Magnetisch funktionalisierte Nanopartikel für biomedizinische, Wirkstofftransport- und Bildgebungsanwendungen

Einführung

Metallische Nanomaterialien stellen eine wichtige Tür für die Zukunft der Medizin dar. Obwohl über die Langzeitsicherheit von Metallnanopartikeln in der Medizin noch vieles unbekannt ist [1], haben diese Partikel bereits ihren Platz in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen gefunden, wie z. B. der ortsspezifischen Bildgebung in vivo [2,3,4], der Krebserkennung [5, 6], Krebstherapie [7,8,9,10], Therapie neurodegenerativer Erkrankungen [11,12,13], HIV/AIDS-Therapie [14,15,16], Augenkrankheitstherapie [17,18,19 ] und Therapie von Atemwegserkrankungen [20, 21]. Abbildung 1 zeigt eine Reihe aktueller Anwendungen von Nanopartikeln in der Medizin. Trotz der jüngsten Fortschritte in der Nanomedizin gibt es immer noch viele Hindernisse auf dem Weg der Nanotherapie, wie z ,23,24] und Form [25,26,27,28] von Nanopartikeln und/oder produzieren die Nanomaterialien nicht in ausreichender Menge, um sie wirtschaftlich rentabel zu machen [29]. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass die Langzeittoxizität einiger Nanopartikel über einen bestimmten Zeitraum relativ unbekannt ist, da das Forschungsgebiet relativ neu ist [30,31,32]. Zu den vielen Anwendungsmöglichkeiten von Metallnanopartikeln gehört der Bereich der Wirkstoffabgabe [33, 34]. Aufgrund der großen Oberfläche, die Nanopartikel zur Verfügung stellen [35], besitzen sie die Fähigkeit, große Mengen an Medikamenten oder anderen medizinischen Gütern zu transportieren [36]. Eine Alternative zu einzelnen Metall-Nanopartikeln besteht darin, einen Kern in den Nanopartikel einzubauen, der alternative Eigenschaften zum Schalenmaterial aufweist, und ein Beispiel dafür ist, einen magnetischen Kern einzubauen. Eine Herausforderung, die sich noch immer stellt, ist die Synthese von Kern-Schale-Nanopartikeln; Es gibt viele Möglichkeiten, Nanopartikel zu synthetisieren [37], aber beim Versuch, einen Kern-Schale-Nanopartikel zu synthetisieren, treten neue Herausforderungen auf [38].

Einige der aktuellen Anwendungen von Nanopartikeln in der Medizin

Dieser Aufsatz konzentriert sich zunächst auf einige der Methoden, die derzeit zur Herstellung von Kern-Schale-Nanopartikeln verwendet werden, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung von Kernen aus Fe₃ . liegt O₄ und Beschichtungen aus Gold oder Silber. Anschließend untersuchen wir aktuelle biomedizinische Anwendungen einzelner Metall-Nanopartikel, ihre Grenzen und wie sie durch die Anwendung von Magnetkernen überwunden werden können.

Synthese von Kern-Schale-Nanopartikeln

Methoden zur Synthese metallischer Nanopartikel sind seit vielen Jahren bekannt, zB Stevenson et al. veröffentlichte eine Synthese für Goldnanopartikel über die Reduktion von HAuCl₄ 1951 [39]. Seitdem gab es viele verschiedene Wege für die Nanopartikelsynthese wie Gasabscheidung [40], Sol-Gel [41] und Aerosol-/Dampfphase [42]. Eine neue Herausforderung stellt sich jedoch bei dem Versuch, Metall-Nanopartikel zu synthetisieren, die aus einer Kern-Schale-Struktur bestehen, bei der ein Metall den Kern und ein zweites Metall die Schale bildet, zum Beispiel Fe-Partikel zersetzen sich in Wasser, während HAuCl₄ ist ein starkes Oxidationsmittel [38]. Ein solches Beispiel, das weiter diskutiert wird, ist die Verwendung eines Fe₃ O₄ (Eisenoxid) Kern und Gold als Beschichtungshülle. Bei der Herstellung solcher Kern-Schale-Metall-Nanopartikel sind zwei der größten Probleme der Versuch, die Beschichtungsrate zu kontrollieren und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung zu kontrollieren, um eine Lösung von Nanopartikeln zu schaffen, die alle eine sehr ähnliche Form und Größe haben [43]. Die Beschichtung eines Eisenoxidkerns mit Gold oder Silber kann in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:die direkte Beschichtung von Gold/Silber auf Eisen [44] oder die Verwendung einer Zwischenschicht als Klebstoff zwischen der Gold- und der Eisenschicht [45]. Die erstgenannte Kategorie wird hier besprochen. Der folgende Text beschreibt einige Methoden, die entwickelt wurden, um gold- und silberbeschichtetes Fe₃ . zu synthetisieren O₄ Nanopartikel.

