Nanopartikel untuk Terapi Kanker:Kemajuan dan Tantangan Saat Ini
Abstrak
Kanker merupakan salah satu penyebab utama kematian dan kesakitan dengan patofisiologi yang kompleks. Terapi kanker tradisional meliputi kemoterapi, terapi radiasi, terapi target, dan imunoterapi. Namun, keterbatasan seperti kurangnya spesifisitas, sitotoksisitas, dan resistensi multi-obat menimbulkan tantangan besar untuk pengobatan kanker yang menguntungkan. Munculnya nanoteknologi telah merevolusi arena diagnosis dan pengobatan kanker. Nanopartikel (1–100 nm) dapat digunakan untuk mengobati kanker karena keunggulan spesifiknya seperti biokompatibilitas, pengurangan toksisitas, stabilitas yang lebih baik, peningkatan permeabilitas dan efek retensi, dan penargetan yang tepat. Nanopartikel diklasifikasikan ke dalam beberapa kategori utama. Sistem penghantaran obat nanopartikel bersifat khusus dan memanfaatkan karakteristik tumor dan lingkungan tumor. Nanopartikel tidak hanya memecahkan keterbatasan pengobatan kanker konvensional tetapi juga mengatasi resistensi multidrug. Selain itu, sebagai mekanisme resistensi multidrug baru terurai dan dipelajari, nanopartikel sedang diselidiki lebih giat. Berbagai implikasi terapeutik dari formulasi nano telah menciptakan perspektif baru untuk pengobatan kanker. Namun, sebagian besar penelitian terbatas pada studi in vivo dan in vitro, dan jumlah nanodrug yang disetujui belum banyak diperkuat selama bertahun-tahun. Ulasan ini membahas berbagai jenis nanopartikel, mekanisme penargetan, dan nanoterapi yang disetujui untuk implikasi onkologis dalam pengobatan kanker. Selanjutnya, kami juga merangkum perspektif, keuntungan, dan tantangan saat ini dalam terjemahan klinis.
Pengantar
Kanker adalah istilah umum untuk sekumpulan penyakit yang ditandai dengan pembelahan sel yang tidak terkendali, acak, dan invasif. Upaya ekstensif selama beberapa tahun telah difokuskan untuk mendeteksi berbagai faktor risiko kanker. Untuk beberapa kanker, etiologi telah secara berpengaruh dikaitkan dengan lingkungan tertentu (faktor didapat) seperti radiasi dan polusi. Namun, gaya hidup yang tidak sehat seperti pola makan yang kurang seimbang, konsumsi tembakau, merokok, stres, dan kurangnya aktivitas fisik sangat memengaruhi penentuan risiko kanker [1, 2]. Sementara faktor-faktor eksternal ini telah diakui sebagai penyebab utama kanker, keterlibatan mutasi proto-onkogen, pola ekspresi gen supresor tumor, dan gen yang terlibat dalam perbaikan DNA sulit diperkirakan. Hanya 5-10% kasus kanker yang terkait dengan genetik yang diturunkan [3]. Usia lanjut merupakan faktor risiko penting lainnya untuk kanker dan banyak jenis kanker individu.
Kanker merupakan salah satu masalah kesehatan masyarakat yang signifikan secara global dan merupakan penyebab kematian nomor dua. Menurut American Cancer Society, jumlah kasus baru diantisipasi menjadi 1,9 juta pada akhir tahun 2021 [4]. Pendekatan terapi konvensional yang digunakan dalam pengobatan kanker meliputi pembedahan, kemoterapi, terapi radiasi, terapi target, imunoterapi, dan terapi hormon [5, 6]. Meskipun kemoterapi dan terapi radiasi memiliki kemampuan sitostasis dan sitotoksisitas [7], pendekatan ini sering dikaitkan dengan efek samping akut dan risiko kekambuhan yang tinggi. Efek samping yang paling umum yang disebabkan oleh termasuk neuropati, penekanan sumsum tulang, gangguan pencernaan dan kulit, rambut rontok, dan kelelahan. Selain itu, ada beberapa efek samping spesifik obat seperti antrasiklin dan kardiotoksisitas akibat bleomisin dan toksisitas paru [8] (Gbr. 1).
Nanopartikel untuk terapi kanker
Munculnya terapi yang ditargetkan telah membuat pertumbuhan dalam terapi presisi [9]. Namun, masih banyak efek samping yang tak terhindarkan, seperti resistensi multi-obat, membatasi kemanjuran terapi [8]. Agen imunoterapi telah memberikan hasil yang menjanjikan dengan tidak hanya mengobati kanker primer tetapi dengan mencegah metastasis jauh dan menurunkan tingkat kekambuhan [10]. Namun demikian, penyakit autoimun adalah efek samping utama dari imunoterapi. Selain itu, penelitian dan bukti menunjukkan bahwa imunoterapi kurang efektif melawan tumor padat dibandingkan limfoma [11]. Kanker ini membuat matriks ekstraseluler yang tidak biasa (ECM) yang cukup menantang untuk sel-sel kekebalan untuk menyusup [12]. Terapi target dan imunoterapi yang baru berkembang ini mengganggu jalur sinyal yang penting dalam perilaku ganas dan fungsi homeostatik normal epidermis dan dermis dan menyebabkan efek samping dermatologis (dAEs) [13].
Mempertimbangkan semua detail ini, permintaan untuk kemajuan strategi baru untuk mencari terapi kanker yang tepat telah mendapatkan momentum dalam beberapa tahun terakhir. Upaya terbaru telah dilakukan untuk mengatasi keterbatasan pendekatan terapeutik yang ada menggunakan nanopartikel. Sistem penghantaran obat berbasis nanopartikel telah mencerminkan manfaat dalam pengobatan dan manajemen kanker dengan menunjukkan farmakokinetik yang baik, penargetan yang tepat, pengurangan efek samping, dan resistensi obat [14, 15].
Seiring dengan kemajuan nanoteknologi, sejumlah obat nanoterapeutik telah dikomersialkan dan dipasarkan secara luas, dan masih banyak lagi yang telah memasuki tahap klinis sejak 2010. Obat nanoterapi telah membuat kemajuan dalam domain sistem penghantaran obat dan multiobat antitumor. resistensi (MDR) dengan memberikan kesempatan untuk terapi kombinasi obat dan penghambatan mekanisme resistensi obat [16]. Upaya perintis dibuat untuk menerapkan nanoteknologi dalam kedokteran di ETH Zurich pada 1960-an [17]. Kombinasi ini telah terbukti menjadi penggabungan yang lebih baik dalam mengembangkan berbagai perangkat diagnostik dan terapi yang lebih baik. Tinjauan ini terutama berfokus pada prinsip-prinsip dasar penerapan nanoterapi, prospek tantangan saat ini, dan menjelaskan jalur penelitian masa depan.
Nanopartikel
Nanopartikel (NP) secara teknis didefinisikan sebagai partikel dengan satu dimensi kurang dari 100 nm dengan sifat unik yang biasanya tidak ditemukan dalam sampel massal dari bahan yang sama [18]. Tergantung pada bentuk keseluruhan nanopartikel, ini dapat diklasifikasikan sebagai 0D, 1D, 2D atau 3D [19]. Komposisi dasar nanopartikel cukup kompleks, terdiri dari lapisan permukaan, lapisan cangkang, dan inti, yang pada dasarnya merupakan bagian tengah dari NP dan biasanya disebut sebagai NP itu sendiri [20]. Karena fitur luar biasa mereka seperti permukaan tinggi:rasio volume, ketidaksamaan, ukuran sub-mikron, dan sistem penargetan yang disempurnakan, materi ini telah memperoleh banyak kepentingan dalam bidang multidisiplin.
