맞춤형 전달 시스템을 사용한 자성 나노입자 온열요법의 체외 및 생체 내 전달

요약

이 프로토콜은 정교한 전달 및 모니터링 시스템을 사용하여 자성 나노입자 온열요법의 정확한 전달에 필요한 기술과 방법론을 제시합니다.

초록

고열은 오랫동안 암 치료에 사용되어 왔습니다. 기술은 뜨거운 철봉의 종양 내 삽입에서 39 ° C (발열 수준)에서 1,000 ° C (전기 소작)까지의 온도에서 전신적으로 전달되는 종양 항체 표적 자성 나노 입자에 이르기까지 다양하며 치료 시간은 몇 초에서 몇 시간까지 다양합니다. 온도-시간 관계(열 선량)는 높은 열 선량으로 인해 조직 절제를 일으키고 열 선량을 낮추면 혈류 증가, 약물 축적 및 면역 자극과 같은 치사 효과가 발생합니다. 현재 가장 유망한 의료 요법 중 하나는 자성 나노입자 온열요법(mNPH)입니다. 이 기술은 비 침습적, 무독성 교류 자기장으로 전신 또는 종양 내로 전달 될 수있는 자성 나노 입자를 활성화하는 것을 포함합니다. 자성 나노 입자의 크기, 구성 및 결합과 자기장의 주파수 및 전계 강도는 주요 가열 결정 요인입니다. 당사는 크고 작은 동물 모델과 배양된 세포에서 재현 가능한 자성 나노입자 온열요법을 전달하기 위한 정교한 기기와 기술을 개발했습니다. 여러 위치에서 연속적인 실시간 온도 모니터링을 사용하는 이 접근 방식은 비표적 조직 가열을 제한하면서 표적 조직(종양) 또는 세포에 잘 정의된 열 투여량을 전달할 수 있습니다. 여러 현장에서 온도를 정밀하게 제어 및 모니터링하고 산업 표준 알고리즘(43°C/CEM43에서 누적 등가 시간)을 사용하여 열 선량을 정확하게 결정하고 정량화할 수 있습니다. 다양한 온도, 열 선량 및 생물학적 효과를 허용하는 당사의 시스템은 상업적 인수와 사내 엔지니어링 및 생물학 개발의 조합을 통해 개발되었습니다. 이 시스템은 생체외, 시험관내 및 생체내 기술 간의 신속한 전환을 허용하는 방식으로 최적화되었다. 이 프로토콜의 목표는 재현 가능하고 정확한 자성 나노입자 치료(mNP) 온열요법을 제공하기 위한 효과적인 기술과 시스템을 설계, 개발 및 구현하는 방법을 입증하는 것입니다.

서론

온열요법은 역사적으로 단독으로 또는 다른 치료법과 함께 암 치료에 사용되어 왔습니다. 오랜 사용 역사를 가지고 있지만이 치료법을 제공하는 가장 유리한 방법은 여전히 논의 중이며 질병 부위와 위치에 따라 다릅니다. 온열요법 전달 방법에는 마이크로파, 고주파, 집속 초음파, 레이저 및 금속 나노입자(예: 금 또는 산화철)1,2,3,4가 포함됩니다. 이러한 전달 방법은 발열 수준에서 수백 °C까지 다양한 치료 온도로 이어질 수 있습니다. 온열요법의 생물학적 효과는 주로 사용되는 온도^{와 치료 기간에} 따라 달라집니다5. 이 원고와 목적을 위해 우리는 자성 나노 입자 온열요법(mNPH)에 초점을 맞추고 있습니다. 이 방법은 무독성, FDA 승인 산화철 나노 입자를 사용하여 집중되고 국소화되고 잘 모니터링되고 제어 된 온도 변화를 허용합니다.

다른 온열요법 양식의 한 가지 함정은 정확한 세포 표적화가 부족하다는 것입니다. 온열요법은 본질적으로 높은 치료율을 갖지 않으므로, 신중한 체온 ....

프로토콜

다트머스 대학 동물 관리 및 사용 프로그램은 미국 실험실 동물 관리 인증 협회 (iAAALAC)의 인증을 받았으며 모든 UDSA 및 NIH (실험 동물 복지 사무소) 지침 및 규정을 준수합니다. 모든 생체 내 연구는 다트머스 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았습니다. 안락사 절차는 동물 안락사에 대한 2020 AVMA 지침을 준수합니다.

