Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Образец для цитирования:

Ермаков А. В., Ленгерт Е. В., Вениг С. Б. Nanomedicine and Drug Delivery Strategies for Theranostics Applications [Стратегии в области наномедицины и доставки лекарств для применения в тераностике] //Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2020. Т. 20, вып. 2. С. 116-124. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-2-116-124

Опубликована онлайн: 
01.06.2020
Язык публикации: 
английский
УДК: 
577

Nanomedicine and Drug Delivery Strategies for Theranostics Applications
[Стратегии в области наномедицины и доставки лекарств для применения в тераностике]

Авторы: 
Ермаков Алексей Вадимович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Ленгерт Екатерина Владимировна, Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского
Вениг Сергей Борисович, Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Системы на основе подходов наномедицины и доставки лекарств являются относительно новой, но быстро развивающейся отраслью науки, которая исследует материалы в диапазоне нано- и микромасштабов в качестве инструментов диагностики или носителей для доставки терапевтических средств к определенным целевым участкам в организме. В данном обзоре кратко представлены достижения последних лет в области наномедицины и систем доставки лекарств на основе наноматериалов и носителей лекарственных средств различного состава, специфических физико-химических усилителей, различных устройств и методов. Рассматриваются и сравниваются несколько основных стратегий доставки систем для терапии и диагностики in vivo, включая инъекции, имплантацию и трансдермальную доставку. Все эти пути обладают определенными преимуществами относительно абсорбции лекарственных средств, доставки их к заданным участкам организма, пролонгации их действия, снижения дозировки и многих других параметров, которые необходимо учитывать для обеспечения правильного подхода к лечению конкретного заболевания. Обсуждаемые здесь инновационные подходы к доставке лекарств открывают возможности для эффективного лечения широкого спектра заболеваний, которые невозможно победить традиционными подходами, особенно хроническими. Хотя трансдермальная доставка предполагает под собой многообещающий неинвазивный способ лечения различных заболеваний, относительно хронических заболеваний имплантация устройств для доставки лекарств с двунаправленной связью является более эффективным подходом, что в будущем может значительно улучшить качество жизни. Разнообразие появляющихся технологий в микроэлектронике, сенсорах и биоматериалах приводит к кардинальным изменениям в медицинской промышленности и появлению новых систем, обеспечивающих лечение в рамках тераностики.

DOI: 
10.18500/1817-3020-2020-20-2-116-124
Библиографический список: 
  1. Al-Ahmady Z. S., Chaloin O., Kostarelos K. Monoclonal antibody-targeted, temperature-sensitive liposomes: In vivo tumor chemotherapeutics in combination with mild hyperthermia. J. Control. Release, 2014, vol. 196, pp. 332–343.
  2. Al-Ahmady Z. S., Hadjidemetriou M., Gubbins J., Kostarelos K. Formation of protein corona in vivo affects drug release from temperature-sensitive liposomes. J. Control. Release, 2018, vol. 276, pp. 157–167.
  3. Park E.-J., Kim S.-W., Yoon C., Kim Y., Kim J. S. Disturbance of ion environment and immune regulation following biodistribution of magnetic iron oxide nanoparticles injected intravenously. Toxicol. Lett., 2016, vol. 243, pp. 67–77.
  4. Xie P., Yang S.-T., He T., Yang S., Tang X.-H. Bioaccumulation and Toxicity of Carbon Nanoparticles Suspension Injection in Intravenously Exposed Mice. Int. J. Mol. Sci., 2017, vol. 18, pp. 2562.
  5. Sonavane G., Tomoda K., Makino K. Biodistribution of colloidal gold nanoparticles after intravenous administration: Effect of particle size. Colloids Surfaces B Biointerfaces, 2008, vol. 66, pp. 274–280.
  6. Szebeni J. Complement activation-related pseudoallergy: A stress reaction in blood triggered by nanomedicines and biologicals. Mol. Immunol., 2014, vol. 61, pp. 163–173.