Umgekehrte Mizellensynthese

Ein beliebter Weg zur Synthese von Metallnanopartikeln ist die Verwendung der reversen Micellenmethode, die manchmal auch als Mikroemulsionsroute bezeichnet wird [46]. Diese Methode wurde erstmals in den 1980er Jahren eingeführt, als kolloidale Lösungen von Rhodium-, Platin- und Palladium-Nanopartikeln synthetisiert wurden [47].

Mizellen werden gebildet, wenn Moleküle mit hydrophoben und hydrophilen Bestandteilen entweder mit einer wässrigen oder hydrophoben Phase in Kontakt kommen [48]. Die Micellen werden sich so organisieren, dass der hydrophile Teil mit der wässrigen Phase in Kontakt steht und der hydrophobe Bestandteil der hydrophoben Phase zugewandt ist [49]. Im Wesentlichen wird ein Sphäroid mit einer inneren abgeschirmten Phase gebildet, die außerdem eine Ladung enthalten kann [43, 50,51,52].

Es gibt verschiedene Ansätze für die Mikroemulsionsroute und diese umfassen Wasser-in-Öl (w/o) [53] und Wasser-in-superkritisches CO₂ (w/sc-CO₂ ) [54]. Eine w/o-Emulsion tritt auf, wenn Wasser in einer kontinuierlichen Phase auf Kohlenwasserstoffbasis dispergiert wird [53], thermodynamisch angetriebene Selbstorganisation des Tensids und dann die umgekehrten Micellen erzeugt, wobei kugelförmige Micellen die häufigste Form sind [43]. Alle zu dieser Mischung hinzugefügten polaren oder ionischen Materialien werden innerhalb der Micellen unterteilt, und Nanopartikel werden dann gebildet, wenn die Micellenmembranen durch Brownsche Bewegung miteinander in Kontakt treten [55]. Ein w/sc-CO₂ Emulsion beinhaltet die Verwendung einer Flüssigkeit (CO₂ ), das sich in einem überkritischen Zustand befindet, d. h. über seinem kritischen Druck und seiner Temperatur [56]. Diese Methode ist von besonderem Interesse, da sie ein „grünerer“ Ansatz für die Nanopartikelsynthese ist, da keine giftigen organischen Lösungsmittel erforderlich sind. Es ist auch einfacher, das Produkt zurückzugewinnen, indem Sie einfach den Druck senken und die Flüssigkeit als CO₂ . ablassen Gas [57].

Der umgekehrte Micellenweg wurde von der Synthese von Metallnanopartikeln auf die Beschichtung zuvor synthetisierter Nanopartikel angepasst [58]. Das erste goldbeschichtete Eisenoxid (Au-Fe₃ O₄ ) Nanopartikel, die in reversen Micellen synthetisiert wurden, wurden vor fast 20 Jahren hergestellt [59]. Diese Synthese von Au-Fe₃ O₄ Nanopartikel wurde mit einem H₂ O/CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid)-System zur Herstellung der Micellen mit Natriumborhydrid (NaBH₄ ) als Reduktionsmittel, reduzierendes Goldchlorid (HAuCl₄ ) auf den Eisenkern. Diese Synthese erzeugte eine Nanopartikel-Dispersion mit einer durchschnittlichen Größe von 12 nm. Da dies die erste Produktion von Au-Fe₃ . ist O₄ NPs, die Mikroemulsionen verwenden, gab es eine Reihe von Au-Fe₃ O₄ NP-Synthesewege entdeckt [46, 60, 61, 62, 63]. Abbildung 2 ist eine allgemeine Darstellung der Bildung der Nanopartikel auf dem umgekehrten Micellenweg.

