Zebrafish:Sistem Model Waktu Nyata yang Menjanjikan untuk Pengiriman Obat Neurospesifik yang Dimediasi Nanoteknologi
Abstrak
Mengirimkan obat ke otak selalu menjadi tantangan bagi komunitas riset dan dokter. Penghalang darah-otak (BBB) bertindak sebagai rintangan utama untuk memberikan obat ke bagian tertentu dari otak dan sistem saraf pusat. Secara fisiologis terdiri dari jaringan kapiler yang kompleks untuk melindungi otak dari agen invasif atau partikel asing. Oleh karena itu, ada kebutuhan mutlak untuk memahami BBB untuk intervensi terapeutik yang sukses. Penelitian terbaru menunjukkan kemunculan yang kuat dari ikan zebra sebagai model untuk menilai permeabilitas BBB, yang sangat lestari dalam struktur dan fungsinya antara ikan zebra dan mamalia. Sistem model ikan zebra menawarkan banyak keuntungan termasuk perawatan yang mudah, fekunditas tinggi, dan transparansi embrio dan larva. Oleh karena itu, ia memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai model untuk menganalisis dan menjelaskan permeabilitas BBB terhadap teknologi permeasi baru dengan neurospesifisitas. Nanoteknologi kini telah menjadi area fokus dalam komunitas industri dan penelitian untuk mengantarkan obat ke otak. Nanopartikel sedang dikembangkan dengan peningkatan efisiensi dan akurasi untuk mengatasi BBB dan mengantarkan obat neurospesifik ke otak. Ikan zebra berdiri sebagai sistem model yang sangat baik untuk menilai biokompatibilitas dan toksisitas nanopartikel. Oleh karena itu, model ikan zebra sangat diperlukan untuk penemuan atau pengembangan teknologi baru untuk pengiriman obat neurospesifik dan terapi potensial untuk penyakit otak.
Pengantar
Pengiriman obat mengacu pada metode mentransfer senyawa ke dalam tubuh untuk tujuan terapeutik. Senyawa-senyawa tersebut terutama bersifat farmasi dan ditargetkan terhadap kondisi penyakit tertentu pada populasi sel tertentu secara in vivo. Istilah penghantaran obat mencakup dua gagasan utama:bentuk dosis dan rute pemberian [1]. Penghantaran obat yang tepat memastikan aktivitas obat yang efisien dengan mengatur hal-hal berikut:pelepasan obat, penyerapan oleh sel dan distribusi yang benar dalam sistem [2]. Beberapa rute penghantaran obat yang umum termasuk enteral (saluran pencernaan), parenteral (melalui suntikan), inhalasi (dimediasi oleh penciuman), transdermal (melalui dermis), topikal (melalui kulit) dan rute oral (melalui kerongkongan) [3]. Memberikan obat sangat penting dan sangat penting dalam bidang terapi. Metode yang dipilih harus paling efektif dan juga paling tidak beracun bagi sistem [4]. Masalahnya menjadi lebih besar ketika organ yang dimaksud adalah otak. Memberikan obat ke otak telah menjadi perjuangan di antara para peneliti selama lebih dari beberapa dekade sekarang [5, 6]. Teknologi dan ide yang tak terhitung banyaknya telah digunakan untuk pengembangan teknik yang efektif [7, 8]. Namun, kesuksesan tampaknya tidak terlalu dekat. Rintangan terbesar dalam perjuangan ini adalah kemampuan untuk melewati sawar darah-otak (BBB). BBB adalah penghalang fisiologis untuk melindungi otak kita dari senyawa yang ditransfer dari darah ke otak [9]. Susunan alami penghalang memungkinkan hanya molekul yang sangat kecil dalam aliran darah yang memiliki akses ke otak [10]. Molekul dengan berat molekul kecil < 400 Da dan yang larut dalam lemak memiliki kemampuan untuk menembus otak [11]. Obat neurospesifik harus memenuhi parameter ini untuk pengiriman obat yang efektif di seluruh BBB. Saat ini, sebagian besar obat yang dikembangkan untuk menargetkan otak tidak berhasil melintasi BBB [9, 12, 13]. Penyakit sistem saraf pusat adalah beberapa penyakit yang paling umum mempengaruhi beberapa orang di semua tahap kehidupan. Namun, penyakit ini masih tetap paling sedikit diobati [14]. Ada kebutuhan mendesak untuk teknologi penghantaran obat neurospesifik yang baru karena tingkat keberhasilan obat yang ada yang ditargetkan ke otak sangat rendah. Terlepas dari permeabilitas BBB yang terbatas, kompleksitas otak dan efek samping yang disebabkan oleh teknologi penghantaran obat yang ada juga perlu diperhatikan [15]. Tidak adanya metode absolut untuk pengiriman obat neurospesifik yang efisien telah menghambat pengembangan obat yang efektif di bidang ini. Komunitas peneliti telah menjelajahi berbagai cara untuk memberikan obat yang aman dan tepat sasaran ke otak. Makromolekul hingga nanopartikel sedang dieksplorasi untuk memastikan efektivitas maksimum [16].
