Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1568110.32607/actanaturae.15681ReviewsОбзорыReview ArticleBiomedical Nanosystems for in vivo Detoxification: From Passive Delivery Systems to Functional Nanodevices and NanorobotsБиомедицинские наносистемы для in vivo детоксикации: от пассивных систем доставки к функциональным наноустройствам и нанороботамPashirovaTatiana N.ПашироваТатьяна Никандровна
Russian Federation
tatyana_pashirova@mail.ruShaihutdinovaZukhra M.ШайхутдиноваЗухра М.
Russian Federation
tatyana_pashirova@mail.ruMironovVladimir F.МироновВладимир Федорович
Russian Federation
tatyana_pashirova@mail.ruMassonPatrickМассонПатрик
Russian Federation
tatyana_pashirova@mail.ruArbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center of RASИнститут органической и физической химии им. А.Е. Арбузова, ФИЦ Казанский научный центр РАНKazan (Volga Region) Federal UniversityКазанский (Приволжский) федеральный университет030520231514121502202320032023Copyright ©; 2023, Pashirova T.N., Shaihutdinova Z.M., Mironov V.F., Masson P.Copyright ©; 2023, Паширова Т.Н., Шайхутдинова З.М., Миронов В.Ф., Массон П.2023Pashirova T.N., Shaihutdinova Z.M., Mironov V.F., Masson P.Паширова Т.Н., Шайхутдинова З.М., Миронов В.Ф., Массон П.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/15681

The problem of low efficiency of nanotherapeutic drugs challenges the creation of new alternative biomedical nanosystems known as robotic nanodevices. In addition to encapsulating properties, nanodevices can perform different biomedical functions, such as precision surgery, in vivo detection and imaging, biosensing, targeted delivery, and, more recently, detoxification of endogenous and xenobiotic compounds. Nanodevices for detoxification are aimed at removing toxic molecules from biological tissues, using a chemical- and/or enzyme-containing nanocarrier for the toxicant to diffuse inside the nanobody. This strategy is opposite to drug delivery systems that focus on encapsulating drugs and releasing them under the influence of external factors. The review describes various kinds of nanodevices intended for detoxification that differ by the type of poisoning treatment they provide, as well as the type of materials and toxicants. The final part of the review is devoted to enzyme nanosystems, an emerging area of research that provides fast and effective neutralization of toxins in vivo.

В обзоре рассматривается решение проблемы низкой эффективности нанотерапевтических препаратов путем создания альтернативных биомедицинских наносистем – роботизированных наноустройств, обладающих не только инкапсулирующими свойствами, но и способных выполнять различные биомедицинские функции, такие, как прецизионная хирургия, детектирование, визуализация и биозондирование, адресная доставка, а также нейтрализация эндогенных токсинов и ксенобиотиков. Наноустройства обеспечивают удаление токсикантов из биологических тканей с помощью как пустых, так и загруженных химическими веществами и/или ферментами наноносителей. Этот подход противоположен стратегии создания систем доставки, сосредоточенной на инкапсулировании лекарств и их обязательному высвобождению под действием внешних факторов. В обзоре представлен широкий спектр наноустройств, предназначенных для детоксикации, а именно, по виду отравлений и методам их лечения (неспецифические антидоты, нанодиализные системы), типу материала и токсикантов. Заключительная часть обзора посвящена зарождающейся области исследований – ферментным наносистемам, обеспечивающим быструю и эффективную нейтрализацию токсинов in vivo.

