-shell; ada banyak cara untuk mensintesis nanopartikel [37], tetapi tantangan baru muncul ketika mencoba mensintesis nanopartikel cangkang inti [38].
Beberapa penggunaan nanopartikel saat ini dalam pengobatan
Tinjauan ini pertama-tama berfokus pada beberapa metode yang saat ini digunakan untuk menghasilkan nanopartikel cangkang inti yang berfokus pada penggunaan inti Fe3 O4 dan lapisan emas atau perak. Kami kemudian memeriksa aplikasi bio-medis nanopartikel logam tunggal saat ini, keterbatasannya, dan cara mengatasinya dengan penerapan inti magnetik.
Sintesis Nanopartikel Core-Shell
Metode untuk sintesis nanopartikel logam telah dikenal selama bertahun-tahun, misalnya, Stevenson et al. menerbitkan sintesis untuk nanopartikel emas melalui reduksi HAuCl4 pada tahun 1951 [39]. Sejak itu, ada banyak rute yang berbeda untuk sintesis nanopartikel seperti deposisi gas [40], sol-gel [41], dan fase aerosol/uap [42]. Namun, tantangan baru muncul ketika mencoba mensintesis nanopartikel logam yang terdiri dari struktur cangkang inti, di mana satu logam membentuk inti dan logam kedua membentuk cangkang, misalnya partikel Fe terdegradasi dalam air, sedangkan HAuCl4 merupakan oksidator kuat [38]. Salah satu contoh yang akan dibahas lebih lanjut adalah menggunakan Fe3 O4 (besi oksida) inti dan emas sebagai kulit pelapis. Dalam persiapan nanopartikel logam inti-cangkang, dua masalah terbesar adalah mencoba untuk mengontrol laju pelapisan dan mengendalikan keseragaman pelapisan untuk menciptakan solusi nanopartikel yang semuanya memiliki bentuk dan ukuran yang sangat mirip [43]. Pelapisan emas atau perak pada inti oksida besi dapat dibagi menjadi dua kategori utama:pelapisan langsung emas/perak ke besi [44] atau menggunakan lapisan perantara untuk bertindak sebagai perekat antara emas dan lapisan besi [45]. Kategori sebelumnya akan dibahas di sini. Teks berikut menjelaskan beberapa metode yang telah dirancang untuk mensintesis Fe berlapis emas dan perak3 O4 nanopartikel.
Sintesis Misel Terbalik
Sebuah rute populer untuk mensintesis nanopartikel logam adalah dengan menggunakan metode misel terbalik, atau kadang-kadang disebut rute mikroemulsi [46]. Metode ini pertama kali diperkenalkan pada 1980-an ketika larutan koloid nanopartikel rhodium, platinum, dan paladium pertama kali disintesis [47].
Misel terbentuk ketika molekul dengan bagian penyusun hidrofobik dan hidrofilik bersentuhan dengan fase berair atau hidrofobik [48]. Misel akan mengatur diri sedemikian rupa sehingga memungkinkan bagian hidrofilik bersentuhan dengan fase air dan konstituen hidrofobik menghadap fase hidrofobik [49]. Intinya, spheroid dibentuk dengan fase terlindung bagian dalam, yang selanjutnya dapat berisi kargo [43, 50,51,52].
Ada pendekatan yang berbeda untuk rute mikroemulsi dan ini termasuk air-dalam-minyak (w/o) [53] dan air-dalam-superkritis CO2 (w/sc-CO2 ) [54]. Emulsi w/o terjadi ketika air terdispersi dalam fase kontinyu berbasis hidrokarbon [53], perakitan mandiri surfaktan yang digerakkan secara termodinamik, dan kemudian menghasilkan misel terbalik, dengan misel sferis menjadi bentuk yang paling umum [43]. Setiap bahan polar atau ionik ditambahkan ditambahkan ke campuran ini menjadi terkotak dalam misel, dan nanopartikel kemudian terbentuk ketika membran misel berkontraksi satu sama lain melalui gerakan Brown [55]. Sebuah w/sc-CO2 emulsi melibatkan penggunaan cairan (CO2 ) yang berada dalam keadaan superkritis, yaitu di atas tekanan dan suhu kritisnya [56]. Metode ini memiliki minat khusus karena merupakan pendekatan yang lebih "hijau" untuk sintesis nanopartikel karena tidak diperlukan pelarut organik beracun. Juga lebih mudah untuk menutup produk hanya dengan menurunkan tekanan dan melepaskan cairan sebagai CO2 gas [57].
Rute misel terbalik telah diadaptasi dari sintesis nanopartikel logam untuk melapisi nanopartikel yang disintesis sebelumnya [58]. Oksida besi berlapis emas pertama (Au-Fe3 O4 ) nanopartikel yang disintesis dalam misel terbalik dilakukan hampir 20 tahun yang lalu [59]. Sintesis Au-Fe3 . ini O4 nanopartikel dilakukan menggunakan H2 Sistem O/CTAB (setiltrimetil amonium bromida) untuk menghasilkan misel dengan natrium borohidrida (NaBH4 ) sebagai zat pereduksi, pereduksi emas klorida (HAuCl4 ) ke inti besi. Sintesis ini menghasilkan dispersi nanopartikel dengan ukuran rata-rata 12 nm. Karena ini adalah produksi pertama Au-Fe3 O4 NP menggunakan mikroemulsi, telah ada kisaran Au-Fe3 O4 Rute sintesis NP ditemukan [46, 60,61,62,63]. Gambar 2 adalah representasi umum tentang bagaimana nanopartikel terbentuk menggunakan rute misel terbalik.
