Liposomal Nanomedicine:Aplikasi untuk Pengiriman Obat dalam Terapi Kanker

Teks Utama

Sejarah Ilmiah Liposom:Penemuan dan Pendefinisian

Diperlukan waktu sekitar 1950 tahun dari studi awal tentang struktur dan perilaku partikel lipid kecil di lingkungan berair hingga nanopartikel penghantaran obat berbasis lipid pertama yang disetujui FDA AS. Proses mempelajari perilaku partikel lipid dan lemak dalam aqua dimulai dengan pengamatan pertama oleh Pliny the Elder hampir 2000 tahun yang lalu [16]. Pada akhir abad ketujuh belas, penemuan sel oleh Anthonie Van Hook menimbulkan banyak pertanyaan tentang struktur sel [17]. Kemudian, Gorter dan Grendel menemukan adanya fosfolipid bilayer pada membran sel [18]. Selanjutnya, Singer dan Nicolson kemudian menggambarkan model membran mosaik bilayer untuk menjelaskan perilaku fosfolipid membran sel [19]. Pengamatan dan hipotesis ilmiah ini menarik perhatian ilmuwan lain pada NP yang diturunkan dari lemak. Pada 1960-an, Alec D. Bangham, yang mempelajari efek lipid, terutama fosfolipid, pada proses pembekuan darah di Babraham Institute [20, 21], secara tidak sengaja mengamati liposom pertama dan terkejut melihat partikel sferis spontan terbentuk di air (22). Setelah itu, Gerald Weissmann, pengunjung laboratorium Alec Bangham yang mengetahui hasil penelitian Bangham, menyebut Smectic Mesofase yang diamati oleh Alec "liposom" bukan "banghosom" dan dianugerahi Hadiah Nobel [22]. Sejarah ilmiah penemuan liposom dirangkum dalam Gambar. 1.

Diagram pengamatan yang mengarah pada penemuan liposom. Tren historis dan ilmiah mempelajari perilaku partikel lipid dan lemak dalam air dan pengamatan yang mengarah pada penemuan liposom, bersama dengan gambar para ilmuwan yang terlibat dalam acara tersebut, Pliny the Elder [23], Anthonie Van Hook [24], Alec D. Bangham [25], dan Gerald Weissmann [26], masing-masing, dari kiri ke kanan

Struktur Apa yang Saat Ini Dikenal sebagai Nanopartikel Liposomal?

Ada upaya intens untuk mendefinisikan NP liposom dan menemukan sifat-sifatnya secara wajar. Saat ini, liposom didefinisikan sebagai fragmen berbentuk bulat dan spontan yang terdiri dari membran lipid bilayer dan inti hidrofilik.

Liposom bervariasi dalam ukuran berkisar dari sekitar 10 nm hingga 2500 nm (atau 2,5 µm) [15]. Namun, sebagian besar liposom yang diberikan untuk penghantaran obat biasanya berukuran sekitar 50 hingga 450 nm. Jelas, liposom dengan dimensi yang jauh lebih besar juga dapat dimanfaatkan untuk aplikasi medis [27]. Selanjutnya, liposom terutama terdiri dari fosfolipid. Fosfolipid adalah jenis lipid, yang secara menarik mirip dengan trigliserida. Dalam struktur fosfolipid, ada kutub hidrofilik dan dua rantai hidrofobik. Dengan demikian, fosfolipid dianggap sebagai molekul amfifilik.

Membran liposom dari fosfolipid sebagian besar meliputi fosfatidilkolin (PC), sfingomielin (SM), fosfatidilserin (PS), dan fosfatidiletanolamin (PE), yang bersifat amfifilik dan memiliki kecenderungan kuat untuk membentuk struktur tertentu dalam air. Alasan fisik untuk fenomena ini adalah adanya kepala hidrofilik (molekul fosfat) dan dua ekor hidrofobik (asam lemak) dalam fosfolipid. Gugus fosfat berinteraksi dengan H₂ O molekul polar, sedangkan ekor hidrofobik melepaskan diri dari molekul air dan berinteraksi satu sama lain [29]. Dalam hal ini, rantai non-polar ditempatkan berlawanan satu sama lain dan membuat bilayer, menciptakan ruang lipofilik di antara mereka. Dengan demikian, struktur bagian lipofilik dari liposom ini dapat diterapkan untuk menyimpan bahan dan bahan hidrofobik. Selain itu, bagian hidrofilik dari fosfolipid kemudian diarahkan ke molekul air melalui kekuatan molekul, seperti ikatan Hidrogen, Van der Waals, dll., yang muncul di antara mereka. Ini mengarah untuk membentuk daerah hidrofilik di dalam liposom. Struktur molekul lesitin, sebagai fosfolipid alami yang berlimpah dalam kuning telur dan mampu membentuk liposom dalam air dan berbagai daerah liposom, ditunjukkan pada Gambar. 2.

Gambar skema liposom berasal dari lesitin. Daerah yang berbeda dari liposom, termasuk inti hidrofilik dan bilayer hidrofobik, ditunjukkan. Struktur molekul lesitin, kutub hidrofiliknya, dan rantai hidrofobiknya ditentukan

Selain itu, struktur bola liposom setelah dilarutkan dalam air, tergantung pada jenis molekul, suhu media berair, konsentrasi molar, dan adanya zat lain, seperti ion, menentukan bentuk akhirnya [30]. Atribut fisik dan kimia yang dominan dari liposom adalah sifat bersih lipid penyusunnya, terutama fosfolipid dan molekul lain yang menyusunnya. Sifat-sifat ini termasuk permeabilitas, kerapatan muatan permukaan, dan ukuran keseluruhan [31].

Berbeda Klasifikasi Liposom

Sejak penemuan liposom, struktur ini selalu digunakan sebagai bagian penting dari penelitian biologi, biofisika, biokimia, atau farmasi.