detoxificationnanodevicesdelivery systemsenzymeдетоксикациянаноустройствасистемы доставкиферментыПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian FederationZhang C., Yan L., Wang X., Zhu S., Chen C., Gu Z., Zhao Y. // Nano Today. 2020. V. 35. P. 101008.Shan X., Gong X., Li J., Wen J., Li Y., Zhang Z. // Acta Pharm. Sin. B. 2022. V. 12. № 7. P. 3028–3048.Moosavian S.A., Bianconi V., Pirro M., Sahebkar A. // Semin. Cancer Biol. 2021. V. 69. P. 337–348.Halwani A.A. // Pharmaceutics. 2022. V. 14. № 1. P. 106.Wilhelm S., Tavares A.J., Dai Q., Ohta S., Audet J., Dvorak H.F., Chan W.C.W. // Nat. Rev. Mater. 2016. V. 1. № 5. P. 16014.Chen Z., Wang Z., Gu Z. // Acc. Chem. Res. 2019. V. 52. № 5. P. 1255–1264.Wicki A., Witzigmann D., Balasubramanian V., Huwyler J. // J. Control. Release. 2015. V. 200. P. 138–157.Sun Z., Hou Y. // Adv. Ther. 2022. V. 5. № 7. P. 2100228.Li J., Esteban-Fernández de Ávila B., Gao W., Zhang L., Wang J. // Sci. Robot. 2017. V. 2. № 4. Р. eaam6431Li J., Esteban-Fernández de Ávila B., Gao W., Zhang L., Wang J. // Sci. Robot. 2017. V. 2. № 4. Р. eaam6431.Gao W., Wang J. // Nanoscale. 2014. V. 6. № 18. P. 10486–10494.Li T., Li J., Zhang H., Chang X., Song W., Hu Y., Shao G., Sandraz E., Zhang G., Li L., et al. // Small. 2016. V. 12. № 44. P. 6098–6105.Wang H., Pumera M. // Adv. Funct. Mater. 2018. V. 28. № 25. P. 1705421.Wong F., Dey K.K., Sen A. // Annu. Rev. Mater. Res. 2016. V. 46. № 1. P. 407–432.Li J., Rozen I., Wang J. // ACS Nano. 2016. V. 10. № 6. P. 5619–5634.Halder A., Sun Y. // Biosens. Bioelectron. 2019. V. 139. P. 111334.Pedrero M., Gamella M., Serafín V. // The Detection of Biomarkers. Past, Present and the Future Prospects, Chapter 19 - Nanomachines and nanorobotics: improving cancer diagnosis and therapy, AcademicPress, 2022, Elsevier Inc., P. 503–543.Pedrero M., Gamella M., Serafín V. The Detection of Biomarkers. Past, Present and the Future Prospects. Chapter 19 – Nanomachines and nanorobotics: improving cancer diagnosis and therapy. Academic Press, 2022. P. 503–543.Agrahari V., Agrahari V., Chou M.-L., Chew C.H., Noll J., Burnouf T. // Biomaterials. 2020. V. 260. P. 120163.Shivalkar S., Chowdhary P., Afshan T., Chaudhary S., Roy A., Samanta S.K., Sahoo A.K. // Colloids Surfaces B Biointerfaces. 2023. V. 222. P. 113054.Sitti M. // Nat. Rev. Mater. 2018. V. 3. № 6. P. 74–75.Jimenez-Falcao S., Joga N., García-Fernández A., Llopis Lorente A., Torres D., de Luis B., Sancenón F., Martínez-Ruiz P., Martínez-Máñez R., Villalonga R. // J. Mater. Chem. B. 2019. V. 7. № 30. P. 4669–4676.Zhao X., Gentile K., Mohajerani F., Sen A. // Acc. Chem. Res. 2018. V. 51. № 10. P. 2373–2381.Arqué X., Patiño T., Sánchez S. // Chem. Sci. 2022. V. 13. № 32. P. 9128–9146.Wu H., Greydanus B., Schwartz D.K. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2021. V. 118. № 27. P. e2101807118.Cai L., Xu D., Chen H., Wang L., Zhao Y. // Eng. Regen. 