Magnetisch gefunctionaliseerde nanodeeltjes voor biomedische, medicijnafgifte en beeldvormingstoepassingen

Abstract

De geneeskunde is voortdurend op zoek naar nieuwe en verbeterde behandelingen voor ziekten, die een hoge werkzaamheid en kosteneffectiviteit moeten hebben, waardoor er een grote vraag is naar wetenschappelijk onderzoek om dergelijke nieuwe behandelingen te ontdekken. Een belangrijk aspect van elke behandeling is het vermogen om alleen de ziekte aan te pakken en geen schade toe te brengen aan een ander gezond deel van het lichaam. Om deze reden zijn en worden metalen nanodeeltjes momenteel uitgebreid onderzocht voor hun mogelijke medische toepassingen, waaronder medische beeldvorming, antibacteriële en antivirale toepassingen. Superparamagnetische metalen nanodeeltjes hebben eigenschappen waardoor ze rond het lichaam kunnen worden gericht met een magnetisch veld of naar een magnetisch implantaat, wat de mogelijkheid opent om verschillende bio-ladingen te conjugeren aan de nanodeeltjes die vervolgens kunnen worden gericht voor behandeling in het lichaam. Hier rapporteren we over enkele van de huidige biomedische toepassingen van verschillende metalen nanodeeltjes, waaronder enkele metalen nanodeeltjes, gefunctionaliseerde metalen nanodeeltjes en kern-schaal metalen nanodeeltjes met behulp van een kern van Fe₃ O₄ evenals synthesemethoden van deze kern-schaal nanodeeltjes.

Inleiding

Metalen nanomaterialen vormen een belangrijke doorgang naar de toekomst van de geneeskunde. Hoewel er nog veel onbekend is over de veiligheid van metalen nanodeeltjes in de geneeskunde op lange termijn [1], hebben deze deeltjes hun plaats al gevonden binnen verschillende biomedische toepassingen zoals site-specific imaging in vivo [2,3,4], kankerdetectie [5, 6], kankertherapie [7,8,9,10], neurodegeneratieve ziektetherapie [11,12,13], HIV/AIDS-therapie [14,15,16], oogziektetherapie [17,18,19 ] en therapie voor luchtwegaandoeningen [20, 21]. Afbeelding 1 geeft een reeks huidige toepassingen van nanodeeltjes in de geneeskunde weer. Ondanks de recente vooruitgang in de nanogeneeskunde, zijn er nog steeds veel obstakels op de weg van nanotherapie, zoals het moeilijk kan zijn om een syntheseroute te bereiken die gemakkelijk herhaalbare resultaten oplevert, waarbij veel nanodeeltjessynthesemethoden een bereik in beide maten opleveren [22] ,23,24] en vormen [25,26,27,28] van nanodeeltjes en/of produceren de nanomaterialen niet in een voldoende grote hoeveelheid om het economisch levensvatbaar te maken [29]. Een andere belangrijke factor is dat het relatief onbekend is over de toxiciteit op lange termijn van sommige nanodeeltjes over een bepaalde periode vanwege het relatief nieuwe onderzoeksgebied [30,31,32]. Onder de vele mogelijke toepassingen van metalen nanodeeltjes ligt het gebied van medicijnafgifte [33, 34]. Door het grote oppervlak dat nanodeeltjes bieden [35], hebben ze het vermogen om grote hoeveelheden medicijnen of andere medische ladingen af te leveren [36]. Een alternatief voor enkelvoudige metalen nanodeeltjes is om een kern in het nanodeeltje op te nemen die andere eigenschappen heeft dan het schaalmateriaal, en een voorbeeld hiervan is om een magnetische kern op te nemen. Een uitdaging die zich nog steeds voordoet, is het synthetiseren van core-shell nanodeeltjes; er zijn veel manieren om nanodeeltjes te synthetiseren [37], maar er ontstaan nieuwe uitdagingen bij het synthetiseren van een kern-shell nanodeeltje [38].

Enkele van de huidige toepassingen van nanodeeltjes in de geneeskunde

Deze review richt zich eerst op enkele van de methoden die momenteel worden gebruikt om kern-schil nanodeeltjes te genereren, waarbij de nadruk ligt op het gebruik van kernen van Fe₃ O₄ en coatings van goud of zilver. Vervolgens onderzoeken we de huidige biomedische toepassingen van enkelvoudige metalen nanodeeltjes, hun beperkingen en hoe deze te overwinnen met de toepassing van magnetische kernen.

Synthese van Core-Shell Nanodeeltjes

Methoden voor de synthese van metallische nanodeeltjes zijn al vele jaren bekend, bijvoorbeeld Stevenson et al. publiceerde een synthese voor gouden nanodeeltjes via de reductie van HAuCl₄ in 1951 [39]. Sindsdien zijn er veel verschillende routes geweest voor de synthese van nanodeeltjes, zoals gasafzetting [40], sol-gel [41] en aerosol/dampfase [42]. Er doet zich echter een nieuwe uitdaging voor wanneer men probeert metalen nanodeeltjes te synthetiseren die bestaan uit een kern-schilstructuur, waarbij één metaal de kern vormt en een tweede metaal de schil, bijvoorbeeld Fe-deeltjes degraderen in water, terwijl HAuCl₄ is een sterk oxidatiemiddel [38]. Een zo'n voorbeeld dat verder zal worden besproken, is het gebruik van een Fe₃ O₄ (ijzeroxide) kern en goud als coatingschaal. Bij de bereiding van dergelijke kern-schaal metalen nanodeeltjes, zijn twee van de grootste problemen het beheersen van de coatingsnelheid en het beheersen van de uniformiteit van de coating om een oplossing van nanodeeltjes te creëren die allemaal een zeer vergelijkbare vorm en grootte hebben [43]. Coating van goud of zilver op een kern van ijzeroxide kan worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën:directe coating van goud/zilver op ijzer [44] of het gebruik van een tussenlaag als lijm tussen de goud- en ijzerlaag [45]. De eerste categorie wordt hier besproken. De volgende tekst beschrijft enkele methoden die zijn bedacht om met goud en zilver gecoat Fe₃ te synthetiseren O₄ nanodeeltjes.

