Nanopartikel für die Krebstherapie:Aktuelle Fortschritte und Herausforderungen

Einführung

Krebs ist ein Oberbegriff für eine Reihe von Krankheiten, die durch unkontrollierte, zufällige Zellteilung und Invasivität gekennzeichnet sind. Umfangreiche Bemühungen über mehrere Jahre konzentrierten sich auf die Erkennung verschiedener Risikofaktoren für Krebs. Bei einigen Krebsarten wurde die Ätiologie einflussreich mit bestimmten Umweltfaktoren (erworbenen Faktoren) wie Strahlung und Umweltverschmutzung in Verbindung gebracht. Ein ungesunder Lebensstil wie eine unausgewogene Ernährung, Tabakkonsum, Rauchen, Stress und Bewegungsmangel wirken sich jedoch stark auf die Bestimmung des Krebsrisikos aus [1, 2]. Obwohl diese externen Faktoren als Hauptursachen für Krebs erkannt wurden, war die Beteiligung von Mutationen von Proto-Onkogenen, von Tumorsuppressorgen-Expressionsmustern und von Genen, die an der DNA-Reparatur beteiligt sind, schwer abzuschätzen. Nur 5–10% der Krebsfälle sind mit vererbter Genetik verbunden [3]. Das zunehmende Alter ist ein weiterer entscheidender Risikofaktor für Krebs und viele einzelne Krebsarten.

Krebs ist weltweit eines der bedeutendsten Probleme der öffentlichen Gesundheit und die zweithäufigste Todesursache. Nach Angaben der American Cancer Society wird die Zahl der Neuerkrankungen bis Ende des Jahres 2021 auf 1,9 Millionen geschätzt [4]. Zu den konventionellen Therapieansätzen in der Krebstherapie zählen Chirurgie, Chemotherapie, Strahlentherapie, zielgerichtete Therapie, Immuntherapie und Hormontherapie [5, 6]. Obwohl Chemotherapie und Strahlentherapie Zytostase- und Zytotoxizitätsfähigkeiten besitzen [7], sind diese Ansätze oft mit akuten Nebenwirkungen und einem hohen Rezidivrisiko verbunden. Zu den häufigsten Nebenwirkungen, die durch sie induziert werden, gehören Neuropathien, Unterdrückung des Knochenmarks, Magen-Darm- und Hauterkrankungen, Haarausfall und Müdigkeit. Außerdem gibt es einige arzneimittelspezifische Nebenwirkungen wie Anthrazykline und Bleomycin-induzierte Kardiotoxizität und Lungentoxizität [8] (Abb. 1).

Nanopartikel für die Krebstherapie

Das Aufkommen der zielgerichteten Therapie hat zu einem Wachstum in der Präzisionstherapie geführt [9]. Es gibt jedoch immer noch viele unvermeidliche Nebenwirkungen, wie beispielsweise Mehrfachresistenzen, die die therapeutische Wirksamkeit einschränken [8]. Immuntherapeutika haben vielversprechende Ergebnisse geliefert, indem sie nicht nur primären Krebs behandeln, sondern auch Fernmetastasen verhindern und die Rezidivrate senken [10]. Dennoch sind Autoimmunerkrankungen eine der Hauptnebenwirkungen der Immuntherapie. Darüber hinaus deuten Studien und Beweisfetzen darauf hin, dass die Immuntherapie gegen solide Tumoren weniger wirksam ist als Lymphome [11]. Diese Krebsarten bilden eine ungewöhnliche extrazelluläre Matrix (ECM), deren Infiltration für Immunzellen eine ziemliche Herausforderung darstellt [12]. Diese neu entwickelten zielgerichteten Therapien und Immuntherapien stören Signalwege, die für bösartige Verhaltensweisen und normale homöostatische Funktionen der Epidermis und Dermis von entscheidender Bedeutung sind und verursachen dermatologische unerwünschte Ereignisse (dAE) [13].

Angesichts all dieser Details hat die Nachfrage nach der Weiterentwicklung neuartiger Strategien zur Suche nach einer präzisen Krebstherapie in den letzten Jahren an Dynamik gewonnen. In jüngster Zeit wurden Anstrengungen unternommen, um die Grenzen bestehender therapeutischer Ansätze unter Verwendung von Nanopartikeln anzugehen. Nanopartikelbasierte Wirkstoffabgabesysteme haben sich bei der Krebsbehandlung und -behandlung durch den Nachweis einer guten Pharmakokinetik, eines präzisen Targetings, einer geringeren Nebenwirkungen und einer Arzneimittelresistenz gezeigt [14, 15].

Auf den Fersen der Fortschritte in der Nanotechnologie wurde eine Reihe von Nanotherapeutika kommerzialisiert und weit verbreitet vermarktet, und viele weitere sind seit 2010 in die klinische Phase eingetreten Resistenz (MDR) durch die Bereitstellung einer Chance für eine Kombinationstherapie und Hemmung von Resistenzmechanismen [16]. An der ETH Zürich wurden in den 1960er Jahren Pionierarbeit geleistet, um Nanotechnologie in der Medizin anzuwenden [17]. Diese Kombination hat sich als bessere Kombination bei der Entwicklung verschiedener Diagnosegeräte und besserer Therapien erwiesen. Diese Übersicht konzentriert sich hauptsächlich auf die Grundprinzipien der Anwendung von Nanotherapeutika, die Aussichten auf aktuelle Herausforderungen und beschreibt den Weg der zukünftigen Forschung.

Nanopartikel

Nanopartikel (NPs) sind technisch definiert als Partikel mit einer Dimension von weniger als 100 nm mit einzigartigen Eigenschaften, die normalerweise nicht in Massenproben desselben Materials zu finden sind [18]. Je nach Gesamtform des Nanopartikels können diese als 0D, 1D, 2D oder 3D klassifiziert werden [19]. Die Grundzusammensetzung von Nanopartikeln ist recht komplex und besteht aus der Oberflächenschicht, der Schalenschicht und dem Kern, der im Wesentlichen der zentrale Teil des NP ist und üblicherweise als NP selbst bezeichnet wird [20]. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Unähnlichkeit, Submikrometergröße und verbessertes Targeting-System haben diese Materialien in multidisziplinären Bereichen große Bedeutung erlangt.

Es wurde festgestellt, dass NPs eine tiefe Gewebepenetration aufweisen, um die verbesserte Permeabilitäts- und Retentionswirkung (EPR) zu erhöhen. Außerdem beeinflussen die Oberflächeneigenschaften die Bioverfügbarkeit und Halbwertszeit, indem sie die epitheliale Fensterung effektiv durchqueren [21]. Beispielsweise verringern NPs, die mit Polyethylenglycol (PEG), einem hydrophilen Polymer, beschichtet sind, die Opsonisierung und umgehen die Clearance des Immunsystems [22]. Darüber hinaus ist es möglich, die Freisetzungsrate von Arzneimitteln oder aktiven Anteilen zu optimieren, indem die Eigenschaften des Partikelpolymers manipuliert werden. Insgesamt regulieren die unterschiedlichen Eigenschaften von NPs ihre therapeutische Wirkung bei der Krebsbehandlung und -behandlung.

Synthese von NPs

Die NPs haben unterschiedliche Formen, Größen und Strukturen. Um dies zu erreichen, werden zahlreiche Synthesemethoden angewendet. Diese Methoden lassen sich grob in zwei Hauptgruppen einteilen:1) Bottom-Up-Ansatz und 2) Top-Down-Ansatz. Diese Ansätze können basierend auf den Reaktionsbedingungen und dem Betrieb weiter in verschiedene Unterklassen eingeteilt werden (Abb. 2).

Klassifizierung der NP-Synthese a von oben nach unten und b Bottom-up-Ansätze

Bottom-up-Ansatz

Bei dieser Methode wird Material von Atomen über Cluster bis hin zu NPs aufgebaut, d. h. aus einfacheren Substanzen aufgebaut, daher als konstruktive Methode bekannt [23]. Einige häufig verwendete Methoden sind Spinnen, Solgel-Synthese, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Plasma- oder Flammspritzsynthese, Laserpyrolyse und Biosynthese.