NP ditemukan memiliki penetrasi jaringan dalam untuk meningkatkan efek permeabilitas dan retensi (EPR) yang ditingkatkan. Selain itu, karakteristik permukaan mempengaruhi bioavailabilitas dan waktu paruh dengan melintasi fenestrasi epitel secara efektif [21]. Misalnya, NP yang dilapisi dengan polietilen glikol (PEG), polimer hidrofilik, menurunkan opsonisasi dan menghindari pembersihan sistem kekebalan [22]. Selain itu, dimungkinkan untuk mengoptimalkan laju pelepasan obat atau bagian aktif dengan memanipulasi karakteristik polimer partikel. Secara keseluruhan, sifat berbeda dari NP mengatur efek terapeutiknya dalam manajemen dan pengobatan kanker.
Sintesis NP
NP memiliki bentuk, ukuran, dan struktur yang berbeda. Untuk mencapai ini, banyak metode sintesis diadopsi. Metode-metode ini sebagian besar dapat dikategorikan ke dalam dua kelompok besar:1) pendekatan bottom-up dan 2) pendekatan top-down. Pendekatan ini dapat diklasifikasikan lebih lanjut ke dalam subkelas yang berbeda berdasarkan kondisi dan operasi reaksi (Gbr. 2).
Klasifikasi sintesis NP a top-down dan b pendekatan dari bawah ke atas
Pendekatan Bawah
Metode ini melibatkan bahan bangunan dari atom ke cluster ke NP, yaitu membangun dari zat yang lebih sederhana, maka dikenal sebagai metode konstruktif [23]. Beberapa metode yang umum digunakan adalah spinning, sintesis solgel, deposisi uap kimia (CVD), sintesis penyemprotan plasma atau nyala, pirolisis laser, dan biosintesis.
Pendekatan Top-Down
Ini juga dikenal sebagai metode destruktif, yang mengurangi material atau substansi massal untuk mensintesis NP. Molekul yang lebih besar dipecah atau didekomposisi menjadi unit yang lebih kecil yang diubah menjadi NP [24]. Ini mencakup teknik seperti penggilingan mekanis, nanolitografi, etsa kimia, ablasi laser, sputtering, ledakan elektro, dan dekomposisi termal.
Hebatnya, parameter morfologi seperti ukuran, bentuk dan muatan NP dapat dimodifikasi dengan mengubah kondisi reaksi dan parameter sintesis lainnya [25]. Selain itu, mekanisme pertumbuhan juga menentukan sifat kimia NP. Oleh karena itu, memahami mekanisme pertumbuhan sangat penting untuk mensintesis NP yang diperlukan.
Mekanisme Penargetan Seluler
Untuk terapi kanker yang efektif, sangat penting untuk mengembangkan atau merekayasa sistem pengiriman obat atau gen yang memiliki kemampuan yang sangat baik untuk menargetkan sel-sel tumor dengan menyisakan sel-sel sehat yang normal. Ini meningkatkan kemanjuran terapeutik, sehingga melindungi sel-sel normal dari efek sitotoksisitas. Ini dapat dicapai dengan pengiriman NP yang terorganisir dengan baik ke dalam lingkungan mikro tumor (TME), yang secara tidak langsung menargetkan sel kanker. Nanoformulations ini harus melewati berbagai hambatan fisiologis dan biologis. Hambatan ini adalah sistem kompleks dari beberapa lapisan (epitel, endotelium, dan membran sel) dan komponen (penghalang mekanik dan fisikokimia dan hambatan enzimatik). Fakta-fakta ini memaksakan spesifikasi sehubungan dengan ukuran, biokompatibilitas, dan kimia permukaan NP untuk mencegah penargetan yang tidak spesifik. Namun, hanya internalisasi sitosolik dari molekul obat NP tidak berarti ia mencapai target subselulernya. Rekayasa dan pengoptimalan khusus wajib dilakukan untuk mengaktifkan penargetan seluler atau nuklir.
Beberapa penelitian telah dilakukan sejauh ini dan beberapa lagi sedang berlangsung untuk menemukan desain penargetan obat berbasis NP. Nanocarrier ini biasanya harus memiliki karakteristik mendasar tertentu seperti 1) kemampuan untuk tetap stabil dalam sistem vaskular (darah) sampai mereka mencapai targetnya, TME, 2) untuk lolos dari pembersihan sistem retikuloendotelial (RES), 3) lolos dari sistem fagosit mononuklear ( MPS), 4) terakumulasi di TME melalui pembuluh darah tumor, 5) penetrasi tekanan tinggi ke dalam cairan tumor, dan 6) mencapai target dan hanya berinteraksi dengan sel tumor [26]. Aspek vital seperti fungsionalisasi permukaan, sifat fisikokimia, dan karakteristik patofisiologis mengatur proses penargetan obat NP.
Umumnya, NP yang dianggap tepat untuk pengobatan kanker memiliki kisaran diameter 10–100 nm. Untuk memahami proses interaksi dan crosstalk antara pembawa NP dan sel kanker dan biologi tumor, penting untuk membahas mekanisme penargetan. Mekanisme penargetan secara luas dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok, penargetan pasif dan penargetan aktif.
Penargetan Pasif
Pengamatan akumulasi preferensial dari beberapa makromolekul dalam sel kanker ditemukan pada akhir 1980-an. Makromolekul pertama yang dilaporkan terakumulasi dalam tumor adalah poli(styrene-co-maleic acid)-neocarzinostatin (SMANCS) oleh Matsuura dan Maeda [27]. Pada penelitian lebih lanjut, distribusi preferensial ini dikaitkan dengan terjadinya fenestrasi yang ditemukan pada pembuluh darah tumor yang rusak dan drainase limfatik yang buruk, penggabungannya dikenal sebagai “efek permeasi dan retensi yang ditingkatkan”.
Pada kondisi tertentu seperti hipoksia atau inflamasi, lapisan endotel pembuluh darah menjadi lebih permeabel. Di bawah situasi hipoksia, sel-sel tumor yang tumbuh dengan cepat cenderung beraksi lebih banyak pembuluh darah atau menelan yang sudah ada untuk mengatasinya. Proses ini dikenal sebagai neovaskularisasi. Pembuluh darah baru ini bocor karena memiliki pori-pori besar yang menyebabkan selektivitas perm yang buruk dari pembuluh darah tumor dibandingkan dengan pembuluh darah normal [29, 30]. Pori-pori besar atau fenestrasi ini berkisar dari 200 hingga 2000 nm tergantung pada jenis kanker, TME, dan lokalisasi [31]. Angiogenesis yang cepat dan rusak ini memberikan resistensi yang sangat kecil terhadap ekstravasasi dan memungkinkan NP berdifusi dari pembuluh darah tersebut dan akhirnya terkumpul di dalam sel kanker.
Pada jaringan normal, drainase ECF (cairan ekstraseluler) ke dalam pembuluh limfatik sering terjadi pada kecepatan aliran rata-rata 0,1–2 m/s, yang mempertahankan drainase dan pembaruan konstan [32]. Ketika tumor terbentuk, fungsi limfatik menjadi terganggu, yang mengakibatkan pengambilan cairan interstisial minimal [33]. Fitur ini berkontribusi pada retensi NP karena tidak dibersihkan dan ditimbun di interstitium tumor. Proses ini menunjukkan bagian retensi yang ditingkatkan dari efek EPR. Fitur luar biasa ini tidak berlaku untuk molekul dengan waktu sirkulasi yang singkat dan akan tersapu dengan cepat dari sel kanker. Oleh karena itu, untuk memperbaiki situasi seperti itu, enkapsulasi molekul kecil ini dalam pembawa obat berukuran nano secara rutin dilakukan untuk meningkatkan farmakokinetiknya, memberikan selektivitas tumor dan mengurangi efek samping [34].
