المغناطيسي والصوتي والبصري الثلاثي استجابة الفقاعات الصغيرة لارتفاع الحرارة المغناطيسي والعلاج ببوتوذرمال الجمع بين السرطان
Summary
يقدم هنا بروتوكول لتصنيع الفقاعات الدقيقة التي تقصف أكسيد الحديد (NSMs) من خلال التجميع الذاتي ، والتآزر المغناطيسي والصوتي والبصري في منصة واحدة للعلاج الإشعاعي النانوي لارتفاع الحرارة المغناطيسي وعلاج السرطان المركب حراريا ضوئيا.
Abstract
تم تحدي التسليم الدقيق للعوامل المضادة للسرطان التي تهدف إلى الولادة المستهدفة والعميقة الاختراق بالإضافة إلى إطلاق سراح مسيطر عليه في موقع الورم. هنا، نقوم بتصنيع جسيمات نانوية أكسيد الحديد قصفت (NSMs) من خلال التجميع الذاتي، والتآزر المغناطيسي والصوتي، والاستجابة البصرية في منصة واحدة nanotherapeutic. تعمل الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد كعوامل مغناطيسية و حرارية ضوئية. بمجرد حقنها عن طريق الوريد ، يمكن توجيه NSMs مغناطيسيا إلى موقع الورم. الموجات فوق الصوتية يؤدي إلى إطلاق أكسيد الحديد الجسيمات النانوية، وتسهيل اختراق الجسيمات النانوية في عمق الورم بسبب تأثير التجويف من الفقاعات الدقيقة. بعد ذلك ، يمكن إجراء ارتفاع الحرارة المغناطيسي والعلاج الحراري الضوئي على الورم لعلاج السرطان المركب ، وهو حل لمقاومة السرطان بسبب عدم تجانس الورم. وفي هذا البروتوكول، تم تنفيذ توليف وتوصيف ال NSMs بما في ذلك الخصائص الهيكلية والكيميائية والمغناطيسية والصوتية. بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقيق في فعالية مكافحة السرطان عن طريق العلاج الحراري باستخدام ثقافات الخلايا المختبرية. استراتيجية التسليم المقترحة والعلاج المركب يحمل وعدا كبيرا في علاج السرطان لتحسين كل من التسليم وفعالية مضاد للسرطان.
Introduction
السرطان هو واحد من أكثر الأمراض فتكا، مما تسبب في الملايين من الوفيات كل عام في جميع أنحاء العالم وخسائر اقتصادية ضخمة1. في العيادات، والعلاجات المضادة للأمراض التقليدية، مثل استئصال الجراحية، والعلاج الإشعاعي، والعلاج الكيميائي لا تزال غير قادرة على توفير فعالية علاجية مرضية2. القيود المفروضة على هذه العلاجات هي الآثار الجانبية السامة العالية, ارتفاع معدل تكرار وارتفاع معدل الانبثاث3. على سبيل المثال ، يعاني العلاج الكيميائي من انخفاض كفاءة تسليم الأدوية الكيماوية على وجه التحديد إلى موقع الورم4. عدم قدرة الأدوية على اختراق عمق أنسجة الورم عبر الحواجز البيولوجية ، بما في ذلك مصفوفة خارج الخلية وارتفاع ضغط السائل الخلالي للورم ، هو المسؤول أيضا عن الفعالية العلاجية المنخفضة5. الى جانب ذلك ، فإن مقاومة الورم عادة ما تحدث في المرضى الذين تلقوا العلاج عن طريق العلاج الكيميائي واحد6. لذلك ، أظهرت التقنيات التي يحدث فيها الاستئصال الحراري للورم ، مثل العلاج الحراري الضوئي (PTT) والعلاج بفرط الحرارة المغناطيسي (MHT) ، نتائج واعدة للحد من مقاومة الورم وظهرت في التجارب السريرية7و8و9.