Top-Down-Ansatz

Es ist auch als destruktive Methode bekannt, die Schüttgut oder Substanz reduziert, um NPs zu synthetisieren. Ein größeres Molekül wird zerlegt oder in kleinere Einheiten zerlegt, die in NPs umgewandelt werden [24]. Es umfasst Techniken wie mechanisches Fräsen, Nanolithographie, chemisches Ätzen, Laserablation, Sputtern, Elektroexplosion und thermische Zersetzung.

Bemerkenswerterweise können die morphologischen Parameter wie Größe, Form und Ladung von NPs durch Änderung der Reaktionsbedingungen und anderer Syntheseparameter modifiziert werden [25]. Außerdem bestimmt der Wachstumsmechanismus auch die chemischen Eigenschaften von NPs. Daher ist es wichtig, den Wachstumsmechanismus zu verstehen, um die benötigten NPs zu synthetisieren.

Mechanismen des zellulären Targeting

Für eine wirksame Krebstherapie ist es unerlässlich, ein Arzneimittel- oder Gen-Delivery-System zu entwickeln oder zu konstruieren, das eine hervorragende Fähigkeit besitzt, Tumorzellen anzugreifen und die normalen gesunden Zellen zu schonen. Es erhöht die therapeutische Wirksamkeit und schützt dadurch normale Zellen vor der Wirkung von Zytotoxizität. Dies kann durch die gut organisierte Abgabe von NPs in die Tumormikroumgebung (TME) erreicht werden, die indirekt auf Krebszellen abzielt. Diese Nanoformulierungen sollten zahlreiche physiologische und biologische Barrieren überwinden. Diese Barrieren sind komplexe Systeme aus mehreren Schichten (Epithel, Endothel und Zellmembranen) und Komponenten (mechanische und physikalisch-chemische Barrieren und enzymatische Barrieren). Diese Tatsachen erfordern Spezifikationen in Bezug auf Größe, Biokompatibilität und Oberflächenchemie von NP, um unspezifisches Targeting zu verhindern. Die bloße zytosolische Internalisierung eines NP-Wirkstoffmoleküls bedeutet jedoch nicht, dass es sein subzelluläres Ziel erreicht. Spezifisches Engineering und Optimierung sind zwingend erforderlich, um zelluläres oder nukleares Targeting zu ermöglichen.

Bisher wurden mehrere Studien durchgeführt und weitere sind im Gange, um ein NP-basiertes Wirkstoff-Targeting-Design zu entdecken. Diese Nanoträger sollten typischerweise bestimmte grundlegende Eigenschaften besitzen wie 1) die Fähigkeit, im Gefäßsystem (Blut) stabil zu bleiben, bis sie ihr Ziel, TME, erreichen, 2) der Clearance des retikuloendothelialen Systems (RES) zu entkommen, 3) dem mononuklearen Phagozytensystem zu entkommen ( MPS), 4) akkumulieren in TME über die Tumorgefäße, 5) Eindringen von Hochdruck in die Tumorflüssigkeit und 6) erreichen das Ziel und interagieren nur mit Tumorzellen [26]. Die entscheidenden Aspekte wie Oberflächenfunktionalisierung, physikalisch-chemische Eigenschaften und pathophysiologische Eigenschaften regulieren den Prozess des NP-Wirkstoff-Targetings.

Im Allgemeinen haben NPs, die für die Krebsbehandlung geeignet sind, einen Durchmesserbereich von 10–100 nm. Um den Prozess der Interaktion und des Crosstalks zwischen NP-Trägern und Krebszellen sowie der Tumorbiologie zu verstehen, ist es wichtig, sich mit den Targeting-Mechanismen zu befassen. Die Targeting-Mechanismen können grob in zwei Gruppen eingeteilt werden, passives Targeting und aktives Targeting.

Passives Targeting

Die Beobachtung einer bevorzugten Akkumulation von wenigen Makromolekülen in Krebszellen wurde Ende der 1980er Jahre gefunden. Das erste Makromolekül, von dem eine Akkumulation im Tumor berichtet wurde, war Poly(styrol-co-maleinsäure)-neocarzinostatin (SMANCS) von Matsuura und Maeda [27]. In weiteren Studien wurde diese bevorzugte Verteilung auf das Auftreten von Fenestrierungen, die in den geschädigten Tumorblutgefäßen gefunden werden, und auf die schlechte Lymphdrainage zurückgeführt, deren Zusammenführung als „verstärkter Permeations- und Retentionseffekt“ bekannt ist.

Unter bestimmten Bedingungen wie Hypoxie oder Entzündung wird die Endothelschicht der Blutgefäße durchlässiger [28]. In Hypoxiesituationen neigen die schnell wachsenden Tumorzellen dazu, mehr Blutgefäße in Aktion zu setzen oder die vorhandenen zu verschlingen, um damit fertig zu werden. Dieser Vorgang wird als Neovaskularisation bezeichnet. Diese neuen Blutgefäße sind undicht, da sie große Poren aufweisen, die zu einer schlechten Perm-Selektivität von Tumorblutgefäßen im Vergleich zu normalen Blutgefäßen führen [29, 30]. Diese großen Poren oder Fenestrationen reichen je nach Krebsart, TME und Lokalisation von 200 bis 2000 nm [31]. Diese schnelle und fehlerhafte Angiogenese bietet einen sehr geringen Widerstand gegen Extravasation und ermöglicht es NPs, aus solchen Blutgefäßen zu diffundieren und sich schließlich in Krebszellen anzusammeln.

In normalen Geweben erfolgt die Drainage von ECF (extrazelluläre Flüssigkeit) in Lymphgefäße häufig mit einer durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit von 0,1–2 µm/s, was eine konstante Drainage und Erneuerung aufrechterhält [32]. Wenn ein Tumor gebildet wird, wird die Lymphfunktion entgleist, was zu einer minimalen interstitiellen Flüssigkeitsaufnahme führt [33]. Dieses Merkmal trägt zur Retention der NPs bei, da sie nicht gelöscht und im Tumorinterstitium gehortet werden. Dieser Prozess bezeichnet den verstärkten Retentionsteil des EPR-Effekts. Diese außergewöhnliche Eigenschaft gilt nicht für Moleküle mit kurzer Zirkulationszeit und wird schnell aus den Krebszellen ausgewaschen. Um solche Situationen zu verbessern, wird daher routinemäßig die Einkapselung dieser kleinen Moleküle in nanoskalige Wirkstoffträger durchgeführt, um ihre Pharmakokinetik zu verbessern, Tumorselektivität bereitzustellen und Nebenwirkungen zu reduzieren [34].

Neben dem EPR-Effekt ist TME ein wichtiges Merkmal beim passiven Targeting. Eines der wichtigen metabolischen Merkmale von schnell proliferierenden Tumorzellen ist die Glykolyse. Es ist die Hauptenergiequelle für die Zellteilung [35] und versauert die Umgebung. Dieser erniedrigte pH-Wert von TME kann genutzt werden, um pH-sensitive NPs zu verwenden, die Medikamente bei niedrigem pH-Wert freisetzen [36].

Diese Art des Tumor-Targeting wird als „passiv“ bezeichnet. Passives Targeting beruht hauptsächlich auf unterschiedlichen Tumorbiologien (Vaskularität, Undichtigkeit) und Trägereigenschaften (Größe und Zirkulationszeit). Diese Art von Tumor-Targeting besitzt keinen spezifischen Liganden für bestimmte Typen von Tumorzellen. Der EPR-Effekt hängt stark von der fundamentalen Tumorbiologie ab, wie 1) dem Grad oder Ausmaß der Angiogenese und Lymphangiogenese, 2) dem Ausmaß oder dem Ausmaß der perivaskulären Tumorinvasion und 3) dem intratumoralen Druck. Diese Faktoren bestimmen in Kombination mit physikalisch-chemischen Eigenschaften von NPs die Effizienz des NP-Wirkstoffabgabesystems (Abb. 3).