Selama efek EPR, TME adalah fitur penting dalam penargetan pasif. Salah satu fitur metabolik penting dari sel tumor yang berkembang biak dengan cepat adalah glikolisis. Ini adalah sumber energi utama untuk pembelahan sel [35] dan membuat lingkungan sekitarnya asam. pH TME yang lebih rendah ini dapat dimanfaatkan untuk menggunakan NP sensitif pH yang melepaskan obat pada pH rendah [36].
Jenis penargetan tumor ini disebut sebagai "pasif." Penargetan pasif terutama bergantung pada biologi tumor yang berbeda (vaskularitas, kebocoran) dan karakteristik pembawa (ukuran dan waktu sirkulasi). Jenis penargetan tumor ini tidak memiliki ligan khusus untuk jenis sel tumor tertentu. Efek EPR sangat bergantung pada biologi tumor yang mendasar, seperti 1) derajat atau luasnya angiogenesis dan limfangiogenesis, 2) luas atau derajat invasi tumor perivaskular, dan 3) tekanan intratumor. Faktor-faktor ini, dikombinasikan dengan karakteristik fisikokimia NP, menentukan efisiensi sistem penghantaran obat NP (Gbr. 3).
Penargetan seluler pasif
Contoh Penargetan Pasif
Taxanes adalah salah satu kelompok obat paling sukses yang digunakan dalam pengobatan kanker. Paclitaxel telah menunjukkan potensi besar melawan berbagai jenis kanker. Kanker payudara, kanker paru-paru (sel kecil dan non-sel kecil), dan kanker ovarium adalah histologis yang paling banyak diobati dengan taxanes. US-FDA, pada tahun 2005, menyetujui Abraxane® (paclitaxel terikat albumin, Abraxis Bio-Sciences), yang digunakan untuk kanker payudara stadium lanjut atau metastatik (MBC).
Abraxane® adalah obat anti-mikrotubulus yang menstabilkan mikrotubulus dengan mencegah depolimerisasi. Itu terjadi ketika obat mendorong perakitan mikrotubulus dari dimer tubulin. Stabilitas yang diperoleh ini menghambat reorganisasi mikrotubulus, yang sangat penting selama fungsi seluler interfase dan mitosis. Selama siklus sel dan mitosis, paclitaxel, taxane yang digunakan dengan baik, masing-masing memicu susunan mikrotubulus yang tidak biasa bersama dengan beberapa aster. Abraxane® sendiri atau dikombinasikan dengan agen sitotoksik lain seperti gemcitabine mengurangi stroma pankreas pada model tikus xenograft kanker pankreas [37].
Genexol PM® adalah formulasi nano inovatif dari paclitaxel dan formulasi misel polimer lyophilized steril tanpa CrEL. Genexol PM®, menurut percobaan, ditemukan memiliki dosis toleransi maksimum (MTD) tiga kali lebih tinggi pada tikus telanjang. Selain itu, biodistribusi menunjukkan tingkat dua hingga tiga kali lebih tinggi di jaringan yang berbeda seperti hati, limpa, ginjal, dan paru-paru dan lebih menonjol pada sel kanker. Telah disetujui di Korea Selatan untuk mengobati MBC. Masih dalam studi klinis fase II di AS untuk mengobati kanker pankreas [38].
DaunoXome® (liposomal daunorubicin; Gilead Science/Diatos) adalah obat antikanker yang mengurangi pertumbuhan sel tumor. Zat aktifnya adalah daunorubicin. Ini adalah formulasi unik dari daunorubicin (dalam bentuk liposom) yang digunakan untuk mengobati sarkoma Kaposi, suatu bentuk kanker yang mempengaruhi kulit, paru-paru, dan usus. US-FDA menyetujui ini pada tahun 1996 [39].
Meskipun neovaskularisasi dan angiogenesis mempengaruhi difusi NP, hal itu menyebabkan tekanan interstisial yang lebih besar, yang menghambat akumulasi NP. Selain itu, karena suplai darah yang heterogen, pertumbuhan sel tumor tidak teratur, yaitu, sel-sel yang dekat dengan pembuluh darah membelah lebih cepat daripada yang jauh dari pembuluh darah atau jauh di dalam daerah hipoksia atau nekrotik pembentuk inti di dalam. tumor. Kebocoran yang tidak teratur ini, yang menyebabkan tekanan interstisial tinggi, menghambat penghantaran dan akumulasi obat dan memperlambat proses neovaskularisasi [34]. Namun, dimungkinkan untuk mengontrol efek EPR, baik secara mekanis maupun kimiawi. Ini termasuk oksida nitrat, peroksinitrat, bradikinin, VPF (faktor permeabilitas vaskular), ultrasound, radiasi, hipertermia, dll. Namun, ada batasan dan kontraindikasi tertentu.
Penargetan Aktif
Penargetan aktif tergantung pada ligan atau molekul tertentu, seperti transferin dan folat, yang mengikat molekul atau reseptor yang secara khusus diekspresikan atau diekspresikan secara berlebihan pada sel target (organ, jaringan, sel atau domain subseluler yang sakit) [40]. Jenis penargetan ini disebut penargetan yang dimediasi ligan [41]. Di sini, NP yang memiliki ligan dengan fungsi tertentu seperti retensi dan serapan perlu berada di dekat target sehingga ada afinitas yang lebih besar. Strategi ini meningkatkan perubahan NP yang mengikat sel kanker, meningkatkan penetrasi obat. Indikasi utama yang sama diamati pada tahun 1980 dengan antibodi yang dicangkokkan pada permukaan liposom [34], diikuti oleh berbagai jenis ligan lain seperti peptida, aptamers. Oleh karena itu, metode utama dimaksudkan untuk meningkatkan crosstalk antara NP dan target tanpa berfluktuasi total biodistribusi [42]. Mekanisme penting dari penargetan aktif atau penargetan yang dimediasi ligan adalah identifikasi ligan oleh reseptor substrat target. Ligan ilustratif dapat mencakup protein, peptida, antibodi, asam nukleat, gula, molekul kecil seperti vitamin, dll. [43]. Reseptor yang paling sering dipelajari adalah reseptor transferin, reseptor folat, glikoprotein dan reseptor faktor pertumbuhan epidermal (EGFR). Interaksi target ligan memicu pelipatan membran dan internalisasi NP melalui endositosis yang dimediasi reseptor. Ada berbagai mekanisme dimana penargetan aktif terjadi. Mayoritas penargetan tumor dilakukan oleh penargetan sel tumor secara umum oleh NP. Proses ini meningkatkan penetrasi sel. Seperti yang dinyatakan sebelumnya, transferin adalah salah satu reseptor yang dipelajari secara luas. Ini adalah jenis glikoprotein serum yang membantu mengangkut zat besi ke dalam sel. Reseptor ini ditemukan diekspresikan secara berlebihan di sebagian besar sel tumor, terutama tumor padat dan diekspresikan pada tingkat yang lebih rendah pada sel sehat. Oleh karena itu, kami dapat memodifikasi NP dengan ligan terkait yang secara khusus menargetkan transferin [44]. Misalnya, sel karsinoma ovarium A2780 mengekspres transferin secara berlebihan. Fitur ini digunakan oleh NP PEG-phosphatidyl-ethanolamine (Tf-Mpeg-pe) yang dimodifikasi transferin yang secara khusus menargetkan sel-sel tersebut [45]. Metode alternatif lain adalah menargetkan sel yang berdekatan dengan sel kanker, seperti sel endotel angiogenik. Sel-sel ini juga memiliki kontak dekat dengan pembuluh darah tumor. Strategi ini memungkinkan terjadinya hipoksia dan nekrosis dengan mengurangi suplai darah ke sel kanker. Telah ditemukan bahwa jaringan tumor lebih asam daripada yang normal. Ini telah dijelaskan secara ekstensif oleh efek Warburg [46]. Ini menjelaskan pergeseran metabolisme sel kanker menjadi glikolisis, membentuk asam laktat. Ketika asam laktat terakumulasi, sel mati. Untuk mengatasi situasi ini, sel-sel mulai mengekspresikan pompa proton secara berlebihan yang memompa kelebihan asam laktat ke lingkungan ekstraseluler, membuatnya lebih asam. Oleh karena itu, sistem penghantaran obat sensitif pH berbasis liposom telah dipelajari.