1. 시스템의 계측/설계

1. 맞춤형 AMF 안테나(코일)를 폐쇄 루프로 설계하고 원하는 자기장을 생성하기 위해 모양을 선택합니다. 발전기 선택의 인덕턴스 공식과 특성을 사용하여 원하는 필드를 생성하는 호환 가능한 코일을 설계합니다. 시험관 내 및 생체 내 실험에 다양한 디자인을 사용하십시오.
2. AMF 안테나 인덕턴스가 발전기의 허용 범위 내에 있는지 확인합니다. 커패시터를 더하거나 빼서 안테나를 발전기에 일치(조정)합니다.
3. 체외 실험의 경우 1.5mL 튜브를 포함할 수 있는 내경 2cm, 길이 14cm의 14회전 헬리컬 코일을 설계하여 여러 샘플을 동시에 처리할 수 있습니다. 코일을 비닐 폴리머로 절연하고 폴리스티렌 스페이서를 사용하여 튜브에서 코일을 분리하십시오. 설계 사양 및 고려 사항에 대한 자세한 내용은

결과

시험관 내 연구
세포는 자성 나노 입자 / 철과 AMF의 양과 농도가 적절하게 일치하는 경우에만 원하는 온도와 열 선량을 달성하고 유지합니다. 자성 나노입자를 사용하여 체외(및 생체 내)에서 세포를 가열할 때, 내재화된 자성 나노입자가 있는 세포에서 온열요법을 달성하려면 특정 수준의 세포 내 mNP/Fe가 필요하며 mNP 로딩 세포의 수와 근접성이 서로 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 표적 세포/조직의 mNP/Fe 수준이 가열 효과를 달성하기에 충분하면 자기장 주파수와 강도를 조정하여 원하는 온도와 효과를 얻을 수 있습니다. 적절하게 도금되면 다른 용량과시기 간의 유전 적 및 분자 적 차이를 조사하는 추가 연구를 추구 할 수 있습니다¹⁷. 도 1 은 시험관내 방법의 개략도를 나타낸다.

이러한 시험관내 방법은 세포 mRNA 및 단백질 발현 변화를 조.......

토론

이 시스템의 설계 및 구현은 정확하고 재현 가능한 in vitro 및 in vivo 자성 나노입자 온열요법 실험을 수행할 수 있는 기능을 제공합니다. AMF 주파수 및 전계 강도가 자성 나노입자 유형, 농도, 원하는 조직 위치 및 온도와 적절하게 일치하도록 시스템을 설계하는 것이 중요합니다. 또한 실시간으로 온도를 정확하게 모니터링하는 것은 안전과 정확한 열 선량(43°C/CEM에서 누적 등가 시간)을 계산하는 데 매우 중요합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 프로브를 배치하면 그림 2에서 볼 수 있듯이 열량과 심부 체온을 실시간으로 모니터링 할 수 있습니다.

자성 나노입자 온열요법의 정확한 전달을 위한 첫 번째 단계는 동물과 작업자를 위한 안전한 시스템을 구축하는 것입니다. 시스템의 모든 구성 요소는 운영 및 제공 관점에서도 잘 이해되어야합니다. 이 상황에서 이는 AMF 와.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
.25% Trypsin	Corning	45000-664	많은 회사에서 사용 가능
1.5 mL 튜브	Eppendorf	Eppendorf 22363204	많은 회사에서 사용 가능
B16F10 쥐 흑색종 세포	American Type Culture Collection	CRL-6475
C57/Bl6 마우스	Charles river	027C57BL/6	6주 된 암컷 마우스
냉각기		코일을 냉각시키는	NQ 5 시리즈
냉각수 유체	Dow Chemical Company	Dowtherm SR-1	안테나 냉각 유체
Fetal Bovine serum	Hyclone		SH30071 많은 회사에서 구할 수
광섬유 프로브, 소프트웨어 및 섀시	FISO		FISO 진화 소프트웨어는 온도를 읽는 데 사용됩니다
IR 카메라	Flir		의도하지 않은 가열을 모니터링하는 적외선 카메라
철 나노 입자	micromod Partikeltechnologie GmbH	Bionized NanoFerrite	덱스트란 코팅 산화철 나노 입자
마우스 코일, 솔레노이드	Fluxtrol	맞춤형
페니실린/스트렙토마이신	Corning	45000-652	많은 회사에서 사용 가능
RF 발생기	Huttinger	TIG 10/300	전원
RPMI 미디어	Corning	45000-396	많은 회사에서 사용할 수 있습니다

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