Liposomale nanogeneeskunde voor gerichte kanker medicijnafgifte: Verbetering van effectiviteit en veiligheid

Samenvatting

De toenemende prevalentie van kanker, een ziekte waarbij snelle en oncontroleerbare celdeling complicaties en weefselfunctiestoornissen veroorzaakt, is een van de serieuze en dringende zorgen van wetenschappers en artsen. Tegenwoordig zijn kankerdiagnose en vooral de effectieve behandeling ervan beschouwd als een van de grootste uitdagingen in gezondheidszorg en geneeskunde in de laatste eeuw. Ondanks significante vooruitgang in medicijnontdekking en -afgifte, zijn hun veelzijdige bijwerkingen en onvoldoende specificiteit en gevoeligheid, die meestal schade aan gezonde weefsels en organen veroorzaken, grote belemmeringen geweest in het gebruik ervan. Beperking in de duur en hoeveelheid van de toediening van deze therapeutische agenten is eveneens uitdagend. Aan de andere kant benadrukt het voorkomen van tumorcellen die resistent zijn tegen typische methoden van kankerbehandeling, zoals chemotherapie en radiotherapie, de intense noodzaak voor innovatie, verbetering en ontwikkeling in antitumormedicijn-eigenschappen. Liposomen zijn voorgesteld als een geschikte kandidaat voor medicijnafgifte en kankerbehandeling in nanogeneeskunde vanwege hun vermogen om medicijnen met verschillende fysieke en chemische kenmerken op te slaan. Bovendien is de hoge flexibiliteit en potentieel van de liposomestructuur voor chemische modificatie door het conjugeren van diverse polymeren, liganden en moleculen een significant voordeel voor liposomen niet alleen om hun farmacologische meriten te verbeteren, maar ook om de effectiviteit van antikankermedicijnen te verbeteren. Liposomen kunnen de gevoeligheid, specificiteit en duurzaamheid van deze anti-maligniteitscellen agenten in het lichaam verhogen en bieden opmerkelijke voordelen om toegepast te worden in nanomedicijnen. We hebben de ontdekking en ontwikkeling van liposomen beoordeeld met focus op hun klinische toepassingen om diverse soorten kanker en ziekten te behandelen. Hoe de eigenschappen van liposomale medicijnen kunnen worden verbeterd en hun kansen en uitdagingen voor kankertherapie zijn ook overwogen en besproken.

Grafische samenvatting

Inleiding

Kanker, een ziekte waarbij de gezonde cellen van het lichaam uit de normale toestand raken en oncontroleerbaar gaan delen, wordt erkend als een grote medische uitdaging in de huidige eeuw. Deze complicatie wordt veroorzaakt door de accumulatie van milieu-carcinogenen of genetische mutaties [1] en wordt erkend als een grote medische uitdaging in de huidige eeuw. Miljoenen mensen sterven elk jaar aan kanker, en het aantal nieuwe patiënten en de sterftcijfers groeien continu [2]. Volgens de World Health Organization (WHO) rapporten was kanker de tweede leidende doodsoorzaak in 2018, en een schatting toonde aan dat ongeveer 9,6 miljoen mensen in dat jaar stierven aan diverse kankersoorten. In 2018 werden ongeveer 1 op de 6 doden veroorzaakt door kanker. Ongeveer 70% van de kankerdooden treedt op in ontwikkelingslanden en laag-inkomenslanden. Echter, de incidentie en sterftcijfers van kanker in ontwikkelde landen dienen ook overwogen te worden [3].

Chemotherapie met antitumorale agenten is bekend als een belangrijke behandeling voor kanker [4]. Chemotherapie met vrije medicijnen is beperkt vanwege een gebrek aan geschikte gevoeligheid en specificiteit. Als gevolg hiervan heeft deze beperking nauwkeurige behandeling verhinderd door bijwerkingen en onvoldoende antitumorale effecten [5]. Chemo-immunotherapie, een concomitante gecombineerde behandeling, is ook voorgesteld als een effectieve en veelbelovende methode voor kankertherapie, expliciet het behandelen van tumorcellen die resistent zijn tegen conventionele medicijnen. In de laatste jaren zijn diverse conventionele en geavanceerde behandelingen ontdekt en toegepast om kanker te behandelen. Als voorbeeld, om de bijwerkingen van conventionele antikankermedicijnen, specifiek chemotherapie-agenten, te verminderen, zijn diverse nanomedicijnen [6], waaronder virale nanopartikelen (VNPs) [7, 8], quantum dots [9], polymere nanomaterialen [10] en liposomen [11] toegepast.

Onder de verschillende nanomedicijnen hebben liposomen als sferische nanopartikelen (NPs) een bijzondere structuur. De aanwezigheid van twee waterige en organische fasen in de liposom-samenstelling maakt de opslag van beide soorten hydrofiele en hydrofobe agenten mogelijk en creëert een opmerkelijk voordeel voor de liposom boven veel nanodragers. Een van de manieren om de specificiteit, biobeschikbaarheid en biocompatibiliteit eigenschappen van antitumorale medicijnen te verbeteren is om ze in diverse soorten liposomen op te sluiten [5]. In de afgelopen twee decennia zijn significante pogingen gedaan om liposomen te benutten voor therapeutische doeleinden. Sommige van deze medicijnen, zoals DaunoXome® en Caelyx®, zijn goedgekeurd voor algemene en klinische toepassingen, terwijl andere in de finale productie- en goedkeuringsfasen zijn [12].

Over het algemeen zijn er verschillende soorten therapeutische liposomen zoals immuunliposomen en pH-gevoelige liposomen. Immuunliposomen zijn een grote groep nanomedische apparaten, ook bekend als gerichte medicijnafgifte systemen (DDSs), die significante anti-maligniteitseffecten hebben getoond in studies en onderzoeken [13]. pH-gevoelige liposomen zijn ook bekend als een groep polymorfe liposomen, waarin de structuur en bestanddeelmoleculen worden gewijzigd door pH-verandering, wat leidt tot de vrijgave van hun medicijninhoud [14]. Bovendien hebben liposomen, zoals andere nanomedicijnen, het potentieel om gebruikt te worden voor weefselherstel en regeneratie, imaging en diagnostiek, naast medicijnafgifte systemen. Het gebruik van liposomen in diverse aspecten vereenvoudigt de identificatie, het beheer en de behandeling van ziekten en kanker [15].

In dit artikel wordt een samenvatting gegeven van de bevindingen over de ontdekking en structuur van liposomen, diverse eigenschappen van liposomen, en liposomale medicijnen voor kankerbehandeling op de markt en hun ontwikkeling. Uiteindelijk zal een rapport over de kansen en uitdagingen van liposomale nanomedicijnen gebruik worden geconcludeerd, wat benadrukt kan worden als cruciale kwesties om op te letten in toekomstig wetenschappelijk onderzoek, leidend tot het wegnemen van beperkingen en het versterken van de positieve punten.

Hoofdtekst

De Wetenschappelijke Geschiedenis van Liposomen: Ontdekking en Definiëring

Het duurde ongeveer 1950 jaar van vroege studies over de structuur en het gedrag van kleine lipide deeltjes in een waterige omgeving tot de eerste door de US FDA goedgekeurde lipide-gebaseerde medicijnafgifte nanopartikel. Het proces van het bestuderen van lipide en vet deeltjes gedrag in water begon met de eerste waarnemingen door Plinius de Oudere bijna 2000 jaar geleden [16]. In de late zeventiende eeuw deed de ontdekking van de cel door Anthonie Van Hook veel vragen rijzen over de structuur van cellen [17]. Vervolgens ontdekten Gorter en Grendel de aanwezigheid van fosfolipide bilayers in celmembranen [18]. Daarna beschreven Singer en Nicolson later het bilayermosaïek membranemodel om het gedrag van celmembraan fosfolipiden te verklaren [19]. Deze wetenschappelijke waarnemingen en hypotheses trokken de aandacht van andere wetenschappers naar vet-afgeleide NPs. In de jaren 1960 observeerde Alec D. Bangham, die het effect van lipiden, met name fosfolipiden, op het bloedstollingsproces bestudeerde aan het Babraham Instituut [20, 21], per ongeluk de eerste liposomen en was verrast om spontane sferische deeltjes in het water te zien [22]. Daarna noemde Gerald Weissmann, een bezoeker van Alec Bangham's laboratorium die op de hoogte was van de resultaten van Bangham's onderzoek, de Smectische Mesofase waargenomen door Alec "liposomen" in plaats van "banghosomen" en won de Nobelprijs [22]. De wetenschappelijke geschiedenis van liposom-ontdekking is samengevat in Fig. 1.

Diagram van waarnemingen die leidden tot de ontdekking van liposomen. De historische en wetenschappelijke trends van het bestuderen van gedrag van lipide en vet deeltjes in water en de waarnemingen leidend tot de liposom-ontdekking, samen met afbeeldingen van de betrokken wetenschappers, Plinius de Oudere [23], Anthonie Van Hook [24], Alec D. Bangham [25] en Gerald Weissmann [26], respectievelijk, van links naar rechts

Welke Structuren Zijn Tegenwoordig Bekend als Liposomale Nanopartikelen?

