Nanotechnologie :du système d'imagerie in Vivo à l'administration contrôlée de médicaments

Revue

Introduction

En fait, la nanotechnologie progresse dans tous les domaines impératifs de l'ingénierie et de la science, et les scientifiques révolutionnent toutes les industries et les vies humaines en concevant des objets capables de fonctionner à la plus petite échelle, atome par atome [1]. La nanotechnologie implique l'étude de structures éminemment petites. La nanotechnologie peut être définie de manière globale comme l'étude, la création, la conception, la synthèse et la mise en œuvre de matériaux, systèmes et dispositifs fonctionnels en contrôlant la matière dans une plage de tailles allant de 1 à 100 nm à l'échelle nanométrique. De plus, la manipulation de phénomènes innovants et l'amélioration des propriétés de la matière à cette échelle nanométrique, également appelée nanotechnologie moléculaire, est un point magique à l'échelle où les plus petits appareils artificiels rencontrent les molécules et les atomes de l'univers [2,3,4 ].

Le début du concept de nanotechnologie et de nanomédecine est né de l'idée perspicace de Feynman que de minuscules nanorobots et dispositifs associés pourraient être développés, fabriqués et introduits dans le corps humain pour réparer les cellules au niveau moléculaire. Bien que plus tard dans les années 1980 et 1990, ce concept innovant a été préconisé dans les écrits célèbres de Drexler [5, 6], et dans les années 1990 et 2000 dans les écrits populaires de Freitas [7, 8]. Feynman a présenté la première proposition connue de procédure nanomédicale pour guérir les maladies cardiaques. En général, la miniaturisation des outils médicaux fournira des approches plus précises, contrôlables, fiables, polyvalentes, rentables et rapides pour une meilleure qualité de vie humaine [9]. En 2000, pour la toute première fois, la National Nanotechnology Initiative a été lancée; puis à partir de maintenant, la modélisation de l'électronique et des structures moléculaires de nouveaux matériaux, la mise en place de dispositifs photoniques et électroniques à l'échelle nanométrique [10, 11], le développement des réseaux 3D, la nanorobotique [12] et l'avènement de la microscopie à force multifréquence [13] ont ouvert la voie la voie à l'émergence de la nanotechnologie moléculaire.

Les nanoparticules sont considérées comme les éléments constitutifs essentiels de la nanotechnologie. La présence de liaisons chimiques fortes, la délocalisation étendue des électrons de valence variant avec la taille et les modifications structurelles des nanoparticules conduisent à différentes propriétés physiques et chimiques, notamment les points de fusion, les propriétés optiques, les propriétés magnétiques, les chaleurs spécifiques et la réactivité de surface. Ces nanoparticules ultrafines présentent des propriétés complètement nouvelles et améliorées par rapport à leur homologue en vrac en raison de la variation des caractéristiques spécifiques telles que la taille, la distribution et des particules qui donnent lieu à un rapport surface / volume plus important [14,15,16]. Au fur et à mesure que le domaine des matériaux nanostructurés a évolué, de nombreuses étiquettes et terminologies différentes sont utilisées, notamment les nanoparticules 3D, les nanocristaux, les nanofilms, les nanotubes, les nanofils et les points quantiques avec un potentiel prometteur d'un nombre infini de propriétés [17]. En raison de la variété des applications potentielles (notamment industrielles et militaires), les gouvernements ont investi des milliards de dollars dans la recherche en nanotechnologie. Les États-Unis ont investi 3,7 milliards de dollars dans le cadre de leur National Nanotechnology Initiative, et l'Union européenne a également subventionné 1,2 milliard, et 750 millions de dollars ont été investis par le Japon [18].

Aujourd'hui, la nanotechnologie est l'un des domaines d'étude scientifique les plus innovants et les plus avant-gardistes, et elle continue de progresser à un rythme effarant [19]. Grâce aux progrès de la nanotechnologie, de nombreuses technologies de pointe sont devenues disponibles pour l'administration de médicaments. Les chercheurs ont étudié de manière approfondie le potentiel des nanodispositifs pour l'administration ciblée et contrôlée de diverses micro- et macromolécules, notamment des médicaments, des protéines, des anticorps monoclonaux et de l'ADN (acide désoxyribonucléique) dans de multiples applications biomédicales telles que le cancer [20, 21], la vaccination [22] , dentaire [23], inflammatoire [24], et d'autres troubles de santé. C'est donc un besoin du jour pour démontrer l'utilisation efficace des applications nanotechnologiques allant du système d'imagerie in-vivo à l'administration contrôlée de médicaments, pour marquer les progrès actuels et obtenir des orientations pour la recherche imminente dans les domaines médicaux.

