ゼブラフィッシュ：ナノテクノロジーを介した神経特異的ドラッグデリバリーのための有望なリアルタイムモデルシステム

はじめに

ドラッグデリバリーとは、治療目的で化合物を体内に移動させる方法を指します。これらの化合物は、本質的に主に医薬品であり、特定の病状に対してインビボで特定の細胞集団を標的としている。ドラッグデリバリーという用語には、剤形と投与経路という2つの主要なアイデアが含まれます[1]。適切な薬物送達は、薬物の放出、細胞による吸収、およびシステム内での正しい分布を調節することにより、効率的な薬物活性を保証します[2]。いくつかの一般的な薬物送達経路には、経腸（胃腸管）、非経口（注射による）、吸入（嗅覚媒介）、経皮（真皮による）、局所（皮膚による）および経口経路（食道による）が含まれます[3]。薬物の送達は、治療の分野において重要であり、非常に重要です。選択した方法は、システムに対して最も効果的であり、毒性も最も低いものでなければなりません[4]。問題の臓器が脳である場合、問題はさらに大きくなります。脳への薬物の送達は、何十年にもわたって研究者の間で苦労してきました[5、6]。効果的な技術の開発には、無数の技術やアイデアが使用されてきました[7、8]。それでも、成功はそれほど近くないようです。この闘争の最大のハードルは、血液脳関門（BBB）を越える能力です。 BBBは、血液から脳に移動する化合物から脳を保護するための生理学的障壁です[9]。バリアの自然な構成により、血流中の非常に小さな分子だけが脳にアクセスできるようになります[10]。分子量が400Da未満の分子や脂溶性の分子は、脳に浸透する能力があります[11]。神経特異的薬物は、BBB全体に効果的な薬物送達を行うためにこれらのパラメーターを満たさなければなりません。現在、脳を標的とするために開発された薬剤のほとんどは、BBBを通過するのに成功していません[9、12、13]。中枢神経系の病気は、人生のすべての段階で数人に影響を与える最も一般的な病気のいくつかです。しかし、これらの疾患は依然として最も治療されていない[14]。脳を標的とした既存の薬物の成功率は非常に低いため、新しい神経特異的薬物送達技術が緊急に必要とされています。 BBBの制限された透過性とは別に、脳の複雑さと既存のドラッグデリバリー技術によって引き起こされる副作用にも注意を払う必要があります[15]。神経特異的薬物の効率的な送達のための絶対的な方法の欠如は、この分野での効果的な薬物開発を妨げてきた。研究コミュニティは、安全で標的を絞った薬を脳に届けるためのさまざまな方法を模索してきました。最大の効果を確実にするために、高分子からナノ粒子への変換が検討されています[16]。

ナノテクノロジーは、脳のドラッグデリバリーに関する研究への急成長の影響により、科学界の関心をますます獲得しています[17]。ナノテクノロジーの成長に伴い、ナノ毒性分野も同時に拡大しています。ナノ粒子の毒性評価は、個々の種および環境全体に対するナノ粒子の影響を分析する上で極めて重要な役割を果たします[18]。近年、毒性研究のプロトタイプとしてゼブラフィッシュの適用が見られています[19]。ゼブラフィッシュは実験生物学の研究に広く使用されており、現在、ナノ毒性を研究するための堅牢なモデルシステムとして進化しています[20]。ナノ毒性のモデルシステムに関して、ゼブラフィッシュにはいくつかの利点があります。実験動物として使用するのは非常に経済的であり、維持が容易です。繁殖率が高く、入手しやすく、脊椎動物の生理機能をより簡単に理解するのに役立ちます[21]。ただし、モデルシステムとしてゼブラフィッシュを使用することにも限界があります。何よりもまず、ゼブラフィッシュの神経系は、人間の神経系ほど複雑で発達していない可能性があります。齧歯類とネズミの神経系は比較的よく発達しており、複雑な人間の脳の病気を研究するために使用することができます。しかし、それらは人間のものと同一ではありません[22]。第二に、ゼブラフィッシュは、肺、前立腺、乳腺などの人間に見られるいくつかの器官系を欠いています。また、ゼブラフィッシュに存在しない遺伝子によって引き起こされる病気は研究できません[23]。しかし、ゼブラフィッシュは、ヒトゲノムと70％のゲノム類似性、およびヒト疾患の原因遺伝子と84％の相同性を共有しているため、ヒト疾患の病理を模倣するのに非常に適しています[24]。成体のゼブラフィッシュは、以前は肝臓のマクロファージを欠いていると仮定されていました。クッパー細胞は、初期胚段階では一過性にのみ存在し、発達の後期段階では存在しないかまばらであると見なされていました[25、26、27]。しかし、最近の研究では、クッパー細胞の造血起源と、ゼブラフィッシュがクッパー細胞の研究にも適している成体のゼブラフィッシュ肝臓でもその持続性が示されています[28、29]。さらに、高等脊椎動物モデルは、ゼブラフィッシュよりも高い精度で複雑な人間の病理を模倣することが期待されます。最近、動物モデルから入手可能なデータへの依存とそれらの人間への外挿についての議論が始まった[30]。これは、臨床研究に適用した場合、どの動物モデルにも独自の制限があるという事実を示しています[30、31]。