Saat ini, liposom dapat dikategorikan berdasarkan ukurannya, jumlah lapisan ganda fosfolipidnya, prosedur sintesis, dan mekanisme preparasinya. Dalam hal ukuran, liposom dapat dibagi menjadi tiga kelompok:kecil, sedang, dan besar. Mempertimbangkan jumlah lapisan membran, mereka dapat berupa vesikel unilamellar (ULVs), vesikel oligolamellar (OLVs), dan vesikel multilamelar (MLVs). Dalam hal ini, ULV adalah liposom yang terdiri dari satu lapisan ganda fosfolipid berukuran sekitar 50 hingga 250 nm, sedangkan MLV jauh lebih besar, sekitar 0,5-1,5 m, dan mencakup beberapa membran lapisan ganda fosfolipid [32]. Metode sintesis yang berbeda menyebabkan margin antara kedua kelompok ini. Dalam hal aplikasi, ULV juga memiliki lingkungan hidrofilik yang besar secara internal, yang membuatnya cocok untuk menjebak obat hidrofilik. Vesikel unilamellar kecil (SUV), seperti ULV, terdiri dari satu lapisan ganda fosfolipid, tetapi dalam hal dimensi, ukurannya kurang dari 100 nm [33, 34]. Dari sudut pandang morfologi, OLVs adalah liposom yang terdiri dari dua sampai lima vesikel yang mungkin memiliki ukuran yang identik atau berbeda. Dalam struktur OLV, semua vesikel tertutup dalam satu lapisan ganda fosfolipid besar tanpa berada di dalam satu sama lain. OLV biasanya sekitar 0,1-1 µm [33,34,35]. Berbeda dengan ULV, MLV tidak ideal untuk pengiriman zat hidrofilik. MLVs sebagian besar dieksploitasi untuk pengiriman agen hidrofobik [36]. Berbagai jenis liposom diilustrasikan pada Gambar. 3.

Klasifikasi liposom menurut berbagai kriteria:a Liposom dibagi menjadi tiga kategori dalam hal ukuran; b Struktur vesikel unilamellar kecil (SUV), sebagai anggota vesikel unilamellar (ULV), yang memiliki ukuran kecil yang nyata

Metode Persiapan Liposom dan Pengembangan Generasi Barunya

Berbeda dengan nanopartikel emas sebagai NP keras, liposom adalah NP lunak [37] dan dapat disintesis melalui metode yang berbeda. Misalnya, MLV dan ULV memiliki mekanisme persiapan yang berbeda. Dalam sebagian besar metode ini, pelarut tertentu (seperti kloroform atau metanol, dll.) digunakan untuk memecahkan lipid yang dimaksudkan untuk membentuk membran liposom (dengan rasio molar yang diinginkan) dalam labu alas bulat (RBF). Misalnya, berjabat tangan adalah prosedur utama untuk mensintesis MLVs [38]. Selama prosedur ini, yang juga dikenal sebagai hidrasi film lipid, lipid ditambahkan ke pelarut organik. Kemudian, pelarut diuapkan dengan alat putar, dan produk padat dilifolisis. Pada akhirnya, liposom disintesis mengikuti metode hidrasi dan ekstrusi [39]. Metode lain dari sintesis liposom termasuk sonikasi, penguapan fase terbalik, sel tekanan Prancis, pengeringan beku dan, ekstrusi membran [38, 40].

Selain itu, liposom juga dapat dipesan dalam berbagai kategori berdasarkan penemuan dan perkembangannya dari waktu ke waktu. Liposom generasi pertama umumnya disebut liposom konvensional atau klasik. Masalah, yang diamati ketika menggunakan liposom konvensional sebagai NP terapeutik, diidentifikasi dengan sangat cepat secara in vivo. Salah satu masalah yang diperiksa awal adalah pembatasan jebakan obat ke dalam liposom. Dengan kata lain, banyak obat tidak mampu disimpan di dalam liposom generasi pertama [41]. Seiring dengan keinginan besar untuk mensurvei struktur dan sifat liposom, seperti stabilitas, kemanjuran terapeutik dan, kemungkinan aplikasi klinis, tantangan ini mengarah pada pengembangan liposom generasi kedua dengan mengubah lipid penyusun, muatan permukaan, berat bersih, dan volume total [42]. Tepatnya, liposom generasi kedua terutama disintesis dengan menambahkan beberapa polimer hidrofilik ke liposom konvensional untuk meningkatkan masa simpannya dalam cairan tubuh untuk menjadikannya kandidat yang tepat untuk sistem penghantaran obat. Jenis liposom ini dapat dibagi menjadi dua kelompok:liposom bersirkulasi panjang non-spesifik atau liposom bersirkulasi panjang bertarget ligan [43].

Archaeosomes, sebagai generasi baru liposom, terdiri dari lipid membran archaeal dan analog fosfolipid sintetis. Dalam dekade terakhir, upaya ekstensif dan cukup besar telah dilakukan untuk menyelidiki potensi arkeosom untuk digunakan dalam pengiriman obat dan vaksin. Inti struktural lipid tipe archaeal adalah molekul di-eter atau tetra-eter dengan rantai fitanil jenuh yang mengandung sekitar 20 sampai 40 karbon. Rantai karbon ini menempel pada ikatan eter karbon sn-2,3 dari gliserol tulang punggung yang ditemukan di archaeol atau caldarchaeol. Seperti disebutkan di atas, partikel ini juga dapat sangat digunakan dalam pemberian obat untuk komplikasi neoplastik, alergi, dan infeksi, serta vaksinasi [44].

Evaluasi Karakteristik Biomaterial dan Sifat Fisikokimia Liposom

Seperti disebutkan sebelumnya, meskipun kemajuan luas dalam ilmu kedokteran, pengobatan beberapa penyakit, terutama kanker, masih menghadapi tantangan berat karena agen dan metode terapi yang tidak efisien. Menyesuaikan dosis obat yang disuntikkan untuk mempengaruhi tumor adalah masalah yang menegangkan karena jendela terapi yang sempit dari agen anti-kanker. Dengan kata lain, sedikit jarak antara dosis terapeutik dan toksik, serta sensitivitas dan spesifisitas yang tidak tepat, telah menciptakan permintaan besar untuk prosedur perbaikan lanjutan [42].

