Somministrazione in vitro e in vivo dell'ipertermia magnetica con nanoparticelle utilizzando un sistema di consegna personalizzato

Summary

Questo protocollo presenta le tecniche e la metodologia necessarie per la consegna accurata dell’ipertermia delle nanoparticelle magnetiche utilizzando un sofisticato sistema di consegna e monitoraggio.

Abstract

L’ipertermia è stata a lungo utilizzata nel trattamento del cancro. Le tecniche sono variate dall’inserimento intratumorale di barre di ferro calde, a nanoparticelle magnetiche mirate agli anticorpi tumorali erogate per via sistemica, a temperature da 39 ° C (livello di febbre) a 1.000 ° C (elettrocauterizzazione) e tempi di trattamento da secondi a ore. La relazione temperatura-tempo (dose termica) detta l’effetto con alte dosi termiche con conseguente ablazione tissutale e dosi termiche più basse con conseguenti effetti subletali come aumento del flusso sanguigno, accumulo di farmaci e stimolazione immunitaria. Una delle terapie mediche attuali più promettenti è l’ipertermia con nanoparticelle magnetiche (mNPH). Questa tecnica prevede l’attivazione di nanoparticelle magnetiche, che possono essere veicolate sistemicamente o intratumoralmente, con un campo magnetico alternato non invasivo e non tossico. La dimensione, la costruzione e l’associazione delle nanoparticelle magnetiche e la frequenza e l’intensità del campo magnetico sono i principali determinanti del riscaldamento. Abbiamo sviluppato strumentazione e tecniche sofisticate per fornire ipertermia magnetica riproducibile con nanoparticelle in modelli animali grandi e piccoli e cellule in coltura. Questo approccio, che utilizza il monitoraggio continuo della temperatura in tempo reale in più posizioni, consente la somministrazione di dosi termiche ben definite al tessuto bersaglio (tumore) o alle cellule, limitando al contempo il riscaldamento dei tessuti non bersaglio. Il controllo e il monitoraggio precisi della temperatura, in più siti, e l’uso dell’algoritmo standard del settore (minuti equivalenti cumulativi a 43 °C / CEM43), consente una determinazione e una quantificazione accurate della dose termica. Il nostro sistema, che consente un’ampia varietà di temperature, dosi termiche ed effetti biologici, è stato sviluppato attraverso una combinazione di acquisizioni commerciali e sviluppi interni di ingegneria e biologia. Questo sistema è stato ottimizzato in modo da consentire la rapida conversione tra tecniche ex vivo, in vitro e in vivo. L’obiettivo di questo protocollo è dimostrare come progettare, sviluppare e implementare una tecnica e un sistema efficaci per fornire ipertermia riproducibile e accurata con terapia magnetica con nanoparticelle (mNP).

Introduction

L’ipertermia è stata storicamente utilizzata nella terapia del cancro, da sola o in combinazione con altri trattamenti. Sebbene abbia una lunga storia di utilizzo, il metodo più vantaggioso per fornire questo trattamento è ancora in discussione e dipende dal sito e dalla posizione della malattia. I metodi per la somministrazione di ipertermia includono microonde, radiofrequenza, ultrasuoni focalizzati, laser e nanoparticelle metalliche (come oro o ossido di ferro)1,2,3,4. Questi metodi di somministrazione possono portare a una gamma di temperature di trattamento dal livello di febbre fino a centinaia di gradi C. L’effetto biologico dell’ipertermia dipende principalmente dalle temperature utilizzate e dalla durata del trattamento⁵. Per questo manoscritto e scopo, ci stiamo concentrando sull’ipertermia delle nanoparticelle magnetiche (mNPH). Questo metodo consente variazioni di temperatura focalizzate, localizzate, ben monitorate e controllate, utilizzando nanoparticelle di ossido di ferro non tossiche, approvate dalla FDA.

Una trappola di altre modalità di ipertermia è la mancanza di un preciso targeting cellulare; L’ipertermia non ha un rapporto terapeutico intrinsecamente elevato, pertanto è necessaria un’attenta termometria e targeting⁶. mNPH consente l’iniezione sistemica o intratumorale di mNP, con il calore generato solo dove si trovano gli mNP, indirizzando così il trattamento direttamente al tumore. mNPH può essere efficace quando le nanoparticelle magnetiche si trovano all’interno o all’esterno della cellula. Per la terapia del cancro, la panoramica generale di mNPH è che le nanoparticelle magnetiche vengono iniettate (per via intratumorale o endovenosa), quindi viene applicato un campo magnetico alternato, causando il costante riallineamento dei poli magnetici delle nanoparticelle, portando ad un riscaldamento localizzato delle cellule e dei tessuti associati alle nanoparticelle ^7,8 . Regolando il volume delle nanoparticelle e la frequenza/forza del campo magnetico alternato (AMF), è possibile controllare attentamente la temperatura generata all’interno del tessuto.

Questo trattamento funziona bene nei tumori che si trovano vicino alla superficie corporea, poiché i tumori più profondi richiedono AMF più forte, quindi il rischio di riscaldamento a correnti parassite aumenta⁹. Ci sono prove che l’ipertermia viene utilizzata clinicamente come monoterapia, tuttavia, spesso l’ipertermia è combinata con radioterapia o chemioterapia, portando ad un effetto anti-cancro più mirato^10,11,12. L’evidenza clinica dell’ipertermia che funziona in combinazione con la radioterapia è stata esaminata in una precedente pubblicazione¹³. Il nostro laboratorio ha trattato con successo una varietà di animali, dai topi ai maiali e tumori canini spontanei, utilizzando il metodo mNPH^12,14,15. Questo protocollo è progettato per coloro che sono interessati a studiare gli effetti del trattamento di ipertermia localizzata, da solo o in combinazione con altre terapie.

