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Terapia fototérmica

La terapia fototérmica (TFT) se refiere a los esfuerzos por utilizar radiación electromagnética (generalmente en longitudes de onda infrarrojas ) para el tratamiento de diversas...

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La terapia fototérmica (TFT) se refiere a los esfuerzos por utilizar radiación electromagnética (generalmente en longitudes de onda infrarrojas ) para el tratamiento de diversas afecciones médicas, incluido el cáncer . Esta neuroterapia es una extensión de la terapia fotodinámica , en la que un fotosensibilizador se excita con luz de banda específica. Esta activación lleva al fotosensibilizador a un estado excitado donde libera energía vibracional ( calor ), que es lo que destruye las células objetivo.

A diferencia de la terapia fotodinámica, la terapia fototérmica no requiere oxígeno para interactuar con las células o tejidos diana. Los estudios actuales también demuestran que la terapia fototérmica puede utilizar luz de mayor longitud de onda, que es menos energética y, por lo tanto, menos dañina para otras células y tejidos.

Materiales a nanoescala

La mayoría de los materiales de interés que se investigan actualmente para la terapia fototérmica se encuentran en la nanoescala . Una de las razones clave es el efecto de permeabilidad y retención mejoradas que se observa con partículas en un rango de tamaño determinado (típicamente de 20 a 300  nm). [ 1 ] Se ha observado que las moléculas en este rango se acumulan preferentemente en el tejido tumoral . Cuando se forma un tumor, requiere nuevos vasos sanguíneos para alimentar su crecimiento; estos nuevos vasos sanguíneos en/cerca de los tumores tienen propiedades diferentes en comparación con los vasos sanguíneos normales, como un drenaje linfático deficiente y una vasculatura desorganizada y permeable. Estos factores dan lugar a una concentración significativamente mayor de ciertas partículas en un tumor en comparación con el resto del cuerpo.

Nanobarras de oro (AuNR)

Huang et al. investigaron la viabilidad del uso de nanobarras de oro tanto para la obtención de imágenes de células cancerosas como para la terapia fototérmica. [ 2 ] Los autores conjugaron anticuerpos (anticuerpos monoclonales anti-EGFR) a la superficie de las nanobarras de oro, lo que permitió que estas se unieran específicamente a ciertas células cancerosas malignas (células malignas HSC y HOC). Tras incubar las células con las nanobarras de oro, se utilizó un láser  de Ti:zafiro de 800 nm para irradiar las células a diferentes potencias. Los autores informaron de la destrucción exitosa de las células cancerosas malignas, mientras que las células no malignas permanecieron intactas.

Cuando las AuNR se exponen a la luz NIR, el campo electromagnético oscilante de la luz hace que los electrones libres de la AuNR oscilen colectivamente de forma coherente. [ 3 ] Cambiar el tamaño y la forma de las AuNR cambia la longitud de onda que se absorbe. Una longitud de onda deseada estaría entre 700 y 1000  nm porque el tejido biológico es ópticamente transparente a estas longitudes de onda. [ 4 ] Si bien todas las AuNP son sensibles a los cambios en su forma y tamaño, las propiedades de las nanobarras de Au son extremadamente sensibles a cualquier cambio en cualquiera de sus dimensiones con respecto a su longitud y anchura o su relación de aspecto. Cuando se ilumina una NP metálica, la NP forma una oscilación dipolar a lo largo de la dirección del campo eléctrico . Cuando la oscilación alcanza su máximo, esta frecuencia se llama resonancia de plasmón superficial (SPR). [ 3 ] Las AuNR tienen dos bandas de espectro SPR: una en la región NIR causada por su oscilación longitudinal que tiende a ser más fuerte con una longitud de onda más larga y otra en la región visible causada por la oscilación electrónica transversal que tiende a ser más débil con una longitud de onda más corta. [ 5 ] Las características SPR explican el aumento en la absorción de luz para la partícula. [ 3 ] A medida que aumenta la relación de aspecto de las AuNR, la longitud de onda de absorción se desplaza hacia el rojo [ 5 ] y aumenta la eficiencia de dispersión de la luz. [ 3 ] Los electrones excitados por el NIR pierden energía rápidamente después de la absorción a través de colisiones electrón-electrón, y a medida que estos electrones se relajan de nuevo, la energía se libera como un fonón que luego calienta el entorno de la AuNP que en los tratamientos contra el cáncer serían las células cancerosas. Este proceso se observa cuando un láser tiene una onda continua sobre la AuNP. Los haces de luz láser pulsada generalmente dan como resultado la fusión o ablación de la AuNP de la partícula. [ 3 ] Los láseres de onda continua tardan minutos en lugar del tiempo de un solo pulso de un láser pulsado, los láseres de onda continua pueden calentar áreas más grandes a la vez. [ 3 ]

