Nanoteknologi:dari Sistem Pencitraan Vivo hingga Pengiriman Obat Terkendali

Ulasan

Pengantar

Faktanya, nanoteknologi membuat kemajuan melalui semua bidang penting dari teknik dan sains, dan para ilmuwan merevolusi semua industri dan kehidupan manusia dengan merancang hal-hal yang mampu bekerja pada panjang skala terkecil, atom demi atom [1]. Nanoteknologi melibatkan studi tentang struktur yang sangat kecil. Nanoteknologi dapat didefinisikan secara komprehensif sebagai studi, penciptaan, desain, sintesis, dan implementasi bahan fungsional, sistem, dan perangkat melalui pengendalian materi dalam kisaran ukuran 1–100 nm pada skala nanometer. Selain itu, manipulasi fenomena inovatif dan peningkatan sifat materi pada skala nanometer ini, juga disebut sebagai nanoteknologi molekuler, adalah titik ajaib pada skala panjang di mana peralatan buatan manusia terkecil bertemu dengan molekul dan atom alam semesta [2,3,4 ].

Awal awal konsep nanoteknologi dan nanomedicine muncul dari ide cerdas Feynman bahwa nanorobot kecil dan perangkat terkait dapat dikembangkan, dibuat, dan diperkenalkan ke dalam tubuh manusia untuk memperbaiki sel pada tingkat molekuler. Meskipun kemudian pada 1980-an dan 1990-an, konsep inovatif ini diadvokasi dalam tulisan-tulisan terkenal Drexler [5, 6], dan pada 1990-an dan 2000-an dalam tulisan-tulisan populer Freitas [7, 8]. Feynman menawarkan proposal pertama yang diketahui untuk prosedur nanomedis untuk menyembuhkan penyakit jantung. Secara umum, miniaturisasi alat kesehatan akan memberikan pendekatan yang lebih akurat, terkendali, andal, serbaguna, hemat biaya, dan cepat untuk peningkatan kualitas hidup manusia [9]. Pada tahun 2000, untuk pertama kalinya, Inisiatif Nanoteknologi Nasional diluncurkan; kemudian dari seterusnya, pemodelan elektronik dan struktur molekul bahan baru, pembentukan perangkat fotonik dan elektronik skala nano [10, 11], pengembangan jaringan 3D, nanorobotik [12], dan munculnya mikroskop kekuatan multi-frekuensi [13] telah diaspal cara munculnya nanoteknologi molekuler.

Nanopartikel dianggap sebagai blok bangunan penting dari nanoteknologi. Kehadiran ikatan kimia yang kuat, delokalisasi ekstensif elektron valensi bervariasi dengan ukuran, dan modifikasi struktural dalam nanopartikel menyebabkan sifat fisik dan kimia yang berbeda termasuk titik leleh, sifat optik, sifat magnetik, panas spesifik, dan reaktivitas permukaan. Nanopartikel ultrafine ini menunjukkan sifat yang benar-benar baru dan lebih baik dibandingkan dengan rekan massal mereka karena variasi dalam karakteristik tertentu seperti ukuran, distribusi, dan partikel yang menimbulkan rasio luas permukaan terhadap volume yang lebih besar [14,15,16]. Sebagai bidang bahan berstruktur nano telah berkembang, banyak label yang berbeda dan terminologi yang digunakan termasuk nanopartikel 3D, nanocrystals, nanofilm, nanotube, kawat nano, dan titik kuantum dengan potensi menjanjikan jumlah tak terbatas properti [17]. Karena berbagai aplikasi potensial (termasuk industri dan militer), pemerintah telah menginvestasikan miliaran dolar dalam penelitian nanoteknologi. AS telah menginvestasikan 3,7 miliar dolar melalui Inisiatif Nanoteknologi Nasionalnya, dan Uni Eropa juga telah mensubsidi 1,2 miliar dolar, dan 750 juta dolar diinvestasikan oleh Jepang [18].

Saat ini, nanoteknologi adalah salah satu bidang studi ilmiah yang paling inovatif dan terdepan, dan terus berkembang dengan kecepatan yang mengejutkan [19]. Melalui kemajuan dalam nanoteknologi, banyak teknologi tercanggih menjadi tersedia untuk pengiriman obat. Para peneliti telah menyelidiki secara ekstensif potensi perangkat nano untuk pengiriman spesifik target dan terkontrol dari berbagai mikro dan makromolekul termasuk obat-obatan, protein, antibodi monoklonal, dan DNA (asam deoksiribonukleat) dalam berbagai aplikasi biomedis seperti kanker [20, 21], vaksinasi [22] , gigi [23], inflamasi [24], dan gangguan kesehatan lainnya. Oleh karena itu, merupakan kebutuhan saat ini untuk mendemonstrasikan penggunaan aplikasi nanoteknologi yang efisien mulai dari sistem pencitraan in-vivo hingga penghantaran obat yang terkontrol, untuk menandai kemajuan saat ini dan mendapatkan arahan untuk penelitian yang akan datang di bidang medis.

