DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-023-02235-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38191388
تاريخ النشر: 2024-01-08
المؤلف: Yu Qing Meng وآخرون
الموضوع الرئيسي: توصيل الأدوية المعتمد على الجسيمات النانوية
نظرة عامة
تناقش المراجعة إمكانيات جزيئات أكسيد الحديد النانوية (IONPs) في التطبيقات الطبية الحيوية، مع تسليط الضوء على خصائصها المغناطيسية والموصلية، مما يجعلها مناسبة للأنشطة المضادة للسرطان، والمضادة للبكتيريا، ووضع علامات على الخلايا. على الرغم من ميزاتها الواعدة، فإن الاستخدام السريري لجزيئات IONPs لا يزال محدودًا، حيث تم سحب بعض المنتجات المعتمدة سابقًا بسبب عدم الفهم الكافي لتداعياتها الطبية الحيوية. يؤكد المؤلفون على ضرورة وجود ملخص منهجي لتحضير IONPs وتفاعلاتها البيولوجية لتسهيل انتقالها من الإعدادات التجريبية إلى الإعدادات السريرية.
تشير النتائج إلى أن IONPs عمومًا تظهر سمية منخفضة وتوافق حيوي جيد، حيث تتجمع بشكل أساسي في الكبد والطحال ويتم التخلص منها عن طريق الكلى. تستهدف بشكل انتقائي خلايا الورم، مما يؤدي إلى موت الخلايا مع الحفاظ على الخلايا الطبيعية، حيث تتأثر السمية بعوامل مثل الحجم، وتعديل السطح، والتركيز. تلاحظ المراجعة أيضًا الطبيعة المثيرة للجدل لسمية IONPs، والتي تختلف عبر الدراسات بسبب الاختلافات في الظروف التجريبية. على الرغم من ظهور التطبيقات السريرية، بما في ذلك المنتجات المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء مثل Ferumoxytol لتشخيص سرطان الثدي، تدعو المراجعة إلى منهجيات موحدة لفهم أفضل للتأثيرات البيولوجية لـ IONPs وتعزيز تطبيقاتها الطبية الحيوية المستقبلية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة لجزيئات أكسيد الحديد النانوية (IONPs) في النانوميديسين، لا سيما للتطبيقات في التشخيص الطبي وتوصيل الأدوية. يتم الإشارة إلى الأنواع الرئيسية من IONPs، مثل المغنتيت ($\text{Fe}_3\text{O}_4$)، والهيماتيت ($\alpha-\text{Fe}_2\text{O}_3$)، وIONPs فائقة المغناطيسية (SPIONs)، لكونها تتمتع بتوافق حيوي، وقابلية للتحلل البيولوجي، وسمية منخفضة، وخصائص مغناطيسية قوية، مما يجعلها مناسبة للاستخدامات في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وتوصيل الأدوية المستهدف، وعلاجات السرطان. على الرغم من إمكانياتها، ظهرت مخاوف بشأن سلامة وفعالية IONPs في الإعدادات السريرية، لا سيما بسبب سحب العديد من عوامل التباين المعتمدة في التصوير بالرنين المغناطيسي بعد فشل التجارب السريرية.
تهدف المراجعة إلى تجميع المعرفة الحالية حول IONPs، مع التركيز على طرق تحضيرها، والتفاعلات البيولوجية عبر نماذج حيوانية وأنواع خلايا مختلفة، والتطبيقات السريرية. تؤكد على أهمية خصائص IONP، مثل الحجم وطلاءات السطح، التي تؤثر بشكل كبير على توافقها الحيوي وسميتها. ستغطي المراجعة تقنيات التحضير، ودراسات التوافق الحيوي، والتطبيقات السريرية، مما يوفر فهمًا شاملاً لـ IONPs لتسهيل تقدمها في التطبيقات الطبية الحيوية.
مناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة شاملة على طرق التخليق، والتطبيقات، والتفاعلات البيولوجية لجزيئات أكسيد الحديد النانوية (IONPs). يبرز أن حوالي 90% من IONPs يتم تخليقها باستخدام طرق كيميائية، حيث تعتبر الترسيب المشترك الأكثر كفاءة على الرغم من عيوبها، مثل توزيع الحجم السيئ وانخفاض البلورية. نادرًا ما يتم استخدام الطرق الفيزيائية، على الرغم من أنها تنتج كميات كبيرة، بسبب التحديات في التحكم في خصائص الجسيمات. تقدم طرق التخليق البيولوجية، التي تستخدم إنزيمات ميكروبية أو مستخلصات نباتية، توافقًا حيويًا معززًا ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى عوائد أقل وتوزيعات حجم أوسع.