Nanosystèmes pharmaceutiques

La nanotechnologie pharmaceutique peut être classée en deux catégories principales de nanooutils, à savoir les nanomatériaux et les nanodispositifs. Les nanomatériaux peuvent être catégorisés davantage sur la base de trois paramètres de base, notamment la structure, la dimension et la composition de phase. Les nanostructures sont en outre classées en structures polymères et non polymères, notamment les nanoparticules, les micelles, les dendrimères, les conjugués médicamenteux, les nanoparticules métalliques et les points quantiques [25]. Sur la base de leurs dimensions, les nanomatériaux sont classés en quatre groupes, c'est-à-dire zéro, un, deux et trois matériaux nanodimensionnels. Selon la composition des phases, ces nanomatériaux peuvent être classés en trois groupes. Les nanodispositifs sont subdivisés en trois groupes, y compris les systèmes microélectromécaniques/système nanoélectromécanique (MEMS/NEMS), les puces à ADN et les respirocytes. Ces structures et dispositifs peuvent être fabriqués avec un degré élevé de propriétés fonctionnelles pour une utilisation en médecine pour interagir avec les cellules au niveau moléculaire, permettant ainsi une intégration entre les systèmes biologiques et la technologie la plus récente qui n'était pas réalisable auparavant [26]. La classification détaillée des nano-outils pharmaceutiques est décrite avec leurs exemples dans le tableau 1.

Approches de fabrication

Les technologies de nanodimensionnement ont acquis une grande importance pour la formulation de médicaments peu solubles dans l'eau. En réduisant la taille des particules à l'échelle nanométrique, la vitesse de dissolution et la biodisponibilité augmentent en raison de l'augmentation de la surface, selon l'équation de Noyes-Whitney [27]. Les approches utilisées pour les matériaux de fabrication sont classées en techniques ascendantes, techniques descendantes et combinaison de techniques ascendantes et descendantes. Les techniques ascendantes impliquent l'accumulation de molécules. Certaines des techniques qui suivent l'approche ascendante pour la fabrication de matériaux nanométriques comprennent les techniques en phase liquide basées sur les micelles inverses, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le traitement sol-gel et l'auto-assemblage moléculaire. Les composants produits par le bas vers le haut sont significativement plus forts que les composants à grande échelle en raison des forces covalentes qui les maintiennent ensemble. Dans les techniques descendantes, les matériaux sont micronisés par découpage, sculpture et moulage pour la fabrication de nanomatériaux. Les exemples incluent le broyage, le dépôt physique en phase vapeur, la galvanoplastie par technique hydrodermique et la nanolithographie [28]. Différentes approches de fabrication avec leurs types respectifs sont décrites dans le tableau 2.

Applications biomédicales de la nanotechnologie avancée

Imagerie

D'énormes progrès ont été signalés au cours de la dernière décennie, en utilisant les outils de la nanotechnologie pour l'imagerie et la thérapie dans la recherche ciblant particulièrement les cellules cancéreuses. Les nanoparticules, d'une taille de 10 à 100 nm, offrent un milieu très approprié pour effectuer des modifications au niveau moléculaire telles que l'imagerie et le ciblage spécifiques au site dans les cellules cancéreuses [29]. La section suivante résume certains progrès récents dans les techniques d'imagerie.

Imagerie des radionucléides

En raison de l'incapacité des petites molécules à être visualisées avec la technique non invasive, les agents de contraste ciblés sur le site sont utilisés pour identifier un biomarqueur sélectionné qui est impossible à séparer des tissus environnants normaux [30]. L'imagerie des radionucléides a été développée avec le concept selon lequel la protéine exprimée est sondée avec un agent ou une cellule radiopharmaceutique ou marqué par un isotope et est davantage suivie in vivo [31]. L'imagerie par tomographie par émission de positons (TEP) est utilisée avec succès chez les patients cancéreux pour imager la multirésistance par le transport de la glycoprotéine P en utilisant la tétrofosmine 99 m ​​et le sestamibi comme substrats radiomarqués pour la glycoprotéine P [32, 33]. Le mécanisme d'imagerie est déterminé par le type de modalité utilisée pour l'imagerie, tels que les nanosupports, notamment les liposomes [34], les dendrimères [35], les Bucky balls [36] et de nombreux polymères et copolymères [37]. Ils peuvent être remplis d'un grand nombre de particules d'imagerie telles que des composés optiquement actifs et des radionucléides pour la détection avec un équipement d'imagerie. Les analogues de jasplakinolide marqués au BODIPY (dipyrrométhane au bore) ont été utilisés pour visualiser les filaments d'actine à longue durée de vie à l'intérieur des cellules vivantes [38, 39].