PTT يؤدي الاستئصال الحراري للخلايا السرطانية من خلال عمل وكلاء تحويل الحرارة الضوئية تحت تشعيع طاقة الليزر. درجة الحرارة العالية المتولدة (فوق 50 درجة مئوية) تحفز نخر الخلية الكامل10. في الآونة الأخيرة ، ثبت أن الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد (IONPs) عامل تحويل حراري ضوئي يمكن تنشيطه بواسطة ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)11. على الرغم من انخفاض معامل امتصاص الضرس في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة ، فإن IONPs مرشحون للعلاج الحراري الضوئي منخفض الحرارة (43 درجة مئوية) ، وهو علاج معدل لتقليل الضرر الناجم عن التعرض للحرارة للأنسجة العادية والبدء في مناعة مضادة للورم ضد الانبثاثالورمي 12. واحدة من القيود المفروضة على PTT هو عمق اختراق منخفضة من الليزر. للأورام عميقة الجذور، بالتناوب المجال المغناطيسي (AFM) التدفئة المستحثة من أكسيد الحديد النانوية، وتسمى أيضا ارتفاع الحرارة المغناطيسي، هو علاج بديل لPTT13،14. الميزة الرئيسية ل MHT هي الاختراق العالي للمجال المغناطيسي15. ومع ذلك، فإن التركيز المطلوب العالي نسبيا من IONPs لا يزال عيبا رئيسيا لتطبيقه السريري. وكانت كفاءة تسليم الجسيمات النانوية (أو النانوية) إلى الأورام الصلبة في الحيوانات 1-10٪ بسبب سلسلة من العقبات بما في ذلك الدورة الدموية، والتراكم، واختراق16،17. لذلك ، فإن استراتيجية تسليم IONPs الخاضعة للرقابة والمستهدفة مع القدرة على تحقيق اختراق الأنسجة العالية هي ذات أهمية كبيرة في علاج السرطان.
وقد أظهرت الموجات فوق الصوتية بوساطة تسليم الجسيمات النانوية قدرتها على تسهيل اختراق الجسيمات النانوية في عمق أنسجة الورم، وذلك بسبب ظاهرة تسمى التجويف microbubble18،19. في هذه الدراسة، نقوم بتصنيع الفقاعات الدقيقة المقشورة (NSMs) من خلال التجميع الذاتي، والتآزر المغناطيسي والصوتي والبصري في منصة واحدة العلاج النانوي. يحتوي NSM على نواة هوائية وقشرة من جسيمات نانوية أكسيد الحديد ، يبلغ قطرها حوالي 5.4 ميكرومتر. يمكن توجيه NSMs مغناطيسيا إلى موقع الورم. ثم يتم تشغيل إطلاق IONPs عن طريق الموجات فوق الصوتية ، مصحوبة بتجويف الفقاعات الدقيقة والمصب الدقيق. الزخم الذي تم تلقيه من microstreaming يسهل اختراق IONPs في أنسجة الورم. يمكن تحقيق PTT و MHT عن طريق إشعاع الليزر NIR أو تطبيق AFM ، أو مع الجمع بين الاثنين.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا ، قدمنا بروتوكولا لتصنيع الجسيمات النانوية أكسيد الحديد قصفت (NSMs) من خلال التجميع الذاتي ، والتآزر المغناطيسي والصوتي ، والاستجابة البصرية في منصة واحدة العلاج النانوي. كانت الأيونات معبأة بكثافة حول قلب الهواء لتشكيل قذيفة مغناطيسية ، والتي يمكن التحكم فيها من قبل المجال المغناطيسي…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (81601608) وNUPTSF (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 | |
References
- Kievit, F. M., Zhang, M. Cancer nanotheranostics: improving imaging and therapy by targeted delivery across biological barriers. Advanced Materials. 23 (36), 217-247 (2011).
- Wu, H., et al. Fe3O4-Based Multifunctional Nanospheres for Amplified Magnetic Targeting Photothermal Therapy and Fenton Reaction. ACS Biomaterials Science & Engineering. 5 (2), 1045-1056 (2018).
- Thorat, N. D., et al. Physically stimulated nanotheranostics for next generation cancer therapy: Focus on magnetic and light stimulations. Applied Physics Reviews. 6 (4), 041306 (2019).