Nanocápsulas de oro

Nanocápsulas de oro , nanopartículas de sílice recubiertas con una fina capa de oro. [ 6 ] se han conjugado con anticuerpos (anti-HER2 o anti-IgG) mediante enlaces PEG. Tras la incubación de células cancerosas SKBr3 con las nanocápsulas de oro, se utilizó un láser  de 820 nm para irradiar las células. Solo las células incubadas con las nanocápsulas de oro conjugadas con el anticuerpo específico (anti-HER2) resultaron dañadas por el láser. Otra categoría de nanocápsulas de oro son las capas de oro sobre liposomas, que actúan como plantilla blanda. En este caso, el fármaco también puede encapsularse dentro y/o en bicapa, y su liberación puede activarse mediante luz láser. [ 7 ]

nanoarquitecturas termo (tNA)

El fracaso de la traslación clínica de la PTT mediada por nanopartículas se atribuye principalmente a las preocupaciones sobre su persistencia en el cuerpo. [ 8 ] De hecho, la respuesta óptica de los nanomateriales anisotrópicos puede ajustarse en la región NIR aumentando su tamaño hasta 150  nm. [ 9 ] Por otro lado, la excreción corporal de nanomateriales de metales nobles no biodegradables de más de 10  nm ocurre a través de la vía hepatobiliar de manera lenta e ineficiente. [ 10 ] Un enfoque común para evitar la persistencia del metal es reducir el tamaño de las nanopartículas por debajo del umbral de eliminación renal, es decir, nanopartículas ultrapequeñas (USNP), mientras que la transducción máxima de luz a calor es para  nanopartículas < 5 nm. [ 11 ] Por otro lado, el plasmón de superficie de las USNP de oro excretables está en la región UV/visible (lejos de las primeras ventanas biológicas), lo que limita severamente su aplicación potencial en PTT.

La excreción de metales se ha combinado con la PTT activada por NIR mediante el empleo de arquitecturas ultrapequeñas en nanoestructuras compuestas por USNP metálicas incrustadas en nanocápsulas de sílice biodegradables. [ 12 ] Las tNA son las primeras plataformas plasmónicas ultrapequeñas en nanoestructuras que absorben NIR y que combinan conjuntamente: i) eficacia de conversión fototérmica adecuada para la hipertermia, ii) múltiples secuencias fototérmicas y iii) excreción renal de los bloques de construcción después de la acción terapéutica. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Actualmente, el efecto terapéutico de las tNA se ha evaluado en valiosos modelos 3D de adenocarcinoma pancreático humano. [ 12 ]

Grafeno y óxido de grafeno

El grafeno es viable para la terapia fototérmica. [ 15 ] Se utilizó un láser  de 808 nm con una densidad de potencia de 2 W/cm² para irradiar los sitios tumorales en ratones durante 5 minutos. Como señalan los autores, las densidades de potencia de los láseres utilizados para calentar nanobarras de oro oscilan entre 2 y 4 W/ cm² . Por lo tanto, estas láminas de grafeno a nanoescala requieren una potencia láser en el extremo inferior del rango utilizado con nanopartículas de oro para la ablación fototérmica de tumores.

En 2012, Yang et al. incorporaron los prometedores resultados sobre óxido de grafeno reducido a nanoescala reportados por Robinson et al. en otro estudio in vivo con ratones. [ 16 ] [ 17 ] El tratamiento terapéutico utilizado en este estudio implicó el uso de láminas de óxido de grafeno reducido a nanoescala, casi idénticas a las utilizadas por Robinson et al. (pero sin secuencias de direccionamiento activo). Las láminas de óxido de grafeno reducido a nanoescala se irradiaron con éxito para destruir completamente los tumores objetivo. Cabe destacar que la densidad de potencia requerida del láser  de 808 nm se redujo a 0,15 W/cm² , un orden de magnitud menor que las densidades de potencia requeridas anteriormente. Este estudio demuestra la mayor eficacia de las láminas de óxido de grafeno reducido a nanoescala en comparación con las láminas de grafeno a nanoescala y las nanobarras de oro.