L'énorme croissance de la nanotechnologie est à la pointe de la recherche dans l'imagerie moléculaire avec de nombreux agents de contraste. Pour obtenir une imagerie appropriée, l'agent de contraste sélectionné doit avoir une demi-vie plus longue, un faible signal de fond, une liaison d'épitope spécifique et un contraste amélioré par rapport au bruit. La disponibilité d'un grand nombre de porteurs permet de définir davantage d'avancées en imagerie, en mettant particulièrement l'accent sur les mécanismes moléculaires et cellulaires de la maladie ; cela créera plus d'opportunités pour le développement rationnel des systèmes d'imagerie et d'administration de médicaments [30].

Points quantiques

Les points quantiques semi-conducteurs sont maintenant utilisés comme une nouvelle classe de marqueurs fluorescents. Ces nanocristaux semi-conducteurs sont un outil prometteur pour la visualisation des cellules biologiques en raison de leur chimie de surface facile, permettant la biocompatibilité et la conjugaison avec l'allongement du temps de fluorescence [29, 40]. Les propriétés de visualisation des points quantiques (longueur d'onde de fluorescence) dépendent fortement de la taille. Les propriétés optiques des points quantiques dépendent de leur structure car ils sont composés d'une enveloppe externe et d'un noyau métallique. Par exemple, les points quantiques de graphème (GQD), un type de nanomatériaux de carbone à fluorescence verte, sont fabriqués en coupant l'oxyde de graphème par solvothermie et s'avèrent dominer les propriétés de visualisation [41].

Le noyau de la boîte quantique est généralement composé de séléniure de cadmium, de sulfure de cadmium ou de tellurure de cadmium. L'enveloppe extérieure est fabriquée sur le noyau avec une énergie de bande interdite élevée afin de fournir une isolation électrique tout en préservant les propriétés de fluorescence des points quantiques. Le noyau et les coques affinés avec différentes tailles et compositions avec des propriétés de visualisation de longueur d'onde spécifique fournissent un grand nombre de biomarqueurs [40]. Les points quantiques sont conjugués à différents ligands afin d'obtenir une liaison spécifique aux récepteurs biologiques. Les ligands ciblant les tumeurs sont liés à des points quantiques polymères amphiphiles et utilisés pour réaliser les études d'imagerie du cancer de la prostate chez la souris [42]. De même, les points quantiques offrent des avantages significatifs par rapport aux colorants conventionnels tels qu'une émission à bande passante étroite, une photo stabilité plus élevée et un spectre d'absorption étendu pour la source d'excitation unique. De plus, le défi de l'hydrophobie des points quantiques a été surmonté en les rendant solubles dans l'eau. Un exemple de points quantiques aqueux avec un long temps de rétention dans les fluides biologiques est le développement de points quantiques de sulfure métallique (MS) hautement fluorescents fabriqués avec des groupes chargés contenant des thiols [43]. De plus, les propriétés de fluorescence uniques des points quantiques en ont fait des outils d'imagerie appropriés pour les cellules cancéreuses [42]. Les points quantiques liés à l'aptamère d'ARN A10 conjugué à la doxorubicine (QD-Apt-Dox) sont l'exemple d'imagerie ciblée des cellules cancéreuses [44]. Cependant, une toxicité accrue des points quantiques a été observée en raison de l'incorporation de métaux lourds, entraînant leur utilisation limitée pour l'imagerie in vivo. Néanmoins, des approches récentes se concentrent sur la réduction de la toxicité et l'amélioration de la biocompatibilité des points quantiques avec les cellules du corps. Il convient également de mentionner que les points quantiques d'un diamètre inférieur à 5,5 nm sont rapidement et efficacement excrétés de l'urine, ce qui réduit la toxicité. Ce phénomène a été manifesté par la synthèse de sans cadmium, CulnS₂ /ZnS (sulfure de cuivre et d'indium/sulfure de zinc) comme noyau et enveloppe des points quantiques, ce qui a permis d'améliorer la stabilité des cellules vivantes pour l'imagerie des ganglions lymphatiques avec une nette réduction de la toxicité locale aiguë [45, 46].

Biocapteurs

L'une des plus grandes réalisations des nanomatériaux depuis quelques années est le développement des biocapteurs. Les biocapteurs sont les dispositifs qui contiennent l'élément de détection biologique qui est soit connecté soit intégré dans le transducteur. Le biocapteur présente son action en reconnaissant des molécules spécifiques dans le corps sur la base de leur structure, notamment l'antigène anticorps, le substrat enzymatique et l'hormone réceptrice. Les deux propriétés majeures du biocapteur, y compris leur spécificité et leur sélectivité, dépendent de ce système de reconnaissance. Ces propriétés de base des biocapteurs sont surtout utilisées pour la concentration qui est proportionnelle aux signaux [47,48,49].