Sifat multivalen dari NP meningkatkan crosstalk NP yang dilapisi ligan dengan sel kanker target. Desain NP semacam itu rumit karena arsitektur NP dan kimia target ligan memengaruhi kemanjuran seluruh metode. Faktor lain seperti rute pemberian, sifat fisikokimia seperti kepadatan ligan [47], dan ukuran NP [8] berkontribusi pada keberhasilan sistem (Gbr. 4).
Representasi bergambar dari penargetan seluler aktif
Contoh Penargetan Aktif
EGFR, anggota keluarga ErbB dari reseptor tirosin kinase (TK), diekspresikan secara berlebihan pada berbagai jenis kanker, terutama dengan histologi sel skuamosa. NP emas dengan anti-EGFR-PEG-AuNPs dan nanopartikel anti-IgG-PEG-Au dapat digunakan untuk menargetkan SCC manusia [48].
Herceptin® adalah obat terapeutik yang menargetkan reseptor EGF-2 manusia (HER2) yang diekspresikan secara berlebihan pada permukaan sel kanker payudara. PEGylated liposomal doxorubicin yang ditargetkan HER2 dikembangkan untuk mengurangi kardiotoksisitas, efek samping yang diketahui dari antrasiklin [49].
Permukaan endotel tumor mengekspresikan glikoprotein yang dikenal sebagai molekul adhesi sel vaskular-1 (VCAM-1) yang terlibat dalam proses angiogenesis. Sebuah penelitian telah menyoroti NP yang menargetkan VCAM-1 dalam model kanker payudara, menunjukkan peran potensialnya [50].
Asam folat, juga dikenal sebagai vitamin B9, sangat penting dalam sintesis nukleotida. Asam folat diinternalisasi oleh reseptor folat yang diekspresikan pada sel. Namun, sel tumor mengekspresikan FR-α (alfa isoform reseptor folat), sedangkan FR-β diekspresikan secara berlebihan dalam sel kanker cair [51]. Menargetkan reseptor folat oleh NP saat ini telah dilakukan untuk pengobatan kanker tertentu [52, 53].
Nanopartikel dalam Terapi Kanker
NP yang digunakan secara luas dalam sistem penghantaran obat termasuk NP organik, NP anorganik, dan NP hibrida (Gbr. 5).
Berbagai jenis nanomaterial yang digunakan dalam terapi kanker
Nanopartikel Organik
Nanopartikel Polimer
Nanopartikel polimer (PNPs) didefinisikan dengan baik sebagai "makromolekul koloid" dengan arsitektur struktural spesifik yang dibentuk oleh monomer yang berbeda [54]. Obat tersebut terperangkap atau melekat pada eksterior NP, menciptakan nanosphere atau nanocapsule untuk mencapai pelepasan obat yang diatur dalam target [55]. Awalnya, PNP terdiri dari polimer non-biodegradable seperti poliakrilamida, polimetilmetakrilat (PMMA), dan polistirena [56]. Namun, akumulasi ini menyebabkan toksisitas karena kesulitan dalam menghilangkan ini dari sistem. Polimer biodegradable seperti asam polilaktat, poli (asam amino), kitosan, alginat, dan albumin sekarang sedang digunakan dan diketahui dapat mengurangi toksisitas dan meningkatkan pelepasan obat dan biokompatibilitas [57]. Penelitian yang telah terbukti mencerminkan hal itu dengan melapisi PNP dengan polisorbat dan dengan menggunakan efek surfaktan polisorbat. Lapisan luar meningkatkan interaksi NP dengan membran sel endotel dari sawar darah otak (BBB) [58].
Sebuah studi menunjukkan bahwa nanocapsules sarat dengan indometasin melibatkan penurunan substansial dalam ukuran tumor dan meningkatkan kelangsungan hidup dalam model glioma xenograft pada tikus [59]. Ini adalah bidang yang berkembang dengan lebih dari sepuluh NP polimer yang mengandung obat antikanker sedang dalam pengembangan klinis. Beberapa contoh termasuk paclitaxel poliglumex (Xyotax), PEG-camptothecin (Prothecan), Modified dextran-camptothecin (DE 310), HPMA copolymer-DACH-platinate (AP5346), HPMA copolymer-platinate (AP 5280), HPMA copolymer-paclitaxel ( PNU166945), dan HPMA copolymer-doxorubicin galactosamine (PK2) [60].
Dendrimer
Dendrimer adalah makromolekul polimer sferis dengan arsitektur hyperbranched yang ditentukan. Struktur yang sangat bercabang adalah ciri khas dendrimer. Biasanya, sintesis dendrimer dimulai dengan mereaksikan inti amonia dengan asam akrilat. Reaksi ini menghasilkan pembentukan molekul “tri-asam” yang selanjutnya bereaksi dengan etilendiamin untuk menghasilkan “tri-amina”, produk GO. Produk ini selanjutnya bereaksi dengan asam akrilat menghasilkan asam heksa, yang selanjutnya menghasilkan produk “hexa-amine” (Generasi 1) dan seterusnya [61]. Biasanya, ukuran dendrimer berkisar antara 1–10 nm. Namun, ukurannya bisa mencapai hingga 15 nm [62]. Mengingat struktur spesifik mereka seperti berat molekul yang ditentukan, cabang yang dapat disesuaikan, bioavailabilitas, dan muatan, ini digunakan untuk menargetkan asam nukleat. Beberapa dendrimer yang banyak digunakan adalah polyamidoamine (PAMAM), PEG (poly(ethyleneglycol)), PPI (polypropylenimine), dan TEA (triethanolamine) [63].
Sebuah dendrimer PAMAM awalnya dirancang untuk mencapai manajemen MDR. Dendrimer PAMAM yang dirakit DNA telah dijelaskan secara luas. Dibandingkan dengan hewan yang diobati dengan kemoterapi agen tunggal, dendrimer yang disintesis secara signifikan menunda pertumbuhan xenograft kanker epitel [64].
mAb Nanopartikel
Antibodi monoklonal banyak digunakan dalam pengobatan kanker untuk kemampuan penargetan khusus mereka [65]. mAb ini sekarang digabungkan dengan NP untuk membentuk antibodi-obat konjugat (ADCs). Ini terbukti sangat spesifik dan menarik daripada obat sitotoksik atau mAb saja. Misalnya, antibodi-obat NP yang terdiri dari inti paclitaxel dan permukaan yang dimodifikasi dengan trastuzumab menunjukkan kemanjuran anti-tumor yang lebih baik dan toksisitas yang lebih rendah daripada paclitaxel agen tunggal atau trastuzumab saja dalam kontrol sel epitel payudara positif HER2 [66].
Vesikel Ekstraseluler
Vesikel ekstraseluler (EVs) adalah vesikel lipid-fosfor berlapis ganda mulai dari ukuran 50-1000 nm n [67]. EV terus-menerus disekresikan oleh jenis sel yang berbeda dan bervariasi dalam asal, ukuran, dan komposisi. EV dibagi menjadi tiga kelas: 1) eksosom, 2) mikrovesikel, dan 3) badan apoptosis [68]. NP yang dikombinasikan dengan eksosom banyak digunakan karena memiliki lipid dan molekul yang sangat mirip dengan sel asal. Selain itu, mereka lolos dari pengawasan kekebalan dan menginternalisasi dengan sangat cepat di dalam sel kanker. Mereka bertindak sebagai kendaraan alami dengan memberikan obat sitotoksik dan obat anti tumor lainnya ke situs target. Eksosom yang sarat dengan doxorubicin (exoDOX) adalah contoh terbaik. exoDOX digunakan untuk mengobati kanker payudara dan telah menunjukkan hasil yang bagus dibandingkan dengan pengobatan konservatif dengan doksorubisin dengan meningkatkan sitotoksisitas dan menghindari kardiotoksisitas [69]. NP eksosom memiliki fitur biokompatibilitas intrinsik, stabilitas kimia tingkat lanjut, dan komunikasi intraseluler dibandingkan dengan NP sintetis. Namun demikian, kelemahan seperti kekurangan kondisi standar untuk isolasi dan pemurnian eksosom sangat penting dan perlu ditangani [70, 71].