Selain itu, pemanfaatan nanomaterial untuk pengiriman obat ke jaringan telah menarik perhatian baru-baru ini. Biokompatibilitas dan biodegradabilitas adalah dua fitur penting dari karakteristik biomaterial untuk pemanfaatan nanomaterial dalam sistem pengiriman. Biokompatibilitas diperlukan untuk menghambat NP terapeutik dari kerusakan jaringan dan sistem tubuh dan, biodegradabilitas sangat mendesak untuk memecah NP menjadi senyawa tidak beracun dan membuangnya begitu saja dari organ [15]. Setelah deteksi liposom, para ilmuwan mulai menerapkannya sebagai bahan nano untuk pengiriman obat. Seperti disebutkan, liposom memiliki dua sifat biomaterial yang diperlukan untuk tujuan terapeutik:biokompatibilitas dan biodegradabilitas [36]. Juga, NP liposomal memiliki karakteristik lain yang membuatnya cocok untuk tujuan ini. Misalnya, karena struktur spesifik liposom, kedua kelompok obat hidrofilik (larut dalam air) dan hidrofobik (larut dalam lemak) dapat dienkapsulasi di dalamnya. Selanjutnya, adanya membran fosfolipid bilayer dalam liposom melindungi agen yang disimpan dalam liposom dari berbagai fenomena dan kerusakan, seperti degradasi enzim, inaktivasi biologis oleh struktur imunologi, dan perubahan kimia in vivo. Poin ini memiliki dua kelebihan yang signifikan:pertama, struktur molekul yang terperangkap dalam liposom dipertahankan sebelum mencapai jaringan target, dan tidak ada modifikasi yang dibuat ke dalamnya dan, kedua, jaringan sehat dan non-target lainnya dilindungi dari paparan obat karena membran liposom dan, tidak dapat dipengaruhi oleh agen ini [42]. Liposom juga dapat diterapkan untuk menyampaikan materi genetik, seperti DNA, RNA, dll dan, tujuan terapi gen. Liposom yang digunakan untuk tujuan ini dapat terdiri dari kationik, anionik, lipid netral dan, fosfolipid atau campurannya [45]. Beberapa agen diagnostik dan pencitraan, seperti titik karbon, dapat digunakan untuk deteksi dan pencitraan kanker dalam kombinasi liposom atau secara tunggal [46]. Meskipun titik karbon sebagian disetujui untuk aplikasi klinis dan dieksploitasi dalam penyelidikan, sitotoksisitas tetap menjadi penghalang yang menantang untuk aplikasi luas mereka [47]. Struktur umum NP obat liposom ditunjukkan pada Gambar. 4.

Struktur umum liposom terdiri dari lapisan fosfolipid. Tergantung pada hidrofilisitas-hidrofobisitas obat, jenis liposom yang tepat untuk pengirimannya akan ditentukan. Obat hidrofilik terperangkap di inti hidrofilik pusat, dan obat hidrofobik ditempatkan di daerah lipofilik. Liposom juga dapat digunakan untuk pengiriman gen

Fosfolipid pembentuk membran hadir dalam liposom adalah senyawa tidak beracun dan dapat disintesis dalam berbagai ukuran. Atribut fisikokimia liposom tergantung pada konstituennya. Dengan demikian, liposom dengan sifat yang diinginkan dapat disintesis dengan menambahkan senyawa tertentu, seperti kolesterol, polietilen glikol (PEG), dll. Selain itu, membran liposom bersifat impermeabel terhadap molekul raksasa, yang membantu mempertahankan bahan di dalam liposom dengan lebih baik [48 ]. Semua fitur yang disebutkan dari liposom memperkenalkannya sebagai bahan nano yang tepat untuk dieksploitasi dalam pengiriman agen terapeutik untuk mengobati berbagai penyakit, terutama kanker.

Gregory Gregoriadis, sebagai salah satu peneliti pionir di bidang ini, mengajukan hipotesis penggunaan liposom untuk sistem penghantaran obat dan menyatakan bahwa senyawa obat dapat terperangkap dalam liposom [49]. Sifat biomaterial dan fisiokimia liposom yang sesuai telah dilaporkan. Sebagai contoh, survei pada liposom yang mengandung obat antitumor sitosin arabinosida yang digunakan pada model hewan telah menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam masa hidup tikus dengan leukemia L1210 [50]. Dengan menerapkan liposom, dosis yang cukup dari bentuk aktif obat dapat dikirimkan ke situs target dengan cara yang terlindungi [42].

Peningkatan Spesifisitas dan Sensitivitas NP Liposomal untuk Penggunaan Terapi

Seperti disebutkan sebelumnya, menggunakan berbagai molekul dan polimer memungkinkan untuk mengubah struktur dan membran liposom, dan melalui ini, fungsionalitas baru dapat ditambahkan ke liposom atau sifat mereka dapat dimodifikasi [51]. Memperpanjang sirkulasi liposom dalam darah dan meningkatkan kemampuannya untuk menumpuk di jaringan tumor tertentu atau situs patologis melalui efek EPR adalah fitur penting pertama yang harus diperhitungkan karena tingkat pembersihan liposom yang tinggi. Konjugasi molekul PEG ke membran liposom melalui konjugasi kimia telah digunakan secara berurutan untuk menambahkan fungsi ini ke liposom [52]. Pentingnya dan peran polimer etilen glikol dalam meningkatkan waktu paruh liposom, terutama NP terapeutik liposomal dalam cairan tubuh, seperti darah, diekspresikan sekitar 20 tahun yang lalu [53].

Abuchowski dan McCoy melakukan upaya pertama untuk memperpanjang waktu paruh liposom dalam aliran darah dengan mengkonjugasikan PEG ke strukturnya. Akibatnya, upaya mereka umumnya meningkatkan waktu sirkulasi liposom dan waktu paruhnya dalam aliran darah [54]. Setelah beberapa bulan, peneliti lain menyelidiki kemungkinan pengurangan kecepatan tinggi pembersihan liposom oleh sel sistem fagositosis mononuklear (MPS). Dengan menempelkan PEG pada molekul permukaan liposom [53], diharapkan sirkulasi liposom dalam darah membaik. Ada banyak artikel di bidang ini. Selain itu, tidak seperti liposom konvensional, liposom berlapis PEG menunjukkan sifat farmakodinamik dosis-independen [55]. Di antara berbagai polimer, molekul PEG merupakan salah satu polimer yang dapat menempel pada permukaan liposom untuk memperpanjang masa simpannya secara in vivo. Polimer lain juga dapat digunakan untuk tujuan ini [56]. Gambar 5 menunjukkan bagaimana molekul polimer PEG dapat melindungi liposom dari antibodi dan juga memperpanjang hidupnya dalam aliran darah.

