In-vitro- und In-vivo-Verabreichung von magnetischer Nanopartikel-Hyperthermie mit einem maßgeschneiderten Verabreichungssystem

Summary

Dieses Protokoll stellt Techniken und Methoden vor, die für die genaue Verabreichung von magnetischer Nanopartikel-Hyperthermie unter Verwendung eines ausgeklügelten Verabreichungs- und Überwachungssystems erforderlich sind.

Abstract

Hyperthermie wird seit langem bei der Behandlung von Krebs eingesetzt. Die Techniken reichen von der intratumoralen Einführung von heißen Eisenstäben bis hin zu systemisch verabreichten magnetischen Nanopartikeln, die auf Tumorantikörper abzielen, bei Temperaturen von 39 °C (Fieber) bis 1.000 °C (Elektrokauterisation) und Behandlungszeiten von Sekunden bis Stunden. Die Temperatur-Zeit-Beziehung (thermische Dosis) bestimmt die Wirkung mit hohen thermischen Dosen, die zur Gewebeablation führen, und niedrigeren thermischen Dosen, die zu subletalen Effekten wie erhöhtem Blutfluss, Akkumulation von Medikamenten und Immunstimulation führen. Eine der vielversprechendsten medizinischen Therapien ist die magnetische Nanopartikel-Hyperthermie (mNPH). Bei dieser Technik werden magnetische Nanopartikel, die systemisch oder intratumoral abgegeben werden können, mit einem nicht-invasiven, nicht-toxischen magnetischen Wechselfeld aktiviert. Die Größe, der Aufbau und die Assoziation der magnetischen Nanopartikel sowie die Frequenz und Feldstärke des Magnetfeldes sind wichtige Erwärmungsdeterminanten. Wir haben ausgeklügelte Instrumente und Techniken entwickelt, um eine reproduzierbare magnetische Nanopartikel-Hyperthermie in großen und kleinen Tiermodellen und kultivierten Zellen zu ermöglichen. Dieser Ansatz, der eine kontinuierliche Echtzeit-Temperaturüberwachung an mehreren Standorten verwendet, ermöglicht die Abgabe genau definierter thermischer Dosen an das Zielgewebe (Tumor) oder die Zielzellen, während die Erwärmung des Nicht-Zielgewebes begrenzt wird. Die präzise Steuerung und Überwachung der Temperatur an mehreren Standorten und die Verwendung des Industriestandardalgorithmus (kumulative äquivalente Minuten bei 43 °C /CEM43) ermöglichen eine genaue Bestimmung und Quantifizierung der thermischen Dosis. Unser System, das eine Vielzahl von Temperaturen, thermischen Dosen und biologischen Effekten ermöglicht, wurde durch eine Kombination aus kommerziellen Akquisitionen und internen technischen und biologischen Entwicklungen entwickelt. Dieses System wurde so optimiert, dass eine schnelle Umstellung zwischen Ex-vivo-, In-vitro- und In-vivo-Techniken möglich ist. Das Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie eine effektive Technik und ein System zur Bereitstellung einer reproduzierbaren und genauen magnetischen Nanopartikeltherapie (mNP) Hyperthermie entworfen, entwickelt und implementiert werden können.

Introduction

Hyperthermie wurde in der Vergangenheit in der Krebstherapie eingesetzt, entweder allein oder in Kombination mit anderen Behandlungen. Obwohl es eine lange Geschichte der Verwendung hat, wird die vorteilhafteste Methode zur Verabreichung dieser Behandlung immer noch diskutiert und hängt vom Krankheitsort und -ort ab. Zu den Verfahren zur Hyperthermieabgabe gehören Mikrowellen-, Hochfrequenz-, fokussierter Ultraschall, Laser und metallische Nanopartikel (wie Gold oder Eisenoxid)1,2,3,4. Diese Verabreichungsmethoden können zu einer Reihe von Behandlungstemperaturen von Fieber bis zu Hunderten von Grad Celsius führen. Die biologische Wirkung der Hyperthermie hängt in erster Linie von den verwendeten Temperaturen und der Dauer der Behandlung^{ab 5}. Für dieses Manuskript und Zweck konzentrieren wir uns auf die magnetische Nanopartikel-Hyperthermie (mNPH). Diese Methode ermöglicht fokussierte, lokalisierte, gut überwachte und kontrollierte Temperaturänderungen unter Verwendung von ungiftigen, von der FDA zugelassenen Eisenoxid-Nanopartikeln.

