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前面。Nanotechnol。,01 November 2022
第二节生物医学纳米技术
卷4 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fnano.2022.1055708

绿色纳米技术在神经退行性疾病有效管理中的展望

  • 1印度新德里,德里大学Bhagini Nivedita学院物理系研究单元
  • 2SUMAN实验室(可持续材料和先进纳米技术),印度新德里

目前神经退行性疾病(NDD)的治疗主要是由于缺乏对早期生物标志物的识别和药物穿透血脑屏障的效率低。最近,神经-纳米技术界面由于其更小的颗粒尺寸、高比表面积、可调的物理化学属性和丰富的表面功能,已成为诊断、监测和治疗ndd的潜在策略。然而,毒性和生物相容性是制约其在NDD治疗中的两个重大挑战。相反,利用植物提取物、微生物、基于生物群落的前体、重新利用的副产品、外泌体和基于蛋白质的生物纳米材料制备的绿色纳米系统由于生物多样性的丰富而经济、环保、生物相容性和可再生。这一前景探索了绿色纳米系统和nds的新型前沿接口,用于开发诊断和可植入设备、靶向药物传递策略、外科假体、治疗方法、神经生成的纳米支架和免疫发展。此外,它还讨论了绿色纳米系统的挑战、替代解决方案和先进前景,结合现代技术开发可持续的绿色神经纳米技术,以有效管理ndd。

图形抽象
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最先进的神经退行性疾病治疗:限制和挑战

世界卫生组织(Hou等人,2019霍尔布鲁克等人,2021).ndd以脑神经元功能丧失为特征,表现为多种临床和病理表现,并伴有发声、运动和认知功能障碍。ndd是一组遗传性或散发性疾病,包括阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化症、帕金森病、朊病毒病或亨廷顿氏病(Hou等人,2019霍尔布鲁克等人,2021).虽然每种NDD的神经退行性变和发病机制不同,但它们通常以神经炎症、神经元丢失、错误折叠蛋白聚集、氧化应激和自噬失调为特征(蒂瓦里等人,2019年Mathieu等人,2020年Slanzi等人,2020年).与nds相关的病因不明使得早期诊断和识别具有挑战性。此外,缺乏任何早期生物标志物使得在初步阶段准确诊断ndd变得困难(蒂瓦里等人,2019年2021年汉森).它迫使使用周围患者来源的生物材料作为样本来诊断ndd,由于缺乏主要的疾病相关神经元,这不足以提供准确的诊断。此外,目前的治疗只是对症治疗,药物进入大脑受到血脑屏障(BBB)的选择性机制的限制(库马尔等,2021年).分子穿过血脑屏障只有几种特定的途径,包括外排转运、被动转运和主动转运(Kadry等人,2020年).被动运输包括两种非能量运输途径,包括跨细胞扩散途径和细胞旁扩散途径,仅允许小的亲水/亲脂分子。相反,主动转运需要能量来运输小分子通过各种生物梯度穿过血脑屏障(Kadry等人,2020年库马尔等,2021年).此外,通过血脑屏障的转运也通过流出机制发生,如p -糖蛋白(Pgp)机制(Kadry等人,2020年).这表明,开发具有跨越血脑屏障潜力的ndd药物和传感器的前提在于构建具有适当表面化学性质的亲水/亲脂小分子,以开发结合潜力。

神经纳米技术:跨越血脑屏障

纳米技术的出现为应对这些挑战提供了一种解决方案,通过在纳米尺寸(1-100纳米)上设计功能化材料,这些材料可溶于脂质,在分子水平上与神经系统相互作用,并在神经系统中有效维持在活的有机体内并有效地穿过血脑屏障(席尔瓦,2006潘帕洛尼等人,2019年).纳米系统的高效表面积具有更大的可能性,可以与生物标记物相互作用进行诊断,与药物/分子相互作用进行药物传递,具有更可观的保留效力,并与缺陷细胞相互作用进行再生治疗(Chen等,2022Tiwari等人,2022年).此外,纳米系统的物理化学属性,包括物理性质(磁、光学、电、热、机械)和化学特征(表面化学、反应性、溶解度),可以根据目标应用进行调整。由于这些可调的和优越的物理化学、形态和拓扑特征,纳米系统已被用作靶向药物递送的基本载体,作为神经成像的模式,神经保护的策略,神经外科的工具,以及作为具有跨越血脑屏障潜力的ndd中神经再生的支架。席尔瓦,2006Chen等,2022Tiwari和Kaushik, 2022年).例如,磁性纳米系统在NDD成像技术(如磁共振成像(MRI))中被用作大脑造影剂。此外,磁属性还可以通过外部磁场调节NDD来治疗NDD。同样,化学属性也可以根据所需的应用进行调整,比如纳米系统的溶解度可以通过表面功能化来优化。此外,所需的表面功能可以在纳米系统上生长,用于附着靶向分子或药物,用于治疗或诊断NDD (席尔瓦,2006Rahman等,2022Tiwari和Kaushik, 2022年).各种纳米系统,包括碳基纳米材料、聚合物纳米系统和复合材料、金属基纳米颗粒、脂质体、树状大分子、量子点,最近,二维纳米系统(如MXenes)已被评估用于开发NDD的诊断、监测和治疗策略(Feng等,2021Tiwari等人,2021年Banitaba等人,2022年Chen等,2022高希等人,2022Rahman等,2022).例如,利用以金属为核心,聚合物为涂层的核壳纳米系统作为有效的纳米载体,运输神经生长因子(促进神经生长),以穿过血脑屏障(库马尔等,2020年).然而,这些纳米系统的毒性和生物相容性尚未得到解决,这限制了它们在生物医学领域的商业可行性(西顿等人,2010Sengul和Asmatulu, 2020年).此外,这些纳米系统可能在治疗或成像过程中意外进入大脑或其他人体器官,导致其功能失衡。例如,通过各种途径穿过血脑屏障,包括通过基于吸附的转胞作用、通过脑毛细血管内皮细胞上表达的受体或靶向转运蛋白,以及通过鼻内途径,可以诱导各种神经毒性机制,如免疫反应和炎症、氧化应激、激活特定信号通路,以及诱导影响血脑屏障功能的细胞自噬和凋亡(Boyes和van Thriel, 2020年).此外,这些毒性作用可以直接改变神经环境和结构,并可能由于胶质神经相互作用和激活而导致级联效应。因此,尽管纳米系统在神经科学中取得了很大的进展,但由于其神经毒性、通用毒性、生物相容性和可控选择性等因素,其应用受到了限制,这些因素可能会暂时或永久地影响中枢神经系统或其他人体功能。