Er is een intense inspanning om liposomale NPs te definiëren en hun eigenschappen redelijk te ontdekken. Tegenwoordig worden liposomen gedefinieerd als spontaan-vormende en sferische fragmenten die bestaan uit een lipide bilayermembraan en een hydrofiel kern.

Liposomen variëren in grootte variërend van ongeveer 10 nm tot 2500 nm (of 2,5 µm) [15]. Echter, de meeste liposomen toegediend voor medicijnafgifte zijn typisch ongeveer 50 tot 450 nm in grootte. Zeker, liposomen met veel grotere afmetingen kunnen ook worden gebruikt voor medische toepassingen [27]. Verder zijn liposomen hoofdzakelijk samengesteld uit fosfolipiden. Fosfolipiden zijn een type lipiden, die interessant genoeg vergelijkbaar zijn met triglyceriden. In de structuur van fosfolipiden is er een hydrofiel pool en twee hydrofobe ketens. Dus worden fosfolipiden beschouwd als amphiphile moleculen.

Het liposom-membraan van fosfolipiden omvat meestal fosfatidylcholine (PC), sphingomyeline (SM), fosfatidylserine (PS) en fosfatidylethanolamine (PE), die amphiphiel zijn en een sterke neiging hebben om particuliere structuren in water te vormen [28]. De fysieke reden voor dit fenomeen is de samenkomst van een hydrofiel hoofd (fosfaatmolecuul) en twee hydrofobe staarten (vetzuren) in fosfolipiden. De fosfaatgroep interageert met H₂O polaire moleculen, terwijl de hydrofobe staarten ontvluchten voor watermoleculen en interageren met elkaar [29]. In dit geval worden de niet-polaire ketens tegenover elkaar geplaatst en vormen een bilayera, wat een lipofiele ruimte tussen hen creëert. Dienovereenkomstig kan deze lipofiele deelstructuur van de liposomen worden toegepast om hydrofobe agenten en materialen op te slaan. Bovendien wordt het hydrofiel deel van het fosfolipide dan gericht naar de watermoleculen via moleculaire krachten, zoals waterstofbindingen, Van der Waals, etc., die tussen hen verschijnen. Dit leidt tot de vorming van een hydrofiel gebied binnen de liposomen. De structuur van het lecithinemolecuul, als een natuurlijk fosfolipide dat rijk is in eigeel en in staat is om liposomen in water en diverse regio's van een liposom te vormen, wordt getoond in Fig. 2.

Schematische figuur van liposomen afkomstig van lecithine. Verschillende regio's van liposomen, waaronder hydrofiel kern en hydrofobe bilayera, worden gedemonstreerd. De structuur van het lecithinemolecuul, zijn hydrofiel pool en hydrofobe ketens worden gespecificeerd

Eveneens bepaalt de sferische structuur van liposomen na oplossing in water, afhankelijk van het type moleculen, temperatuur van het waterige medium, molaire concentratie en de aanwezigheid van andere stoffen, zoals ionen, de uiteindelijke vorm [30]. De overheersende fysieke en chemische attributen van een liposom zijn de netto-eigenschappen van de samengestelde lipiden, met name fosfolipiden en de andere moleculen die het opmaken. Deze eigenschappen omvatten doorlaatbaarheid, oppervlakteladingsdichtheid en algehele grootte [31].

Verschillende Typen Liposomen Classificatie

Sinds de ontdekking van liposomen zijn deze structuren altijd gebruikt als een essentieel deel van biologische, biofysische, biochemische of farmaceutische onderzoeken.

Tegenwoordig kunnen liposomen worden gecategoriseerd op basis van hun grootte, het aantal hun fosfolipide bilayers, syntheseprocedure en voorbereidingsmechanisme. In termen van grootte kunnen liposomen worden verdeeld in drie groepen: klein, medium en groot. Overwegend het aantal membranelagen, kunnen ze unilamellaire vesikels (ULVs), oligolamellaire vesikels (OLVs) en multilamellaire vesikels (MLVs) zijn. In dit opzicht zijn ULVs liposomen samengesteld uit één fosfolipide bilayera van ongeveer 50 tot 250 nm, terwijl MLVs veel groter zijn, ongeveer 0,5–1,5 µm, en meerdere fosfolipide bilayermembranen omvatten [32]. Verschillende synthesemethoden veroorzaken marges tussen deze twee groepen. In termen van toepassing hebben ULVs ook een grote hydrofiele omgeving intern, wat ze geschikt maakt voor de opslag van hydrofiele medicijnen. Kleine unilamellaire vesikels (SUVs), zoals ULVs, zijn samengesteld uit één fosfolipide bilayera, maar in termen van dimensie zijn ze minder dan 100 nm in grootte [33, 34]. Vanuit morfologisch oogpunt zijn OLVs liposomen die samengesteld zijn uit twee tot vijf vesikels die identieke of verschillende maten kunnen hebben. In de structuur van OLVs zijn de vesikels allemaal ingesloten in één grote fosfolipide bilayera zonder binnen elkaar te zitten. OLVs zijn meestal ongeveer 0,1–1 µm [33,34,35]. In tegenstelling tot ULVs zijn MLVs niet ideaal voor de afgifte van hydrofiele stoffen. MLVs worden meestal gebruikt voor de afgifte van hydrofobe agenten [36]. Verschillende typen liposomen zijn geïllustreerd in Fig. 3.

Classificatie van liposomen volgens diverse criteria: a Liposomen zijn verdeeld in drie categorieën in termen van grootte; b De kleine unilamellaire vesikel (SUV) structuur, als lid van unilamellaire vesikels (ULVs), die een opvallend kleine grootte heeft

Liposomen Bereidingsmethoden en Ontwikkeling van Hun Nieuwe Generaties

In tegenstelling tot goud-nanopartikelen als harde NPs, zijn liposomen zachte NPs [37] en kunnen worden gesynthetiseerd door verschillende methoden. Bijvoorbeeld, MLVs en ULVs hebben afzonderlijke voorbereidingsmechanismen. In de meeste van deze methoden wordt een specifieke oplosmiddel (zoals chloroforme of methanol, enz.) gebruikt om lipiden op te lossen die bedoeld zijn om liposom-membranen te vormen (met de gewenste molaire verhouding) in een ronde-bodem kolven (RBF). Bijvoorbeeld, handschudden is de primaire procedure om MLVs te synthetiseren [38]. Tijdens deze procedure, die ook herkend wordt als lipide-filmhydratatie, worden lipiden aan een organisch oplosmiddel toegevoegd. Vervolgens wordt het oplosmiddel verdampt door een roterend toestel, en het vaste product wordt lyofyliseerd. Uiteindelijk worden liposomen gesynthetiseerd na hydratatie en extrusie methoden [39]. Andere methoden van liposom-synthese omvatten sonicatie, omgekeerde fase verdamping, Franse drukcel, vriesdrogen en, membraanextrusie [38, 40].

Verder kunnen liposomen ook in verschillende categorieën worden geordend op basis van hun ontdekking en ontwikkeling in de tijd. Eerste-generatie liposomen worden doorgaans conventionele of klassieke liposomen genoemd. Problemen, die waargenomen werden bij het gebruik van conventionele liposomen als therapeutische NPs, werden zo snel in vivo geïdentificeerd. Een vroeg onderzocht probleem was de beperking van medicijnopslag in liposomen. Met andere woorden, veel medicijnen waren niet in staat om opgeslagen te worden binnen eerste-generatie liposomen [41]. Samen met de grote wens om de structuur en eigenschappen van liposomen te onderzoeken, zoals stabiliteit, therapeutische effectiviteit en de mogelijkheid van klinische toepassingen, leidden deze uitdagingen tot de ontwikkeling van tweede-generatie liposomen door de bestanddeellipiden, oppervlaktelading, nettogewicht en totale volume te wijzigen [42]. Precies, tweede-generatie liposomen worden hoofdzakelijk gesynthetiseerd door enkele hydrofiele polymeren toe te voegen aan conventionele liposomen voor de verbetering van hun houdbaarheid in lichaamsvloeistoffen om ze geschikte kandidaten te maken voor medicijnafgifte systemen. Dit soort liposom kan in twee groepen worden verdeeld: niet-specifieke lang-circulerende liposomen of ligandel-gerichte lang-circulerende liposomen [43].

Archaeosomen, als een nieuwe generatie liposomen, zijn samengesteld uit het archaeale membraanlipide en synthetische fosfolipide analoga. In het laatste decennium zijn uitgebreide en aanzienlijke pogingen gedaan om het potentieel van archaeosomen te onderzoeken om ingezet te worden in medicijn- en vaccin-afgifte. De structurele kernen van archaeale-type lipiden zijn di-ether of tetra-ether moleculen met verzadigde, phytanyl ketens die ongeveer 20 tot 40 koolstoffen bevatten. Deze koolstofketens hechten aan de etherbindingen van sn-2,3 koolstoffen van de ruggengraat glycerol gevonden in archaeol of caldarchaeol. Zoals hierboven vermeld, kunnen deze deeltjes ook immens worden gebruikt in medicijnafgifte voor neoplastische complicaties, allergieën en infecties, alsmede vaccinaties [44].