このレビューでは、モデルシステムとしてゼブラフィッシュを使用した、特に脳へのナノテクノロジーを介したドラッグデリバリーに関する最新の研究について説明します。それは、BBBのハードルとさまざまなナノドラッグの最適化、それらの毒性評価、およびゼブラフィッシュの胚と成体の両方を使用する神経変性疾患の治療法としての影響をまとめたものです。最後に、このレビューは、神経特異的ドラッグデリバリーのためのゼブラフィッシュモデルの長所と短所を強調し、将来のトランスレーショナルリサーチのためにそれが持つ広大な範囲を明らかにします。

血液脳関門：神経特異的ドラッグデリバリーの主な障害

BBBは、脳への物質の侵入を制限することを保証します。したがって、拡散バリアとして機能し、正常な脳の恒常性を維持するのに役立ちます[32]。 BBBの複合構造の構成にはいくつかの細胞が関与しています[33]。周皮細胞、星状細胞およびニューロンは細胞成分を構成し、内皮細胞、密着結合および基底膜は一緒にBBBを構成します[34]。脳の内皮細胞に開窓がないため、小分子が表面全体に拡散することはありません。水溶性物質でさえ、密着結合、接着結合、ギャップ結合などの内皮細胞をつなぐ内皮間接合の存在によって脳への侵入を妨げられます[35]。これらの内皮細胞は、BBBの構造を完成させる周皮細胞、星状細胞、基底膜に囲まれています[36]。接着結合と密着結合は、内皮細胞層の透過性を調節します。ギャップ結合はコネキシン分子で構成されており、内皮細胞間のコミュニケーションを制御します[37]。分子は、傍細胞経路または経細胞経路の2つの経路を介してBBBを通過できます[38]。傍細胞経路では、イオンと分子は、濃度勾配を使用して細胞間で受動的に拡散することにより、BBBを通過します[39]。経細胞経路は、細胞を通過する分子の通過のために、トランスサイトーシスや受容体を介した輸送などのさまざまなメカニズムの使用を採用しています[40]。いくつかのパラメータがBBBの透過性に影響を与えます。分子量、表面の電荷、表面活性、分子の溶解度、および分子の相対的なサイズは、BBBの透過性に影響を与えます[41]。

血液脳関門：ドラッグデリバリーのための最新技術

健康な脳の血液脳関門（BBB）は、主に正常な脳機能を保護するための拡散バリアとして機能します。ほとんどの化合物が血液から脳に移動するのを防ぎます。ストリンジェントなBBBは、非常に小さな分子だけが脳に入るのを許します。ただし、病状によって混乱することが観察されています。

ナノ粒子が神経特異的ドラッグデリバリーの現在の選択肢である理由

分子レベルで材料を設計および合成する技術は、ナノテクノロジーと呼ばれます。 National Nanotechnology Instituteは、ナノテクノロジーを、少なくとも1つの次元に存在し、サイズが1〜100 nmの範囲にある任意の材料と定義しています（図1）。過去10年間で、ナノテクノロジーの分野とその生物医学分野での応用がブームになりました。ナノテクノロジーベースのドラッグデリバリーは、バイオテクノロジーおよび製薬業界全体を刺激し、今後数年間でこの分野に大きな変化をもたらすと考えられています[42、43、44、45、46、47]。ナノテクノロジーの応用は、標的化ドラッグデリバリーにおいていくつかの利点を約束します。これらには、（a）水溶性の低い薬物をそれぞれの標的部位に送達する能力、（b）併用療法を達成するための2つ以上のタイプ、（c）特定の作用部位での標的化送達、（d）厳しい障壁、すなわち血液脳関門を越えた薬物、（e）薬物活動のより良い理解と分析のための視覚化の機会[48]および（f）薬物活動のモードで完全な有効性を達成するためのリアルタイム追跡機能[44]。したがって、ナノテクノロジー技術は神経特異的治療法に大きな可能性を秘めています。