Konjugasi polimer tertentu seperti polietilen glikol (PEG) ke liposom. a Liposom PEGylated dengan pelindung molekul polimer PEG. b Liposom konvensional yang terperangkap oleh antibodi dan opsonin

Seperti disebutkan, perlu dicatat bahwa molekul lain dapat dimanfaatkan untuk memperpanjang sirkulasi liposom selain PEG. Selanjutnya, polimer polioksazolin adalah salah satu zat yang digunakan untuk memodifikasi membran liposom untuk meningkatkan waktu paruhnya. Dalam hal ini, Woodle et al. adalah kelompok pertama yang menerapkan poli[2-etil-2-oksazolin] (PEOZ) untuk mensintesis liposom tersembunyi. Hasil mereka membuktikan pengurangan dalam eliminasi dan penyerapan poli[2-etil-2-oksazolilasi] PETOXylated-liposom yang disuntikkan ke tikus oleh sel hati- limpa [57]. Hasil mereka menunjukkan bahwa konjugasi polimer lain seperti poli[2-etil-2-oksazolin] dan poli[2-mtil-2-oksazolin] (PMOZ) dapat memiliki efek seperti PEG dalam meningkatkan waktu paruh dan memperpanjang waktu paruh. sirkulasi liposom in vivo. Mereka juga membandingkan bio-distribusi liposom terkonjugasi PEG-, PEOZ-, dan PMOZ di berbagai organ dan sistem. Konsekuensinya juga menunjukkan bahwa bio-distribusi semua liposom ini dalam darah dan limpa hampir sama, tetapi di hati, distribusi PMOZ jauh lebih rendah daripada yang lain [57].

Sakit dkk. mengikat molekul dekstran ke permukaan ULV. Hasil mereka menunjukkan bahwa liposom terkonjugasi dekstran, dibandingkan dengan liposom konvensional, memiliki sirkulasi yang lebih luas dan penyerapan dan penyerapan yang lebih rendah oleh hati dan limpa. Konsekuensi ini membuktikan bahwa molekul dekstran, selain memperpanjang masa simpan liposom dalam tubuh, juga dapat diterapkan untuk meningkatkan stabilitas dan mengatur laju pelepasan obat dari liposom [58].

Masalah kedua yang harus diperhatikan adalah fluiditas dan stabilitas liposom. Lipid lain, termasuk kolesterol, dapat digunakan dalam kerangka liposom. Kolesterol kadang-kadang dapat menggantikan beberapa senyawa dalam lapisan ganda fosfolipid untuk meningkatkan beberapa sifat liposom. Namun demikian, telah terbukti bahwa memodifikasi kandungan lapisan ganda liposom dan mengganti beberapa molekul fosfolipid dengan senyawa tertentu, terutama kolesterol, dapat mengurangi fluiditas liposom [59]. Selain itu, adanya kolesterol dalam membran liposom meningkatkan stabilitas strukturnya (baik percobaan in vivo maupun in vitro). Ini juga mengurangi permeabilitas dan kemungkinan kebocoran zat yang terperangkap. Kolesterol adalah steroid hidrofobik yang berinteraksi dengan rantai hidrofobik antara bilayer fosfolipid untuk menstabilkan strukturnya ketika hadir dalam membran liposom. Tindakan kolesterol ini sangat penting ketika mengeksploitasi liposom secara klinis in vivo karena mencegah liposom berubah menjadi high-density lipoprotein (HDL) dan low-density lipoprotein (LDL) di dalam tubuh. Selain itu, struktur lipid yang ada dalam darah dan cairan intraseluler dapat mempengaruhi liposom. Lipoprotein seperti LDL dan HDL mempengaruhi liposom yang disuntikkan dan menyebabkan transfer lipid dan penataan ulang membrannya. Mereka juga secara drastis mengurangi stabilitas NP liposomal yang mengandung obat [12]. Terlihat bahwa bahan lain, seperti DNA dan molekul lain yang digunakan dalam membran liposom untuk aplikasi terapeutik, harus ditambatkan ke kolesterol dalam membran. Menambahkan berbagai zat ke membran liposom adalah salah satu cara untuk menciptakan fitur positif dalam liposom [42].

Fitur penting ketiga yang harus dipertimbangkan adalah sensitivitas dan spesifisitas liposom untuk identifikasi yang akurat dan pengikatan spesifik ke sel target. Dengan mengikat senyawa, seperti antibodi monoklonal, F_ab fragmen dan molekul konjugatif lainnya seperti transferin dan folat, dimungkinkan untuk meningkatkan spesifisitas liposom, menghasilkan pengikatan spesifik ke sel tumor [60]. Selain itu, peningkatan spesifisitas dan sensitivitas nanocarrier obat, khususnya liposom, telah diselidiki sebelumnya. Misalnya, Mohammad J. Akbar dkk. mempelajari liposom terkonjugasi peptida-PEG-lipid untuk mengobati kanker paru-paru sel kecil (SCLC). Hasil mereka menunjukkan bahwa mengikat peptida antagonis Gastrin Releasing Peptide Receptor (GRPR) ke liposom dapat meningkatkan spesifisitas dan akumulasi liposom ini dalam sel yang mengekspresikan GRPR. Mereka juga mengklaim bahwa liposom yang melekat pada peptida ini dapat diterapkan untuk mengobati sel kanker paru-paru karena peningkatan regulasi gen pengekspresi GRPR di dalamnya [61].

Akhirnya, obat-obatan dan obat-obatan ditambahkan ke liposom PEGylated karena sifatnya yang sesuai, dan sekarang, struktur liposomal ini telah ditetapkan untuk pemanfaatan klinis industri [62]. Antibodi juga digunakan dalam studi awal untuk meningkatkan kemampuan liposom untuk mengikat sel target [63]. Dalam hal ini, endositosis yang dimediasi reseptor dilakukan oleh liposom untuk memasuki sel [64]. Sementara itu, berbagai metode telah dikembangkan untuk mengikat antibodi terhadap liposom [65]. Studi pada liposom terkonjugasi antibodi telah membuktikan bahwa toksisitas obat antikanker terhadap sel tumor yang dikultur meningkat dengan konjugasi antibodi ke permukaan liposom [66]. Ketika antibodi diterapkan pada permukaan liposom PEG, peninggalan antibodi untuk menempel pada reseptor targetnya ditutupi oleh polimer PEG, terutama ketika rantai samping yang melekat pada PEG panjang [67]. Oleh karena itu, penggunaan PEG dan antibodi secara simultan untuk pengobatan liposom dan kerugiannya harus dipertimbangkan oleh para ilmuwan.