Evaluatie van de Biomateriaal Kenmerken en Fysicochemische Eigenschappen van Liposomen

Zoals eerder vermeld, ondanks de wijdverspreide vooruitgang in de medische wetenschappen, staat de behandeling van sommige ziekten, met name kanker, nog steeds voor een zware uitdaging door ineffectieve therapeutische agenten en methoden. Het aanpassen van de geïnjecteerde medicijndosis om tumoren te beïnvloeden is een spannend kwestie vanwege het smalle therapeutische venster van antikankeragenten. Met andere woorden, een kleine afstand tussen de therapeutische en de toxische dosis, alsook ongeschikte gevoeligheid en specificiteit, hebben een grote vraag naar geavanceerde remediatieve procedures gecreëerd [42].

Bovendien heeft de benutting van nanomaterialen voor medicijnafgifte aan weefsels recentelijk aandacht getrokken. Biocompatibiliteit en biologisch afbreekbaarheid zijn twee essentiële kenmerken van biomaterialen voor het gebruik van nanomaterialen in afgifte systemen. Biocompatibiliteit is vereist om therapeutische NPs te weerhouden van het beschadigen van lichaamsweefsels en systemen, en biologisch afbreekbaarheid is urgent om NPs af te breken in niet-giftige verbindingen en ze eenvoudig uit de organen te verwijderen [15]. Na de detectie van liposomen, begonnen wetenschappers ze toe te passen als nanomaterialen voor medicijnafgifte. Zoals vermeld, hebben liposomen de twee vereiste biomateriaaleigenschappen voor therapeutische doeleinden: biocompatibiliteit en biologisch afbreekbaarheid [36]. Ook hebben liposomale NPs andere kenmerken die ze geschikt maken voor dit doel. Bijvoorbeeld, vanwege de specifieke structuur van liposomen, kunnen beide groepen hydrofiele (wateroplosbare) en hydrofobe (vetoplosbare) medicijnen ingekapseld worden in hen. Verder beschermt de aanwezigheid van een fosfolipide bilayermembraan in liposomen de agenten opgeslagen in liposomen tegen diverse fenomenen en schade, zoals enzymatische degradatie, biologische inactivatie door immunologische structuren en chemische veranderingen in vivo. Dit punt heeft twee significante voordelen: ten eerste wordt de structuur van de moleculen ingekapseld in het liposom bewaard voordat ze het doelwitweefsel bereiken, en er worden geen wijzigingen aangebracht in het, en ten tweede worden andere gezonde en niet-doelwitweefsels beschermd van blootstelling aan het medicijn door het liposommembraan en kunnen niet beïnvloed worden door deze agenten [42]. Liposomen kunnen ook worden toegepast voor het leveren van genetisch materiaal, zoals DNA, RNA, etc. en genetherapie doeleinden. Liposomen gebruikt voor dit doel kunnen samengesteld zijn uit kationische, anionische, neutrale lipiden en fosfolipiden of een mengsel van hen [45]. Sommige diagnostische en imaging agenten, zoals koolstofdots, kunnen worden gebruikt voor kankerdetectie en imaging in combinatie met liposomen of afzonderlijk [46]. Hoewel koolstofdots deels goedgekeurd zijn voor klinische toepassing en gebruikt in onderzoeken, blijft cytotoxiciteit een uitdagende barrière voor hun wijdverspreide toepassing [47]. De algemene structuur van liposomale medicijn NPs wordt getoond in Fig. 4.

De algemene structuur van de liposomen bestaat uit fosfolipide lagen. Afhankelijk van de hydrofiliciteit-hydrofobiciteit van een medicijn, wordt het geschikte type liposomen voor de afgifte ervan bepaald. Hydrofiele medicijnen worden ingesloten in de centrale hydrofiel kern, en hydrofobe medicijnen worden in het lipofiele gebied geplaatst. Liposomen kunnen ook worden gebruikt voor de afgifte van genen

De membraan-vormende fosfolipiden aanwezig in liposomen zijn niet-giftige verbindingen en kunnen worden gesynthetiseerd in een uitgebreid bereik van maten. De fysicochemische attributen van liposomen zijn afhankelijk van hun bestanddelen. Dus kunnen liposomen met de gewenste eigenschappen worden gesynthetiseerd door bepaalde verbindingen toe te voegen, zoals cholesterol, polyethyleenglycol (PEG), enz. Bovendien is het membraan van liposomen ondoorlaatbaar voor reusachtige moleculen, wat helpt om materiaal beter in het liposom te behouden [48]. Alle genoemde kenmerken van het liposom introduceren het als een geschikt nanomateriaal voor exploitatie in de afgifte van therapeutische agenten voor het behandelen van diverse ziekten, met name kanker.

Gregory Gregoriadis, als een van de pioniersonderzoekers in dit veld, stelde de hypothese voor van het gebruik van liposomen voor de medicijnafgifte systemen en stelde dat medicijnverbindingen in liposomen ingesloten kunnen worden [49]. De geschikte biomateriaal en fysicochemische eigenschappen van liposomen zijn gerapporteerd. Als voorbeeld, een onderzoek naar liposomen bevattend het antitumorale medicijn cytarabine gebruikt in diermodellen heeft een significante toename in de levensduur van muizen met L1210 leukemie getoond [50]. Door liposomen toe te passen, kan een voldoende dosis van de actieve vorm van het medicijn op een beschermde manier aan de doelsite geleverd worden [42].

Verbetering van Specificiteit en Gevoeligheid van Liposomale NPs voor Therapeutisch Gebruik

Zoals eerder vermeld, maakt het gebruik van diverse moleculen en polymeren het mogelijk om veranderingen in de structuur en het membraan van liposomen aan te brengen, en hierdoor kunnen nieuwe functionaliteiten aan liposomen worden toegevoegd of hun eigenschappen gewijzigd [51]. Zowel het verlengen van de circulatie van liposomen in het bloed als het vergroten van hun vermogen om te accumuleren in specifiek tumorweefsel of pathologische plek via het EPR-effect zijn de eerste belangrijke kenmerken die in aanmerking genomen moeten worden vanwege de hoge opschoningsratio van liposomen. De conjugatie van PEG-moleculen aan liposom-membranen door chemische conjugatie is achtereenvolgens gebruikt om deze functionaliteit aan liposomen toe te voegen [52]. Het belang en de rol van ethyleenglycol-polymeren in het verlengen van de halfwaardeleven van liposomen, met name de liposomale therapeutische NPs in lichaamsvloeistoffen zoals bloed, werd ongeveer 20 jaar geleden uitgedrukt [53].

Abuchowski en McCoy maakten de eerste pogingen om de halfwaardeleven van liposomen in de bloedstroom te verlengen door PEG te conjugeren aan hun structuur. Als resultaat verhoogden hun inspanningen over het algemeen de circulatie-tijd van liposomen en hun halfwaardeleven in de bloedstroom [54]. Na enkele maanden onderzochten andere onderzoekers de mogelijkheid om de hoge opschoningssnelheid van liposomen door mononucleaire fagocytose-systeem cellen (MPS) te verminderen. Door PEG aan de oppervlaktemoleculen van de liposomen te hechten [53], wordt verwacht dat de liposom-circulatie in het bloed verbetert. Er is een menigte artikelen in dit veld. Bovendien, in tegenstelling tot conventionele liposomen, toonden PEG-gecoate liposomen dosis-onafhankelijke farmacodynamische eigenschappen [55]. Onder diverse polymeren zijn PEG-moleculen een van de polymeren die aan het liposom-oppervlak kunnen worden gehecht om hun houdbaarheid in vivo te verlengen. Andere polymeren kunnen ook voor dit doel worden gebruikt [56]. Figuur 5 demonstreert hoe de PEG-polymer moleculen het liposom kunnen beschermen tegen antilichamen en ook het leven in de bloedstroom verlengen.

Conjugeren van een specifiek polymere zoals polyethyleenglycol (PEG) aan liposomen. a PEGyleerde liposomen met PEG-polymer molecuul schild. b Conventioneel liposom gevangen door antilichamen en opsoninen

Zoals vermeld, is het opmerkelijk dat andere moleculen kunnen worden benut om de circulatie van liposomen te verlengen naast PEG. Verder zijn polyoxazoline-polymeren onder de stoffen die gebruikt worden om het liposom-membraan te modificeren om hun halfwaardeleven te verbeteren. In dit opzicht waren Woodle et al. de eerste groep die poly[2-ethyl-2-oxazoline] (PEOZ) toepaste om stalth liposomen te synthetiseren. Hun resultaten getuigden van een vermindering in de eliminatie en opname van poly[2-ethyl-2-oxazoline] PETOXyleerde liposomen geïnjecteerd in ratten door lever-milcellen [57]. Hun resultaten gaven aan dat de conjugatie van andere polymeren zoals poly[2-ethyl-2-oxazoline] en poly[2-methyl-2-oxazoline] (PMOZ) PEG-achtige effecten kunnen hebben in het verlengen van de halfwaardeleven en het verlengen van de circulatie van liposomen in vivo. Ze vergeleken ook de bio-distributie van PEG-, PEOZ- en PMOZ-geconjugeerde liposomen in diverse organen en systemen. De gevolgen toonden ook aan dat de bio-distributie van al deze liposomen in bloed en milt bijna hetzelfde was, maar in de lever was de distributie van PMOZ veel lager dan de andere [57].