Sistem Nano Farmasi

Nanoteknologi farmasi dapat diklasifikasikan ke dalam dua kategori utama nanotools, yaitu nanomaterials dan nanodevices. Nanomaterials dapat dikategorikan lebih lanjut berdasarkan tiga parameter dasar termasuk struktur, dimensi, dan komposisi fasa. Struktur nano diklasifikasikan lebih lanjut ke dalam struktur polimer dan non-polimer termasuk nanopartikel, misel, dendrimer, konjugat obat, nanopartikel logam, dan titik kuantum [25]. Berdasarkan dimensinya, bahan nano diklasifikasikan dalam empat kelompok, yaitu bahan nanodimensi nol, satu, dua, dan tiga. Menurut komposisi fase, bahan nano ini dapat dikategorikan dalam tiga kelompok. Perangkat nano dibagi dalam tiga kelompok, termasuk sistem mikroelektromekanis/sistem nanoelektromekanis (MEMS/NEMS), mikroarray, dan respirosit. Struktur dan perangkat ini dapat dibuat dengan properti fungsional tingkat tinggi untuk digunakan dalam pengobatan untuk berinteraksi dengan sel pada tingkat molekuler, sehingga memungkinkan integrasi antara sistem biologis dan teknologi terbaru yang tidak dapat dicapai sebelumnya [26]. Klasifikasi rinci nanotools farmasi dijelaskan dengan contoh mereka pada Tabel 1.

Pendekatan Manufaktur

Teknologi nanosizing telah mencapai arti penting untuk formulasi obat yang sukar larut dalam air. Dengan mengurangi ukuran partikel ke kisaran skala nano, laju disolusi dan bioavailabilitas meningkat karena peningkatan luas permukaan, menurut persamaan Noyes-Whitney [27]. Pendekatan yang digunakan dalam pembuatan bahan dikategorikan menjadi teknik bottom up, teknik top down, dan kombinasi teknik bottom up dan top down. Teknik bottom up melibatkan pembentukan molekul. Beberapa teknik yang mengikuti pendekatan bottom up untuk pembuatan bahan skala nano termasuk teknik fase cair berdasarkan inverse misel, deposisi uap kimia (CVD), pengolahan sol-gel, dan perakitan molekuler sendiri. Komponen yang dihasilkan oleh bottom up secara signifikan lebih kuat daripada komponen skala makro karena gaya kovalen yang menahan mereka bersama-sama. Dalam teknik top down, bahan dimikronisasi dengan memotong, mengukir, dan mencetak untuk pembuatan bahan nano. Contohnya termasuk penggilingan, deposisi uap fisik, elektroplating teknik hidrodermal, dan nanolitografi [28]. Pendekatan manufaktur yang berbeda dengan jenisnya masing-masing dijelaskan pada Tabel 2.

Aplikasi Biomedis Nanoteknologi Canggih

Pencitraan

Kemajuan luar biasa dilaporkan selama dekade terakhir, menggunakan alat nanoteknologi untuk pencitraan dan terapi dalam penelitian yang secara khusus menargetkan sel kanker. Nanopartikel, dengan ukuran 10–100 nm, menawarkan media yang sangat cocok untuk melakukan modifikasi tingkat molekuler seperti pencitraan spesifik lokasi dan penargetan dalam sel kanker [29]. Bagian berikut merangkum beberapa kemajuan terbaru dalam teknik pencitraan.