Faktor penting keempat dalam aplikasi terapeutik liposom adalah etude pelepasan obat yang terperangkap di dalamnya. Penyesuaian liposom untuk pengeluaran obat di dalamnya yang dipengaruhi oleh kondisi abnormal jaringan yang rusak adalah salah satu masalah penting dalam pemberian liposom secara klinis. Lebih lanjut, penggunaan senyawa peka suhu, pH, atau metabolit spesifik pada permukaan liposom yang dapat berikatan dengan permukaan jaringan dan membran sel target merupakan metode pelepasan obat tersebut secara tepat. Memanfaatkan metode ini dapat menghasilkan efek spesifik liposom pada permukaan membran sel target dan juga melepaskan kandungan obat di dalamnya [68].

The releasing rapidity of compounds entrapped in liposomal NPs is the fifth substantial criterion for adjusting the dose of drugs available at the target site. One of the essential objects that should be considered for the proper usage of all kinds of drug delivery systems, including liposomes, is the releasing rate of drugs and regulation. With regard to liposomal drug delivery systems and NPs, it is worth mentioning that the encapsulated substances in the liposomes are not biologically available and can only be bioavailable while it is released from the initial state. Therefore, drug-containing liposomes can provide the ability to increase the concentration of bioavailable drugs for cancerous tissues and to improve the quality of treatment and therapeutic efficacy can be achieved on condition that the rate of drug release from the liposome is adjusted [69]. Furthermore, it has been proven that changing the liposome bilayer content and replacing some phospholipids with certain compounds, especially steroid molecules like cholesterol, can decrease the permeability and unintended leakage of the compounds stored in them [70]. Consequently, this advantage can be exploited to adjust the release rate of the encapsulated compound. Once released, the drugs must penetrate sufficiently into the cell and make the necessary physiological-biochemical changes to exert their impact.

As it is mentioned earlier, various compounds, including aptamers, can be conjugated to liposomes. In this regard, Mohammad Mashreghi et al. applied anti-epithelial cell adhesion molecule (anti-EpCAM) as an aptamer to functionalize Caelyx® liposomes. Their experiment outcomes determined that functionalization of Caelyx® with this aptamer could enhance the merits of this liposomal drug and made it a viable option for cancer treatment [71]. Figure 6 shows the structure of different types of liposomes that are used in vitro or for clinically scientific purposes schematically.

Various kinds of liposomes. a Conventional liposome; b cholesterol-conjugated liposome; c PEGylated or stealth liposome; d ligand-targeted liposome; e multi-functional liposome

The passage of drugs through lysosomes to enter cells (which have low pH and many degrading enzymes) is the sixth most important factor for the practical application of conjugated medicines to liposomes. To protect therapeutic agents from unwanted conversions in extracellular and intracellular space, cell-penetrating peptides are attached to the liposome surface [72].

On Liposomal Drugs Pharmacology:Pharmacokinetics and Pharmacodynamics

The assessment of pharmacological attributes, as an essential part of medicine and pharmaceutical science, is required not only to gain a better understanding of liposomes pros and cons as drug carriers but also to confirm and evaluate them in clinical trials. The pharmacological properties of liposomal drugs and their interactions with the body can be examined in two various aspects:pharmacokinetic (the effect of the body on therapeutic compounds) and pharmacodynamics (how medications act and impact the body and cellular pathways) [73]. In general, the utilization of liposomes for drug delivery in cancer treatment or other disorders requires the elevation of these agents' effectiveness on the one hand, and reducing their toxicity toward normal tissues on the other hand. Subjects such as the proper administration route of NP-based drugs, their circulation in the bloodstream and half-life, their biological distribution in tissues, and their cellular metabolism, as well as their elimination, metabolization and clearance, have been studied in the field of pharmacokinetics [74]. The pharmacokinetics of liposomes primarily study the bioavailability of liposome-conjugated drugs in various body fluids and tissues. Indeed, the study of chemical decomposition and biological excretion, and liposome uptake and purification are also considered in pharmacokinetics. The results of studies on pharmacological advantages of using liposomal drugs (regardless of the type of liposomes applied in the DDS) instead of free drugs showed that:

Primarily, liposome can modify the drug release profile to a sustained release, and consequently, reduce the requirement for constant injection. Secondly, it can extend the presence of the drug in the bloodstream and body fluids, and as a consequence, increase its half-life. Thirdly, it has the potential to lead to better bio-distribution in cancerous tissues while reducing drug influences on healthy tissues due to limited particle size to cross the Endothelium of healthy capillaries. Ultimately, it reduces drug metabolism and inactivation in plasma before reaching the target tissue, in addition to its positive effect on the clearance of drug metabolites [75, 76].

However, some changes are required in the pharmacokinetics of liposomes to increase their solubility, specificity, and sensitivity. These modifications enable them to overcome chemotherapy-resistant cells, enhance the efficacy and half-life. Moreover, their toxicity or unintended metabolic compounds product as a result of their metabolization should be decreased by these modifications [77].

After consuming liposomal drugs administration, they enter the body and circulate in the bloodstream with a specific half-life. Their size and formative composition determine the half-life of liposomal medications. Moreover, rapid clearance of liposomal drugs from the body can reduce their duration of action and therapeutic index. As aforesaid, appending hydrophilic polymers such as PEG to liposomes is able to decrease their clearance rate and solve this challenge [78]. Also, it is possible to adjust the fluidity and drug-release rate of the liposome membrane by adding cholesterol molecules.

The application of liposomes for drug delivery may lead to some changes in drug pharmacokinetics [79]. The ability of liposomes to change the pharmacokinetic properties of the various drugs and medications is one of their significant benefits in drug delivery systems [80]. Concerning the process of liposome clearance and elimination, it is obvious that liposomal structures are affected by plasma proteins after being administered. For instance, after injection of liposomal nanoparticles opsonins are adsorbed on the surface of the liposomes. Opsonins are plasma protiens which mostly include immunoglobulins and fibronectin [42]. Opsonins presence on the surface of liposomes will result in their elimination by MPS, as one of the significant elimination section of various drugs from blood and body fluids. They also clear liposomes through the attachment of some receptors such as complement C3b and Fc to opsonins-liposomes complex [81]. Various tissues and cells such as liver kupffer cells, macrophages present in the spleen, bone marrow, and lymph nodes are involved in the clearance of liposomal NPs [82].