2021. V. 2. P. 109–115.Magdanz V., Khalil I.S.M., Simmchen J., Furtado G.P., Mohanty S., Gebauer J., Xu H., Klingner A., Aziz A., Medina-Sánchez M., et al. // Sci. Adv. 2020. V. 6. № 28. P. aba5855.Xu W., Qin H., Tian H., Liu L., Gao J., Peng F., Tu Y. // Appl. Mater. Today. 2022. V. 27. P. 101482.Li D., Liu C., Yang Y., Wang L., Shen Y. // Light Sci. Appl. 2020. V. 9. № 1. P. 84.Abdelmohsen L.K.E.A., Nijemeisland M., Pawar G.M., Janssen G.J.A., Nolte R.J.M., Van Hest J.C.M., Wilson D.A. // ACS Nano. 2016. V. 10. № 2. P. 2652–2660.Abdelmohsen L.K.E.A., Nijemeisland M., Pawar G.M., Janssen G.J.A., Nolte R.J.M., van Hest J.C.M., Wilson D.A. // ACS Nano. 2016. V. 10. № 2. P. 2652–2660.Luo M., Li S., Wan J., Yang C., Chen B., Guan J. // Langmuir. 2020. V. 36. № 25. P. 7005–7013.Yang J., Su T., Zou H., Yang G., Ding J., Chen X. // Angew. Chemie Int. Ed. 2022. V. 61. № 47. P. e202211136Yang J., Su T., Zou H., Yang G., Ding J., Chen X. // Angew. Chemie Int. Ed. 2022. V. 61. № 47. P. e202211136.Feng Y., Liao Z., Zhang H., Xie X., You F., Liao X., Wu C., Zhang W., Yang H., Liu Y. // Chem. Eng. J. 2023. V. 452. P. 139506.Ouyang Y., Fadeev M., Zhang P., Carmieli R., Li J., Sohn Y.S., Karmi O., Nechushtai R., Pikarsky E., Fan C., et al. // ACS Nano. 2022. V. 16. № 11. P. 18232–18243.Li Z., Li M., Sun H., Yang Z., Huo Q., Bai Y., Mei Y., Li Y., Quan P., Zhang J., et al. // J. Control. Release. 2022. V. 346. P. 148–157.Liu F., Anton N., Niko Y., Klymchenko A.S. // ACS Appl. Bio Mater. 2023. V. 6. № 1. P. 246–256.Fettiplace M.R., Weinberg G. // Reg. Anesth. Pain Med. 2018. V. 43. № 2. P. 138–149.Harvey M.G., Cave G.R. // J. Med. Toxicol. 2008. V. 4. № 2. P. 71–76.Jakkala-Saibaba R., Morgan P.G., Morton G.L. // Anaesthesia. 2011. V. 66. № 12. P. 1168–1170.Royle K., Bandt C. // Can. Vet. J., 2020. V. 61. № 1. P. 49–52.Royle K., Bandt C. // Can. Vet. J. 2020. V. 61. № 1. P. 49–52.Montiel V., Gougnard T., Hantson P. // Eur. J. Emerg. Med. 2011. V. 18. № 2. P. 121–123.Tikhomirov M., Jajor P., Śniegocki T., Poźniak B. // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 18683.De Diego C., Zaballos M., Quintela O., Sevilla R., Callejo D., González-Panizo J., Anadón M.J., Almendral J. // Cardiovasc. Toxicol. 2019. V. 19. № 5. P. 432–440.DeMel D., Gleeson M., Schachterle K., Thomer A. // J. Vet. Emerg. Crit. Care. 2022. V. 32. № 5. P. 680–684.Sohn J.-T. // Am. J. Emerg. Med. 2022. V. 58. P. 331–332.Zaballos M., Fernández I., Rodríguez L., García S., Varela O., Quintela O., Anadón M.-J., Almendral J. // Clin. Toxicol. 2022. V. 60. № 8. P. 902–911.Hori K., Matsuura T., Tsujikawa S., Hino H., Kuno M., Oda Y., Nishikawa K., Mori T. // Clin. Toxicol. 2022. V. 60. № 6. P. 716–724.Matsuoka M., Imai T., Iwabuchi S., Kinoshita K. // J. Emerg. Med. 2023. V. 64. № 1. P. 62-66.Matsuoka M., Imai T., Iwabuchi S., Kinoshita K. // J. Emerg. Med. 2023. V. 64. № 1. P. 62–66.Cobey F.C., Kawabori M., Schumann R., Couper G., Bonney I., Fettiplace M.R., Weinberg G. // J. Cardiothorac. Vasc. Anesth. 