En la era de las aplicaciones biomédicas de las nanopartículas, es imperativo determinar cómo afectan las funciones biológicas y el destino de la nanomedicina. Este análisis contribuiría positivamente a optimizar la nanomedicina, reducir los efectos secundarios, mejorar la implementación clínica y maximizar su impacto.
Estudio: Técnicas avanzadas de análisis de fuentes de luz para explorar el comportamiento biológico y el destino de la nanomedicina. Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock.com
El rápido crecimiento de las tecnologías de análisis de fuentes de luz avanzadas (ALS) ha permitido a los científicos determinar el destino de la nanomedicina en vivo. Los investigadores han revisado recientemente las tecnologías de análisis de ALS, en particular la espectroscopia y la imagen, para resaltar su aplicabilidad en la determinación del comportamiento biológico y el destino de los nanomedicamentos. Esta clasificación está disponible en Ciencias centrales de la ACS.
Factores que influyen en la bioidentidad de los nanomedicamentos
Los científicos han descubierto muchos nanomedicamentos novedosos que tienen aplicaciones en diversas áreas de la biomedicina, incluida la administración de fármacos, el diagnóstico y la terapia. Aunque las aplicaciones de la nanomedicina han mejorado enormemente la eficacia de los medicamentos convencionales, los investigadores enfrentan varios desafíos relacionados con su fabricación, caracterización preclínica y resultados clínicos.
Estudios anteriores han demostrado que las propiedades fisicoquímicas de las nanopartículas, es decir, el tamaño, la forma y la carga, determinan la potencia y el destino de los nanomedicamentos. Por ejemplo, en vivo La formación de una corona proteica en la superficie de las nanopartículas altera su biodistribución y propiedades características, afectando la bioidentidad de los nanomedicamentos.
La transformación de los nanomedicamentos dentro del complejo entorno de los sistemas biológicos también conduce a cambios en las propiedades y funciones de su superficie. Sin embargo, el comportamiento fisicoquímico preciso de los nanomedicamentos nanoestructurados en el entorno biológico no se comprende bien.
Comprender las funciones biológicas complejas, la relación entre un nanomaterial y un componente biológico (nano-bio-interacción), el destino de la nanomedicina y las interacciones espacio-temporales entre diferentes nanopartículas es importante para la optimización de la nanomedicina.
La información de la caracterización en profundidad de los nanomedicamentos podría ayudar en el diseño racional de futuros nanomedicamentos que evitarían el estrés oxidativo, la toxicidad, la formación de coronas de proteínas superficiales y el daño genético.
Análisis del comportamiento de la nanomedicina en entornos biológicos
Varias modalidades de imagen como la microscopía electrónica, la microscopía óptica y la tomografía por emisión de positrones/tomografía computarizada por emisión de fotón único (PET/SPECT) se utilizan para estudiar el comportamiento de los nanomedicamentos en entornos biológicos dinámicos. Aunque la microscopía electrónica, que incluye la microscopía de transmisión de barrido (SEM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM), se usa para adquirir imágenes de alta resolución, es difícil obtener imágenes in situ de la estructura interna dentro de las células o tejidos.
La microscopía de fluorescencia es un tipo de microscopía óptica que permite obtener imágenes de alta resolución del comportamiento dinámico de los nanomedicamentos. Sin embargo, una de las limitaciones asociadas con la aplicación de esta microscopía es la falta de sondas fluorescentes adecuadas. PET/SPECT se utilizan para obtener imágenes de humanos y animales pequeños; sin embargo, esta técnica requiere nanomateriales marcados radiactivamente.
Imágenes ALS y análisis espectroscópico para evaluar nanomedicinas en entornos biológicos
Recientemente, las tecnologías espectroscópicas y de imágenes ALS se han utilizado para estudiar las interacciones nanobiológicas. La tecnología de imágenes ALS (por ejemplo, rayos X) permite una penetración profunda en la muestra y la interacción con la materia para generar señales de fluorescencia. Algunas de las principales ventajas de la tecnología ALS son la fácil preparación de muestras, el análisis cuantitativo, el enfoque sin etiquetas, la obtención de imágenes in situ, la alta resolución y la alta profundidad de penetración. Los científicos utilizan tecnología basada en ALS para determinar el comportamiento biológico y el destino de los nanomedicamentos en células o tejidos en su estado nativo o semi-nativo.
Los autores revisaron varias microscopías y espectroscopias de rayos X basadas en ALS, incluida la microscopía de rayos X de transmisión de barrido (STXM), la microscopía de rayos X de transmisión de campo completo (TXM), la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) y las imágenes de difracción coherente. (CDI), produciendo imágenes bidimensionales o tridimensionales (2D o 3D).
Estas herramientas de análisis se utilizan para determinar la forma química y los hallazgos morfológicos de los nanomedicamentos. También proporcionan información sobre nano-bio-interacciones en células, tejidos u orgánulos con una resolución de decenas de nanómetros.
La microscopía de rayos X y la espectroscopia proporcionan información estructural 3D e información espectroscópica basada en absorción con resolución a nanoescala. Es extremadamente importante desarrollar continuamente nuevas tecnologías analíticas basadas en ALS de próxima generación con mayor fusión de datos multimodal, resolución espacial y temporal y capacidades predictivas superiores para comprender completamente la interacción de los nanomedicamentos en entornos biológicos.
El láser de electrones libre de rayos X pulsado por femtosegundos (XFEL) es un posible método analítico que permite obtener imágenes de alta resolución con un seguimiento rápido y dinámico de cambios estructurales, estados fisicoquímicos y el desarrollo funcional de nanomedicinas a nivel atómico.
Los científicos explicaron que la microscopía óptica y electrónica proporciona información estructural y celular, mientras que la espectroscopia de masa proporciona datos moleculares. En la actualidad, el microscopio ALS correlativo multimodal sincronizado con algoritmos se ha convertido en el principal desarrollo de línea de luz de fuente de luz del mundo.
La microscopía basada en ALS proporciona información detallada sobre las interacciones nanobiológicas que se correlacionan con los cambios en las funciones biológicas. Estos datos se obtienen en base a información simultánea generada a partir de diferentes modos de medición, p. B. Dispersión, absorbancia, fluorescencia, etc. Los investigadores afirmaron que el proceso de recopilación de datos simultáneo es ventajoso en contraste con los métodos secuenciales porque introduce menos radiación, lo que minimiza el daño a las muestras biológicas.
perspectivas de futuro
En el futuro, se requieren desarrollos en la próxima generación de ALS y los algoritmos correspondientes y los sistemas de control de dispositivos integrados para mejorar las imágenes cuantitativas posteriores, especialmente en el contexto de la velocidad y precisión de la resolución 3D.
Los científicos explicaron que para avanzar en la implementación clínica de los nanomedicamentos, es necesario mejorar los métodos de preparación de muestras y recopilación de datos de ALS. Esto permitiría la detección rápida de muestras clínicas para evaluar la eficacia de los nanomedicamentos.
Los autores recomiendan la colaboración entre los ingenieros, científicos y médicos de líneas de luz de ALS que podrían desarrollar un circuito de retroalimentación para mejorar la implementación clínica de la nanomedicina.
Relación
Cao, M. et al. (2022) Técnicas analíticas avanzadas de fuentes de luz para explorar el comportamiento biológico y el destino de las nanomedicinas. Ciencias centrales de la ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00680