用于高效NDD管理的绿色纳米系统的出现:绿色神经纳米技术

与传统纳米系统毒性相关的主要原因在于前体和用于制造它们的策略(Sengul和Asmatulu, 2020年Husain等人,2021年Verma等人,2021年乔杜里等人,2022cUmapathi等人,2022).例如,通过自下而上的化学途径开发的纳米系统的化学计量学中使用有毒、挥发性和腐蚀性化学前体及其残余痕迹对人类和环境是有害的。此外,物理技术,特别是自上而下的方法,是基于破坏的方法,需要高能量,并通过在合成过程中以不受控制的方式破坏纳米系统结构来诱导意外毒性。相反,构建纳米系统的绿色策略涉及的有毒化学物质显著减少,制造它们所需的能源也最少(维尔马等人,2019年Khalaj等,2020年Pathania等人,2022a巴特拉等,2022年).用生物化学物质(如植物化学物质、微生物和生物群系提取的前体)取代有害的化学前体,可以满足纳米系统在制造过程中引起的意外掺杂副作用/毒性。此外,大多数植物化学物质具有抗菌、神经生成、抗应激和抗ndd属性,这是偶然/故意掺杂其前体的绿色合成纳米系统的附加优势(辛格等人,2018Pathania等,2022bMonika等人,2022年).例如,在NDD疗法中,精油的吸入芳香疗法被提议作为脑靶向鼻腔输送(Cui等,2022).这些精油还被用于制备用于多种疾病管理的绿色纳米系统,它们在制备的纳米系统中的掺杂/痕量显示出增强的抗疾病效果。除精油外,从植物的不同部位(叶、果、茎、花、种子、树皮和根)提取的各种植物化学物质(酮、胺、酚、黄酮、萜类、生物酸)可作为具有封盖、还原和稳定作用的多功能前体,从而最大限度地减少化学/前体的需求,从而降低诱导毒性和对环境的二次污染的可能性(Khalaj等,2020年帕利特和侯赛因,2020年Pathania等人,2022a2022 b).同样,微生物介导的制造(细菌、酵母、病毒、真菌、藻类)、生物提取的前体、基于蛋白质的纳米系统、外泌体和再利用副产物是制造生态友好型生物纳米系统/绿色纳米系统的绿色策略。此外,在制备过程中,通过调节前驱体的浓度和性质、反应介质和时间、反应温度和ph等细胞/植物化学活性和反应参数,可以很容易地优化这些纳米系统的物理化学属性。用于纳米系统制备的生物群落/生物群落提取前驱体的智能选择可用于控制表面功能,优化能带结构和带隙。形态和拓扑特征,环境和恶劣环境的稳定性,生物相容性,毒性和生物积累的目标解决方案。近年来,各种靶向绿色纳米系统已被设计用于对抗nds,包括导管、生物传感器和绝活等可植入和诊断设备,纳米脂质体等药物输送,具有与抗体功能化和穿越血脑屏障的潜力,开发免疫和用于神经生成的纳米支架,控制和治疗原发性和继发症状,外科假体的生物相容性,靶向治疗和成像消除全身毒性(米兹拉希等人,2014Santhoshkumar等人,2014Charbgoo等人,2017年Maddinedi等人,2017Suganthy等人,2018Kotcherlakota等人,2019年Zhang等,2020Ahlawat和Narayan, 2021年Jan等人,2021年Pathania等,2022b2022年,一个Cui等,2022Jasim等人,2022Kokturk等人,2022Monika等人,2022年).此外,它们在加强现有NDD监测策略方面的间接利用,如提高电生理学中使用的微电极的监测性能,改善激光介导的血管吻合,以及增强用于神经成像的光学接口,正在克服神经元集成控制监测的瓶颈。绿色纳米材料在神经毒性、血液组织相容性、细胞毒性、基因毒性和致癌性等方面的生物相容性是其基本特征,这意味着其在抗NDDs方面具有巨大的潜力。绿色纳米系统通过解决神经毒性问题也具有保持神经健康的潜力,根据神经生成和控制神经液的分泌。因此,绿色纳米系统具有节能、低成本、环保、无毒、生物相容性、单级加工、多功能和可再生策略,可用于有效的NDD管理和治疗,具有增强的抗NDD、抗菌、免疫发育、神经生成和血脑屏障交叉功效(图1).

图1
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图1.最先进的绿色神经纳米技术:来源,问题,性质,类型,优点,挑战,应用和前景。

挑战、替代方案和前景:结论性展望

尽管绿色纳米材料具有非凡的可持续优势和显著的性能,但评估其在ndd中的多样化应用,包括神经发生、诊断、基于图像的监测、药物输送和药物开发,仍处于起步阶段。与癌症等其他严重疾病相比,很少有关于利用绿色纳米系统对抗ndd的报道。这种限制发展的绿色纳米系统与几个挑战有关的有效性,稳定性,制造,可扩展性,选择性和控制利用。例如,绿色纳米系统的可扩展制造是相当困难的,因为产量低,纯化的挑战,以及生化前体成分的垂直/区域差异,这限制了它们的商业应用(帕利特和侯赛因,2020年Pathania等,2022b).此外,低包封效果、生物积累、不受控制的细胞活性、对多种生物变异和恶劣环境的稳定性、对靶细胞/组织/区域的选择性以及与突出的和早期生物标志物的强烈关联,都是开发基于绿色纳米系统的ndd诊断、监测、管理和治疗策略的挑战。此外,根据绿色纳米材料的化学计量学、组成、结构和合成,需要仔细选择概括特定人类病理的动物模型(道森等人,2018Maurya等人,2022年).在nds的背景下,我们迫切需要了解绿色纳米材料在人体内的细胞相互作用/机制和发病机制(Mathieu等人,2020年Tiwari等人,2021年乔杜里等人,2022c).此外,理论评估、动物模型、在体外而且在活的有机体内用于管理ndd的绿色纳米系统的评估、动物试验和人体临床试验。这些挑战可以通过集中研究评估绿色纳米系统在多生物变异类人环境中的相互作用,利用先进的生物信息学、分析对接、机器学习和人工智能技术(Myszczynska等人,2020年tonika等人,2021乔杜里等人,2022b2022年,一个Sonu和Chaudhary, 2022年).此外,还需要利用现代技术探索具有优化物理化学属性和生物相容性的纳米系统的可伸缩和可控制造。我们可以致力于探索丰富的生物多样性,以开发下一代绿色纳米系统,作为抗击ndd的可持续方法。因此,绿色纳米系统需要精简、可控和定向的研究和评估,并得到临床探索的支持。由于其增强的神经生成功效、生物相容性、经济和环境友好型制造、可再生原料和无毒,所有这些都有助于形成可持续的绿色神经纳米技术,绿色纳米系统是NDD诊断、监测、管理和治疗的近期未来。

数据可用性声明

本研究中提出的原始贡献已包含在文章/补充材料中,进一步查询可向通讯作者咨询。

作者的贡献

VC已经完成了整个手稿。

致谢

作者希望感谢科学和技术部门,印度政府,印度和副校长,德里大学提供电子资源。作者还希望感谢英国文化协会全球合作伙伴关系的探索性资助,资助名为“增强商业敏锐度和商业组织能力”(ECOBUSS)的项目,资助ID: 877799913。

利益冲突

作者声明,这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

出版商的注意

本文中所表达的所有主张仅代表作者,并不代表他们的附属组织,也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品,或可能由其制造商提出的声明,都不得到出版商的保证或认可。

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关键词:神经退行性疾病、纳米技术、血脑屏障、绿色纳米材料、毒性

引用:Chaudhary V(2022)绿色纳米技术在有效管理神经退行性疾病中的前景。前面。Nanotechnol。4:1055708。doi: 10.3389 / fnano.2022.1055708

收到:2022年9月28日;接受:2022年10月20日;
发表:2022年11月1日。

编辑:

Sudip穆克吉美国莱斯大学

审核:

苏雷什·k·维尔马瑞典乌普萨拉大学
拉吉·库马尔美国内布拉斯加大学医学中心

版权©2022乔杜里。这是一篇开放获取的文章,根据创作共用授权(CC BY)。在其他论坛上的使用、分发或复制是允许的,前提是原作者和版权所有者注明出处,并按照公认的学术惯例引用本刊上的原始出版物。不得使用、分发或复制不符合这些条款的内容。

*通信:Vishal ChaudharyChaudhary00vishal@gmail.com

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