Representasi umum dari interaksi misel terbalik yang mengandung garam yang bereaksi membentuk nanopartikel logam
Lin dkk. menerbitkan metode yang sedikit dimodifikasi untuk melapisi Fe3 O4 dengan emas menggunakan metode misel terbalik [60]. Sintesis juga menggunakan sistem yang menggunakan CTAB sebagai surfaktan untuk membentuk misel terbalik, tetapi dengan 1-butanol sebagai ko-surfaktan dan oktana sebagai fase minyak, menambahkan larutan air yang mengandung ion logam menggunakan NaBH4 untuk mengurangi HAuCl4 ke permukaan nanopartikel oksida besi. Hasil optik yang dilaporkan dari partikel terlapis menunjukkan pergeseran puncak serapan spektrum UV/vis dari koloid emas (526 nm) ke Au-Fe3 O4 (555 nm). Hasil TEM partikel terlapisi menunjukkan distribusi ukuran 5–15 nm, dengan ukuran rata-rata 10 nm. Metode ini diulangi oleh Pana et al. dengan distribusi ukuran yang sedikit lebih besar dari Au-Fe berukuran 5–35 nm3 O4 nanopartikel [63]. Selain itu, sistem yang sangat mirip telah digunakan oleh Seip et al. dengan pengecualian penggunaan hidrazin untuk mereduksi HAuCl4 [64].
Pelapisan Fe3 O4 nanopartikel tidak terbatas hanya pada emas; Lopez Perez dkk. melaporkan sintesis nanopartikel besi oksida menggunakan sistem yang mengandung sikloheksana/Brij-97 (ko-surfaktan) dan fasa air dengan garam besi FeSO4 .7H2 O dan FeCl3 .6H2 O [65]. Sistem ini telah dilapisi dengan perak [58] dan emas [46], menghasilkan partikel 13-nm. Metode alternatif dilaporkan oleh Tamer et al. untuk sintesis Au-Fe3 O4 nanopartikel [62]. Metode ini menggunakan co-presipitasi garam besi dalam NaOH, yang kemudian dicuci dalam HClO4 untuk menghasilkan Fe teroksidasi3 O4 nanopartikel. Lapisan emas ke Fe3 O4 NP terjadi melalui reduksi HAuCl4 oleh NaOH dikirim ke sistem oleh misel CTAB. Au-Fe3 O4 NP diproduksi dengan ukuran rata-rata 23,5 nm. Setelah karakterisasi, partikel kemudian dimodifikasi dengan berbagai gugus fungsi untuk membentuk self-assembled monolayer (SAM) dan selanjutnya digunakan untuk menangkap dan mendeteksi Escherichia coli .
Versi modifikasi dari sintesis misel terbalik telah dilakukan oleh Zhang et al. melibatkan penggunaan laser sebagai inisiator untuk pelapisan nanopartikel besi dengan emas [66]. Prosesnya melibatkan pembuatan campuran reaksi dari nanopartikel besi yang dienkapsulasi dalam misel CTAB, bubuk nano emas dalam air, dan oktan, kemudian disinari dengan laser berdenyut sambil mengaduk reaksi dengan kuat. Iradiasi laser memfasilitasi dekomposisi termal dari nanopartikel emas. Atom dan kluster emas terbentuk di sekitar nanopartikel besi, membentuk nanopartikel besi berlapis emas. Hasil TEM untuk nanopartikel Au-Fe yang disintesis dengan cara ini memberikan ukuran rata-rata 18 nm dengan distribusi ukuran ±36 nm.
Sintesis Termal
Di antara berbagai metode sintesis nanopartikel inti besi cangkang emas terletak rute termal, dimana reaksi melibatkan pemanasan campuran reaksi di atas titik didihnya [67], dan kadang-kadang refluks [68, 69]. Ada dua kategori utama untuk jenis sintesis ini:hidrotermal (pelarut berbasis air) [70, 71] dan solvothermal (pelarut berbasis organik) [68, 72]. Meskipun ada banyak teknik untuk mensintesis nanopartikel logam melalui jalur termal [73,74,75,76,77,78], tidak mungkin untuk mencapai sintesis inti dan pelapisan emas dalam reaksi satu pot [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81], dan dalam beberapa kasus, Fe3 O4 inti disintesis melalui rute misel terbalik [70] atau rute koloid [78] dan kemudian partikel dilapisi menggunakan teknik hidro atau solvotermal [70, 76, 78]. Meskipun ada berbagai sistem pelarut yang digunakan dalam metode sintetik ini, sebagian besar rute melibatkan penambahan nanopartikel oksida besi ke HAuCl4 mendidih. atau kebalikan dari HAuCl4 ditambahkan ke larutan mendidih nanopartikel oksida besi [74, 79].
Metode untuk sintesis Au-Fe3 O4 nanopartikel telah dilakukan oleh Rudakovskaya et al. melalui teknik hidrotermal [76]. Prinsip metode mengikuti penambahan Fe3 O4 nanopartikel menjadi HAuCl yang mendidih4 larutan. Analisis TEM dari nanopartikel ini menunjukkan ukuran rata-rata 30 nm, dengan bentuk bola umum dan distribusi ukuran antara 20 dan 35nm; gambar-gambar ini dapat dilihat pada Gambar. 3.