Eine generische Darstellung der Wechselwirkung von reversen Micellen, die Salze enthalten, die reagieren, um Metallnanopartikel zu bilden

Linet al. veröffentlichte eine leicht modifizierte Methode zur Beschichtung von Fe₃ O₄ mit Gold unter Verwendung einer reversen Micellenmethode [60]. Die Synthese verwendet auch ein System, das CTAB als Tensid verwendet, um die reverse Mizelle zu bilden, jedoch mit 1-Butanol als Cotensid und Octan als Ölphase, wobei eine wässrige Lösung mit den Metallionen unter Verwendung von NaBH_{4 um HAuCl4 . zu reduzieren auf die Oberfläche der Eisenoxid-Nanopartikel. Die gemeldeten optischen Ergebnisse der beschichteten Partikel zeigten eine Verschiebung des Absorptionspeaks der UV/Vis-Spektren vom Goldkolloid (526 nm) zum Au-Fe3 O4 (555 nm). Die TEM-Ergebnisse der beschichteten Partikel zeigten eine Größenverteilung von 5–15 nm bei einer durchschnittlichen Größe von 10 nm. Dieses Verfahren wurde von Pana et al. mit einer etwas größeren Größenverteilung von 5–35 nm großen Au-Fe3 O4 Nanopartikel [63]. Außerdem wurde ein sehr ähnliches System von Seip et al. mit Ausnahme der Verwendung von Hydrazin zur Reduzierung des HAuCl4 [64].}

Die Beschichtung von Fe₃ O₄ Nanopartikel ist nicht nur auf Gold beschränkt; Lopez Perez et al. berichteten über die Synthese von Eisenoxid-Nanopartikeln unter Verwendung eines Systems, das Cyclohexan/Brij-97 (Co-Tensid) und eine wässrige Phase mit Eisensalzen von FeSO₄ . enthält .7H₂ O und FeCl₃ .6H₂ O [65]. Dieses System wurde sowohl mit Silber [58] als auch mit Gold [46] beschichtet, wodurch 13-nm-Partikel erzeugt wurden. Ein alternatives Verfahren wird von Tamer et al. zur Synthese von Au-Fe₃ O₄ Nanopartikel [62]. Dieses Verfahren verwendet eine gemeinsame Fällung von Eisensalzen in NaOH, die dann in HClO₄ . gewaschen wurden um oxidiertes Fe₃ . herzustellen O₄ Nanopartikel. Goldbeschichtung auf dem Fe₃ O₄ NPs entstanden durch die Reduktion von HAuCl₄ durch NaOH, die dem System durch CTAB-Mizellen zugeführt wird. Au-Fe₃ O₄ NPs wurden mit einer durchschnittlichen Größe von 23,5 nm hergestellt. Nach der Charakterisierung wurden die Partikel dann mit verschiedenen funktionellen Gruppen modifiziert, um eine selbstorganisierte Monoschicht (SAM) zu bilden und weiter zum Einfangen und Nachweisen von Escherichia coli . verwendet .

Eine modifizierte Version der reversen Micellensynthese wurde von Zhang et al. unter Verwendung eines Lasers als Initiator für die Beschichtung von Eisen-Nanopartikeln mit Gold [66]. Der Prozess umfasst die Herstellung einer Reaktionsmischung aus Eisen-Nanopartikeln, die in CTAB-Micellen eingekapselt sind, Gold-Nanopulver in Wasser und Oktan und anschließendes Bestrahlen mit einem gepulsten Laser unter kräftigem Rühren der Reaktion. Die Laserbestrahlung erleichtert die thermische Zersetzung der Goldnanopartikel. Goldatome und -cluster bildeten sich um die Eisennanopartikel herum und bildeten goldbeschichtete Eisennanopartikel. Die TEM-Ergebnisse für die auf diese Weise synthetisierten Au-Fe-Nanopartikel ergaben eine durchschnittliche Größe von 18 nm mit einer Größenverteilung von ±36 nm.

Thermische Synthese

Unter den verschiedenen Methoden der Gold-Schale-Eisen-Kern-Nanopartikel-Synthese liegt ein thermischer Weg, bei dem die Reaktion das Erhitzen der Reaktionsmischung über ihren Siedepunkt [67] und manchmal das Erhitzen unter Rückfluss beinhaltet [68, 69]. Es gibt zwei Hauptkategorien für diese Art der Synthese:Hydrothermal (Lösungsmittel auf Wasserbasis) [70, 71] und Solvothermal (Lösungsmittel auf organischer Basis) [68, 72]. Während es viele Techniken zur Synthese von Metallnanopartikeln auf dem thermischen Weg gibt [73,74,75,76,77,78], ist es nicht möglich, die Kerne und die Beschichtung von Gold in einer Eintopfreaktion zu erreichen [68, 69, 72, 74, 77, 79,80,81] und in einigen Fällen Fe₃ O₄ Kerne werden über einen reversen Micellenweg [70] oder einen kolloidalen Weg [78] synthetisiert und dann werden die Partikel hydro- oder solvothermal beschichtet [70, 76, 78]. Obwohl es eine Vielzahl von Lösungsmittelsystemen gibt, die bei diesen Synthesemethoden verwendet werden, beinhalten die meisten Wege die Zugabe von entweder Eisenoxid-Nanopartikeln zu siedendem HAuCl₄ oder die Umkehrung von HAuCl₄ Siedelösungen von Eisenoxid-Nanopartikeln zugesetzt werden [74, 79].