Pain et al. hechten dextrane moleculen aan het oppervlak van ULVs. Hun resultaten toonden aan dat dextrane-geconjugeerde liposomen, in vergelijking met conventionele liposomen, een verlengde circulatie en lagere absorptie en opname door de lever en milt hadden. Dit gevolg getuigde dat dextrane moleculen, naast het verlengen van de houdbaarheid van liposomen in het lichaam, ook kunnen worden toegepast voor het verhogen van de stabiliteit en het reguleren van de snelheid van medicijnvrijgave uit liposomen [58].

Het tweede punt dat opgemerkt moet worden is de vloeibaarheid en stabiliteit van liposomen. Andere lipiden, waaronder cholesterol, kunnen in het frame van liposomen worden gebruikt. Cholesterol kan occasioneel worden vervangen voor sommige verbindingen in de fosfolipide bilayera om sommige eigenschappen van het liposom te verbeteren. Niettemin is het bewezen dat het wijzigen van de inhoud van het liposom-bilayera en het vervangen van enkele van de fosfolipide moleculen met bepaalde verbindingen, met name cholesterol, de vloeibaarheid van liposomen kan verminderen [59]. Bovendien verhoogt de aanwezigheid van cholesterol in het membraan van liposomen de stabiliteit van hun structuur (zowel in vivo als in vitro experimenten). Het verlaagt ook de doorlaatbaarheid en de mogelijkheid van lekkage van ingesloten stoffen. Cholesterol is een hydrofoob steroïde dat interageert met de hydrofobe ketens tussen fosfolipide bilayers om de structuur te stabiliseren wanneer het aanwezig is in het membraan van liposomen. Deze actie van het cholesterol is substantieel bij het klinisch exploiteren van liposomen in vivo omdat het het liposom voorkomt van het converteren naar high-density lipoprotein (HDL) en low-density lipoprotein (LDL) in het lichaam. Bovendien kunnen lipide structuren aanwezig in het bloed en intracellulaire vloeistoffen een indruk maken op liposomen. Lipoproteïnen zoals LDL en HDL beïnvloeden geïnjecteerde liposomen en veroorzaken lipidoverdracht en herrangschikking van hun membranen. Ze verminderen ook drastisch de stabiliteit van medicijn-bevattende liposomale NPs [12]. Het is opmerkelijk dat andere materialen, zoals DNA en andere moleculen gebruikt in liposom-membraan voor therapeutische toepassingen, geankerd moeten worden aan het cholesterol in het membraan. Het toevoegen van diverse stoffen aan liposom-membranen is één manier om positieve kenmerken in liposomen te creëren [42].

De derde essentiële kenmerken die overwogen moeten worden zijn de gevoeligheid en specificiteit van liposomen voor nauwkeurige identificatie en specifieke binding aan doelcellen. Door verbindingen te binden, zoals monoklonale antilichamen, F_ab fragmenten en andere conjugerende moleculen zoals transferrine en foliumzuur, is het mogelijk om de specificiteit van liposomen te verbeteren, wat resulteert in specifieke binding aan tumorcellen [60]. Bovendien is verbetering van de specificiteit en gevoeligheid van medicijn-nanodragers, specifiek liposomen, eerder onderzocht. Bijvoorbeeld, Mohammad J. Akbar et al. bestudeerden peptide-PEG-lipide-geconjugeerde liposomen om kleine-cel longkanker (SCLC) te behandelen. Hun resultaten toonden aan dat het binden van de Gastrin Vrijmakende Peptiide Receptor (GRPR) antagonist peptiide aan liposomen de specificiteit en accumulatie van deze liposomen in GRPR-exprimerende cellen kon verhogen. Ze claimden ook dat deze liposomen gehecht aan peptiden kunnen worden toegepast om longkankercellen te behandelen door de opregulatie van GRPR-exprimerende genen in hen [61].

Uiteindelijk werden medicijnen en medicijnen aan PEGyleerde liposomen toegevoegd vanwege hun geschikte eigenschappen, en nu zijn deze liposomale structuren vastgesteld voor industriële-klinische benutting [62]. Antilichamen werden ook in vroege studies gebruikt om de capaciteit van liposomen te vergroten om te binden aan doelcellen [63]. In dit geval werd receptor-gemedieerde endocytose uitgevoerd door liposomen om de cel binnen te gaan [64]. Ondertussen zijn diverse methoden ontwikkeld om antilichamen aan liposomen te binden [65]. Studies op antilichaam-geconjugeerde liposomen hebben bewezen dat de toxiciteit van antikankermedicijnen tegen gekweekte tumorcellen toeneemt met het conjugeren van antilichamen aan liposom-oppervlakken [66]. Toen antilichamen werden toegepast op het oppervlak van PEG-liposomen, werd het restant van antilichamen om aan hun doelreceptoren te hechten verbergd door PEG-polymeren, met name wanneer de zijketens gehecht aan de PEG lang waren [67]. Daarom moet het gelijktijdige gebruik van PEG en antilichaam voor liposom-medicatie en de nadelen ervan overwogen worden door wetenschappers.

De vierde belangrijke factor in de therapeutische toepassing van liposomen is de studie van de vrijgave van medicijnen ingesloten in hen. Aanpassing van liposomen voor de uitscheiding van medicijnen in hen beïnvloed door de abnormale omstandigheden van de beschadigde weefsels is een van de cruciale kwesties in het klinisch toedienen van liposomen. Verder is het gebruik van temperatuur-gevoelige verbindingen, pH, of een specifieke metaboliet in het oppervlak van liposomen die kan binden aan het weefsel en membraan-oppervlak van de doelcellen een methode om deze medicijnen precies vrij te maken. Het gebruik van deze methode kan resulteren in het specifieke effect van liposomen op het membraan-oppervlak van doelcellen en ook de medicijninhoud in hen vrij te maken [68].

De vrijgavesnelheid van verbindingen ingesloten in liposomale NPs is het vijfde substantiële criterium voor het aanpassen van de dosis van medicijnen beschikbaar op de doelsite. Een van de essentiële objecten die overwogen moeten worden voor het juiste gebruik van alle soorten medicijnafgifte systemen, waaronder liposomen, is de vrijgavesnelheid van medicijnen en regulering. Met betrekking tot liposomale medicijnafgifte systemen en NPs, is het de moeite waard om te vermelden dat de ingekapselde stoffen in de liposomen niet biologisch beschikbaar zijn en alleen biobeschikbaar kunnen zijn terwijl ze vrijgegeven worden uit de initiële toestand. Daarom kunnen medicijn-bevattende liposomen de capaciteit bieden om de concentratie van biobeschikbare medicijnen voor kankerachtige weefsels te verhogen en de kwaliteit van de behandeling en therapeutische effectiviteit kan worden bereikt op voorwaarde dat de snelheid van medicijnvrijgave uit het liposom wordt aangepast [69]. Verder is het bewezen dat het wijzigen van de liposom-bilayera inhoud en het vervangen van sommige fosfolipiden met bepaalde verbindingen, met name steroïde moleculen zoals cholesterol, de doorlaatbaarheid en ongewilde lekkage van de in hen opgeslagen verbindingen kan verminderen [70]. Gevolgd kan dit voordeel worden benut om de vrijgavesnelheid van de ingekapselde verbinding aan te passen. Eenmaal vrijgegeven, moeten de medicijnen voldoende in de cel penetreren en de noodzakelijke fysiologisch-biochemische veranderingen aanbrengen om hun impact uit te oefenen.

Zoals eerder vermeld, kunnen diverse verbindingen, waaronder aptamers, aan liposomen geconjugeerd worden. In dit opzicht hebben Mohammad Mashreghi et al. anti-epitheale celadhensiemolecuul (anti-EpCAM) als een aptamer toegepast om Caelyx® liposomen te functionaliseren. Hun experimentuitkomsten bepaalden dat functionalisatie van Caelyx® met deze aptamer de meriten van dit liposomale medicijn kon verbeteren en het een levensvatbare optie maakte voor kankerbehandeling [71]. Figuur 6 toont de structuur van verschillende typen liposomen die in vitro of voor klinisch-wetenschappelijke doeleinden gebruikt worden schematisch.

Verschillende soorten liposomen. a Conventioneel liposom; b cholesterol-geconjugeerd liposom; c PEGyleerd of stalth liposom; d ligandel-gericht liposom; e multi-functioneel liposom

De doorlaat van medicijnen door lysosomen om cellen binnen te gaan (die een lage pH hebben en veel afbrekende enzymen) is de zesde belangrijkste factor voor de praktische toepassing van geconjugeerde medicijnen aan liposomen. Om therapeutische agenten te beschermen tegen ongewenste conversies in extracellulaire en intracellulaire ruimte, worden cel-penetrerende peptiden aan het liposom-oppervlak gehecht [72].

