磁気温熱療法とポト温熱併用がん治療のための磁気、音響、光三重応答性マイクロバブル
Summary
ここでは、自己集合体を介した酸化鉄ナノ粒子殻状マイクロバブル(NSM)の製造プロトコルであり、磁気高熱および光熱併用がん治療のための1つのナノ治療プラットフォームにおける磁気、音響、および光応答性を相乗化する。
Abstract
標的と深く浸透した送達を目指す抗がん剤の精密送達と、腫瘍部位での制御放出が課題となっている。ここでは、自己集合、磁気、音響、光学応答性を1つのナノ治療プラットフォームで相乗化することにより、酸化鉄ナノ粒子殻付きマイクロバブル(NSM)を製造します。酸化鉄ナノ粒子は、磁気と光熱の両方の薬剤として機能します。静脈内注射後、NSMは、腫瘍部位に磁気的に誘導することができる。超音波は酸化鉄ナノ粒子の放出を引き起こし、マイクロバブルのキャビテーション効果のためにナノ粒子の深部腫瘍への浸透を促進する。その後、結合癌治療のために腫瘍に対して磁気温熱療法および光熱療法を行うことができるが、腫瘍不均一性による癌耐性の解決策である。このプロトコルでは、構造、化学的、磁気および音響特性を含むNSMの合成および特性評価が行われた。また、熱療法による抗癌効果について、インビトロ細胞培養を用いて検討した。提案された送達戦略と併用療法は、出産と抗癌の両方の有効性を改善するために癌治療において大きな約束を保持する。
Introduction
がんは最も致命的な病気の1つであり、世界中で毎年何百万人もの死者を出し、経済的損失が大きい1.診療所では、外科的切除、放射線療法、および化学療法などの従来の抗癌療法は、依然として満足のいく治療効果2を提供できない。これらの療法の制限は、高毒性の副作用、高い再発率および高転移率3である。例えば、化学療法は、腫瘍部位4に正確に化学療法の低い送達効率に苦しんでいる。細胞外マトリックスや高腫瘍間質液圧を含む生物学的障壁を越えて腫瘍組織に深く浸透する薬物の不全は、治療効果の低さ5にも関与する。また、腫瘍抵抗は通常、単一の化学療法6によって治療を受けた患者で起こる。そこで、光熱療法(PTT)や磁気高熱療法(MHT)などの腫瘍の熱アブレーションが起こる技術は、腫瘍抵抗性を低減する有望な結果を示しており、臨床試験7、8、9で出現している。
PTTは、レーザーエネルギーの照射下での光熱変換剤の作用により、癌細胞の熱アブレーションを引き起こす。生成された高温(50°C以上)は、完全な細胞壊死を誘発する10。ごく最近、鉄酸化物ナノ粒子(IONP)は、近赤外(NIR)光11によって活性化することができる光熱変換剤であることが実証された。 近赤外域におけるモル吸収係数が低いにもかかわらず、IONPは低温(43°C)光熱療法の候補であり、正常組織への熱暴露による損傷を軽減し、腫瘍転移12に対する抗腫瘍免疫を開始する修飾療法である。PTT の制限の 1 つは、レーザーの低い貫通深さです。深い座った腫瘍については、酸化鉄ナノ粒子の交流磁場(AFM)誘導加熱(磁気高熱と呼ばれる)は、PTT13,14の代替療法である。MHTの主な利点は、磁場15の高い浸透です。しかし、IONPの比較的高濃度が必要なのは、その臨床応用にとって大きな欠点である。動物における固形腫瘍へのナノメディシン(またはナノ粒子)の送達効率は、循環、蓄積、および浸透16、17を含む一連の障害のために1〜10%であった。したがって、高い組織浸透を達成する能力を持つ制御され、標的を絞ったIONPsデリバリー戦略は、がん治療に大きな関心を持っています。
超音波媒介ナノ粒子送達は、マイクロバブルキャビテーション18、19と呼ばれる現象のために、腫瘍組織に深部にナノ粒子の浸透を促進する能力を示している。本研究では、自己集合、磁気、音響、光学応答性を1つのナノ治療プラットフォームで相乗的に行い、IONPsシェルマイクロバブル(NSM)を製造する。NSMには、空気コアと酸化鉄ナノ粒子のシェルが含まれ、直径は約5.4μmです。NSMは、腫瘍部位に磁気的に誘導することができる。その後、IONPの放出は、マイクロバブルキャビテーションとマイクロストリーミングを伴う超音波によって引き起こされます。マイクロストリーミングから受けた運動量は、腫瘍組織へのIONPの浸透を促進する。PTTおよびMHTはNIRレーザー照射かAFMの適用によって、または両方の組合せによって達成することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、自己集合による酸化鉄ナノ粒子殻付きマイクロバブル(NSM)を、1つのナノ治療プラットフォームで相乗的な磁気、音響、および光学応答性を持つプロトコルを発表した。IONPは空気コアの周りに密に詰め込んで磁気シェルを形成し、ターゲティングのための外部磁場によって制御することができます。一度配信されると、IONPのリリースは、超音波トリガーによって達成することがで?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国立自然科学財団(81601608)とNUPTSF(NY216024)によって支援されました。
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).