Eine Methode zur Synthese von Au-Fe₃ O₄ Nanopartikel wurde von Rudakovskaya et al. über eine Hydrothermaltechnik [76]. Das Prinzip der Methode folgt der Zugabe von Fe₃ O₄ Nanopartikel zu einem kochenden HAuCl₄ Lösung. Die TEM-Analyse dieser Nanopartikel zeigte eine durchschnittliche Größe von 30 nm, mit einer allgemeinen Kugelform und einer Größenverteilung zwischen 20 und 35 nm; diese Bilder sind in Abb. 3 zu sehen.

Ein TEM-Bild der von Rudakovskaya et al. synthetisierten Nanopartikel. Wie zu sehen ist, sind die Nanopartikel grob kugelförmig mit einer durchschnittlichen Größe von 30 nm [76]

Kolloidale Synthese

Kolloidale Synthesetechniken bieten eine einfache, aber effektive Möglichkeit zur Synthese von Metallnanopartikeln [82]. Kolloidale Techniken bieten gegenüber anderen Techniken für die Nanopartikelsynthese oft ein gewisses Maß an Einfachheit, ohne dass andere Lösungsmittel erforderlich sind oder sie bei Raumtemperatur durchgeführt werden können [83, 84]. Die Grundprinzipien der Synthese bestehen darin, verschiedene Metallionen in einer wässrigen Phase zu dispergieren, der Mischung ein Reduktionsmittel zuzusetzen und dann bei kontrollierter Temperatur zu mischen, um unlösliche Nanopartikel zu bilden [39]. Kolloidale Syntheserouten bieten den Vorteil, dass keine potenziell toxischen Lösungsmittel in die Synthese einbezogen werden müssen (ideal, wenn die Nanopartikel für eine biologische Verwendung bestimmt sind). Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei kolloidalen Routen, wie z. B. es kann schwierig sein, die Größenverteilung der endgültig synthetisierten Nanopartikel zu kontrollieren [85] und die Form der Nanopartikel kann stark durch die Reagenzkonzentration beeinflusst werden [85]. Positiv ist jedoch, dass es einfacher sein kann, Nanopartikel in größeren Mengen herzustellen [86]. Diese Methode zur Synthese von Metallnanopartikeln gibt es seit vielen Jahren und wird für die Synthese verschiedener Arten von Nanopartikeln wie Silber [87] und Gold [39, 88] verwendet.

Diese grundlegende Methode wurde weiterentwickelt und entwickelt, um verschiedene Syntheserouten für die Bildung von goldbeschichteten Eisenoxid-Nanopartikeln herzustellen [83, 84, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97]. Die meisten Methoden zur Synthese von goldbeschichtetem Eisenoxid basieren auf der Verwendung verschiedener Reduktionsmittel, um HAuCl₄ . zu reduzieren auf die Oberfläche des Eisenoxids. Nadagoudaet al. bieten einen vorgeschlagenen „grünen“ Syntheseweg an, bei dem Ascorbinsäure verwendet wird, um HAuCl₄ . zu reduzieren [84]_. Diese Methode scheint jedoch wenig bis gar keine Kontrolle über die Größe oder Form der beschichteten Nanopartikel zu zeigen, da bei der Synthese kein Verkappungsmittel (ein Mittel, das an die Außenseite des Nanopartikels bindet und das weitere „Wachstum“ des Nanopartikels stoppt) fehlt [98]. Ein Verfahren, das mehr Kontrolle über die Form und Größe synthetisierter beschichteter Partikel zeigt, wird von Pal et al. [95] Bei dieser Methode wird Goldacetat als Goldsalz verwendet, das auf die Oberfläche von 6-nm-Fe₃ . reduziert wird O₄ Nanopartikel zur Bildung von 7 nm großen Au-Fe₃ O₄ Partikel, die kugelförmig sind. Ein schnelles Verfahren zur Beschichtung von Fe₃ O₄ Nanopartikel wird von Rawal et al. Dabei wird Fe₃ . dispergiert O₄ Nanopartikel in einer Lösung von HAuCl₄ , dann mit Ethanol mischen [83]. Nach 15 min bei Raumtemperatur wurde die Reaktion abgebrochen und das Au-Fe₃ O₄ Nanopartikel wurden dann mit einem Magneten getrennt. Die TEM-Analyse der gereinigten Lösung zeigte, dass die hergestellten Partikel eine Größe im Bereich von 30 bis 100 nm hatten und unterschiedliche Formen über die Probe aufwiesen; diese Bilder sind in Abb. 4 zu sehen. Obwohl diese Synthesetechnik die beschichteten Nanopartikel schnell produzierte, scheint sie keine sehr effiziente Synthese zur Herstellung einheitlich geformter und großer Partikel zu sein [83].