Pencitraan Radionuklida

Karena ketidakmampuan molekul kecil untuk dilihat dengan teknik non-invasif, agen kontras yang ditargetkan pada lokasi digunakan untuk mengidentifikasi biomarker terpilih yang tidak mungkin dipisahkan dari jaringan normal di sekitarnya [30]. Pencitraan radionuklida telah dikembangkan dengan konsep bahwa protein yang diekspresikan diperiksa dengan agen atau sel berlabel radiofarmasi atau isotop dan dilacak lebih lanjut secara in vivo [31]. Pencitraan positron emission tomography (PET) digunakan pada pasien kanker dengan sukses untuk menggambarkan resistensi multidrug melalui transpor P-glikoprotein menggunakan 99 m tetrofosmin dan sestamibi sebagai substrat berlabel radio untuk P-glikoprotein [32, 33]. Mekanisme pencitraan ditentukan oleh jenis modalitas yang digunakan untuk pencitraan seperti nanocarrier termasuk liposom [34], dendrimer [35], bola Bucky [36], dan berbagai polimer dan kopolimer [37]. Mereka dapat diisi dengan sejumlah besar partikel pencitraan seperti senyawa aktif optik dan radionuklida untuk deteksi dengan peralatan pencitraan. Analog jasplakinolide berlabel BODIPY (boron dipyrromethane) telah digunakan untuk memvisualisasikan filamen aktin berumur panjang di dalam sel hidup [38, 39].

Pertumbuhan besar nanoteknologi memimpin penelitian dalam pencitraan molekuler dengan banyak agen kontras. Untuk mendapatkan pencitraan yang sesuai, zat kontras yang dipilih harus memiliki waktu paruh yang lebih lama, sinyal latar belakang yang rendah, pengikatan epitop spesifik, dan kontras yang ditingkatkan terhadap peningkatan kebisingan. Sejumlah besar ketersediaan pembawa mampu menentukan lebih banyak kemajuan dalam pencitraan dengan fokus khusus pada mekanisme molekuler dan seluler penyakit; ini akan menciptakan lebih banyak peluang untuk pengembangan rasional sistem penggambaran dan penghantaran obat [30].

Titik Kuantum

Titik kuantum semikonduktor sekarang digunakan sebagai label fluoresen kelas baru. Nanocrystals semikonduktor ini adalah alat yang menjanjikan untuk visualisasi sel biologis karena kimia permukaannya yang mudah, memungkinkan biokompatibilitas dan konjugasi dengan perpanjangan waktu fluoresensi [29, 40]. Sifat visualisasi titik kuantum (panjang gelombang fluoresensi) sangat bergantung pada ukuran. Sifat optik titik kuantum bergantung pada strukturnya karena terdiri dari kulit terluar dan inti logam. Misalnya, titik kuantum grafem (GQD), sejenis bahan nano karbon fluoresensi hijau, dibuat dengan memotong oksida grafem secara solvotherm dan ditemukan mendominasi sifat visualisasi [41].

Quantum dot core biasanya terdiri dari cadmium selenide, cadmium sulfide, atau cadmium telluride. Kulit terluar dibuat pada inti dengan energi celah pita tinggi untuk menyediakan isolasi listrik dengan pelestarian sifat fluoresensi titik kuantum. Inti dan cangkang yang disetel dengan baik dengan ukuran dan komposisi yang berbeda dengan sifat visualisasi dari panjang gelombang tertentu menyediakan sejumlah besar biomarker [40]. Titik kuantum dikonjugasikan dengan ligan yang berbeda untuk mendapatkan pengikatan spesifik pada reseptor biologis. Ligan penargetan tumor terkait dengan titik kuantum polimer amfifilik dan digunakan untuk melakukan studi pencitraan kanker prostat pada tikus [42]. Demikian pula, titik-titik kuantum menawarkan keuntungan yang signifikan atas pewarna konvensional seperti emisi bandwidth yang sempit, stabilitas foto yang lebih tinggi, dan spektrum penyerapan diperpanjang untuk sumber eksitasi tunggal. Selain itu, tantangan hidrofobisitas dalam titik-titik kuantum telah diatasi dengan membuatnya larut dalam air. Contoh titik kuantum berair dengan waktu retensi yang lama dalam cairan biologis adalah pengembangan titik kuantum logam sulfida (MS) yang sangat berfluoresensi yang dibuat dengan gugus bermuatan yang mengandung tiol [43]. Lebih jauh, sifat fluoresensi unik dari titik-titik kuantum menjadikannya alat pencitraan yang cocok untuk sel kanker [42]. Titik kuantum terkait dengan A10 RNA aptamer terkonjugasi dengan doxorubicin (QD-Apt-Dox) adalah contoh pencitraan sel kanker yang ditargetkan [44]. Namun, peningkatan toksisitas titik kuantum telah diamati karena penggabungan logam berat, sehingga penggunaannya terbatas untuk pencitraan in vivo. Namun demikian, pendekatan terbaru berfokus pada pengurangan toksisitas dan peningkatan biokompatibilitas titik-titik kuantum ke sel-sel tubuh. Perlu juga disebutkan bahwa titik-titik kuantum dengan diameter kurang dari 5,5 nm dengan cepat dan efisien dikeluarkan dari urin sehingga mengurangi toksisitas. Fenomena ini ditunjukkan oleh sintesis bebas kadmium, CulnS₂ /ZnS (copper indium sulfide/ zinc sulfide) sebagai inti dan cangkang dari titik-titik kuantum, yang menghasilkan peningkatan stabilitas dalam sel hidup untuk pencitraan kelenjar getah bening dengan pengurangan toksisitas lokal akut yang jelas [45, 46].

