Zebrafisch:Ein vielversprechendes Echtzeit-Modellsystem für die nanotechnologisch vermittelte neurospezifische Wirkstoffabgabe

Einführung

Die Arzneimittelabgabe bezieht sich auf das Verfahren zur Übertragung von Verbindungen in den Körper zu therapeutischen Zwecken. Die Verbindungen sind hauptsächlich pharmazeutischer Natur und in vivo gegen einen bestimmten Krankheitszustand auf eine bestimmte Zellpopulation gerichtet. Der Begriff Drug Delivery umfasst zwei Hauptideen:Dosierungsform und Verabreichungsweg [1]. Die richtige Wirkstoffabgabe stellt eine effiziente Wirkstoffaktivität sicher, indem sie Folgendes reguliert:Wirkstofffreisetzung, Absorption durch Zellen und korrekte Verteilung im System [2]. Einige gängige Verabreichungswege von Arzneimitteln umfassen enterale (Magen-Darm-Trakt), parenterale (über Injektionen), Inhalation (olfaktorisch vermittelt), transdermal (über Dermis), topische (über die Haut) und orale Verabreichungswege (über die Speiseröhre) [3]. Die Abgabe eines Medikaments ist kritisch und von großer Bedeutung im therapeutischen Bereich. Die gewählte Methode muss am effektivsten und auch am wenigsten toxisch für das System sein [4]. Das Problem wird noch größer, wenn das fragliche Organ das Gehirn ist. Die Verabreichung von Medikamenten an das Gehirn ist unter Forschern seit Jahrzehnten ein Kampf [5, 6]. Unzählige Technologien und Ideen wurden für die Entwicklung einer effektiven Technik verwendet [7, 8]. Der Erfolg scheint jedoch nicht nahe zu sein. Die größte Hürde in diesem Kampf ist die Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​zu überwinden. Die BBB ist eine physiologische Barriere, die unser Gehirn vor Verbindungen schützt, die aus dem Blut in das Gehirn übertragen werden [9]. Der natürliche Aufbau der Barriere erlaubt nur sehr kleinen Molekülen aus dem Blutkreislauf den Zugang zum Gehirn [10]. Moleküle mit kleinen Molekulargewichten < 400 Da und solche, die fettlöslich sind, haben die Fähigkeit, das Gehirn zu durchdringen [11]. Neurospezifische Medikamente müssen diese Parameter für eine wirksame Medikamentenabgabe über die BBB erfüllen. Gegenwärtig gelingt es den meisten Medikamenten, die auf das Gehirn abzielen, nicht, die BHS zu überwinden [9, 12, 13]. Erkrankungen des zentralen Nervensystems gehören zu den häufigsten Erkrankungen, von denen mehrere Menschen in allen Lebensphasen betroffen sind. Diese Krankheiten sind jedoch immer noch die am wenigsten behandelten [14]. Es besteht ein unmittelbarer Bedarf an neuartigen neurospezifischen Wirkstoffabgabetechnologien, da die Erfolgsraten existierender Wirkstoffe, die auf das Gehirn abzielen, äußerst gering sind. Neben der eingeschränkten Permeabilität der BHS müssen auch die Komplexität des Gehirns und die Nebenwirkungen durch bestehende Drug-Delivery-Technologien berücksichtigt werden [15]. Das Fehlen eines absoluten Verfahrens zur effizienten Abgabe neurospezifischer Arzneimittel hat eine wirksame Arzneimittelentwicklung auf diesem Gebiet behindert. Die Forschungsgemeinschaft hat verschiedene Wege erforscht, um dem Gehirn sichere und zielgerichtete Medikamente zuzuführen. Makromoleküle bis hin zu Nanopartikeln werden erforscht, um maximale Wirksamkeit zu gewährleisten [16].