2021. V. 35. № 10. P. 3139–3141.Pannu A.K., Garg S., Bhalla A., Dhibar D.P., Sharma N. // Clin. Toxicol. 2022. V. 60. № 5. P. 602–608.Liu Y., Zhang J., Yu P., Niu J., Yu S. // Front. Med. 2021. V. 8. P. 756866.Sohn J.-T. // J. Emerg. Med. 2021. V. 60. № 5. P. e137–e138.Mégarbane B., Oberlin M., Alvarez J.-C., Balen F., Beaune S., Bédry R., Chauvin A., Claudet I., Danel V., Debaty G., et al. // Ann. Intensive Care. 2020. V. 10. № 1. P. 157.Jovanovic A. V., Underhill R.S., Bucholz T.L., Duran R.S. // Chem. Mater. 2005. V. 17. № 13. P. 3375–3383.Jovanovic A.V., Underhill R.S., Bucholz T.L., Duran R.S. // Chem. Mater. 2005. V. 17. № 13. P. 3375–3383.Xu D., Han H., He Y., Lee H., Wu D., Liu F., Liu X., Liu Y., Lu Y., Ji C. // Adv. Mater. 2018. V. 30. № 22. P. 1707443.Shanuja J., Singh K., Sai Nandhini R., Palanivelu J. // Nanotechnol. Life Sci. 2021. P. 87–104.Hu C.-M.J., Fang R.H., Copp J., Luk B.T., Zhang L. // Nat. Nanotechnol. 2013. V. 8. № 5. P. 336–340.Wang S., Wang D., Duan Y., Zhou Z., Gao W., Zhang L. // Adv. Mater. 2022. V. 34. № 13. P. 2107719.Chen Y., Chen M., Zhang Y., Lee J.H., Escajadillo T., Gong H., Fang R.H., Gao W., Nizet V., Zhang L. // Adv. Health. Mater. 2018. V. 7. № 13. P. 1701366.Chen Y., Zhang Y., Chen M., Zhuang J., Fang R.H., Gao W., Zhang L. // Small. 2019. V. 15. № 6. P. 1804994.Pang Z., Hu C.M.J., Fang R.H., Luk B.T., Gao W., Wang F., Chuluun E., Angsantikul P., Thamphiwatana S., Lu W., et al. // ACS Nano. 2015. V. 9. № 6. P. 6450–6458.Copp J.A., Fang R.H., Luk B.T., Hu C.-M.J., Gao W., Zhang K., Zhang L. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. № 37. P. 13481–13486.Zhang Q., Dehaini D., Zhang Y., Zhou J., Chen X., Zhang L., Fang R.H., Gao W., Zhang L. // Nat. Nanotechnol. 2018. V. 13. № 12. P. 1182–1190.Zhang Y., Chen Y., Lo C., Zhuang J., Angsantikul P., Zhang Q., Wei X., Zhou Z., Obonyo M., Fang R.H., et al. // Angew. Chemie Int. Ed. 2019. V. 58. № 33. P. 11404–11408.Zhang Q., Honko A., Zhou J., Gong H., Downs S.N., Vasquez J.H., Fang R.H., Gao W., Griffiths A., Zhang L. // Nano Lett. 2020. V. 20. № 7. P. 5570–5574.Wang D., Ai X., Duan Y., Xian N., Fang R.H., Gao W., Zhang L. // ACS Nano. 2022. V. 16. № 11. P. 19145–19154.Chen Y., Zhang Y., Zhuang J., Lee J.H., Wang L., Fang R.H., Gao W., Zhang L. // ACS Nano. 2019. V. 13. № 6. P. 7209–7215.Zou S., He Q., Wang Q., Wang B., Liu G., Zhang F., Cheng X., Wang B., Zhang L. // Int. J. Nanomed. 2021. V. 16. P. 4239–4250.Kim J.-K., Uchiyama S., Gong H., Stream A., Zhang L., Nizet V. // Engineering. 2021. V. 7. № 8. P. 1149–1156.Liu C., Ruan S., He Y., Li X., Zhu Y., Wang H., Huang H., Pang Z. // Acta Pharm. Sin. B. 2022. V. 12. № 11. P. 4235–4248.Wu Z., Li J., de Ávila B.E.-F., Li T., Gao W., He Q., Zhang L., Wang J. // Adv. Funct. Mater. 2015. V. 25. № 48. P. 7497–7501.Wu Z., Li T., Gao W., Xu T., Jurado-Sánchez B., Li J., Gao W., He Q., Zhang L., Wang J. // Adv. Funct. Mater. 