Gambar TEM dari nanopartikel yang disintesis oleh Rudakovskaya et al. Seperti dapat dilihat, nanopartikel secara kasar berbentuk bulat dengan ukuran rata-rata 30 nm [76]
Sintesis Koloid
Teknik sintesis koloid menawarkan cara yang sederhana namun efektif untuk mensintesis nanopartikel logam [82]. Teknik koloid sering menawarkan tingkat kesederhanaan atas teknik lain untuk sintesis nanopartikel, tanpa memerlukan pelarut yang berbeda, atau dapat dilakukan pada suhu kamar [83, 84]. Prinsip dasar sintesis melibatkan pendispersian ion logam yang berbeda dalam fase air, menambahkan zat pereduksi ke dalam campuran, kemudian pencampuran pada suhu yang terkontrol untuk membentuk nanopartikel yang tidak larut [39]. Rute sintesis koloid menawarkan keuntungan karena tidak harus melibatkan pelarut beracun potensial dalam sintesis (ideal jika nanopartikel dimaksudkan untuk penggunaan biologis). Namun, ada beberapa batasan untuk rute koloid seperti sulitnya mengontrol distribusi ukuran nanopartikel yang disintesis akhir [85] dan bentuk nanopartikel dapat sangat dipengaruhi oleh konsentrasi reagen [85]. Sisi positifnya, akan lebih mudah untuk memproduksi nanopartikel dalam jumlah yang lebih besar [86]. Metode untuk sintesis nanopartikel logam ini telah ada selama bertahun-tahun, digunakan untuk sintesis berbagai jenis nanopartikel seperti perak [87] dan emas [39, 88].
Metode dasar ini telah dikembangkan dan dikembangkan untuk menghasilkan rute sintetik yang berbeda untuk pembentukan nanopartikel oksida besi berlapis emas [83, 84, 89,90,91,92,93,94,95,96,97]. Sebagian besar metode untuk sintesis oksida besi berlapis emas berkisar pada penggunaan berbagai zat pereduksi untuk mereduksi HAuCl4 ke permukaan oksida besi. Nadagouda dkk. menawarkan rute sintetis "hijau" yang diusulkan, menggunakan asam askorbat untuk mereduksi HAuCl4 [84]. Namun metode ini tampaknya menunjukkan sedikit atau tidak ada kontrol atas ukuran atau bentuk nanopartikel yang dilapisi karena kurangnya zat capping (zat yang mengikat bagian luar nanopartikel yang menghentikan “pertumbuhan” lebih lanjut dari nanopartikel) yang digunakan dalam sintesis. [98]. Sebuah metode yang menunjukkan kontrol lebih besar atas bentuk dan ukuran partikel terlapis yang disintesis disajikan oleh Pal et al. [95] Metode ini menggunakan emas asetat sebagai garam emas, yang direduksi ke permukaan 6-nm Fe3 O4 nanopartikel untuk membuat Au–Fe3 . berukuran 7 nm O4 partikel yang berbentuk bola. Metode cepat untuk pelapisan Fe3 O4 nanopartikel disajikan oleh Rawal et al. yang melibatkan pendispersian Fe3 O4 nanopartikel dalam larutan HAuCl4 , kemudian dicampur dengan etanol [83]. Setelah 15 menit pada suhu kamar, reaksi dihentikan dan Au-Fe3 O4 nanopartikel kemudian dipisahkan dengan magnet. Analisis TEM dari larutan yang dimurnikan menunjukkan bahwa partikel yang dihasilkan berkisar dari ukuran 30 hingga 100 nm dan memiliki bentuk yang bervariasi di seluruh sampel; gambar-gambar ini dapat dilihat pada Gbr. 4. Meskipun teknik sintesis ini menghasilkan nanopartikel terlapis dengan cepat, teknik ini tampaknya bukan sintesis yang sangat efisien untuk produksi partikel yang berbentuk dan berukuran seragam [83].
Gambar TEM dari nanopartikel yang disintesis oleh Rawal et al. Nanopartikel ini memiliki distribusi ukuran 20–100 nm [83]
Sementara beberapa teknik menawarkan hanya pengurangan garam emas, yang lain lebih memilih untuk menempatkan zat pereduksi ke permukaan besi, seperti hidroksilamin [90, 93]. Dalam banyak kasus ketika Fe3 O4 nanopartikel dilapisi dengan emas, reduksi garam emas menghasilkan nanopartikel emas standar juga [74], sehingga penambahan zat pereduksi ke permukaan nanopartikel besi bertujuan untuk meningkatkan efisiensi pelapisan dan dimaksudkan untuk menurunkan kuantitas nanopartikel emas yang dihasilkan sebagai produk sampingan [93].