Passives zelluläres Targeting

Beispiele für passives Targeting

Taxane sind eine der erfolgreichsten Wirkstoffgruppen, die in der Krebsbehandlung eingesetzt werden. Paclitaxel hat eine große Wirksamkeit gegen eine Vielzahl von Krebsarten gezeigt. Brustkrebs, Lungenkrebs (kleinzellig und nicht-kleinzellig) und Eierstockkrebs sind die am häufigsten mit Taxanen behandelten Histologien. Die US-FDA hat 2005 Abraxane® (Albumin-gebundenes Paclitaxel, Abraxis Bio-Sciences) zugelassen, das bei fortgeschrittenem oder metastasiertem Brustkrebs (MBC) eingesetzt wird.

Abraxane® ist ein Anti-Mikrotubuli-Medikament, das die Mikrotubuli stabilisiert, indem es die Depolymerisation verhindert. Es tritt auf, wenn das Medikament die Mikrotubuli-Zusammensetzung aus Tubulindimeren fördert. Diese gewonnene Stabilität behindert die Reorganisation der Mikrotubuli, die während der Interphase- und mitotischen Zellfunktionen sehr wichtig ist. Während des Zellzyklus und der Mitose löst Paclitaxel, ein weit verbreitetes Taxan, eine ungewöhnliche Mikrotubuli-Anordnung zusammen mit mehreren Astern aus. Abraxane® allein oder in Kombination mit einem anderen zytotoxischen Wirkstoff wie Gemcitabin verringert das Pankreasstroma in Pankreaskarzinom-Xenotransplantat-Mausmodellen [37].

Genexol PM® ist eine innovative Nanoformulierung aus Paclitaxel und einer sterilen lyophilisierten polymeren Mizellenformulierung ohne CrEL. Studien ergaben, dass Genexol PM® bei Nacktmäusen eine dreimal höhere maximal verträgliche Dosis (MTD) aufwies. Außerdem wies die Bioverteilung in verschiedenen Geweben wie Leber, Milz, Niere und Lunge und vor allem in Krebszellen zwei- bis dreimal höhere Werte auf. Es wurde in Südkorea zur Behandlung von MBC zugelassen. Es befindet sich in den USA noch in einer klinischen Phase-II-Studie zur Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs [38].

DaunoXome® (liposomales Daunorubicin; Gilead Science/Diatos) ist ein Arzneimittel gegen Krebs, das das Wachstum von Tumorzellen reduziert. Der Wirkstoff ist Daunorubicin. Es ist eine einzigartige Formulierung von Daunorubicin (in Liposomenform) zur Behandlung des Kaposi-Sarkoms, einer Krebsart, die Haut, Lunge und Darm befällt. Die US-FDA hat dies 1996 genehmigt [39].

Obwohl Neovaskularisierung und Angiogenese die NP-Diffusion beeinflussen, führt sie zu einem erhöhten interstitiellen Druck, der die Akkumulation von NPs hemmt. Darüber hinaus ist das Wachstum der Tumorzellen aufgrund der heterogenen Blutversorgung unregelmäßig, dh die gefäßnahen Zellen teilen sich schneller als die gefäßfernen oder tief im kernbildenden hypoxischen oder nekrotischen Bereich befindlichen Zellen der Tumor. Diese unregelmäßige Leckage, die einen hohen interstitiellen Druck verursacht, behindert die Medikamentenabgabe und -akkumulation und verlangsamt den Neovaskularisationsprozess [34]. Es ist jedoch möglich, den EPR-Effekt entweder mechanisch oder chemisch zu kontrollieren. Dazu gehören Stickoxid, Peroxynitrat, Bradykinin, VPF (vaskulärer Permeabilitätsfaktor), Ultraschall, Bestrahlung, Hyperthermie usw. Es gibt jedoch bestimmte Einschränkungen und Kontraindikationen.

Aktives Targeting

Aktives Targeting hängt von spezifischen Liganden oder Molekülen wie Transferrin und Folat ab, die an Moleküle oder Rezeptoren binden, die spezifisch auf den Zielzellen (erkrankte Organe, Gewebe, Zellen oder subzelluläre Domänen) exprimiert oder überexprimiert werden [40]. Diese Art des Targetings wird als ligandenvermitteltes Targeting bezeichnet [41]. Hier müssen sich die NPs mit Liganden mit spezifischen Funktionen wie Retention und Aufnahme in der Nähe des Targets befinden, damit eine größere Affinität besteht. Diese Strategie verstärkt die Veränderungen der Bindung von NPs an die Krebszelle, wodurch die Wirkstoffpenetration verbessert wird. Der wichtigste Hinweis darauf wurde 1980 bei Antikörpern beobachtet, die in die Oberfläche von Liposomen gepfropft wurden [34], gefolgt von anderen verschiedenen Arten von Liganden wie Peptiden, Aptameren. Daher zielt die Hauptmethode darauf ab, das Crosstalk zwischen NPs und dem Target zu erhöhen, ohne die gesamte Bioverteilung zu verändern [42]. Der entscheidende Mechanismus des aktiven Targetings oder des ligandenvermittelten Targetings ist die Ligandenidentifizierung durch die Zielsubstratrezeptoren. Die veranschaulichenden Liganden können Proteine, Peptide, Antikörper, Nukleinsäuren, Zucker, kleine Moleküle wie Vitamine usw. umfassen [43]. Die am häufigsten untersuchten Rezeptoren sind der Transferrinrezeptor, Folatrezeptor, Glykoproteine ​​und der epidermale Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR). Die Ligand-Target-Interaktion löst die Einfaltung der Membran und die Internalisierung von NPs über eine rezeptorvermittelte Endozytose aus. Es gibt verschiedene Mechanismen, durch die aktives Targeting stattfindet. Der Großteil des Tumor-Targetings erfolgt durch das Tumorzell-Targeting im Allgemeinen durch NPs. Dieser Prozess verbessert die Zellpenetration. Wie bereits erwähnt, ist Transferrin einer der am häufigsten untersuchten Rezeptoren. Es ist eine Art Serumglykoprotein, das den Transport von Eisen in die Zellen unterstützt. Diese Rezeptoren werden in den meisten Tumorzellen, insbesondere soliden Tumoren, überexprimiert und in gesunden Zellen in geringeren Mengen exprimiert. Daher können wir die NPs mit assoziierten Liganden modifizieren, die spezifisch auf Transferrin abzielen [44]. Zum Beispiel überexprimieren A2780 Ovarialkarzinomzellen Transferrin. Diese Funktion wird von Transferrin-modifizierten PEG-Phosphatidyl-Ethanolamin (Tf-Mpeg-pe)-NPs genutzt, die spezifisch auf solche Zellen abzielen [45]. Ein weiteres alternatives Verfahren besteht darin, an Krebszellen angrenzende Zellen, wie zum Beispiel angiogene Endothelzellen, anzuvisieren. Diese Zellen haben auch engen Kontakt mit Tumorblutgefäßen. Diese Strategie ermöglicht es, Hypoxie und Nekrose zu erzeugen, indem die Blutversorgung der Krebszellen verringert wird. Es wurde festgestellt, dass Tumorgewebe saurer sind als normales. Dies wurde weitgehend durch den Warburg-Effekt erklärt [46]. Dies erklärt die Verlagerung des Krebszellstoffwechsels in die Glykolyse unter Bildung von Milchsäure. Wenn sich die Milchsäure ansammelt, stirbt die Zelle ab. Um mit dieser Situation fertig zu werden, beginnen die Zellen, Protonenpumpen zu überexprimieren, die überschüssige Milchsäure in die extrazelluläre Umgebung pumpen und diese dadurch saurer machen. Daher wurde ein pH-sensitives Arzneimittelabgabesystem auf Liposomenbasis untersucht.