  7. Moghimi S. M., Wibroe P. P., Helvig S. Y., Farhangrazi Z. S., Hunter A. C. Genomic perspectives in inter-individual adverse responses following nanomedicine administration: The way forward. Adv. Drug Deliv. Rev., 2012, vol. 64, pp. 1385–1393.
  8. Cui M.-Y., Dong Z., Chan T., Luo Y., Huang K., Xu L., Li Z.-P., Li X. Effect of Intravenous Injection Site on Contrast Enhancement of CT Thorax – Comparison Between Injection on Two Sides of Cubital. Curr. Med. Imaging Rev., 2017, vol. 14, pp. 124–128.
  9. Khan A. N., Ermakov A., Sukhorukov G., Hao Y. Radio frequency controlled wireless drug delivery devices. Appl. Phys. Rev., 2019, vol. 6, 041301.
  10. Din F. U., Aman W., Ullah I., Qureshi O. S., Mustapha O., Shafi que S., Zeb A. Effective use of nanocarriers as drug delivery systems for the treatment of selected tumors. Int. J. Nanomedicine, 2017, vol. 12, pp. 7291–7309.
  11. Ward M. A., Georgiou T. K. Thermoresponsive Polymers for Biomedical Applications. Polymers (Basel), 2011, vol. 3, pp. 1215–1242.
  12. Bikram M., West J. L. Thermo-responsive systems for controlled drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv., 2008, vol. 5, pp. 1077–1091.
  13. Almeida H., Amaral M. H., Lobão P. Temperature and pH stimuli-responsive polymers and their applications in controlled and selfregulated drug delivery. J. Appl. Pharm. Sci., 2012, vol. 5, pp. 22–32.
  14. Liu J., Huang Y., Kumar A., Tan A., Jin S., Mozhi A., Liang X.-J. pH-Sensitive nano-systems for drug delivery in cancer therapy. Biotechnol. Adv., 2014, vol. 32, pp. 693–710.
  15. Zhou Y., Ye H., Chen Y., Zhu R., Yin L. Photoresponsive Drug/Gene Delivery Systems. Biomacromolecules, 2018, vol. 19, pp. 1840–1857.
  16. Cho H. J., Chung M., Shim M. S. Engineered photoresponsive materials for near-infrared-triggered drug delivery. J. Ind. Eng. Chem., 2015, vol. 31, pp. 15–25.
  17. Lee C. H., Kim H., Harburg D. V., Park G., Ma Y., Pan T., Kim J. S., Lee N. Y., Kim B. H., Jang K.-I., Kang S.-K., Huang Y., Kim J., Lee K.-M., Leal C., Rogers J. A. Biological lipid membranes for on-demand, wireless drug delivery from thin, bioresorbable electronic implants. NPG Asia Mater., 2015, vol. 7, pp. e227–e227.
  18. Farra R., Sheppard N. F., McCabe L., Neer R. M., Anderson J. M., Santini J. T., Cima M. J., Langer R. First-in-Human Testing of a Wirelessly Controlled Drug Delivery Microchip. Sci. Transl. Med., 2012, vol. 4, pp. 122ra21122ra21.
  19. Ochoa M., Mousoulis C., Ziaie B. Polymeric microdevices for transdermal and subcutaneous drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev., 2012, vol. 64, pp. 1603–1616.
  20. Vikram Singh A., Sitti M. Targeted Drug Delivery and Imaging Using Mobile Milli/Microrobots: A Promising Future Towards Theranostic Pharmaceutical Design. Curr. Pharm. Des., 2016, vol. 22, pp. 1418–1428.
  21. Fusco S., Huang H.-W., Peyer K. E., Peters C., Häberli M., Ulbers A., Spyrogianni A., Pellicer E., Sort J., Pratsinis S. E., Nelson B. J., Sakar M. S., Pané S. Shape-Switching Microrobots for Medical Applications: The Influence of Shape in Drug Delivery and Locomotion. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, vol. 7, pp. 6803–6811.