神経特異的薬物の特徴。 BBBは通常、星状細胞、周皮細胞、ニューロンに囲まれた内皮細胞の密着結合で構成されています。神経特異的分子は、血液脳関門（BBB）を通過できるようにするための特定の特性を備えている必要があります。好ましい特性は次のとおりです。直径が100nm未満、低分子量が好ましくは400 Da未満の非常に小さいサイズは、正に帯電し、形状が球形で、脂溶性である必要があります

神経特異的ドラッグデリバリーのモデルとしてのゼブラフィッシュ

ダニオレリオ （ゼブラフィッシュ）は、発達研究および変性疾患の研究を調査するための実証された脊椎動物モデルです[49,50,51,52]。これは、基礎および毒物学的分析から前臨床研究まで、広範囲にわたる分析のためにモデル化することができます[53,54,55]。ゼブラフィッシュが提供するいくつかの利点のうち、費用対効果の高いメンテナンス、簡単なハウジング要件での簡単なテスト、および大きなクラッチサイズは、ハイスループットテストに非常に適しています[56]。高い繁殖力は、このモデルシステムの使用をさらに強調する独特の特徴です[24、57]。ゼブラフィッシュの器官系は、高等脊椎動物の器官系に高度に保存されています[58]。

ゼブラフィッシュの胚は外部に発達しており、完全に透明であるため、視覚的に広範囲に研究することができます。したがって、これらは、正常な成長、発達、および細胞周期を妨害する薬剤を使用して分析をスクリーニングするための優れたツールです[59]。それらは、主要な構造のエピボリーから最終的な開発に至るまでの徹底的な開発パターンを示しています[60、61]。ゼブラフィッシュは現在、神経精神医学の研究や、ナノ粒子を介したドラッグデリバリーにおける発生毒性を分析するためのさまざまな研究に広く使用されています。ゼブラフィッシュを金ナノ粒子に曝露すると、単純な光学顕微鏡で観察されるように、正常な眼の発達と色素沈着が妨げられました[62、63]。ゼブラフィッシュに金ナノ粒子を投与すると、遺伝子毒性の影響とゲノム構成の深刻な変化が生じました[64]。シリカNPの用量依存性および時間依存性毒性は、心血管系[65、66]および死亡率[67]への影響を分析することによって決定されました。また、キトサンNPは、通常のキトサンと比較して高い適合性を持っていることがわかりました[68]。

臨床的介入に使用されるナノ粒子は、生分解性で無毒でなければならないことが絶対に不可欠です。ナノ粒子は、標的化ドラッグデリバリーおよびトランスレーショナルリサーチの分野で大きな可能性を秘めています。ナノ粒子の使用は、invivoアプリケーションを含むますます多くの分野に適用されています。ナノ粒子の使用のこの大幅な増加は、これらのナノキャリアが人間に過度にさらされるという潜在的な危険性を示唆しています。ナノ粒子の毒性研究は、ナノテクノロジーの不可欠な部分です。ナノ粒子の細胞レベルおよび分子レベルでの相互作用に焦点を当てた研究は、臨床的に使用する前に毒性を分析するために実施する必要があります。表1は、ゼブラフィッシュを使用した脳標的化ドラッグデリバリーに使用される多様なナノキャリアの神経毒性研究をまとめたものです。ナノ粒子の毒性には、毒性、透過性、死亡率、誘発された催奇形性、免疫反応、およびゲノム毒性の分析が含まれます。

ゼブラフィッシュは、ナノ粒子の毒性と生体適合性を評価するためのモデルシステムとして広く使用されており[111,112,113]、ナノ粒子の神経毒性とハイスループットスクリーニングを研究するためのモデルとして大きな可能性を秘めています[114,115,116,117]。ゼブラフィッシュ以外のモデルは、そのような分析にこれほど適切に適していません。このモデルシステムは、ナノマテリアルの毒性から生じるリスクを研究、分析、管理するために使用できます。得られた情報は、ナノテクノロジー関連製品を扱う際に、特定のガイドラインを策定し、保護対策を組み立て、品質管理を行うのに役立ちます[118、119]。