Die multivalente Natur der NPs verbessert das Crosstalk von ligandenbeschichteten NPs mit Zielkrebszellen. Das Design solcher NPs ist komplex, da die NP-Architektur und die Ligand-Target-Chemie die Wirksamkeit der gesamten Methode beeinflussen. Andere Faktoren wie der Verabreichungsweg, physikalisch-chemische Eigenschaften wie die Ligandendichte [47] und die Größe der NPs [8] tragen zum Erfolg des Systems bei (Abb. 4).

Bildliche Darstellung des aktiven zellulären Targetings

Beispiele für aktives Targeting

EGFR, ein Mitglied der ErbB-Familie der Tyrosinkinase (TK)-Rezeptoren, wird bei verschiedenen Krebsarten, insbesondere bei Plattenepithel-Histologie, überexprimiert. Gold-NPs mit Anti-EGFR-PEG-AuNPs und Anti-IgG-PEG-Au-Nanopartikeln können verwendet werden, um das menschliche SCC anzugreifen [48].

Herceptin® ist ein therapeutisches Medikament, das auf den menschlichen EGF-Rezeptor-2 (HER2) abzielt, der auf Brustkrebszelloberflächen überexprimiert wird. HER2-gerichtetes PEGyliertes liposomales Doxorubicin wurde entwickelt, um die Kardiotoxizität, eine bekannte Nebenwirkung von Anthrazyklinen, zu reduzieren [49].

Die Oberfläche des Tumorendothels exprimiert ein Glykoprotein, das als vaskuläres Zelladhäsionsmolekül-1 (VCAM-1) bekannt ist und am Prozess der Angiogenese beteiligt ist. Eine Studie hat NPs hervorgehoben, die im Brustkrebsmodell auf VCAM-1 abzielen, was auf ihre potenzielle Rolle hinweist [50].

Folsäure, auch als Vitamin B9 bekannt, ist für die Nukleotidsynthese von entscheidender Bedeutung. Folsäure wird vom Folatrezeptor, der auf den Zellen exprimiert wird, internalisiert. Tumorzellen überexprimieren jedoch FR-α (Alpha-Isoform des Folatrezeptors), während FR-β in flüssigen Krebszellen überexprimiert wird [51]. Das Targeting der Folatrezeptoren durch NPs dient derzeit spezifischen Krebsbehandlungen [52, 53].

Nanopartikel in der Krebstherapie

Zu den in Wirkstoffabgabesystemen weit verbreiteten NPs gehören organische NPs, anorganische NPs und hybride NPs (Abb. 5).

Verschiedene Arten von Nanomaterialien, die in der Krebstherapie verwendet werden

Organische Nanopartikel

Polymere Nanopartikel

Polymere Nanopartikel (PNPs) sind gut definiert als „kolloidale Makromoleküle“ mit einer spezifischen Strukturarchitektur, die von verschiedenen Monomeren gebildet wird [54]. Das Medikament wird entweder eingeschlossen oder an das Äußere der NPs angeheftet, wodurch eine Nanokugel oder eine Nanokapsel entsteht, um eine regulierte Wirkstofffreisetzung im Ziel zu erreichen [55]. Ursprünglich bestanden PNPs aus nicht biologisch abbaubaren Polymeren wie Polyacrylamid, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polystyrol [56]. Die Anhäufung dieser führte jedoch aufgrund der Schwierigkeit, diese aus dem System zu entfernen, zu Toxizität. Biologisch abbaubare Polymere wie Polymilchsäure, Poly(aminosäuren), Chitosan, Alginat und Albumin werden jetzt verwendet und sind dafür bekannt, die Toxizität zu reduzieren und die Wirkstofffreisetzung und Biokompatibilität zu verbessern [57]. Bewährte Forschungen haben dies durch die Beschichtung von PNPs mit Polysorbaten und durch die Verwendung der Tensidwirkung von Polysorbaten bestätigt. Die äußere Beschichtung verbessert die Wechselwirkungen von NPs mit der Endothelzellmembran der Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​[58].

Eine Studie zeigte, dass mit Indomethacin beladene Nanokapseln eine erhebliche Verringerung der Tumorgröße und ein verbessertes Überleben in einem Xenograft-Gliom-Modell bei Ratten mit sich brachten [59]. Dies ist ein wachsendes Feld mit mehr als zehn polymeren Nanopartikeln, die Krebsmedikamente enthalten, die sich in der klinischen Entwicklung befinden. Einige Beispiele sind Paclitaxel poliglumex (Xyotax), PEG-Camptothecin (Prothecan), modifiziertes Dextran-Camptothecin (DE 310), HPMA-Copolymer-DACH-Platinat (AP5346), HPMA-Copolymer-Platinat (AP 5280), HPMA-Copolymer-Paclitaxel ( PNU166945) und HPMA-Copolymer-Doxorubicin-Galactosamin (PK2) [60].

Dendrimere

Dendrimere sind kugelförmige polymere Makromoleküle mit definierter hyperverzweigter Architektur. Hochverzweigte Strukturen sind das charakteristische Merkmal von Dendrimeren. Typischerweise wird die Synthese von Dendrimeren durch die Reaktion eines Ammoniakkerns mit Acrylsäure initiiert. Diese Reaktion führt zur Bildung eines „Tri-Säure“-Moleküls, das weiter mit Ethylendiamin reagiert, um „Tri-Amin“, ein GO-Produkt, zu ergeben. Dieses Produkt reagiert weiter mit Acrylsäure zu Hexa-Säure, die weiter das Produkt „Hexa-Amin“ (Generation 1) und so weiter erzeugt [61]. Typischerweise liegt die Größe der Dendrimere im Bereich von 1–10 nm. Die Größe kann jedoch bis zu 15 nm erreichen [62]. Aufgrund ihrer spezifischen Struktur wie definiertes Molekulargewicht, einstellbare Verzweigungen, Bioverfügbarkeit und Ladung werden diese zum Targeting von Nukleinsäuren verwendet. Einige weit verbreitete Dendrimere sind Polyamidoamin (PAMAM), PEG (Poly(ethylenglycol)), PPI (Polypropylenimin) und TEA (Triethanolamin) [63].

Ein PAMAM-Dendrimer wurde ursprünglich entwickelt, um ein MDR-Management zu erreichen. DNA-assemblierte PAMAM-Dendrimere sind ausführlich beschrieben worden. Im Vergleich zu Tieren, die mit einer Chemotherapie mit einem einzigen Wirkstoff behandelt wurden, verzögerten die synthetisierten Dendrimere das Wachstum von epithelialen Krebs-Xenotransplantaten signifikant [64].

mAb-Nanopartikel

Monoklonale Antikörper werden aufgrund ihrer besonderen Targeting-Fähigkeiten häufig in der Krebsbehandlung eingesetzt [65]. Diese mAb werden nun mit NPs kombiniert, um Antikörper-Wirkstoff-Konjugate (ADCs) zu bilden. Diese erwiesen sich als hochspezifisch und überzeugender als zytotoxische Medikamente oder mAb allein. So zeigte beispielsweise ein Antikörper-Wirkstoff-NP, der aus einem Paclitaxel-Kern und einer mit Trastuzumab modifizierten Oberfläche bestand, eine bessere Antitumorwirksamkeit und geringere Toxizität als Paclitaxel oder Trastuzumab als Einzelwirkstoff bei der HER2-positiven Brustepithelzellkontrolle [66].