Ein Fallstrick bei anderen Hyperthermie-Modalitäten ist das Fehlen eines präzisen zellulären Targetings. Hyperthermie hat kein inhärent hohes therapeutisches Verhältnis, daher ist eine sorgfältige Thermometrie und gezieltes Targeting erforderlich⁶. mNPH ermöglicht die systemische oder intratumorale Injektion von mNPs, wobei Wärme nur dort erzeugt wird, wo sich die mNPs befinden, wodurch die Behandlung direkt auf den Tumor ausgerichtet ist. mNPH kann wirksam sein, wenn sich die magnetischen Nanopartikel innerhalb oder außerhalb der Zelle befinden. Für die Krebstherapie ist die allgemeine Übersicht von mNPH, dass die magnetischen Nanopartikel injiziert werden (intratumoral oder intravenös), dann wird ein magnetisches Wechselfeld angelegt, wodurch sich die magnetischen Pole der Nanopartikel ständig neu ausrichten, was zu einer lokalen Erwärmung der Zellen und des Gewebes führt, die mit den Nanopartikeln assoziiert^{sind 7,8} . Durch die Einstellung des Volumens der Nanopartikel und der Frequenz/Stärke des magnetischen Wechselfeldes (AMF) ist es möglich, die im Gewebe erzeugte Temperatur sorgfältig zu steuern.

Diese Behandlung funktioniert gut bei Tumoren, die sich in der Nähe der Körperoberfläche befinden, da tiefere Tumore eine stärkere AMF erfordern, so dass das Risiko einer Wirbelstromerwärmung steigt⁹. Es gibt Hinweise darauf, dass Hyperthermie klinisch als Monotherapie eingesetzt wird, jedoch wird Hyperthermie oft mit einer Strahlentherapie oder Chemotherapie kombiniert, was zu einer gezielteren Anti-Krebs-Wirkung führt^10,11,12. Der klinische Nachweis von Hyperthermie in Kombination mit einer Strahlentherapie wurde in einer früheren Veröffentlichung^{überprüft 13}. Unser Labor hat eine Vielzahl von Tieren, von Mäusen über Schweine bis hin zu spontanen Krebserkrankungen bei Hunden, mit der mNPH-Methode^12,14,15 erfolgreich behandelt. Dieses Protokoll richtet sich an alle, die daran interessiert sind, die Auswirkungen einer lokalisierten Hyperthermiebehandlung allein oder in Kombination mit anderen Therapien zu untersuchen.

Einer der wichtigsten Faktoren bei der Hyperthermie ist die Fähigkeit, die thermische Dosis, die an das Ziel-/Tumorgewebe abgegeben wird, in Echtzeit zu messen und zu verstehen. Eine Standardmethode zur Berechnung und zum Vergleich der Dosis ist der Nachweis der kumulativen äquivalenten Erhitzungsminuten bei 43 °C. Dieser Algorithmus ermöglicht den Vergleich von Dosen unabhängig vom Abgabesystem, maximalen und minimalen Temperaturen (innerhalb eines bestimmten Bereichs) und Aufheiz-/Abkühlparametern ^5,16. Die CEM-Berechnung funktioniert am besten für Temperaturen zwischen 39-57 °C⁵. Zum Beispiel haben wir in einigen der von uns durchgeführten Studien eine thermische Dosis von CEM43 30 (d.h. 30 min bei 43 °C) gewählt. Die Wahl dieser Dosis ermöglichte es uns, eine sichere, wirksame, immungenetische Wirkung in vitro zu untersuchen, sowohl allein als auch in Kombination mit einer Einzeldosis^{Strahlung 17}.

Bei der magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie gibt es mehrere Faktoren, die beim Aufbau eines geeigneten Verabreichungssystems berücksichtigt werden müssen. Das Instrumentierungsdesign umfasst wichtige Sicherheitsfaktoren, wie z. B. die Verwendung eines Kühlers, um sicherzustellen, dass die Magnetfeldübertragungsgeräte auch bei hoher Leistung kühl bleiben, und ausfallsichere Verfahren, die verhindern, dass das System eingeschaltet wird, wenn nicht alle Temperatur-, Leistungsbewertungs- und Steuerungssysteme aktiviert wurden. Darüber hinaus gibt es wichtige biologische Faktoren, die sowohl für In-vivo- als auch für In-vitro-Situationen berücksichtigt werden müssen. Bei der Verwendung von kultivierten Zellen ist es notwendig, in Wachstumsmedien zu behandeln und auf einer konstanten lebensfähigen Temperatur zu halten, um physiologische Veränderungen zu vermeiden, die die Ergebnisse beeinflussen könnten. Für einzelne Nanopartikeltypen ist es wichtig, die spezifische Absorptionsrate (SAR) zu kennen, wenn AMF-basierte Heizparameter berechnet werden. Ebenso ist es wichtig, die mNP/Fe-Konzentration in Zellen und Geweben zu kennen, die notwendig ist, um die gewünschte Erwärmung zu erreichen. In-vivo-Methoden erfordern noch mehr Liebe zum Detail, da das Tier während der Behandlung unter Narkose gehalten werden muss und die Körperkerntemperatur des Tieres während der gesamten Behandlung auf einem normalen Niveau gehalten werden muss. Wenn die Körpertemperatur des Tieres sinkt, wie dies unter Narkose der Fall ist, kann dies das Gesamtergebnis in Bezug auf die thermische Dosis des zu behandelnden Gewebes beeinflussen.