Over Liposomale Medicijnen Farmacologie: Farmacokinetiek en Farmacodynamica

De beoordeling van farmacologische attributen, als een essentieel deel van geneeskunde en farmaceutische wetenschap, is vereist niet alleen om een beter begrip van liposomen voor- en nadelen als medicijndragers te krijgen, maar ook om ze in klinische studies te bevestigen en te evalueren. De farmacologische eigenschappen van liposomale medicijnen en hun interacties met het lichaam kunnen in twee verschillende aspecten worden onderzocht: farmacokinetiek (het effect van het lichaam op therapeutische verbindingen) en farmacodynamica (hoe medicijnen werken en het lichaam en cellulaire pathways beïnvloeden) [73]. In het algemeen vereist het gebruik van liposomen voor medicijnafgifte in kankerbehandeling of andere stoornissen de verhoogging van de effectiviteit van deze agenten enerzijds, en het verminderen van hun toxiciteit ten aanzien van normale weefsels anderzijds. Onderwerpen zoals de juiste toedieningsroute van NP-gebaseerde medicijnen, hun circulatie in de bloedstroom en halfwaardeleven, hun biologische distributie in weefsels, en hun cellulaire metabolisme, alsook hun eliminatie, metabolisering en opschoning, zijn bestudeerd in het veld van farmacokinetiek [74]. De farmacokinetiek van liposomen bestudeert primair de biobeschikbaarheid van liposoom-geconjugeerde medicijnen in diverse lichaamsvloeistoffen en weefsels. Inderdaad, de studie van chemische decompositie en biologische excretie, en liposom-opname en zuivering worden ook overwogen in farmacokinetiek. De resultaten van studies op farmacologische voordelen van het gebruik van liposomale medicijnen (onafhankelijk van het type liposomen toegepast in de DDS) in plaats van vrije medicijnen toonden aan dat:

Primair kan liposom het medicijnvrijgaveprofiel aanpassen naar een gestage vrijgave, en daarbij de vereiste voor constante injectie verminderen. Tweedens kan het de aanwezigheid van het medicijn in de bloedstroom en lichaamsvloeistoffen verlengen, en als gevolg, de halfwaardeleven vergroten. Derdens heeft het het potentieel om tot een betere bio-distributie in kankerachtige weefsels te leiden terwijl medicijneffecten op gezonde weefsels verminderen vanwege beperkte deeltjesgrootte om het endotheel van gezonde capillairen te kruisen. Uiteindelijk vermindert het de medicijnmetabolisering en -inactivatie in plasma voordat het het doelwitweefsel bereikt, naast zijn positieve effect op de opschoning van medicijn-metabolieten [75, 76].

Echter, sommige veranderingen zijn vereist in de farmacokinetiek van liposomen om hun oplosbaarheid, specificiteit en gevoeligheid te verhogen. Deze modificaties stellen ze in staat om chemotherapie-resistente cellen te overwinnen, de effectiviteit en halfwaardeleven te verbeteren. Bovendien moet hun toxiciteit of onbedoelde metabolische verbindingen product als gevolg van hun metabolisering door deze modificaties verminderd worden [77].

Na het consumeren van liposomale medicijnen toediening, gaan ze het lichaam binnen en circuleren in de bloedstroom met een specifieke halfwaardeleven. Hun grootte en vormende samenstelling bepalen de halfwaardeleven van liposomale medicijnen. Bovendien kan snelle opschoning van liposomale medicijnen uit het lichaam hun duur van werking en therapeutische index verminderen. Zoals voorheen vermeld, is het toevoegen van hydrofiele polymeren zoals PEG aan liposomen in staat om hun opschoningssnelheid te verminderen en deze uitdaging op te lossen [78]. Ook is het mogelijk om de vloeibaarheid en medicijnvrijgavesnelheid van het liposom-membraan aan te passen door cholesterolmoleculen toe te voegen.

De toepassing van liposomen voor medicijnafgifte kan leiden tot sommige veranderingen in medicijnfarmacokinetiek [79]. Het vermogen van liposomen om de farmacokinetische eigenschappen van de diverse medicijnen en medicijnen te veranderen is een van hun significante voordelen in medicijnafgifte systemen [80]. Met betrekking tot het proces van liposom-opschoning en eliminatie, is het duidelijk dat liposomale structuren beïnvloed worden door plasmaproteïnen na toediening. Bijvoorbeeld, na injectie van liposomale nanopartikelen worden opsoninen geadsorbeerd op het oppervlak van de liposomen. Opsoninen zijn plasmaproteïnen die voornamelijk immuunglobulinen en fibronectine omvatten [42]. De aanwezigheid van opsoninen op het oppervlak van liposomen zal resulteren in hun eliminatie door MPS, als een van de significante eliminatiesecties van diverse medicijnen uit bloed en lichaamsvloeistoffen. Ze schonen liposomen ook door de hechting van sommige receptoren zoals complement C3b en Fc aan opsonine-liposom complexen [81]. Diverse weefsels en cellen zoals lever Kupffer-cellen, macrofagen aanwezig in de milt, beenmerg en lymfeklieren zijn betrokken bij de opschoning van liposomale NPs [82].

Volgens de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) definitie, verwijst farmacodynamica naar de studie van de farmacologische impact van verbindingen op levende systemen en de biochemische en fysiologische gevolgen van deze effecten [83]. De verhoogde uitwijking om therapeutische agenten te identificeren wanneer ingekapseld in liposomen is erkend als een van de farmacodynamische voordelen van liposomen benutting [84].

Verder hebben de fysicochemische kenmerken significante invloeden op de farmacologie van liposomale medicijnen. De deeltjesgrootte, elektrische lading van het membraan, en de samenstelling van membraanlipiden zijn enkele van deze fysicochemische eigenschappen die de farmacokinetiek en farmacodynamica van de agenten kunnen beïnvloeden. Ten eerste is er een directe relatie tussen de deeltjesgrootte van nanopartikelen, waaronder liposomen, en hun opschoningssnelheid. Door de grootte van NPs te vergroten, zal hun eliminatiesnelheid door het immuunsysteem en MPS-cellen ook toenemen [85]. Ten tweede is het de moeite waard om te vermelden dat de nettolading van liposom-membranen een gevolg is van de elektrische lading van fosfolipiden en hun andere bestanddeeldeeltjes die ze opmaken. Als resultaat is een toename in de membraanlading geassocieerd met verbeterde opschoningssnelheden van deze agenten [86]. De samenstelling van membraanlipiden en andere structurele kenmerken (zoals hydrofiel kernstraal) beïnvloeden de farmacokinetiek van liposomale medicijnen ook opmerkelijk [87].

Belangrijker is, er is gehypotheseerd dat verschillende typen liposomen afzonderlijke medicijnkinetiek/dynamica vertonen afhankelijk van hun verschillende structuren. De medicijnvrijgavesnelheid berust ook op het aantal fosfolipide bilayers en de inhoud van geladen medicijnverbindingen. Het is ook afhankelijk van de hydrodynamische diameter, totale volume en andere farmacokinetische eigenschappen alsook [88].

Toedieningsroute van Liposomale Medicijnen

Zoals veel verschillende medicijnen, kunnen NP-gebaseerde liposomale medicijnen worden toegediend vanuit een wijd verscheidenheid aan routes. Met andere woorden, orale consumptie [89] en diverse injectiemethoden zoals intraveneuze (I.V.) toediening en diverse locale injecties zijn onder de gangbare toedieningsroutes van liposomale medicijnen [90]. Het gebruik van nanopartikelen, waaronder liposomen, voor medicijnafgifte via orale toediening is benadrukt als een effectieve strategie aangezien de nanopartikelen de biobeschikbaarheid van medicijnen verhogen, hun interactie met cellen verbeteren en eventuele wijzigingen in de moleculaire structuur van het medicijn door enzymen en maagsappen in de gastro-intestinale tract voorkomen. Bovendien hebben ze de capaciteit niet alleen om de vrijgave van remediemoleculen in de mucosaal en epidermale laag te verbeteren, maar ook om medicijnen te beschermen tegen ongewenste veranderingen tijdens het eerste-doorloop-effect [89]. Intraveneuze injectie wordt gebruikt als de primaire toedieningsroute voor veel liposomale medicijnen goedgekeurd door de FDA of andere autoriteiten [42]. Aan de andere kant, subcutane (S.C.), intradermale (I.D.), intraperitoneale (I.P.) en intramusculaire (I.M.), geclassificeerd onder de titel van de locale injectie, worden ook gebruikt voor toediening van liposomale medicijnen [90,91,92].