Polímeros conjugados (PC)

La PTT utiliza agentes de transducción fototérmica (PTA) que pueden transformar la energía de la luz en calor a través del efecto fototérmico para elevar la temperatura del área del tumor y así causar la ablación de las células tumorales. [ 18 ] [ 19 ] Específicamente, los PTA ideales deben tener una alta eficiencia de conversión fototérmica (PCE), excelente estabilidad óptica y biocompatibilidad , y fuerte absorción de luz en la región del infrarrojo cercano  (NIR) (650-1350 nm) debido a la penetración profunda en el tejido y la mínima absorción de luz NIR en los tejidos biológicos. [ 18 ] [ 19 ] Los PTA incluyen principalmente materiales inorgánicos y materiales orgánicos. [ 19 ] Los PTA inorgánicos, como los materiales de metales nobles , los nanomateriales a base de carbono y otros materiales 2D , tienen una alta PCE y excelente fotoestabilidad , pero no son biodegradables y por lo tanto tienen una toxicidad potencial a largo plazo in vivo. [ 19 ] [ 20 ] Los PTA orgánicos, incluidos los colorantes de molécula pequeña y los polímeros conjugados (CP), tienen buena biocompatibilidad y biodegradabilidad, pero poca fotoestabilidad. [ 19 ] Entre ellos, los colorantes de molécula pequeña, como la cianina , la porfirina y la ftalocianina , están limitados en el campo del tratamiento del cáncer debido a su susceptibilidad al fotoblanqueo y su poca capacidad de enriquecimiento tumoral. [ 19 ] Los polímeros conjugados con un gran esqueleto conjugado π−π y una estructura de alta deslocalización electrónica muestran potencial para la PTT debido a su fuerte absorción NIR, excelente fotoestabilidad , baja citotoxicidad , PCE sobresaliente, buena dispersibilidad en medio acuoso, mayor acumulación en el sitio del tumor y largo tiempo de circulación sanguínea. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Además, los polímeros conjugados se pueden combinar fácilmente con otros agentes de imagen y fármacos para construir nanomateriales multifuncionales para la terapia selectiva y sinérgica del cáncer. [ 18 ]

Los CP utilizados para la PTT tumoral incluyen principalmente polianilina (PANI), polipirrol (PPy), politiofeno (PTh), polidopamina (PDA), polímeros conjugados donador-aceptor (DA) y poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(4-estirenosulfonato) ( PEDOT:PSS ). [ 18 ] [ 19 ]

Mecanismo de conversión fototérmica

El proceso no radiativo para la generación de calor de los PTA orgánicos es diferente al de los PTA inorgánicos como metales y semiconductores, que está relacionado con la resonancia de plasmones superficiales . [ 22 ] Como se muestra en la figura, los polímeros conjugados se activan primero al estado excitado (S1) bajo irradiación de luz y luego el estado excitado (S1) decae de nuevo al estado fundamental (S0) a través de tres procesos: (I) emisión de un fotón ( fluorescencia ), (II) cruce entre sistemas y (III) relajación no radiativa (generación de calor). [ 22 ] Debido a que estas tres vías de decaimiento de S1 de nuevo a S0 suelen ser competitivas en los materiales fotosensibles, la emisión de luz y el cruce entre sistemas deben reducirse eficientemente para aumentar la generación de calor y mejorar la eficiencia de conversión fototérmica. [ 18 ] [ 22 ] En el caso de los polímeros conjugados, por un lado, sus estructuras únicas dan lugar a un apilamiento cerrado de los sensibilizadores moleculares con colisiones intermoleculares muy frecuentes que pueden atenuar eficazmente la fluorescencia y el cruce entre sistemas, y así aumentar el rendimiento de la relajación no radiativa. [ 22 ] Por otro lado, en comparación con las moléculas fototerapéuticas monoméricas, los polímeros conjugados poseen mayor estabilidad in vivo frente a la desintegración y el fotoblanqueo , mayor tiempo de circulación sanguínea y mayor acumulación en el sitio del tumor debido al efecto de permeabilidad y retención mejoradas (EPR) . [ 22 ] Por lo tanto, los polímeros conjugados tienen una alta eficiencia de conversión fototérmica y una gran cantidad de generación de calor. Una de las ecuaciones más utilizadas para calcular la eficiencia de conversión fototérmica (η) de los PTA orgánicos es la siguiente:

η = (hAΔΤ máx -Qs)/I(1-10 -Aλ )

donde h es el coeficiente de transferencia de calor , A es el área de la superficie del recipiente, ΔT max significa el cambio máximo de temperatura en la solución, A λ significa la absorbancia de la luz, I es la densidad de potencia del láser y Qs es el calor asociado con la absorbancia de la luz del disolvente. [ 23 ]