Biosensor

Salah satu pencapaian terbesar dalam nanomaterial sejak beberapa tahun terakhir adalah pengembangan biosensor. Biosensor adalah perangkat yang mengandung elemen penginderaan biologis yang terhubung atau terintegrasi dalam transduser. Biosensor menunjukkan aksinya dengan mengenali molekul spesifik dalam tubuh berdasarkan strukturnya termasuk antigen antibodi, substrat enzim, dan hormon reseptor. Dua sifat utama biosensor termasuk spesifisitas dan selektivitasnya bergantung pada sistem pengenalan ini. Sifat dasar biosensor ini paling penting digunakan untuk konsentrasi yang sebanding dengan sinyal [47,48,49].

Untuk menghasilkan biosensor dengan efisiensi tinggi, substrat yang dipilih untuk dispersi bahan penginderaan adalah prasyarat. Berbagai jenis nanomaterial termasuk titik kuantum [50], nanopartikel magnetik [51], karbon nanotube (CNT) [52], dan nanopartikel emas (GNP) [53] diterapkan pada biosensor. Sifat kimia, fisik, magnetik, optik, dan mekanik yang khas dari nanomaterial menyebabkan peningkatan spesifisitas dan sensitivitas untuk deteksi. Biosensor yang mengandung GNP telah menawarkan lingkungan yang kompatibel untuk biomolekul yang telah meningkatkan konsentrasi biomolekul amobil pada permukaan elektroda. Ini telah menghasilkan peningkatan sensitivitas biosensor [54, 55]. Permukaan elektroda yang paling banyak digunakan dalam biosensor adalah elektroda karbon kaca (GCE), yang dimodifikasi dari GNP. Selain itu, mereka telah menunjukkan sensitivitas terbaik serta stabilitas elektrokimia. Dalam hal ini, metilen biru (MB) dan GNP mudah dirakit dan dimodifikasi melalui teknik lapis demi lapis (LBL) dalam bentuk film pada GCE, untuk mendeteksi konsentrasi human chorionic gonadotrophin (HCG) [56]. Karena luas permukaan besar yang dikandung oleh nanopartikel untuk memuat anti-HCG, imunosensor ini berpotensi digunakan untuk mendeteksi konsentrasi HCG dalam sampel darah atau urin manusia. Demikian pula, CNT telah menemukan aplikasi besar dalam teknik biomedis, bio-analisis, bio-sensing, dan nanoelektronik [57,58,59]. Selain itu, multi-walled carbon nanotube (MWNT) berupa lapisan polimer bio-nanokomposit berpotensi digunakan untuk pendeteksian DNA [60]. Selanjutnya, nanopartikel magnetik juga telah menemukan aplikasi yang luas karena sifat magnetiknya, termasuk agen kontras magnetic resonance imaging (MRI) [61], hipertermia [62], immunoassay [63], perbaikan jaringan [64], pemisahan sel [65], Sensor GMR [66], dan pengiriman obat atau gen [67].

Demikian juga, jenis baru dari mikrosfer kitosan magnetik (MCMS) juga telah diproduksi hanya dengan menggunakan kitosan dan nanopartikel magnetik berlapis karbon [68]. Dalam penelitian ini, hemoglobin juga berhasil diimobilisasi pada permukaan GCE termodifikasi MCMS dengan menggunakan glutaraldehid sebagai agen pengikat silang. Aplikasi penting lainnya dari biosensor adalah dalam teknologi optik, yang mencakup deteksi berbagai jenis oligonukleotida DNA dengan menggunakan probe SsDNA-CNT sebagai biosensor [69]. Demikian pula, biosensor berbasis liposom juga mendapat perhatian yang cukup besar karena telah digunakan dalam pemantauan pestisida organofosfat, termasuk paraoxon dan diklorvos pada tingkat minimum [70].