Omgekeerde micelsynthese

Een populaire route voor het synthetiseren van metalen nanodeeltjes is het gebruik van de omgekeerde micelmethode, of soms de micro-emulsieroute genoemd [46]. Deze methode werd voor het eerst geïntroduceerd in de jaren tachtig toen colloïdale oplossingen van rhodium, platina en palladium nanodeeltjes voor het eerst werden gesynthetiseerd [47].

Micellen worden gevormd wanneer moleculen met hydrofobe en hydrofiele bestanddelen in contact komen met een waterige of hydrofobe fase [48]. De micellen zullen zich zo organiseren dat het hydrofiele deel in contact kan komen met de waterige fase en het hydrofobe bestanddeel tegenover de hydrofobe fase [49]. In wezen wordt een sferoïde gevormd met een binnenste afgeschermde fase, die bovendien een lading kan bevatten [43, 50,51,52].

Er zijn verschillende benaderingen van de micro-emulsieroute en deze omvatten water-in-olie (w/o) [53] en water-in-superkritisch CO₂ (w/sc-CO₂ ) [54]. Een w/o-emulsie treedt op wanneer water wordt gedispergeerd in een op koolwaterstof gebaseerde continue fase [53], thermodynamisch aangedreven zelfassemblage van oppervlakteactieve stoffen, en vervolgens de omgekeerde micellen genereert, waarbij sferische micellen de meest voorkomende vorm zijn [43]. Alle toegevoegde polaire of ionische materialen die aan dit mengsel worden toegevoegd, worden in de micellen gecompartimenteerd en nanodeeltjes worden vervolgens gevormd wanneer de micelmembranen door Brownse beweging met elkaar in contract komen [55]. A w/sc-CO₂ emulsie omvat het gebruik van een vloeistof (CO₂ ) die zich in een superkritische toestand bevindt, d.w.z. boven zowel de kritische druk als de temperatuur [56]. Deze methode is van bijzonder belang omdat het een meer "groene" benadering van de synthese van nanodeeltjes is, omdat er geen giftige organische oplosmiddelen nodig zijn. Het is ook gemakkelijker om het product terug te winnen door simpelweg de druk te verlagen en de vloeistof vrij te geven als CO₂ gas [57].

De omgekeerde micelroute is aangepast van het synthetiseren van metalen nanodeeltjes tot het coaten van eerder gesynthetiseerde nanodeeltjes [58]. Het eerste met goud beklede ijzeroxide (Au-Fe₃ O₄ ) nanodeeltjes gesynthetiseerd in omgekeerde micellen werden zo bijna 20 jaar geleden gedaan [59]. Deze synthese van Au-Fe₃ O₄ nanodeeltjes werd gedaan met behulp van een H₂ O/CTAB-systeem (cetyltrimethylammoniumbromide) om de micellen te produceren met natriumboorhydride (NaBH₄ ) als reductiemiddel, reducerend goudchloride (HAuCl₄ ) op de ijzeren kern. Deze synthese produceerde een dispersie van nanodeeltjes met een gemiddelde grootte van 12 nm. Aangezien dit de eerste productie is van Au-Fe₃ O₄ NP's die micro-emulsies gebruiken, er is een reeks van Au-Fe₃ . geweest O₄ NPs-syntheseroutes ontdekt [46, 60,61,62,63]. Afbeelding 2 is een algemene weergave van hoe de nanodeeltjes worden gevormd met behulp van de omgekeerde micelroute.

Een generieke weergave van de interactie van omgekeerde micellen die zouten bevatten die reageren om metalen nanodeeltjes te vormen

Lin et al. publiceerde een licht gewijzigde methode om Fe₃ . te coaten O₄ met goud met behulp van een omgekeerde micelmethode [60]. De synthese maakt ook gebruik van een systeem dat CTAB als oppervlakteactieve stof gebruikt om de omgekeerde micel te vormen, maar met 1-butanol als hulpoppervlakteactieve stof en octaan als de oliefase, waarbij een wateroplossing wordt toegevoegd die de metaalionen bevat met behulp van NaBH₄ om HAuCl₄ te verminderen op het oppervlak van de ijzeroxide nanodeeltjes. De gerapporteerde optische resultaten van de gecoate deeltjes toonden een verschuiving in de absorptiepiek van de UV/vis-spectra van het gouden colloïde (526 nm) naar de Au-Fe₃ O₄ (555 nm). De TEM-resultaten van de gecoate deeltjes gaven een grootteverdeling aan van 5-15 nm, met een gemiddelde grootte van 10 nm. Deze methode werd herhaald door Pana et al. met een iets grotere grootteverdeling van Au-Fe₃ . ter grootte van 5–35 nm O₄ nanodeeltjes [63]. Bovendien is een zeer vergelijkbaar systeem gebruikt door Seip et al. met uitzondering van het gebruik van hydrazine om de HAuCl₄ . te verlagen [64].

De coating van Fe₃ O₄ nanodeeltjes is niet beperkt tot alleen goud; Lopez Perez et al. gerapporteerd over de synthese van ijzeroxide nanodeeltjes met behulp van een systeem dat cyclohexaan/Brij-97 (co-surfactant) en een waterige fase met ijzerzouten van FeSO₄ bevat .7H₂ O en FeCl₃ .6H₂ O [65]. Dit systeem is gecoat met zowel zilver [58] als goud [46] en produceert 13-nm deeltjes. Een alternatieve methode wordt gerapporteerd door Tamer et al. voor de synthese van Au-Fe₃ O₄ nanodeeltjes [62]. Deze methode maakt gebruik van een co-precipitatie van ijzerzouten in NaOH, die vervolgens werden gewassen in HClO₄ om geoxideerd Fe₃ . te produceren O₄ nanodeeltjes. Coating van goud op de Fe₃ O₄ NP's traden op via de reductie van HAuCl₄ door NaOH geleverd aan het systeem door CTAB-micellen. Au-Fe₃ O₄ NP's werden geproduceerd met een gemiddelde grootte van 23,5 nm. Na karakterisering werden deeltjes vervolgens gemodificeerd met verschillende functionele groepen om een zelf-geassembleerde monolaag (SAM) te vormen en verder gebruikt voor het vangen en detecteren van Escherichia coli .

