Перспективы использования наночастиц (квантовых точек) в офтальмологии
Ключевые слова:
наночастицы, квантовые точки, антиинфекционная активность, метод визуализации, флуоресценцияАннотация
Цель. Системный анализ отечественной и иностранной литературы, посвященной потенциальному применению квантовых точек (КТ) в офтальмологии, а также определение основных проблем в отношении реализации КТ в офтальмологической практике.
Материал и методы. Для выполнения обзора был произведен системный анализ научных публикаций отечественных и зарубежных авторов на ресурсах PubMed, Medline, eLibrary c 2008 до 2021 г., посвященных определению физико-химических параметров, а также практическому применению КТ.
Результаты. Полупроводниковые наночастицы на основе КТ все прочнее закрепляются в современной науке и медицине, в частности офтальмологии. В данном обзоре определены основные физические параметры и физико-химические свойства КТ. Потенциальные области их применения достаточно широки и ориентированы на визуализацию, доставку лекарственных препаратов, электрическую стимуляцию и антиинфекционную активность широкого спектра.
Заключение. На сегодняшний день существующие ограничения в сфере активного применения КТ в офтальмологический практике связаны с фундаментальными исследованиями в области острой и хронической цитотоксичности, подборе безопасных доз и концентраций КТ, отработке механизмов их доставки, а также в исследовании механизмов химико-биологического взаимодействия со структурами зрительного анализатора при динамически изменяемых физических параметрах КТ (форма, размер, особенности функционализации и силанизации). Междисциплинарные взаимодействия столпов фундаментальной медицины, физики, биологии, химии и офтальмо- логии, в частности, вероятно, позволят в ближайшее пятилетие реализовать в клинической практике все фундаментальные принципы, заложенные в предыдущих исследованиях.
Библиографические ссылки
1. Zarbin MA, Montemagno C, Leary JF, Ritch R. Nanomedicine in ophthalmology: the new frontier. Am J Ophthalmol. 2010;150(2): 144–162.e2. doi: 10.1016/j.ajo.2010.03.019
2. Хлебцов Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом. Квантовая электроника. 2008;38(6): 504–529. [Khlebtsov NG. Optics and biophotonics of nanoparticles with plasmon resonance. Quantum Electronics. 2008;38(6): 504–529. (In Russ.)]
3. Genicio N, Gallo Paramo J, Shortt AJ. Quantum dot labeling and tracking of cultured limbal epithelial cell transplants in vitro. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2015;56(5): 3051–3059. doi: 10.1167/iovs.14-15973
4. Duncan TJ, Baba K, Oie Y, Nishida K. A Novel method using quantum dots for testing the barrier function of cultured epithelial cell sheets. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2015;56(4): 2215–2223. doi: 10.1167/iovs.14-15579
5. Barnett JM, Penn JS, Jayagopal A. Imaging of endothelial progenitor cell subpopulations in angiogenesis using quantum dot nanocrystals. Methods Mol Biol. 2013;1026: 45–56. doi: 10.1007/978-1-62703-468-5_4
6. Pollinger K, Hennig R, Ohlmann A, Fuchshofer R, Wenzel R, Breunig M, Tessmar J, Tamm ER, Goepferich A. Ligand-functionalized nanoparticles target endothelial cells in retinal capillaries after systemic application. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110(15): 6115–6120. doi: 10.1073/pnas.1220281110
7. Kim JH, Kim JH, Kim KW, Kim MH, Yu YS. Intravenously administered gold nanoparticles pass through the blood-retinal barrier depending on the particle size, and induce no retinal toxicity. Nanotechnology. 2009;20(50): 505101. doi: 10.1088/0957-4484/20/50/505101
