Magnetiske, akustiske og optisk-triple-responsive mikrobubbles til magnetisk hypertermi og pothotothermal kombinationskræftbehandling
Summary
Præsenteret her er en protokol for fremstilling af jernoxid nanopartikler-afskallede mikrobobler (NSMs) gennem selvmontering, synergizing magnetisk, akustisk, og optisk lydhørhed i en nanoterapeutisk platform for magnetisk hypertermi og fototermisk kombination kræftbehandling.
Abstract
Præcision levering af anti-cancer agenter, der sigter mod målrettet og dybt trængt levering samt en kontrolleret frigivelse på tumor site er blevet udfordret. Her fremstiller vi nanopartikler af jernoxidskaller (NSMs) gennem selvmontering, synergiserende magnetisk, akustisk og optisk lydhørhed i en nanoterapeutisk platform. Jernoxid nanopartikler tjener som både magnetiske og fototermiske midler. Når intravenøst injiceres, NSMs kan magnetisk guides til tumor site. Ultralyd udløser frigivelsen af jernoxid nanopartikler, hvilket letter indtrængen af nanopartikler dybt ind i tumoren på grund af kavitationseffekten af mikrobubbles. Derefter, magnetisk hypertermi og fototermisk behandling kan udføres på tumoren for kombinationskræft terapi, en løsning for kræftresistens på grund af tumor heterogenitet. I denne protokol blev syntesen og karakteriseringen af NSMs, herunder strukturelle, kemiske, magnetiske og akustiske egenskaber udført. Derudover blev anti-cancer-effekten ved termisk terapi undersøgt ved hjælp af in vitro-cellekulturer. Den foreslåede leveringsstrategi og kombinationsbehandling har store løfter i kræftbehandling for at forbedre både leverings- og anticancer-efficacies.
Introduction
Kræft er en af de dødeligste sygdomme, der forårsager millioner af dødsfald hvert år på verdensplan og enorme økonomiske tab1. I klinikker, konventionelle anticancer behandlinger, såsom kirurgisk resektion, strålebehandling, og kemoterapi stadig ikke kan give en tilfredsstillende terapeutisk effekt2. Begrænsninger af disse behandlinger er høje toksiske bivirkninger, høj gentagelsesrate og høj metastaserhastighed3. For eksempel lider kemoterapi af den lave leveringseffektivitet af kemomedicin netop til tumorstedet4. Den manglende evne til lægemidler til at trænge dybt ind i tumorvævet på tværs af de biologiske barrierer, herunder ekstracellulær matrix og højt tumor interstitielt væsketryk, er også ansvarlig for den lave terapeutiske effekt5. Desuden sker tumorresistensen normalt hos de patienter, der modtog behandling med enkelt kemoterapi6. Derfor har teknikker, hvor termisk ablation af tumor opstår, såsom fototermisk behandling (PTT) og magnetisk hypertermi terapi (MHT), vist lovende resultater for at reducere tumorresistens og er dukket op i kliniske forsøg7,8,9.
PTT udløser termisk ablation af kræftceller ved virkningen af fototermiske konverteringsmidler under bestråling af laserenergien. Den genererede høje temperatur (over 50 °C) fremkalder fuldstændigcellenekrose 10. For ganske nylig blev jernoxid nanopartikler (IONPs) påvist at være et fototermisk konverteringsmiddel, der kan aktiveres af nær-infrarødt (NIR) lys11. På trods af den lave molarabsorptionskoefficient i det nær-infrarøde område er IONP’er kandidater til fototermisk behandling ved lav temperatur (43 °C), en modificeret behandling for at reducere skader forårsaget af varmeeksponering for normalt væv og til at indlede antitumorimmunitet mod tumormetastase12. En af begrænsningerne ved TOT er laserens lave indtrængningsdybde. For dybtliggende tumorer, vekslende magnetfelt (AFM) induceret opvarmning af jernoxid nanopartikler, også kaldet magnetisk hypertermi, er en alternativ behandling for PTT13,14. Den største fordel ved MHT er den høje indtrængning af magnetfelt15. Den krævede relativt høje koncentration af IONP’er er dog fortsat en væsentlig ulempe for dens kliniske anvendelse. Leveringseffektiviteten af nanomedicin (eller nanopartikler) til faste tumorer hos dyr har været 1-10% på grund af en række forhindringer, herunder omsætning, akkumulering og penetration16,17. Derfor er en kontrolleret og målrettet IONPs leveringsstrategi med evnen til at opnå høj vævspenetration af stor interesse for kræftbehandling.
Ultralyd medieret nanopartikler levering har vist sin evne til at lette indtrængen af nanopartikler dybt ind i tumorvævet, på grund af fænomenet kaldet microbubble kavitation18,19. I denne undersøgelse fremstiller vi IONP’er afskallede mikrobobler (NSMs) gennem selvmontering, synergizing magnetisk, akustisk og optisk lydhørhed i en nanoterapeutisk platform. NSM indeholder en luftkerne og en skal af jernoxid nanopartikler med en diameter på ca. 5,4 μm. NSMs kan magnetisk guides til tumorstedet. Derefter udløses frigivelsen af IONPs af ultralyd, ledsaget af mikrobubble kavitation og mikrostreaming. Det momentum, der modtages fra mikrostreaming letter indtrængen af IONPs i tumorvævet. TOT og MHT kan opnås ved NIR laser bestråling eller AFM ansøgning, eller med kombinationen af begge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her præsenterede vi en protokol med fremstilling af jernoxid nanopartikler afskallede mikrobobler (NSMs) gennem selvmontering, synergizing magnetisk, akustisk og optisk lydhørhed i en nanoterapeutisk platform. IONP’erne var tæt pakket omkring luftkernen for at danne en magnetisk skal, som kan styres af det ydre magnetfelt til målretning. Når den er leveret, kan frigivelsen af IONP’er opnås ved ultralydsudløser. De frigivne IONP’er kan aktiveres af både NIR-lys og AFM til TOT og MHT eller kombinationen af begge de…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (81601608) og 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 | |
Riferimenti
- 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).