Een aangepaste versie van de omgekeerde micelsynthese is gedaan door Zhang et al. waarbij een laser wordt gebruikt als initiator voor het coaten van ijzeren nanodeeltjes met goud [66]. Het proces omvat het maken van een reactiemengsel van ijzeren nanodeeltjes ingekapseld in CTAB-micellen, gouden nanopoeder in water en octaan, en vervolgens bestralen met een gepulseerde laser terwijl de reactie krachtig wordt geroerd. De laserbestraling vergemakkelijkt de thermische ontleding van de gouden nanodeeltjes. Goudatomen en clusters vormden zich rond de ijzeren nanodeeltjes en vormden met goud beklede ijzeren nanodeeltjes. De TEM-resultaten voor de op deze manier gesynthetiseerde Au-Fe-nanodeeltjes gaven een gemiddelde grootte van 18 nm met een grootteverdeling van ± 36 nm.

Thermische synthese

Onder de verschillende methoden voor de synthese van nanodeeltjes met een gouden schaal en een ijzeren kern ligt een thermische route, waarbij de reactie het reactiemengsel tot boven het kookpunt [67] en soms reflux [68, 69] omvat. Er zijn twee hoofdcategorieën voor dit type synthese:hydrothermisch (oplosmiddel op waterbasis) [70, 71] en solvotherm (oplosmiddel op organische basis) [68, 72]. Hoewel er veel technieken zijn voor het synthetiseren van metalen nanodeeltjes via de thermische route [73,74,75,76,77,78], is het niet mogelijk om de synthese van de kernen en het coaten van goud te bereiken in een éénpotsreactie [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81], en in sommige gevallen Fe₃ O₄ kernen worden gesynthetiseerd via een omgekeerde micelroute [70] of een colloïdale route [78] en vervolgens worden de deeltjes gecoat met behulp van een hydro- of solvotherme techniek [70, 76, 78]. Hoewel er verschillende oplosmiddelsystemen zijn die bij deze synthetische methoden worden gebruikt, omvatten de meeste routes de toevoeging van ijzeroxide-nanodeeltjes aan kokend HAuCl₄ of het omgekeerde van HAuCl₄ toegevoegd aan kokende oplossingen van ijzeroxide nanodeeltjes [74, 79].

Een methode voor de synthese van Au-Fe₃ O₄ nanodeeltjes is gedaan door Rudakovskaya et al. via een hydrothermische techniek [76]. Het principe van de methode volgt de toevoeging van Fe₃ O₄ nanodeeltjes tot een kokende HAuCl₄ oplossing. TEM-analyse van deze nanodeeltjes gaf een gemiddelde grootte van 30 nm aan, met een algemene bolvorm en een grootteverdeling tussen 20 en 35 nm; deze afbeeldingen zijn te zien in Afb. 3.

Een TEM-beeld van de nanodeeltjes gesynthetiseerd door Rudakovskaya et al. Zoals te zien is, zijn de nanodeeltjes ruwweg bolvormig met een gemiddelde grootte van 30 nm [76]

Colloïdale synthese

Colloïdale synthesetechnieken bieden een eenvoudige maar effectieve manier om metalen nanodeeltjes te synthetiseren [82]. Colloïdale technieken bieden vaak een niveau van eenvoud ten opzichte van andere technieken voor de synthese van nanodeeltjes, zonder dat er verschillende oplosmiddelen nodig zijn, of dat het bij kamertemperatuur kan worden uitgevoerd [83, 84]. De basisprincipes van de synthese zijn het dispergeren van verschillende metaalionen in een waterige fase, het toevoegen van een reductiemiddel aan het mengsel en vervolgens mengen bij een gecontroleerde temperatuur om onoplosbare nanodeeltjes te vormen [39]. Colloïdale syntheseroutes bieden het voordeel dat er geen potentieel giftige oplosmiddelen hoeven te worden betrokken bij de synthese (ideaal als de nanodeeltjes bedoeld zijn voor biologisch gebruik). Er zijn echter enkele beperkingen aan colloïdale routes, zoals het moeilijk kan zijn om de grootteverdeling van de uiteindelijke gesynthetiseerde nanodeeltjes te regelen [85] en de vorm van de nanodeeltjes kan sterk worden beïnvloed door de reagensconcentratie [85]. Positief is echter dat het makkelijker kan zijn om nanodeeltjes in grotere hoeveelheden te produceren [86]. Deze methode voor de synthese van metalen nanodeeltjes bestaat al vele jaren en wordt gebruikt voor de synthese van verschillende soorten nanodeeltjes zoals zilver [87] en goud [39, 88].

Deze basismethode is geavanceerd en ontwikkeld om verschillende synthetische routes te produceren voor de vorming van met goud beklede ijzeroxide-nanodeeltjes [83, 84, 89,90,91,92,93,94,95,96,97]. De meeste methoden voor de synthese van met goud bekleed ijzeroxide draaien om het gebruik van verschillende reductiemiddelen om HAuCl₄ te verminderen op het oppervlak van het ijzeroxide. Nadagouda et al. een voorgestelde "groene" synthetische route aanbieden, waarbij ascorbinezuur wordt gebruikt om HAuCl₄ . te verminderen [84]_. Deze methode lijkt echter weinig tot geen controle te hebben over de grootte of vorm van de gecoate nanodeeltjes vanwege het ontbreken van een afdekmiddel (een middel dat zich aan de buitenkant van het nanodeeltje bindt dat de verdere "groei" van het nanodeeltje stopt) dat bij de synthese wordt gebruikt. [98]. Een methode die meer controle laat zien over de vorm en grootte van gesynthetiseerde gecoate deeltjes wordt gepresenteerd door Pal et al. [95] Deze methode maakt gebruik van goudacetaat als het goudzout, dat wordt gereduceerd tot het oppervlak van 6-nm Fe₃ O₄ nanodeeltjes om Au–Fe₃ . ter grootte van 7 nm te creëren O₄ deeltjes, die bolvormig zijn. Een snelle methode voor het coaten van Fe₃ O₄ nanodeeltjes wordt gepresenteerd door Rawal et al. waarbij Fe₃ . wordt verspreid O₄ nanodeeltjes in een oplossing van HAuCl₄ , vervolgens mengen met ethanol [83]. Na 15 min bij kamertemperatuur werd de reactie gestopt en de Au-Fe₃ O₄ nanodeeltjes werden vervolgens gescheiden met een magneet. TEM-analyse van de gezuiverde oplossing toonde aan dat de geproduceerde deeltjes in grootte varieerden van 30 tot 100 nm en verschillende vormen over het monster hadden; deze afbeeldingen zijn te zien in Fig. 4. Hoewel deze synthesetechniek de gecoate nanodeeltjes snel produceerde, lijkt het geen erg efficiënte synthese te zijn voor de productie van deeltjes met een uniforme vorm en grootte [83].