Liposomale Medicijnen Lot In Vivo en Hun Doelwit Mechanisme van Actie

Na toediening van de liposomale medicijnen, bereiken ze de pathologische letsels op de doelsite door de bloedstroom en accumuleren daar. Het werkingsmechanisme van liposomale medicijnen op tumoren begint met hun accumulatie op de doelsite, opname ervan door tumorcellen en de vrijgave van vrije medicijnen [93]. Na het binnenkomen in het lichaam, bereiken liposomale medicijnen de tumoren via diverse doelwit mechanismen van actie en interageren met cellen op verschillende manieren [94]. In het algemeen zijn tumor-doelwit mechanismen verdeeld in twee categorieën: passieve en actieve targeting. Passieve targeting verwijst naar de mechanismen waarin liposomen spontaan accumuleren op de tumorplek en interageren met doelcellen zonder de aanwezigheid van een specifieke ligandel [95]. Het effect van verhoogde permeabiliteit en retentie (EPR) is voorgesteld als het meest cruciale passieve doelwitmechanisme. Precies, de spontane accumulatie van therapeutische NPs en liposomale medicijnen op de tumorplek wordt het EPR-effect genoemd [96]. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan de lekkende aard van tumorweefselvaten, in tegenstelling tot normale weefselcapillairen, wat ze doorlaatbaar maakt voor moleculen en NPs. Gevolgd leidt dit uiteindelijk tot de accumulatie van medicijnverbindingen in deze weefsels en het EPR-effect [97]. Het uiteindelijke lot van het medicijn in de intracellulaire vloeistof en cytoplasma van tumorcellen hangt af van diverse factoren zoals vrijgavemechanisme, nanodrager bestanddelen en molecuulstructuur [98]. In gezond weefsel zijn het aantal en de vorm van capillairen proportioneel en normaal, respectievelijk. Echter, in kankerachtige organen, in tegenstelling tot gezond weefsel, zijn het aantal en de structuur van capillairen hoger en vervormd, respectievelijk, vanwege het angiogeneseproces. Bovendien is de tumorcapillairestructuur vernietigd, en de endotheele phalanxcellen zijn verminderd. Als resultaat zal het volume van plasma-vloeistof dat lekt in de intercellulaire ruimte worden verhoogd. In gezond weefsel behouden capillair phalanxcellen de cellulaire strakke adhesies, wat NPs, kleine moleculen en liposomale medicijnen voorkomt van het insijpelen in de intercellulaire ruimte [99]. Het EPR-effect in kankerachtige capillairen en hun verschil met normale en gezonde weefselvaten zijn geïllustreerd in Fig. 7.

Werkingsmechanisme van medicijn-bevattende liposomen op tumorcellen via EPR-effect. a Gezond weefsel en zijn normale capillairen; b kankerachtig weefsel met verhoogde-vervormde vaten; c structuur van normale en gezonde vaat; d vernietiging en vervormde capillaire in tumorweefsel

Aan de andere kant heeft actieve targeting aanzienlijke aandacht getrokken als een van de doelwitmechanismen van actie vanwege de geschikte effectiviteit en hoge specificiteit. Actieve targeting omvat diverse typen en is ook doorgaans gericht op het verminderen van de off-target effecten van liposomale NPs op gezonde cellen en niet-doelweefsels [95]. In deze methode worden moleculen zoals monoklonale antilichamen, kleine moleculen, signaalpeptiden, vitamines, specifieke koolhydraten, glycolipiden of aptamers doorgaans gebruikt voor oppervlaktemodificatie van liposomen [100, 101]. Bovendien kan actieve targeting worden gesplitst in diverse subtypen volgens diverse kenmerken. Bijvoorbeeld, het kan worden geclassificeerd in twee algemene categorieën:

1. Doelwit tumorcel- en kankerweefselreceptoren: Deze methode berust op het conjugeren van specifieke moleculen aan het membraanoppervlak van liposomen, waardoor ze in staat zijn om te binden aan speciale of overexprimeerde receptoren op kankercellen [102]. In kankercellen veroorzaakt opregulatie van verschillende genen een toename in de expressie van specifieke celoppervlaktreceptoren als reactie op verhoogde metabolische eisen voor snelle celproliferatie [103]. In actieve targeting kunnen specifieke moleculaire modificaties worden toegepast voor het specifiek richten op de overexprimeerde celoppervlaktreceptoren van kankercellen, zoals foliaatreceptor (FR), transferrinereceptor (TfR) of Epidermale Groeifactorreceptor (EGFR) [95]. In dit opzicht is de rol van foliaatreceptoren in kankercellen om de opname van foliumzuur te verhogen [104], terwijl transferrinereceptoren binden aan transferrine (als een vrij molecuul met 80 kDa gewicht in serum) en endocytose van deze monomerige glycoproteïne laten plaatsvinden [105]. Bovendien zijn EGFR-receptoren een klasse tyrosinekinasen betrokken bij cellulaire processen zoals weefseldifferentiatie en herstel. De expressie van deze receptor in kankercellen is aanzienlijk toegenomen door zijn betrokkenheid in processen zoals angiogenese, celproliferatie en metastasering [106].

2. Gebruik van tumor-micro-omgeving als doelwit: In deze methode worden veranderingen in het oppervlak van liposomen benut om ze in staat te stellen om signaalpeptiden of andere receptoren in de micro-omgeving van kankercellen te richten. Met andere woorden, dit actieve doelwitmechanisme kan de groei van tumorcellen en metastasering remmen, genotypische en fenotypische variaties in neo-vasculaire endotheele cellen voorkomen en medicijnresistentie controleren [107]. Verder worden sommige receptoren in de tumor-micro-omgeving, zoals Vasculaire Endotheliale Groeifactor (VEGF), Vasculaire Cel Adhesie Eiwit (VCAM), matrix metalloproteasen en integrine, in dit mechanisme gericht [95].

Cellulaire Opname van Therapeutische NPs en het Effect van Liposomale Medicijnen op Gerichte Cellen: Acties en Interacties

Zoals eerder vermeld, zijn liposomen in staat om tumorcellen te richten ofwel passief ofwel actief. Nadat het liposom de kankerachtige cellen en de tumoromgeving bereikt via het doelwitmechanisme, kan het zijn therapeutische inhoud vrijgeven en zijn effecten uitoefenen door middel van diverse mechanismen. Gevolgd kunnen lipide samenstelling, het oppervlaktelading van het membraan, type kanker, type doelcellen, alsook de aanwezigheid van specifieke liganden op het liposom-membraan, de cel-liposom interactie beïnvloeden [108].

Figuur 8 illustreert verschillende typen liposom-interacties met doelcellen. Na het injecteren in het lichaam, reizen medicijn-bevattende liposomen naar verschillende weefsels door bloedvaten en bereiken uiteindelijk hun doelcellen op basis van hun oppervlakteliggenden. Deze liposomen kunnen binden aan cellulaire receptoren via deze liganden, wat specifieke absorptie wordt genoemd [42]. Alhoewel, receptor-vrije liposomen kunnen ook hechten aan het doelceloppervlak door moleculaire aantrekking, electrostatische krachten en moleculaire interacties genaamd niet-specifieke absorptie. Na liposomen binding aan de cel, wordt het therapeutische agent vrijgegeven in het cytoplasma, en de effecten ervan kunnen op verschillende manieren geproduceerd worden. De liposomale nanodragers kunnen volledig gefuseerd worden aan het plasmamembraan van de cel en het medicijn vrijgeven. Medicijnverbindingen zijn ook in staat om vrijgegeven te worden uit het liposom in de cel en de cel binnen te gaan door micropinocytose of passieve diffusie zonder het voorkomen van fusie. Liposomen kunnen direct interageren met de cel of lipide fragmenten uitwisselen met het celmembraan door eiwit-gemedieerde processen. Tegelijkertijd kan het medicijn op de cel werken en de therapeutische effecten van het liposomale medicijn uitoefenen. Echter, sommige liposomen zijn in staat om door endocytose (specifieke of niet-specifieke) binnen te gaan. In het bijzonder, liposomen die de cel binnendringen via deze passage kunnen diverse destins hebben. Het is mogelijk voor hen om te combineren met lysosomen. In dergelijke gevallen beïnvloeden lysosomale enzymen de structuur van het medicijn door de pH van de fagolysosom-zak te verlagen. Uiteindelijk geven liposomen het medicijn vrij door het te fusen aan het celmembraan of endocytose, en daarna oefenen medicijnen hun therapeutische effect uit [42, 62]. Alle mogelijke manieren voor het liposom om de cel binnen te dringen en zijn effect uit te oefenen zijn afgebeeld en vergeleken in Fig. 8.