ゼブラフィッシュ胚を使用したナノ粒子を介したドラッグデリバリーに関する洞察

脳を標的とするためにナノ粒子を使用するためには、invivoでのそれらの効果に関する事前の知識が不可欠です。ゼブラフィッシュモデルは、この目的に最適です。最近の研究は、ゼブラフィッシュの幼生の孵化への重要な洞察を得るためにナノ粒子を使用して実施されました。 TiO ₂ の使用 ナノ粒子は、用量依存的に幼虫の早期孵化を誘発します[120]。 Chen etal。 TiO ₂ ナノ粒子は幼虫の遊泳行動に影響を及ぼし、速度と活動レベルの両方に影響を及ぼします[121]。一方、Ong etal。ナノ粒子への曝露による幼虫の孵化と胚死の完全な抑制を報告した。彼らはさらに、胚の死因は、ナノ粒子の物理化学的特性の影響ではなく、ナノ粒子と胚との物理的相互作用であると付け加えた[122]。ゼブラフィッシュの幼生がTiO ₂ にさらされると、甲状腺内分泌系の破壊も観察されています。 ナノ粒子[123]。鉛の蓄積がこの悪影響の原因であるとされています。 TiO ₂ ナノ粒子は、BDNF、C-fos、C-junの発現レベルを大幅に活性化することも報告されています。逆に、p38、NGF、CREなどの遺伝子に抑制効果があり、ゼブラフィッシュの脳に損傷を与えることもわかっています[124]。 TiO ₂ ナノ粒子はまた、魚の繁殖能力に悪影響を及ぼし、放出される卵の数を9.5％減少させることが示されています[125]。 Vogt etal。さらに、受精後24〜48時間でゼブラフィッシュの胚に添加した場合の小分子BCIの化学的毒性が報告されています[126]。アリとレグラーら。低用量でも胚にノニルフェノールナノ粒子誘発性奇形を示した[127]。 Usenko etal。評価されたカーボンフラーレン[C ₆₀ 、C ₇₀ 、およびC ₆₀ （OH） ₂₄ ]ゼブラフィッシュの胚を使用して誘発された毒性[128]、一方、Daroczietal。電離放射線からの同じナノ材料の保護の可能性を列挙した[129]。 C ₆₀ の神経保護効果 ゼブラフィッシュの胚に含まれるフラーレン誘導体であるデンドロフラーレンナノ粒子（DF-1）も、その毒性を評価することで報告されています[129]。魚の胚にシリカナノ粒子を投与すると死亡率が上昇し[67]、ZnOナノ粒子は死亡率を増加させ、孵化を遅らせて皮膚潰瘍を引き起こしました[82]。免疫系を調節する遺伝子に対する水性ナノ粒子の曝露の影響は、Brunらによって最初に報告されました。 [130]。この研究は、生物学的毒性の指標としての分子応答の重要性を強調しています。癌細胞が移植され、ポリマーソームナノ粒子にさらされたゼブラフィッシュの胚は、ナノ粒子の毒性と治療戦略を理解するためにリアルタイムで画像化されています[131]。

興味深いことに、さまざまな発達段階のゼブラフィッシュ胚を使用したバイオイメージングにより、コール酸ナトリウムがクラスター化されたAgナノ粒子の毒性作用が明らかになりました[132、133]。この研究は、Agナノ粒子から生じる毒性が魚の鰓とラメリの発達に影響を与えることを示しているため、非常に重要です[134]。この抑制効果は、主に鰓内のAgイオンの相互作用によって引き起こされ、Na + / K + ATPase活性をブロックします[135、136]。さらに、Cuナノ粒子は魚の鰓の成長に対して同様の抑制効果があることが報告されています[76]。幼虫に銅ナノ粒子を使用すると、奇形と孵化の遅れが生じました[69、76]。金ナノ粒子の適用は幼虫に毒性の影響を与えませんでしたが[69]、銀ナノ粒子は発育に影響を及ぼしました[137]。亜鉛、マグネシウム、鉄、銅、ニッケルでできたナノ粒子は成虫に毒性はありませんでしたが、幼虫では孵化の遅れが観察されています[78、79、81、82、138]。有機化合物フラーレンのナノ粒子は、200 mg / L未満の濃度で幼虫に対して無毒であることが示されています[139]。さらに、キトサンのナノ粒子は、通常のキトサン粒子と比較してはるかに効果的で無毒であることが示されました[68]。

