Microbolle magnetiche, acustiche e ottiche a tripla risposta per ipertermia magnetica e terapia del cancro combinata pototermica
Summary
Qui viene presentato un protocollo per la fabbricazione di microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l’autoassemblaggio, la sinergizzazione della reattività magnetica, acustica e ottica in un’unica piattaforma nanoterapeutica per l’ipertermia magnetica e la terapia del cancro combinata fototermica.
Abstract
La somministrazione di precisione di agenti anti-cancro che mirano a una consegna mirata e penetrata in profondità, nonché a un rilascio controllato nel sito tumorale è stata messa in discussione. Qui, fabbrichiamo microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l’autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un’unica piattaforma nanoterapeutica. Le nanoparticelle di ossido di ferro fungono da agenti sia magnetici che fototermici. Una volta iniettati per via endovenosa, gli NSM possono essere guidati magneticamente al sito tumorale. Gli ultrasuoni innescano il rilascio di nanoparticelle di ossido di ferro, facilitando la penetrazione di nanoparticelle in profondità nel tumore a causa dell’effetto di cavitazione delle microbolle. Successivamente, l’ipertermia magnetica e la terapia fototermica possono essere eseguite sul tumore per la terapia combinata del cancro, una soluzione per la resistenza al cancro a causa dell’eterogeneità del tumore. In questo protocollo, sono state eseguite la sintesi e la caratterizzazione di NSM comprese le proprietà strutturali, chimiche, magnetiche e acustiche. Inoltre, l’efficacia anti-cancro mediante terapia termica è stata studiata utilizzando colture cellulari in vitro. La strategia di consegna proposta e la terapia di combinazione sono molto promettenti nel trattamento del cancro per migliorare sia la consegna che l’efficacia antitumorale.
Introduction
Il cancro è una delle malattie più mortali, causando milioni di morti ogni anno in tutto il mondo e enormi perdite economiche1. Nelle cliniche, le terapie antitumorali convenzionali, come la resezione chirurgica, la radioterapia e la chemioterapia, non possono ancora fornire un’efficacia terapeutica soddisfacente2. I limiti di queste terapie sono alti effetti collaterali tossici, alto tasso di recidiva e alto tasso di metastasi3. Ad esempio, la chemioterapia soffre della bassa efficienza di consegna dei farmaci chemioterapici precisamente al sito tumorale4. L’incapacità dei farmaci di penetrare in profondità nel tessuto tumorale attraverso le barriere biologiche, tra cui la matrice extracellulare e l’elevata pressione del fluido interstiziale tumorale, è anche responsabile della bassa efficacia terapeutica5. Inoltre, la resistenza al tumore di solito si verifica nei pazienti che hanno ricevuto un trattamento con chemioterapia singola6. Pertanto, le tecniche in cui si verifica l’ablazione termica del tumore, come la terapia fototermica (PTT) e la terapia magnetica ipertermia (MHT), hanno mostrato risultati promettenti per ridurre la resistenza al tumore e sono emerse negli studi clinici7,8,9.
Il PTT innesca l’ablazione termica delle cellule tumorali mediante l’azione di agenti di conversione fototermica sotto l’irradiazione dell’energia laser. L’alta temperatura generata (superiore a 50 °C) induce la necrosi cellulare completa10. Molto recentemente, le nanoparticelle di ossido di ferro (IPP) hanno dimostrato di essere un agente di conversione fototermico che può essere attivato dalla luce del vicino infrarosso (NIR)11. Nonostante il basso coefficiente di assorbimento molare nella regione del vicino infrarosso, gli IPP sono candidati per la terapia fototermica a bassa temperatura (43 °C), una terapia modificata per ridurre il danno causato dall’esposizione al calore ai tessuti normali e per avviare l’immunità antitumorale contro le metastasi tumorali12. Uno dei limiti del PTT è la bassa profondità di penetrazione del laser. Per i tumori profondi, il riscaldamento indotto dal campo magnetico alternato (AFM) delle nanoparticelle di ossido di ferro, chiamato anche ipertermia magnetica, è una terapia alternativa per PTT13,14. Il vantaggio principale di MHT è l’elevata penetrazione del campo magnetico15. Tuttavia, la concentrazione relativamente elevata richiesta di IPP rimane un grave svantaggio per la sua applicazione clinica. L’efficienza di consegna della nanomedicina (o nanoparticelle) ai tumori solidi negli animali è stata dell’1-10% a causa di una serie di ostacoli tra cui circolazione, accumulo e penetrazione16,17. Pertanto, una strategia di somministrazione DI IPP controllata e mirata con la capacità di ottenere un’elevata penetrazione dei tessuti è di grande interesse nel trattamento del cancro.