Magnetic Nanoparticles

Nanopartikel magnetik (MNPs) memberikan sifat magnetik eksklusif karena mereka memiliki kemampuan untuk bekerja pada tingkat molekuler atau seluler dari interaksi biologis, yang menjadikannya senyawa terbaik sebagai agen kontras di MRI dan sebagai pembawa dalam pengiriman obat. Kemajuan terbaru dalam nanoteknologi telah mendapatkan perhatian karena membantu dalam modifikasi sifat dan fitur MNP untuk aplikasi biomedis. Dalam hal ini, tumor hati dan pencitraan metastasis melalui penyerapan RES-mediated oksida besi superparamagnetik (SPIOs) telah terbukti mampu diferensiasi lesi yang sekecil hanya 2-3 mm [70, 71]. Selain itu, oksida besi supermagnetik ultra-kecil (USPIOs) ini juga sangat efektif dalam pencitraan metastasis kelenjar getah bening dengan diameter hanya 5 hingga 10 mm [72]. Selanjutnya, pentingnya pendekatan noninvasif ini juga telah ditunjukkan dalam deteksi penyebaran limfatik karena dianggap sebagai bagian penting dalam penentuan stadium serta dalam mengidentifikasi pendekatan pengobatan untuk kanker payudara dan kanker prostat [73].

Pengiriman Obat

Nanoteknologi adalah alat yang menarik untuk disiplin ilmu mulai dari ilmu material hingga biomedis karena karakteristik fisik, optik, dan elektroniknya yang berbeda. Bidang penelitian nanoteknologi yang paling efektif adalah nanomedicine yang menerapkan prinsip-prinsip nanoteknologi untuk pengobatan, pencegahan, dan diagnosis penyakit. Selain itu, banyak produk nanomedicine telah dipasarkan karena lonjakan penelitian nanomedicine selama beberapa dekade terakhir, di seluruh dunia. Saat ini, nanomedicine dipengaruhi oleh sistem pengiriman obat, terhitung lebih dari 75% dari total penjualan [74]. Dalam hal ini, platform pengiriman obat berbasis nanopartikel telah mendapatkan kepercayaan dari para ilmuwan untuk menjadi kendaraan yang paling tepat dalam mengatasi kelemahan farmakokinetik yang terkait dengan formulasi obat konvensional [75]. Oleh karena itu, berbagai bentuk nano telah dicoba sebagai sistem penghantaran obat seperti liposom, nanopartikel lipid padat, dendrimer, dan NP yang mengandung logam padat, untuk meningkatkan kemanjuran terapi obat [76, 77]. Beberapa bidang minat utama dibahas di bawah ini.

Opthalmologi

Pengiriman obat melalui rute oftalmik sangat menarik namun menantang bagi para ilmuwan farmasi. Mata adalah organ kecil yang rumit dengan banyak kompartemen. Biokimia, fisiologi, dan anatominya membuatnya paling kedap terhadap xenobiotik. Kondisi umum yang memerlukan pemberian okular termasuk infeksi mata seperti, konjungtivitis dan gangguan kornea seperti glaukoma. Kelas obat yang paling umum digunakan dalam pengiriman okular termasuk mydriatics atau cycloplegics miotics, anti-infeksi, anti-inflamasi, diagnostik, dan adjuvant bedah. Untuk ketidakteraturan okular kecil, terapi gen juga diperlukan, dan sejumlah besar pekerjaan sedang dilakukan di area ini. Pendekatan yang didukung nanocarrier telah mendapat perhatian para ilmuwan karena kesesuaian dan spesifisitasnya. Telah dilaporkan bahwa sistem pengiriman partikulat seperti mikrosfer dan nanopartikel dan pembawa vesikular seperti liposom, niosom, farmakosom, dan discomes meningkatkan sifat farmakokinetik dan farmakodinamik dari berbagai jenis molekul obat [76]. Banyak sistem penghantaran obat terkontrol baru telah muncul termasuk hidrogel, polimer perekat muko, mikroemulsi, dendrimer, penghantaran obat iontoforetik, pendekatan berbasis siRNA, teknologi sel punca, terapi gen non-virus, dan terapi laser dengan sumbat sklera [78] . Sistem penghantaran obat yang berbeda disesuaikan untuk penghantaran obat melalui rute okular. Tujuan utama dari semua sistem penghantaran obat adalah untuk meningkatkan masa tinggal, meningkatkan permeabilitas kornea, dan membebaskan obat di ruang posterior mata, yang mengarah pada peningkatan bioavailabilitas dan peningkatan kepatuhan pasien [79].