Een TEM-beeld van de nanodeeltjes gesynthetiseerd door Rawal et al. Deze nanodeeltjes hebben een grootteverdeling van 20–100 nm [83]

Terwijl sommige technieken alleen de reductie van goudzouten bieden, geven andere er de voorkeur aan het reductiemiddel op het oppervlak van het ijzer aan te brengen, zoals hydroxylamine [90, 93]. In veel gevallen wanneer Fe₃ O₄ nanodeeltjes zijn gecoat met goud, de reductie van een goudzout levert ook standaard gouden nanodeeltjes op [74], dus de toevoeging van het reductiemiddel op het oppervlak van de ijzeren nanodeeltjes heeft tot doel de efficiëntie van de coating te verbeteren en is bedoeld om de hoeveelheid goud nanodeeltjes geproduceerd als bijproduct [93].

Een andere techniek omvat het zaaien van goud op het oppervlak van magnetische nanodeeltjes, wat een directere route biedt om goud rond de magnetische kern van de nanodeeltjes te laten kiemen [91, 92, 97]. Deze techniek omvat het binden van goudzaden, die kleiner zijn dan de ijzeroxide-nanodeeltjes in oplossing, aan het oppervlak van het ijzeroxide. Wanneer de HAuCl₄ is gereduceerd in oplossing, de Au⁺ ionen zullen op het ijzeroxide zaaien en een schil vormen rond de ijzeroxide-nanodeeltjes. Deze gold seeding is met succes toegepast door verschillende groepen; Goon et al. gebruikte polyethyleenimine om het zaaien van goud op het oppervlak van Fe₃ . te controleren O₄ , waardoor volledig gecoate nanodeeltjes worden geproduceerd. [91] Het gesynthetiseerde Au-Fe₃ O₄ deeltjes vertoonden een hoge polydispersiteit, met een deeltjesgrootte variërend van 40 tot 110 nm. Levin et al. erin geslaagd om gouden shell-magnetische kern nanodeeltjes te produceren met een groottebereik van 50-70 nm, met behulp van een kern gefunctionaliseerd met organosilaan moleculen om te binden aan de gouden zaden [92]. Het zaaien van gouden nanodeeltjes op een ijzeren kern kan worden aangetoond met een verscheidenheid aan kernvormen, bijvoorbeeld Wang et al. gedemonstreerd goud zaaien op rijstvormige "Nano rijst" Fe₃ O₄ structuren, die vervolgens leidden tot een volledige dikke gouden schaal toen goud op het oppervlak werd gereduceerd [97].

Bio-medische toepassingen van metalen nanodeeltjes

Antimicrobiële middelen

Bacteriële infecties komen zeer vaak voor, met antibiotica als primaire behandelingsmethode sinds de ontdekking van penicilline in 1928 door Alexander Fleming [99]. Nanogeneeskunde biedt ons een nieuw, breed scala aan mogelijke behandelingsmodaliteiten, waarbij metalen nanodeeltjes worden onderzocht voor toekomstige behandelingen [100]. Tabel 1 geeft een overzicht van enkele van de nanodeeltjes die zijn onderzocht voor antimicrobiële toepassingen. Een materiaal dat is onderzocht op zijn potentiële gebruik is zilver, waarvan is aangetoond dat het een verscheidenheid aan biomedische toepassingen heeft [101], bijvoorbeeld Sreekumar et al. gebruikte zilveren nanodeeltjes als onderdeel van een netwerk van antimicrobiële vezels. De nanodeeltjes varieerden in grootte van 20 tot 120 nm, met een antibacteriële werkzaamheid tegen Escherichia coli wel 94,3% vergeleken met de vezels zonder zilveren nanodeeltjes [102]. Hoewel is aangetoond dat een antibioticum zoals ampicilline in staat is om een sterftecijfer van ≤ 99,9% te bereiken in E. coli [103], rapporteerde dezelfde studie ook het ontstaan van resistentie tegen ampicilline in bepaalde stammen van E. coli . In deze zelfde opmerking is gemeld dat E. coli kan resistentie ontwikkelen tegen zilveren nanodeeltjes; deze resistentie is echter geen genetische verandering, maar het is een fysieke reactie die probeert de colloïdale nanodeeltjes te laten aggregeren [104]. Ook het gebruik van zilver vanwege zijn antibacteriële eigenschappen, Holtz et al. ontwierp een systeem van 60-nm zilvervanadaat nanodraden 'versierd' met zilveren nanodeeltjes met een diameter van 1-20 nm [105]. Dit systeem bleek veelbelovend te zijn tegen drie Staphylococcus aureus stammen en had interessant genoeg ook een veel lagere groeiremmende concentratie tegen methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) dan het antibioticum oxacilline.

Een synthese van zilveren nanodeeltjes werd gerapporteerd door Verma et al. waar ze hun nanodeeltjes tegen de bacteriën gebruikten:Pseudomonas fluorescens , E. coli , en de schimmel Candida albicans [106]. De zilveren nanodeeltjes hadden een gemiddelde minimale remmende groeiconcentratie van 5,83 g/ml over de drie stammen, vergeleken met sommige veelgebruikte antibiotica zoals ampicilline en neomycine die minimale remmende groeiconcentraties hebben van respectievelijk 4,0 g/ml en 16,0 μg/ml. tegen stammen van E. coli [110]. Van potentieel belang zijn de eigenschappen die de nanodeeltjes vertonen tegen P. fluorescenten een C. albicans , die beide geassocieerd zijn met het veroorzaken van ziekte bij immuungecompromitteerde patiënten [111]. Verder onderzoek zou kunnen uitwijzen dat de zilveren nanodeeltjes een efficiëntere manier zijn om de ziekteverwekkers te behandelen dan sommige van de meest gebruikte antibiotica, zoals amfotericine B, dat uitgebreide bijwerkingen heeft [112].