2015. V. 25. № 25. P. 3881–3887.Esteban-Fernández de Ávila B., Angsantikul P., Ramírez-Herrera D.E., Soto F., Teymourian H., Dehaini D., Chen Y., Zhang L., Wang J. // Sci. Robot. 2018. V. 3. № 18, P. eaba6137.Esteban-Fernández de Ávila B., Angsantikul P., Ramírez-Herrera D.E., Soto F., Teymourian H., Dehaini D., Chen Y., Zhang L., Wang J. // Sci. Robot. 2018. V. 3. № 18. P. eaba6137.Refaai M.R.A., Manjunatha M.N., Radjarejesri S., Ramesh B., Subbiah R., Adugna N. // Adv. Mater. Sci. Eng. 2022. V. 2022. P. 1–12.Lu D., Tang S., Li Y., Cong Z., Zhang X., Wu S. // Micromachines. 2021. V. 12. № 7. P. 797.Hart K., Harvey M., Tang M., Wu Z., Cave G. // Pharmaceutics. 2021. V. 13. № 3. P. 395.Wratten M. Lou, Sereni L., Tetta C. // Artif. Organs. 2000. V. 24. № 9. P. 685–690.Shi Y., Wang Y., Ma S., Liu T., Tian H., Zhu Q., Wang W., Li Y., Ding F. // Artif. Organs. 2019. V. 43. № 5. P. 490–503.Shen Y., Shen Y., Bi X., Li J., Chen Y., Zhu Q., Wang Y., Ding F. // Int. J. Artif. Organs. 2021. V. 44. № 6. P. 393–403.Shen Y., Shen Y., Li J., Ding F., Wang Y. // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2022. V. 110. № 4. P. 976–983.Matoori S., Forster V., Agostoni V., Bettschart-Wolfensberger R., Bektas R.N., Thöny B., Häberle J., Leroux J.-C., Kabbaj M. // J. Control. Release. 2020. V. 328. P. 503–513.Forster V., Signorell R.D., Roveri M., Leroux J.-C. // Sci. Transl. Med. 2014. V. 6. № 258.Forster V., Signorell R.D., Roveri M., Leroux J.-C. // Sci. Transl. Med. 2014. V. 6. № 258. Р. 258ra141. doi: 10.1126/scitranslmed.3009135.Chapman R., Harvey M., Davies P., Wu Z., Cave G. // J. Liposome Res. 2019. V. 29. № 2. P. 114–120.Cave G., Kee R., Harvey M., Wu Z. // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 19. P. 11577.Tzror-Azankot C., Anaki A., Sadan T., Motiei M., Popovtzer R. // Materials (Basel). 2022. V. 15. № 21. P. 7779.Pratsinis A., Zuercher S., Forster V., Fischer E.J., Luciani P., Leroux J.-C. // Biomaterials. 2017. V. 145. P. 128–137.Pashirova T.N., Bogdanov A., Masson P. // Chem. Biol. Interact. 2021. V. 346. P. 109577.Chauhan K., Zárate Romero A., Sengar P., Medrano C., Vazquez‐Duhalt R. // ChemCatChem. 2021. V. 13. № 17. P. 3732–3748.Chauhan K., Zárate Romero A., Sengar P., Medrano C., Vazquez-Duhalt R. // ChemCatChem. 2021. V. 13. № 17. P. 3732–3748.Pashirova T., Shaihutdinova Z., Mansurova M., Kazakova R., Shambazova D., Bogdanov A., Tatarinov D., Daudé D., Jacquet P., Chabrière E., et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. № 17, P. 19241–19252.Pashirova T., Shaihutdinova Z., Mansurova M., Kazakova R., Shambazova D., Bogdanov A., Tatarinov D., Daudé D., Jacquet P., Chabrière E., et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. № 17. P. 19241–19252.Masson P., Rochu D. // Acta Naturae. 2009. V. 1. № 1. P. 68–79.Masson P., Lushchekina S.V. // Chem. Biol. Interact. 2016. V. 259. P. 319–326.Shajhutdinova Z., Pashirova T., Masson P. // Biomedicines. 2022. V. 10. № 4. P. 784.