Eine TEM-Aufnahme der von Rawal et al. Diese Nanopartikel haben eine Größenverteilung von 20–100 nm [83]

Während einige Techniken nur die Reduktion von Goldsalzen ermöglichen, ziehen andere es vor, das Reduktionsmittel auf die Eisenoberfläche aufzubringen, wie beispielsweise Hydroxylamin [90, 93]. In vielen Fällen, wenn Fe₃ O₄ Nanopartikel mit Gold beschichtet sind, liefert die Reduktion eines Goldsalzes auch Standard-Gold-Nanopartikel [74], so dass die Zugabe des Reduktionsmittels auf die Oberfläche der Eisen-Nanopartikel die Effizienz der Beschichtung verbessern und die Menge an Gold-Nanopartikeln, die als Nebenprodukt produziert werden [93].

Eine andere Technik beinhaltet das Impfen von Gold auf die Oberfläche magnetischer Nanopartikel, was einen direkteren Weg bietet, um Gold zur Keimbildung um den magnetischen Kern der Nanopartikel zu bringen [91, 92, 97]. Bei dieser Technik werden Goldkeime, die kleiner sind als die Eisenoxid-Nanopartikel in Lösung, an die Oberfläche des Eisenoxids gebunden. Wenn das HAuCl₄ in Lösung reduziert wird, wird das Au ⁺ Ionen keimen auf das Eisenoxid und bilden eine Hülle um die Eisenoxid-Nanopartikel. Diese Goldaussaat wurde von mehreren Gruppen erfolgreich eingesetzt; Goon et al. benutzte Polyethylenimin, um das Impfen von Gold auf der Oberfläche von Fe₃ . zu kontrollieren O₄ , wodurch vollständig beschichtete Nanopartikel hergestellt werden. [91] Das synthetisierte Au-Fe₃ O₄ Partikel zeigten eine hohe Polydispersität mit Partikelgrößen im Bereich von 40 bis 110 nm. Levinet al. gelang es, Nanopartikel mit magnetischem Kern aus Gold mit einem Größenbereich von 50–70 nm herzustellen, indem ein mit Organosilanmolekülen funktionalisierter Kern zur Bindung an die Goldkeime verwendet wurde [92]. Das Impfen von Goldnanopartikeln auf einem Eisenkern kann mit einer Vielzahl von Kernformen gezeigt werden, z. B. Wang et al. demonstrierte Goldaussaat auf reisförmigem „Nano-Reis“ Fe₃ O₄ Strukturen, die dann zu einer komplett dicken Goldhülle führten, wenn Gold auf die Oberfläche reduziert wurde [97].

Biomedizinische Anwendungen von Metallnanopartikeln

Antimikrobielle Wirkstoffe

Bakterielle Infektionen sind sehr häufig, wobei Antibiotika seit der Entdeckung des Penicillins im Jahr 1928 durch Alexander Fleming [99] eine primäre Behandlungsmethode sind. Die Nanomedizin bietet uns ein neues, breites Spektrum möglicher Behandlungsmodalitäten, wobei Metall-Nanopartikel für zukünftige Behandlungen erforscht werden [100]. Tabelle 1 listet einige der Nanopartikel auf, die für antimikrobielle Anwendungen untersucht wurden. Ein Material, das auf seine potenzielle Verwendung untersucht wurde, ist Silber, das eine Vielzahl von biomedizinischen Anwendungen gezeigt hat [101], z. B. Sreekumar et al. nutzten Silbernanopartikel als Teil eines Netzwerks antimikrobieller Fasern. Die Nanopartikel variierten in der Größe von 20 bis 120 nm, mit einer antibakteriellen Wirksamkeit gegen Escherichia coli bis zu 94,3% im Vergleich zu den Fasern ohne Silber-Nanopartikel [102]. Während gezeigt wurde, dass ein Antibiotikum wie Ampicillin eine Abtötungsrate von ≤ 99,9 % bei E. coli [103] berichtete dieselbe Studie auch über das Auftreten von Resistenzen gegen Ampicillin bei bestimmten Stämmen von E. coli . In derselben Anmerkung wurde berichtet, dass E. coli kann eine Resistenz gegen Silber-Nanopartikel entwickeln; Diese Resistenz ist jedoch keine genetische Veränderung, sondern eine physikalische Reaktion, die versucht, eine Aggregation der kolloidalen Nanopartikel zu bewirken [104]. Auch die Verwendung von Silber wegen seiner antibakteriellen Eigenschaften, Holtz et al. entwarfen ein System aus 60-nm-Silbervanadat-Nanodrähten, die mit Silbernanopartikeln mit einem Durchmesser von 1–20 nm „dekoriert“ waren [105]. Dieses System erwies sich als vielversprechend gegen drei Staphylococcus aureus Stämme und hatten interessanterweise auch eine viel geringere wachstumshemmende Konzentration gegen Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) als das Antibiotikum Oxacillin.