- Sun, Q., Zhou, Z., Qiu, N., Shen, Y. Design of Cancer Nanomedicine: Nanoproperty Integration and Synchronization. Advanced Materials. 29 (14), 1606628 (2017).
- Minchinton, A. I., Tannock, I. F. Drug penetration in solid tumours. Nature Reviews Cancer. 6 (8), 583-592 (2006).
- Anchordoquy, T. J., et al. Mechanisms and Barriers in Cancer Nanomedicine: Addressing Challenges, Looking for Solutions. ACS Nano. 11 (1), 12-18 (2017).
- Cazares-Cortes, E., et al. Recent insights in magnetic hyperthermia: From the “hot-spot” effect for local delivery to combined magneto-photo-thermia using magneto-plasmonic hybrids. Advanced Drug Delivery Reviews. 138, 233-246 (2019).
- Espinosa, A., et al. of Iron Oxide Nanoparticles in Cancer Therapy: Amplification of Heating Efficiency by Magnetic Hyperthermia and Photothermal Bimodal Treatment. ACS Nano. 10 (2), 2436-2446 (2016).
- Rastinehad, A. R., et al. Gold nanoshell-localized photothermal ablation of prostate tumors in a clinical pilot device study. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 116 (37), 18590-18596 (2019).
- Sharma, S. K., Shrivastava, N., Rossi, F., Tung, L. D., Thanh, N. T. K. Nanoparticles-based magnetic and photo induced hyperthermia for cancer treatment. Nano Today. 29, 100795 (2019).
- Das, R., Rinaldi-Montes, N. Boosted Hyperthermia Therapy by Combined AC Magnetic and Photothermal Exposures in Ag/Fe3O4 Nanoflowers. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (38), 25162-25169 (2016).
- Yang, Y., et al. 1D Coordination Polymer Nanofibers for Low-Temperature Photothermal Therapy. Advanced Materials. 29 (40), 1703588 (2017).
- Curcio, A., et al. Iron Oxide Nanoflowers CuS Hybrids for Cancer Tri-Therapy: Interplay of Photothermal Therapy, Magnetic Hyperthermia and Photodynamic Therapy. Theranostics. 9 (5), 1288-1302 (2019).
- Espinosa, A., et al. Hyper)Thermia or Photothermia? Progressive Comparison of Iron Oxide and Gold Nanoparticles Heating in Water, in Cells, and In Vivo. Advanced Functional Materials. 28 (37), 1803660 (2018).
- Xu, C., et al. Magnetic Hyperthermia Ablation of Tumors Using Injectable Fe(3)O(4)/Calcium Phosphate Cement. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (3), 13866-13875 (2015).
- Wilhelm, S., et al. Analysis of nanoparticle delivery to tumours. Nature Reviews Materials. 1, 16014 (2016).
- Chen, H., Zhang, W., Zhu, G., Xie, J., Chen, X. Rethinking cancer nanotheranostics. Nature Reviews Materials. 2, (2017).
- Rapoport, N. Y., Kennedy, A. M., Shea, J. E., Scaife, C. L., Nam, K. H. Controlled and targeted tumor chemotherapy by ultrasound-activated nanoemulsions/microbubbles. Journal of Controlled Release : The Official Journal of the Controlled Release Society. 138 (3), 268-276 (2009).
- Gao, Y., et al. Controlled nanoparticle release from stable magnetic microbubble oscillations. NPG Asia Materials. 8 (4), 260 (2016).
- Bao, B., et al. Mussel-inspired functionalization of semiconducting polymer nanoparticles for amplified photoacoustic imaging and photothermal therapy. Nanoscale. 11 (31), 14727-14733 (2019).
- Wu, H., et al. Enhanced Tumor Synergistic Therapy by Injectable Magnetic Hydrogel Mediated Generation of Hyperthermia and Highly Toxic Reactive Oxygen Species. ACS Nano. 13 (12), 14013-14023 (2019).
- Alzaraa, A., et al. Targeted microbubbles in the experimental and clinical setting. American Journal of Surgery. 204 (3), 355-366 (2012).