Die Nanotechnologie hat durch ihren boomenden Einfluss auf die Forschung zur Wirkstofffreisetzung im Gehirn zunehmend das Interesse der wissenschaftlichen Gemeinschaft geweckt [17]. Mit dem Wachstum der Nanotechnologie hat sich gleichzeitig der Bereich der Nanotoxikologie ausgeweitet. Die Toxizitätsbewertung der Nanopartikel spielt eine zentrale Rolle bei der Analyse der Auswirkungen der Nanopartikel auf die einzelnen Spezies und die Umwelt insgesamt [18]. In den letzten Jahren wurde Zebrafisch als Prototyp für Toxizitätsstudien eingesetzt [19]. Der Zebrafisch wurde ausgiebig für Studien zur experimentellen Biologie verwendet und entwickelt sich nun zu einem robusten Modellsystem zur Untersuchung der Nanotoxizität [20]. Als Modellsystem für Nanotoxizität bietet der Zebrafisch mehrere Vorteile. Als Versuchstier ist es sehr wirtschaftlich und pflegeleicht. Es hat eine hohe Fruchtbarkeitsrate, macht sie leicht verfügbar und hilft, die Physiologie der Wirbeltiere einfacher zu verstehen [21]. Der Einsatz von Zebrafischen als Modellsystem hat jedoch auch seine Grenzen. In erster Linie ist das Nervensystem des Zebrafisches möglicherweise nicht so kompliziert und entwickelt wie das des Menschen; das Nervensystem von Nagetieren und Mäusen ist vergleichsweise besser entwickelt und kann verwendet werden, um die komplexen menschlichen Gehirnerkrankungen zu untersuchen; sie sind jedoch nicht mit denen des Menschen identisch [22]. Zweitens fehlen dem Zebrafisch einige beim Menschen vorkommende Organsysteme wie Lunge, Prostata und Brustdrüsen; auch Krankheiten, die durch fehlende Gene beim Zebrafisch verursacht werden, können nicht untersucht werden [23]. Der Zebrafisch hat jedoch eine 70-prozentige genomische Ähnlichkeit mit dem menschlichen Genom und 84 % eine Homologie mit menschlichen krankheitserregenden Genen, was ihn sehr geeignet macht, die Pathologie menschlicher Krankheiten nachzuahmen [24]. Früher wurde postuliert, dass der erwachsene Zebrafisch keine Lebermakrophagen besitzt; die Kupffer-Zellen wurden als nur vorübergehend im frühen embryonalen Stadium und als fehlend oder spärlich in späteren Entwicklungsstadien angesehen [25,26,27]. Neuere Arbeiten haben jedoch den hämatopoetischen Ursprung der Kupffer-Zellen und ihre Persistenz sogar in der Leber des erwachsenen Zebrafisches gezeigt, was Zebrafische auch für die Erforschung von Kupffer-Zellen geeignet macht [28, 29]. Darüber hinaus wird erwartet, dass die höheren Wirbeltiermodelle die komplizierten menschlichen Pathologien mit größerer Genauigkeit nachahmen als die Zebrafische. Vor kurzem hat eine Debatte über die Abhängigkeit von Daten aus Tiermodellen und deren Übertragung auf den Menschen begonnen [30]. Dies weist darauf hin, dass jedes Tiermodell bei der Anwendung auf klinische Studien seine eigenen Grenzen hat [30, 31].

In diesem Review werden die neuesten Studien zur Nanotechnologie-vermittelten Wirkstoffabgabe speziell an das Gehirn diskutiert, wobei der Zebrafisch als Modellsystem verwendet wird. Es fasst die Hürden der BBB und die verschiedenen Nanodrug-Optimierungen, ihre Toxizitätsbewertung und ihre Auswirkungen als Verwendung für Therapeutika bei neurodegenerativen Erkrankungen unter Verwendung von Zebrafischembryonen und Erwachsenen zusammen. Schließlich hebt die Übersicht die Vor- und Nachteile des Zebrafischmodells für die neurospezifische Wirkstoffabgabe hervor und zeigt den immensen Spielraum, den es für die zukünftige translationale Forschung bietet.

Blut-Hirn-Schranke:Das Haupthindernis bei der neurospezifischen Arzneimittelabgabe

Die BBB sorgt für einen eingeschränkten Eintritt von Substanzen in das Gehirn und wirkt somit als Diffusionsbarriere, die zur Aufrechterhaltung einer normalen Hirnhomöostase beiträgt [32]. An der zusammengesetzten Struktur der BHS sind mehrere Zellen beteiligt [33]. Perizyten, Astrozyten und Neuronen bilden die zellulären Komponenten, während Endothelzellen, Tight Junctions und Basalmembran zusammen die BBB bilden [34]. Das Fehlen von Fenstern in den Endothelzellen im Gehirn sorgt dafür, dass keine kleinen Moleküle über ihre Oberfläche diffundieren. Sogar wasserlösliche Substanzen werden durch das Vorhandensein von interendothelialen Verbindungen wie Tight Junctions, Adhärens Junctions und Gap Junctions, die die Endothelzellen verbinden, daran gehindert, in das Gehirn einzudringen [35]. Diese Endothelzellen sind wiederum von den Perizyten, Astrozyten und der Basalmembran umgeben, die den Aufbau der BBB vervollständigen [36]. Die Adhärens Junctions und Tight Junctions regulieren die Permeabilität der Endothelzellschicht. Gap Junctions bestehen aus Connexinmolekülen und kontrollieren die Kommunikation zwischen Endothelzellen [37]. Moleküle können die BHS über zwei Wege passieren:den parazellulären Weg oder den transzellulären Weg [38]. Im parazellulären Weg passieren die Ionen und Moleküle die BHS, indem sie mithilfe eines Konzentrationsgradienten passiv zwischen den Zellen diffundieren [39]. Der transzelluläre Weg nutzt verschiedene Mechanismen wie Transzytose oder rezeptorvermittelten Transport für die Passage von Molekülen durch die Zellen [40]. Mehrere Parameter beeinflussen die Permeabilität der BBB. Molekulargewicht, Ladung auf der Oberfläche, Oberflächenaktivität, Löslichkeit des Moleküls und relative Größe des Moleküls beeinflussen die BHS-Permeabilität [41].

Blut-Hirn-Schranke:Moderne Technologien für die Arzneimittelabgabe

Die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​in einem gesunden Gehirn fungiert hauptsächlich als Diffusionsbarriere zum Schutz der normalen Gehirnfunktionen. Es verhindert, dass die meisten Verbindungen aus dem Blut in das Gehirn übertragen werden. Die strenge BBB lässt nur sehr kleine Moleküle in das Gehirn ein; es wird jedoch beobachtet, dass es bei Krankheitszuständen gestört ist.