Liposom
Ini adalah vesikel bulat yang terdiri dari fosfolipid yang dapat berupa uni-lamelar atau multi-lamelar untuk merangkum molekul obat [72]. Liposom memiliki karakteristik yang unik seperti toksisitas intrinsik yang rendah, imunogenisitas yang lemah, dan kelembaman biologis [73]. Liposom adalah obat skala nano pertama yang disetujui pada tahun 1965 [74]. Struktur liposom yang khas terdiri dari "inti hidrofilik" dan "lapisan ganda fosfolipid hidrofobik." Arsitektur unik ini memungkinkan mereka untuk menjebak obat hidrofilik dan hidrofobik untuk secara efektif melindungi obat yang terperangkap dari degradasi lingkungan yang beredar [75].
Liposom menyediakan platform yang sangat baik untuk pengiriman obat seperti doxorubicin, paclitaxel, dan asam nukleat juga dengan menunjukkan kemanjuran anti-tumor yang lebih tinggi dan bioavailabilitas ditingkatkan [76]. Doxil® dan Myocet® disetujui formulasi berbasis liposom dari daunorubicin yang digunakan untuk mengobati MBC [77, 78]. Namun, karena kekurangan seperti penurunan kemanjuran enkapsulasi, penghapusan cepat oleh MP, adsorpsi sel, dan umur simpan yang pendek, penerapan NP berbasis liposom terbatas.
Solid Lipid Nanoparticles (SLN)
Mereka adalah nanocarrier koloid (1-100 nm) terdiri dari monolayer fosfolipid, pengemulsi, dan air [79]. Ini dikenal sebagai nanomaterial berdimensi nol. Komponen lipid mungkin trigliserida, asam lemak, lilin, steroid, dan lipid PEGylated [80]. Unlike conventional liposomes, SLNs have a “micelle-like structure” within which the drug is entrapped in a non-aqueous core. Examples include mitoxantrone-loaded SLN, which has shown reduced toxicity and enhanced bioavailability [81]. The incorporation of doxorubicin and idarubicin by SLN in “P388/ADR leukemia cells” and the “murine leukemia mouse model” has shown positive results [82].
Nanoemulsions
Nanoemulsions are colloidal NPs with heterogeneous mixtures of an oil droplet in aqueous media ranging from 10–1000 nm [83]. Three representative types of nanoemulsions can be made in:1) oil-in-water system, 2) water-in-oil system, and 3) bi-continuous nanoemulsions. Membrane-modified nanoemulsions have been extensively studied. For instance, nanoemulsions loaded with spirulina and paclitaxel showed an improved anti-tumor effect by regulating immunity through TLR4/NF-kB signaling pathways [84]. Nanoemulsion consisting of rapamycin, bevacizumab, and temozolomide is known to treat advanced melanoma [85]. Nanoemulsions are different from liposomes and certainly have enhanced characteristics than others, such as optical clarity, stability, and biodegradability [86]. However, there are challenges to clinical applications of these nanoemulsions as these involve high temperature and pressure and instruments such as homogenizers and microfluidizers that are expensive.
Cyclodextrin Nanosponges
Cyclodextrins are usually used as stabilizers to increase the drug loading capacity of NPs [87]. Nanosponges are tiny, mesh-like structures [88]. Β-cyclodextrin nanosponges loaded with paclitaxel have shown sound cytotoxic effects in MCF-7 cell line culture [89]. Similarly, camptothecin has shown improved solubility and stability when formulated with cyclodextrin-based nanosponges [90].
Inorganic Nanoparticles
Carbon Nanoparticles
Carbon NPs as the name suggests are based on the element carbon. They have been widely utilized in medical arenas because of their optical, mechanical, and electronic properties combined with biocompatibility [91]. Due to their inherent hydrophobic nature, carbon NPs can encapsulate drugs through π-π stacking [92]. Carbon NPs are further categorized into graphene, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanohorns, and graphyne. Although all these are carbon-based, they vary in their structure, morphology, and properties.
“Graphene” is 2D crystal with sp2-hybridized carbon sheet that holds extraordinary mechanical, electrochemical, and high drug loading properties. Further, based on composition, properties, and composition, graphene can be divided as follows:1) single-layer graphene, 2) graphene oxide (GO), 3) reduced graphene oxide (rGO), and 4) multi-layer graphene [93]. GO and rGOs are widely used due to their ability to target hypoxia [94] and irregular angiogenesis in TME [95]. Studies have shown that GO-doxorubicin exhibits higher anticancer activities in cellular models of breast cancer [96].
Fullerenes are large carbon-cage molecules composed of carbon allotrope with different conformation types such as sphere, ellipsoid, or tube. They are the most widely studied nanocarriers as they have typical structural, physical, chemical, and electrical properties [97]. These are used in photodynamic therapy as they have triple yield and generate oxygen species due to the presence of extended π-conjugation and the ability to absorb light [98]. PEG-modified fullerenes showed promising photodynamic effects on tumor cells [99].
Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical tubes, most often considered as rolls of graphene, were discovered in the late 1980s. They are classified into two groups:1) single-walled CNTs and 2) multi-walled CNTs. As they are carbon-based, they can bring upon immune response by interacting with immune cells, thereby suppressing the tumor growth. Traditionally, they have been used as DNA delivery vectors and for thermal ablation therapy. For instance, a fluorescent single-walled CNT with mAb encapsulating doxorubicin is used to target colon cancer cells. Such CNTs form a complex which is effectively engulfed by the cancer cells leading to the intracellular release of doxorubicin, whereas the CNTs are retained in the cytoplasm [100].
Quantum Dots
Quantum dots are typically nanometer-scale semiconductors with a broad spectrum of absorption, narrow emission bands, and high photostability, allowing them to be widely used in biological imaging [101]. Based on carbon, these are divided into:1) graphene quantum dots, 2) nanodiamond quantum dots, and 3) carbon quantum dots. Besides biological imaging, quantum dots are being actively investigated in cancer treatment. The most commonly used quantum dots is graphene quantum dots due to their inherent biocompatibility and rapid excretion. For example, quantum dots aptamer—doxorubicin conjugate targets prostate cancer cells [102]. However, the deficiency of optimized process in producing quantum dots is the major obstacle.
Metallic Nanoparticles
Metallic nanoparticles are commonly explored in “biological imaging” and targeted DDS due to their remarkable optical, magnetic, and photothermal properties. Some of the most commonly used metallic NPs are gold NPs, silver NPs, iron-based NPs, and copper NPs. Gold NPs are used as intracellular targeting drug carriers because the size and surface properties are easily controlled [103]. Moreover, their visible light extinction behavior makes it possible to track NP trajectories in the cells. “Anti-HER2 functionalized gold-on-silica nanoshells” have been shown to aim HER2 positive breast cancer cells [104]. Combidex®, an iron oxide NP formulation, is presently in the late-stage clinical testing phase to detect nodal metastases [105]. Feraheme®, a ferumoxytol containing iron oxide NP formulation, is used to treat iron-deficiency anemia. This is also used to treat nodal metastases in prostate and testicular cancer and was approved by FDA in June 2009 [106, 107].