TiO ₂ のような金属酸化物ナノ粒子 ゼブラフィッシュの幼生にいくつかの発達奇形を誘発することが報告されていますが[120]、完全に無毒であると報告する人もいます[140,141]。ここで重要なパラメータは、線量と曝露時間です。高用量のTiO ₂ NPは幼虫にとって致命的であり、鰓、心臓、肝臓、脳にNPが蓄積することが証明されています[141、142]。遺伝子毒性の影響は、高用量のTiO ₂ への曝露の結果でもあります。 魚に[143]。低濃度（<4 mg / L）のTiO ₂ への慢性暴露 NPは毒性を低下させ、死亡率を上昇させます[142]。考慮すべきナノ粒子のもう1つの重要な特徴は、ナノ粒子の形状とその表面のタンパク質です。 ZnO NPの粒子柱六方晶はゼブラフィッシュの細胞周期に影響を与えましたが[144]、葉の形をしてポリマーでコーティングされたZnO NPは、球状NPと比較して高い生体適合性を示しました[122]。さらに、ナノスティックは球体や立方体のナノ粒子よりも毒性が高いことが示されています[145]。鉄のNPは、幼虫に深刻な変形を引き起こし[146]、成虫に遺伝子毒性をもたらします[134]が、ニッケル、コバルト、アルミニウムのNPなどの金属は比較的不活性であることが証明されています[82、147]。

今日の世界でプラスチックによって引き起こされた荒廃の増加を視野に入れて、ピット等。ゼブラフィッシュへの影響を示しました。彼らは、発達中のゼブラフィッシュが水界生態系で利用可能なナノプラスチックに非常に敏感であることを観察しました。これらのナノ粒子は絨毛膜に浸透し、それらの生理学および行動反応に悲惨な影響を与える可能性があります[148]。この研究はさらに、プラスチックによって引き起こされた水中世界への迷惑を解明し、それが人間の文明に影響を与えます。研究によれば、表面積/体積比が高い非常に小さなナノ粒子は、環境から汚染物質を吸収する能力が高いことが示唆されています。化粧品へのポリスチレンナノプラスチックビーズの使用は、ゼブラフィッシュの胚への発生毒性と影響について研究されています[149]。サイズが20nm未満のポリスチレンナノプラスチックに関する別の研究では、胚の脳に蓄積することが示されています[150]。

成体ゼブラフィッシュのナノ粒子研究によって明らかにされた洞察

ナノ粒子が成体のゼブラフィッシュに及ぼす影響について、比較的広範な研究レパートリーが実施されています。脊椎動物におけるナノ粒子の使用に関する貴重な情報源として機能します。 Truong etal。金ナノ粒子への曝露により122dpfの胚で発生する行動異常を評価しました[151]。皮膚への薬物送達は、ゼブラフィッシュにナノ粒子を投与することによっても達成されています。研究者は、Ag-BSAナノ粒子がエンドサイトーシスによって皮膚に入り、そこで蓄積して皮膚の異常を引き起こすことを示しました[63]。ナノ粒子を介した薬物の送達は、ゼブラフィッシュのストレス状態を誘発して、創薬の潜在的なモデルとして機能するためにも使用されています[152]。一部のナノ粒子は、魚に喘息、アポトーシス、免疫応答の増強を誘発し、免疫毒性研究に使用できるようにすることが示されています[153,154,155,156]。ゼブラフィッシュモデルは、薬物誘発性の心毒性について広く研究されてきました[157、158]。ゼブラフィッシュの心臓は、薬物反応を含む、人間の心臓と同様の機能的特徴をいくつか示します[159,160,161,162]。ゼブラフィッシュの心臓は22hpfで最初に発達しますが、心臓血管系全体は48hpfで準備ができています[163]。ゼブラフィッシュの胚は、心拍数、律動性、収縮性、循環に対する薬物の影響を研究するために視覚化されています。ゼブラフィッシュを使用していくつかの視覚的アッセイを実施し、心臓の健康について詳しく説明しました。 QT間隔は、ほとんどの心臓薬の基礎となるパラメーターの1つです。 QT間隔は、心臓の電気サイクルにおけるQ波とT波の間の時間ギャップです。ゼブラフィッシュを使用して、QT間隔（心室活動電位の持続時間）への影響について多くの薬剤が評価されています[164,165,166]。研究の1つは、ヒトのQT間隔の延長を引き起こす薬物が実際に徐脈を引き起こし、耳介心室伝導を遮断することを報告しました[160]。ゼブラフィッシュの肝臓は48hpfで形成され、72hpfで完全に機能するようになります。このモデルシステムは、肝臓ベースのドラッグデリバリーを研究するために広く使用されています。この分野の研究により、ゼブラフィッシュが肝毒性で示す反応は、高等脊椎動物が示す反応と類似していることが明らかになりました[167]。ゼブラフィッシュは、シトクロムP450、CYP3A、およびCYP3A65のオルソログを特徴づけるために使用されてきました[168、169]。 CYP3A4、CYP2D6およびCYP3A65に対する薬物の効果を詳しく説明するために、さらなる評価が行われています[170]。ヘスペレチンナノ製剤の神経保護効果は、ゼブラフィッシュの外傷性脳損傷モデルで研究されています[171]。