Abrego dkk. menyiapkan PLGA (poly lactic co-glycolic acid) nanopartikel pranoprofen untuk pengiriman mata dalam bentuk hidrogel. Formulasi hidrogel ini memiliki sifat reologi dan fisikokimia yang sesuai untuk pengiriman okular pranoprofen dengan garis besar biofarmasi obat yang lebih baik. Selain itu, ini mengintensifkan hasil anti-inflamasi dan analgesik obat lokal, sehingga meningkatkan kepatuhan pasien [80]. Dalam penelitian lain, nanopartikel kitosan yang mengandung cefuroxim dikembangkan menggunakan ikatan silang ganda dalam teknik emulsi ganda. Kesimpulan menunjukkan partikel kitosan-gelatin sebagai kandidat praktis yang berpotensi untuk DD pada tingkat intraokular [81]. Selain itu, diklofenak dimuat N-trimetil kitosan nanopartikel (DC-TMCNs) dikembangkan untuk penggunaan mata untuk meningkatkan bioavailabilitas mata obat [82]. Lebih lanjut, rakitan supramolekul berukuran nano dari deksametason fosfat berbasis kitosan telah dikembangkan untuk meningkatkan waktu tinggal obat pra-kornea karena karakteristik muko-perekatnya. Nanopartikel ini berinteraksi kuat dengan permukaan okular dan obat dan melindungi obat dari degradasi metabolik yang menyebabkan perpanjangan pre-kornea [83]. Glaukoma, penyakit mata, diobati dengan nanopartikel lipid padat rilis berkelanjutan berbasis brimonidin menggunakan gliseril monostearat sebagai lipid padat [84, 85]. Demikian pula, nanopartikel alginat berlapis kitosan (CS-ALG) bermuatan daptomycin dikembangkan dengan ukuran yang sesuai untuk aplikasi okular dan efisiensi enkapsulasi tinggi (hingga 92%). Studi ini mengungkapkan bahwa sistem nanocarrier daptomycin dapat digunakan di masa depan untuk memberikan antibiotik ini langsung ke mata, untuk bertindak sebagai terapi prospektif terhadap endophthalmitis bakteri dan sebagai alternatif yang efisien untuk nanopartikel kitosan [86].

Salah satu penyebab utama kegagalan pencangkokan jangka pendek dan jangka panjang dalam transplantasi kornea adalah penolakan cangkok imunologis. Untuk tujuan ini, sistem nanopartikel deksametason natrium fosfat (DSP) berbasis PLGA disiapkan, menghasilkan pelepasan kortikosteroid yang berkelanjutan untuk mencegah penolakan cangkok kornea [87]. Selain itu, nanopartikel MePEG-PCL (polyethylene glycol-poly caprolactone) dari kurkumin dilaporkan, dan mereka menunjukkan peningkatan efisiensi, peningkatan retensi kurkumin di kornea, dan peningkatan yang signifikan dalam pencegahan neovaskularisasi kornea dibandingkan kurkumin bebas [88]. Demikian juga, perekat jaringan yang diresapi nanopartikel perak (2-oktil sianoakrilat) dikembangkan dengan kekuatan mekanik yang ditingkatkan dan kemanjuran antibakteri. Perekat yang didoping ini (nanopartikel perak) mendukung penggunaan perekat jaringan sebagai suplemen yang layak atau alternatif untuk jahitan [89].

Pulmonologi

Penyakit paru-paru mungkin asma, penyakit paru obstruktif kronik (PPOK), dan kanker paru-paru memiliki kejadian tinggi dan sering mengancam jiwa. Misalnya, dijelaskan bahwa PPOK adalah penyebab kematian utama keempat, dan karsinoma paru-paru adalah penyebab kematian akibat kanker yang paling umum di seluruh dunia. Nanopartikel diteliti sebagai pilihan untuk meningkatkan terapi penyakit parah ini [90]. Berbagai nanopartikel yang mengandung obat telah digunakan untuk efek lokal dan sistemiknya dalam pengobatan penyakit paru-paru. Pengiriman agen kuratif ke tempat tindakan untuk penyakit paru-paru memungkinkan pengobatan yang efektif dari infeksi paru-paru kronis, kanker paru-paru, TBC, dan patologi pernapasan lainnya [91]. Nanocarrier yang digunakan untuk tujuan ini termasuk liposom, misel berbasis lipid atau polimer, dendrimer, dan NP polimer [92]. NP polimer adalah kepentingan prenominal, karena polimer dapat dipolimerisasi bersama, dimodifikasi permukaan, atau dibiokonjugasi untuk memperbaiki kapasitas penargetan dan distribusi agen yang dienkapsulasi. Nanocarrier yang umum digunakan dalam penghantaran obat paru mengandung polimer alami seperti gelatin, kitosan, dan alginat serta polimer sintetik seperti poloxamer, PLGA, dan PEG [93].