  22. Beccani M., Di Natali C., Aiello G., Benjamin C., Susilo E., Valdastri P. A Magnetic Drug Delivery Capsule Based on a Coil Actuation Mechanism. Procedia Eng., 2015, vol. 120, pp. 53–56.
  23. Stewart F., Cox B., Vorstius J., Verbeni A., Qiu Y., Cochran S. Capsule-based ultrasound-mediated targeted gastrointestinal drug delivery. 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). Taipei, 2015, pp. 1–4.
  24. Vinodini Ramesh M., Mohan K. S., Nadarajan D. An inbody wireless communication system for targeted drug delivery: Design and simulation. 2014 International Symposium on Technology Management and Emerging Technologies. Bundung, 2014, pp. 56–61.
  25. Lengert E., Saveleva M., Abalymov A., Atkin V., Wuytens P. C., Kamyshinsky R., Vasiliev A. L., Gorin D. A., Sukhorukov G. B., Skirtach A. G., Parakhonskiy B. Silver Alginate Hydrogel Micro- and Nanocontainers for Theranostics: Synthesis, Encapsulation, Remote Release, and Detection. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, pp. 21949–21958.
  26. Ermakov A., Lim S. H., Gorelik S., Kauling A. P., de Oliveira R. V. B., Castro Neto A. H., Glukhovskoy E., Gorin D. A., Sukhorukov G. B., Kiryukhin M. V. PolyelectrolyteGraphene Oxide Multilayer Composites for Array of Microchambers which are Mechanically Robust and Responsive to NIR Light. Macromol. Rapid Commun., 2019, vol. 40, pp. 1700868.
  27. Sindeeva O. A., Gusliakova O. I., Inozemtseva O. A., Abdurashitov A. S., Brodovskaya E. P., Gai M., Tuchin V. V., Gorin D. A., Sukhorukov G. B. Effect of a Controlled Release of Epinephrine Hydrochloride from PLGA Microchamber Array: In Vivo Studies. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, pp. 37855–37864.
  28. Zykova Y., Kudryavtseva V., Gai M., Kozelskaya A., Frueh J., Sukhorukov G., Tverdokhlebov S. Free-standing microchamber arrays as a biodegradable drug depot system for implant coatings. Eur. Polym. J., 2019, vol. 114, pp. 72–80.
  29. Kim V. P., Ermakov A. V., Glukhovskoy E. G., Rakhnyanskaya A. A., Gulyaev Y. V., Cherepenin V. A., Taranov I. V., Kormakova P. A., Potapenkov K. V., Usmanov N. N., Saletsky A. M., Koksharov Y. A., Khomutov G. B. Planar nanosystems on the basis of complexes formed by amphiphilic polyamine, magnetite nanoparticles, and DNA molecules. Nanotechnologies Russ., 2014, vol. 9, pp. 280–287.
  30. Lengert E., Parakhonskiy B., Khalenkow D., Zečić A., Vangheel M., Monje Moreno J. M., Braeckman B. P., Skirtach A. G. Laser-induced remote release in vivo in C. elegans from novel silver nanoparticles-alginate hydrogel shells. Nanoscale, 2018, vol. 10, pp. 17249–17256.
  31. Yan J., Miao Y., Tan H., Zhou T., Ling Z., Chen Y., Xing X., Hu X. Injectable alginate/hydroxyapatite gel scaffold combined with gelatin microspheres for drug delivery and bone tissue engineering. Mater. Sci. Eng. C, 2016, vol. 63, pp. 274–284.
  32. Alessandri G., Coccè V., Pastorino F., Paroni R., Dei Cas M., Restelli F., Pollo B., Gatti L., Tremolada C., Berenzi A., Parati E., Brini A. T., Bondiolotti G., Ponzoni M., Pessina A. Microfragmented human fat tissue is a natural scaffold for drug delivery: Potential application in cancer chemotherapy. J. Control. Release, 2019, vol. 302, pp. 2–18.