يستكشف القسم أيضًا تطبيقات IONPs في النماذج الحيوانية، مع التأكيد على التباين في توافقها الحيوي، وتوزيعها البيولوجي، وسميتها، التي تتأثر بعوامل مثل الشكل، والحجم، وخصائص السطح. على سبيل المثال، تميل IONPs ذات الشكل القصير إلى التراكم في الكبد ويتم التخلص منها بسرعة، بينما يتم الاحتفاظ بالجسيمات الأكبر لفترة أطول في الطحال. تمكن الخصائص المغناطيسية لـ IONPs استخدامها في تطبيقات طبية حيوية متنوعة، بما في ذلك توصيل الأدوية المستهدف والتصوير. من الجدير بالذكر أن البحث يشير إلى أن IONPs تظهر سمية منخفضة وتوافق حيوي جيد عبر نماذج حيوانية مختلفة، حيث تلعب التعديلات السطحية دورًا حاسمًا في تعزيز سلامتها وفعاليتها. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات IONPs في التطبيقات العلاجية والتشخيصية، بينما تحدد أيضًا الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين خصائصها للاستخدام السريري.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-023-02235-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38191388
Publication Date: 2024-01-08
Author(s): Yu Qing Meng et al.
Primary Topic: Nanoparticle-Based Drug Delivery
Overview
The review discusses the potential of iron oxide nanoparticles (IONPs) in biomedical applications, highlighting their magnetic and semiconductor properties, which make them suitable for anticancer, antibacterial, and cell labeling activities. Despite their promising attributes, the clinical use of IONPs remains limited, with some previously approved products being withdrawn due to inadequate understanding of their biomedical implications. The authors emphasize the necessity for a systematic summary of IONPs’ preparation and biological interactions to facilitate their transition from experimental to clinical settings.
The findings indicate that IONPs generally exhibit low toxicity and good biocompatibility, primarily accumulating in the liver and spleen and being cleared by the kidneys. They selectively target tumor cells, inducing cell death while sparing normal cells, with toxicity influenced by factors such as size, surface modification, and concentration. The review also notes the controversial nature of IONPs’ toxicity, which varies across studies due to differences in experimental conditions. Although clinical applications have emerged, including FDA-approved products like Ferumoxytol for breast cancer diagnosis, the review calls for standardized methodologies to better understand the biological effects of IONPs and to enhance their future biomedical applications.
Introduction
The introduction highlights the growing significance of iron oxide nanoparticles (IONPs) in nanomedicine, particularly for applications in medical diagnostics and drug delivery. Key types of IONPs, such as magnetite ($\text{Fe}_3\text{O}_4$), hematite ($\alpha-\text{Fe}_2\text{O}_3$), and superparamagnetic IONPs (SPIONs), are noted for their biocompatibility, biodegradability, low toxicity, and strong magnetic properties, making them suitable for uses in magnetic resonance imaging (MRI), targeted drug delivery, and cancer therapies. Despite their potential, concerns regarding the safety and efficacy of IONPs in clinical settings have arisen, particularly due to the withdrawal of several approved MRI contrast agents following clinical trial failures.
The review aims to synthesize current knowledge on IONPs, focusing on their preparation methods, biological interactions across various animal models and cell types, and clinical applications. It emphasizes the importance of IONP characteristics, such as size and surface coatings, which significantly influence their biocompatibility and toxicity. The review will cover preparation techniques, biocompatibility studies, and clinical applications, providing a comprehensive understanding of IONPs to facilitate their advancement in biomedical applications.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of the synthesis methods, applications, and biological interactions of iron oxide nanoparticles (IONPs). It highlights that approximately 90% of IONPs are synthesized using chemical methods, with co-precipitation being the most efficient despite its drawbacks, such as poor size distribution and low crystallinity. Physical methods, while yielding high quantities, are rarely employed due to challenges in controlling particle characteristics. Biological synthesis methods, which utilize microbial enzymes or plant extracts, offer enhanced biocompatibility but often result in lower yields and broader size distributions.
The section further explores the applications of IONPs in animal models, emphasizing the variability in their biocompatibility, biodistribution, and toxicity, which are influenced by factors such as shape, size, and surface properties. For instance, short rod-shaped IONPs tend to accumulate in the liver and are rapidly cleared, while larger particles are retained longer in the spleen. The magnetic properties of IONPs enable their use in various biomedical applications, including targeted drug delivery and imaging. Notably, the research indicates that IONPs exhibit low toxicity and good biocompatibility across different animal models, with surface modifications playing a critical role in enhancing their safety and efficacy. Overall, the findings underscore the potential of IONPs in therapeutic and diagnostic applications, while also identifying the need for further research to optimize their properties for clinical use.