Magnetic Nanoparticles
Magnetic NPs are generally used in MRI imaging, and drug delivery contains metal or metal oxides. These are usually covered with organic substances like polymers and fatty acids to enhance stability and biocompatibility [108]. LHRH-conjugated superparamagnetic iron oxide NPs are effective in targeting and imaging of breast cancer [109]. Moreover, magnetic NPs are used in magnetic hyperthermia for thermal ablation of cancer cells [110, 111]. Some of the magnetic NPs that are in the market or in the clinical trial phase are Feridex® and Resovist® for liver metastasis and colon cancer [112].
Calcium Phosphate Nanoparticles
“Calcium phosphate NPs” is biologically compatible, biodegradable, and do not cause any harsh adverse reactions. Hence, they are used as a delivery agent for insulin, growth factors, antibiotics, and contraceptives [113]. They are also used in the delivery of oligonucleotides and plasmid DNA [114]. Calcium phosphate NPs combined with either viral or non-viral vector has been positively used as delivery vectors in cellular gene transfer. A “liposomal nanolipoplex formulation” of calcium and glycerol has shown decreased toxicity and enhanced transfection features [115, 116].
Silica Nanoparticles
Silica being a significant component of many natural materials was only studied concerning biology recently. Silica NPs are commonly used to deliver genes by functionalizing the NP surface with amino-silicanes [117]. N-(6–aminohexyl)–3–aminopropyl–trimethoxysilane functionalized silica NPs have shown excellent efficiency in the transfection of Cos-1 cells with minimal toxicity and is now commercially available [118]. Mesoporous silica NPs are considered one of the best drug carriers due to their better pharmacokinetic properties. They have been extensively used in immunotherapy. According to a study, colorectal cancer cells have shown successful uptake of camptothecin-loaded mesoporous silica NPs.
Mechanism of NPs in Overcoming Drug Resistance
Drug resistance is one of the chief problems in cancer therapy and management. It prevails across all types of cancer and all possible treatment modalities. Drug resistance is a phenomenon that results when diseases become tolerant to pharmaceutical treatments. Drug resistance can be classified into two types:1) innate and 2) acquired [119]. Innate resistance usually results from pre-existing mutations in the genes that are involved in cell growth or apoptosis. Acquired resistance is defined as the type of resistance that is developed after a particular anti-tumor treatment, which may result from the development of new mutations or from alterations in the TME during treatment. Nanoparticles, due to their extraordinary ability to co-encapsulate multiple therapeutic agents, can also be used to overcome cancer-related drug resistance.
Targeting Efflux Transporters
Efflux transporters are classified under the family of “ATP-binding cassette (ABC) transporters.” These have a significant role in MDR. The primary function of these transporters is to pump out drugs out of the cell and reduce the concentration. “P-glycoprotein (P-gp)” is one such efflux transporter that is overexpressed by drug-resistant cancer cells [120, 121].
Overexpression of P-gp has been linked with inadequate treatment response, especially in breast cancer [122] and ovarian cancer [123]. NPs can be used to tackle efflux pumps. As NPs internalize the cell via “endocytosis” instead of diffusion and release the drug at the “perinuclear site,” which is distant from active efflux pumps, NPs can bypass the efflux pumps [124]. Besides, by modifying the control of drug releases, such as by utilizing low pH levels and redox as triggers, NPs can effectively bypass efflux pumps [125, 126].
Combination therapy is yet another method to overcome MDR. NPs can be loaded with multiple drugs within a single drug carrier [127]. Inhibiting efflux transporter expression instead of just dodging them would be another viable option. This can be achieved by building NPs in such a way that it can entrap both efflux pump inhibitors and chemotherapy agents [128]. A recent study positively reflected upon reversing MDR in breast cancer cells by using NPs that co-deliver COX-2 inhibitors and doxorubicin [129]. Similarly, using silica NP that encapsulates miRNA-495 and doxorubicin has proved effective in overcoming drug resistance in lung cancer cells [130]. Another interesting study found out that using NPs in the tumor neo-vasculature targeting KDR receptors is a more effective anti-tumor function than P-gp inhibitor combination therapy. Yet, another way of overcoming drug resistance is by depleting the source of ATP, which is essential for the functioning of ABC transporters. This can be done by targeting mitochondria which leads to a decrease in ATP production.
Targeting an Apoptotic Pathway
Cancer cells proliferate due to faulty apoptotic machinery and upsurge their survival adding to drug resistance [131]. The faulty apoptotic pathway gets activated by “deregulation of Bcl-2” and “nuclear factor kappa B (NF-κB).” These are the most widely investigated anti-apoptotic proteins and can be potentially used as the target for reversing drug resistance. Using a classic process of co-delivery of “Bcl-2 siRNA and chemotherapeutics” by NPs is a way to overcome MDR [132]. NF-κB inhibitors have been used in combination with “pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC)” [133] and curcumin [134]. Besides suppressing anti-apoptotic factors, triggering pro-apoptotic factors is another to fight “apoptotic pathway-mediated drug resistance.” For instance, a combination of ceramide and paclitaxel is a good example [135]. Ceramide restores the expression of a chief tumor suppressor, p53 protein, by regulating alternative pre-mRNA splicing. Delivering ceramide via NPs is an excellent way to correct the p53 missense mutation [136]. Owing to its potential, a combination of ceramide and paclitaxel has shown significant therapeutic efficacy in cancer drug resistance models. Transfecting the p53 gene by cationic SLNs has been reported in lung cancer cases [137]. Similarly, transfecting the p53 gene by PLGA has been carried out in breast cancer cells models that have shown potent induction of apoptosis and inhibition of tumor growth [138].
Some NP-based DDS act by impeding efflux pumps and encouraging apoptosis [139]. A pioneering study conducted to prove both pump- and non-pump-mediated drug resistance used an “amphiphilic cationic NP” entrapping paclitaxel and Bcl-2 converter gene in drug-resistant liver cancer models. NP complex diminished P-gp-induced drug efflux and the apoptosis activation. Similarly, co-delivery of “doxorubicin and resveratrol encapsulated in NPs” has shown noteworthy cellular toxicity on doxorubicin resistance breast cancer cells by downregulating the expression of Bcl-2 and NF-κB, thereby initiating apoptosis as well as through the inhibition of efflux transporter expression [140]. A similar study was done on multi-drug resistant prostate cancer cells by using folic acid-conjugated planetary ball milled NPs encapsulated with resveratrol and docetaxel. This worked by downregulating anti-apoptotic gene expression while inhibiting ABC transporter markers [141].
Targeting Hypoxia
Hypoxia is yet an additional aspect that backs MDR [142]. Due to abnormal blood vessels in the vicinity of the tumor and due to the increasing demand of oxygen by the rapidly growing tumor, some tumor cells are repeatedly in a hypoxic condition. The part of the tumor that is in hypoxic condition often escapes from the chemotherapy drugs. Hypoxia creates an oxygen ramp inside the tumor that intensifies tumor heterogeneity, encouraging a more aggressive phenotype. Moreover, the hypoxia condition has been established to facilitate the overexpression of efflux proteins [143]. The major protein, “hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α)” acts an important role. Hence targeting HIF-1α or silencing HIF-1α gene is a way to overcome drug resistance. NPs containing HIF-1α siRNA can be used to reduce hypoxia-mediated drug resistance [144]. Instead of directly targeting HIF-1α, indirect inhibition of HIF-1α signaling can be used. For example, the “PI3K/Akt/mTOR pathway” is known to control the expression of HIF-1α. Inhibition of this pathway effectively downregulates the expression of HIF-1α, which enhances the sensitivity of MDR cells to cancer treatment [145]. NPs like PLGA-PEG and PEGylated and non-PEGylated liposomes can be used effectively. In addition, “heat shock protein 90 (HSP90)” is needed for transcriptional activity of HIF-1 and inhibition of HSP90, which downregulates the expression of HIF-1α [146]. The HSP90 inhibitor in “17AAG loaded NPs” has dramatically improved MDR in bladder cancer treatment [147].