Teknik lain melibatkan penyemaian emas ke permukaan nanopartikel magnetik yang menyediakan rute yang lebih langsung untuk mendapatkan emas untuk nukleasi di sekitar inti magnetik nanopartikel [91, 92, 97]. Teknik ini melibatkan pengikatan biji emas, yang lebih kecil dari nanopartikel oksida besi dalam larutan, ke permukaan oksida besi. Ketika HAuCl4 direduksi dalam larutan, Au
+
ion akan benih ke oksida besi dan membentuk cangkang di sekitar nanopartikel oksida besi. Penyemaian emas ini telah berhasil dilakukan oleh beberapa kelompok; Goon dkk. menggunakan polyethyleneimine untuk mengontrol penyemaian emas ke permukaan Fe3 O4 , menghasilkan nanopartikel yang dilapisi sepenuhnya. [91] Namun, Au-Fe3 . yang disintesis O4 partikel menunjukkan polidispersitas tinggi, dengan ukuran partikel berkisar antara 40 hingga 110 nm. Levin dkk. berhasil menghasilkan nanopartikel inti magnetik cangkang emas dengan kisaran ukuran 50–70 nm, menggunakan inti yang difungsikan dengan molekul organosilan untuk mengikat biji emas [92]. Penyemaian nanopartikel emas ke inti besi dapat ditunjukkan dengan berbagai bentuk inti, misalnya, Wang et al. mendemonstrasikan penyemaian emas pada “beras nano” Fe3 O4 struktur, yang kemudian mengarah ke cangkang emas tebal lengkap ketika emas direduksi ke permukaan [97].
Aplikasi Bio-Medis Nanopartikel Logam
Agen Antimikroba
Infeksi bakteri sangat umum, dengan antibiotik menjadi metode pengobatan utama sejak penemuan penisilin pada tahun 1928 oleh Alexander Fleming [99]. Nanomedicine memberi kita berbagai kemungkinan modalitas pengobatan baru, dengan nanopartikel logam sedang dieksplorasi untuk perawatan di masa depan [100]. Tabel 1 mencantumkan beberapa nanopartikel yang telah dieksplorasi untuk aplikasi antimikroba. Salah satu bahan yang telah diteliti potensi penggunaannya adalah perak, yang telah terbukti memiliki berbagai kegunaan biomedis [101], misalnya, Sreekumar et al. memanfaatkan nanopartikel perak sebagai bagian dari jaringan serat antimikroba. Ukuran nanopartikel bervariasi dari 20 hingga 120 nm, dengan kemanjuran antibakteri terhadap Escherichia coli setinggi 94,3% dibandingkan dengan serat tanpa nanopartikel perak [102]. Meskipun telah ditunjukkan bahwa antibiotik seperti ampisilin mampu mencapai tingkat pembunuhan 99,9% pada E. koli [103], penelitian yang sama juga melaporkan munculnya resistensi terhadap ampisilin pada strain tertentu E. koli . Pada catatan yang sama, telah dilaporkan bahwa E. koli dapat mengembangkan resistensi terhadap nanopartikel perak; namun, resistensi ini bukanlah perubahan genetik, tetapi merupakan respons fisik yang mencoba menyebabkan nanopartikel koloid beragregasi [104]. Juga menggunakan perak untuk sifat antibakterinya, Holtz et al. merancang sistem 60-nm perak vanadat nanowires 'dihiasi' dengan nanopartikel perak dengan diameter 1-20 nm [105]. Sistem ini terbukti menjanjikan terhadap tiga Staphylococcus aureus strain dan juga menarik memiliki konsentrasi penghambatan pertumbuhan yang jauh lebih rendah terhadap resisten methicillin Staphylococcus aureus (MRSA) daripada antibiotik oksasilin.
Sintesis nanopartikel perak dilaporkan oleh Verma et al. di mana mereka menggunakan nanopartikel untuk melawan bakteri:Pseudomonas fluorescens , E. koli , dan jamur Candida albicans [106]. Nanopartikel perak memiliki konsentrasi pertumbuhan penghambatan minimum rata-rata 5,83 μg/ml di tiga strain, dibandingkan dengan beberapa antibiotik yang umum digunakan seperti ampisilin dan neomisin yang memiliki konsentrasi penghambatan pertumbuhan minimum masing-masing 4,0 μg/ml dan 16,0 μg/ml. terhadap strain E. koli [110]. Yang menarik adalah sifat nanopartikel yang ditampilkan terhadap P. berpendar sebuah C. albicans , keduanya terkait dengan penyebab penyakit pada pasien dengan gangguan sistem imun [111]. Penyelidikan lebih lanjut mungkin menemukan bahwa nanopartikel perak adalah cara yang lebih efisien untuk mengobati patogen daripada beberapa antibiotik yang paling umum digunakan, seperti amfoterisin B, yang memiliki efek samping yang luas [112].
Sintesis nanopartikel emas berlapis tioguanin telah dilaporkan oleh Selvaraj et al. di mana efek antimikroba yang ditingkatkan terhadap beberapa bakteri, termasuk:E. koli , Aspergillus fumigatus , dan Pseudomonas aeruginosa [107]. Ditemukan bahwa nanopartikel emas yang tertutup tioguanin lebih efektif daripada tioguanin tak terkonjugasi sebagai agen antikanker dan antimikroba, dengan aktivitasnya menunjukkan potensi penggunaan sebagai pembawa obat kanker. Dengan cara yang sama, nanopartikel emas telah dilaporkan memiliki efek antimikroba pada Corynebacterium pseudotuberculosis [108], nanopartikel dengan ukuran rata-rata 25 nm, menggunakan dosis 50 μg/ml menunjukkan penghambatan pertumbuhan bakteri 95% setelah 20 min paparan. Demikian pula, nanopartikel emas telanjang terbukti memiliki efek antimikroba pada berbagai bakteri gram negatif dan gram positif termasuk S. aureus , Klebsiella pneumonia , dan Bacillus subtilis [109]. Dosis 1,35 μg/ml AuNPs menunjukkan penghambatan pertumbuhan 46,4±0,4%, 38,3±0,2%, dan 57,8±0,2% untuk S. aureus , K. radang paru-paru , dan B. subtilis , masing-masing.