Nanoteknologi semakin menarik minat komunitas ilmiah dengan dampak yang berkembang pesat pada penelitian tentang pengiriman obat otak [17]. Dengan pertumbuhan nanoteknologi, telah terjadi ekspansi simultan dari sektor nanotoksikologi. Penilaian toksisitas nanopartikel memainkan peran penting dalam menganalisis dampak nanopartikel untuk spesies individu dan lingkungan pada umumnya [18]. Beberapa tahun terakhir telah melihat penerapan ikan zebra sebagai prototipe untuk studi toksisitas [19]. Ikan zebra telah digunakan secara luas untuk studi biologi eksperimental dan sekarang berkembang sebagai sistem model yang kuat untuk mempelajari nanotoksisitas [20]. Dalam hal sistem model untuk nanotoksisitas, ikan zebra menawarkan beberapa keunggulan. Sangat ekonomis untuk digunakan sebagai hewan percobaan dan mudah pemeliharaannya. Ini memiliki tingkat fekunditas tinggi membuatnya mudah tersedia dan membantu untuk memahami fisiologi vertebrata dengan cara yang lebih mudah [21]. Namun, penggunaan ikan zebra sebagai sistem model juga memiliki keterbatasan. Pertama dan terpenting, sistem saraf ikan zebra mungkin tidak serumit dan berkembang seperti pada manusia; sistem saraf hewan pengerat dan murine relatif lebih berkembang dan dapat digunakan untuk mempelajari penyakit otak manusia yang kompleks; namun, mereka tidak identik dengan manusia [22]. Kedua, ikan zebra tidak memiliki beberapa sistem organ yang ditemukan pada manusia seperti paru-paru, prostat, dan kelenjar susu; juga, penyakit yang disebabkan oleh gen yang tidak ada pada ikan zebra tidak dapat dipelajari [23]. Namun, ikan zebra memiliki 70% kesamaan genom dengan genom manusia dan 84% homologi dengan gen penyebab penyakit manusia yang membuatnya sangat cocok untuk meniru patologi penyakit manusia [24]. Ikan zebra dewasa sebelumnya telah didalilkan tidak memiliki makrofag hati; sel Kupffer dianggap hadir hanya sementara pada tahap awal embrio dan tidak ada atau jarang pada tahap perkembangan selanjutnya [25,26,27]. Namun, penelitian terbaru telah menunjukkan asal hematopoietik sel Kupffer dan kegigihannya bahkan dalam hati ikan zebra dewasa membuat ikan zebra mahir untuk penelitian tentang sel Kupffer juga [28, 29]. Lebih lanjut, model vertebrata yang lebih tinggi diharapkan untuk meniru patologi manusia yang rumit dengan akurasi yang lebih tinggi daripada ikan zebra. Baru-baru ini, sebuah perdebatan telah dimulai tentang ketergantungan pada data yang tersedia dari model hewan dan ekstrapolasinya ke manusia [30]. Ini menunjukkan fakta bahwa model hewan apa pun memiliki keterbatasannya sendiri ketika diterapkan pada studi klinis [30, 31].
Ulasan ini membahas studi terbaru tentang pengiriman obat yang dimediasi nanoteknologi secara khusus ke otak menggunakan ikan zebra sebagai sistem model. Ini merangkum rintangan BBB dan berbagai optimasi nanodrug, evaluasi toksisitas dan dampaknya saat digunakan untuk terapi pada penyakit neurodegeneratif menggunakan embrio ikan zebra dan orang dewasa. Terakhir, tinjauan ini menyoroti kelebihan dan kekurangan model ikan zebra untuk pengiriman obat neurospesifik dan menyoroti ruang lingkup besar yang dimilikinya untuk penelitian translasi di masa depan.
Blood-Brain Barrier:Hambatan Utama dalam Pengiriman Obat Neurospesifik
BBB memastikan pembatasan masuknya zat ke dalam otak, karenanya bertindak sebagai penghalang difusi yang membantu mempertahankan homeostasis otak normal [32]. Beberapa sel terlibat dalam menyusun struktur komposit BBB [33]. Perisit, astrosit dan neuron terdiri dari komponen seluler, sedangkan sel endotel, tight junction dan membran basal bersama-sama membentuk BBB [34]. Kurangnya fenestrasi dalam sel endotel di otak memastikan tidak ada difusi molekul kecil melintasi permukaannya. Bahkan zat yang larut dalam air dihalangi untuk memasuki otak dengan adanya sambungan antar endotel seperti sambungan ketat, sambungan patuh dan sambungan celah, yang menghubungkan sel-sel endotel [35]. Sel-sel endotel ini pada gilirannya dikelilingi oleh perisit, astrosit dan membran basal yang melengkapi struktur BBB [36]. Persimpangan patuh dan taut ketat mengatur permeabilitas lapisan sel endotel. Gap junction terdiri dari molekul connexin, dan mereka mengontrol komunikasi antara sel-sel endotel [37]. Molekul dapat melintasi BBB melalui dua jalur:jalur paraseluler atau jalur transseluler [38]. Pada jalur paraseluler, ion dan molekul melewati BBB dengan berdifusi secara pasif di antara sel menggunakan gradien konsentrasi [39]. Jalur transeluler menggunakan penggunaan berbagai mekanisme seperti transcytosis atau transpor yang dimediasi reseptor untuk perjalanan molekul melalui sel [40]. Beberapa parameter mempengaruhi permeabilitas BBB. Berat molekul, muatan pada permukaan, aktivitas permukaan, kelarutan molekul dan ukuran relatif molekul mempengaruhi permeabilitas BBB [41].