Diamati bahwa PLGA NP menunjukkan rangkaian karakteristik yang paling nyaman sebagai pembawa untuk pengiriman protein/DNA paru sementara NP gelatin adalah pilihan timbal balik yang menyenangkan [94]. Demikian pula, partikel anisotropik atau Janus dari doksorubisin dan kurkumin diformulasikan untuk memuat obat antikanker untuk pengobatan kanker paru-paru melalui inhalasi. Partikel diformulasikan dengan menggunakan campuran biner bahan biokompatibel dan biodegradable. Partikel-partikel ini tidak menunjukkan konsekuensi geno dan sitotoksik. Sel-sel kanker menginternalisasi partikel Janus ini dan menumpuknya di dalam nukleus dan sitoplasma yang menyebabkan retensi yang berkepanjangan. Selain itu, dendrimer poliamidoamine (PAMAM) dievaluasi sebagai nanocarrier untuk pengiriman paru dari model beclometasone dipropionate (BDP) farmasi anti-asma yang larut dalam lemah menggunakan dendrimer G3, G4 dan G4 [12]. Penelitian ini menunjukkan bahwa dendrimer BDP memiliki potensi untuk inhalasi paru menggunakan nebulizer air-jet dan vibrating-mesh. Selanjutnya, diamati bahwa karakteristik aerosol dipengaruhi oleh desain nebulizer daripada generasi dendrimer [95]. Selain itu, nanopartikel rekayasa (ENP), terdiri dari logam anorganik, oksida logam, metaloid, biodegradable organik, dan polimer biokompatibel anorganik digunakan secara efisien sebagai pembawa vaksin dan pengiriman obat dan untuk pengelolaan berbagai penyakit paru-paru. Sifat dan khasiat ENPs pada paru-paru ditunjukkan pada Gambar 1. ENP anorganik (perak, emas, dan karbon ENP), oksida logam ENP (oksida besi, seng oksida, dan titanium dioksida), dan ENP organik (berbasis lipid, polisakarida, berbasis matriks polimer) dikembangkan dan dievaluasi untuk hemostasis imun paru. Selain sebagai pembawa yang relatif aman, penelitian modern menunjukkan kabel ENP yang memberikan hasil yang bermanfaat dengan sifat anti-inflamasi (misalnya, perak dan polistiren) dan pencetakan paru-paru yang menghadirkan pemeliharaan homeostasis kekebalan (misalnya, polistiren). Mengetahui lebih lanjut mekanisme dapat membantu dalam memahami lebih baik efek berguna dari ENP pada homeostasis imun paru dan/atau pengelolaan penyakit paru inflamasi [96].

Sifat dan efek efektif ENP pada paru-paru

Penting untuk menyatakan bahwa lipo-poliamina kationik yang difungsikan (Star:Star-mPEG-550) baru-baru ini dikembangkan untuk pengiriman siRNA (RNA interferensi pendek) in vivo ke sel-sel pembuluh darah paru. Formulasi lipid seimbang ini mengintensifkan retensi siRNA di paru-paru tikus dan menyelesaikan pembongkaran gen target yang signifikan. Hasilnya ditemukan berguna dan dengan pengurangan toksisitas pengiriman inhibitor miRNA-145 ke paru-paru dengan menggunakan nanopartikel lipopoliamin kationik yang difungsikan untuk merekrut arteriopati paru dan memperbaiki fungsi jantung pada tikus dengan hipertensi arteri pulmonal yang intens (PAH) [97].

Sistem Kardiovaskular

Penyakit kardiovaskular adalah penyakit yang mempengaruhi sistem kardiovaskular, penyakit pembuluh darah otak dan ginjal, dan gangguan arteri perifer. Terlepas dari semua kemajuan dalam manajemen farmakologis dan klinis, gagal jantung adalah alasan utama morbiditas di seluruh dunia. Banyak strategi terapi baru, mewujudkan transplantasi sel, pengiriman gen atau terapi, dan sitokin atau molekul kecil lainnya, telah dipelajari untuk mengobati gagal jantung [98]. Jumlah orang yang terkena dampak di negara-negara berkembang tidak mencukupi; lebih dari 80% kematian akibat gangguan kardiovaskular terjadi di negara-negara terbelakang dan terjadi hampir merata pada pria dan wanita [99]. Mathers dkk. pada tahun 2008 diperkirakan ada 9,4 juta kematian setiap tahun [100]. Ini menyimpulkan 45% kematian disebabkan oleh penyakit jantung koroner dan 51% kematian karena stroke jantung [101]. Ada banyak jenis pembawa pengiriman obat yang berbeda, seperti misel polimer, liposom, dendrimer, pembawa farmasi yang didukung lipoprotein, dan pembawa obat nanopartikel.