Antiviral
Seperti aplikasi antibakteri, nanopartikel logam telah terbukti menjanjikan dalam aplikasi antivirus; Tabel 2 menunjukkan berbagai nanopartikel yang telah terbukti memiliki sifat antivirus dan berpotensi diterapkan saat menangani virus. Baik nanopartikel perak telanjang maupun berlapis [113.114.115.116] telah terbukti memiliki berbagai aplikasi antivirus saat berada dalam rentang skala nano.
Hepatitis B (HBV) adalah infeksi virus yang saat ini mempengaruhi 257 juta orang di seluruh dunia dan bertanggung jawab atas 887.000 kematian pada tahun 2015 menurut Organisasi Kesehatan Dunia [121]. Nanopartikel perak telanjang kecil (10-50 nm) telah diuji sebagai pengobatan yang mungkin untuk HBV [113] dan terbukti mengikat secara efisien ke HBV dan selanjutnya menghambat produksi RNA HBV. Cara kerja dihipotesiskan karena AgNPs mengikat HBV dsDNA (DNA untai ganda). Rogers dkk. telah menunjukkan penggunaan nanopartikel perak, baik telanjang dan dengan lapisan polisakarida sebagai agen antivirus terhadap virus monkeypox (MPV) [114]. Nanopartikel diuji in vitro terhadap MPV pada kisaran konsentrasi antara 12,5-100 μg/ml; hasil penelitian menunjukkan bahwa semua konsentrasi nanopartikel perak berlapis polisakarida (Ag-PS-NPs) yang digunakan mampu mereduksi pembentukan plak akibat MPV secara in vitro.
Nanopartikel perak bahkan mungkin memiliki peran dalam pengobatan human immunodeficiency virus (HIV) [115, 116]. HIV adalah masalah kesehatan utama, dengan WHO memperkirakan bahwa 36,7 juta orang hidup dengan HIV pada 2016 [122]. Adalah penting bahwa pengobatan untuk HIV ditemukan dan dilaksanakan dengan cepat dan efisien; Lara dkk. telah menunjukkan efek nanopartikel perak (30-50 nm) pada isolat HIV-1 yang menunjukkan penghambatan semua strain isolat HIV-1 [116]. Nanopartikel telanjang menunjukkan IC keseluruhan50 dari 0,44 mg/ml ± 0,3 terhadap HIV-1, dengan mekanisme penghambatan virus yang ditunjukkan sebagai penghambatan pengikatan sel inang virus, khususnya nanopartikel perak menghambat interaksi antara protein gp120 (suatu glikoprotein amplop) dan sel target reseptor membran. Juga ditunjukkan oleh kelompok yang sama adalah kemampuan nanopartikel perak yang dilapisi dengan polivinilpirolidon (PVP) untuk mencegah transfeksi HIV-1 menjadi model eksplan jaringan serviks manusia [115]. Secara khusus, 0,15 mg/ml nanopartikel perak berlapis PVP (PVP-AgNPs) menghambat infeksi oleh HIV-IIIB dan HIV-AZT-RV terisolasi. Konsentrasi PVP-AgNPs ini juga menginduksi proliferasi limfosit (sel imun) ke tempat infeksi, dibandingkan dengan sampel kontrol [115].
Tidak hanya perak dan nanopartikel perak berlapis yang telah digunakan untuk melawan virus:nanopartikel emas 2-nm yang dilapisi dengan ligan sulfat amfifilik juga terbukti efektif melawan HIV-1 [118]. Partikel-partikel ini ditunjukkan untuk menargetkan proses fusi virus dan ditunjukkan secara in vitro untuk mengikat protein gp120 dan secara langsung menetralkan infeksi HIV-1. Mercaptoethanesulfonate-coated gold nanoparticles (Au-MES) menunjukkan penghambatan infeksi virus herpes simpleks tipe 1 (HSV-1), mungkin dengan menghambat pengikatan virus ke sel inang, penyebaran virus dari sel ke sel, atau perubahan kerentanan sel terhadap virus. infeksi yang disebabkan oleh kehadiran nanopartikel [117].
Nanopartikel tembaga-iodida (CuI-NPs) telah terbukti memiliki sifat antivirus pada beberapa virus yang berbeda:feline calicivirus (FCV) [119] dan yang lebih menarik adalah virus influenza A yang berasal dari babi (H1N1) [120]. Seratus hingga 400 nm CuI-NP menunjukkan sifat antivirus ketika digunakan melawan FCV, dan dihipotesiskan bahwa ion CuI monovalen bertanggung jawab atas produksi spesies oksigen reaktif (ROS) yang menyebabkan oksidasi protein kapsid berikutnya, yang menyebabkan inaktivasi FCV. Virus H1N1 juga terbukti dihambat oleh CuI-NPs, dengan cara yang sangat mirip, yaitu produksi radikal hidroksil, yang menyebabkan degradasi protein. Namun, radikal ini mungkin juga terbukti menjadi racun bagi jaringan yang tidak terinfeksi, yang penting untuk ditentukan sebelum pengobatan disetujui untuk digunakan [123].