ゼブラフィッシュは、神経特異的ドラッグデリバリーのための完全な病理学的研究モデルを提供します

脳に薬を届けるとき、いくつかの悪影響が起こる可能性があります。ゼブラフィッシュモデルは、これらを詳細に研究するという利点を提供し、したがって、脳への薬物送達の適切な技術を提供します[172]。催奇形性：透明なゼブラフィッシュの胚を観察することで、あらゆる種類の異常な催奇形性の成長または発達を簡単に評価できます[59]。奇形腫の形成中に観察される可能性のある重要な摂動のうち、眼の色素沈着[67]、死亡率[65]、心臓血管系の変化[68]、および孵化への影響[115]があります。免疫毒性：薬物またはナノ粒子に反応してゼブラフィッシュで発生する免疫反応について研究が行われています。これは好中球とマクロファージの蓄積につながります[173]。金ナノ粒子の使用は炎症性免疫応答を破壊することが報告されており[174]、一方、銀ナノ粒子は炎症反応を誘発することが示されています[175]。遺伝子毒性：DNAレベルで発生する変化は、リアルタイムPCR [143]および他のコメットアッセイ[134]によって観察できます。炭素ベースのNPに関する最近の研究は、主に毒性が低いため[177]、最近注目を集めています[176]。カーボンNPは、フラーレン[128]、カーボンナノ粒子、カーボンナノチューブ（CNT）[178]、グラフェンQD [179]、カーボンQD（Cドット）[180]など、ゼブラフィッシュでさまざまな形で使用されています。フラーレンなどの炭素の同素体も、1985年の発見以来、NPとして使用されてきました。これらはドラッグデリバリーアプリケーションに広く使用されています[181、182]。ゼブラフィッシュでの研究により、フラーレンNPの毒性はその表面の電荷に依存していることが明らかになりました。正に帯電したフラーレンは、負に帯電したフラーレンと比較して毒性が高かった[128]。研究によると、水溶性フラーレンは、フリーラジカルスカベンジャーとして作用することにより、細胞死から保護する能力を持っています[129、183]。最近の研究は、マルチシェルフラーレン構造であるナノタマネギを含むゼブラフィッシュで行われています。それらは、ゼブラフィッシュの幼生において低い毒性と良好な生体適合性を示します[184]。カーボンナノチューブ（CNT）は、研究者にとって魅力的なドラッグデリバリーモードである明確な物理化学的特性を備えています[176、185、186]。 CNTの効率は、単層か多層かを問わず、長さと壁の性質に依存します。報告によると、単層または多層の無垢のCNTは、ゼブラフィッシュの幼生の成長と発達に最小限の影響しか与えません[187]。 CNTの長さの変化は、分子レベルでの変化につながる可能性があり、CNTが長いほど細胞毒性が高くなります[188]。多層CNTに曝露された成体ゼブラフィッシュは、炎症性鰓[189]や、脳や性腺へのCNTの蓄積[105、190]などの毒性を示すことが示されています。炭素ベースのNPの別の形式は、量子ドット（QD）とグラフェン量子ドット（GQD）です。 QDの典型的な特徴は、直径が10 nm未満の準球形の炭素構造[191]であり、GQDの特徴は30 nm未満です[192、193]。 QDの追加機能には、フルオロフォアと組み合わせることができる独自の光安定性が含まれているため、バイオイメージングの可能性が広がります[194]。 QDは主に不活性炭素分子で構成されているため、毒性が最も低くなります[195]。したがって、蛍光発光と低毒性の組み合わせにより、ドラッグデリバリーにとって非常に魅力的なツールになります[195,196,197]。