According to the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) definition, pharmacodynamics refers to the study of the pharmacological impact of compounds on living systems and the biochemical and physiological consequences of these effects [83]. The increased elusion to identify therapeutic agents when encapsulated in liposomes has been recognized as one of the pharmacodynamical benefits of liposomes utilization [84].

Furthermore, the physicochemical characteristics have significant influences on the pharmacology of liposomal drugs. The particle size, electrical charge of membrane, and the composition of membrane lipids are some of these physicochemical properties that can affect the pharmacokinetics and pharmacodynamics of the agents. Firstly, there is a direct relationship between the particle size of nanoparticles, including liposomes, and their clearance rate. By increasing the size of NPs, their elimination rate by the immune system and MPS cells will also enhance [85]. Secondly, it is worth mentioning that the net charge of liposome membranes is a consequence of the electrical charge of phospholipids and their other constituting particles that made them up. As a result, a rise in the membrane charge is associated with enhanced clearance rates of these agents [86]. The composition of membrane lipids and other structural features (such as hydrophilic core radius) also remarkably affect the pharmacokinetics of liposomal drugs [87].

More importantly, it has been hypothesized that different types of liposomes exhibit distinct drug kinetics/dynamics depending on their various structures. The drug release rate also rests on the number of phospholipid bilayers and the content of loaded drug compounds. It is also contingent upon the hydrodynamic diameter, total volume, and other pharmacokinetic properties as well [88].

Administration Route of Liposomal Drugs

Like many different drugs, NP-based liposomal medicines can be administered from a wide variety of routes. In other words, oral consumption [89] and distinct injection methods such as intravenous (I.V.) administration and various local injections are among the common administration routes of liposomal drugs [90]. The usage of nanoparticles, including liposomes, for drug delivery via oral administration has been highlighted as an effective strategy since the nanoparticles increase the bioavailability of medicines, improve their interaction with cells, and prevent any modifications in the molecular structure of the drug due to enzymes and gastric juices in the gastrointestinal tract. Moreover, they have the ability not only to enhance the release of remedial molecules into the mucosal and epidermal layer but also to protect drugs from unwanted changes during the first pass effect [89]. Intravenous injection is used as the primary administration route for many liposomal drugs approved by the FDA or other authorities [42]. On the other hand, subcutaneous (S.C.), intradermal (I.D.), intraperitoneal (I.P.), and intramuscular (I.M.), classified under the title of the local injection, are also utilized for administration of liposomal drugs [90,91,92].

Liposomal Drugs Fate In Vivo and Their Targeting Mechanism of Action

Following administration of the liposomal drugs, they reach the pathological lesions at the target site through the bloodstream and accumulate there. The mechanism of action of liposomal drugs on tumors starts with their accumulation at the target site, uptake of them by tumor cells, and the release of free drugs [93]. Subsequent to entering the body, liposomal drugs reach the tumors through various targeting mechanisms of action and then interact with cells in different ways [94]. In general, tumor-targeting mechanisms are divided into two categories:passive and active targeting. Passive targeting refers to the mechanisms in which liposomes are spontaneously accumulated at the tumor site and interact with target cells without the presence of a specific ligand [95]. The effect of enhanced permeability and retention (EPR) has been suggested as the most critical passive targeting mechanism. To be precise, the spontaneous accumulation of therapeutic NPs and liposomal drugs at the tumor site is called the EPR effect [96]. This phenomenon can be assigned to the leaky nature of tumor tissue vessels, unlike normal tissue capillaries, which makes them permeable to molecules and NPs. Consequently, This ultimately leads to the accumulation of drug compounds in these tissues and the effect of EPR [97]. The ultimate fate of the drug in the intracellular fluid and cytoplasm of tumor cells depends on several factors such as release mechanism, nanocarrier constituents, and molecule structure [98]. In healthy tissue, the number and the shape of capillaries are proportionate and normal, respectively. However, in cancerous organs, unlike healthy tissue, the number and the structure of capillaries are higher and deformed, respectively, because of the angiogenesis process. Moreover, the tumor capillaries structure is destroyed, and the endothelial phalanx cells are diminished. As a result, the volume of plasma fluid leaking into the intercellular space will be enhanced. In healthy tissue, however, capillary phalanx cells retain cellular tight adhesions, preventing NPs, small molecules, and liposomal drugs from seeping into the intercellular space [99]. The EPR effect in cancerous capillaries and their difference with normal and healthy tissue vessels are illustrated in Fig. 7.

Mechanism of action of the drug-containing liposomes on tumor cells via EPR effect. a Healthy tissue and its normal capillaries; b cancerous tissue with increased-deformed vessels; c structure of normal and healthy vessel; d destructions and deformed capillary in tumor tissue

On the other hand, active targeting has attracted considerable attention as one of the targeting mechanisms of action owing to its appropriate effectiveness and high specificity. Active targeting includes various types and is also generally aimed to reduce the off-target impacts of liposomal NPs on healthy cells and non-target tissues [95]. In this method, molecules such as monoclonal antibodies, small molecules, signal peptides, vitamins, particular carbohydrates, glycolipids, or aptamers are generally utilized for surface modification of liposomes [100, 101]. Moreover, active targeting can be split into various subtypes according to diverse features. For instance, it can be classified into two general categories:

1. 1.

   Targeting tumor cell and cancer tissue receptors:This method relies on conjugating specific molecules to the membrane surface of liposomes, making them able to bind to special or overexpressed receptors on cancer cells [102]. In cancer cells, upregulation of different genes causes an increase in the expression of specific cell surface receptors in response to enhanced metabolic demands for rapid cell proliferation [103]. In active targeting, particular molecular modifications can be applied for targeting specifically the overexpressed surface receptors of cancer cells, such as folate receptor (FR), transferrin receptor (TfR), or Epidermal growth factor receptor (EGFR) [95]. In this regard, the role of folate receptors in cancer cells is to increase folic acid uptake [104], whereas transferrin receptors bind to transferrin (as a free molecule with 80 kDa weight in serum) and cause endocytosis of this monomeric glycoprotein to occur [105]. Moreover, EGFR receptors are a class of tyrosine kinases involved in cellular processes such as tissue differentiation and repair. The expression of this receptor in cancer cells is significantly increased due to its involvement in processes such as angiogenesis, cell proliferation, and metastasis [106].