8. Lu F, Wu SH, Hung Y, Mou CY. Size effect on cell uptake in wellsuspended, uniform mesoporous silica nanoparticles. Small. 2009;5(12): 1408–1413. doi: 10.1002/smll.200900005
9. Hennig R, Ohlmann A, Staffel J, Pollinger K, Haunberger A, Breunig M, Schweda F, Tamm ER, Goepferich A. Multivalent nanoparticles bind the retinal and choroidal vasculature. J Control Release. 2015;220(Pt A): 265–274. doi: 10.1016/j.jconrel.2015.10.033
10. Khanal S, Millar TJ. Nanoscale phase dynamics of the normal tear film. Nanomedicine. 2010;6(6): 707–713. doi: 10.1016/j.nano.2010.06.002
11. Hardman R. A toxicologic review of quantum dots: toxicity depends on physicochemical and environmental factors. Environ Health Perspect. 2006;114(2): 165–172. doi: 10.1289/ehp.8284
12. Karakoçak BB, Raliya R, Davis JT, Chavalmane S, Wang WN, Ravi N, Biswas P. Biocompatibility of gold nanoparticles in retinal pigment epithelial cell line. Toxicol In Vitro. 2016;37: 61–69. doi: 10.1016/j.tiv.2016.08.013
13. Jian HJ, Wu RS, Lin TY, Li YJ, Lin HJ, Harroun SG, Lai JY, Huang CC. Super-cationic carbon quantum dots synthesized from spermidine as an eye drop formulation for topical treatment of bacterial keratitis. ACS Nano. 2017;11(7): 6703–6716. doi: 10.1021/acsnano.7b01023
14. Ho JH, Ma WH, Tseng TC, Chen YF, Chen MH, Lee OK. Isolation and characterization of multi-potent stem cells from human orbital fat tissues. Tissue Eng Part A. 2011;17(1–2): 255–266. doi: 10.1089/ten.TEA.2010.0106
15. Gussin HA, Tomlinson ID, Little DM, Warnement MR, Qian H, Rosenthal SJ, Pepperberg DR. Binding of muscimol-conjugated quantum dots to GABAC receptors. J Am Chem Soc. 2006;128(49): 15701–15713. doi: 10.1021/ja064324k
16. Pathak S, Tolentino R, Nguyen K, D’Amico L, Barron E, Cheng L, Freeman WR, Silva GA. Quantum dot labeling and imaging of glial fibrillary acidic protein intermediate filaments and gliosis in the rat neural retina and dissociated astrocytes. J Nanosci Nanotechnol. 2009;9(8): 5047–5054. doi: 10.1166/jnn. 2009.gr08
17. Wansapura PT, Dassanayake RS, Hamood A. Preparation of chitin- CdTe quantum dots films and antibacterial effect on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. J Appl Polym Sci. 2017;134(22). doi:10.1002/app.44904
18. Gussin HA, Tomlinson ID, Muni NJ, Little DM, Qian H, Rosenthal SJ, Pepperberg DR. GABAC receptor binding of quantum-dot conjugates of variable ligand valency. Bioconjug Chem. 2010;21(8): 1455–1464. doi: 10.1021/bc100050s
19. Vranka JA, Bradley JM, Yang YF, Keller KE, Acott TS. Mapping molecular differences and extracellular matrix gene expression in segmental outflow pathways of the human ocular trabecular meshwork. PLoS One. 2015;10(3): e0122483. doi: 10.1371/journal.pone.0122483
20. Yamamoto S, Manabe N, Fujioka K, Hoshino A, Yamamoto K. Visualizing vitreous using quantum dots as imaging agents. IEEE Trans Nanobioscience. 2007;6(1): 94–98. doi: 10.1109/tnb.2007.891883
21. Keller KE, Bradley JM, Vranka JA, Acott TS. Segmental versican expression in the trabecular meshwork and involvement in outflow facility. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2011;52(8): 5049–5057. doi: 10.1167/iovs.10-6948
22. Jackson TL, Mandava N, Quiroz-Mercado H, Benage M, Garcia- Aguirre G, Morales-Canton V, Wilbur L, Olson J. Intravitreal quantum dots for retinitis pigmentosa: a first-in-human safety study. Nanomedicine (Lond). 2021;16(8): 617–626. doi: 10.2217/nnm-2020-0471
23. Zhao P, He K, Han Y, Zhang Z, Yu M, Wang H, Huang Y, Nie Z, Yao S. Near-infrared dual-emission quantum dots-gold nanoclusters nanohybrid via co-template synthesis for ratiometric fluorescent detection and bioimaging of ascorbic acid in vitro and in vivo. Anal Chem. 2015;87(19): 9998-10005. doi: 10.1021/acs.analchem.5b02614