Extrazelluläre Vesikel

Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind doppelschichtige Phosphor-Lipid-Vesikel mit einer Größe von 50–1000 nm n [67]. EVs werden kontinuierlich von verschiedenen Zelltypen sezerniert und variieren in Herkunft, Größe und Zusammensetzung. EVs werden in drei Klassen eingeteilt:1) Exosomen, 2) Mikrovesikel und 3) apoptotische Körper [68]. NPs in Kombination mit Exosomen werden häufig verwendet, da sie Lipide und Moleküle aufweisen, die den Ursprungszellen sehr ähnlich sind. Außerdem entgehen sie der Immunüberwachung und verinnerlichen sich sehr schnell innerhalb der Krebszellen. Sie fungieren als natürliche Vehikel, indem sie zytotoxische Medikamente und andere Anti-Tumor-Medikamente an die Zielstellen abgeben. Mit Doxorubicin (exoDOX) beladene Exosomen sind das beste Beispiel. exoDOX wird zur Behandlung von Brustkrebs eingesetzt und hat im Vergleich zur konservativen Behandlung mit Doxorubicin hervorragende Ergebnisse gezeigt, indem es die Zytotoxizität verstärkt und eine Kardiotoxizität vermeidet [69]. Exosom-NPs weisen im Vergleich zu synthetischen NPs intrinsische Biokompatibilitätsmerkmale, verbesserte chemische Stabilität und intrazelluläre Kommunikation auf. Dennoch sind Nachteile wie das Fehlen von Standardbedingungen für die exosomale Isolierung und Reinigung von entscheidender Bedeutung und müssen angegangen werden [70, 71].

Liposomen

Dies sind kugelförmige Vesikel, die Phospholipide umfassen, die entweder unilamellar oder multilamellar sein können, um Wirkstoffmoleküle einzukapseln [72]. Liposomen sind einzigartig, da sie Eigenschaften wie geringe intrinsische Toxizität, schwache Immunogenität und biologische Inertheit aufweisen [73]. Liposomen sind das erste nanoskalige Medikament, das 1965 zugelassen wurde [74]. Eine typische Liposomenstruktur besteht aus einem „hydrophilen Kern“ und einer „hydrophoben Phospholipid-Doppelschicht“. Diese einzigartige Architektur ermöglicht es ihnen, sowohl hydrophile als auch hydrophobe Wirkstoffe einzuschließen, um die eingeschlossenen Wirkstoffe im Kreislauf wirksam vor Umweltzersetzung zu schützen [75].

Liposomen bieten eine hervorragende Plattform für die Wirkstoffabgabe wie Doxorubicin, Paclitaxel und Nukleinsäure, indem sie eine höhere Antitumorwirksamkeit und eine verbesserte Bioverfügbarkeit zeigen [76]. Doxil® und Myocet® sind zugelassene Daunorubicin-Formulierungen auf Liposomenbasis zur Behandlung von MBC [77, 78]. Aufgrund von Mängeln wie einer verringerten Einkapselungseffizienz, einer schnellen Entfernung durch MP, einer Zelladsorption und einer kurzen Haltbarkeit ist die Anwendung von NPs auf Liposomenbasis jedoch begrenzt.

Feste Lipid-Nanopartikel (SLN)

Sie sind kolloidale Nanoträger (1–100 nm), die aus einer Phospholipid-Monoschicht, Emulgator und Wasser bestehen [79]. Diese werden als nulldimensionale Nanomaterialien bezeichnet. Die Lipidkomponente können Triglyceride, Fettsäuren, Wachse, Steroide und PEGylierte Lipide sein [80]. Unlike conventional liposomes, SLNs have a “micelle-like structure” within which the drug is entrapped in a non-aqueous core. Examples include mitoxantrone-loaded SLN, which has shown reduced toxicity and enhanced bioavailability [81]. The incorporation of doxorubicin and idarubicin by SLN in “P388/ADR leukemia cells” and the “murine leukemia mouse model” has shown positive results [82].

Nanoemulsions

Nanoemulsions are colloidal NPs with heterogeneous mixtures of an oil droplet in aqueous media ranging from 10–1000 nm [83]. Three representative types of nanoemulsions can be made in:1) oil-in-water system, 2) water-in-oil system, and 3) bi-continuous nanoemulsions. Membrane-modified nanoemulsions have been extensively studied. For instance, nanoemulsions loaded with spirulina and paclitaxel showed an improved anti-tumor effect by regulating immunity through TLR4/NF-kB signaling pathways [84]. Nanoemulsion consisting of rapamycin, bevacizumab, and temozolomide is known to treat advanced melanoma [85]. Nanoemulsions are different from liposomes and certainly have enhanced characteristics than others, such as optical clarity, stability, and biodegradability [86]. However, there are challenges to clinical applications of these nanoemulsions as these involve high temperature and pressure and instruments such as homogenizers and microfluidizers that are expensive.

Cyclodextrin Nanosponges

Cyclodextrins are usually used as stabilizers to increase the drug loading capacity of NPs [87]. Nanosponges are tiny, mesh-like structures [88]. Β-cyclodextrin nanosponges loaded with paclitaxel have shown sound cytotoxic effects in MCF-7 cell line culture [89]. Similarly, camptothecin has shown improved solubility and stability when formulated with cyclodextrin-based nanosponges [90].

Inorganic Nanoparticles

Carbon Nanoparticles

Carbon NPs as the name suggests are based on the element carbon. They have been widely utilized in medical arenas because of their optical, mechanical, and electronic properties combined with biocompatibility [91]. Due to their inherent hydrophobic nature, carbon NPs can encapsulate drugs through π-π stacking [92]. Carbon NPs are further categorized into graphene, carbon nanotubes, fullerenes, carbon nanohorns, and graphyne. Although all these are carbon-based, they vary in their structure, morphology, and properties.

“Graphene” is 2D crystal with sp2-hybridized carbon sheet that holds extraordinary mechanical, electrochemical, and high drug loading properties. Further, based on composition, properties, and composition, graphene can be divided as follows:1) single-layer graphene, 2) graphene oxide (GO), 3) reduced graphene oxide (rGO), and 4) multi-layer graphene [93]. GO and rGOs are widely used due to their ability to target hypoxia [94] and irregular angiogenesis in TME [95]. Studies have shown that GO-doxorubicin exhibits higher anticancer activities in cellular models of breast cancer [96].

Fullerenes are large carbon-cage molecules composed of carbon allotrope with different conformation types such as sphere, ellipsoid, or tube. They are the most widely studied nanocarriers as they have typical structural, physical, chemical, and electrical properties [97]. These are used in photodynamic therapy as they have triple yield and generate oxygen species due to the presence of extended π-conjugation and the ability to absorb light [98]. PEG-modified fullerenes showed promising photodynamic effects on tumor cells [99].

Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical tubes, most often considered as rolls of graphene, were discovered in the late 1980s. They are classified into two groups:1) single-walled CNTs and 2) multi-walled CNTs. As they are carbon-based, they can bring upon immune response by interacting with immune cells, thereby suppressing the tumor growth. Traditionally, they have been used as DNA delivery vectors and for thermal ablation therapy. For instance, a fluorescent single-walled CNT with mAb encapsulating doxorubicin is used to target colon cancer cells. Such CNTs form a complex which is effectively engulfed by the cancer cells leading to the intracellular release of doxorubicin, whereas the CNTs are retained in the cytoplasm [100].

Quantum Dots

Quantum dots are typically nanometer-scale semiconductors with a broad spectrum of absorption, narrow emission bands, and high photostability, allowing them to be widely used in biological imaging [101]. Based on carbon, these are divided into:1) graphene quantum dots, 2) nanodiamond quantum dots, and 3) carbon quantum dots. Besides biological imaging, quantum dots are being actively investigated in cancer treatment. The most commonly used quantum dots is graphene quantum dots due to their inherent biocompatibility and rapid excretion. For example, quantum dots aptamer—doxorubicin conjugate targets prostate cancer cells [102]. However, the deficiency of optimized process in producing quantum dots is the major obstacle.

Metallic Nanoparticles

Metallic nanoparticles are commonly explored in “biological imaging” and targeted DDS due to their remarkable optical, magnetic, and photothermal properties. Some of the most commonly used metallic NPs are gold NPs, silver NPs, iron-based NPs, and copper NPs. Gold NPs are used as intracellular targeting drug carriers because the size and surface properties are easily controlled [103]. Moreover, their visible light extinction behavior makes it possible to track NP trajectories in the cells. “Anti-HER2 functionalized gold-on-silica nanoshells” have been shown to aim HER2 positive breast cancer cells [104]. Combidex®, an iron oxide NP formulation, is presently in the late-stage clinical testing phase to detect nodal metastases [105]. Feraheme®, a ferumoxytol containing iron oxide NP formulation, is used to treat iron-deficiency anemia. This is also used to treat nodal metastases in prostate and testicular cancer and was approved by FDA in June 2009 [106, 107].