脳に薬物を送達するために焦点を合わせたナノ粒子

ゼブラフィッシュの生理学に対するナノ粒子の作用に関する背景知識により、研究者は現在、ゼブラフィッシュモデルを使用してナノテクノロジーを介して脳に薬物を送達しようとしています。表2. Qian etal。ゼブラフィッシュの幼生を使用して神経伝達物質ドーパミンの蛍光を検出するのに役立つ、表面のフェニルボロン酸のタグと結合したポリマーナノ粒子を報告しています[91]。この発見は、ドーパミン関連疾患のセラノスティクスへの道を開きます。しかし、最近の報告では、スパイク状の堆積物にさらされたゼブラフィッシュのイオン性金と比較した金ナノ粒子の毒性について詳しく説明されています[64]。彼らは、ナノ粒子がアセチルコリンエステラーゼ活性に影響を及ぼしたため、ゼブラフィッシュの脳の神経伝達を変化させたと報告しました。興味深い作品でSivaji等。 [198]は、機能化されたポリ N を通じて、アルツハイマー病の定評のある薬剤であるドネペジルを提供することを目的としていました。 -イソプロピルアクリルアミドナノゲルPNIPAMナノゲルを脳に。彼らは、ゲルがBBBを克服できることを報告し、ゼブラフィッシュモデルを使用して持続的な薬物放出も示しました。したがって、この研究は、脳への標的化ドラッグデリバリーのための神経特異的ナノゲルの開発を前面に押し出します。同じグループはさらに、治療目的で血液脳関門を克服する能力を備えた、ポリソルベート80とポリエチレングリコールで機能化された金コロイドナノ粒子の合成を報告しました[199]。この研究では、血液脳関門を通過し、神経特異的薬物を効率的に送達する能力を備えた生体適合性ナノキャリアを合成および検証しました。

神経特異的ナノ粒子の翻訳アプローチ：ゼブラフィッシュからヒトへ

人間の病気を調査するために、これまでさまざまなモデル生物が使用されてきました。チンパンジーやサルは人間との類似性が高いのに対し、マウスやラットは過去数十年にわたって広く使用されてきました。ゼブラフィッシュモデルを使用してさまざまな人間の病気を研究する研究が現在増加しています[31]。ゼブラフィッシュモデルを使用して、さまざまな最先端技術が分析および評価されています。これに関連して、炭素族に属する新しいクラスのナノ粒子を指すナノダイヤモンド（ND）が、BBB全体でのドラッグデリバリーの最新技術で検討されています[200、201]。それらは、優れた光学特性、表面構造の展性、および標的化ドラッグデリバリーに関連する機械的特性を備えています。ゼブラフィッシュは、蛍光ナノダイヤモンド（FND）を詳細に研究するための適切なモデルシステムであることが証明されています。 Chang etal。ゼブラフィッシュの卵黄細胞を使用した単一粒子追跡により、FNDの光安定性と非毒性を研究しました[202]。さらに、ナノラベルとしての適用を容易にするためのNDの評価は、ゼブラフィッシュでレーザー共焦点顕微鏡とリアルタイム蛍光タグ付けを使用して実行されています[203]。したがって、ゼブラフィッシュモデルを探索して、神経特異的薬物を送達するためのナノラベリングシステムとしてのNDの可能性を評価することができます。ゼブラフィッシュの使用は、人間のそれとの高い遺伝的およびシステムの類似性によって検証されます。ゼブラフィッシュの再生能力もその生理学の非常に興味深い側面であり、神経変性疾患を研究するための重要なモデル生物となっています。最近の研究では、神経変性疾患のゼブラフィッシュモデルを使用して、脳のドラッグデリバリーメカニズムに対する極めて重要な洞察が特定されています。ゼブラフィッシュモデルを使用して脳内のドラッグデリバリーに関して行われた最近の研究は、このメカニズムのダイナミクスについての極めて重要な洞察を明らかにしました。この分野で加速された研究を差し控える唯一の欠点は、研究を検証するための確立されたプロトコルがないことです。しかし、そのようなプロトコルがこの分野で進行中の研究を通じて開発されるのは時間の問題です。以下の重点分野に関するさらなる研究のために、まだ多くの範囲が存在します。

• より良いホリスティック治療を提供するための2つ以上の薬物とナノ粒子の混合

• 神経変性疾患におけるフラーレン、ナノタマネギ、ナノダイヤモンドの分析

• 新しいナノ粒子の生体適合性とそれらの脳浸透能力を理解する。

上記のすべての重点分野は、ゼブラフィッシュモデルシステムを使用して簡単に評価できます。したがって、ゼブラフィッシュモデルは、翻訳分析のための脳内での標的化ドラッグデリバリーのための新しい技術の開発と評価に大きな期待を寄せています（図2）。これは、神経変性疾患を治療するための治療戦略を開発するための医学的介入のための刺激的な新しい展望を開く可能性があります。