Liposom sirolimus berbasis kitosan yang memiliki efisiensi penjebakan 83% dikembangkan untuk pengobatan restenosis dan telah terbukti sebagai platform baru untuk pengiriman target yang efisien [102]. Demikian pula, niosom carvedilol yang diperkaya garam empedu dengan efisiensi penjebakan 85% telah menghasilkan peningkatan bioavailabilitas obat, dan dengan demikian, diperoleh efek terapeutik yang lebih baik [103]. Penghambatan restenosis pada arteri karotid yang cedera balon dicapai pada tikus dengan mengembangkan nanopartikel berbasis PLGA yang mengenkapsulasi AGL 2043 dan AG1295, penghambat selektif reseptor faktor pertumbuhan yang diturunkan dari trombosit (PDGF) [104]. Angiogenic therapy of myocardial ischemia with vascular endothelial growth factor (VEGF) is a favorable approach to overcome hypoxia and its sequel effects. Polymeric particles loaded with VEGF have been proved a promising system for delivery of cytokines to rat myocardial ischemic model. This approach could be further explored for clinical studies [105]. Coenzyme Q10 (CoQ10) owing to its role in mitochondrial electron transport chain appears to be a reliable candidate to treat myocardial ischemia (MI) but its poor biopharmaceutical characteristics needed to be addressed by developing promising delivery approaches. Polymeric nanoparticles were developed to encapsulate CoQ10 to overcome its poor pharmaceutical properties and administered to MI-induced rats. Cardiac function was analyzed by determining ejection fraction before and after 3 months of therapy. Results showed significant betterment in the ejection fraction after 3 months [106].

Oncology

Cancer is a prime cause of mortality around the globe. The World Health Organization determines that 84 million people die of cancer between 2005 and 2015. The eventual target of cancer therapeutics is to increase the life span and the quality of life of the patient by minimizing the systemic toxicity of chemotherapy [107]. Chemotherapeutic agents have widely been studied in oncology for the past 25 years, but their tumor specificity is unsatisfactory and therefore exhibit dose-dependent toxicity. To overcome this limitation, recent interest has been centered on developing nanoscale delivery carriers that can be targeted directly to the cancer cell, deliver the drug at a controlled rate, and optimize the therapeutic efficacy [108, 109]. Passive and active targeting is used to deliver the drug at its tumor site. The passive phenomenon called the “enhanced permeability and retention (EPR) effect,” discovered by Matsumura and Maeda, is the dominated pathway used for chemotherapeutics [110, 111]. Active targeting is achieved by grafting ligand at the surface of nanocarriers that bind to receptors or stimuli-based carriers, e.g., dual reverse thermosensitive [112], photo-responsive [113], magnetic nanoparticles [114], and enzymatically activated pro-drugs [115]. Nanoparticles (NPs) can be conjugated with various smart therapeutic carriers like polymeric nanoparticles [116], micelles [117], liposomes [118], solid lipid nanoparticles (SLNs) [119], protein nanoparticles [120], viral nanoparticles [121], metallic nanoparticles [122], aptamers [123], dendrimers [124], and monoclonal antibody [125] to improve their efficacy and decrease the systemic toxicity. Table 3 summarizes the different approaches for drug deliveries which are widely studied to target the tumor with maximize therapeutic response and minimum toxicity.

Biodegradable poly (o-caprolactone) nanocarriers loaded with tamoxifen were developed for the management of estrogen receptor-specific breast cancer [126]. This study suggested that the nanoparticle preparations of selective estrogen receptor modulators deliver the drug in the specific estrogen receptor zone resulting in enhanced therapeutic efficacy. Similarly, a nanoconjugation of doxorubicin and cisplatin was developed by Chohen et al. [127], which have exhibited enhanced efficiency and reduced side effects of the loaded drugs in the treatment of localized progressive breast cancer. Likewise, chemotherapeutic drug oxaliplatin-loaded nanoparticulate micelles were prepared by Cabral et al. [128], with sustained release of loaded drug in the tumor microenvironment, resulted in enhanced antitumor effect [128]. Furthermore, SLN loaded-5-FU resulted in enhanced bioavailability and sustained release of the encapsulated anticancer drug, leading to enhanced antitumor effect [129].