Binding van liposomen aan de doelcel. a Specifieke hechting via ligandel-receptor interactie; b niet-specifieke absorptie van liposomen door intramoleculaire-elektrische krachten; c de hechting en fusie van liposom aan het celmembraan en medicijnvrijgave; d liposom aankomst op de doelcel en medicijnvrijgave zonder fusie; e uitwisseling lipide fragmenten tussen het celmembraan en liposom door eiwit-gemedieerde processen; f endocytose van liposom door doelcel; g lysosomale verteer van liposom in het celcytoplasma

Aan de andere kant kunnen NP-gebaseerde medicijnen endocytose, pinocytose of fagocytose door de doelcellen ondergaan. Endocytose is bekend als het proces waarin verbindingen buiten de celruimte de celmembraan benaderen en dan de cel binnenkomen als een vesikel [109]. Pinocytose, ook herkend als vloeistof-endocytose, treedt op wanneer kleine moleculen of suspensies in een cel worden geïntroduceerd door een vesikel door het creëren van een invaginatie in het celmembraan. Bovendien treedt pinocytose massaal op in menselijke cellen om vetdruppels te absorberen. In een immunologische studie rapporteerden Yuriko Tanaka et al. dat liposom-gekoppeerde antigenen pinocytose kan worden uitgevoerd door antigeen-verwerkende cellen (APC). Dit rapport had bewezen dat liposomen pinocytose mechanismen kunnen ondergaan [110]. In fagocytose worden deeltjes groter dan 0,5 µm doorslikt door immuuncellen, het kan ook voorkomen voor liposomen (vooral voor MLVs en liposomen groter dan 500 nm). Bijvoorbeeld, Jitendra N. Verma et al. bevestigden het voorkomen van fagocytose op liposomen door een studie op de fagocytose van liposomen met malariage antigene door macrofagen [111].

Kaposi's Sarcoom, Een Voorbeeld van Succesvolle Liposomale Medicijnen Toepassingen

Kaposi's sarcoom is een progressief multifocale anti-proliferatieve kanker primair bekend als endometrium-sarcoom. Deze kanker is meer voorkomend bij HIV-patiënten wiens immuunsysteem is verzwakt. Verder is het veelvuldig gezien in huidweefsel en kan ook andere weefsels betrekken. Daarom wordt deze stoornis doorgaans aangeduid als slijmvlies-huid sarcoom [112]. Om deze ziekte te behandelen, kunnen gemodificeerde lang-circulerende liposomen nuttig zijn. In dit opzicht richten liposomen passief tumorcellen. Bovendien verhoogt het effect van EPR en specifieke binding de concentratie van het therapeutische medicijn in kankerweefsels 5 tot 11 keer hoger dan normale huid [113]. Voor dit doel wordt Doxorubicine gebruikt voor de behandeling van deze ziekte. Overeenkomstig, opsluiting van de doxorubicin in liposomen (die PEGyleerd was om de halfwaardeleven te verlengen) voorkomt dat normale weefsels blootgesteld worden aan het medicijn. Het vermindert ook de medicijnopname door deze gezonde doxorubicine-gevoelige weefsels zoals het hart [114].

Bovendien is de liposomale vorm van doxorubicin, Doxil, een type anthracyclinemiddel dat goedgekeurd is voor klinische toediening door de US-FDA. Het wordt gebruikt om AIDS-gerelateerde Kaposi-sarcoom en multiple myeloom te behandelen [115]. Doxil heeft betere therapeutische effectiviteit en minder toxiciteit dan vrije doxorubicin, wat toegeschreven kan worden aan zijn vermogen om tumoren indirect te richten. Het is ook passieve targeting door lekkage van tumorvaten en het EPR-effect [116]. Bovendien zijn de Doxil unilamellaire liposomen < 100 nm in grootte en zijn gebruikt om diverse kankersoorten te behandelen [42]. Analyses hebben ook bewezen dat vrije doxorubicine-concentratie lager is dan die van Doxil op de doelsite [117]. In dit opzicht onderzochten Ogawara et al. het effect van Doxil (gevormd door doxorubicine te binden aan PEG-liposomen) op kankercellen in mannelijke muizen en toonden aan dat PEG-liposomale doxorubicine of Doxil1 effectief was op zowel doxorubicine-resistente als doxorubicine-gevoelige C26-celgroepen [118]. Dit kan het belang van de exploitatie van liposomale NPs benadrukken. Omdat ze kunnen worden geconsumeerd om de resistentie van kankercellen tegen gangbare chemotherapie-agenten te overwinnen tegen lage kosten zonder tijdrovend onderzoekswerk om nieuwe klinische therapeutische verbindingen te ontdekken [119]. De toepassing van nanopartikelen, zoals liposomen, om doxorubicine aan tumorweefsels te leveren is breed onderzocht. Opsluiting van ATP-binding cassette transporter superfamilie B lid 1 (ABCB1) substraat doxorubicine in liposomen kan de medicijnopname verhogen en de intracellulaire distributie binnen kankercellen verbeteren, met name ABCB1-exprimerende kankercellen [120]. De eenvoudige structuur van Doxil is geïllustreerd in Fig. 9.

De schematische structuur van Doxil medicijn. Doxorubicine medicijnmoleculen zijn ingesloten in de hydrofiel caviteit van unilamellaire PEGyleerde liposomen

Verder kunnen liposomale nanomaterialen worden benut voor de behandeling van infectieziektes. Systemische schimmelinfectie is een van de meest uitdagende condities die meestal behandeld wordt met amphotericine B, die hoog giftig is voor niercellen. Voor dit doel kan het gebruik van liposom-ingesloten amphotericine B de toxiciteit van dit medicijn verminderen vergeleken met de vrije vorm [48]. Unilamellaire liposomen zijn gebruikt om dit agent in te sluiten. Het is bewezen dat liposomale amphotericine B effectiever is dan de vrije medicijnvorm [121]. Gebaseerd op de formulering, veranderen deze liposomen ook de bio-distributie van amphotericine B, zoals antikankermedicijnen, wat op zijn beurt niet alleen het werkingsmechanisme regelt, maar ook de effectieve dosiskoncentratie op het doelweefsel verhoogt [122]. AmbiSome, liposomale vorm amphotericine B, is ook goedgekeurd voor publieke toediening. Andere goedgekeurde liposomale medicijnen, van antifungale medicijnen tot kankertherapeutische agenten, zijn samengevat in Tabel 1.

Hoewel de toepassing van liposomale NPs om kanker te behandelen als een levensvatbare oplossing voor medicijnafgifte en beïnvloeding van tumorcellen is aangeprezen, is medicijnafgifte aan kankerachtige weefsels in het centrale zenuwstelsel (CNS) een significante uitdaging gebleven. Bovendien ondervindt medicijnafgifte aan centrale zenuwstelsel cellen veel turbulenties vanwege een bloed-hersenbarrière (BBB). Echter, dit probleem kan deels worden opgelost door het ontwikkelen van nieuwe methoden en het gebruik van lipide-gebaseerde verbindingen [136].

Liposomale Nanopartikelen in het Onderzoeksstadium voor Therapeutische Doeleinden

Liposomale siRNA

RNA is een type genetisch molecuul met een verscheidenheid aan functies, waaronder vertaling en transcriptieprocessen. De ontdekking van small-interfering RNA (siRNA) is een significante vooruitgang in de biologie in het laatste decennium [137]. Synthetische siRNAs kunnen worden gebruikt om oncogenen en hun mRNAs te richten. Verder kunnen siRNAs worden toegepast voor het richten op genen die bijdragen aan de carcinogenese, proliferatie en metastasering van tumorcellen of hun resistentie tegen standaard chemotherapieën en straling [138]. Daarom is het beschouwd als een moderne methode voor kankertherapie. Aan de andere kant moeten de nanopartikelen gebruikt om siRNA te leveren eigenschappen bezitten zoals biologisch afbreekbaarheid, grote bio-distributie, lage toxiciteit, enz. Al deze kenmerken kunnen worden geboden door liposomen wat deze populaire medicijnafgifte systeem een veelbelovende kandidaat maakt voor dit doel [28]. siRNAs gebonden aan neutrale lipide-gebaseerde NPs zijn goed geïsoleerd van deze liposomen. Ze beïnvloeden ook ephrine type-A receptor 2 (EphA2), focale adhesie kinase (FAK), neuropiline-2, Interleukine 8 (IL-8) en TROJAN Mobile Remote Receiving System/erythroblast transformatie-specifiek (TMRRS/ERG), Elongatiefactor 2 kinase (EF2K) of Bcl-2 pathways. Na het optreden van dit mechanisme, is een geschikt antitumorale effect waargenomen tegen ovarium, colon en borstkankercellen, etc. [139, 140]. Tallooze studies zijn uitgevoerd op siRNA-afgifte door liposomen, en in de meeste van hen is het kationische lipide Dioleoyl-3-trimethylammonium propane (DOTAP) breed uitgegeven in de structuur van liposomen. Vanwege de hoge positieve lading van DOTAP kan dit kationische lipide giftig zijn voor cellen. Het kan cellulair hemolyse stimuleren en de uiteindelijke biocompatibiliteit verlagen. Dit heeft de toepassing van dit lipide in de samenstelling van liposomen toegepast voor siRNA-afgifte uitgedaagd [141].