Pencitraan
Pemindaian Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah alat yang sangat berguna untuk diagnosis medis dan memberikan gambar anatomi yang jelas. Menggunakan MRI, seseorang dapat memvisualisasikan aliran darah, sifat fisikokimia, dan keadaan jaringan dan organ dalam tubuh [124]. Agen kontras sering digunakan dalam MRI untuk meningkatkan sensitivitas diagnostik [125]. Agen kontras yang digunakan secara konvensional berbasis kelat, tetapi kelemahan utama dari agen kontras saat ini adalah stabilitas biologisnya dan tingkat toksisitasnya ketika terakumulasi dalam sel [126]. Sebagai contoh, beberapa agen kontras berbasis yodium, dan telah dilaporkan bahwa paparan media kontras iodinasi dikaitkan dengan perkembangan selanjutnya dari insiden hipertiroidisme dan insiden hipotiroidisme nyata [127]. Alternatif telah dikembangkan untuk memberikan peningkatan kemanjuran pemindaian dengan mengurangi dampak negatif agen kontras pada tubuh [128]. Alternatif termasuk nanopartikel logam mungkin terkonjugasi dengan agen yang bertindak dengan cara yang mirip dengan agen kontras untuk pemindaian MRI [129]. Gambar 5 adalah gambar kontras MRI korteks serebral tikus sebelum dan sesudah perawatan AuNPs [130].
Gambar kontras MRI dari korteks serebral tikus sebelum (kiri) dan pasca perawatan (kanan). Area yang berisi AuNP dilingkari dengan warna merah
Tabel 3 menunjukkan beberapa nanopartikel yang telah dieksplorasi untuk digunakan dalam pencitraan medis. Beberapa agen kontras computed tomography (CT) memiliki masalah termasuk waktu paruh sirkulasi yang pendek [131] dan potensi kerusakan jaringan [130]. Karena ini, nanopartikel logam juga telah diselidiki untuk digunakan dalam pencitraan CT [132]; Nanopartikel Au menunjukkan penggunaan yang menjanjikan dalam pencitraan karena redaman sinar-X mereka [133]. Kojima dkk. menunjukkan bahwa nanopartikel emas terkonjugasi dengan dendrimer PEGylated (PEG-AuNPs) dibuat untuk agen kontras unggul in vitro serta untuk computed tomography sinar-X, dibandingkan dengan agen yodium yang tersedia secara komersial iopamidal [134]. PEG-AuNPs menunjukkan efisiensi kontras yang lebih tinggi daripada iopamidal yang tersedia secara komersial, dengan ekskresi yang cepat dari tubuh [135]. Para penulis juga mencatat bahwa PEG-AuNPs memiliki sifat fotositotoksik untuk memungkinkan terapi fototermal.
Li dkk. telah menunjukkan penggunaan AuNP berlapis sebagai alat pencitraan untuk aterosklerosis; AuNP diterapkan dalam jenis pencitraan medis yang disebut "single-photon emission computed tomography" (SPECT) [136]. Jenis pencitraan ini sangat mirip dengan menggunakan kamera gamma, tetapi mampu memberikan gambar 3D sejati yang dapat diiris, diputar, dan dimanipulasi untuk mencapai teknik analisis yang lebih akurat [136]. Nanopartikel yang dimodifikasi secara khusus menargetkan plak aterosklerosis yang mengandung makrofag apoptosis, menunjukkan alat yang berguna untuk deteksi plak aterosklerosis yang akurat secara invasif [136].
AuNPs sebelumnya telah terbukti menjadi agen yang mungkin untuk pencitraan fotoakustik (PA), menunjukkan resolusi dan sensitivitas spasial yang tinggi [137]. PA relies on the detection of ultrasonic waves which are emitted from tissues when exposed to non-ionizing pulsed laser irradiation [140]. The intensity/magnitude of the ultrasonic emission is responsible for the image contrast, therefore any agent that can both absorb the laser pulses and then give off heat as a result will increase the magnitude of the ultrasonic emission and AuNPs possess the ability to do both of these [141, 142]. AuNPs are potentially better than organic dyes due to the organic dyes’ susceptibility to photo-bleaching and rapid clearing from the blood [143]. AuNPs also have use in cell imaging for examining movement of nanoparticles within cells when conjugated with various cargoes. Figure 6 is a darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs that target epidermal growth factor receptor, and the bright areas within the cells are the nanoparticles indicating their locations within the cells [144].
Darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs; the bright yellow/orange dots are nanoparticles within the cells
Biomedical Cargo Delivery
Nanoparticles make for an ideal molecule for drug delivery due to the huge surface area to the volume ratio they provide when compared to their bulk material [145]. In addition, it is possible to engineer nanoparticles to either avoid or interact with the immune system in specific ways [146, 147]. For example, it has been demonstrated that an increased hydrophobicity of nanoparticles/sub-groups conjugated to the nanoparticles illicit and increased immune response by measuring cytokine mRNA levels in mice [146]. Focusing in the opposite direction, it has been suggested that nanoparticles can be conjugated with various ligands to directly activate the immune system to target the destruction of a tumor [148] or by accumulation in the liver or spleen for the generation of tolerance or immunity, respectively [147].
Gold nanoparticles have been extensively studied for their delivery of medical cargo, for example, Bhumkar et al. have explored the application of AuNPs for trans-mucosal delivery of insulin. Gold nanoparticles were synthesized in the presence of chitosan, which acts as a polymeric stabilizer [149]. These nanoparticles were then loaded with insulin and administered both nasally and orally to diabetic rats. The results showed an overall reduction in the rat’s blood glucose levels, an indication of successful movement of the nanoparticles through the mucosal membranes and into the bloodstream.
