Lo sviluppo di nanoparticelle in grado di rilevare, colpire e distruggere le cellule tumorali è di grande interesse sia per i fisici che per i ricercatori biomedici. L'emergere della nanomedicina ha portato allo sviluppo di diverse nanoparticelle, come quelle coniugate con ligande bersaglio e/o farmaci chemioterapici1,2,3. Le proprietà aggiunte delle nanoparticelle consentono la loro interazione con il sistema biologico, rilevando e monitorando gli eventi biologici con alta efficienza e precisione insieme ad applicazioni terapeutiche. Le nanoparticelle di oro e ossido di ferro sono utilizzate principalmente nelle applicazioni di tomografia computerizzata e risonanza magnetica, rispettivamente. Mentre le attività enzimatiche delle nanoparticelle di oro e ossido di ferro consentono di rilevare le cellule tumorali attraverso saggi colorimetrici, le nanoparticelle fluorescenti sono adatte per le applicazioni di imaging in vivo4. Tra queste, le nanoparticelle fluorescenti ultrabro sono particolarmente utili, a causa della loro capacità di rilevare precocemente i tumori con meno particelle e meno tossicità5.
Nonostante questi vantaggi, le nanoparticelle richiedono la sperimentazione utilizzando modelli animali in vivo per la selezione di nanomateriali adatti e l'ottimizzazione del processo di sintesi. Inoltre, proprio come i farmaci, le nanoparticelle si basano su modelli animali per test preclinici per determinarne l'efficacia e le tossicità. Il modello preclinico più utilizzato è il topo, che è un mammifero la cui manutenzione ha un costo relativamente elevato. Per gli studi sul cancro, topi geneticamente modificati o topi xenopianti sono in genereutilizzati 6,7. La durata di questi esperimenti spesso si estende da settimane a mesi. In particolare, per gli studi sulla metastasi del cancro, le cellule tumorali vengono iniettate direttamente nel sistema circolatorio dei topi in luoghi come le vene della coda e le milza8,9,10. Questi modelli rappresentano solo le fasi finali della metastasi quando le cellule tumorali stravasano e colonizzano organi distanti. Inoltre, a causa di problemi di visibilità, è particolarmente difficile monitorare la migrazione delle cellule tumorali e il targeting delle nanoparticelle delle cellule tumorali nei topi.
Il pesce zebra (Danio rerio) è diventato un potente sistema di vertebrati per la ricerca sul cancro a causa della sua elevata fecondità, basso costo, rapido sviluppo, trasparenza ottica e conservazione genetica11,12. Un altro vantaggio del pesce zebra rispetto al modello murino è la fecondazione delle uova di pesce ex utero, che consente agli embrioni di essere monitorati durante il loro sviluppo. Lo sviluppo embrionale è rapido nel pesce zebra, e nel giro di 24 ore postfertilizzazione (hpf), il piano del corpo vertebrato ha giàformato 13. Con 72 hpf, le uova vengono schiuse dal chorion, passando dallo stadio embrionale a quello della frittura. La trasparenza del pesce zebra, il ceppo Casper in particolare14, offre un'opportunità unica per visualizzare la migrazione delle cellule tumorali e il loro riconoscimento e targeting da parte di nanoparticelle in un animale vivente. Infine, i pesci zebra sviluppano il loro sistema immunitario innato di 48 hpf, con il sistema immunitario adattivo in ritardo e diventando funzionale solo a 28 giorni di postferilizzazione15. Questo lasso di tempo è ideale per il trapianto di vari tipi di cellule tumorali umane in embrioni di pesce zebra senza sperimentare rifiuti immunitari.
Descritto qui è un metodo che sfrutta la trasparenza e il rapido sviluppo del pesce zebra per dimostrare il riconoscimento e il targeting delle cellule tumorali umane da nanoparticelle fluorescenti in vivo. In questo saggio, le cellule tumorali cervicali umane (cellule HeLa) geneticamente progettate per esprimere una proteina fluorescente rossa sono state iniettate nell'area vascolarizzata nella cavità perivitellina di embrioni da 48 hpf. Dopo 20-24 h, le cellule HeLa si erano già diffuse in tutti gli embrioni attraverso il sistema circolatorio dei pesci. Gli embrioni con metastasi apparente sono stati microiniettati con 0,5 nL di una soluzione di nanoparticelle direttamente dietro l'occhio, dove si trova il ricco letto capillare. Utilizzando questa tecnica, le nanoparticelle di silice fluorescenti ultra-abrasa possono colpire le cellule HeLa con una velocità di 20-30 min di postiniezione. Grazie alla sua semplicità ed efficacia, il pesce zebra rappresenta un robusto modello in vivo per testare una varietà di nanoparticelle per la loro capacità di colpire specifiche cellule tumorali.