Afin de produire le biocapteur avec une efficacité élevée, le substrat sélectionné pour la dispersion du matériau de détection est une condition préalable. Différents types de nanomatériaux, notamment les points quantiques [50], les nanoparticules magnétiques [51], les nanotubes de carbone (CNT) [52] et les nanoparticules d'or (GNP) [53] sont appliqués aux biocapteurs. Les propriétés chimiques, physiques, magnétiques, optiques et mécaniques distinctives des nanomatériaux entraînent une spécificité et une sensibilité accrues pour la détection. Les biocapteurs contenant des GNP ont offert un environnement compatible pour les biomolécules qui a augmenté la concentration de biomolécules immobilisées à la surface de l'électrode. Cela a entraîné une sensibilité accrue des biocapteurs [54, 55]. Les surfaces d'électrodes les plus largement utilisées dans les biocapteurs sont les électrodes en carbone vitreux (GCE), qui sont modifiées à partir des PNB. De plus, ils ont montré la meilleure sensibilité ainsi que la stabilité électrochimique. À cet égard, le bleu de méthylène (MB) et les GNP sont facilement assemblés et modifiés par la technique couche par couche (LBL) sous forme de films sur GCE, afin de détecter la concentration de gonadotrophine chorionique humaine (HCG) [56]. En raison de la grande surface contenue par les nanoparticules afin de charger des anti-HCG, ces immunocapteurs ont leur potentiel pour être utilisés pour détecter les concentrations d'HCG dans les échantillons de sang ou d'urine humains. De même, les NTC ont trouvé de grandes applications en génie biomédical, en bioanalyse, en biodétection et en nanoélectronique [57,58,59]. De plus, les nanotubes de carbone multi-parois (MWNT) sous forme de couches bio-nanocomposites de polymères ont le potentiel d'être utilisés pour la détection d'ADN [60]. De plus, les nanoparticules magnétiques ont également trouvé de nombreuses applications en raison de leurs propriétés magnétiques, notamment l'agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) [61], l'hyperthermie [62], l'immunodosage [63], la réparation tissulaire [64], la séparation cellulaire [65], Capteur GMR [66] et administration de médicaments ou de gènes [67].

De même, un nouveau type de microsphères magnétiques de chitosane (MCMS) a également été produit en utilisant simplement du chitosane et des nanoparticules magnétiques enrobées de carbone [68]. Dans cette étude, l'hémoglobine a également été immobilisée avec succès sur la surface GCE modifiée par MCMS en utilisant du glutaraldéhyde comme agent de réticulation. Une autre application importante des biocapteurs est la technologie optique, qui comprend la détection de divers types d'oligonucléotides d'ADN en utilisant des sondes SsDNA-CNT comme biocapteurs [69]. De même, les biocapteurs à base de liposomes ont également suscité une attention considérable car ils ont été utilisés dans la surveillance des pesticides organophosphorés, y compris le paraoxon et le dichlorvos à des niveaux minimaux [70].

Nanoparticules magnétiques

Les nanoparticules magnétiques (MNP) offrent des propriétés magnétiques exclusives car elles ont la capacité de fonctionner au niveau moléculaire ou cellulaire des interactions biologiques, ce qui en fait les meilleurs composés en tant qu'agents de contraste en IRM et en tant que vecteurs dans l'administration de médicaments. Les récents progrès de la nanotechnologie ont attiré l'attention car ils ont contribué à la modification des propriétés et des caractéristiques des MNP pour les applications biomédicales. À cet égard, l'imagerie des tumeurs hépatiques et des métastases via l'absorption médiée par le RES d'oxydes de fer superparamagnétiques (SPIO) s'est avérée capable de différencier des lésions aussi petites que 2-3 mm [70, 71]. De plus, ces ultra-petits oxydes de fer supermagnétiques (USPIO) sont également très efficaces dans l'imagerie des métastases des ganglions lymphatiques avec seulement 5 à 10 mm de diamètre [72]. De plus, l'importance de cette approche non invasive a également été démontrée dans la détection de la dissémination lymphatique car elle est considérée comme un élément important dans la stadification ainsi que dans l'identification des approches thérapeutiques des cancers du côlon mammaire et de la prostate [73].