ナノ粒子にカプセル化された薬物を脳に送達するためのゼブラフィッシュモデルの概略図。この方法により、血液脳関門（BBB）を越えて薬物を効率的に送達できます。いくつかのナノ粒子は、アルツハイマー病（AD）、パーキンソン病（PD）、ハンチントン病（HD）、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、運動ニューロン疾患（MND）などのさまざまな神経変性疾患を治療する可能性を秘めています。

将来の研究の方向性

過去10年間で、脳のドラッグデリバリーにナノテクノロジーが急増し、この分野でいくつかの刺激的な新しい戦略が展開されました[16、17、204、205]。しかし、毒性、免疫原性、効率的な薬物送達などの問題は依然として残っており、研究コミュニティが最終的な目標を達成することを妨げています[206,207,208,209]。したがって、神経特異的ドラッグデリバリーの将来の研究の見通しには、この分野の既存の課題を克服することが含まれます。ナノマテリアルの毒性と副作用に関する研究は、広範かつ正確であり、常に新しいナノキャリア製剤のinvivoでの実装に先行する必要があります。ナノバイオ相互作用の適切な包括的な分析は、神経特異的ドラッグデリバリーの戦略を開発するために絶対に不可欠です[210]。送達された薬物の生体内分布および薬物動態の理解を広げるために、より新しい画像技術を採用する必要があります。ベンチサイドからベッドサイドへの翻訳を達成するには、薬物のバイオアベイラビリティとクリアランスに関する完全な知識が不可欠です。ゼブラフィッシュは、いくつかの発達および代謝性疾患を研究するための「ゴールドスタンダード」と長い間考えられており、ナノドラッグデリバリーの研究に非常に有望です。ゼブラフィッシュの他の無数の重要な属性の中で脊椎動物モデルにおける大規模な薬物スクリーニングを容易にする能力を備えた透明な胚発生は、これらの障害を克服するための見込みを持っています。したがって、この堅牢なモデルシステムの使用は、安全で成功した神経特異的ドラッグデリバリーを達成するためのナノ治療学のさらなる研究に大きな可能性を秘めています。

結論

BBBは、脳に薬物を送達する際の主な障害となります。 BBBの生理学的機能は、脳を異物から保護することであり、そうすることで、治療目的でもハードルとして機能します。時間の現在の必要性は、BBBを克服することができるドラッグデリバリーの戦略です。そうして初めて、脳特有の病気の効果的な治療が可能になります。 BBB全体でのドラッグデリバリーのためのナノテクノロジーベースのアプローチへの最近の焦点は、将来の神経特異的ドラッグデリバリーの分野に有望な見通しを持っているようです。この目的に向けた研究は、リポソーム、デンドリマー、ミセル、カーボンナノチューブなどのさまざまなナノ粒子をナノキャリアおよびナノゲルとして使用して進行中です。ゼブラフィッシュモデルは、ナノテクノロジーベースの毒性研究と神経特異的ドラッグデリバリーに関してはお気に入りです。このモデルを使用したナノテクノロジーに関するさらなる研究は、神経特異的ドラッグデリバリーにおける発見の可能性のあるブレークスルーにつながる可能性のある新しい洞察のために必要です。

データと資料の可用性

該当なし。

略語

BBB：

血液脳関門

NP：

ナノ粒子

Au：

ゴールド

Ag：

シルバー

Cu：

銅

Cd：

カドミウム

CuO：

酸化銅

MgO：

酸化マグネシウム

NiO：

酸化ニッケル

ZnO：

酸化亜鉛

MP：

マイクロプラスチック

MOF：

金属有機フレームワーク

CNT：

カーボンナノチューブ

TiO ₂ ：

二酸化チタン

QD：

量子ドット

PCR：

ポリメラーゼ連鎖反応

GQD：

グラフェン量子ドット

PNIPAM：

ポリ N -イソプロピルアクリルアミド

ND：

ナノダイヤモンド

FND：

蛍光ナノダイヤモンド

AD：

病気

PD：

パーキンソン病

HD：

ハンチントン病

ALS：

筋萎縮性側索硬化症

MND：

運動ニューロン疾患