Penghalang Darah–Otak:Teknologi Modern untuk Pengiriman Obat
Penghalang darah-otak (BBB) di otak yang sehat terutama beroperasi sebagai penghalang difusi untuk melindungi fungsi otak normal. Ini mencegah sebagian besar senyawa dari yang ditransfer dari darah ke otak. BBB yang ketat hanya memungkinkan molekul yang sangat kecil untuk masuk ke otak; namun, diamati terganggu dalam kondisi penyakit.
Mengapa Nanopartikel Menjadi Pilihan Saat Ini untuk Pengiriman Obat Neurospesifik
Teknik rekayasa dan sintesis bahan pada tingkat molekuler disebut sebagai nanoteknologi. National Nanotechnology Institute mendefinisikan nanoteknologi sebagai bahan apa pun yang ada setidaknya dalam satu dimensi dan berukuran antara 1 dan 100 nm (Gbr. 1). Dekade terakhir telah melihat ledakan di bidang nanoteknologi dan aplikasinya di bidang biomedis. Pengiriman obat berbasis nanoteknologi diyakini telah menggerakkan seluruh bioteknologi dan industri farmasi dan membawa perubahan besar dalam bidang ini di tahun-tahun mendatang [42,43,44,45,46,47]. Penerapan nanoteknologi menjanjikan beberapa keuntungan dalam pengiriman obat yang ditargetkan. Ini termasuk kemampuan untuk mengantarkan obat (a) kelarutan dalam air yang lebih sedikit ke lokasi target masing-masing, (b) dari dua atau lebih jenis untuk mencapai terapi kombinatorial, (c) pengiriman yang ditargetkan pada lokasi aksi spesifik, (d) transportasi obat obat melintasi penghalang ketat, yaitu penghalang darah-otak, (e) peluang visualisasi untuk pemahaman yang lebih baik dan analisis aktivitas obat [48] dan (f) fasilitas pelacakan waktu nyata untuk mencapai kemanjuran sempurna dalam mode aktivitas obat [44]. Dengan demikian, teknik nanoteknologi memiliki potensi luar biasa untuk terapi neurospesifik.
Karakteristik obat neurospesifik. BBB biasanya terdiri dari persimpangan ketat di sel endotel yang dikelilingi oleh astrosit, perisit, dan neuron. Molekul neurospesifik harus memiliki karakteristik khusus untuk dapat melintasi sawar darah-otak (BBB). Karakteristik yang disukai adalah:ukuran sangat kecil dengan diameter kurang dari 100 nm, berat molekul rendah sebaiknya kurang dari 400 Da, harus bermuatan positif, berbentuk bulat dan kelarutan dalam lemak
Zebrafish sebagai Model untuk Pengiriman Obat Neurospesifik
Danio rerio (zebrafish) adalah model vertebrata ditunjukkan untuk mengeksplorasi studi pembangunan dan studi penyakit degeneratif [49,50,51,52]. Ini dapat dimodelkan untuk analisis yang jauh, dari analisis fundamental dan toksikologi hingga studi pra-klinis [53,54,55]. Dari beberapa keunggulan yang ditawarkan oleh ikan zebra, pemeliharaannya yang hemat biaya, pengujian yang mudah dengan persyaratan kandang yang sederhana dan ukuran kopling yang besar sangat cocok untuk pengujian throughput yang tinggi [56]. Fekunditas tinggi adalah ciri khas yang lebih menonjolkan penggunaan sistem model ini [24, 57]. Sistem organ ikan zebra sangat lestari dengan vertebrata tingkat tinggi [58].