Magnetic Nanoparticles

Magnetic NPs are generally used in MRI imaging, and drug delivery contains metal or metal oxides. These are usually covered with organic substances like polymers and fatty acids to enhance stability and biocompatibility [108]. LHRH-conjugated superparamagnetic iron oxide NPs are effective in targeting and imaging of breast cancer [109]. Moreover, magnetic NPs are used in magnetic hyperthermia for thermal ablation of cancer cells [110, 111]. Some of the magnetic NPs that are in the market or in the clinical trial phase are Feridex® and Resovist® for liver metastasis and colon cancer [112].

Calcium Phosphate Nanoparticles

“Calcium phosphate NPs” is biologically compatible, biodegradable, and do not cause any harsh adverse reactions. Hence, they are used as a delivery agent for insulin, growth factors, antibiotics, and contraceptives [113]. They are also used in the delivery of oligonucleotides and plasmid DNA [114]. Calcium phosphate NPs combined with either viral or non-viral vector has been positively used as delivery vectors in cellular gene transfer. A “liposomal nanolipoplex formulation” of calcium and glycerol has shown decreased toxicity and enhanced transfection features [115, 116].

Silica Nanoparticles

Silica being a significant component of many natural materials was only studied concerning biology recently. Silica NPs are commonly used to deliver genes by functionalizing the NP surface with amino-silicanes [117]. N-(6–aminohexyl)–3–aminopropyl–trimethoxysilane functionalized silica NPs have shown excellent efficiency in the transfection of Cos-1 cells with minimal toxicity and is now commercially available [118]. Mesoporous silica NPs are considered one of the best drug carriers due to their better pharmacokinetic properties. They have been extensively used in immunotherapy. According to a study, colorectal cancer cells have shown successful uptake of camptothecin-loaded mesoporous silica NPs.

Mechanism of NPs in Overcoming Drug Resistance

Drug resistance is one of the chief problems in cancer therapy and management. It prevails across all types of cancer and all possible treatment modalities. Drug resistance is a phenomenon that results when diseases become tolerant to pharmaceutical treatments. Drug resistance can be classified into two types:1) innate and 2) acquired [119]. Innate resistance usually results from pre-existing mutations in the genes that are involved in cell growth or apoptosis. Acquired resistance is defined as the type of resistance that is developed after a particular anti-tumor treatment, which may result from the development of new mutations or from alterations in the TME during treatment. Nanoparticles, due to their extraordinary ability to co-encapsulate multiple therapeutic agents, can also be used to overcome cancer-related drug resistance.

Targeting Efflux Transporters

Efflux transporters are classified under the family of “ATP-binding cassette (ABC) transporters.” These have a significant role in MDR. The primary function of these transporters is to pump out drugs out of the cell and reduce the concentration. “P-glycoprotein (P-gp)” is one such efflux transporter that is overexpressed by drug-resistant cancer cells [120, 121].

Overexpression of P-gp has been linked with inadequate treatment response, especially in breast cancer [122] and ovarian cancer [123]. NPs can be used to tackle efflux pumps. As NPs internalize the cell via “endocytosis” instead of diffusion and release the drug at the “perinuclear site,” which is distant from active efflux pumps, NPs can bypass the efflux pumps [124]. Besides, by modifying the control of drug releases, such as by utilizing low pH levels and redox as triggers, NPs can effectively bypass efflux pumps [125, 126].

Combination therapy is yet another method to overcome MDR. NPs can be loaded with multiple drugs within a single drug carrier [127]. Inhibiting efflux transporter expression instead of just dodging them would be another viable option. This can be achieved by building NPs in such a way that it can entrap both efflux pump inhibitors and chemotherapy agents [128]. A recent study positively reflected upon reversing MDR in breast cancer cells by using NPs that co-deliver COX-2 inhibitors and doxorubicin [129]. Similarly, using silica NP that encapsulates miRNA-495 and doxorubicin has proved effective in overcoming drug resistance in lung cancer cells [130]. Another interesting study found out that using NPs in the tumor neo-vasculature targeting KDR receptors is a more effective anti-tumor function than P-gp inhibitor combination therapy. Yet, another way of overcoming drug resistance is by depleting the source of ATP, which is essential for the functioning of ABC transporters. This can be done by targeting mitochondria which leads to a decrease in ATP production.

Targeting an Apoptotic Pathway

Cancer cells proliferate due to faulty apoptotic machinery and upsurge their survival adding to drug resistance [131]. The faulty apoptotic pathway gets activated by “deregulation of Bcl-2” and “nuclear factor kappa B (NF-κB).” These are the most widely investigated anti-apoptotic proteins and can be potentially used as the target for reversing drug resistance. Using a classic process of co-delivery of “Bcl-2 siRNA and chemotherapeutics” by NPs is a way to overcome MDR [132]. NF-κB inhibitors have been used in combination with “pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC)” [133] and curcumin [134]. Besides suppressing anti-apoptotic factors, triggering pro-apoptotic factors is another to fight “apoptotic pathway-mediated drug resistance.” For instance, a combination of ceramide and paclitaxel is a good example [135]. Ceramide restores the expression of a chief tumor suppressor, p53 protein, by regulating alternative pre-mRNA splicing. Delivering ceramide via NPs is an excellent way to correct the p53 missense mutation [136]. Owing to its potential, a combination of ceramide and paclitaxel has shown significant therapeutic efficacy in cancer drug resistance models. Transfecting the p53 gene by cationic SLNs has been reported in lung cancer cases [137]. Similarly, transfecting the p53 gene by PLGA has been carried out in breast cancer cells models that have shown potent induction of apoptosis and inhibition of tumor growth [138].

Some NP-based DDS act by impeding efflux pumps and encouraging apoptosis [139]. A pioneering study conducted to prove both pump- and non-pump-mediated drug resistance used an “amphiphilic cationic NP” entrapping paclitaxel and Bcl-2 converter gene in drug-resistant liver cancer models. NP complex diminished P-gp-induced drug efflux and the apoptosis activation. Similarly, co-delivery of “doxorubicin and resveratrol encapsulated in NPs” has shown noteworthy cellular toxicity on doxorubicin resistance breast cancer cells by downregulating the expression of Bcl-2 and NF-κB, thereby initiating apoptosis as well as through the inhibition of efflux transporter expression [140]. A similar study was done on multi-drug resistant prostate cancer cells by using folic acid-conjugated planetary ball milled NPs encapsulated with resveratrol and docetaxel. This worked by downregulating anti-apoptotic gene expression while inhibiting ABC transporter markers [141].

Targeting Hypoxia

Hypoxia is yet an additional aspect that backs MDR [142]. Due to abnormal blood vessels in the vicinity of the tumor and due to the increasing demand of oxygen by the rapidly growing tumor, some tumor cells are repeatedly in a hypoxic condition. The part of the tumor that is in hypoxic condition often escapes from the chemotherapy drugs. Hypoxia creates an oxygen ramp inside the tumor that intensifies tumor heterogeneity, encouraging a more aggressive phenotype. Moreover, the hypoxia condition has been established to facilitate the overexpression of efflux proteins [143]. The major protein, “hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α)” acts an important role. Hence targeting HIF-1α or silencing HIF-1α gene is a way to overcome drug resistance. NPs containing HIF-1α siRNA can be used to reduce hypoxia-mediated drug resistance [144]. Instead of directly targeting HIF-1α, indirect inhibition of HIF-1α signaling can be used. For example, the “PI3K/Akt/mTOR pathway” is known to control the expression of HIF-1α. Inhibition of this pathway effectively downregulates the expression of HIF-1α, which enhances the sensitivity of MDR cells to cancer treatment [145]. NPs like PLGA-PEG and PEGylated and non-PEGylated liposomes can be used effectively. In addition, “heat shock protein 90 (HSP90)” is needed for transcriptional activity of HIF-1 and inhibition of HSP90, which downregulates the expression of HIF-1α [146]. The HSP90 inhibitor in “17AAG loaded NPs” has dramatically improved MDR in bladder cancer treatment [147].