  33. Saveleva M. S., Ivanov A. N., Kurtukova M. O., Atkin V. S., Ivanova A. G., Lyubun G. P., Martyukova A. V., Cherevko E. I., Sargsyan A. K., Fedonnikov A. S., Norkin I. A., Skirtach A. G., Gorin D. A., Parakhonskiy B. V. Hybrid PCL/CaCO3 scaffolds with capabilities of carrying biologically active molecules: Synthesis, loading and in vivo applications. Mater. Sci. Eng. C, 2018, vol. 85, pp. 57–67.
  34. Dvir T., Timko B. P., Kohane D. S., Langer R. Nanotechnological strategies for engineering complex tissues. Nat. Nanotechnol., 2011, vol. 6, pp. 13–22.
  35. Azevedo H. S., Pashkuleva I. Biomimetic supramolecular designs for the controlled release of growth factors in bone regeneration. Adv. Drug Deliv. Rev., 2015, vol. 94, pp. 63–76.
  36. Ramachandran R., Junnuthula V. R., Gowd G. S., Ashokan A., Thomas J., Peethambaran R., Thomas A., Unni A. K. K., Panikar D., Nair S. V., Koyakutty M. Theranostic 3-Dimensional nano brain-implant for prolonged and localized treatment of recurrent glioma. Sci. Rep., 2017, vol. 7, pp. 43271–43281.
  37. Takehara H., Katsuragi Y., Ohta Y., Motoyama M., Takehara H., Noda T., Sasagawa K., Tokuda T., Ohta J. Implantable micro-optical semiconductor devices for optical theranostics in deep tissue. Appl. Phys. Express, 2016, vol. 9, pp. 047001.
  38. Zhang X., Hu W., Li J., Tao L., Wei Y. A comparative study of cellular uptake and cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes, graphene oxide, and nanodiamond. Toxicol. Res. (Camb)., 2012, vol. 1, pp. 62–68.
  39. Song H. S., Kwon O. S., Kim J.-H., Conde J., Artzi N. 3D hydrogel scaffold doped with 2D graphene materials for biosensors and bioelectronics. Biosens. Bioelectron., 2017, vol. 89, pp. 187–200.
  40. Gray M., Meehan J., Ward C., Langdon S. P., Kunkler I. H., Murray A., Argyle D. Implantable biosensors and their contribution to the future of precision medicine. Vet. J., 2018, vol. 239, pp. 21–29.
  41. Ha E.-J., Kim B.-S., Park C., Lee J.-O., Paik H. Electroactive hydrogel comprising poly(methyl 2-acetamido acrylate) for an artifi cial actuator. J. Appl. Phys., 2013, vol. 114, pp. 054701.
  42. Tai Z., Yang J., Qi Y., Yan X., Xue Q. Synthesis of a graphene oxide–polyacrylic acid nanocomposite hydrogel and its swelling and electroresponsive properties. RSC Adv., 2013, vol. 3, pp. 12751–12757.
  43. Lo C.-W., Zhu D., Jiang H. An infrared-light responsive graphene-oxide incorporated poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel nanocomposite. Soft Matter, 2011, vol. 7, pp. 5604–5609.
  44. Andreu-Perez J., Leff D. R., Ip H. M. D., Yang G. From Wearable Sensors to Smart Implants – Towards Pervasive and Personalised Healthcare. IEEE Trans. Biomed. Eng., 2015, vol. 62, pp. 2750–2762.
  45. Abdur Rahman A. R., Justin G., Guiseppi-Elie A. Towards an implantable biochip for glucose and lactate monitoring using microdisc electrode arrays (MDEAs). Biomed. Microdevices, 2009, vol. 11, pp. 75–85.