Embrio ikan zebra memiliki perkembangan eksternal dan benar-benar transparan sehingga dapat dipelajari secara visual secara ekstensif. Dengan demikian, mereka adalah alat yang sangat baik untuk analisis skrining menggunakan agen yang mengganggu pertumbuhan normal, perkembangan dan siklus sel [59]. Mereka menampilkan pola pengembangan menyeluruh mulai dari epiboly hingga pengembangan akhir dari struktur kunci [60, 61]. Zebrafish sekarang digunakan secara luas untuk penelitian neuropsikiatri dan berbagai penelitian untuk menganalisis toksisitas perkembangan dalam pengiriman obat yang dimediasi nanopartikel. Paparan ikan zebra ke nanopartikel emas mengganggu perkembangan mata normal dan pigmentasi seperti yang diamati melalui mikroskop cahaya sederhana [62, 63]. Pemberian nanopartikel emas ke ikan zebra menghasilkan efek genotoksik dan perubahan serius dalam konstitusi genom mereka [64]. Toksisitas yang bergantung pada dosis dan waktu dari NP silika ditentukan dengan menganalisis dampaknya pada sistem kardiovaskular [65, 66] dan pada tingkat kematian [67]. Juga ditemukan bahwa NP kitosan memiliki kompatibilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan kitosan normal [68].
Sangat penting bahwa nanopartikel yang digunakan untuk intervensi klinis harus dapat terurai secara hayati dan tidak beracun. Nanopartikel memiliki potensi besar di bidang pengiriman obat yang ditargetkan dan penelitian translasi. Penggunaan nanopartikel telah diterapkan pada sejumlah bidang yang semakin besar termasuk aplikasi in vivo. Peningkatan luas dalam penggunaan nanopartikel ini berimplikasi pada bahaya yang mengintai dari paparan berlebihan nanocarrier ini kepada manusia. Studi toksisitas nanopartikel merupakan bagian tak terpisahkan dari nanoteknologi. Studi yang berfokus pada interaksi nanopartikel pada tingkat seluler dan molekuler harus dilakukan untuk menganalisis toksisitas sebelum dapat digunakan secara klinis. Tabel 1 merangkum studi neurotoksisitas dari beragam nanocarrier yang digunakan untuk pengiriman obat yang ditargetkan ke otak menggunakan ikan zebra. Toksisitas nanopartikel melibatkan analisis toksisitas, permeabilitas, tingkat kematian, teratogenisitas yang diinduksi, reaksi imun, dan toksisitas genom.
Zebrafish secara ekstensif digunakan sebagai sistem model untuk mengevaluasi toksisitas dan biokompatibilitas nanopartikel [111.112.113], dan memiliki potensi besar sebagai model untuk mempelajari neurotoksisitas dan penyaringan tinggi nanopartikel [114.115.116.117]. Tidak ada model selain ikan zebra yang sangat cocok untuk analisis tersebut. Sistem model ini dapat digunakan untuk mempelajari, menganalisis, dan mengelola risiko yang timbul dari toksisitas bahan nano. Informasi yang diperoleh akan membantu dalam merumuskan pedoman khusus, membingkai tindakan perlindungan, dan kontrol kualitas saat bekerja dengan produk terkait nanoteknologi [118, 119].
Wawasan tentang Pengiriman Obat yang Dimediasi Nanopartikel Menggunakan Embrio Ikan Zebra
Untuk menggunakan nanopartikel untuk menargetkan otak, pengetahuan sebelumnya tentang efeknya secara in vivo sangat penting. Model ikan zebra paling cocok untuk tujuan ini. Studi terbaru telah dilakukan menggunakan nanopartikel untuk mendapatkan wawasan penting tentang penetasan larva ikan zebra. Penggunaan TiO2 nanopartikel menginduksi penetasan awal pada larva dengan cara yang bergantung pada dosis [120]. Chen dkk. menyarankan bahwa TiO2 nanopartikel berdampak pada perilaku berenang larva yang mempengaruhi kecepatan dan tingkat aktivitas [121]. Di sisi lain, Ong et al. melaporkan penghambatan total penetasan dan kematian embrio larva setelah terpapar nanopartikel. Mereka lebih lanjut menambahkan bahwa penyebab kematian embrio adalah interaksi fisik nanopartikel dengan embrio daripada efek dari sifat fisiko-kimia nanopartikel [122]. Gangguan sistem endokrin tiroid pada larva ikan zebra juga telah diamati ketika mereka terpapar TiO2 nanopartikel [123]. Akumulasi timbal telah dikaitkan sebagai penyebab efek buruk ini. TiO2 nanopartikel juga telah dilaporkan secara signifikan mengaktifkan tingkat ekspresi BDNF, C-fos dan C-jun. Sebaliknya, juga ditemukan memiliki efek penghambatan pada gen seperti p38, NGF dan CRE yang mengakibatkan kerusakan otak ikan zebra [124]. TiO2 nanopartikel juga telah terbukti memiliki efek buruk pada potensi reproduksi ikan yang menyebabkan penurunan 9,5% dalam jumlah telur yang dilepaskan [125]. Vogt dkk. selanjutnya melaporkan toksisitas kimia dari molekul kecil BCI ketika ditambahkan ke embrio ikan zebra 24-48 jam setelah pembuahan [126]. Ali dan Legler dkk. menunjukkan malformasi yang diinduksi nanopartikel nonilfenol pada embrio bahkan pada dosis rendah [127]. Usenko dkk. mengevaluasi karbon fullerene [C60 , C70 , dan C60 (OH)24 ]-diinduksi toksisitas menggunakan embrio ikan zebra [128], sementara Daroczi et al. disebutkan potensi pelindung nanomaterial yang sama dari radiasi pengion [129]. Efek neuroprotektif dari C60 turunan fullerene, dendrofullerene nanoparticle (DF-1), dalam embrio ikan zebra juga telah dilaporkan dengan menilai toksisitasnya [129]. Pemberian nanopartikel silika pada embrio ikan menghasilkan peningkatan mortalitas [67], sedangkan nanopartikel ZnO meningkatkan mortalitas dan juga menyebabkan ulserasi kulit dengan penundaan penetasan [82]. Dampak paparan nanopartikel yang terbawa air pada gen yang mengatur sistem kekebalan pertama kali dilaporkan oleh Brun et al. [130]. Studi ini menyoroti pentingnya respons molekuler sebagai indikator toksisitas biologis. Embrio ikan zebra yang dicangkokkan dengan sel kanker dan dikenai partikel nano polimer telah dicitrakan secara real time untuk memahami toksisitas nanopartikel dan strategi pengobatan [131].