Nanoparticles and Proteomics

When NPs are subjected to the biological system, they are surrounded by cellular and serum proteins which form a structure known as protein corona (PC) [148]. Based on the degree of interaction of these proteins with the NPs, there are classified into the hard corona and soft corona. “Hard corona” is formed when these proteins have a high binding affinity towards the NPs. “Soft corona” is produced when these proteins are loosely bound to the NPS. It has been established that the most protein forming a PC first will be eventually substituted by proteins with higher affinities. This is known as Vroman effect [149]. Hence developing the technology that can manufacture NPs with desired properties is essential. Several proteomic approaches such as MS, LC–MS, SDS-PAGE, isothermal microcalorimetry (ITC), etc. [150], are being used. PC affects the crosstalk of NP with the biological setting and thereby governs the application and usage of the same in the medical field.

Cancer proteomics studies the number of proteins in cancer cells and serum, which supports hunting proteins and biomarkers that aids in diagnosis, treatment, and prognosis [151]. It also helps in understanding cancer pathogenesis and drug resistance mechanism. Post-translational modifications (PTMs) play an indispensable part in occurrence, recurrence, and metastasis. Besides using chemotherapy and kinase inhibitors, novel agents like siRNA, mRNA, and gene editing are central therapeutics used with NPs.

Nanotechnology for Small Interfering RNA (siRNA) Delivery

siRNAs are small ds RNA molecules (around 21 nucleotides long) that suppress the expression of genes in the target. This process is known as “RNA interference.” A few siRNA-based NPs that are currently under clinical investigations are ALN-TTR01 that is used to target the transthyretin gene to treat transthyretin-mediated amyloidosis, and Atu027, which is a liposomal siRNA that targets protein kinase N3 and TKM-ApoB that knock downs the expression of ApoB [152, 153].

Nanotechnology for Tumor microRNA Profiling and Delivery

MicroRNAs are a class of endogenous “single-stranded non-coding RNA” molecules that control post-transcription gene expression by blocking translation of the target mRNA or repressing protein production by destabilizing mRNA [154]. These are emerging as vital biomarkers that are a significant target for cancer diagnosis, therapy, and treatment. The base priming nature of nucleic acid forms the very foundation for nanotechnology used miRNA profiling techniques. Several profiling techniques use biosensors or surface plasmon resonance imaging techniques in combination with molecular biology enzymatic reactions. Nanotechnology can be used for the delivery of MicroRNAs. For example, biodegradable polycationic prodrugs showed promising results in the regulation of polyamine metabolism [155]. MicroRNA-loaded polycation-hyaluronic acid NPs of single-chain antibody fragments have shown progressive downregulation of “survivin expression” in high metastatic cancer load in the lung of murine B16F10 melanoma.

DNA Nanotechnology for Cancer Therapy

DNA-based nanostructures have been synthesized for DNA sensors to detect nucleic acid, DNA-coated gold NPs for lead sensing by hybridizing Pb-activated DNAzyme to the linking DNA, scaffolds to organize organics, inorganic, and biomolecules into distinct morphology molecular transporters, and drug delivery (Table 1).

Advantages of Nanoparticles in Cancer Therapy

The utilization of nanotechnology in the diagnosis, treatment, and management of cancer has led to a whole new era. NPs, either by active or passive targeting, augment the intracellular concentration of drugs while avoiding toxicity in the healthy tissue. The targeted NPs can be designed and altered as either pH-sensitive or temperature-sensitive to establish and regulate the drug release. The pH-sensitive drug delivery system can deliver drugs within the acidic TME. Similarly, the temperature-sensitive NPs release the drugs in the target site due to changes in temperature brought in by sources like magnetic fields and ultrasound waves. In addition, the “physicochemical characteristics” of NPs, such as shape, size, molecular mass, and surface chemistry, have a significant part in the targeted drug delivery system. Further, NPs can be modified according to the target and used to target a particular moiety.

Conventional chemotherapy and radiation therapy have several disadvantages concerning efficacy and side effects because of uneven dispersal and cytotoxicity. Therefore, cautious dosing is required that effectively kills cancer cells without any significant toxicity. To reach the target site, the drug has to pass several fortifications. Drug metabolism is a very complex process. In physiological conditions, the drug needs to pass TME, RES, BBB, and kidney infiltration. RES or macrophage system is made up of “blood monocytes, macrophages, and other immune cells” [160]. MPS in the liver, spleen, or lungs react with the drugs and activate “macrophages or leukocytes” that rapidly remove the drug. This leads to a short half-life of the drug [161]. To overcome this, NPs with “surface modification,” such as PEG, bypass this mechanism and increase the “drug half-life.” Besides, kidney infiltration is a crucial function in the human body. Proper kidney infiltration thus minimizes the toxicity caused by NPs.

The brain-blood barrier (BBB) is a specialized protection structure offered to protect the CNS from harmful and toxic agents. “Brain capillary endothelial cells” are arranged in the form of a wall that provides essential nutrients to the brain. Since the primary function of BBB is to block toxic agents to reach the brain, currently available chemotherapy agents for brain cancer are highly limited to intraventricular or intracerebral infusions [162]. However, NPs are known to cross BBB. Now, several approaches such as EPR effect, focused ultrasound, peptide-modified endocytosis, and transcytosis are used to deliver NPs. Glutathione PEGylated liposome encapsulated with methotrexate showed improved methotrexate uptake in rats [163]. Au-NPs are often used as they have proven to help transport drugs to induce apoptosis [164].

NPs being carriers also increase the drug stability by preventing the degradation of the encapsulated cargo. Additionally, a large volume of drugs can be encapsulated without any chemical reaction. Dry solid dosage forms are more stable than nanoliquid products [165]. Stabilizers can be used to enhance stability. Yet another way to increase stability is to use porous NPs.

Tumor has unique pathophysiology features such as extensive angiogenesis, flawed vascular architecture and defective lymphatic drainage. The NPs use these features to target tumor tissue. Due to reduced venous return in tumor tissue and meager lymphatic clearance, NPs are effectively retained. This phenomenon is known as EPR. Similarly, by targeting the adjacent tissues, tumor-targeting can be accomplished [166].

NPs can be administered through several routes like oral, nasal, parenteral, intra-ocular etc. NPs have a high surface-to-volume ratio and intracellular uptake. Studies have reported that NPs are more effective than microparticles as drug carriers [167].

Nanoparticles in Immunotherapy

The immune system sets an important part in the establishment and development of cancer cells. The advancement of immunotherapy has revolutionized cancer therapy. It is found that NPs not only help in target delivery of chemotherapy but can also be used in combination with immunotherapy. There are several approaches in immunotherapy aimed at activating the immune system against cancer cells [168] by “immune checkpoint blockade therapy,” “cancer vaccine therapy,” “chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy,” and “immune system modulator therapy” [169,170,171]. NP-based immunotherapy includes “nanovaccines,” “aAPCs (artificial antigen-presenting cells),” and “immunosuppressed TME targeting.”

Nanovaccines specialize in delivering “tumor-associated antigens” and “adjuvants” to antigen-presenting cells, such as dendritic cells (DCs) [172]. Moreover, these can also be employed as adjuvants to enhance “APC antigen presentation” and promote DC maturation that leads to the stimulation of cytotoxic T cells that have anti-tumor function [173, 174]. Liposomes, PLGA NPs, gold NPs are found to have the ability to deliver TAAs into DCs in the cytoplasm [175]. Mesoporous silica, the most used inorganic NP, has exhibited an adjuvant role, leading to immune response stimulation [176]. Artificial APCs interact with MHC-antigen complexes directly which binds to T cells. They also bind to co-stimulatory molecules that bind to co-stimulatory receptors leading to T cell activation [177]. Targeting the immunosuppressed TME is yet another method of using NPs in immunotherapies. This is done by targeting essential cell types in TME such as “tumor-associated macrophages (TAMs),” regulatory T cells, and “myeloid-derived suppressor cells (MDSCs).”