Uno dei fattori più importanti nell’ipertermia è essere in grado di misurare e comprendere, in tempo reale, la dose termica erogata al tessuto bersaglio/tumorale. Un metodo standard per calcolare e confrontare la dose consiste nella dimostrazione dei minuti equivalenti cumulativi di riscaldamento a 43 °C; Questo algoritmo consente di confrontare le dosi indipendentemente dal sistema di erogazione, le temperature massime e minime (all’interno di un intervallo specifico) e i parametri di riscaldamento/raffreddamento ^5,16. Il calcolo CEM funziona meglio per temperature comprese tra 39-57 °C⁵. Ad esempio, in alcuni degli studi che abbiamo eseguito, abbiamo scelto una dose termica di CEM43 30 (cioè 30 minuti a 43 °C). La scelta di questa dose ci ha permesso di esaminare un sicuro, efficace, effetti immunogenetici in vitro, sia da solo, sia in combinazione con una singola dose di radiazioni¹⁷.

Con l’ipertermia magnetica a nanoparticelle, ci sono diversi fattori che devono essere considerati nella costruzione di un sistema di consegna appropriato. La progettazione della strumentazione include importanti fattori di sicurezza, come l’uso di un refrigeratore per garantire che l’apparecchiatura di erogazione del campo magnetico rimanga fredda anche quando funziona ad alta potenza e procedure fail-safe che impediscono l’accensione del sistema se tutti i sistemi di temperatura, valutazione della potenza e controllo non sono stati attivati. Inoltre, ci sono importanti fattori biologici che devono essere considerati sia in situazioni in vivo che in vitro. Quando si utilizzano cellule in coltura, è necessario trattare nei terreni di crescita e mantenere una temperatura vitale costante per evitare cambiamenti fisiologici che potrebbero influenzare i risultati. Per i singoli tipi di nanoparticelle, è importante conoscere il tasso di assorbimento specifico (SAR) quando si calcolano i parametri di riscaldamento basati su AMF. Allo stesso modo, è importante conoscere la concentrazione di mNP/Fe, nelle cellule e nei tessuti, necessaria per ottenere il riscaldamento desiderato. I metodi in vivo richiedono ancora più attenzione ai dettagli poiché l’animale deve essere mantenuto in anestesia durante il trattamento e la temperatura corporea interna dell’animale deve essere mantenuta a un livello normale durante tutto il trattamento. Permettere all’animale di abbassarsi della temperatura corporea, come avviene in anestesia, può influire sui risultati complessivi, rispetto alla dose termica del tessuto da trattare.

In questo manoscritto, discutiamo i metodi utilizzati per progettare e costruire un versatile sistema di ipertermia magnetica a nanoparticelle, nonché importanti fattori d’uso che devono essere considerati. Il sistema descritto consente la somministrazione robusta, coerente, biologicamente appropriata, sicura e ben controllata dell’ipertermia di nanoparticelle magnetiche. Infine, va notato che gli studi mNPH che conduciamo spesso coinvolgono altre terapie come radioterapia, chemioterapia e immunoterapia. Affinché questi risultati siano significativi, è importante determinare in che modo il calore erogato può influenzare l’efficacia e/o la sicurezza-tossicità di altre modalità (o viceversa) e il benessere dell’animale. Per questo motivo e per le situazioni dosimetriche e terapeutiche precedentemente menzionate, è essenziale prestare la massima attenzione all’accuratezza del dosaggio dell’ipertermia con nanoparticelle magnetiche e alle misurazioni continue della temperatura del nucleo e del target. L’obiettivo di questo protocollo è fornire un metodo e una descrizione semplici e coerenti per la somministrazione di ipertermia magnetica a nanoparticelle sicura ed efficace.

Protocol

Il Dartmouth College Animal Care and Use Program è accreditato dall’American Association for the Accreditation of Laboratory Animal Care (iAAALAC) e aderisce a tutte le linee guida e i regolamenti UDSA e NIH (Office of Laboratory Animal Welfare). Tutti gli studi in vivo sono stati approvati dal Dartmouth College Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). La procedura di eutanasia aderisce alle linee guida AVMA 2020 per l’eutanasia degli animali. 1. Strumentazione/progettazion…

Representative Results

Studi in vitroLe cellule raggiungeranno e manterranno la temperatura e la dose termica desiderate solo se la quantità e la concentrazione delle nanoparticelle magnetiche / ferro e dell’AMF sono opportunamente abbinate. Quando si utilizzano nanoparticelle magnetiche per riscaldare le cellule in vitro (e in vivo), va notato che per ottenere l’ipertermia in cellule con nanoparticelle magnetiche internalizzate, sarà necessario un livello specifico di mNP / Fe intracellulare e sarà necessario il numero…

Discussion

La progettazione e l’implementazione di questo sistema fornisce la capacità di condurre esperimenti accurati e riproducibili in vitro e in vivo di ipertermia di nanoparticelle magnetiche. È fondamentale che il sistema sia progettato in modo tale che la frequenza AMF e l’intensità del campo siano adeguatamente abbinate al tipo di nanoparticelle magnetiche, alla concentrazione, alla posizione e alla temperatura del tessuto desiderate. Inoltre, il monitoraggio accurato della temperatura in tempo reale è fondamentale per…

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