La somministrazione di nanoparticelle mediata da ultrasuoni ha dimostrato la sua capacità di facilitare la penetrazione di nanoparticelle in profondità nel tessuto tumorale, a causa del fenomeno chiamato cavitazione delle microbolle18,19. Nel presente studio, fabbrichiamo microbolle sgusciate (NSM) IONP attraverso l’autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un’unica piattaforma nanoterapeutica. L’NSM contiene un nucleo d’aria e un guscio di nanoparticelle di ossido di ferro, con un diametro di circa 5,4 μm. Gli NSM possono essere guidati magneticamente al sito tumorale. Quindi il rilascio di IPP viene attivato dagli ultrasuoni, accompagnati da cavitazione di microbolle e microstreaming. Lo slancio ricevuto dal microstreaming facilita la penetrazione degli IPP nel tessuto tumorale. Il PTT e l’MHT possono essere ottenuti mediante irradiazione laser NIR o applicazione AFM, o con la combinazione di entrambi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Qui, abbiamo presentato un protocollo per fabbricare microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l’autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un’unica piattaforma nanoterapeutica. Gli IPP erano densamente impacchettati attorno al nucleo dell’aria per formare un guscio magnetico, che può essere controllato dal campo magnetico esterno per il targeting. Una volta consegnato, il rilascio di IPP può essere ottenuto tramite innesco ad ultrasuoni. Gli IPP rilas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (81601608) e NUPTSF (NY216024).
Materials
| 808 nm laser power | Changchun New Industries Optoelectronics Tech | MDL-F-808-5W-18017023 | |
| Calcein-AM | Thermo Fisher SCIENTIFIC | C3099 | |
| Fetal bovine serum | Invitrogen | 16000-044 | |
| Fluorescence Microscope | Olympus | IX71 | |
| Function generator | Keysight | 33500B series | 20 MHz, 2 channels with arbitrary waveform generation capability |
| Gelatin gel | Sigma | 9000-70-8 | |
| Heating machine | Shuangping | SPG-06- II | |
| Homemade focused transducer | Frequency=855, R-X=36.2W+5.8W, |Z|-θ=37W+8° | ||
| Homogenizer | SCILOGEX | D-160 | 8000-30000 rpm |
| Hydrophone | T&C | NH1000 | |
| ICR male mice | OG Pharmaceutical. Co. Ltd | 8-week-old | |
| Inductively coupled plasma optical emission spectrometry | PerkinElmer | ||
| Infrared thermal imaging camera. | FLIR | E50 | |
| Iron(II,III) oxide | Alfa Aesar | 1317-61-9 | 50-100nm APS Powder |
| Laser power meter | Changchun New Industries Optoelectronics Tech | ||
| Oscilloscope | Keysight | DSOX3054T | Bandwidth 500 MHz, Sampling Rate 5 GS/S, 4 channels |
| RF Power Amplifier | T&C | AG1020 | The signal source can also be connected to an external signal source. The gain can be adjusted from 0 to 100%. It has multiple functions such as frequency sweep, pulse, and triangle. |
| Roswell Park Memorial Institute-1640 | KeyGEN BioTECH | KGM31800 | |
| Sodium dodecyl sulfate | Sigma | 151-21-3 | |
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