24. Li H, Li K, Dai Y, Xu X, Cao X, Zeng Q, He H, Pang L, Liang J, Chen X, Zhan Y. In vivo near infrared fluorescence imaging and dynamic quantification of pancreatic metastatic tumors using folic acid conjugated biodegradable mesoporous silica nanoparticles. Nanomedicine. 2018;14(6): 1867–1877. doi: 10.1016/j.nano.2018.04.018
25. Walling MA, Novak JA, Shepard JRE. Quantum dots for live cell and in vivo imaging. Int J Mol Sci. 2009;10(2): 441–491. doi: 10.3390/ ijms10020441
26. Michalet X, Pinaud FF, Bentolila LA, Tsay JM, Doose S, Li JJ, Sundaresan G, Wu AM, Gambhir SS, Weiss S. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science. 2005;307(5709): 538–544. doi: 10.1126/science.1104274
27. Takeda A, Baffi JZ, Kleinman ME, Cho WG, Nozaki M, Yamada K, Kaneko H, et al. CCR3 is a target for age-related macular degeneration diagnosis and therapy. Nature. 2009;460(7252): 225–230. doi: 10.1038/nature08151
28. Abbasi E, Kafshdooz T, Bakhtiary M, Nikzamir N, Nikzamir N, Nikzamir M, Mohammadian M, Akbarzadeh A. Biomedical and biological applications of quantum dots. Artif Cells Nanomed Biotechnol. 2016;44(3): 885–891. doi: 10.3109/21691401.2014.998826
29. Adijanto J, Banzon T, Jalickee S, Wang NS, Miller SS. CO2-induced ion and fluid transport in human retinal pigment epithelium. J Gen Physiol. 2009;133(6): 603–622. doi: 10.1085/jgp.200810169
30. Wang HC, Brown J, Alayon H, Stuck BE. Transplantation of quantum dot-labelled bone marrow-derived stem cells into the vitreous of mice with laser-induced retinal injury: survival, integration and differentiation. Vision Res. 2010;50(7): 665–673. doi: 10.1016/j.visres.2009.09.003
31. Olson JL, Velez-Montoya R, Mandava N, Stoldt CR. Intravitreal silicon-based quantum dots as neuroprotective factors in a model of retinal photoreceptor degeneration. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2012;53(9): 5713–5721. doi: 10.1167/iovs.12-9745
32. Tam AL, Gupta N, Zhang Z, Yücel YH. Quantum dots trace lymphatic drainage from the mouse eye. Nanotechnology. 2011;22(42): 425101. doi: 10.1088/0957-4484/22/42/425101
33. McHugh KJ, Jing L, Severt SY, Cruz M, Sarmadi M, Jayawardena HSN, Perkinson CF, Larusson F, et al. Biocompatible near-infrared quantum dots delivered to the skin by microneedle patches record vaccination. Sci Transl Med. 2019;11(523): eaay7162. doi: 10.1126/scitranslmed. aay7162
34. Sanchez de Araujo H, Ferreira F. Quantum dots and photodynamic therapy in COVID-19 treatment. Quantum Engineering. 2021;3(4): e78. doi: 10.1002/que2.78
35. Manivannan S, Ponnuchamy K. Quantum dots as a promising agent to combat COVID-19. Appl Organomet Chem. 2020;34(10): e5887. doi: 10.1002/aoc.5887
36. Zare M, Sillanpää M, and Ramakrishna S. Essential role of quantum science and nanoscience in antiviral strategies for COVID-19. Material Advances. 2021;2: 2188–2199. doi:10.1039/D1MA00060H
37. Bardajee GR, Zamani M, Sharifi M. Efficient and versatile application of fluorescence DNA-conjugated CdTe quantum dots nanoprobe for detection of a specific target DNA of SARS Cov-2 virus. Langmuir. 2021;37(33): 10223–10232. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c01687
38. Dong X, Liang W, Meziani MJ, Sun YP, Yang L. Carbon dots as potent antimicrobial agents. Theranostics. 2020;10(2): 671–686. doi: 10.7150/ thno.39863
39. Abu Rabe DI, Al Awak MM, Yang F, Okonjo PA, Dong X, Teisl LR, et al. The dominant role of surface functionalization in carbon dots’ photoactivated antibacterial activity. Int J Nanomedicine. 2019;14: 2655–2665. doi: 10.2147/IJN.S200493
40. Garner I, Vichare R, Paulson R, Appavu R, Panguluri SK, Tzekov R, Sahiner N, Ayyala R, Biswal MR. Carbon dots fabrication: Ocular imaging and therapeutic potential. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8: 573407. doi: 10.3389/fbioe.2020.573407
41. Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Дежуров С.В. Оценка офтальмотоксического воздействия квантовых точек и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения резистентных эндофтальмитов. Экспериментальное исследование. (1-й этап). Офтальмология. 2021;18(3): 476–487. [Ponomarev VO, Kazaykin VN, Lizunov AV, Vokhmintsev AS, Weinstein IA, Dezhurov SV. Assessment of ophthalmotoxic effects of quantum dots and bioconjugates based on them in the aspect of prospects for the treatment of resistant endophthalmitis. An experimental study. (1st stage). Ophthalmology in Russia. 2021;18(3): 476–487. (In Russ.)]. doi: 10.18008/1816-5095-2021-3-476 487
42. Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Дежуров С.В., Марышева В.В. Оценка офтальмотоксического воздействия квантовых точек InP/ZnSe/ZnS 660 и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения резистентных эндофтальмитов. Экспериментальное исследование. Часть 2 (1-й этап). Офтальмология. 2021; 18(4): 876–884. [Ponomarev VO, Kazaykin VN, Lizunov AV, Vokhmintsev AS, Weinstein IA, Dezhurov SV, Marysheva VV. Assessment of ophthalmotoxic effects of InP/ZnSe/ZnS 660 quantum dots and bioconjugates based on them in the aspect of prospects for the treatment of resistant endophthalmitis. An experimental study. Part 2 (1st stage). Ophthalmology in Russia. 18(4): 876–884. (In Russ.)] doi: 10.18008/1816-5095-2021-4-876-884
43. Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Вохминцев А.С., Вайнштейн И.А., Розанова С.М., Кырф М.В. Лабораторный анализ антиинфекционной активности квантовых точек и биоконъюгатов на их основе в аспекте перспектив лечения воспалительных заболеваний глаза. Экспериментальное исследование (часть 3). Офтальмология. 2022;19(1): 188–194. [Ponomarev VO, Kazaykin VN, Lizunov AV, Vokhmintsev AS, Weinstein IA, Rozanova SM, Kyrf MV. Laboratory analysis of the anti-infectious activity of quantum dots and bioconjugates based on them in the aspect of prospects for the treatment of inflammatory eye diseases. An experimental study (part 3). Ophthalmology in Russia. 2022;19(1): 188–194. doi: 10.18008/1816-5095-2022-1-188-194
44. Пономарев В.О., Казайкин В.Н., Лизунов А.В., Розанова С.М., Кырф М.В., Ткаченко К.А. Лабораторный анализ антиинфекционной активности квантовых точек и биоконъюгатов на их основе в отношении потенциальной глазной синегнойной инфекции. Экспериментальное исследование (часть 4). Офтальмология. 2022;19(2): 429–433. [Ponomarev VO, Kazaykin VN, Lizunov AV, Rozanova SM, Kyrf MV, Tkachenko KA. Laboratory analysis of the antiinfectious activity of quantum dots and bioconjugates based on them in relation to potential ocular pseudomonas aeruginosa infection. An experimental study (part 4). Ophthalmology in Russia. 2022;19(2): 429–433. (In Russ.)] doi: 10.18008/1816-5095-2022-2-429-433
45. Chand P, Kumari S, Mondal N. Synergism of zinc oxide quantum dots with antifungal drugs: Potential approach for combination therapy against drug resistant candida albicans. Front Nanotechnol. 2021. Sec Biomed Nanotechnol. doi: 10.3389/fnano.2021.624564
46. Kim JY, Park JH, Kim M, Jeong H, Hong J, Chuck RS, Park CY. Safety of nonporous silica nanoparticles in human corneal endothelial cells. Sci Rep. 2017;7(1): 14566. doi: 10.1038/s41598-017-15247-2
Опубликован
Лицензия
Copyright (c) 2024 ОФТАЛЬМОХИРУРГИЯ
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