  46. Steeves C. A., Young Y. L., Liu Z., Bapat A., Bhalerao K., Soboyejo A. B. O., Soboyejo W. O. Membrane thickness design of implantable bio-MEMS sensors for the in-situ monitoring of blood fl ow. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2007, vol. 18, pp. 25–37.
  47. Polat B. E., Hart D., Langer R., Blankschtein D. Ultrasoundmediated transdermal drug delivery: Mechanisms, scope, and emerging trends. J. Control. Release, 2011, vol. 152, pp. 330–348.
  48. Levy D., Kost J., Meshulam Y., Langer R. Effect of ultrasound on transdermal drug delivery to rats and guinea pigs. J. Clin. Invest., 1989, vol. 83, pp. 2074–2078.
  49. Merino V., Castellano A. L., Delgado-Charro M. B. Iontophoresis for Therapeutic Drug Delivery and Non-invasive Sampling Applications. In: Percutaneous Penetration Enhancers Physical Methods in Penetration Enhancement. Berlin, Heidelberg, Springer, 2017, pp. 77–101.
  50. Burnette R. R. Ongpipattanakul B. Characterization of the Permselective Properties of Excised Human Skin During Iontophoresis. J. Pharm. Sci., 1987, vol. 76, pp. 765–773.
  51. Hoogstraate A., Srinivasan V., Sims S., Higuchi W. Iontophoretic enhancement of peptides: behaviour of leuprolide versus model permeants. J. Control. Release, 1994, vol. 31, pp. 41–47.
  52. Park J., Lee H., Lim G.-S., Kim N., Kim D., Kim Y.-C. Enhanced Transdermal Drug Delivery by Sonophoresis and Simultaneous Application of Sonophoresis and Iontophoresis. AAPS PharmSciTech, 2019, vol. 20, pp. 96.
  53. Tuan-Mahmood T.-M., McCrudden M. T. C., Torrisi B. M., McAlister E., Garland M. J., Singh T. R. R., Donnelly R. F. Microneedles for intradermal and transdermal drug delivery. Eur. J. Pharm. Sci., 2013, vol. 50, pp. 623–637.
  54. Donnelly R. F., Singh T. R. R., Garland M. J., Migalska K., Majithiya R., McCrudden C. M., Kole P. L., Mahmood T. M. T., McCarthy H. O., Woolfson A. D. HydrogelForming Microneedle Arrays for Enhanced Transdermal Drug Delivery. Adv. Funct. Mater., 2012, vol. 22, pp. 4879–4890.
  55. Kapoor M. S., GuhaSarkar S., Banerjee R. Stratum corneum modulation by chemical enhancers and lipid nanostructures: implications for transdermal drug delivery. Ther. Deliv., 2017, vol. 8, pp. 701–718.
  56. Ibrahim S. A., Li S. K. Effi ciency of Fatty Acids as Chemical Penetration Enhancers: Mechanisms and Structure Enhancement Relationship. Pharm. Res., 2010, vol. 27, pp. 115–125.
  57. Shah P. P., Desai P. R., Channer D., Singh M. Enhanced skin permeation using polyarginine modifi ed nanostructured lipid carriers. J. Control. Release, 2012, vol. 161, pp. 735–745.
  58. Juanola-Feliu E., Colomer-Farrarons J., Miribel-Català P., Samitier J., Valls-Pasola J. Market challenges facing academic research in commercializing nano-enabled implantable devices for in-vivo biomedical analysis. Technovation, 2012, vol. 32, iss. 3–4, pp. 193–204.
  59. Sullivan F., Wyatt J. C. How informatics tools help deal with patients’ problems. BMJ, 2005, vol. 331, pp. 955–957.
  60. Juanola-Feliu E., Miribel-Català P., Avilés C., ColomerFarrarons J., González-Piñero M., Samitier J. Design of a Customized Multipurpose Nano-Enabled Implantable System for in-vivo Theranostics. Sensors, 2014, vol. 14, pp. 19275–19306.
Полный текст в формате PDF(En):
(загрузок: 14)