De synthese van met thioguanine afgedekte gouden nanodeeltjes is gerapporteerd door Selvaraj et al. waarbij een versterkt antimicrobieel effect tegen verschillende bacteriën, waaronder:E. coli , Aspergillus fumigatus , en Pseudomonas aeruginosa [107]. Er werd gevonden dat de met thioguanine afgedekte gouden nanodeeltjes effectiever waren dan ongeconjugeerde thioguanine als antikanker- en antimicrobiële middelen, en hun activiteiten toonden potentieel gebruik als dragers voor kankermedicijnen. Op een vergelijkbare manier is gemeld dat gouden nanodeeltjes een antimicrobieel effect hebben op Corynebacterium pseudotuberculosis [108] toonden nanodeeltjes met een gemiddelde grootte van 25 nm, bij gebruik van een dosis van 50 μg/ml, een bacteriegroeiremming van 95% na 20 min blootstelling. Evenzo werd aangetoond dat naakte gouden nanodeeltjes een antimicrobieel effect hebben op een verscheidenheid aan gram-negatieve en gram-positieve bacteriën, waaronder S. aureus , Klebsiella-pneumonie , en Bacillus subtilis [109]. Een dosis van 1,35 μg/ml AuNP's vertoonde een groeiremming van 46,4±0,4%, 38,3±0,2% en 57,8±0,2% voor S. aureus , K. longontsteking , en B. ondertiteling , respectievelijk.

Antiviraal

Net als bij antibacteriële toepassingen is gebleken dat metalen nanodeeltjes veelbelovend zijn in antivirale toepassingen; Tabel 2 toont een reeks nanodeeltjes waarvan is aangetoond dat ze antivirale eigenschappen hebben en mogelijk kunnen worden toegepast bij de behandeling van virussen. Er is aangetoond dat zowel naakte als gecoate zilveren nanodeeltjes [113,114,115,116] een reeks antivirale toepassingen hebben op nanoschaal.

Hepatitis B (HBV) is een virale infectie die momenteel 257 miljoen mensen over de hele wereld treft en verantwoordelijk was voor 887.000 sterfgevallen in 2015 volgens de Wereldgezondheidsorganisatie [121]. Kleine (10-50 nm) naakte zilveren nanodeeltjes zijn getest als een mogelijke behandeling voor HBV [113] en er is aangetoond dat ze efficiënt binden aan HBV en de productie van HBV-RNA verder remmen. Het werkingsmechanisme wordt verondersteld te wijten te zijn aan de binding van AgNP's aan het HBV-dsDNA (dubbelstrengs DNA). Rogers et al. hebben een gebruik aangetoond voor zilveren nanodeeltjes, zowel naakt als met een polysacharide-coating, als een antiviraal middel tegen het apenpokkenvirus (MPV) [114]. De nanodeeltjes zijn in vitro getest tegen MPV in een reeks van concentraties tussen 12,5-100 g/ml; de resultaten van de studie toonden aan dat alle gebruikte concentraties van met polysacharide gecoate zilveren nanodeeltjes (Ag-PS-NP's) in staat waren om MPV-geïnduceerde plaquevorming in vitro te verminderen.

Zilveren nanodeeltjes kunnen zelfs een rol spelen bij de behandeling van het humaan immunodeficiëntievirus (hiv) [115, 116]. Hiv is een groot gezondheidsprobleem, en de WHO schat dat in 2016 36,7 miljoen mensen met hiv leven [122]. Het is belangrijk dat behandelingen voor hiv snel en efficiënt worden ontdekt en uitgevoerd; Lara et al. hebben het effect aangetoond van zilveren nanodeeltjes (30-50 nm) op HIV-1 isolaten die remming van alle stammen van HIV-1 isolaten laten zien [116]. De naakte nanodeeltjes vertoonden een totale IC₅₀ van 0,44 mg/ml ± 0,3 tegen HIV-1, waarbij het mechanisme van virale remming de remming van virus-gastheercelbinding blijkt te zijn, met name de zilveren nanodeeltjes remmen de interactie tussen het gp120-eiwit (een envelopglycoproteïne) en de doelcel membraan receptoren. Ook aangetoond door dezelfde groep was het vermogen van zilveren nanodeeltjes gecoat met polyvinylpyrrolidon (PVP) om de transfectie van HIV-1 in een humaan cervicaal weefselexplantmodel [115] te voorkomen. In het bijzonder remden 0,15 mg/ml PVP-gecoate zilveren nanodeeltjes (PVP-AgNP's) infectie door HIV-_IIIB en HIV-_AZT-RV isoleert. Deze concentratie van PVP-AgNP's induceerde ook een proliferatie van lymfocyten (immuuncellen) naar de plaats van infectie, in vergelijking met het controlemonster [115].

Niet alleen zilver en gecoate zilveren nanodeeltjes zijn gebruikt tegen virussen:2-nm gouden nanodeeltjes gecoat met een amfifiele sulfaatligand bleken ook effectief te zijn tegen HIV-1 [118]. Van deze deeltjes werd aangetoond dat ze zich richten op het fusieproces van het virus en er werd aangetoond dat ze in vitro binden aan gp120-eiwit en de HIV-1-infectie direct neutraliseren. Met mercaptoethaansulfonaat gecoate gouden nanodeeltjes (Au-MES) vertoonden een remming van herpes simplex virus type 1 (HSV-1) infectie, mogelijk door remming van de virusbinding aan de gastheercel, cel tot cel virale verspreiding of verandering van celgevoeligheid voor virale infectie veroorzaakt door de aanwezigheid van de nanodeeltjes [117].

Van koperjodide-nanodeeltjes (CuI-NP's) is aangetoond dat ze antivirale eigenschappen hebben op verschillende virussen:feline calicivirus (FCV) [119] en, interessanter, het influenza A-virus van varkensoorsprong (H1N1) [120]. Honderd tot 400 nm CuI-NP's vertoonden een antivirale eigenschap bij gebruik tegen FCV, en de hypothese was dat monovalente Cu-ionen verantwoordelijk waren voor de productie van een reactieve zuurstofsoort (ROS) die daaropvolgende oxidatie van het capside-eiwit veroorzaakte, wat leidde tot FCV-inactivatie. H1N1-virus bleek ook te worden geremd door CuI-NP's, op een zeer vergelijkbare manier, namelijk de productie van hydroxylradicalen, wat leidde tot eiwitafbraak. Deze radicalen kunnen echter ook toxisch blijken te zijn voor niet-geïnfecteerde weefsels, wat belangrijk zou zijn om te bepalen voordat een behandeling zou worden goedgekeurd voor gebruik [123].