Además, se han diseñado varios métodos eficientes, especialmente la estrategia donador-aceptor (DA), para mejorar la eficiencia de conversión fototérmica y la generación de calor de los polímeros conjugados. [ 18 ] El sistema de ensamblaje DA en los polímeros conjugados contribuye a una fuerte transferencia de electrones intermolecular del donador al aceptor, lo que produce una extinción eficiente de la fluorescencia y del cruce entre sistemas, y una mejor generación de calor. [ 22 ] Además, la brecha HOMO-LUMO de los polímeros conjugados D-A se puede ajustar fácilmente cambiando la selección de las fracciones donadoras de electrones (ED) y aceptoras de electrones (EA), y por lo tanto se pueden desarrollar polímeros con estructura D-A con una brecha de banda extremadamente baja para mejorar la absorción NIR y la eficiencia de conversión fototérmica de los CP. [ 19 ] [ 21 ]

Polianilina (PANI)

La polianilina (PANI) es uno de los primeros tipos de polímeros conjugados reportados para la terapia fototérmica (PTT) de tumores. [ 19 ] [ 24 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 25 ] [ 26 ]

Polipirrol (PPy)

El polipirrol (PPy) es adecuado para aplicaciones de PTT debido a su fuerte absorbancia en el infrarrojo cercano (NIR), su alta eficiencia de conversión de potencia (PCE), su estabilidad y su biocompatibilidad. [ 21 ] Los experimentos in vivo muestran que los tumores tratados con nanopartículas de PPy podrían eliminarse eficazmente bajo la irradiación de un  láser de 808 nm (1 W cm −2 , 5 min). [ 27 ] Las nanohojas de PPy exhiben una prometedora capacidad de ablación fototérmica hacia las células cancerosas en la ventana NIR II para PTT de tejidos profundos. [ 28 ]

Las nanopartículas de PPy y sus nanomateriales derivados también pueden combinarse con agentes de contraste de imagen y diversos fármacos para construir aplicaciones teranósticas multifuncionales en PTT guiada por imagen y tratamiento sinérgico, incluyendo imagen de fluorescencia, imagen de resonancia magnética (IRM), imagen fotoacústica (PA), tomografía computarizada (TC), terapia fotodinámica (TFD), quimioterapia, etc. [ 19 ] Por ejemplo, PPy se ha utilizado para encapsular nanopartículas de óxido de hierro ultrapequeñas (IONP) y finalmente desarrollar IONP@PPy NP para PTT guiada por imagen de IRM y PA in vivo. [ 29 ] Se han investigado nanocompuestos de polipirrol (I-PPy) para PTT tumoral guiada por imagen de TC. [ 30 ]

Politiofeno (PTh)

El politiofeno (PTh) y sus derivados son también un tipo de polímeros conjugados para la terapia fototérmica (PTT). Los polímeros basados ​​en politiofeno suelen presentar una excelente fotoestabilidad , una gran capacidad de captación de luz, una síntesis sencilla y una funcionalización fácil con diferentes sustituyentes. [ 21 ]

Se puede preparar un copolímero conjugado (C3) con prometedoras propiedades fototérmicas mediante la unión de bisimida de ácido 2-N,N′-bis(2-(etil)hexil)-perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico a un oligómero de tienilvinileno. El C3 se coprecipitó con PEG-PCL y verde de indocianina (ICG) para obtener nanopartículas de PEG-PCL-C3-ICG para terapia fototérmica/fotodinámica guiada por fluorescencia contra el carcinoma de células escamosas orales (OSCC). [ 31 ] Un polímero conjugado biodegradable PLGA-PEGilado DPPV (poli{2,2′-[(2,5-bis(2-hexildecil)-3,6-dioxo-2,3,5,6-tetrahidropirrolo[3,4-c]-pirrol-1,4-diil)-ditiofeno]-5,5′-diil-alt-vinileno) para PTT guiada por PA con PCE 71% (@ 808  nm, 0,3 W cm−2). Los enlaces de vinileno en la cadena principal mejoran la biodegradabilidad, la biocompatibilidad y la eficiencia de conversión fototérmica de los CP. [ 32 ]

Polidopamina (PDA)

La dopamina es uno de los neurotransmisores del cuerpo que ayuda a las células a enviar impulsos. La polidopamina (PDA) se obtiene mediante la autoagregación de dopamina para formar una sustancia similar a la melanina en condiciones alcalinas suaves. [ 33 ] La PDA tiene una fuerte absorción en el infrarrojo cercano (NIR), buena estabilidad fototérmica, excelente biocompatibilidad y biodegradabilidad , y alta eficiencia de conversión fototérmica. [ 34 ] Además, con una estructura π conjugada y diferentes grupos activos, la PDA se puede combinar fácilmente con varios materiales para lograr multifuncionalidad, como imágenes de fluorescencia , resonancia magnética (RM) , tomografía computarizada (TC) , fotoacústica (PA), terapia dirigida, etc. [ 19 ] En vista de esto, la PDA y sus nanomateriales compuestos tienen una amplia perspectiva de aplicación en el campo biomédico.