Warum Nanopartikel eine aktuelle Wahl für die neurospezifische Wirkstoffabgabe sind

Die Technik, Materialien auf molekularer Ebene zu entwickeln und zu synthetisieren, wird als Nanotechnologie bezeichnet. Das National Nanotechnology Institute definiert Nanotechnologie als jedes Material, das in mindestens einer Dimension existiert und in der Größe zwischen 1 und 100 nm liegt (Abb. 1). Das letzte Jahrzehnt hat einen Boom auf dem Gebiet der Nanotechnologie und ihrer Anwendungen im biomedizinischen Bereich erlebt. Es wird angenommen, dass die nanotechnologische Wirkstoffabgabe die gesamte Biotechnologie- und Pharmaindustrie aufgewühlt hat und in den kommenden Jahren einen tiefgreifenden Wandel in diesem Bereich mit sich bringt [42,43,44,45,46,47]. Die Anwendung der Nanotechnologie verspricht mehrere Vorteile bei der gezielten Wirkstoffabgabe. Dazu gehören die Fähigkeit, Medikamente (a) mit geringerer Wasserlöslichkeit an ihren jeweiligen Zielort, (b) von zwei oder mehr Arten zur Erzielung einer kombinatorischen Therapie, (c) gezielte Abgabe an den spezifischen Wirkort, (d) den Transport von Medikamente über enge Barrieren hinweg, dh Blut-Hirn-Schranke, (e) Visualisierungsmöglichkeiten für ein besseres Verständnis und eine bessere Analyse der Medikamentenaktivität [48] und (f) Echtzeit-Tracking-Möglichkeiten zum Erreichen einer perfekten Wirksamkeit in der Art der Medikamentenaktivität [44]. Daher birgt die Nanotechnologie ein enormes Potenzial für neurospezifische Therapeutika.

Eigenschaften neurospezifischer Medikamente. Die BBB besteht typischerweise aus den Tight Junctions in den Endothelzellen, die von den Astrozyten, Perizyten und Neuronen umgeben sind. Neurospezifische Moleküle sollten spezifische Eigenschaften besitzen, um die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​zu überwinden. Bevorzugte Eigenschaften sind:sehr kleine Größe mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm, niedriges Molekulargewicht vorzugsweise weniger als 400 Da, sollte positiv geladen sein, kugelförmig und fettlöslich

Zebrafisch als Modell für die neurospezifische Wirkstoffabgabe

Das Danio rerio (Zebrafisch) ist ein nachgewiesenes Wirbeltiermodell zur Erforschung von Entwicklungsstudien und der Untersuchung degenerativer Krankheiten [49,50,51,52]. Es kann für weitreichende Analysen modelliert werden, von fundamentalen und toxikologischen Analysen bis hin zu präklinischen Studien [53, 54, 55]. Von den zahlreichen Vorteilen, die der Zebrafisch bietet, sind seine kostengünstige Wartung, die einfache Prüfung mit einfachen Gehäuseanforderungen und die große Kupplungsgröße sehr gut für Hochdurchsatzprüfungen geeignet [56]. Eine hohe Fruchtbarkeit ist ein charakteristisches Merkmal, das die Verwendung dieses Modellsystems weiter akzentuiert [24, 57]. Die Organsysteme von Zebrafischen sind im Vergleich zu höheren Wirbeltieren hoch konserviert [58].

Die Zebrafischembryonen haben eine äußere Entwicklung und sind vollständig transparent, wodurch sie umfassend visuell untersucht werden können. Daher sind sie ein ausgezeichnetes Werkzeug für Screening-Analysen mit Mitteln, die das normale Wachstum, die Entwicklung und den Zellzyklus stören [59]. Sie zeigen gründliche Entwicklungsmuster, die von der Epibolie bis zur endgültigen Entwicklung von Schlüsselstrukturen reichen [60, 61]. Zebrafische werden heute in großem Umfang für die neuropsychiatrische Forschung und verschiedene Studien verwendet, um die Entwicklungstoxizität bei der durch Nanopartikel vermittelten Arzneimittelabgabe zu analysieren. Die Exposition von Zebrafischen gegenüber Goldnanopartikeln störte die normale Augenentwicklung und Pigmentierung, wie mit einem einfachen Lichtmikroskop beobachtet [62, 63]. Die Verabreichung von Gold-Nanopartikeln an Zebrafische führte zu genotoxischen Wirkungen und schwerwiegenden Veränderungen ihrer Genomkonstitution [64]. Die dosis- und zeitabhängige Toxizität von Silica-NPs wurde durch Analyse ihrer Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System [65, 66] und auf die Mortalitätsraten [67] bestimmt. Es wurde auch festgestellt, dass Chitosan-NP im Vergleich zu normalem Chitosan eine höhere Verträglichkeit aufweisen [68].