Eine Silber-Nanopartikel-Synthese wurde von Verma et al. wo sie ihre Nanopartikel gegen die Bakterien einsetzten:Pseudomonas fluorescens , E. coli , und der Pilz Candida albicans [106]. Die Silbernanopartikel wiesen eine durchschnittliche minimale Wachstumshemmungskonzentration von 5,83 µg/ml über die drei Stämme hinweg auf, verglichen mit einigen häufig verwendeten Antibiotika wie Ampicillin und Neomycin, die minimale Hemmungswachstumskonzentrationen von 4,0 µg/ml bzw. 16,0 µg/ml aufweisen. gegen Stämme von E. coli [110]. Von potentiellem Interesse sind die Eigenschaften der Nanopartikel gegenüber P. fluoreszierend ein C. Albicans , die beide mit der Krankheitsauslösung bei immungeschwächten Patienten assoziiert sind [111]. Weitere Untersuchungen könnten ergeben, dass die Silber-Nanopartikel eine effizientere Methode zur Behandlung der Krankheitserreger darstellen als einige der am häufigsten verwendeten Antibiotika wie Amphotericin B, das umfangreiche Nebenwirkungen hat [112].

Die Synthese von Thioguanin-bedeckten Goldnanopartikeln wurde von Selvaraj et al. wo eine verstärkte antimikrobielle Wirkung gegen mehrere Bakterien, einschließlich:E. coli , Aspergillus fumigatus , und Pseudomonas aeruginosa [107]. Es wurde festgestellt, dass die mit Thioguanin bedeckten Goldnanopartikel als Antikrebs- und antimikrobielle Wirkstoffe wirksamer waren als unkonjugiertes Thioguanin, wobei ihre Aktivitäten eine potenzielle Verwendung als Träger für Krebsmedikamente zeigen. In ähnlicher Weise wurde berichtet, dass Gold-Nanopartikel eine antimikrobielle Wirkung auf Corynebacterium pseudotuberculosis haben [108] Nanopartikel mit einer durchschnittlichen Größe von 25 nm zeigten bei einer Dosis von 50 µg/ml eine Hemmung des Bakterienwachstums von 95 % nach 20 min Exposition. Ebenso wurde gezeigt, dass nackte Goldnanopartikel eine antimikrobielle Wirkung auf eine Vielzahl von gramnegativen und grampositiven Bakterien haben, darunter S. aureus , Klebsiella-Pneumonie , und Bacillus subtilis [109]. Eine Dosis von 1,35 µg/ml AuNPs zeigte eine Wachstumshemmung von 46,4 ± 0,4 %, 38,3 ± 0,2 % und 57,8 ± 0,2 % für S. aureus , K. Lungenentzündung , und B. subtilis , bzw.

Antiviral

Wie bei antibakteriellen Anwendungen haben sich Metallnanopartikel als vielversprechend bei antiviralen Anwendungen erwiesen; Tabelle 2 zeigt eine Reihe von Nanopartikeln, die nachweislich antivirale Eigenschaften besitzen und möglicherweise bei der Behandlung von Viren eingesetzt werden könnten. Sowohl nackte als auch beschichtete Silbernanopartikel [113,114,115,116] haben im Nanobereich eine Reihe von antiviralen Anwendungen gezeigt.