Nanoparticles and Proteomics
When NPs are subjected to the biological system, they are surrounded by cellular and serum proteins which form a structure known as protein corona (PC) [148]. Based on the degree of interaction of these proteins with the NPs, there are classified into the hard corona and soft corona. “Hard corona” is formed when these proteins have a high binding affinity towards the NPs. “Soft corona” is produced when these proteins are loosely bound to the NPS. It has been established that the most protein forming a PC first will be eventually substituted by proteins with higher affinities. This is known as Vroman effect [149]. Hence developing the technology that can manufacture NPs with desired properties is essential. Several proteomic approaches such as MS, LC–MS, SDS-PAGE, isothermal microcalorimetry (ITC), etc. [150], are being used. PC affects the crosstalk of NP with the biological setting and thereby governs the application and usage of the same in the medical field.
Cancer proteomics studies the number of proteins in cancer cells and serum, which supports hunting proteins and biomarkers that aids in diagnosis, treatment, and prognosis [151]. It also helps in understanding cancer pathogenesis and drug resistance mechanism. Post-translational modifications (PTMs) play an indispensable part in occurrence, recurrence, and metastasis. Besides using chemotherapy and kinase inhibitors, novel agents like siRNA, mRNA, and gene editing are central therapeutics used with NPs.
Nanotechnology for Small Interfering RNA (siRNA) Delivery
siRNAs are small ds RNA molecules (around 21 nucleotides long) that suppress the expression of genes in the target. This process is known as “RNA interference.” A few siRNA-based NPs that are currently under clinical investigations are ALN-TTR01 that is used to target the transthyretin gene to treat transthyretin-mediated amyloidosis, and Atu027, which is a liposomal siRNA that targets protein kinase N3 and TKM-ApoB that knock downs the expression of ApoB [152, 153].
Nanotechnology for Tumor microRNA Profiling and Delivery
MicroRNAs are a class of endogenous “single-stranded non-coding RNA” molecules that control post-transcription gene expression by blocking translation of the target mRNA or repressing protein production by destabilizing mRNA [154]. These are emerging as vital biomarkers that are a significant target for cancer diagnosis, therapy, and treatment. The base priming nature of nucleic acid forms the very foundation for nanotechnology used miRNA profiling techniques. Several profiling techniques use biosensors or surface plasmon resonance imaging techniques in combination with molecular biology enzymatic reactions. Nanotechnology can be used for the delivery of MicroRNAs. For example, biodegradable polycationic prodrugs showed promising results in the regulation of polyamine metabolism [155]. MicroRNA-loaded polycation-hyaluronic acid NPs of single-chain antibody fragments have shown progressive downregulation of “survivin expression” in high metastatic cancer load in the lung of murine B16F10 melanoma.
DNA Nanotechnology for Cancer Therapy
DNA-based nanostructures have been synthesized for DNA sensors to detect nucleic acid, DNA-coated gold NPs for lead sensing by hybridizing Pb-activated DNAzyme to the linking DNA, scaffolds to organize organics, inorganic, and biomolecules into distinct morphology molecular transporters, and drug delivery (Table 1).
Advantages of Nanoparticles in Cancer Therapy
The utilization of nanotechnology in the diagnosis, treatment, and management of cancer has led to a whole new era. NPs, either by active or passive targeting, augment the intracellular concentration of drugs while avoiding toxicity in the healthy tissue. The targeted NPs can be designed and altered as either pH-sensitive or temperature-sensitive to establish and regulate the drug release. The pH-sensitive drug delivery system can deliver drugs within the acidic TME. Similarly, the temperature-sensitive NPs release the drugs in the target site due to changes in temperature brought in by sources like magnetic fields and ultrasound waves. In addition, the “physicochemical characteristics” of NPs, such as shape, size, molecular mass, and surface chemistry, have a significant part in the targeted drug delivery system. Further, NPs can be modified according to the target and used to target a particular moiety.
Conventional chemotherapy and radiation therapy have several disadvantages concerning efficacy and side effects because of uneven dispersal and cytotoxicity. Therefore, cautious dosing is required that effectively kills cancer cells without any significant toxicity. To reach the target site, the drug has to pass several fortifications. Drug metabolism is a very complex process. In physiological conditions, the drug needs to pass TME, RES, BBB, and kidney infiltration. RES or macrophage system is made up of “blood monocytes, macrophages, and other immune cells” [160]. MPS in the liver, spleen, or lungs react with the drugs and activate “macrophages or leukocytes” that rapidly remove the drug. This leads to a short half-life of the drug [161]. To overcome this, NPs with “surface modification,” such as PEG, bypass this mechanism and increase the “drug half-life.” Besides, kidney infiltration is a crucial function in the human body. Proper kidney infiltration thus minimizes the toxicity caused by NPs.
The brain-blood barrier (BBB) is a specialized protection structure offered to protect the CNS from harmful and toxic agents. “Brain capillary endothelial cells” are arranged in the form of a wall that provides essential nutrients to the brain. Since the primary function of BBB is to block toxic agents to reach the brain, currently available chemotherapy agents for brain cancer are highly limited to intraventricular or intracerebral infusions [162]. However, NPs are known to cross BBB. Now, several approaches such as EPR effect, focused ultrasound, peptide-modified endocytosis, and transcytosis are used to deliver NPs. Glutathione PEGylated liposome encapsulated with methotrexate showed improved methotrexate uptake in rats [163]. Au-NPs are often used as they have proven to help transport drugs to induce apoptosis [164].
NPs being carriers also increase the drug stability by preventing the degradation of the encapsulated cargo. Additionally, a large volume of drugs can be encapsulated without any chemical reaction. Dry solid dosage forms are more stable than nanoliquid products [165]. Stabilizers can be used to enhance stability. Yet another way to increase stability is to use porous NPs.
Tumor has unique pathophysiology features such as extensive angiogenesis, flawed vascular architecture and defective lymphatic drainage. The NPs use these features to target tumor tissue. Due to reduced venous return in tumor tissue and meager lymphatic clearance, NPs are effectively retained. This phenomenon is known as EPR. Similarly, by targeting the adjacent tissues, tumor-targeting can be accomplished [166].
NPs can be administered through several routes like oral, nasal, parenteral, intra-ocular etc. NPs have a high surface-to-volume ratio and intracellular uptake. Studies have reported that NPs are more effective than microparticles as drug carriers [167].
Nanoparticles in Immunotherapy
The immune system sets an important part in the establishment and development of cancer cells. The advancement of immunotherapy has revolutionized cancer therapy. It is found that NPs not only help in target delivery of chemotherapy but can also be used in combination with immunotherapy. There are several approaches in immunotherapy aimed at activating the immune system against cancer cells [168] by “immune checkpoint blockade therapy,” “cancer vaccine therapy,” “chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy,” and “immune system modulator therapy” [169,170,171]. NP-based immunotherapy includes “nanovaccines,” “aAPCs (artificial antigen-presenting cells),” and “immunosuppressed TME targeting.”
Nanovaccines specialize in delivering “tumor-associated antigens” and “adjuvants” to antigen-presenting cells, such as dendritic cells (DCs) [172]. Moreover, these can also be employed as adjuvants to enhance “APC antigen presentation” and promote DC maturation that leads to the stimulation of cytotoxic T cells that have anti-tumor function [173, 174]. Liposomes, PLGA NPs, gold NPs are found to have the ability to deliver TAAs into DCs in the cytoplasm [175]. Mesoporous silica, the most used inorganic NP, has exhibited an adjuvant role, leading to immune response stimulation [176]. Artificial APCs interact with MHC-antigen complexes directly which binds to T cells. They also bind to co-stimulatory molecules that bind to co-stimulatory receptors leading to T cell activation [177]. Targeting the immunosuppressed TME is yet another method of using NPs in immunotherapies. This is done by targeting essential cell types in TME such as “tumor-associated macrophages (TAMs),” regulatory T cells, and “myeloid-derived suppressor cells (MDSCs).”