More recently “smart” AuNPs have been employed in PA [138]. These nanoparticles are roughly 10 nm in diameter and are functionalized with citraconic amide moieties which are susceptible to hydrolysis. The citraconic amides are converted into positively charged primary amino acids at a mildly acidic pH, while the surface molecules adopt negative charges at physiological pH [138]. Combined, these two properties cause the “smart” nanoparticles to adopt both positive and negative charges allowing them to aggregate rapidly due to electrostatic attraction. These nanoparticles are referred to as “smart” due to the nanoparticles presenting cancer-specific properties and accumulate rapidly and efficiently in cancer tissues and show a much lower accumulation in normal tissues [150].
Gold nanoparticles can also be used as a delivery system for nucleic acids [153], including oligonucleotides [151] and small interfering RNA (siRNA) [154]. Many different methods have been developed to functionalize AuNPs with nucleic acids, for example, Yonezawa et al. have synthesized gold nanoparticles modified with thiocholine, which then bound to DNA and formed a fusion of wire-like structures throughout the DNA [155]. Sandström et al. demonstrated the ability to bind nucleic acids onto gold nanoparticles [151], and a similar modification has been done by Rosi et al. where tetrathiol-modified antisense oligonucleotides were bound to 13-nm gold nanoparticles [152]. Being able to conjugate nucleic acids to nanoparticles opens up the possibility of targeted gene delivery, which could, for example, lead to genes coding for a specific protein to be delivered to a cell that was either deficient in that protein or could not produce the protein themselves [156]. It has also been exhibited that gold nanoparticles modified with DNA can transfect cancer cells [157] (Table 4).
Anticancer Drug Delivery
Cancer is one of the world’s leading killers with large areas of scientific research being dedicated to the fight against cancer, and nanoparticles offer a new doorway into methods to target and treat cancer. Table 5 presents a selection of nanoparticle/drug conjugates that have been tested for anticancer treatments. Paciotti et al. have investigated the application of PEGylated AuNPs as a carrier for tumor necrosis factor (TNF) which is a cell-signaling protein that possess the ability to induce apoptosis in healthy cells [158]. The Au-PEG-TNF nanoparticles were injected intravenously and agglomerated significantly more in MC-38 colon carcinoma cells compared to other healthy cells/tissues. The TNF not only gave therapeutic action on the MC-38 cells, but also seemed to possess a targeting property, indicated by the lack of agglomeration in healthy cells. Another interesting observation reported was the ability for the Au-PEG-TNF nanoparticles to diminish a tumor mass compared to “free” TNF.
Doxorubicin is a widely used cancer therapeutic agent but has dose-limiting associations with cardiotoxicity. A gold nanoparticle-doxorubicin conjugate has been developed that demonstrates little no to cardiotoxicity to mice while being able to treat cancer [160]. Dixit dkk. demonstrated the selective delivery of folic acid-coated AuNPs into folate receptor (FR) positive cancer cells, whereas when compared with a cell line that did not have folate receptors, uptake was shown to be minimal [159]. These results demonstrated the use of folate to target metal nanoparticles to FR-positive cancer cells for tumor imaging and ablation.
Limitations of Single Metal Nanoparticles and Overcoming Them
The principal obstacle with nanoparticle drug delivery is the ability to direct the nanoparticle to the target area [162, 163]. There are several methods in use for metal nanoparticle targeting such as antibodies [164,165,166] and homing peptides [167, 168]. There are however limitations to these methods, with the biggest being that before they even reach the desired target cells they have to pass through a variety of other barriers, such as blood vessels and the blood-brain barrier [169]. One way to overcome this targeting limitation is to use magnetic nanoparticles [170]. A magnetic nanoparticle-targeting system works by directing the nanoparticles to a target site using an external magnetic field, it has already been demonstrated that the magnetic anisotropy of the nanoparticle is a very important factor for medical treatments [171], with a change in anisotropy being able to the change the efficacy of hypothermia treatments for example [172]. Superparamagnetic metal nanoparticles have this property (they only present magnetic properties while in the presence of a magnetic field) [173]. However, the benefit of magnetic nanoparticles also presents a potential limitation, due to the toxicity of many magnetic materials [31, 174, 175]. Despite iron being approved for various imaging uses [5, 6, 31], it has been suggested in several studies that naked iron oxide nanoparticles may have some adverse effects when used in cell labeling [176,177,178]. One method that can be used to overcome any potential toxicity limitations is to coat the iron core [179]. A range of materials can be used as the coating material:silica [180,181,182], polymers [183, 184], gold [62, 93, 95, 185], or silver [58, 186]. Gold has low pharmaceutical activity [187] and silver has been used in biomedical applications for many years [188, 189],
The combination of a superparamagnetic core with an inert and safe metal coating produces metal nanoparticles with superior characteristics to non-magnetic metal particles [190]. As well as reducing toxicity, the coating also provides the potential for the conjugation of functionalized molecules onto the surface, such as drugs and biomolecules for application in the medical field [97, 140, 152]. It is of note that a core-shell nanoparticle still possesses the properties and uses of a nanoparticle made from the same material as just the shell, but the superparamagnetic core gives the ability to direct the nanoparticle in the body [191]. For example, a gold nanoparticle with an antibody is classified as a targeting nanoparticle, introducing the core would classify the nanoparticle as a directed targeting nanoparticle [173].