Beeldvorming

Magnetische resonantie beeldvorming (MRI)-scanning is een zeer nuttig hulpmiddel voor medische diagnose en biedt duidelijke anatomische beelden. Met behulp van MRI kan men de bloedstroom, fysiochemische eigenschappen en de toestand van weefsels en organen in het lichaam visualiseren [124]. Contrastmiddelen worden vaak gebruikt in MRI voor verbeterde diagnostische gevoeligheid [125]. Conventioneel gebruikte contrastmiddelen zijn gebaseerd op chelaat, maar de belangrijkste nadelen van huidige contrastmiddelen zijn hun biologische stabiliteit en hun toxiciteitsniveaus wanneer ze zich ophopen in cellen [126]. Sommige contrastmiddelen zijn bijvoorbeeld op jodium gebaseerd en er is gemeld dat blootstelling aan gejodeerde contrastmiddelen geassocieerd is met de daaropvolgende ontwikkeling van incidentele hyperthyreoïdie en incidentele openlijke hypothyreoïdie [127]. Er zijn alternatieven ontwikkeld om een verbeterde scanefficiëntie te bieden door de negatieve impact die contrastmiddelen op het lichaam kunnen hebben te verminderen [128]. Alternatieven zijn metalen nanodeeltjes die mogelijk zijn geconjugeerd met een middel dat op dezelfde manier werkt als een contrastmiddel voor MRI-scanning [129]. Figuur 5 is een MRI-contrastbeeld van een hersenschors van een rat voor en na de behandeling van AuNP's [130].

Een MRI-contrastbeeld van een hersenschors van een rat voor (links) en na de behandeling (rechts). Het gebied met de AuNP's is rood omrand

Tabel 3 toont enkele van de nanodeeltjes die zijn onderzocht voor gebruik in medische beeldvorming. Sommige contrastmiddelen voor computertomografie (CT) hebben problemen, waaronder korte halfwaardetijden in de bloedsomloop [131] en mogelijke weefselbeschadiging [130]. Hierdoor zijn ook metalen nanodeeltjes onderzocht voor gebruik in CT-beeldvorming [132]; Au-nanodeeltjes tonen veelbelovend gebruik in beeldvorming vanwege hun röntgenverzwakking [133]. Kojima et al. toonde aan dat gouden nanodeeltjes geconjugeerd met een gePEGyleerd dendrimeer (PEG-AuNP's) in vitro voor een superieur contrastmiddel zorgden evenals voor röntgencomputertomografie, vergeleken met het in de handel verkrijgbare jodiummiddel iopamidal [134]. De PEG-AuNP's vertoonden een hogere contrastefficiëntie dan de in de handel verkrijgbare iopamidale, met snelle uitscheiding uit het lichaam [135]. De auteurs merkten ook op dat de PEG-AuNP's fotocytotoxische eigenschappen hadden om fotothermische therapie mogelijk te maken.

Li et al. hebben het gebruik aangetoond van gecoate AuNP's als een beeldvormend hulpmiddel voor atherosclerose; de AuNP's werden toegepast in een soort medische beeldvorming genaamd "single-photon emission computed tomography" (SPECT) [136]. Dit type beeldvorming lijkt sterk op het gebruik van een gammacamera, maar het is in staat om echte 3D-beelden te leveren die kunnen worden gesneden, geroteerd en gemanipuleerd om een nauwkeurigere analytische techniek te verkrijgen [136]. De gemodificeerde nanodeeltjes waren specifiek gericht op atheroscleroseplaques die apoptotische macrofagen bevatten, wat wijst op een nuttig hulpmiddel voor invasieve nauwkeurige detectie van atheroscleroseplaques [136].

AuNPs have previously been demonstrated to be a possible agent for photoacoustic imaging (PA), showing high spatial resolution and sensitivity [137]. PA relies on the detection of ultrasonic waves which are emitted from tissues when exposed to non-ionizing pulsed laser irradiation [140]. The intensity/magnitude of the ultrasonic emission is responsible for the image contrast, therefore any agent that can both absorb the laser pulses and then give off heat as a result will increase the magnitude of the ultrasonic emission and AuNPs possess the ability to do both of these [141, 142]. AuNPs are potentially better than organic dyes due to the organic dyes’ susceptibility to photo-bleaching and rapid clearing from the blood [143]. AuNPs also have use in cell imaging for examining movement of nanoparticles within cells when conjugated with various cargoes. Figure 6 is a darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs that target epidermal growth factor receptor, and the bright areas within the cells are the nanoparticles indicating their locations within the cells [144].

Darkfield imaging of A431 lung cancer cells treated with AuNPs; the bright yellow/orange dots are nanoparticles within the cells

Biomedical Cargo Delivery

Nanoparticles make for an ideal molecule for drug delivery due to the huge surface area to the volume ratio they provide when compared to their bulk material [145]. In addition, it is possible to engineer nanoparticles to either avoid or interact with the immune system in specific ways [146, 147]. For example, it has been demonstrated that an increased hydrophobicity of nanoparticles/sub-groups conjugated to the nanoparticles illicit and increased immune response by measuring cytokine mRNA levels in mice [146]. Focusing in the opposite direction, it has been suggested that nanoparticles can be conjugated with various ligands to directly activate the immune system to target the destruction of a tumor [148] or by accumulation in the liver or spleen for the generation of tolerance or immunity, respectively [147].

Gold nanoparticles have been extensively studied for their delivery of medical cargo, for example, Bhumkar et al. have explored the application of AuNPs for trans-mucosal delivery of insulin. Gold nanoparticles were synthesized in the presence of chitosan, which acts as a polymeric stabilizer [149]. These nanoparticles were then loaded with insulin and administered both nasally and orally to diabetic rats. The results showed an overall reduction in the rat’s blood glucose levels, an indication of successful movement of the nanoparticles through the mucosal membranes and into the bloodstream.