Hepatitis B (HBV) ist eine Virusinfektion, von der derzeit 257 Millionen Menschen weltweit betroffen sind und die laut Weltgesundheitsorganisation im Jahr 2015 für 887.000 Todesfälle verantwortlich war [121]. Kleine (10–50 nm) nackte Silbernanopartikel wurden als mögliche Behandlung für HBV getestet [113] und es wurde gezeigt, dass sie effizient an HBV binden und die Produktion von HBV-RNA weiter hemmen. Es wird angenommen, dass die Wirkungsweise auf die Bindung der AgNPs an die HBV-dsDNA (doppelsträngige DNA) zurückzuführen ist. Rogerset al. haben eine Verwendung von Silbernanopartikeln, sowohl nackt als auch mit einer Polysaccharidbeschichtung, als antivirales Mittel gegen das Affenpockenvirus (MPV) nachgewiesen [114]. Die Nanopartikel wurden in vitro gegen MPV in einem Konzentrationsbereich von 12,5–100 µg/ml getestet; Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass alle verwendeten Konzentrationen von polysaccharidbeschichteten Silbernanopartikeln (Ag-PS-NPs) in der Lage waren, die MPV-induzierte Plaquebildung in vitro zu reduzieren.

Möglicherweise spielen Silbernanopartikel sogar eine Rolle bei der Behandlung des Humanen Immunschwächevirus (HIV) [115, 116]. HIV ist ein großes Gesundheitsproblem, wobei die WHO schätzt, dass 2016 36,7 Millionen Menschen mit HIV leben [122]. Es ist wichtig, dass Behandlungen für HIV schnell und effizient entdeckt und umgesetzt werden; Laraet al. haben die Wirkung von Silber-Nanopartikeln (30–50 nm) auf HIV-1-Isolate gezeigt, die eine Hemmung aller Stämme von HIV-1-Isolaten zeigen [116]. Die nackten Nanopartikel zeigten einen Gesamt-IC₅₀ von 0,44 mg/ml ± 0,3 gegen HIV-1, wobei der Mechanismus der Virushemmung die Hemmung der Virus-Wirtszellen-Bindung ist, insbesondere hemmen die Silbernanopartikel die Interaktion zwischen dem gp120-Protein (einem Hüllglykoprotein) und der Zielzelle Membranrezeptoren. Von derselben Gruppe wurde auch die Fähigkeit von mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) beschichteten Silbernanopartikeln demonstriert, die Transfektion von HIV-1 in ein menschliches Zervixgewebe-Explantatmodell zu verhindern [115]. Konkret hemmten 0,15 mg/ml PVP-beschichtete Silbernanopartikel (PVP-AgNPs) die Infektion durch HIV-_IIIB und HIV-_AZT-RV isoliert. Diese Konzentration an PVP-AgNPs induzierte im Vergleich zur Kontrollprobe auch eine Vermehrung von Lymphozyten (Immunzellen) an der Infektionsstelle [115].

Nicht nur Silber und beschichtete Silber-Nanopartikel wurden gegen Viren eingesetzt:Auch 2-nm-Gold-Nanopartikel, die mit einem amphiphilen Sulfatliganden beschichtet waren, erwiesen sich als wirksam gegen HIV-1 [118]. Es wurde gezeigt, dass diese Partikel auf den Fusionsprozess des Virus abzielen und in vitro an das gp120-Protein binden und die HIV-1-Infektion direkt neutralisieren. Mercaptoethansulfonat-beschichtete Goldnanopartikel (Au-MES) zeigten eine Hemmung der Herpes-simplex-Virus-Typ-1-(HSV-1)-Infektion, möglicherweise durch Hemmung der Virusbindung an die Wirtszelle, Virusausbreitung von Zelle zu Zelle oder Veränderung der Zellanfälligkeit gegenüber Viren durch die Anwesenheit der Nanopartikel induzierte Infektion [117].

Es wurde gezeigt, dass Kupferiodid-Nanopartikel (CuI-NPs) antivirale Eigenschaften gegen mehrere verschiedene Viren haben:das feline Calicivirus (FCV) [119] und interessanter das Influenza-A-Virus vom Schwein (H1N1) [120]. Einhundert bis 400  nm CuI-NPs zeigten eine antivirale Eigenschaft, wenn sie gegen FCV eingesetzt wurden, und es wurde die Hypothese aufgestellt, dass einwertige Cu-Ionen für die Produktion einer reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) verantwortlich sind, die eine anschließende Oxidation des Kapsidproteins verursacht, was zur Inaktivierung von FCV führt. Es wurde auch gezeigt, dass das H1N1-Virus durch CuI-NPs in sehr ähnlicher Weise gehemmt wird, nämlich durch die Produktion von Hydroxylradikalen, die zum Proteinabbau führen. Diese Radikale könnten sich jedoch auch für nicht infiziertes Gewebe als toxisch erweisen, was vor der Zulassung einer Behandlung zu klären wäre [123].