Menariknya, bio-imaging menggunakan embrio ikan zebra dari berbagai tahap perkembangan mengungkapkan efek toksik dari nanopartikel Ag terbungkus natrium kolat [132, 133]. Studi ini sangat penting [134] karena menunjukkan bahwa toksisitas yang timbul dari nanopartikel Ag mempengaruhi perkembangan insang dan lamelli pada ikan. Efek penghambatan ini terutama disebabkan oleh interaksi ion Ag di insang di mana mereka memblokir aktivitas Na + /K + ATPase [135, 136]. Lebih lanjut, dilaporkan bahwa nanopartikel Cu memiliki efek penghambatan yang serupa pada pertumbuhan insang pada ikan [76]. Penggunaan nanopartikel tembaga dalam larva menyebabkan malformasi dan penetasan tertunda [69, 76]. Aplikasi nanopartikel emas tidak memiliki efek toksik pada larva [69], sedangkan nanopartikel perak mempengaruhi perkembangan [137]. Nanopartikel yang terbuat dari seng, magnesium, besi, tembaga dan nikel tidak memiliki toksisitas pada orang dewasa, tetapi pada larva, penetasan tertunda telah diamati [78, 79, 81, 82, 138]. Nanopartikel senyawa organik fullerene juga telah terbukti tidak beracun bagi larva pada konsentrasi di bawah 200 mg/L [139]. Selain itu, juga ditunjukkan bahwa nanopartikel kitosan jauh lebih efektif dan tidak beracun dibandingkan dengan partikel kitosan biasa [68].
Nanopartikel oksida logam seperti TiO2 telah dilaporkan menginduksi beberapa malformasi perkembangan pada larva ikan zebra [120], sementara beberapa melaporkan bahwa itu benar-benar tidak beracun [140, 141]. Parameter penting di sini adalah dosis serta waktu paparan. Dosis TiO yang lebih tinggi2 NP terbukti berakibat fatal bagi larva dengan akumulasi NP di insang, jantung, hati dan otak [141, 142]. Efek genotoksik juga merupakan akibat dari paparan TiO dosis tinggi2 untuk ikan [143]. Paparan kronis terhadap konsentrasi yang lebih rendah (< 4 mg/L) TiO2 NP menyebabkan toksisitas yang lebih rendah dan tingkat kematian yang lebih tinggi [142]. Fitur penting lain dari nanopartikel yang harus diperhatikan adalah bentuk nanopartikel dan protein pada permukaannya. Kristal heksagonal kolom-butir dari NP ZnO berdampak pada siklus sel ikan zebra [144], sedangkan NP ZnO yang berbentuk daun dan dilapisi dengan polimer menunjukkan biokompatibilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan NP bulat [122]. Selanjutnya, telah ditunjukkan bahwa nanostick lebih beracun daripada bola dan nanopartikel berbentuk kubus [145]. Besi NP menyebabkan cacat parah pada larva [146] dan efek genotoksik pada orang dewasa [134], sedangkan logam seperti nikel, kobalt dan aluminium NP terbukti relatif lembam [82, 147].
Mengingat peningkatan kerusakan yang disebabkan oleh plastik di dunia saat ini, Pitt et al. menunjukkan dampaknya pada ikan zebra. Mereka mengamati bahwa ikan zebra yang sedang berkembang sangat rentan terhadap nanoplastik yang tersedia di ekosistem perairan. Nanopartikel ini dapat menembus korion dan berdampak buruk pada fisiologi dan respons perilakunya [148]. Studi ini selanjutnya menjelaskan gangguan yang diciptakan oleh plastik ke dunia bawah laut yang pada gilirannya berdampak pada peradaban manusia. Penelitian menunjukkan bahwa nanopartikel yang sangat kecil yang memiliki rasio luas permukaan/volume yang tinggi sangat mampu menyerap polutan dari lingkungan. Penggunaan manik-manik nanoplastik polistirena dalam produk kosmetik telah dipelajari untuk perkembangan toksisitas dan dampaknya pada embrio ikan zebra [149]. Studi lain tentang nanoplastik polistirena berukuran kurang dari 20 nm menunjukkan bahwa polistiren terakumulasi di otak embrio [150].