More recently “smart” AuNPs have been employed in PA [138]. These nanoparticles are roughly 10 nm in diameter and are functionalized with citraconic amide moieties which are susceptible to hydrolysis. The citraconic amides are converted into positively charged primary amino acids at a mildly acidic pH, while the surface molecules adopt negative charges at physiological pH [138]. Combined, these two properties cause the “smart” nanoparticles to adopt both positive and negative charges allowing them to aggregate rapidly due to electrostatic attraction. These nanoparticles are referred to as “smart” due to the nanoparticles presenting cancer-specific properties and accumulate rapidly and efficiently in cancer tissues and show a much lower accumulation in normal tissues [150].

Gold nanoparticles can also be used as a delivery system for nucleic acids [153], including oligonucleotides [151] and small interfering RNA (siRNA) [154]. Many different methods have been developed to functionalize AuNPs with nucleic acids, for example, Yonezawa et al. have synthesized gold nanoparticles modified with thiocholine, which then bound to DNA and formed a fusion of wire-like structures throughout the DNA [155]. Sandström et al. demonstrated the ability to bind nucleic acids onto gold nanoparticles [151], and a similar modification has been done by Rosi et al. where tetrathiol-modified antisense oligonucleotides were bound to 13-nm gold nanoparticles [152]. Being able to conjugate nucleic acids to nanoparticles opens up the possibility of targeted gene delivery, which could, for example, lead to genes coding for a specific protein to be delivered to a cell that was either deficient in that protein or could not produce the protein themselves [156]. It has also been exhibited that gold nanoparticles modified with DNA can transfect cancer cells [157] (Table 4).

Anticancer Drug Delivery

Cancer is one of the world’s leading killers with large areas of scientific research being dedicated to the fight against cancer, and nanoparticles offer a new doorway into methods to target and treat cancer. Table 5 presents a selection of nanoparticle/drug conjugates that have been tested for anticancer treatments. Paciotti et al. have investigated the application of PEGylated AuNPs as a carrier for tumor necrosis factor (TNF) which is a cell-signaling protein that possess the ability to induce apoptosis in healthy cells [158]. The Au-PEG-TNF nanoparticles were injected intravenously and agglomerated significantly more in MC-38 colon carcinoma cells compared to other healthy cells/tissues. The TNF not only gave therapeutic action on the MC-38 cells, but also seemed to possess a targeting property, indicated by the lack of agglomeration in healthy cells. Another interesting observation reported was the ability for the Au-PEG-TNF nanoparticles to diminish a tumor mass compared to “free” TNF.

Doxorubicin is a widely used cancer therapeutic agent but has dose-limiting associations with cardiotoxicity. A gold nanoparticle-doxorubicin conjugate has been developed that demonstrates little no to cardiotoxicity to mice while being able to treat cancer [160]. Dixit et al. demonstrated the selective delivery of folic acid-coated AuNPs into folate receptor (FR) positive cancer cells, whereas when compared with a cell line that did not have folate receptors, uptake was shown to be minimal [159]. These results demonstrated the use of folate to target metal nanoparticles to FR-positive cancer cells for tumor imaging and ablation.

Limitations of Single Metal Nanoparticles and Overcoming Them

The principal obstacle with nanoparticle drug delivery is the ability to direct the nanoparticle to the target area [162, 163]. There are several methods in use for metal nanoparticle targeting such as antibodies [164,165,166] and homing peptides [167, 168]. There are however limitations to these methods, with the biggest being that before they even reach the desired target cells they have to pass through a variety of other barriers, such as blood vessels and the blood-brain barrier [169]. One way to overcome this targeting limitation is to use magnetic nanoparticles [170]. A magnetic nanoparticle-targeting system works by directing the nanoparticles to a target site using an external magnetic field, it has already been demonstrated that the magnetic anisotropy of the nanoparticle is a very important factor for medical treatments [171], with a change in anisotropy being able to the change the efficacy of hypothermia treatments for example [172]. Superparamagnetic metal nanoparticles have this property (they only present magnetic properties while in the presence of a magnetic field) [173]. However, the benefit of magnetic nanoparticles also presents a potential limitation, due to the toxicity of many magnetic materials [31, 174, 175]. Despite iron being approved for various imaging uses [5, 6, 31], it has been suggested in several studies that naked iron oxide nanoparticles may have some adverse effects when used in cell labeling [176,177,178]. One method that can be used to overcome any potential toxicity limitations is to coat the iron core [179]. A range of materials can be used as the coating material:silica [180,181,182], polymers [183, 184], gold [62, 93, 95, 185], or silver [58, 186]. Gold has low pharmaceutical activity [187] and silver has been used in biomedical applications for many years [188, 189],

The combination of a superparamagnetic core with an inert and safe metal coating produces metal nanoparticles with superior characteristics to non-magnetic metal particles [190]. As well as reducing toxicity, the coating also provides the potential for the conjugation of functionalized molecules onto the surface, such as drugs and biomolecules for application in the medical field [97, 140, 152]. It is of note that a core-shell nanoparticle still possesses the properties and uses of a nanoparticle made from the same material as just the shell, but the superparamagnetic core gives the ability to direct the nanoparticle in the body [191]. For example, a gold nanoparticle with an antibody is classified as a targeting nanoparticle, introducing the core would classify the nanoparticle as a directed targeting nanoparticle [173].