Für klinische Eingriffe verwendete Nanopartikel müssen unbedingt biologisch abbaubar und ungiftig sein. Nanopartikel haben großes Potenzial im Bereich der zielgerichteten Wirkstofffreisetzung und der translationalen Forschung. Die Verwendung von Nanopartikeln wird in immer mehr Bereichen eingesetzt, einschließlich in-vivo-Anwendungen. Diese starke Zunahme der Verwendung von Nanopartikeln impliziert die lauernde Gefahr einer übermäßigen Exposition des Menschen durch diese Nanoträger. Toxizitätsstudien der Nanopartikel sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Nanotechnologie. Studien, die sich auf die Wechselwirkungen von Nanopartikeln auf zellulärer und molekularer Ebene konzentrieren, müssen durchgeführt werden, um die Toxizität zu analysieren, bevor sie klinisch verwendet werden können. Tabelle 1 fasst die Neurotoxizitätsstudien verschiedener Nanoträger zusammen, die für die gezielte Wirkstoffabgabe im Gehirn mit Zebrafischen eingesetzt werden. Die Toxizität von Nanopartikeln umfasst die Analyse der Toxizität, Permeabilität, Sterblichkeitsrate, induzierte Teratogenität, Immunreaktionen und genomische Toxizität.

Zebrafisch wird häufig als Modellsystem zur Bewertung der Toxizität und Biokompatibilität von Nanopartikeln verwendet [111,112,113], und es besitzt ein großes Potenzial als Modell für die Untersuchung der Neurotoxizität und des Hochdurchsatz-Screenings von Nanopartikeln [114,115,116,117]. Kein anderes Modell als der Zebrafisch eignet sich so gut für solche Analysen. Dieses Modellsystem kann verwendet werden, um die Risiken, die sich aus der Toxizität von Nanomaterialien ergeben, zu untersuchen, zu analysieren und zu steuern. Die gewonnenen Informationen helfen bei der Formulierung konkreter Richtlinien, der Gestaltung von Schutzmaßnahmen und Qualitätskontrollen bei der Arbeit mit nanotechnologischen Produkten [118, 119].

Erkenntnisse zur Nanopartikel-vermittelten Wirkstoffabgabe mit Zebrafischembryonen

Um Nanopartikel gezielt auf das Gehirn anwenden zu können, ist ein Vorwissen über deren Wirkung in vivo unabdingbar. Das Zebrafischmodell ist hierfür am besten geeignet. Jüngste Studien wurden mit Nanopartikeln durchgeführt, um wichtige Erkenntnisse über das Schlüpfen von Zebrafischlarven zu gewinnen. Verwendung von TiO₂ Nanopartikel induzieren dosisabhängig das frühe Schlüpfen der Larven [120]. Chenet al. schlagen vor, dass TiO₂ Nanopartikel haben einen Einfluss auf das Schwimmverhalten der Larven und beeinflussen sowohl die Geschwindigkeit als auch das Aktivitätsniveau [121]. Andererseits haben Ong et al. berichteten über eine vollständige Hemmung des Schlüpfens und des embryonalen Absterbens von Larven bei Exposition gegenüber Nanopartikeln. Sie fügten hinzu, dass die Todesursache von Embryonen eher die physikalische Wechselwirkung der Nanopartikel mit den Embryonen als die Auswirkungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Nanopartikel ist [122]. Eine Störung des endokrinen Schilddrüsensystems bei Zebrafischlarven wurde auch beobachtet, wenn sie TiO₂ . ausgesetzt waren Nanopartikel [123]. Als Ursache für diese nachteilige Wirkung wird die Ansammlung von Blei zugeschrieben. TiO₂ Es wurde auch berichtet, dass Nanopartikel die Expressionsniveaus von BDNF, C-fos und C-jun signifikant aktivieren. Umgekehrt wurde auch eine hemmende Wirkung auf Gene wie p38, NGF und CRE festgestellt, die zu Hirnschäden bei Zebrafischen führt [124]. TiO₂ Es wurde auch gezeigt, dass Nanopartikel negative Auswirkungen auf das Reproduktionspotenzial der Fische haben, wodurch die Anzahl der freigesetzten Eier um 9,5% verringert wird [125]. Vogtet al. berichteten ferner über die chemische Toxizität des niedermolekularen BCI, wenn es Zebrafischembryonen 24–48 h nach der Befruchtung zugesetzt wurde [126]. Ali und Legleret al. zeigten bereits bei niedriger Dosis Nonylphenol-Nanopartikel-induzierte Missbildungen in den Embryonen [127]. Usenkoet al. bewertetes Kohlenstoff-Fulleren [C₆₀ , C₇₀ , und C₆₀ (OH)₂₄ ]-induzierte Toxizität bei Zebrafischembryonen [128], während Daroczi et al. haben das Schutzpotential des gleichen Nanomaterials vor ionisierender Strahlung aufgezählt [129]. Neuroprotektive Wirkung von C₆₀ Fulleren-Derivat, Dendrofulleren-Nanopartikel (DF-1), in Zebrafischembryonen wurde auch durch Bewertung seiner Toxizität berichtet [129]. Die Verabreichung von Silica-Nanopartikeln an die Fischembryonen führte zu einer erhöhten Mortalität [67], während ZnO-Nanopartikel die Mortalität erhöhten und auch Hautulzerationen mit Verzögerung beim Schlüpfen verursachten [82]. Die Auswirkungen der Exposition von wasserbasierten Nanopartikeln auf Gene, die das Immunsystem regulieren, wurde erstmals von Brun et al. [130]. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung molekularer Reaktionen als Indikatoren für biologische Toxizität. Mit Krebszellen verpflanzte Zebrafischembryonen wurden in Echtzeit abgebildet, um die Toxizität und Behandlungsstrategie von Nanopartikeln zu verstehen [131].