Livraison de médicaments

La nanotechnologie est un outil attrayant pour des disciplines allant de la science des matériaux à la biomédecine en raison de leurs différentes caractéristiques physiques, optiques et électroniques. Les domaines de recherche les plus efficaces de la nanotechnologie sont la nanomédecine qui applique les principes de la nanotechnologie pour le traitement, la prévention et le diagnostic des maladies. De plus, de nombreux produits de la nanomédecine ont été commercialisés en raison de l'essor de la recherche en nanomédecine au cours des dernières décennies, dans le monde entier. Actuellement, la nanomédecine est influencée par les systèmes d'administration de médicaments, représentant plus de 75 % des ventes totales [74]. À cet égard, les plates-formes d'administration de médicaments à base de nanoparticules ont gagné la confiance des scientifiques car elles sont les véhicules les plus appropriés pour remédier aux inconvénients pharmacocinétiques associés aux formulations médicamenteuses conventionnelles [75]. Par conséquent, diverses nanoformes ont été tentées en tant que systèmes d'administration de médicaments tels que les liposomes, les nanoparticules lipidiques solides, les dendrimères et les NP solides contenant des métaux, pour améliorer l'efficacité thérapeutique des médicaments [76, 77]. Certains des principaux domaines d'intérêt sont discutés ci-dessous.

Ophtalmologie

L'administration de médicaments par voie ophtalmique est très attrayante mais difficile pour les scientifiques pharmaceutiques. L'œil est un petit organe complexe avec plusieurs compartiments. Sa biochimie, sa physiologie et son anatomie l'ont rendu très imperméable aux xénobiotiques. Les affections courantes qui nécessitent une administration oculaire comprennent les infections oculaires telles que la conjonctivite ainsi que les troubles cornéens comme le glaucome. Les classes de médicaments les plus couramment utilisées dans l'administration oculaire comprennent les mydriatiques ou les cycloplégiques myotiques, les anti-infectieux, les anti-inflammatoires, les diagnostics et les adjuvants chirurgicaux. Pour la petite irrégularité oculaire, la thérapie génique est également nécessaire, et une grande quantité de travail est menée dans ce domaine. Les approches soutenues par les nanocarriers ont attiré l'attention des scientifiques pour leur pertinence et leur spécificité. Il a été rapporté que les systèmes d'administration particulaires tels que les microsphères et les nanoparticules et les supports vésiculaires tels que les liposomes, les niosomes, les pharmacosomes et les discomes amélioraient les propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques de divers types de molécules médicamenteuses [76]. De nombreux nouveaux systèmes d'administration contrôlée de médicaments ont vu le jour, notamment les hydrogels, les polymères muco-adhésifs, les microémulsions, les dendrimères, l'administration de médicaments iontophorétiques, les approches basées sur les siARN, la technologie des cellules souches, la thérapie génique non virale et la thérapie au laser avec les bouchons de sclérotique [78] . Différents systèmes d'administration de médicament sont conçus pour l'administration de médicament par voie oculaire. L'objectif principal de tous les systèmes d'administration de médicament est d'améliorer la période de résidence, d'améliorer la perméabilité cornéenne et de libérer le médicament au niveau de la chambre postérieure de l'œil, ce qui entraîne une biodisponibilité accrue et une meilleure observance du patient [79].

Abrego et al. préparé des nanoparticules de PLGA (acide polylactique co-glycolique) de pranoprofène pour une administration ophtalmique sous forme d'hydrogel. Cette formulation d'hydrogel a des propriétés rhéologiques et physico-chimiques appropriées pour l'administration oculaire de pranoprofène avec un contour biopharmaceutique amélioré du médicament. De plus, il a intensifié les résultats anti-inflammatoires et analgésiques locaux du médicament, entraînant une amélioration de l'observance du patient [80]. Dans une autre étude, des nanoparticules de chitosane chargées de céfuroxime ont été développées en utilisant une technique de double réticulation en double émulsion. L'inférence indique que les particules de chitosane-gélatine sont des candidats potentiellement pratiques pour la DD au niveau intraoculaire [81]. De plus, des nanoparticules de N-triméthyl chitosane chargées de diclofénac (DC-TMCN) ont été développées pour une utilisation ophtalmique afin d'améliorer la biodisponibilité oculaire du médicament [82]. De plus, des assemblages supramoléculaires nanométriques de phosphate de dexaméthasone à base de chitosane ont été développés pour améliorer le temps de résidence du médicament pré-cornéen en raison de ses caractéristiques muco-adhésives. Ces nanoparticules interagissent fortement avec la surface oculaire et le médicament et protègent le médicament de la dégradation métabolique conduisant à une résidence pré-cornéenne prolongée [83]. Le glaucome, une maladie ophtalmique, a été traité avec des nanoparticules lipidiques solides à libération prolongée chargées à base de brimonidine en utilisant du monostéarate de glycéryle comme lipide solide [84, 85]. De même, des nanoparticules d'alginate revêtu de chitosane (CS-ALG) chargées de daptomycine ont été développées avec une taille appropriée pour les applications oculaires et une efficacité d'encapsulation élevée (jusqu'à 92 %). Cette étude a révélé que le système de nanotransporteurs de daptomycine pourrait être utilisé à l'avenir pour administrer cet antibiotique directement dans l'œil, afin d'agir comme une thérapie prospective contre l'endophtalmie bactérienne et comme une alternative efficace aux nanoparticules de chitosane [86].