Besides, the combination of chemoimmunotherapy has been demonstrated to be a capable approach in cancer therapy. For instance, a study has shown that co-loading Nutlin-3a, which is a chemotherapeutic agent and cytokine GM-CSF, in “spermine-modified acetylated dextran (AcDEX) NPs” improved cytotoxic CD8( +) T cells proliferation and activated an immune response [178].
“Programmed cell death protein 1 (PD-1)” and “programmed cell death ligand 1 (PD-L1)” are some of the essential immune checkpoints [179]. Hence immune checkpoint inhibitors are used to target these using NPs. According to a study, conventional immune checkpoint inhibitors of PD-L1/PD-1 displayed inconsistent responses. To enhance the chances and bonding of immune checkpoint inhibitors and immune checkpoints, multivalent poly (amidoamine) dendrimers were used. Usage of these dendrimers not only showed enhanced PD-L1 blockade but also showed improved drug accumulation at the tumor site [180].
Nanoparticles in Cryosurgery
Cryosurgery is an advanced practice of freeze-destroying cancer tissue. Although this is less invasive and causes intraoperative bleeding and postoperative complications, certain drawbacks like inadequate freezing capacity and damage to adjacent cells need to be addressed [181]. The rise of nanotechnology has enabled the use of NPs in cryosurgery.
The primary working of nanocryosurgery is introducing NPs with particular properties into the cancer cells and causing freezing [182]. During this process, ice is formed within the cells, which causes damage to it. This is an important process and can be carried out effectively using NPs. The thermal conductivity property of NPs can be exploited, which significantly freeze the tumor tissue and cause tumor damage [183]. Besides, they cool down rapidly, and it is feasible to regulate the “growth direction” and “direction of the ice ball” (Fig. 6).
Diagrammatic representation of NPs in cryosurgery
When the location of the tumor makes it not feasible for cryosurgery or if other adjacent organs are at risk, there are high chances that the freezing can damage healthy tissue. Recently, phase change materials (PMs) made up of NPs are used to protect the adjacent normal healthy tissue during cryosurgery [184]. For instance, liposome-based microencapsulated phase change NPs have shown incredible results in protecting surrounding healthy tissue [185]. These NPs are deemed to possess large latent heat and low thermal conductivity, making them perfect for cryosurgery.
Significant Challenges in the Clinical Application of Nanoparticles
At present, as nanotechnology has bloomed, the amount of knowledge and research put into nanoparticles has steeply raised. But only a few of them actually make it up to clinical trials. Most of them only halt at in vivo and in vitro stages. Each individual nanoformulation has particular challenges in their clinical translation, but most NPs face similar challenges that can be divided into biological, technological, and study-design related.
Biological challenges include lack of routes of administration, tempering biodistribution, the channel of NPs across the biological barriers, their degradation, and toxicity [186]. NPs are usually injected via intravenous injections directly into the blood, which takes away NPs, making it challenging to stay and interact with the target site. As a result, a high concentration drug is used, which might not provide desired therapeutic effects [187]. However, magnetic NPs can be used to overcome this as many in vivo and in vitro studies have proved the usage of 3D magnetic fields to control the movement of NPs against blood flow. But, the effect of magnetic fields on the human body, crosstalk between magnetic fields, and a large number of NPs has to be researched upon.
Controlling the biological fate of NPs is very hard and needs a lot of focus. Even though NPs are made up of biosafety materials and are modulated accordingly to increase the retention time and half-life, there runs a risk of lung, liver and kidney damage. Some factors that govern toxicity are surface area, particle size and shape, solubility, and agglomeration [188]. NPs have shown greater deposition in the lung with inflammatory, oxidative and cytotoxic effects [189]. Studies reveal that healthy cells often suffer from free radicals generated by NPs [190]. Fabricating NPs with more biocompatible substances like chitosan and materials that disintegrate after near infrared light irradiation may be potential solutions.
Another tricky challenge is avoiding the “mononuclear phagocytic system (MPS).” In biological fluids, NPs adsorb proteins to produce PC, which attacks MPS to uptake NPs. To escape this, NPs have been coated with materials that prevent the formation of the protein corona. However, they have not shown any significant results. Designing NPs that target “macrophages” and using those as new drug vehicles can be pitched to overcome this problem. Currently, preventing macrophage recruitment, depleting and reprograming TAMs, and obstructing “CD47-SIRPα pathways” are commonly used strategies [191].
Technological challenges of NPs include scale-up synthesis, equal optimization, and performance predictions. These are very crucial in safeguarding the clinical success of NPs. Most of the NPs that are used in vivo and in vitro studies are usually produced in minor batches, and scale-up for huge quantities is not constantly feasible given instrumentation and other reasons. The lead clinical candidates that prove to be the best in animal models are not systematically designed optimized. To overcome this, we can use certain methods that can test numerous nanoformulation and by selective iterations selecting a single optimized formulation [192,193,194]. However, such hits shouldn’t be introduced directly in human testing. Predicting nanoparticle efficacy and performance is hard and replicating the in vivo results in human trials is a herculean task. Computational or theoretical modeling along with experimental results can be designed to imitate physiological tissue and surrounding. For instance, organs-on-chips are being actively studied and can improve NP predictions of efficacy and performance.
Study-design challenges like study size, intent, and timing of NP therapies during the therapy impact significantly during clinical studies. Most of the studies revolve around “cell and animal models” that may not provide comprehensible results in human trials. Therefore, the usage of a single model is tough to imitate natural reactions in the human body. In addition, “models of cancer metastasis” should be actively researched as metastasis is one of the significant properties of cancer. Moreover, N = 1 clinical studies will be required if we focus on personalized medicine. This needs to count in many factors such as genetic, environmental, and past medical history. [195, 196]. Another major challenge is that NPs are never used as first-line therapies. Although we have effectively approved nanoformulations, they are usually saved for further treatment if disease progression is found in the clinical trial scenario. Most of the patients have either had progressed on multiple lines of therapies or have gained drug resistance. These situations often skew the clinical trial results and lessen the chance of NP treatment to benefit those who are likely still treatable.
Conclusion and Future Perspective
Nanotechnology has shown a promising new era of cancer treatment by delivering small molecules for cancer detection, diagnosis, and therapy. Cancer therapies based on the exceptional features of NPs are being vastly used in the clinical setting of several cancer types. NP-based DDS is linked with enhanced pharmacokinetics, biocompatibility, tumor targeting, and stability compared to conventional drugs. Moreover, NPs provide an excellent platform for combination therapy which helps in overcoming MDR. With increasing research, several types of NPs, such as polymeric NPs, metallic NPs, and hybrid NPs, have shown improved efficacy of drug delivery. Researchers must be well attentive to the features of the nominated nanoplatforms and the properties of therapeutic agents. However, there are certain limitations like deficiency of in vitro models that precisely replicate in vivo stage, immunotoxicity, the long-term toxicity, and neurotoxicity. Although “nanovaccines” and “artificial APCs” have proved improved efficacy compared to conventional immunotherapy, the clinical efficacy is substandard. The safety and tolerance of these new modalities should to be inspected. Additionally, developing “immunomodulatory factor-loaded NPs” may advance the efficiency of vaccines for immunotherapy.
This is an emerging area, and it is anticipated that with growth in proteomics research on the “mechanism of cancer origin, MDR, occurrence,” more NP-based drugs can be exploited. Compared to the mammoth amount of investigations, only a few NP-based drugs are actually in use, a few others in clinical trials, and most in the exploratory stage. For rational nanotechnology design, more efforts must be reserved in “understanding toxicity, cellular and physiological factors that regulate NP-based drug delivery, EPR, and PC mechanism” in the human body. Based on the evidence cited above, we presuppose that the revolution in clinical translation for NP-based cancer therapy will be attained with nanotechnology and cancer therapy development.