Besides, the combination of chemoimmunotherapy has been demonstrated to be a capable approach in cancer therapy. For instance, a study has shown that co-loading Nutlin-3a, which is a chemotherapeutic agent and cytokine GM-CSF, in “spermine-modified acetylated dextran (AcDEX) NPs” improved cytotoxic CD8( +) T cells proliferation and activated an immune response [178].

“Programmed cell death protein 1 (PD-1)” and “programmed cell death ligand 1 (PD-L1)” are some of the essential immune checkpoints [179]. Hence immune checkpoint inhibitors are used to target these using NPs. According to a study, conventional immune checkpoint inhibitors of PD-L1/PD-1 displayed inconsistent responses. To enhance the chances and bonding of immune checkpoint inhibitors and immune checkpoints, multivalent poly (amidoamine) dendrimers were used. Usage of these dendrimers not only showed enhanced PD-L1 blockade but also showed improved drug accumulation at the tumor site [180].

Nanoparticles in Cryosurgery

Cryosurgery is an advanced practice of freeze-destroying cancer tissue. Although this is less invasive and causes intraoperative bleeding and postoperative complications, certain drawbacks like inadequate freezing capacity and damage to adjacent cells need to be addressed [181]. The rise of nanotechnology has enabled the use of NPs in cryosurgery.

The primary working of nanocryosurgery is introducing NPs with particular properties into the cancer cells and causing freezing [182]. During this process, ice is formed within the cells, which causes damage to it. This is an important process and can be carried out effectively using NPs. The thermal conductivity property of NPs can be exploited, which significantly freeze the tumor tissue and cause tumor damage [183]. Besides, they cool down rapidly, and it is feasible to regulate the “growth direction” and “direction of the ice ball” (Fig. 6).

Diagrammatic representation of NPs in cryosurgery

When the location of the tumor makes it not feasible for cryosurgery or if other adjacent organs are at risk, there are high chances that the freezing can damage healthy tissue. Recently, phase change materials (PMs) made up of NPs are used to protect the adjacent normal healthy tissue during cryosurgery [184]. For instance, liposome-based microencapsulated phase change NPs have shown incredible results in protecting surrounding healthy tissue [185]. These NPs are deemed to possess large latent heat and low thermal conductivity, making them perfect for cryosurgery.

Significant Challenges in the Clinical Application of Nanoparticles

At present, as nanotechnology has bloomed, the amount of knowledge and research put into nanoparticles has steeply raised. But only a few of them actually make it up to clinical trials. Most of them only halt at in vivo and in vitro stages. Each individual nanoformulation has particular challenges in their clinical translation, but most NPs face similar challenges that can be divided into biological, technological, and study-design related.

Biological challenges include lack of routes of administration, tempering biodistribution, the channel of NPs across the biological barriers, their degradation, and toxicity [186]. NPs are usually injected via intravenous injections directly into the blood, which takes away NPs, making it challenging to stay and interact with the target site. As a result, a high concentration drug is used, which might not provide desired therapeutic effects [187]. However, magnetic NPs can be used to overcome this as many in vivo and in vitro studies have proved the usage of 3D magnetic fields to control the movement of NPs against blood flow. But, the effect of magnetic fields on the human body, crosstalk between magnetic fields, and a large number of NPs has to be researched upon.

Controlling the biological fate of NPs is very hard and needs a lot of focus. Even though NPs are made up of biosafety materials and are modulated accordingly to increase the retention time and half-life, there runs a risk of lung, liver and kidney damage. Some factors that govern toxicity are surface area, particle size and shape, solubility, and agglomeration [188]. NPs have shown greater deposition in the lung with inflammatory, oxidative and cytotoxic effects [189]. Studies reveal that healthy cells often suffer from free radicals generated by NPs [190]. Fabricating NPs with more biocompatible substances like chitosan and materials that disintegrate after near infrared light irradiation may be potential solutions.

Another tricky challenge is avoiding the “mononuclear phagocytic system (MPS).” In biological fluids, NPs adsorb proteins to produce PC, which attacks MPS to uptake NPs. To escape this, NPs have been coated with materials that prevent the formation of the protein corona. However, they have not shown any significant results. Designing NPs that target “macrophages” and using those as new drug vehicles can be pitched to overcome this problem. Currently, preventing macrophage recruitment, depleting and reprograming TAMs, and obstructing “CD47-SIRPα pathways” are commonly used strategies [191].

Technological challenges of NPs include scale-up synthesis, equal optimization, and performance predictions. These are very crucial in safeguarding the clinical success of NPs. Most of the NPs that are used in vivo and in vitro studies are usually produced in minor batches, and scale-up for huge quantities is not constantly feasible given instrumentation and other reasons. The lead clinical candidates that prove to be the best in animal models are not systematically designed optimized. To overcome this, we can use certain methods that can test numerous nanoformulation and by selective iterations selecting a single optimized formulation [192,193,194]. However, such hits shouldn’t be introduced directly in human testing. Predicting nanoparticle efficacy and performance is hard and replicating the in vivo results in human trials is a herculean task. Computational or theoretical modeling along with experimental results can be designed to imitate physiological tissue and surrounding. For instance, organs-on-chips are being actively studied and can improve NP predictions of efficacy and performance.

Study-design challenges like study size, intent, and timing of NP therapies during the therapy impact significantly during clinical studies. Most of the studies revolve around “cell and animal models” that may not provide comprehensible results in human trials. Therefore, the usage of a single model is tough to imitate natural reactions in the human body. In addition, “models of cancer metastasis” should be actively researched as metastasis is one of the significant properties of cancer. Moreover, N  = 1 clinical studies will be required if we focus on personalized medicine. This needs to count in many factors such as genetic, environmental, and past medical history. [195, 196]. Another major challenge is that NPs are never used as first-line therapies. Although we have effectively approved nanoformulations, they are usually saved for further treatment if disease progression is found in the clinical trial scenario. Most of the patients have either had progressed on multiple lines of therapies or have gained drug resistance. These situations often skew the clinical trial results and lessen the chance of NP treatment to benefit those who are likely still treatable.

Conclusion and Future Perspective

Nanotechnology has shown a promising new era of cancer treatment by delivering small molecules for cancer detection, diagnosis, and therapy. Cancer therapies based on the exceptional features of NPs are being vastly used in the clinical setting of several cancer types. NP-based DDS is linked with enhanced pharmacokinetics, biocompatibility, tumor targeting, and stability compared to conventional drugs. Moreover, NPs provide an excellent platform for combination therapy which helps in overcoming MDR. With increasing research, several types of NPs, such as polymeric NPs, metallic NPs, and hybrid NPs, have shown improved efficacy of drug delivery. Researchers must be well attentive to the features of the nominated nanoplatforms and the properties of therapeutic agents. However, there are certain limitations like deficiency of in vitro models that precisely replicate in vivo stage, immunotoxicity, the long-term toxicity, and neurotoxicity. Although “nanovaccines” and “artificial APCs” have proved improved efficacy compared to conventional immunotherapy, the clinical efficacy is substandard. The safety and tolerance of these new modalities should to be inspected. Additionally, developing “immunomodulatory factor-loaded NPs” may advance the efficiency of vaccines for immunotherapy.

This is an emerging area, and it is anticipated that with growth in proteomics research on the “mechanism of cancer origin, MDR, occurrence,” more NP-based drugs can be exploited. Compared to the mammoth amount of investigations, only a few NP-based drugs are actually in use, a few others in clinical trials, and most in the exploratory stage. For rational nanotechnology design, more efforts must be reserved in “understanding toxicity, cellular and physiological factors that regulate NP-based drug delivery, EPR, and PC mechanism” in the human body. Based on the evidence cited above, we presuppose that the revolution in clinical translation for NP-based cancer therapy will be attained with nanotechnology and cancer therapy development.

Availability of Data and Materials

Not applicable.