Current Medicinal Uses of Gold-Coated Iron Oxide Nanoparticles

Core-shell superparamagnetic nanoparticles have already been assessed for their biomedical uses, with a wide range of uses already being applied [192] and with a majority of research investigating into the use of gold as a shell for the nanoparticles, in part due to its biocompatibility and ability to easily bind to a variety of materials. As such, this section will deal exclusively with gold shell nanoparticles. One of these uses is as a magnetic carrier for drug targeting [192,193,194,195,196]. Kayal and Ramanujan have tested an in vitro apparatus that simulates the human circulatory system as a test for the magnetic delivery of gold-coated iron oxide nanoparticles (Au-Fe₃ O₄ ) loaded with doxorubicin [194]. Their system had various magnetic fields of increasing strength next to a capillary through which the doxorubicin-loaded particles were passed. A significant percentage of these nanoparticles were captured within the magnetic fields, strongly indicating the potential for the use of magnetic nanoparticles in drug delivery. Another use for a targeted system is the application of Au-Fe₃ O₄ nanoparticles in photothermal therapy. Bhana et al. demonstrated the use of a core-shell system used in combination therapy deployed against two different cancer cell lines; head and neck (KB-3-1) and breast (SK-BR-3) with a reported decrease in cell viability of 64% when they exposed cell lines to a combined photothermal and photodynamic therapy, compared to each modality used on its own [197]. In photothermal therapy, gold nanoparticles are coated with a ligand, such as PEG [142], and these nanoparticles are irradiated with a laser, with a wavelength that matches the UV-vis λ -max of the gold nanoparticles [194]. The nanoparticles vibrate at the laser’s frequency which causes heat to be released causing the death of the surrounding tissue [198], introducing a core which is superparamagnetic can allow for a more accurate targeting for use in this therapy. Similarly, it has been reported by Kirui et al. that gold hybrid nanoparticles were deployed against SW1222 colorectal cancer in photothermal therapy, showing an increased case of cellular apoptosis after therapy, with their conclusion being that the cells showed an increased uptake, leading to a reduced laser power required to reach threshold therapeutic levels [199]. The use of core-shell nanoparticles for photothermal therapy of cancer has also been reported by other groups [200, 201].

Metal nanoparticles have already shown to have a place in contrast imaging, for example core-shell nanoparticles can also be used in T_1- and T₂ -weighted imaging in MRI [202]. Research by Cho et al. demonstrated that gold-coated iron nanoparticles can be successfully used in MRI imaging, as well as opening the route for conjugating various ligands for use in biosensors [202]. A magnetic carrier capable of imaging and photothermal therapy has been reported by Cheng et al. They demonstrated the magnetic targeting of multi-functional nanoparticles to a tumor in a mouse model, which could be imaged inside the tumor and showed a reduction in the tumor size when combined with photothermal therapy [203]. It is also of note that in this work, both the nanoparticle dosage (1.6 mg/kg) and laser power (1 W/cm² ) are among the lowest applied for in vivo photothermal therapy. Moreover, there was no obvious toxicity from the nanoparticles reported. Table 6 presents some of the currently reported uses of core-shell nanoparticles.

Another medical area where such core-shell metal nanoparticles have been suggested to make an impact is in directed enzyme prodrug therapy (DEPT) [170, 191]. DEPT is a promising method of cancer treatment, with several therapies making it through to clinical trials [207, 208]. The main principal of DEPT is the targeted delivery of a prodrug-activating enzyme to a tumor site. Upon arrival at the tumor site, the enzyme enters the target cells where it can later activate an administered prodrug. However, the efficacy of the therapy depends on the ability to direct the enzyme to the tumor site, with current directional techniques relying on passive targeting methods such as viruses [207, 209] or antibodies [210, 211], rather than an active targeting system for enzyme delivery. A novel therapy proposed by Gwenin et al. potentially overcomes the targeting issue [170, 212]. This approach involves conjugating a genetically modified prodrug-activating enzyme onto the surface of a gold-coated iron oxide superparamagnetic nanoparticle (AuMNP), then directing the AuMNP-enzyme conjugate to the target site using a magnetic field to increase the efficacy of the targeted therapy. Figure 7 presents some of the uses of a core-shell nanoparticle.

A pictorial representation of the applications of core/shell nanoparticles

Conclusions

In brief, single metal nanoparticles have been shown to currently possess a wide range of biomedical applications, with more application for these nanoparticles being discovered. One of the limiting factors that these nanoparticles face in medical treatments is to find a way for precise accurate targeting of areas within the body, be it for targeting of a drug delivery or for therapies involving the nanoparticles directly. A way to overcome this is to employ a magnetic core to create core-shell nanoparticles that can then be directed around a body using a magnetic field. There are a variety of methods that can be used to synthesize these core-shell nanoparticles, with each method having its own advantages and disadvantages. There remain many obstacles for core-shell nanoparticles before they can be routinely applied in the medical field and these include

1)
Achieving a synthesis route which produces easily repeatable results;
2)
Producing particles of a set size [22,23,24] and shape [25,26,27,28]; and
3)
Producing large enough quantities to make it economically viable [29].

Another key factor is the relatively unknown toxicity of some nanoparticles over an extended period of time due to how relatively new the field of research is.

Availability of Data and Materials

Not applicable

Afkortingen

(o/w):: Oil-in-water
(w/o):: Water-in-oil
(w/sc-CO₂ ):: Water-in-supercritical CO₂
AgNP:: Silver nanoparticle
Ag-PS-NPs:: Polysaccharide-coated silver nanoparticles
Au-Fe₃ O₄ :: Gold-coated iron oxide nanoparticle
Au-MES:: Mercaptoethane sulfate-coated gold nanoparticle
AuNP:: Gold nanoparticle
Au-PEG-TNF:: Polyethylene glycol-coated tumor necrosis factor-loaded gold nanoparticles
CT:: Computed tomography
CTAB:: Cetyltrimethylammonium bromide
CuI NPs:: Copper-iodine nanoparticles
DNA:: Deoxyribonucleic acid
FCV:: Feline calicivirus
FR:: Folate receptor
Gp120:: Glycoprotein 120
H1N1:: Influenza A of swine origin
HBV:: Hepatitis B virus
HIV:: Human immune-deficiency virus-1
HSV-1:: Herpes simplex virus 1
KB-3-1:: Head and neck cancer
MC-38:: Colon carcinoma
MPV:: Monkeypox virus
MRI:: Magnetic resonance imaging
PA:: Photoacoustic imaging
PEG:: Polyethylene glycol
PVP-AgNP:: Polyvinylpyrrolidone-coated silver nanoparticle
RNA:: Ribonucleic acid
ROS:: Reactive oxygen species
siRNA:: Small interfering ribonucleic acid
Sk-BR-3:: Breast cancer
SPECT:: Single-photon emission computed tomography
TNF:: Tumor necrosis factor

Seeksel elektrochemische cortisol biosensor op basis van tindisulfide nanovlokken Light-Trapping Engineering voor de verbeteringen van breedband en spectra-selectieve fotodetectie door zelf-geassembleerde diëlektrische microcavity arrays

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal