Advances in the use of nanocarriers for cancer diagnosis and treatment.

The use of nanocarriers as drug delivery systems for therapeutic or imaging agents can improve the pharmacological properties of commonly used compounds in cancer diagnosis and treatment. Advances in the surface engineering of nanoparticles to accommodate targeting ligands turned nanocarriers attractive candidates for future work involving targeted drug delivery. Although not targeted, several nanocarriers have been approved for clinical use and they are currently used to treat and/or diagnosis various types of cancers. Furthermore, there are several formulations, which are now in various stages of clinical trials. This review examined some approved formulations and discussed the advantages of using nanocarriers in cancer therapy.

INTRODUCTION

Chemotherapeutic drugs are toxic against cancer cells, but due to their low specificity and high toxicity, these drugs are also toxic for healthy cells. This toxic reaction occurs because medications, in general, are small enough molecules to pass through the endothelium in almost all regions of the organism after systematical administration, and they can reach both target regions and other regions not affected by the disease, therefore, originating a number of side effects associated with the medication. A possible strategy that may improve therapeutic efficacy of chemotherapeutic agents and decrease its side effects entails the use of colloidal nanoparticle systems. Because these drugs are encapsulated within nanoparticles of 50-800nm, they are not possible to cross the vessel wall of healthy regions of the organism (the space between these cells is only 15-30nm). This is different from what occurs in inflamed regions or even in those regions where tumors are located, in which endothelial cells are less packed among themselves than in healthy regions, which result in an accumulation of nanoparticles in the tumor tissue near blood vessel[1-3] (Figure 1A). This vectorization strategy is known as enhanced permeability and retention effect (EPR).[4]

Figure 1

Nanocarriers for cancer treatment. (A) Nanocarriers can be accumulated in the tumor through a passive mechanism known as EPR effect, because of the increased vascular permeability in the tumor region. Additionally, the active mechanism also increase nanoparticles uptake by tumor cells. This mechanism comprises in changes on the surface of nanocarriers with molecules that can be recognized specifically by receptors on the surface of cell membrane. (B) Examples of nanocarriers surface ligands and therapeutic agents used for cancer diagnosis or treatment

Surface of nanoparticles can be easily modified, allowing to direct nanocarriers to specific cancer cells with action mechanism based on expressive molecules in the surface of the tumor, which result in active directing of these particles (Figure 1A). Molecules such as antibodies, peptides and RNA aptamers, and others (Figure 1B) are widely used to direct nanoparticles.[5] Still, the use of these nanostructure has a variety of advantages in relation to free administration of medication, and one of these advantages are: (i) protection of medication against degradation in the organism, (ii) better absorption of the drug in tumor tissue, and (iii) change in the medication’s pharmacokinetic, among others.

Currently, a number of nanoparticles have been approved by the US Food and Drug Administration (FDA)[6-14] (Figure 2), which accumulate in solid tumors because of the EPR effect.[2,3]Among approved ones, the highlighted are liposomal doxorubicin, the Doxil®, which was the one of the first medication based on nanotechnology approved by FDA.[6] Another example is the Abraxane®, the paclitaxel, a chemotherapy drug, which is efficiently associated with nanoparticle called albumin. This formulation was approved by FDA in 2005 for breast cancer treatment, and in 2013 to treat pancreas cancer.[11-14] Other examples of these nanostructured medicines to treat and diagnose cancer are shown in timeline in the figure 2.

Figure 2

Timeline with some examples of nanoparticles approved by Food and Drug Administration.(6-14) Doxil® is the liposomal doxorubicin formulation; Feridex® includes superparamagnetic iron nanoparticles associated with dextran, DaunoXome® is the liposomal daunorubicin, Mylotarg® has gemtuzumab ozogamicin molecules bonded to monoclonal antibody, Zevalin® includes mouse monoclonal antibody IgG1 with tiuxetan chelator associated with radioactive isotope Yttrium-90, Abraxane® has paclitaxel bonded to albumin; Oncaspar® is the modified version of the L-asparaginase enzyme, and Ontak® includes the fusion protein denileukin diftitox

Literature has several epidemiologic studies and pre-clinical tests showing the great potential of new medications either synthetic and from natural-source compounds against cancer (Table 1). These new macromolecules include peptides, proteins, oligonucleotides, plasmids and, more recently, inhibition of specific expression of gene silencing by RNA interference[3,15-17] (Figure 1B). However, despite the great advances in science and technology to obtain new medications, pioneer pharmaceutical companies are stopping the production of new synthetic drugs to produce generic drugs, particularly after these medications patent have expired. The development of new medications is costly, particularly the synthetic routes.[3] This scenario creates the need of presenting conventional chemotherapy drugs in new formulations which can be a new delivery system or development of new use for the existing medications, such as the case of chloroquine and their analogues, which are used for malaria treatment. And, currently, they are on trial for treatment of several types of cancer.[18]

Table 1

Therapeutic nanoparticles under clinical trials

Phase	Nanodrug	Type of cancer	Patients (n)	Start date	End date	Country	Study ID number
IV	Pegylated liposomal doxorubicin (Doxil®)	Ovary cancer	58	November 2004	January 2008	Russia	NCT00727961
I/II	Gemzar® mix with compound Glycyrrhizin Injection	Pancreas cancer	60 (estimative)	May 2015	Ongoing	United States	NCT02449135
II	Cyclodextrin-containing camptothecin	Lung cancer (recurrent)	156 (estimative)	February 2013	Ongoing	United States	NCT01803269
-	Cyclodextrin-containing camptothecin	Metastatic stomach, gastroesophageal, or esophageal cancer	10	June 2012	June 2015	United States	NCT01612546
IV	Polymeric micelle containing paclitaxel	Breast cancer (recurrent)	90 (estimative)	May 2009	Ongoing	South Korea	NCT00912639
II	Magnesium oxide nanoparticles	Breast cancer	288	September 2011	August 2013	United States	NCT01439945
II	PEG-Irinotecan (NKTR 102)	Lung cancer	38 (estimative)	August 2013	Ongoing	United States	NCT01876446
I/II	Lipid nanoparticles containing siRNA	Liver cancer	72 (estimative)	December 2014	Ongoing	United States	NCT02314052
II	Block copolymer vaccine containing peptides	Melanoma	48	March 1998	November 2002	United States	NCT00003274

PEG: polyethylene glycol.

This review discusses some scientific advances related with the use of nanoparticles for cancer diagnosis and treatment. We performed the search in PubMed and Web of Science. The keywords used were “nano” AND “cancer” combined with “FDA approved” and the ‘search’ all fields. We included only articles written in English. We selected study based on number of citations and/or year of publication.

Nanomedicines for cancer: state-of-the-art

One of the basics of nanomedicine is to delivery medications in a specific and efficient way to the site of the disease. In general, this can be achieved by different ways of administration, such as oral, nasal, transdermal, intravenous, among others. In many cases, however, the efficacy of the medication can be improved and side effects reduced by encapsulation or association to some type of nanoparticle. The main nanoparticles described in the literature are iron oxide, gold, polymeric, liposomes, micelles, fullerenes, carbon nanotubes, graphene, dendrimers, quantum dots, nanodiamonds, among others. Some examples of these nanocarriers are described in figure 1B.[2,3,19,20] Next, we describe the main nanoparticles study for carrier and controlled release of medication as well as a brief report of nanocarriers current status of clinical development.

Polymeric nanoparticles are the most study particles for carrier a number of therapeutic molecules particles because of their excellent biocompatibility and biodegradability, in addition of not being toxic and non-immunogenic. They constitute a diverse class of nanocarriers because depend on the polymer that constitute them and on their surface load, they present different proprieties. Several synthetic polymers including poly (lactic acid), poly (lactic-co-glycolic acid) or polyethyleneimine, or natural, such as chitosan, collagen, gelatin or albumin, which are used to produce polymeric nanoparticles.[21,22] One of the first studies on the use of polymeric nanoparticles for the use of cancer was reported in 1979 when Couvreur et al. developed a simple method to produce nanoparticles of poly (alkyl cyanoacrylate).[23] Since then, nanoparticles of this polymer are intensively studied for carrier and delivery of a variety of anticancer drugs.[24] Their study definitely contribute for the development of doxorubicin nanoparticles, which is current in phase III clinical trial.[25] In addition, albumin nanoparticles (Abraxane®) have been approved by FDA for chemotherapy transportation for different types of cancer treatment.[11,14]

Amphiphilic carriers also have biologic attractive proprieties as biocompatibility, biodegradability and drug isolation of the surrounding medium, and the ability of carrier both hydrophilic and hydrophobic drugs. Liposomes, polymeric vesicles and micelles belong to the class of amphiphilic carriers (Figure 1B). Formation of liposomes results of the self-assembly of lipid molecules in aqueous solution, and they are simply closed bilayers that delimitate an internal aqueous compartment. Liposomes were the first nanocarriers approved by regulatory agencies for carrier several chemotherapeutic agents.[26,27] As already described here, the first formulation of liposomes to be approved in the market was the Doxil® in 1955 for treatment of Kaposi sarcoma associated with AIDS. Other formation of liposomes for cancer treatment are also available in the market, such as the DaunoXome®.[7]

Polymeric vesicles, also known as polymersomes, have a similar architecture to liposomes, since they are composed of synthetic amphiphilic polymers that have similar structure of lipids.[28] However, we did not find any study in the literature describing clinical studies for this type of structure. Furthermore, micelles are molecular aggregates that have both hydrophilic and hydrophobic structural regions that are dynamically and spontaneously associated in aqueous solution up to a specific critical concentration. Micelles have been successful used as transporters of hydrophobic drugs.[29] An example is the approval by FDA of the Genexol-PM for breast cancer treatment.[30]

Still, there is a number of technologies involved in the development of nanocarrier including in its chemical, physical and biological properties. For example, vectors that overcome biologic barriers, targets for cancer, releasing for the brain, combination of potential targets with antibodies with technologies and nanoparticles. However, despite several efforts towards nanocarriers, to choose the most adequate nanocarrier is not obvious for a variety of reasons that can simultaneously affect the biodistribution and target of nanocarriers. Oncologists in the near future should have specific combinations of nanocarriers and target molecules - similar to the strategies of chemotherapy combination that can be personalized to improve treatment against cancer - that will contribute to improve therapeutic results and reduce costs. These combinations will represent an important modality for cancer diagnosis and treatment.

INTRODUÇÃO

Apesar de as drogas quimioterápicas serem tóxicas contra células cancerosas, apresentam baixa especificidade e elevada toxicidade, sendo tóxicas para células saudáveis. Isso acontece porque os fármacos, em geral, são moléculas pequenas o suficiente para atravessarem o endotélio em quase todas as regiões do organismo após administrados sistematicamente, chegando tanto às regiões alvo quanto a outras regiões que não estão relacionadas à doença, originando muito dos efeitos adversos dos medicamentos. Uma possível estratégia, que visa melhorar a eficácia terapêutica dos quimioterápicos e diminuir seus efeitos adversos, consiste na utilização de sistemas coloidais nanoparticulados. Uma vez que estes fármacos encontram-se encapsulados dentro de nanopartículas de 50 a 800nm, eles não são capazes de atravessar a parede dos vasos de regiões sadias do organismo (o espaço entre essas células é de apenas 15 a 30nm), ao contrário do que acontece em regiões inflamadas ou mesmo aquelas onde estão os tumores, nas quais células endoteliais estão menos unidas entre si que aquelas de regiões sadias, resultando num acúmulo de nanopartículas no tecido tumoral vizinho ao vaso sanguíneo[1-3](Figura 1A). Esta estratégia de vetorização é conhecida como efeito Enhanced Permeability and Retection (EPR).[4]

Figura 1

Nanocarreadores no tratamento de câncer. (A) Nanocarreadores podem acumular no tumor por um mecanismo passivo, conhecido como efeito Enhanced Permeability and Retection, devido à permeabilidade vascular aumentada na região tumoral. Adicionalmente, o mecanismo ativo também aumenta a captação de nanopartículas pelas células tumorais. Esse mecanismo consiste na modificação da superfície dos nanocarreadores com moléculas que podem ser reconhecidas especificamente por receptores proteicos presentes na superfície da membrana celular. (B) Exemplos de nanocarreadores, ligantes de superfícies e agentes terapêuticos utilizados para diagnóstico ou terapia de câncer

Além disso, a superfície das nanopartículas pode ser facilmente alterada, de modo a direcionar o nanocarreador especificamente para células cancerosas, com mecanismo de ação baseado nas moléculas expressas na superfície celular do tumor, resultando num direcionamento ativo dessas partículas (Figura 1A). Moléculas como anticorpos, peptídeos e aptâmeros de RNA, dentre outras (Figura 1B) são as bastantes utilizadas para esse fim.[5] Ainda, a utilização dessas nanoestruturas apresenta outras inúmeras vantagens em relação à administração da droga livre, e algumas destas vantagens são: (i) proteção do fármaco contra a degradação no organismo; (ii) melhor absorção da droga no tecido tumoral; e (iii) alteração da farmacocinética de drogas, dentre outras.

Hoje existem várias nanopartículas aprovadas pelo US Food and Drug Administration (FDA)[6-14] (Figura 2), que se acumulam em tumores sólidos por conta do efeito EPR.[2,3]Dentre essas, destaca-se a formulação lipossomal de doxorrubicina, a Doxil®, que foi um dos primeiros medicamentos baseados em nanotecnologia aprovados pelo FDA.[6] Outro exemplo de produto no mercado é o Abraxane®, no qual o quimioterápico paclitaxel encontra-se eficientemente associado à nanopartícula de albumina. Esta formulação foi aprovada pelo FDA, em 2005, para o tratamento de câncer de mama e para câncer de pâncreas, em 2013.[11-14] Outros exemplos desses medicamentos nanoestruturados para tratamento ou diagnóstico de câncer estão mostrados na linha do tempo da figura 2.

Figura 2

Linha do tempo com alguns exemplos de nanopartículas de acordo com a data de aprovação clínica pelo Food and Drug Administration.(6-14) Doxil® é uma formulação lipossomal de doxorrubicina; Feridex® consiste em nanopartículas superparamagnéticas de ferro associadas à dextrana; DaunoXome® é uma formulação lipossomal de daunorrubicina; Mylotarg® se trata de moléculas de gentuzumabe ozogamicina ligada à um anticorpo monoclonal; Zevalin® consiste em um anticorpo monoclonal IgG1 de camundongo com o quelante tiuxetan associado ao isótopo radioativo ítrio-90; Abraxane® apresenta paclitaxel ligado à albumina; Oncaspar® é a versão modificada da enzima L-asparaginase; e Ontak® consiste em proteína fusionada chamada denileukin diftitox

Existem muitos estudos epidemiológicos e testes pré-clínicos presentes na literatura, que revelam um grande potencial de novos fármacos, sejam sintéticos ou de fontes naturais, no combate ao câncer (Tabela 1). Essas novas macromoléculas incluem peptídeos, proteínas, oligonucleotídeos, plasmídeos e, mais recentemente, inibidores de expressão específica de genes por silenciamento de RNA de interferência[3,15-17] (Figura 1B). Porém, apesar do grande avanço na ciência e na tecnologia envolvida na obtenção de novos fármacos, têm-se observado, no cenário mundial de medicamentos, que companhias farmacêuticas pioneiras têm deixado de comercializar novos fármacos sintéticos para produzirem produtos genéricos, conforme suas patentes expiram, já que o desenvolvimento de novos fármacos está relacionado aos altos custos, principalmente em rotas sintéticas.[3] Este cenário cria a necessidade de apresentar agentes quimioterápicos clássicos sob novas formas, que podem ser um novo sistemas de entrega ou o desenvolvimento de uma nova utilização para as drogas clássicas existentes, como é o caso da cloroquina e seus análogos, que são utilizadas para tratamento de malária e, agora, estão sendo testadas no tratamento de diversos tipos de câncer.[18]

Tabela 1

Algumas nanopartículas terapêuticas que se encontram em ensaio clínico

Fase	Nanodroga	Tipo de câncer	Pacientes (n)	Início	Fim	País	Número de identificação do estudo
IV	Doxorrubicina lipossomal peguilada (Doxil®)	Ovário	58	Novembro de 2004	Janeiro 2008	Rússia	NCT00727961
I/II	Gemzar® misturado com injeção de Glycyrrhizin	Pâncreas	60 (estimado)	Maio de 2015	Em andamento	Estados Unidos	NCT02449135
II	Ciclodextrina contendo camptotecina	Pulmão (recorrente)	156 (estimado)	Fevereiro de 2013	Em andamento	Estados Unidos	NCT01803269
-	Ciclodextrina contendo camptotecina	Estômago, gastresofágico ou esofágico (metastático)	10	Junho de 2012	Junho 2015	Estados Unidos	NCT01612546
IV	Micelas poliméricas contendo paclitaxel	Mama (recorrente)	90 (estimado)	Maio de 2009	Em andamento	Coreia do Sul	NCT00912639
II	Nanopartículas de óxido de magnésio	Mama	288	Setembro de 2011	Agosto 2013	Estados Unidos	NCT01439945
II	PEG-Irinotecan (NKTR 102)	Pulmão	38 (estimado)	Agosto de 2013	Em andamento	Estados Unidos	NCT01876446
I/II	Nanopartículas lipídicas contendo siRNA	Fígado	72 (estimado)	Dezembro de 2014	Em andamento	Estados Unidos	NCT02314052
II	Vacina de copolímeros em bloco contendo peptídeo	Melanoma	48	Março de 1998	Novembro 2002	Estados Unidos	NCT00003274

PEG: polietileno glicol.

O objetivo desta revisão foi discutir alguns avanços científicos relacionados ao uso de nanopartículas no diagnóstico e/ou tratamento de câncer. Para isso, bases eletrônicas, como PubMed e Web of Science, foram consultadas, usando as palavras-chave “nano”ANDcancer”, ou combinada com a palavra “FDA approved” no texto inteiro. A busca se limitou a artigos escritos em inglês. No caso dos artigos de revisão citados aqui, a escolha foi baseada no número de citações e/ou ano de publicação.

Nanomedicina em câncer: o estado da arte

Um dos objetivos básicos da Nanomedicina é entregar o fármaco de forma específica e eficiente ao local da doença. Em geral, isso pode ser conseguido por diferentes vias de administração, como oral, nasal, transdérmica, endovenosa, entre outras. Em muitos casos, entretanto, a eficácia da droga pode ser melhorada, e os efeitos colaterais, reduzidos, encapsulando-o ou associando-o a algum tipo de nanopartículas. As principais nanopartículas descritas na literatura são de óxido de ferro, ouro, poliméricas, lipossomos, micelas, fulerenos, nanotubos de carbono, grafeno, dendrímeros, quantum dots, nanodiamantes, dentre outras. Alguns exemplos destes nanocarreadores estão ilustrados na figura 1B.[2,3,19,20] A seguir, são descritas as principais nanopartículas estudadas para o carreamento e a liberação controlada de droga, bem como um breve relato de seu estágio atual de desenvolvimento clínico.

As nanopartículas poliméricas são as partículas mais estudadas para o carreamento de diversos tipos de moléculas terapêuticas, devido à sua excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, além de serem não tóxicas e não imunogênicas. Trata-se de uma classe diversa de nanocarreadores, porque, dependendo do polímero que as constitui e da carga em sua superfície, elas terão propriedades diferentes. Diversos polímeros sintéticos, incluindo poli (ácido lático), poli (ácido lático-co-glicólico) ou polietilenoimina, ou naturais, como quitosana, colágeno, gelatina ou albumina, são utilizados para a produção de nanopartículas poliméricas.[21,22]Um dos primeiros relatos da utilização de nanopartículas poliméricas para o tratamento de câncer foi em 1979 quando Couvreur et al. desenvolveram um método simples para a produção de nanopartículas de poli (alquil-cianoacrilato).[23] Desde então, nanopartículas desse polímero são intensivamente estudadas para o carreamento e a liberação de diversas drogas anticancerígenas.[24] Esse trabalho contribuiu definitivamente para o desenvolvimento de nanopartículas de doxorrubicina, atualmente em fase de estudo clínico III.[25] Além disso, nanopartículas de albumina (Abraxane®) já são aprovadas pelo FDA para veiculação de quimioterápicos para o tratamento de diversos tipos de cânceres.[11,14]

Os carreadores anfifílicos também possuem propriedades biológicas atrativas, como biocompatibilidade, biodegradabilidade e isolamento de drogas do meio circundante, e a capacidade de carrear tanto drogas hidrofílicas quanto hidrofóbicas. Lipossomos, vesículas poliméricas e micelas pertencem à classe de carreadores anfifílicos (Figura 1B). A formação de lipossomos resulta da autoassociação de moléculas lipídicas em solução aquosa, e nada mais são do que bicamadas fechadas que delimitam um compartimento aquoso interno. Os lipossomos foram os primeiros nanocarreadores aprovados pelas agências reguladoras para carrear uma série de quimioterápicos.[26,27] Como já descrito aqui, a primeira formulação lipossomal a ser introduzida no mercado foi a Doxil®, em 1995,[6] para o tratamento do sarcoma de Kaposi associado à AIDS. Outras formulações lipossomais para tratamento do câncer estão também no mercado, como o DaunoXome®.[7]

As vesículas poliméricas, também conhecidas como polimersomos, possuem uma arquitetura semelhante à dos lipossomos, pois são constituídas de polímeros anfifílicos sintéticos, estrutura similar à dos lipídeos.[28] No entanto, não foi encontrado nenhum artigo na literatura que descrevesse estudos clínicos para este tipo de estrutura. Já as micelas são agregados moleculares que possuem ambas as regiões estruturais hidrofílica e hidrofóbica, que, dinamicamente e espontaneamente, associam-se em solução aquosa a partir de certa concentração crítica. As micelas têm sido utilizadas com sucesso como transportadores de drogas hidrofóbicas.[29] Por exemplo, Genexol-PM foi aprovada pelo FDA para tratamento de câncer de mama.[30]

Ainda existe uma série de tecnologias envolvidas no desenvolvimento de um nanocarreador, tanto em sua química, como sua física e sua biologia. Por exemplo, vetores que superam barreiras biológicas, alvos para câncer, liberação para o cérebro, combinação do potencial de alvos com anticorpos com tecnologia e nanopartículas. No entanto, apesar de diversos esforços direcionados na área de nanocarreadores, a escolha do nanocarreador mais adequado não é óbvia, pois vários fatores podem simultaneamente afetar a biodistribuição e o alvo dos nanocarreadores. Semelhantemente às estratégias de combinação de quimioterápicos, que podem ser personalizadas para otimizar o tratamento contra o câncer, os oncologistas, em um futuro próximo, devem contar com combinações específicas de nanocarreadores e moléculas alvo, que, certamente contribuiriam na melhora dos resultados terapêuticos e nos custos reduzidos, representando uma modalidade importante na terapêutica e de diagnóstico de câncer.