Bildgebung

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein sehr nützliches Werkzeug für die medizinische Diagnose und liefert klare anatomische Bilder. Mit der MRT kann man den Blutfluss, physiochemische Merkmale und den Zustand von Geweben und Organen im Körper visualisieren [124]. Zur Verbesserung der diagnostischen Sensitivität werden bei der MRT häufig Kontrastmittel eingesetzt [125]. Herkömmlich verwendete Kontrastmittel basieren auf Chelaten, aber die Hauptnachteile gegenwärtiger Kontrastmittel sind ihre biologische Stabilität und ihre Toxizität bei Akkumulation in Zellen [126]. Einige Kontrastmittel basieren beispielsweise auf Jod, und es wurde berichtet, dass die Exposition gegenüber jodierten Kontrastmitteln mit der nachfolgenden Entwicklung einer auftretenden Hyperthyreose und einer auftretenden manifesten Hypothyreose verbunden ist [127]. Es wurden Alternativen entwickelt, um eine verbesserte Scaneffizienz zu erreichen, indem die negativen Auswirkungen von Kontrastmitteln auf den Körper reduziert werden [128]. Alternativen sind Metallnanopartikel, die möglicherweise mit einem Wirkstoff konjugiert sind, der ähnlich wie ein Kontrastmittel für die MRT-Untersuchung wirkt [129]. Abbildung 5 ist ein MRT-Kontrastbild einer Großhirnrinde einer Ratte vor und nach der Behandlung von AuNPs [130].

Ein MRT-Kontrastbild einer Großhirnrinde einer Ratte vor (links) und nach der Behandlung (rechts). Der Bereich mit den AuNPs ist rot umrandet

Tabelle 3 zeigt einige der Nanopartikel, die für den Einsatz in der medizinischen Bildgebung untersucht wurden. Einige Computertomographie-(CT-)Kontrastmittel haben Probleme wie kurze Kreislaufhalbwertszeiten [131] und potenzielle Gewebeschäden [130]. Aus diesem Grund wurden auch Metallnanopartikel für den Einsatz in der CT-Bildgebung untersucht [132]; Au-Nanopartikel zeigen aufgrund ihrer Röntgendämpfung einen vielversprechenden Einsatz in der Bildgebung [133]. Kojimaet al. zeigten, dass Goldnanopartikel, die mit einem PEGylierten Dendrimer (PEG-AuNPs) konjugiert sind, zu einem überlegenen Kontrastmittel in vitro sowie für die Röntgen-Computertomographie im Vergleich zum kommerziell erhältlichen Jodmittel Iopamidal [134]. Die PEG-AuNPs zeigten eine höhere Kontrasteffizienz als das kommerziell erhältliche Iopamidal bei schneller Ausscheidung aus dem Körper [135]. Die Autoren stellten auch fest, dass die PEG-AuNPs photozytotoxische Eigenschaften haben, um eine photothermische Therapie zu ermöglichen.

Liet al. haben die Verwendung von beschichteten AuNPs als bildgebendes Werkzeug für Atherosklerose demonstriert; die AuNPs wurden in einer Art der medizinischen Bildgebung namens „Single-Photon-Emissions-Computertomographie“ (SPECT) verwendet [136]. Diese Art der Bildgebung ist der Verwendung einer Gammakamera sehr ähnlich, kann jedoch echte 3D-Bilder liefern, die geschnitten, gedreht und manipuliert werden können, um eine genauere Analysetechnik zu erreichen [136]. Die modifizierten Nanopartikel zielten spezifisch auf Atherosklerose-Plaques ab, die apoptotische Makrophagen enthielten, was ein nützliches Werkzeug für den invasiv genauen Nachweis von Atherosklerose-Plaques darstellt [136].

AuNPs haben sich zuvor als mögliches Mittel für die photoakustische Bildgebung (PA) mit hoher räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit erwiesen [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/cm ² ) 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

Schlussfolgerungen

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. 1)

   Achieving a synthesis route which produces easily repeatable results;

2. 2)

   Producing particles of a set size [22,23,24] and shape [25,26,27,28]; and

3. 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

Abkürzungen

(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:

Computertomographie

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromid

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

MRT:

Magnetresonanztomographie

PA:

Photoacoustic imaging

PEG:

Polyethylenglykol

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