2. 2.

   Utilizing tumor microenvironment as the target:In this method, changes in the surface of liposomes are exploited to enable them to target signal peptides or other receptors in the microenvironment of cancer cells. In other words, this active targeting mechanism can inhibit the growth of tumor cells and metastasis, prevent genotypic and phenotypic variations in neovascular endothelial cells, and control drug resistance [107]. Furthermore, some receptors in the tumor microenvironment, such as Vascular endothelial growth factor (VEGF), Vascular cell adhesion protein (VCAM), matrix metalloproteases, and integrin, are targeted in this mechanism [95].

Cellular Uptake of Therapeutic NPs and the Effect of Liposomal Drugs on Targeted Cells:Actions and Interactions

As it is mentioned earlier, liposomes are able to target tumor cells either passively or actively. After the liposome reaches the cancerous cells and the tumor environment through the targeting mechanism, it can release its therapeutic content and exert its effects by means of various mechanisms. Consequently, lipid composition, the surface charge of the membrane, type of cancer, type of target cells, as well as the presence of specific ligands on the liposome membrane, can influence the cell-liposome interaction [108].

Figure 8 illustrates different types of liposomes interactions with target cells. After being injected into the body, drug-containing liposomes travel to different tissues through blood vessels and eventually reach their target cells based on their surface ligands. These liposomes can bind to cellular receptors via these ligands, which is called specific absorption [42]. Albeit, receptor-free liposomes can also adhere to the target cell surface through molecular attractions, electrostatic forces, and molecular interactions called non-specific absorption. Following liposomes binding to the cell, the therapeutic agent is released into the cytoplasm, and its effects may be produced in different ways. The liposomal nanocarriers can be entirely fused to the plasma membrane of the cell and release the drug. Drug compounds are also able to be released from the liposome into the cell and to enter the cell through micropinocytosis or passive diffusion without the occurrence of fusion. Liposomes may directly interact with the cell or exchange lipid fragments with the cell membrane through protein-mediated processes. At the same time, the drug may act on the cell and exert the therapeutic effects of the liposomal drug. However, some liposomes are capable of entering through endocytosis (specific or nonspecific). In particular, liposomes penetrating the cell via this passage can have various destinies. It is possible for them to combine with lysosomes. In such cases, lysosomal enzymes affect the structure of the drug by reducing the pH of the phagolysosome sac. Ultimately, liposomes release the drug by fusing it to the cell membrane or endocytosis, and after that, medications exert their therapeutic effect [42, 62]. All possible ways for the liposome to penetrate the cell and exert its effect are depicted and compared in Fig. 8.

Binding of liposomes to the target cell. a Specific attachment via ligand-receptor interaction; b non-specific absorption of liposomes through intramolecular-electrostatic forces; c the attachment and fusion of liposome to the cell membrane and drug release; d liposome arrival to the target cell and drug release without fusion; e exchange lipid fragments between the cell membrane and liposome through protein-mediated processes; f endocytosis of liposome by target cell; g lysosomal digestion of liposome in the cell cytoplasm

On the other hand, NP-based medications can undergo endocytosis, pinocytosis, or phagocytosis by the target cells. Endocytosis is known as the process in which compounds outside the cell space approach the cell membrane and then enter the cell as a vesicle [109]. Pinocytosis, also recognized as fluid endocytosis, occurs when small molecules or suspensions are introduced into a cell through a vesicle by creating an invagination in the cell membrane. Moreover, pinocytosis vastly occurs in human cells to absorb fat droplets. In an immunological study, Yuriko Tanaka et al. reported that liposome-coupled antigens pinocytosis can be performed by antigen processing cells (APC). This report had proved that liposomes can undergo pinocytosis mechanisms [110]. In phagocytosis, particles larger than 0.5 μm are engulfed by immune cells, it may also occur for liposomes (especially for MLVs and liposomes larger than 500 nm). For example, Jitendra N. Verma et al. confirmed the occurrence of phagocytosis on liposomes by a study on the phagocytosis of liposomes with malarial antigens by macrophages [111].

Kaposi's Sarcoma, One Instance of Successful Liposomal Drugs Applications

Kaposi's sarcoma is a progressive multifocal anti-proliferative cancer primarily known as endometrial sarcoma. This cancer is more common in HIV patients whose immune system is weakened. Furthermore, it has been commonly seen in skin tissue and may also involve other tissues. Hence, this disorder is generally referred to as skin mucosal sarcoma [112]. To treat this disease, modified long-circulating liposomes can be helpful. In this regard, liposomes passively target tumor cells. Moreover, the effect of EPR and specific binding increases the concentration of the therapeutic drug in cancer tissues 5 to 11 times higher than normal skin [113]. For this purpose, Doxorubicin is used for the treatment of this disease. Correspondingly, entrapment of the doxorubicin into liposomes (which was PEGylated to prolong its half-life) prevents normal tissues from being exposed to the drug. It also reduces drug uptake by these healthy doxorubicin-sensitive tissues such as the heart [114].

Additionally, the liposomal form of doxorubicin, Doxil, is a type of anthracycline drug which is approved for clinical administration by US-FDA. It is used to treat AIDS-related Kaposi sarcoma and multiple myeloma [115]. Doxil has better therapeutic efficacy and less toxicity than free doxorubicin, which can be attributed to its ability to target tumors indirectly. It is also passive targeting due to leakage of tumor vessels and the EPR effect [116]. Moreover, the Doxil unilamellar liposomes are < 100 nm in size and have been used to treat various cancer types [42]. Analyses have also proved that free doxorubicin concentration is lower than that of Doxil at the target tissue site [117]. In this regard, Ogawara et al. investigated the effect of Doxil (formed by binding doxorubicin to PEG liposomes) on cancer cells in male mice and showed that PEG liposomal doxorubicin or Doxil1 had been effective on both doxorubicin-resistant and doxorubicin-sensitive C26 cell groups [118]. This can highlight the significance of the exploitation of liposomal NPs. Because they can be consumed to overcome the resistance of cancer cells to common chemotherapy agents at low costs without time-consuming research works to discover new clinical therapeutic compounds [119]. The application of nanoparticles, such as liposomes, to deliver doxorubicin to tumor tissues has been widely investigated. Entrapment of ATP-binding cassette transporter superfamily B member 1 (ABCB1) substrate doxorubicin into liposomes can increase drug uptake and enhance its intracellular distribution within cancer cells, especially ABCB1-expressing cancer cells [120]. The simple structure of Doxil is illustrated in Fig. 9.

The schematic structure of Doxil drug. Doxorubicin drug molecules are entrapped in the hydrophilic cavity of unilamellar PEGylated liposomes

Furthermore, liposomal nanomaterials can be exploited for the treatment of infectious diseases. Systemic fungal infection is one of the most challenging conditions that is usually treated with amphotericin B, which is highly toxic to kidney cells. For this purpose, the usage of liposome-entrapped amphotericin B can reduce the toxicity of this drug compared to its free form [48]. Unilamellar liposomes have been used to entrap this agent. It has proven that liposomal amphotericin B is more effective than the free drug form [121]. Based on the formulation, these liposomes also alter the bio-distribution of amphotericin B, such as anticancer drugs, which in turn not only arrange the mechanism of action but also increase the effective dosage concentration at the target tissue [122]. AmbiSome, liposomal form amphotericin B, is approved for public administration too. Other approved liposomal drugs, from anti-fungal medications to cancer therapeutic agents, are summarized in Table 1.

Although the application of liposomal NPs to treat cancer has been touted as a viable solution for drug delivery and affecting tumor cells, drug delivery to cancerous tissues in the central nervous system (CNS) has remained a significant challenge. In addition, drug delivery to central nervous system cells faces many turbulences owing to a blood–brain barrier (BBB). However, this problem can be partially solved by developing new methods and using lipid-based compounds [136].

Liposomal Nanoparticles in the Investigational Phase for Therapeutic Purposes

Liposomal siRNA

RNA is a type of genetic molecule with a variety of functions, including translation and transcription processes. The discovery of small-interfering RNA (siRNA) is a significant advance in biology in the last decade [137]. Synthetic siRNAs can be utilized to target oncogenes and their mRNAs. Furthermore, siRNAs can be applied for targeting genes contributing to the carcinogenesis, proliferation, and metastasis of tumor cells or their resistance to standard chemotherapies and radiation [138]. Therefore, it has been considered a modern method for cancer therapy. On the other hand, the nanoparticles used to deliver siRNA must possess properties such as biodegradability, great bio-distribution, low toxicity, etc. All of these features can be offered by liposomes making this popular drug delivery system a promising candidate for this purpose [28]. siRNAs bound to neutral lipid-based NPs are well isolated from these liposomes. They also influence ephrin type-A receptor 2 (EphA2), focal adhesion kinase (FAK), neuropilin-2, Interleukin 8 (IL-8), and TROJAN Mobile Remote Receiving System/erythroblast transformation-specific (TMRRS/ERG), Elongation factor 2 kinase (EF2K) or Bcl-2 pathways. Following the occurrence of this mechanism, a suitable antitumor effect has been observed against ovarian, colon, and breast cancer cells, etc. [139, 140]. Numerous studies have been conducted on siRNA delivery by liposomes, and in most of them, the cationic lipid Dioleoyl-3-trimethylammonium propane (DOTAP) has been widely expended in the structure of liposomes. Due to DOTAP high positive charge, this cationic lipid can be toxic to cells. It can stimulate cellular hemolysis and reduce ultimate biocompatibility as well. This has challenged the application of this lipid in the composition of liposomes applied for siRNA delivery [141].

Liposomal Curcumin Nanoparticles

Curcumin-conjugated liposomes are another instance of liposomal nanoparticle usage. Curcumin is a natural polyphenolic and hydrophilic compound that is abundant in the Curcuma longa plant and can be mainly prepared from turmeric extraction. Nowadays, the anticancer effect of curcumin has been well indicated against many tumor cells, such as breast cancer, liver carcinoma, and prostate cancer, etc. [142]. The primary mechanism of action of curcumin against cancer cells is to interfere with the translation of proteins such as Bcl-xl and regulate apoptosis by influencing their process, controlling the release of reactive oxygen species (ROS) and cytochrome, regulating molecular factors such as cyclin affecting the cell cycle. On the other hand, curcumin can damage the nuclear and mitochondrial DNA structure of liver cancer cells, thereby disrupting their function [143]. In comparison with free curcumin, the application of liposomal curcumin improves pharmacokinetics and pharmacodynamics while reducing the dosage required to target tumors. Matheus Andrade Chave et al. explored curcumin-containing liposomes by inserting curcumin molecules into the MLV liposome [144]. The synthesis of liposomal curcumin and curcumin structure are described in Fig. 10.

An overview of curcumin powder and liposomal curcumin synthesis. Chemical reactions performed for liposomal curcumin production and curcumin molecule structure in various forms are simply demonstrated

In addition, liposomes prepared for therapeutic research applications can be synthesized by employing various methods. For example, Qiao Wang et al. exploited the ultrasonication and lipid film-hydration method to synthesize daidzein long-circulating liposomes (DLCL) [145]. Xiaoyuan Ding et al. also used the film hydration method for the synthesis of aptamer and Au-NPs (Apt-Au)-modified Morin pH-sensitive liposome. Their outcomes showed high biocompatibility and insignificant toxicity of these liposomal structures and highlighted these liposomes as a viable option for selective targeting of tumors [146].

Other Liposomal NPs in the Investigational Phase

Several liposomal drugs have been synthesized and utilized in various medications at the investigational phase. For instance, CPX-1 was produced by entrapping the antitumor agents, Irinotecan and floxuridine (1:1 molar ratio) in liposomes, and was designed to treat advanced colorectal cancer. This therapeutic nanoparticle is in phase II research status [128]. Lipovaxin-MM is another momentous liposomal nanoparticle in phase I research prepared by placing melanoma antigens in liposomes and mainly administrated for immunotherapy of malignant melanoma. This agent is also under investigation [128].