In diesem Manuskript diskutieren wir die Methoden, die verwendet werden, um ein vielseitiges magnetisches Nanopartikel-Hyperthermiesystem zu entwerfen und zu konstruieren, sowie wichtige Anwendungsfaktoren, die berücksichtigt werden müssen. Das beschriebene System ermöglicht die robuste, konsistente, biologisch angemessene, sichere und gut kontrollierte Abgabe von magnetischer Nanopartikel-Hyperthermie. Schließlich ist zu beachten, dass die von uns durchgeführten mNPH-Studien häufig andere Therapien wie Bestrahlung, Chemotherapie und Immuntherapie beinhalten. Damit diese Ergebnisse aussagekräftig sind, ist es wichtig zu bestimmen, wie sich die abgegebene Wärme auf die Wirksamkeit und/oder Sicherheitstoxizität anderer Modalitäten (oder umgekehrt) und das Wohlbefinden des Tieres auswirken kann. Aus diesem Grund und den zuvor genannten Dosimetrie- und Therapiesituationen ist es unerlässlich, der Dosiergenauigkeit der magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie und den kontinuierlichen Kern- und Zieltemperaturmessungen strikte Aufmerksamkeit zu schenken. Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine einfache, konsistente Methode und Beschreibung für die Bereitstellung einer sicheren und effektiven magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie bereitzustellen.

Protocol

Das Dartmouth College Animal Care and Use Program ist von der American Association for the Accreditation of Laboratory Animal Care (iAAALAC) akkreditiert und hält sich an alle Richtlinien und Vorschriften von UDSA und NIH (Office of Laboratory Animal Welfare). Alle In-vivo-Studien wurden vom Dartmouth College Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) genehmigt. Das Euthanasieverfahren entspricht den AVMA-Richtlinien für die Euthanasie von Tieren aus dem Jahr 2020. 1. Instrum…

Representative Results

In-vitro-StudienZellen erreichen und halten die gewünschte Temperatur und thermische Dosis nur dann aufrecht, wenn die Menge und Konzentration der magnetischen Nanopartikel / Eisen und der AMF entsprechend abgestimmt sind. Bei der Verwendung von magnetischen Nanopartikeln zur Erwärmung von Zellen in vitro (und in vivo) sollte beachtet werden, dass zur Erzielung einer Hyperthermie in Zellen mit internalisierten magnetischen Nanopartikeln ein bestimmtes Maß an intrazellulärem mNP / Fe erforderlich …

Discussion

Das Design und die Implementierung dieses Systems bietet die Möglichkeit, genaue und reproduzierbare In-vitro- und In-vivo-Experimente zur magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie durchzuführen. Es ist wichtig, dass das System so ausgelegt ist, dass die AMF-Frequenz und die Feldstärke angemessen auf den magnetischen Nanopartikeltyp, die Konzentration und die gewünschte Gewebeposition und -temperatur abgestimmt sind. Darüber hinaus ist die genaue Überwachung der Temperatur in Echtzeit entscheidend für die Sicherheit …

Materials

.25% Trypsin	Corning	45000-664	available from many companies
1.5 mL tubes	Eppendorf	Eppendorf 22363204	available from many companies
B16F10 murine melanoma cells	American Type Culture Collection	CRL-6475
C57/Bl6 mice	Charles river	027C57BL/6	6-week-old female mice
Chiller	Thermal Care	NQ 5 series	chiller that cools the coil
Coolant fluid	Dow Chemical Company	Dowtherm SR-1	antenna cooling fluid
Fetal Bovine serum	Hyclone	SH30071	available from many companies
fiber optic probes, software and chassis	FISO		FISO evolution software used to read the temperatures
IR camera	Flir		infrared camera to monitor unintentional heating
iron oxide nanoparticles	micromod Partikeltechnologie GmbH	Bionized NanoFerrite	dextran coated iron oxide nanoparticles
mouse coil, solenoid	Fluxtrol	custom built
penicillin/streptomycin	Corning	45000-652	available from many companies
RF generator	Huttinger	TIG 10/300	power source
RPMI media	Corning	45000-396	available from many companies