Interessanterweise zeigte Bio-Imaging mit Zebrafischembryonen verschiedener Entwicklungsstadien die toxischen Wirkungen von Natriumcholat-umhüllten Ag-Nanopartikeln [132, 133]. Diese Studie ist von immenser Bedeutung [134], da sie zeigt, dass die Toxizität von Ag-Nanopartikeln die Kiemen- und Lamellenentwicklung der Fische beeinflusst. Dieser hemmende Effekt wird hauptsächlich durch die Wechselwirkung von Ag-Ionen in den Kiemen verursacht, wo sie die Na + /K + ATPase-Aktivität blockieren [135, 136]. Darüber hinaus wird berichtet, dass Cu-Nanopartikel eine ähnliche hemmende Wirkung auf das Kiemenwachstum bei Fischen haben [76]. Der Einsatz von Kupfer-Nanopartikeln in den Larven führte zu Missbildungen und verzögertem Schlüpfen [69, 76]. Die Anwendung von Gold-Nanopartikeln hatte keine toxische Wirkung auf die Larven [69], während Silber-Nanopartikel die Entwicklung beeinflussten [137]. Nanopartikel aus Zink, Magnesium, Eisen, Kupfer und Nickel zeigten bei den Adulten keine Toxizität, bei den Larven wurde jedoch ein verzögertes Schlüpfen beobachtet [78, 79, 81, 82, 138]. Nanopartikel der organischen Verbindung Fulleren haben sich auch bei Konzentrationen unter 200 mg/l als nicht toxisch für Larven erwiesen [139]. Darüber hinaus wurde auch gezeigt, dass Nanopartikel von Chitosan im Vergleich zu den üblichen Chitosan-Partikeln weitaus wirksamer und ungiftiger sind [68].

Metalloxid-Nanopartikel wie TiO₂ Es wurde berichtet, dass es bei den Zebrafischlarven einige Entwicklungsfehlbildungen hervorruft [120], während einige berichten, dass es völlig ungiftig ist [140, 141]. Der entscheidende Parameter ist hierbei die Dosierung sowie die Einwirkzeit. Höhere Dosen des TiO₂ NPs erweisen sich für die Larven mit Ansammlungen der NP in Kieme, Herz, Leber und Gehirn als tödlich [141, 142]. Genotoxische Wirkungen sind auch das Ergebnis einer Exposition gegenüber hohen Dosen von TiO₂ zum Fisch [143]. Chronische Exposition gegenüber niedrigeren Konzentrationen (< 4 mg/l) von TiO₂ NPs führen zu einer geringeren Toxizität und einer höheren Mortalitätsrate [142]. Ein weiteres wichtiges zu berücksichtigendes Merkmal eines Nanopartikels ist die Form des Nanopartikels und der Proteine ​​auf seiner Oberfläche. Sechseckige Kornsäulenkristalle von ZnO-NPs beeinflussten den Zellzyklus von Zebrafischen [144], während ZnO-NPs, die blattförmig und mit Polymer beschichtet waren, eine höhere Biokompatibilität im Vergleich zu den kugelförmigen NPs aufwiesen [122]. Weiterhin wurde gezeigt, dass Nanosticks toxischer sind als Kugeln und quaderförmige Nanopartikel [145]. Eisen-NPs führen zu schweren Deformitäten bei den Larven [146] und genotoxischen Wirkungen bei den Erwachsenen [134], während Metalle wie Nickel-, Kobalt- und Aluminium-NPs sich als relativ inert erwiesen haben [82, 147].

Angesichts der zunehmenden Zerstörung durch Plastik in der heutigen Welt haben Pitt et al. zeigte seine Wirkung auf den Zebrafisch. Sie beobachteten, dass die sich entwickelnden Zebrafische sehr anfällig für das in den aquatischen Ökosystemen verfügbare Nanoplastik sind. Diese Nanopartikel können das Chorion durchdringen und haben düstere Auswirkungen auf deren Physiologie und Verhaltensreaktionen [148]. Diese Studie geht weiter, um die Belästigung der Unterwasserwelt durch Plastik aufzuklären, die sich wiederum auf die menschliche Zivilisation auswirkt. Die Forschung legt nahe, dass sehr kleine Nanopartikel mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis sehr gut in der Lage sind, Schadstoffe aus der Umwelt zu absorbieren. Die Verwendung von Polystyrol-Nanoplastikkügelchen in kosmetischen Produkten wurde auf ihre Entwicklungstoxizität und ihre Auswirkungen auf Zebrafischembryonen untersucht [149]. Eine andere Studie zu Polystyrol-Nanoplastik mit einer Größe von weniger als 20 nm hat gezeigt, dass es sich im Gehirn der Embryonen anreichert [150].