L'une des principales causes d'échec à court et à long terme des greffons dans la transplantation cornéenne est le rejet immunologique du greffon. À cette fin, un système de nanoparticules biodégradables à base de PLGA de phosphate de dexaméthasone sodique (DSP) a été préparé, entraînant la libération prolongée des corticostéroïdes afin d'éviter le rejet du greffon cornéen [87]. De plus, des nanoparticules de MePEG-PCL (polyéthylène glycol-poly caprolactone) de curcumine ont été rapportées et ont montré une efficacité accrue, une rétention accrue de la curcumine dans la cornée et une amélioration significative de la prévention de la néovascularisation cornéenne par rapport à la curcumine libre [88]. De même, des adhésifs tissulaires infusés de nanoparticules d'argent (cyanoacrylate de 2-octyle) ont été développés avec une résistance mécanique et une efficacité antibactérienne améliorées. Ces adhésifs dopés (nanoparticules d'argent) ont soutenu l'utilisation d'adhésifs tissulaires comme complément viable ou alternative aux sutures [89].

Pulmonologie

Les maladies pulmonaires, probablement l'asthme, la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) et le cancer du poumon ont une fréquence élevée et mettent souvent la vie en danger. Par exemple, il est décrit que la MPOC est la quatrième cause principale de décès et que le carcinome pulmonaire est la cause la plus répandue de décès par cancer dans le monde. Les nanoparticules sont scrutées comme un choix pour améliorer le traitement de ces maladies graves [90]. Diverses nanoparticules chargées de médicaments ont été utilisées pour leurs effets locaux et systémiques dans le traitement des maladies pulmonaires. L'administration d'agents curatifs sur le lieu d'action des maladies pulmonaires peut permettre un traitement efficace des infections pulmonaires chroniques, des cancers du poumon, de la tuberculose et d'autres pathologies respiratoires [91]. Les nanosupports utilisés à cette fin comprennent les liposomes, les micelles à base de lipides ou de polymères, les dendrimères et les NP polymères [92]. Les NP polymères sont d'un intérêt prénominal, car les polymères peuvent être copolymérisés, modifiés en surface ou bio-conjugués pour améliorer la capacité de ciblage et la distribution des agents encapsulés. Les nanosupports généralement utilisés dans l'administration pulmonaire de médicaments contiennent des polymères naturels tels que la gélatine, le chitosane et l'alginate et des polymères synthétiques tels que le poloxamère, le PLGA et le PEG [93].

Il a été observé que les NP de PLGA présentent l'ensemble de caractéristiques le plus pratique en tant que transporteurs pour la délivrance de protéines/ADN pulmonaires, tandis que les NP de gélatine sont un choix réciproque agréable [94]. De même, des particules anisotropes ou Janus de doxorubicine et de curcumine ont été formulées pour transporter les médicaments anticancéreux pour le traitement du cancer du poumon par inhalation. Les particules ont été formulées en utilisant les mélanges binaires de matériaux biocompatibles et biodégradables. Ces particules n'ont pas présenté de conséquence géno- et cytotoxique. Les cellules cancéreuses intériorisent ces particules de Janus et les massent dans le noyau et le cytoplasme, entraînant une rétention prolongée. De plus, des dendrimères polyamidoamine (PAMAM) ont été évalués en tant que nanocarriers pour l'administration pulmonaire du dipropionate de béclométasone (BDP) pharmaceutique anti-asthmatique faiblement soluble à l'aide de dendrimères G3, G4 et G4 [12]. Cette étude a montré que les dendrimères BDP ont un potentiel d'inhalation pulmonaire à l'aide de nébuliseurs à jet d'air et à maille vibrante. De plus, il a été observé que les caractéristiques des aérosols étaient influencées par la conception du nébuliseur plutôt que par la génération de dendrimères [95]. De plus, des nanoparticules artificielles (ENP), composées de métaux inorganiques, d'oxydes métalliques, de métalloïdes, de polymères organiques biodégradables et inorganiques biocompatibles ont été utilisées efficacement comme vecteurs pour l'administration de vaccins et de médicaments et pour la gestion de diverses maladies pulmonaires. Les propriétés et les effets efficaces des ENP sur les poumons sont représentés sur la figure 1. Les ENP inorganiques (argent, or et carbone ENP), les oxydes métalliques ENP (oxyde de fer, oxydes de zinc et dioxyde de titane) et les ENP organiques (à base de lipides, à base de polysaccharide, à base de matrice polymère) ont été développés et évalués pour l'hémostase immunitaire pulmonaire. En plus d'être des porteurs relativement sûrs, les études modernes ont indiqué que le câble ENP survenait à des résultats bénéfiques avec des propriétés anti-inflammatoires (par exemple, l'argent et le polystyrène) et une empreinte du poumon qui présente le maintien de l'homéostasie immunitaire (par exemple, le polystyrène). Une meilleure connaissance des mécanismes peut aider à mieux comprendre les effets utiles de l'ENP sur l'homéostasie immunitaire pulmonaire et/ou la gestion des maladies pulmonaires inflammatoires [96].