Current Medicinal Uses of Gold-Coated Iron Oxide Nanoparticles
Core-shell superparamagnetic nanoparticles have already been assessed for their biomedical uses, with a wide range of uses already being applied [192] and with a majority of research investigating into the use of gold as a shell for the nanoparticles, in part due to its biocompatibility and ability to easily bind to a variety of materials. As such, this section will deal exclusively with gold shell nanoparticles. One of these uses is as a magnetic carrier for drug targeting [192,193,194,195,196]. Kayal and Ramanujan have tested an in vitro apparatus that simulates the human circulatory system as a test for the magnetic delivery of gold-coated iron oxide nanoparticles (Au-Fe3 O4 ) loaded with doxorubicin [194]. Their system had various magnetic fields of increasing strength next to a capillary through which the doxorubicin-loaded particles were passed. A significant percentage of these nanoparticles were captured within the magnetic fields, strongly indicating the potential for the use of magnetic nanoparticles in drug delivery. Another use for a targeted system is the application of Au-Fe3 O4 nanoparticles in photothermal therapy. Bhana et al. demonstrated the use of a core-shell system used in combination therapy deployed against two different cancer cell lines; head and neck (KB-3-1) and breast (SK-BR-3) with a reported decrease in cell viability of 64% when they exposed cell lines to a combined photothermal and photodynamic therapy, compared to each modality used on its own [197]. In photothermal therapy, gold nanoparticles are coated with a ligand, such as PEG [142], and these nanoparticles are irradiated with a laser, with a wavelength that matches the UV-vis λ -max of the gold nanoparticles [194]. The nanoparticles vibrate at the laser’s frequency which causes heat to be released causing the death of the surrounding tissue [198], introducing a core which is superparamagnetic can allow for a more accurate targeting for use in this therapy. Similarly, it has been reported by Kirui et al. that gold hybrid nanoparticles were deployed against SW1222 colorectal cancer in photothermal therapy, showing an increased case of cellular apoptosis after therapy, with their conclusion being that the cells showed an increased uptake, leading to a reduced laser power required to reach threshold therapeutic levels [199]. The use of core-shell nanoparticles for photothermal therapy of cancer has also been reported by other groups [200, 201].
Metal nanoparticles have already shown to have a place in contrast imaging, for example core-shell nanoparticles can also be used in T1- and T2 -weighted imaging in MRI [202]. Research by Cho et al. demonstrated that gold-coated iron nanoparticles can be successfully used in MRI imaging, as well as opening the route for conjugating various ligands for use in biosensors [202]. A magnetic carrier capable of imaging and photothermal therapy has been reported by Cheng et al. They demonstrated the magnetic targeting of multi-functional nanoparticles to a tumor in a mouse model, which could be imaged inside the tumor and showed a reduction in the tumor size when combined with photothermal therapy [203]. It is also of note that in this work, both the nanoparticle dosage (1.6 mg/kg) and laser power (1 W/cm
2
) are among the lowest applied for in vivo photothermal therapy. Moreover, there was no obvious toxicity from the nanoparticles reported. Table 6 presents some of the currently reported uses of core-shell nanoparticles.
Another medical area where such core-shell metal nanoparticles have been suggested to make an impact is in directed enzyme prodrug therapy (DEPT) [170, 191]. DEPT is a promising method of cancer treatment, with several therapies making it through to clinical trials [207, 208]. The main principal of DEPT is the targeted delivery of a prodrug-activating enzyme to a tumor site. Upon arrival at the tumor site, the enzyme enters the target cells where it can later activate an administered prodrug. However, the efficacy of the therapy depends on the ability to direct the enzyme to the tumor site, with current directional techniques relying on passive targeting methods such as viruses [207, 209] or antibodies [210, 211], rather than an active targeting system for enzyme delivery. A novel therapy proposed by Gwenin et al. potentially overcomes the targeting issue [170, 212]. This approach involves conjugating a genetically modified prodrug-activating enzyme onto the surface of a gold-coated iron oxide superparamagnetic nanoparticle (AuMNP), then directing the AuMNP-enzyme conjugate to the target site using a magnetic field to increase the efficacy of the targeted therapy. Figure 7 presents some of the uses of a core-shell nanoparticle.
A pictorial representation of the applications of core/shell nanoparticles
Kesimpulan
In brief, single metal nanoparticles have been shown to currently possess a wide range of biomedical applications, with more application for these nanoparticles being discovered. One of the limiting factors that these nanoparticles face in medical treatments is to find a way for precise accurate targeting of areas within the body, be it for targeting of a drug delivery or for therapies involving the nanoparticles directly. A way to overcome this is to employ a magnetic core to create core-shell nanoparticles that can then be directed around a body using a magnetic field. There are a variety of methods that can be used to synthesize these core-shell nanoparticles, with each method having its own advantages and disadvantages. There remain many obstacles for core-shell nanoparticles before they can be routinely applied in the medical field and these include
1)
Achieving a synthesis route which produces easily repeatable results;
2)
Producing particles of a set size [22,23,24] and shape [25,26,27,28]; dan
3)
Producing large enough quantities to make it economically viable [29].
Another key factor is the relatively unknown toxicity of some nanoparticles over an extended period of time due to how relatively new the field of research is.