Wawasan yang Diungkapkan oleh Studi Nanopartikel pada Ikan Zebra Dewasa
Sebuah repertoar penelitian yang relatif luas telah dilakukan pada efek nanopartikel pada ikan zebra dewasa. Ini bertindak sebagai sumber informasi yang berharga tentang penggunaan nanopartikel pada vertebrata. Truong dkk. mengevaluasi kelainan perilaku yang timbul pada 122 embrio dpf dari paparan nanopartikel emas [151]. Pengiriman obat ke kulit juga telah dicapai dengan pemberian nanopartikel ke ikan zebra. Para peneliti telah menunjukkan bahwa nanopartikel Ag-BSA memasuki kulit melalui endositosis di mana mereka menumpuk dan menyebabkan kelainan kulit [63]. Memberikan obat melalui nanopartikel juga telah digunakan untuk menginduksi kondisi stres pada ikan zebra untuk bertindak sebagai model potensial untuk penemuan obat [152]. Beberapa nanopartikel telah terbukti menginduksi asma, apoptosis dan peningkatan respon imun pada ikan sehingga memungkinkan untuk menggunakannya untuk studi imunotoksikologi [153.154.155.156]. Model ikan zebra telah dipelajari secara ekstensif untuk kardiotoksisitas yang diinduksi obat [157, 158]. Jantung ikan zebra menunjukkan beberapa karakteristik fungsional yang mirip dengan jantung manusia termasuk respons obat farmakologis [159.160.161.162]. Jantung ikan zebra adalah yang pertama berkembang pada 22 hpf, sedangkan seluruh sistem kardiovaskular siap pada 48 hpf [163]. Embrio ikan zebra telah divisualisasikan untuk mempelajari efek obat pada detak jantung, ritme, kontraktilitas, dan sirkulasi. Beberapa tes visual telah dilakukan menggunakan ikan zebra untuk membantu menguraikan kesehatan jantung. Interval QT adalah salah satu parameter yang menjadi dasar sebagian besar obat jantung. Interval QT adalah jeda waktu antara gelombang Q dan gelombang T dalam siklus listrik jantung. Sejumlah obat telah dinilai efeknya pada interval QT (durasi potensial aksi ventrikel) menggunakan ikan zebra [164.165.166]. Salah satu penelitian melaporkan bahwa obat yang menyebabkan pemanjangan interval QT pada manusia sebenarnya menyebabkan bradikardia dan menghambat konduksi ventrikel auricular [160]. Hati ikan zebra terbentuk sebesar 48 hpf dan menjadi berfungsi penuh pada 72 hpf; sistem model ini banyak digunakan untuk mempelajari penghantaran obat berbasis hati. Studi di bidang ini telah mengungkapkan bahwa respons yang ditunjukkan oleh ikan zebra dalam toksisitas hati serupa dengan yang ditunjukkan oleh vertebrata yang lebih tinggi [167]. Ikan zebra telah digunakan untuk mengkarakterisasi ortolog sitokrom P450, CYP3A dan CYP3A65 [168, 169]. Penilaian lebih lanjut telah dilakukan untuk menguraikan efek obat pada CYP3A4, CYP2D6 dan CYP3A65 [170]. Efek neuroprotektif dari nanoformulasi hesperetin telah dipelajari dalam model cedera otak traumatis ikan zebra [171].
Zebrafish Menawarkan Model Studi Patologis Lengkap untuk Pengiriman Obat Neurospesifik
Saat mengantarkan obat ke otak, beberapa efek samping dapat terjadi. Model ikan zebra menawarkan keuntungan dari mempelajari ini secara rinci dan karenanya memberikan teknik pengiriman obat yang sesuai ke otak [172]. Teratogenisitas:Setiap jenis pertumbuhan atau perkembangan teratogenik abnormal dapat dengan mudah dinilai dengan mengamati embrio ikan zebra yang transparan [59]. Gangguan utama yang dapat diamati selama pembentukan teratoma adalah pigmentasi mata [67], angka kematian [65], perubahan sistem kardiovaskular [68] dan efek pada penetasan [115]. Imunotoksisitas:Penelitian telah dilakukan pada reaksi imunologi yang muncul pada ikan zebra sebagai respons terhadap obat atau nanopartikel. Hal ini menyebabkan akumulasi neutrofil dan makrofag [173]. Penggunaan nanopartikel emas telah dilaporkan mengganggu respon imun inflamasi [174], sementara di sisi lain nanopartikel perak telah terbukti menginduksi respon inflamasi [175]. Genotoksisitas:Perubahan yang terjadi pada tingkat DNA dapat diamati dengan PCR waktu nyata [143] dan uji komet lainnya [134]. Penelitian terbaru tentang NP berbasis karbon telah menarik perhatian yang meningkat baru-baru ini [176] terutama karena toksisitasnya yang rendah [177]. Karbon NP digunakan dalam berbagai bentuk pada ikan zebra yang meliputi fullerene [128], nanopartikel karbon, karbon nanotube (CNT) [178], graphene QDs [179] dan karbon QDs (C-dots) [180]. Alotrop karbon seperti fullerene juga telah digunakan sebagai NP sejak ditemukan pada tahun 1985. Mereka telah digunakan secara luas untuk aplikasi penghantaran obat [181, 182]. Studi pada ikan zebra mengungkapkan bahwa toksisitas NP fullerene tergantung pada muatan di permukaannya. Fullerene bermuatan positif lebih beracun dibandingkan dengan fullerene bermuatan negatif [128]. Penelitian menunjukkan bahwa fullerene yang larut dalam air memiliki kapasitas untuk melindungi terhadap kematian sel dengan bertindak sebagai pemulung radikal bebas [129, 183]. Penelitian terbaru telah dilakukan pada ikan zebra dengan nano-onion yang merupakan struktur fullerene multi-cangkang. Mereka menunjukkan toksisitas rendah dan kompatibilitas bio yang baik pada larva ikan zebra [184]. Karbon nanotube (CNTs) memiliki karakteristik fisiko-kimia yang berbeda yang merupakan mode pengiriman obat yang menarik bagi para peneliti [176, 185, 186]. Efisiensi CNT tergantung pada panjangnya dan sifat dindingnya, apakah berdinding tunggal atau banyak. Laporan menunjukkan bahwa CNT murni berdinding tunggal atau multi memiliki dampak minimal pada pertumbuhan dan perkembangan larva ikan zebra [187]. Variasi panjang CNT dapat menyebabkan perubahan pada tingkat molekuler dengan CNT yang lebih panjang menjadi lebih sitotoksik [188]. Ikan zebra dewasa ketika terkena CNT multi-dinding telah terbukti menunjukkan toksisitas termasuk insang inflamasi [189] dan akumulasi CNT di otak dan gonad [105, 190]. Bentuk lain dari NP berbasis karbon adalah titik kuantum (QDs) dan titik kuantum graphene (GQDs). Ciri khas QD adalah struktur karbon kuasi-sferis dengan diameter kurang dari 10 nm [191] dan GQD kurang dari 30 nm [192, 193]. Sebuah fitur tambahan dari QDs termasuk fotostabilitas unik mereka yang memungkinkan untuk menggabungkan dengan fluorophores sehingga membuka skor kemungkinan bioimaging [194]. QD menunjukkan toksisitas paling rendah karena sebagian besar terdiri dari molekul karbon inert [195]. Oleh karena itu, kombinasi fluoroluminiscence dan sifat toksisitas rendah menjadikannya alat yang sangat menarik untuk pengiriman obat [195.196.197].
Nanopartikel Berfokus untuk Mengirimkan Obat ke Otak
Dengan latar belakang pengetahuan tentang aksi nanopartikel pada fisiologi ikan zebra, para peneliti sekarang mencoba mengirimkan obat ke otak melalui nanoteknologi menggunakan model ikan zebra Tabel 2. Qian et al. telah melaporkan nanopartikel polimer terkonjugasi dengan tag asam fenilboronat pada permukaannya yang membantu mendeteksi fluoresensi untuk neurotransmitter dopamin menggunakan larva ikan zebra [91]. Temuan ini membuka jalan bagi theranostics penyakit terkait dopamin. Namun, laporan baru-baru ini menguraikan toksisitas nanopartikel emas dibandingkan dengan emas ionik pada ikan zebra yang menjadi sasaran sedimen berduri [64]. Mereka melaporkan bahwa nanopartikel mengubah transmisi saraf di otak ikan zebra karena memiliki efek pada aktivitas asetilkolin esterase. Dalam sebuah karya yang menarik Sivaji et al. [198] bertujuan untuk memberikan donepezil, obat mapan untuk penyakit Alzheimer, melalui poli N yang difungsikan -isopropil akrilamida nanogels PNIPAM nanogel ke otak. Mereka melaporkan gel dapat mengatasi BBB dan juga menunjukkan pelepasan obat berkelanjutan menggunakan model ikan zebra. Oleh karena itu penelitian ini membawa ke depan pengembangan nanogel neurospesifik untuk pengiriman obat yang ditargetkan ke otak. Kelompok yang sama selanjutnya melaporkan sintesis nanopartikel emas koloid yang difungsikan dengan polisorbat 80 dan polietilen glikol, dengan kemampuan untuk mengatasi sawar darah-otak untuk tujuan terapeutik [199]. Dalam studi ini mereka mensintesis dan memvalidasi nanocarrier biokompatibel dengan kemampuan untuk melintasi sawar darah-otak dan secara efisien memberikan obat-obatan neurospesifik.
Pendekatan Translasi Nanopartikel Neurospesifik:Zebrafish ke Manusia
A variety of model organisms have been employed till date to investigate human diseases. While chimpanzees and monkeys have a high degree of similarity with humans, mice and rats have been used extensively over the past few decades. Research using zebrafish models to study various human diseases is now on the increase [31]. Various state-of-the-art technologies have been analysed and evaluated using the zebrafish model. In this context, nanodiamonds (ND) which refer to a newer class of nanoparticles belonging to the carbon family are being explored in the latest techniques for drug delivery across the BBB [200, 201]. They possess outstanding optical properties, malleability of surface structures and mechanical properties which are pertinent for targeted drug delivery. The zebrafish has proved to be an apt model system to study the fluorescent nanodiamonds (FND) in detail. Chang et al. have studied the photostability and non-toxicity of FNDs by single particle tracking using zebrafish yolk cells [202]. Further, evaluation of ND to facilitate their application as nanolabels has been performed using laser confocal microscopy and real-time fluorescence tagging in zebrafish [203]. Zebrafish model can hence be explored to assess the potential of NDs as nanolabelling systems to deliver neurospecific drugs. The use of zebrafish is validated by its high genetic and systems similarity with that of humans. Regenerative ability of zebrafish is also a very interesting aspect of its physiology which has made it an important model organism to study neurodegenerative diseases. Recent studies have identified pivotal insights into brain drug delivery mechanism using zebrafish models of neurodegenerative diseases. Recent research conducted regarding drug delivery in the brain using the zebrafish model has revealed pivotal insights about the dynamics of this mechanism. The only drawback withholding accelerated research in this arena is the lack of established protocols to validate the studies. However, it is only a matter of time when such protocols are developed through ongoing research in this field. A great deal of scope still exists for further research on the following focus areas.
Admixture of nanoparticles along with two or more drugs to provide better holistic treatment
Analysis of fullerenes, nano-onions and nanodiamonds in neurodegenerative diseases
Understanding the biocompatibility of the newer nanoparticles and their brain-penetrating ability.
All the above-mentioned focus areas can be easily assessed using zebrafish model systems. The zebrafish model, therefore, holds great promise for development and evaluation of novel techniques for targeted drug delivery within the brain for translational analysis (Fig. 2). This could open up exciting new vistas for medical intervention to develop therapeutic strategies to treat neurodegenerative diseases.
Schematic representation of zebrafish model for delivering drugs encapsulated in nanoparticles to the brain. This method ensures efficient delivery of drugs across the blood–brain barrier (BBB). Several nanoparticles possess the potential to treat a variety of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and motor neuron diseases (MND)
Future Research Directions
The last decade witnessed a surge in the use of nanotechnology for brain drug delivery unfolding several exciting new strategies in this arena [16, 17, 204, 205]. However, problems like toxicity, immunogenicity and efficient drug delivery still persist and have restrained the research community from achieving their ultimate goal [206,207,208,209]. Future research prospects for neurospecific drug delivery therefore involve overcoming the existing challenges in this field. Research on nanomaterial toxicity and side effects should be extensive, accurate and always preceed the in vivo implementation of any new nanocarrier formulation. Proper comprehensive analysis of the nano-bio-interactions is absolutely essential for developing strategies for neurospecific drug delivery [210]. Newer imaging techniques should be adopted to broaden the understanding of bio distribution and pharmacokinetics of the delivered drug. Complete knowledge on the bio availability and clearance of the drug is indispensable for achieving the translation from bench side to bed side. Zebrafish, long considered as a “gold standard” for studying several developmental and metabolic diseases, is highly prospective for studies on nanodrug delivery. The transparent embryonic development with the ability to facilitate large-scale drug screening in a vertebrate model among other innumerable key attributes of the zebrafish holds promise for overcoming these roadblocks. The use of this robust model system therefore has immense potential for further research in nanotherapeutics to achieve safe and successful neurospecific drug delivery.
Conclusion
The BBB poses as the main obstacle in delivering drugs to the brain. The physiological function of the BBB is to protect the brain from foreign substances and in doing so it acts as a hurdle even for therapeutic purpose. The current need of the hour is a strategy in drug delivery which is able to overcome the BBB. Only then can effective treatments for brain specific diseases be possible. Recent focus on nanotechnology-based approaches for drug delivery across the BBB seems to have promising prospects for the field of neurospecific drug delivery in the future. Research towards this end is ongoing using a variety of nanoparticles like liposomes, dendrimers, micelles and carbon nanotubes as nanocarriers and nanogels. The zebrafish model is a favourite when it comes to nanotechnology-based toxicity studies and neurospecific drug delivery. Further research on nanotechnology using this model is needed for newer insights which can lead to possible breakthroughs in discovery in neurospecific drug delivery.