Erkenntnisse aus Nanopartikelstudien an erwachsenen Zebrafischen

Ein relativ umfangreiches Forschungsrepertoire wurde zu den Auswirkungen von Nanopartikeln auf erwachsene Zebrafische durchgeführt. Es dient als wertvolle Informationsquelle zum Einsatz von Nanopartikeln bei Wirbeltieren. Truonget al. untersuchten Verhaltensanomalien, die bei 122 dpf-Embryonen durch Exposition gegenüber Goldnanopartikeln auftraten [151]. Die Wirkstoffabgabe an die Haut wurde auch durch die Verabreichung von Nanopartikeln an den Zebrafisch erreicht. Forscher haben gezeigt, dass die Ag-BSA-Nanopartikel durch Endozytose in die Haut gelangen, wo sie sich ansammeln und Hautanomalien verursachen [63]. Die Abgabe von Medikamenten über Nanopartikel wurde auch verwendet, um Stresszustände bei Zebrafischen zu induzieren, die als potenzielle Modelle für die Wirkstoffforschung dienen [152]. Einige Nanopartikel induzieren nachweislich Asthma, Apoptose und eine verstärkte Immunantwort bei den Fischen, was ihre Verwendung für immuntoxikologische Studien ermöglicht [153,154,155,156]. Das Zebrafischmodell wurde ausführlich auf arzneimittelinduzierte Kardiotoxizität untersucht [157, 158]. Das Herz eines Zebrafisches weist mehrere ähnliche funktionelle Eigenschaften wie das eines menschlichen Herzens auf, einschließlich der pharmakologischen Arzneimittelreaktionen [159,160,161,162]. Das Zebrafischherz entwickelt sich als erstes bei 22 hp, während das gesamte Herz-Kreislauf-System bei 48 hpf bereit ist [163]. Die Zebrafischembryonen wurden visualisiert, um die Wirkung von Medikamenten auf Herzfrequenz, Rhythmik, Kontraktilität und Kreislauf zu untersuchen. Mehrere visuelle Tests wurden mit dem Zebrafisch durchgeführt, um die Herzgesundheit zu untersuchen. Ein QT-Intervall ist einer der Parameter, auf denen die meisten Herzmedikamente basieren. Das QT-Intervall ist die Zeitlücke zwischen einer Q- und einer T-Welle im elektrischen Zyklus des Herzens. Eine Reihe von Medikamenten wurde auf ihre Wirkung auf das QT-Intervall (Dauer des ventrikulären Aktionspotentials) bei Zebrafischen untersucht [164,165,166]. Eine der Studien berichtete, dass ein Medikament, das beim Menschen eine Verlängerung des QT-Intervalls verursacht, tatsächlich zu Bradykardie führt und die aurikuläre ventrikuläre Überleitung blockiert [160]. Die Zebrafischleber bildet sich bei 48 hp und wird bei 72 hp voll funktionsfähig; Dieses Modellsystem wird häufig verwendet, um die leberbasierte Arzneimittelabgabe zu untersuchen. Studien auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass die Reaktion der Zebrafische auf die Lebertoxizität der der höheren Wirbeltiere ähnelt [167]. Der Zebrafisch wurde verwendet, um die Orthologe von Cytochrom P450, CYP3A und CYP3A65 zu charakterisieren [168, 169]. Weitere Bewertungen wurden durchgeführt, um die Wirkung des Arzneimittels auf CYP3A4, CYP2D6 und CYP3A65 zu erarbeiten [170]. Neuroprotektive Wirkungen von Hesperetin-Nanoformulierungen wurden in einem Modell mit traumatischen Hirnverletzungen von Zebrafischen untersucht [171].

Zebrafish bietet ein komplettes pathologisches Studienmodell für die neurospezifische Arzneimittelabgabe

Bei der Verabreichung des Arzneimittels an das Gehirn können mehrere Nebenwirkungen auftreten. Das Zebrafischmodell bietet den Vorteil, diese im Detail zu untersuchen und bietet damit eine geeignete Technik der Wirkstoffabgabe an das Gehirn [172]. Teratogenität:Jede Art von abnormalem teratogenem Wachstum oder Entwicklung kann leicht durch die Beobachtung der transparenten Zebrafischembryonen beurteilt werden [59]. Zu den wichtigsten Störungen, die während der Teratombildung beobachtet werden können, zählen die Pigmentierung des Auges [67], Mortalitätsraten [65], Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems [68] und Auswirkungen auf das Schlüpfen [115]. Immuntoxizität:Es wurden Untersuchungen zu den immunologischen Reaktionen durchgeführt, die beim Zebrafisch als Reaktion auf Medikamente oder Nanopartikel auftreten. Dies führt zur Akkumulation von Neutrophilen und Makrophagen [173]. Es wurde berichtet, dass die Verwendung von Gold-Nanopartikeln entzündliche Immunreaktionen unterbricht [174], während auf der anderen Seite gezeigt wurde, dass Silber-Nanopartikel entzündliche Reaktionen induzieren [175]. Genotoxizität:Veränderungen auf DNA-Ebene können durch Real-Time-PCR [143] und andere Comet-Assays [134] beobachtet werden. Neuere Forschungen zu kohlenstoffbasierten Nanopartikeln haben in letzter Zeit vermehrt Aufmerksamkeit erregt [176], hauptsächlich wegen ihrer geringen Toxizität [177]. Kohlenstoff-NPs werden in Zebrafischen in verschiedenen Formen verwendet, darunter Fullerene [128], Kohlenstoff-Nanopartikel, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) [178], Graphen-QDs [179] und Kohlenstoff-QDs (C-Punkte) [180]. Allotrope Kohlenstoffe wie Fullerene werden seit ihrer Entdeckung im Jahr 1985 ebenfalls als Nanopartikel verwendet. Studien an Zebrafischen haben gezeigt, dass die Toxizität von Fulleren-NPs von der Ladung auf seiner Oberfläche abhängt. Positiv geladene Fullerene waren im Vergleich zu negativ geladenen Fullerenen toxischer [128]. Die Forschung zeigt, dass wasserlösliche Fullerene die Fähigkeit besitzen, vor Zelltod zu schützen, indem sie als Fänger freier Radikale wirken [129, 183]. Neuere Forschungen wurden an Zebrafischen mit Nano-Zwiebeln durchgeführt, bei denen es sich um mehrschalige Fulleren-Strukturen handelt. Sie weisen eine geringe Toxizität und eine gute Biokompatibilität in den Zebrafischlarven auf [184]. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) besitzen unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften, für die sie eine attraktive Methode der Wirkstoffabgabe für Forscher darstellen [176, 185, 186]. Die Effizienz von CNTs hängt von ihrer Länge und der Beschaffenheit ihrer Wände ab, ob ein- oder mehrwandig. Berichte legen nahe, dass ein- oder mehrwandige, unberührte CNTs minimale Auswirkungen auf das Wachstum und die Entwicklung der Zebrafischlarven haben [187]. Variationen in der Länge der CNTs können zu Veränderungen auf molekularer Ebene führen, wobei längere CNTs zytotoxischer sind [188]. Erwachsene Zebrafische zeigten bei Exposition gegenüber mehrwandigen CNTs Toxizität einschließlich entzündlicher Kiemen [189] und Ansammlung der CNTs im Gehirn und in den Gonaden [105, 190]. Eine andere Form von kohlenstoffbasierten NPs sind die Quantenpunkte (QDs) und Graphen-Quantenpunkte (GQDs). Das typische Merkmal der QDs sind quasi-sphärische Kohlenstoffstrukturen mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm [191] und der von GQDs von weniger als 30 nm [192, 193]. Ein zusätzliches Merkmal der QDs ist ihre einzigartige Photostabilität, die es ihnen ermöglicht, sich mit den Fluorophoren zu verbinden und so eine Reihe von Möglichkeiten der Biobildgebung zu eröffnen [194]. QDs weisen die geringste Toxizität auf, da sie überwiegend aus inerten Kohlenstoffmolekülen bestehen [195]. Daher macht es eine Kombination aus Fluorlumineszenz und geringen Toxizitätseigenschaften zu einem sehr attraktiven Werkzeug für die Wirkstoffabgabe [195,196,197].

Nanopartikel für die Abgabe von Medikamenten an das Gehirn

Mit dem Hintergrundwissen über die Wirkung von Nanopartikeln auf die Physiologie von Zebrafischen versuchen Forscher nun, mithilfe der Zebrafisch-Modelle mittels Nanotechnologie Medikamente ins Gehirn zu bringen. Tabelle 2. Qian et al. haben über Polymer-Nanopartikel berichtet, die mit Markierungen von Phenylboronsäure auf ihrer Oberfläche konjugiert sind, was bei der Erkennung der Fluoreszenz für den Neurotransmitter Dopamin mit Zebrafischlarven hilft [91]. Diese Erkenntnis ebnet den Weg für die Theranostik von Dopamin-bedingten Erkrankungen. In einem kürzlich veröffentlichten Bericht wurde jedoch die Toxizität des Goldnanopartikels im Vergleich zu ionischem Gold in Zebrafischen, die einem aufgestockten Sediment ausgesetzt waren, näher erläutert [64]. Sie berichteten, dass das Nanopartikel die Neurotransmission im Zebrafisch-Gehirn veränderte, da es einen Einfluss auf die Acetylcholin-Esterase-Aktivität hatte. In einer interessanten Arbeit haben Sivaji et al. [198] zielte darauf ab, Donepezil, ein gut etabliertes Medikament gegen die Alzheimer-Krankheit, durch funktionalisiertes Poly N . bereitzustellen -Isopropylacrylamid-Nanogele PNIPAM-Nanogel zum Gehirn. Sie berichteten, dass das Gel die BBB überwinden könnte und zeigte auch eine anhaltende Wirkstofffreisetzung im Zebrafischmodell. Diese Studie rückt daher die Entwicklung neurospezifischer Nanogele für die gezielte Wirkstoffabgabe an das Gehirn in den Vordergrund. Dieselbe Gruppe berichtete außerdem über die Synthese kolloidaler Goldnanopartikel, die mit Polysorbat 80 und Polyethylenglykol funktionalisiert sind und die die Blut-Hirn-Schranke für therapeutische Zwecke überwinden können [199]. In dieser Studie synthetisierten und validierten sie einen biokompatiblen Nanocarrier mit der Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden und neurospezifische Medikamente effizient abzugeben.

Translationaler Ansatz neurospezifischer Nanopartikel:Zebrafisch für den Menschen

A variety of model organisms have been employed till date to investigate human diseases. While chimpanzees and monkeys have a high degree of similarity with humans, mice and rats have been used extensively over the past few decades. Research using zebrafish models to study various human diseases is now on the increase [31]. Various state-of-the-art technologies have been analysed and evaluated using the zebrafish model. In this context, nanodiamonds (ND) which refer to a newer class of nanoparticles belonging to the carbon family are being explored in the latest techniques for drug delivery across the BBB [200, 201]. They possess outstanding optical properties, malleability of surface structures and mechanical properties which are pertinent for targeted drug delivery. The zebrafish has proved to be an apt model system to study the fluorescent nanodiamonds (FND) in detail. Chang et al. have studied the photostability and non-toxicity of FNDs by single particle tracking using zebrafish yolk cells [202]. Further, evaluation of ND to facilitate their application as nanolabels has been performed using laser confocal microscopy and real-time fluorescence tagging in zebrafish [203]. Zebrafish model can hence be explored to assess the potential of NDs as nanolabelling systems to deliver neurospecific drugs. The use of zebrafish is validated by its high genetic and systems similarity with that of humans. Regenerative ability of zebrafish is also a very interesting aspect of its physiology which has made it an important model organism to study neurodegenerative diseases. Recent studies have identified pivotal insights into brain drug delivery mechanism using zebrafish models of neurodegenerative diseases. Recent research conducted regarding drug delivery in the brain using the zebrafish model has revealed pivotal insights about the dynamics of this mechanism. The only drawback withholding accelerated research in this arena is the lack of established protocols to validate the studies. However, it is only a matter of time when such protocols are developed through ongoing research in this field. A great deal of scope still exists for further research on the following focus areas.

• Admixture of nanoparticles along with two or more drugs to provide better holistic treatment

• Analysis of fullerenes, nano-onions and nanodiamonds in neurodegenerative diseases

• Understanding the biocompatibility of the newer nanoparticles and their brain-penetrating ability.

All the above-mentioned focus areas can be easily assessed using zebrafish model systems. The zebrafish model, therefore, holds great promise for development and evaluation of novel techniques for targeted drug delivery within the brain for translational analysis (Fig. 2). This could open up exciting new vistas for medical intervention to develop therapeutic strategies to treat neurodegenerative diseases.

Schematic representation of zebrafish model for delivering drugs encapsulated in nanoparticles to the brain. This method ensures efficient delivery of drugs across the blood–brain barrier (BBB). Several nanoparticles possess the potential to treat a variety of neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and motor neuron diseases (MND)

Future Research Directions

The last decade witnessed a surge in the use of nanotechnology for brain drug delivery unfolding several exciting new strategies in this arena [16, 17, 204, 205]. However, problems like toxicity, immunogenicity and efficient drug delivery still persist and have restrained the research community from achieving their ultimate goal [206,207,208,209]. Future research prospects for neurospecific drug delivery therefore involve overcoming the existing challenges in this field. Research on nanomaterial toxicity and side effects should be extensive, accurate and always preceed the in vivo implementation of any new nanocarrier formulation. Proper comprehensive analysis of the nano-bio-interactions is absolutely essential for developing strategies for neurospecific drug delivery [210]. Newer imaging techniques should be adopted to broaden the understanding of bio distribution and pharmacokinetics of the delivered drug. Complete knowledge on the bio availability and clearance of the drug is indispensable for achieving the translation from bench side to bed side. Zebrafish, long considered as a “gold standard” for studying several developmental and metabolic diseases, is highly prospective for studies on nanodrug delivery. The transparent embryonic development with the ability to facilitate large-scale drug screening in a vertebrate model among other innumerable key attributes of the zebrafish holds promise for overcoming these roadblocks. The use of this robust model system therefore has immense potential for further research in nanotherapeutics to achieve safe and successful neurospecific drug delivery.

Conclusion

The BBB poses as the main obstacle in delivering drugs to the brain. The physiological function of the BBB is to protect the brain from foreign substances and in doing so it acts as a hurdle even for therapeutic purpose. The current need of the hour is a strategy in drug delivery which is able to overcome the BBB. Only then can effective treatments for brain specific diseases be possible. Recent focus on nanotechnology-based approaches for drug delivery across the BBB seems to have promising prospects for the field of neurospecific drug delivery in the future. Research towards this end is ongoing using a variety of nanoparticles like liposomes, dendrimers, micelles and carbon nanotubes as nanocarriers and nanogels. The zebrafish model is a favourite when it comes to nanotechnology-based toxicity studies and neurospecific drug delivery. Further research on nanotechnology using this model is needed for newer insights which can lead to possible breakthroughs in discovery in neurospecific drug delivery.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

BBB:

Blood–brain barrier

NPs:

Nanopartikel

Au:

Gold

Ag:

Silver

Cu:

Copper

Cd:

Cadmium

CuO:

Copper oxide

MgO:

Magnesium oxide

NiO:

Nickel oxide

ZnO:

Zinc oxide

MPs:

Microplastics

MOFs:

Metal organic frameworks

CNTs:

Carbon nanotubes

TiO₂ :

Titanium dioxide

QDs:

Quantenpunkte

PCR:

Polymerase chain reaction

GQDs:

Graphen-Quantenpunkte

PNIPAM:

Poly N -isopropyl acrylamide

NDs:

Nanodiamonds

FND:

Fluorescent nanodiamonds

AD:

Disease

PD:

Parkinson’s disease

HD:

Huntington’s disease

ALS:

Amyotrophic lateral sclerosis

MND:

Motor neuron diseases