Liposomale Curcumine Nanopartikelen

Curcumine-geconjugeerde liposomen zijn een ander voorbeeld van liposomale nanopartikel gebruik. Curcumine is een natuurlijke polyfenolische en hydrofiele verbinding die rijk is in de Curcuma longa plant en voornamelijk kan worden bereid uit kurkuma-extract. Tegenwoordig is het antikanker-effect van curcumine goed aangetoond tegen veel tumorcellen, zoals borstkanker, levercarcinoom en prostaatkanker, etc. [142]. Het primaire werkingsmechanisme van curcumine tegen kankercellen is om te interfereren met de vertaling van eiwitten zoals Bcl-xl en apoptose te reguleren door hun proces te beïnvloeden, het controleren van de vrijgave van reactieve zuurstofsoorten (ROS) en cytochroom, het reguleren van moleculaire factoren zoals cycline die de celcyclus beïnvloeden. Aan de andere kant kan curcumine de kern- en mitochondriale DNA-structuur van leverkankercellen beschadigen, waardoor hun functie wordt ontwricht [143]. In vergelijking met vrije curcumine, verbetert de toepassing van liposomale curcumine farmacokinetiek en farmacodynamica terwijl de benodigde dosering om tumoren te richten wordt verminderd. Matheus Andrade Chave et al. verkenden curcumine-bevattende liposomen door curcumine-moleculen in de MLV-liposom in te voegen [144]. De synthese van liposomale curcumine en curcumine-structuur worden beschreven in Fig. 10.

Een overzicht van curcuminepoeder en liposomale curcumine synthese. Chemische reacties uitgevoerd voor liposomale curcumine productie en curcumine molecuulstructuur in diverse vormen worden eenvoudig gedemonstreerd

Daarnaast kunnen liposomen voorbereid voor therapeutische onderzoeksapplicaties worden gesynthetiseerd door diverse methoden te gebruiken. Bijvoorbeeld, Qiao Wang et al. benutten de ultrasonificatie en lipide-film-hydratatie methode om daidzeine lang-circulerende liposomen (DLCL) te synthetiseren [145]. Xiaoyuan Ding et al. gebruikten ook de filmhydratatie methode voor de synthese van aptamer en Au-NPs (Apt-Au)-gemodificeerde Morin pH-gevoelige liposom. Hun resultaten toonden hoge biocompatibiliteit en onbeduidende toxiciteit van deze liposomale structuren en benadrukten deze liposomen als een levensvatbare optie voor selectieve targeting van tumoren [146].

Overige Liposomale NPs in het Onderzoeksstadium

Verscheidene liposomale medicijnen zijn gesynthetiseerd en gebruikt in diverse medicijnen in het onderzoeksstadium. Bijvoorbeeld, CPX-1 werd geproduceerd door de antitumorale agenten, Irinotecan en floxuridine (1: 1 molaire verhouding) in liposomen in te sluiten, en was ontworpen om gevorderde darmkanker te behandelen. Deze therapeutische nanopartikel is in fase II onderzoeksstatus [128]. Lipovaxin-MM is een andere belangrijke liposomale nanopartikel in fase I onderzoek voorbereid door melanoma-antigenen in liposomen te plaatsen en hoofdzakelijk toegepast voor immunotherapie van maligne melanoma. Dit agent is ook onder onderzoek [128].

Conclusie

Als sferische structuren in vloeistoffen, kunnen liposomen worden toegepast als een veelbelovende optie voor kankertherapie en medicijnafgifte, alsook imaging en ziektebeheer. Door liposomen voor- en nadelen te beoordelen, zullen wetenschappers in staat zijn om ze in toekomstige onderzoekswerken te verbeteren.

Enkele kansen en uitdagingen in liposomen benutting worden hieronder beschreven. Een van de handige kenmerken van liposomen is hun morfologische gelijkenis met cellen (aanwezigheid van fosfolipiden), alsook het verhogen van de effectiviteit van de medicijnen. Als een negatief punt, kunnen liposomale fosfolipiden soms hydrolyse of oxidatie reacties ondergaan wat problematisch kan zijn. Andere voordelen van liposomen omvatten verhoogde stabiliteit van het ingesloten medicijn in het, verminderde contact van gevoelige weefsels met therapeutische moleculen, verminderde medicijntoxiciteit, verbeterde farmacokinetische en farmacodynamische eigenschappen, het vermogen om de snelheid van medicijnvrijgave te reguleren, en het potentieel van hun structuur om de gewenste chemische modificatie te accepteren. In tegenstelling tot deze kansen, zijn er enkele uitdagingen zoals lekkage of onbedoelde opsluiting van medicijnen, lage liposom-bioactiviteit, verminderde oplosbaarheid, snelle opschoning van conventionele liposomen uit het bloed door het reticulo-endotheliale systeem (RES), en problemen veroorzaakt door continue intraveneuze toediening of locale injectie.

Naast het bestuderen van de voor- en nadelen van liposomen, moeten we hun juiste doelwitmechanisme van actie in overweging nemen. Passieve targeting wordt beschouwd als een nuttig mechanisme vanwege de overvloedige klinische bewijzen en ervaring. Het verhoogt ook de circulatie-tijd van liposomale medicijnen. Het probleem van dit mechanisme ligt in de niet-specifieke medicijnafgifte en de fysiologische barrières. In tegenstelling, de gunstige kenmerken van actieve targeting omvatten verhoogde specificiteit in medicijnafgifte, de mogelijkheid om chemotherapie-resistente tumorcellen te overwinnen en verminderde off-target effecten. Echter, de moeilijkheid in het identificeren van nauwkeurige bindingsplaatsen op kankercellen en het gebrek aan adequate bewijzen van zijn vroegere benutting hebben geleid tot enkele op-en-neers in de toepassing.

Liposomen zijn redelijke kandidaten voor het verhogen van de effectiviteit van huidige antikankeragenten en het voorkomen van het ontstaan van medicijnresistentie. Toekomstig onderzoek in dit gebied moet zich richten op verder onderzoek in de eigenschappen van liposomale structuren. Om te ondervragen over medicijnopslag in therapeutische nanopartikelen, waaronder liposomen, zullen veel meer gedetailleerde onderzoeken vereist zijn.

Afkortingen

WHO:

World Health Organization

VNPs:

Virale nanopartikelen

NPs:

Nanopartikelen

US FDA:

United States Food and Drug Administration

DDSs:

Medicijnafgifte systemen

PC:

Fosfatidylcholine

SM:

Sphingomyeline

PS:

Fosfatidylserine

PE:

Fosfatidylethanolamine

ULVs:

Unilamellaire vesikels

OLVs:

Oligo lamellaire vesikels

MLVs:

Multilamellaire vesikels

SUVs:

Kleine unilamellaire vesikels

RBF:

Ronde-bodem kolven

LNs:

Liposomale nanopartikelen

MPS:

Mononucleair fagocytose-systeem

PEG:

Polyethyleenglycol

PEOZ:

Poly [2-ethyl 2-oxazoline]

PETOXylated:

Poly [2-ethyl-2-oxazolylated

PMOZ:

Poly [2-methyloxazoline]

HDL:

High-density lipoprotein

LDL:

Low-density lipoprotein

SCLC:

Kleine-cel longkanker

GRPR:

Gastrine-vrijmakende peptiide receptor

Anti-EpCAM:

Anti-epitheale celadhensiemolecuul

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

I.V.:

Intraveneus

S.C.:

Subcutaan

I.D.:

Intradermaal

I.P.:

Intraperitoneaal

I.M.:

Intramusculair

EPR:

Verhoogde permeabiliteit en retentie

fR:

Foliaatreceptor

TfR:

Transferrinereceptor

EGFR:

Epidermale groeifactorreceptor

VEGF:

Vasculaire endotheliale groeifactor

VCAM:

Vasculaire celadhesie-eiwit

APC:

Antigeen-presenterende cellen

ABCB1:

ATP-binding cassette transporter superfamilie B lid 1

HSPC:

Hydro soja fosfatidylcholine

DSPG:

1,2-Distearoil-sn-glycero-3-PG

DOPC:

Dioleoylfosfatidylcholine

DPPG:

1,2-Dipalmitoil-sn-glycero-3-fosfoglycerol

DSPC:

1,2-Distearoil-sn-glycero-3-fosfocholine

AML:

Acute myeloïde leukemie

ALL:

Acute lymfocytaire leukemie

DSPE:

1,2-Distearoil-sn-glycero-3-fosfoethanolamine

DOPE:

Dioleoylfosfatidylethanolamine;

EPG:

Esterified propoxylated glycerols;

DMPC:

1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfocholine

DOPS:

1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-fosfo-L-serine

POPC:

1-Palmitoil-2-oleoyl-sn-glycero-3-fosfocholine

DMPG:

1,2-Dimyristoyl-sn-glycero-3-fosfoglycerol

MPEG:

Methoxypolyethyleenglycolen.

CNS:

Centraal zenuwstelsel

BBB:

Bloed-hersenbarrière

siRNA:

Small-interfering RNA

EphA2:

Ephrine type-A receptor 2

FAK:

Focale adhesie kinase

IL-8:

Interleukine-8

TMRRS/ERG:

TMRRS/ERG TROJAN Mobile Remote Receiving System/erythroblast transformatie-specifiek

EF2K:

Elongatiefactor 2 kinase

DOTAP:

Dioleoyl-3-trimethylammonium propane

ROS:

Reactieve zuurstofsoorten

DLDC:

Daidzeine lang-circulerende liposomen

RES:

Reticulo-endotheliale systeem