Propriétés et effets efficaces des ENP sur les poumons

Il est important de préciser que des lipopolyamines cationiques fonctionnalisées (Star :Star-mPEG-550) ont été récemment développées pour l'administration in vivo de siRNA (short interférence RNA) aux cellules vasculaires pulmonaires. Cette formulation lipidique équilibrée intensifie la rétention de l'ARNsi dans les poumons de la souris et accomplit un désassemblage significatif du gène cible. Les résultats se sont avérés utiles et avec une toxicité réduite de l'administration d'inhibiteur de miARN-145 au poumon en utilisant les nanoparticules de lipopolyamine cationiques fonctionnalisées pour recruter l'artériopathie pulmonaire et rectifier la fonction cardiaque chez les rats atteints d'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) intense [97].

Système cardiovasculaire

Les maladies cardiovasculaires sont les maladies qui affectent le système cardiovasculaire, les maladies vasculaires du cerveau et des reins et les troubles artériels périphériques. Malgré tous les progrès de la prise en charge pharmacologique et clinique, l'insuffisance cardiaque est l'une des principales causes de morbidité dans le monde. De nombreuses nouvelles stratégies thérapeutiques, intégrant la transplantation cellulaire, la délivrance ou la thérapie de gènes, et des cytokines ou d'autres petites molécules, ont été étudiées pour traiter l'insuffisance cardiaque [98]. Un nombre insuffisant de personnes sont touchées dans les pays en développement; plus de 80 % des décès dus à des troubles cardiovasculaires surviennent dans les pays sous-développés et surviennent presque uniformément chez les hommes et les femmes [99]. Mathers et al. en 2008, on estime qu'il y a 9,4 millions de décès chaque année [100]. Cela conclut à 45 % des décès causés par une maladie coronarienne et à 51 % des décès dus à des accidents vasculaires cérébraux [101]. Il existe de nombreux types distincts de véhicules d'administration de médicaments, tels que les micelles polymères, les liposomes, les dendrimères, les supports pharmaceutiques soutenus par des lipoprotéines et les supports de médicaments à base de nanoparticules.

Des liposomes de sirolimus à base de chitosane ayant une efficacité de piégeage ≥ 83 % ont été développés pour le traitement de la resténose et se sont avérés être une nouvelle plate-forme pour une administration ciblée efficace [102]. De même, des niosomes de carvédilol enrichis en sels biliaires avec une efficacité de piégeage de 85 % ont entraîné une biodisponibilité améliorée du médicament, et ainsi, un meilleur effet thérapeutique [103] a été obtenu. L'inhibition de la resténose dans l'artère carotide blessée par ballonnet est obtenue chez le rat en développant des nanoparticules à base de PLGA encapsulant AGL 2043 et AG1295, des bloqueurs sélectifs des récepteurs des facteurs de croissance dérivés des plaquettes (PDGF) [104]. Angiogenic therapy of myocardial ischemia with vascular endothelial growth factor (VEGF) is a favorable approach to overcome hypoxia and its sequel effects. Polymeric particles loaded with VEGF have been proved a promising system for delivery of cytokines to rat myocardial ischemic model. This approach could be further explored for clinical studies [105]. Coenzyme Q10 (CoQ10) owing to its role in mitochondrial electron transport chain appears to be a reliable candidate to treat myocardial ischemia (MI) but its poor biopharmaceutical characteristics needed to be addressed by developing promising delivery approaches. Polymeric nanoparticles were developed to encapsulate CoQ10 to overcome its poor pharmaceutical properties and administered to MI-induced rats. Cardiac function was analyzed by determining ejection fraction before and after 3 months of therapy. Results showed significant betterment in the ejection fraction after 3 months [106].

Oncology

Cancer is a prime cause of mortality around the globe. The World Health Organization determines that 84 million people die of cancer between 2005 and 2015. The eventual target of cancer therapeutics is to increase the life span and the quality of life of the patient by minimizing the systemic toxicity of chemotherapy [107]. Chemotherapeutic agents have widely been studied in oncology for the past 25 years, but their tumor specificity is unsatisfactory and therefore exhibit dose-dependent toxicity. To overcome this limitation, recent interest has been centered on developing nanoscale delivery carriers that can be targeted directly to the cancer cell, deliver the drug at a controlled rate, and optimize the therapeutic efficacy [108, 109]. Passive and active targeting is used to deliver the drug at its tumor site. The passive phenomenon called the “enhanced permeability and retention (EPR) effect,” discovered by Matsumura and Maeda, is the dominated pathway used for chemotherapeutics [110, 111]. Active targeting is achieved by grafting ligand at the surface of nanocarriers that bind to receptors or stimuli-based carriers, e.g., dual reverse thermosensitive [112], photo-responsive [113], magnetic nanoparticles [114], and enzymatically activated pro-drugs [115]. Nanoparticles (NPs) can be conjugated with various smart therapeutic carriers like polymeric nanoparticles [116], micelles [117], liposomes [118], solid lipid nanoparticles (SLNs) [119], protein nanoparticles [120], viral nanoparticles [121], metallic nanoparticles [122], aptamers [123], dendrimers [124], and monoclonal antibody [125] to improve their efficacy and decrease the systemic toxicity. Table 3 summarizes the different approaches for drug deliveries which are widely studied to target the tumor with maximize therapeutic response and minimum toxicity.

Biodegradable poly (o-caprolactone) nanocarriers loaded with tamoxifen were developed for the management of estrogen receptor-specific breast cancer [126]. This study suggested that the nanoparticle preparations of selective estrogen receptor modulators deliver the drug in the specific estrogen receptor zone resulting in enhanced therapeutic efficacy. Similarly, a nanoconjugation of doxorubicin and cisplatin was developed by Chohen et al. [127], which have exhibited enhanced efficiency and reduced side effects of the loaded drugs in the treatment of localized progressive breast cancer. Likewise, chemotherapeutic drug oxaliplatin-loaded nanoparticulate micelles were prepared by Cabral et al. [128], with sustained release of loaded drug in the tumor microenvironment, resulted in enhanced antitumor effect [128]. Furthermore, SLN loaded-5-FU resulted in enhanced bioavailability and sustained release of the encapsulated anticancer drug, leading to enhanced antitumor effect [129].

Conclusions

Nanotechnology is subjected to inordinate progress in various fronts especially to make innovations in healthcare. Target-selective drug delivery and approaches for molecular imaging are the areas of prime importance for research where nanotechnology is playing a progressive role. This review provides readers with a wide vision on novel ongoing potentialities of various nanotechnology-based approaches for imaging and delivery of therapeutics. In order to obtain effective drug delivery, nanotechnology-based imaging has enabled us to apprehend the interactions of nanomaterials with biological environment, targeting receptors, molecular mechanisms involved in pathophysiology of diseases, and has made the real time monitoring of therapeutic response possible. Development of analytical technologies to measure the size of particles in nanometer ranges, and advent of latest manufacturing approaches for nanomaterials, has resulted in establishment of more effective methods for delivery of therapeutics for the treatment of ophthalmological, pulmonary, cardiovascular diseases, and more importantly cancer therapy. These new drug therapies have already been shown to cause fewer side effects and be more effective than traditional therapies. Furthermore, the imaging techniques have enhanced the determination of tumor location in human bodies and their selective targeting. Altogether, this comparatively new and thriving data suggest that additional clinical and toxicity studies are required further on the “proof-of-concept” phase. Nanomedicine cost and manufacturing at larger scale is also a matter of concern that needs to be addressed. Notwithstanding, future of nanomedicines is propitious.

Abréviations

AIE:

Aggregation-induced emission

BDP:

Beclometasone dipropionate

BODIPY:

Boron dipyrromethane

CNTs:

Carbon nanotubes

COPD:

Chronic obstructive pulmonary disease

CulnS₂ /ZnS:

Copper indium sulfide/zinc sulfide quantum dots

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

DNA:

Deoxyribonucleic acid

ENPs:

Engineered nanoparticles

EPR:

Enhanced permeability and retention

GCE:

Glassy carbon electrode

GNPs:

Gold nanoparticles

GQD:

Grapheme quantum dots

HCG:

Human chorionic gonadotrophin

MEMS:

Microelectromechanical systems

MI:

Myocardial ischemia

MNPs:

Magnetic nanoparticles

MSNs:

Mesoporous silica nanoparticles

MWNT:

Multi-walled carbon nanotubes

NEMS:

Nanoelectromechanical system

PAH:

Pulmonary arterial hypertension

PCL:

Poly caprolactone

PDGF:

Platelet-derived growth factors

PEG:

Poly ethylene glycol

PET :

Positron emission tomography

PLGA:

Poly lactic-co-glycolic acid

ROS:

Reactive oxygen species

SiRNA:

Short interference RNA

SLNS:

Solid lipid nanoparticles

SPIOs:

Superparamagnetic iron oxides

VEGF:

Vascular endothelial growth factor