Las nanoesferas coloidales de dopamina-melanina son un agente terapéutico fototérmico de infrarrojo cercano eficiente para la terapia del cáncer in vivo. [ 23 ] La PDA también puede modificarse en la superficie de otros PTA, como nanobarras de oro y materiales a base de carbono, para mejorar la estabilidad y la eficiencia fototérmica in vivo. [ 19 ] Por ejemplo, se han investigado las nanopartículas de oro con espículas modificadas con PDA (SGNP@PDA) para la terapia quimiofototérmica. [ 35 ]

CP donador-aceptor (D-A)

Se han investigado polímeros conjugados donador-aceptor (D-A) para fines medicinales. Los CP nano-PCPDTBT tienen dos fragmentos: 2-etilhexil ciclopentaditiofeno y 2,1,3-benzotiadiazol. Cuando la solución de nanopartículas de PCPDTBT (0,115  mg/mL) se expuso a un  láser NIR de 808 nm (0,6 W/cm² ) , la temperatura pudo aumentar en más de 30  °C. [ 36 ] Wang et al. diseñaron cuatro puntos de polímero conjugado estructurados DA absorbentes de NIR (Pdots) que contienen unidades de dicetopirrolopirrol (DPP) y tiofeno como materiales fototérmicos eficaces con una PCE de hasta el 65% para la terapia del cáncer in vivo. [ 37 ] Zhang et al. Construyeron PBIBDF-BT DA CPs usando derivado de isoíndigo (BIBDF) y bitiofeno (BT) como EA y ED respectivamente. PBIBDF-BT se modificó más tarde con poli(etilenglicol)-bloque-poli(hexil etileno fosfato) (mPEG-b-PHEP) para obtener PBIBDF-BT@NP PPE con PCE del 46,7% y alta estabilidad en el entorno fisiológico. [ 38 ] El grupo de Yang diseñó PBTPBF-BT CPs, en los que las unidades bis(5-oxotieno[3,2-b]pirrol-6-ilideno)-benzodifurandiona (BTPBF) y 3,3′-didodecil-2,2′-bitiofeno (BT) actúan como EA y ED respectivamente. Los DA CPs tienen un pico de absorción máximo a 1107  nm y una eficiencia de conversión fototérmica relativamente alta (66,4%). [ 39 ] Pu et al. Se sintetizaron PC70BM-PCPDTBT DA CPs mediante nanoprecipitación de EA (6,6)-fenil-C71-butirato de metilo (PC70BM) y ED PCPDTBT (SPs) para PTT guiada por PA. [ 40 ] Wang et al. desarrollaron DA CPs TBDOPV-DT que contienen oligo(p-fenilenovinileno) basado en benzodifurandiona fusionada con tiofeno (TBDOPV) como unidad EA y 2,2′-bitiofeno (DT) como unidad ED. Los CPs TBDOPV-DT tienen una fuerte absorción a 1093  nm y logran una conversión fototérmica NIR-II altamente eficiente. [ 41 ]

PEDOT:PSS

El poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(4-estirenosulfonato) (PEDOT:PSS) se usa frecuentemente en electrónica orgánica y tiene una fuerte absorción NIR. En 2012, el grupo de Liu informó por primera vez sobre nanopartículas poliméricas de PEDOT:PSS pegiladas (PEDOT:PSS-PEG) para terapia fototérmica de cáncer en el infrarrojo cercano. Las nanopartículas de PEDOT:PSS-PEG tienen alta estabilidad in vivo y una larga vida media de circulación sanguínea de 21,4 ± 3,1 h. La PTT en animales no mostró efectos secundarios apreciables para la dosis probada y una excelente eficacia terapéutica bajo la  irradiación láser de 808 nm. [ 42 ] Kang et al. sintetizaron nanopartículas de núcleo-capa de polímero magnetoconjugado MNP@PEDOT:PSS para PTT guiada por imágenes multimodales. [ 43 ] Además, las nanopartículas de PEDOT:PSS no solo pueden servir como PTA sino también como portadores de fármacos para cargar varios tipos de medicamentos, como SN38, fármacos de quimioterapia DOX y el agente fotodinámico clorina e6 (Ce6), logrando así una terapia sinérgica contra el cáncer. [ 44 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • "Amplificación óptica de la terapia fototérmica con nanopartículas y nanoclústeres de oro" . News-Medical.net . 13 de noviembre de 2006.
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