التسليم في المختبر وفي الجسم الحي لارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية باستخدام نظام توصيل مصمم خصيصا
Summary
يقدم هذا البروتوكول التقنيات والمنهجية اللازمة للتوصيل الدقيق لارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية باستخدام نظام توصيل ومراقبة متطور.
Abstract
منذ فترة طويلة يستخدم ارتفاع الحرارة في علاج السرطان. تنوعت التقنيات من إدخال قضبان الحديد الساخن داخل الورم ، إلى الجسيمات النانوية المغناطيسية التي تستهدف الأجسام المضادة للورم بشكل منهجي ، في درجات حرارة تتراوح من 39 درجة مئوية (مستوى الحمى) إلى 1000 درجة مئوية (الكي الكهربائي) وأوقات العلاج من ثوان إلى ساعات. تحدد العلاقة بين درجة الحرارة والوقت (الجرعة الحرارية) التأثير مع الجرعات الحرارية العالية التي تؤدي إلى استئصال الأنسجة والجرعات الحرارية المنخفضة مما يؤدي إلى تأثيرات شبه مميتة مثل زيادة تدفق الدم وتراكم الأدوية والتحفيز المناعي. واحدة من العلاجات الطبية الحالية الواعدة هي ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية (mNPH). تتضمن هذه التقنية تنشيط الجسيمات النانوية المغناطيسية ، التي يمكن توصيلها بشكل منهجي أو داخل الورم ، باستخدام مجال مغناطيسي متناوب غير جراحي وغير سام. يعد حجم الجسيمات النانوية المغناطيسية وبنائها وارتباطها وتردد المجال المغناطيسي وشدة مجاله من محددات التسخين الرئيسية. لقد طورنا أجهزة وتقنيات متطورة لتقديم ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية القابلة للتكرار في نماذج الحيوانات الكبيرة والصغيرة والخلايا المستزرعة. يسمح هذا النهج ، باستخدام المراقبة المستمرة لدرجة الحرارة في الوقت الفعلي في مواقع متعددة ، بتوصيل جرعات حرارية محددة جيدا إلى الأنسجة المستهدفة (الورم) أو الخلايا مع الحد من تسخين الأنسجة غير المستهدفة. يسمح التحكم الدقيق في درجة الحرارة ومراقبتها ، في مواقع متعددة ، واستخدام الخوارزمية القياسية الصناعية (الدقائق المكافئة التراكمية عند 43 درجة مئوية / CEM43) ، بتحديد دقيق وقياس الكمية للجرعة الحرارية. تم تطوير نظامنا ، الذي يسمح بمجموعة متنوعة من درجات الحرارة والجرعات الحرارية والتأثيرات البيولوجية ، من خلال مجموعة من عمليات الاستحواذ التجارية والتطورات الهندسية والبيولوجية الداخلية. تم تحسين هذا النظام بطريقة تسمح بالتحويل السريع بين تقنيات خارج الجسم الحي وفي المختبر وفي الجسم الحي. الهدف من هذا البروتوكول هو توضيح كيفية تصميم وتطوير وتنفيذ تقنية ونظام فعالين لتقديم علاج دقيق ودقيق للجسيمات النانوية (mNP) لارتفاع الحرارة.
Introduction
تاريخيا ، تم استخدام ارتفاع الحرارة في علاج السرطان ، إما بمفرده أو بالاشتراك مع علاجات أخرى. على الرغم من أن لها تاريخا طويلا من الاستخدام ، إلا أن الطريقة الأكثر فائدة لتقديم هذا العلاج لا تزال قيد المناقشة وتعتمد على موقع المرض وموقعه. تشمل طرق توصيل ارتفاع الحرارة الميكروويف ، والترددات الراديوية ، والموجات فوق الصوتية المركزة ، والليزر ، والجسيمات النانوية المعدنية (مثل الذهب أو أكسيد الحديد) 1،2،3،4. يمكن أن تؤدي طرق التسليم هذه إلى مجموعة من درجات حرارة العلاج من مستوى الحمى إلى مئات الدرجات المئوية. يعتمد التأثير البيولوجي لارتفاع الحرارة في المقام الأول على درجات الحرارة المستخدمة ومدة العلاج5. لهذه المخطوطة والغرض ، نركز على ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية (mNPH). تسمح هذه الطريقة بتغيرات درجة الحرارة المركزة والموضعية والمراقبة جيدا والتحكم فيها ، باستخدام جسيمات أكسيد الحديد النانوية غير السامة والمعتمدة من إدارة الغذاء والدواء.
أحد مآزق طرق ارتفاع الحرارة الأخرى هو عدم وجود استهداف خلوي دقيق. لا يحتوي ارتفاع الحرارة على نسبة علاجية عالية بطبيعتها ، لذلك ، فإن القياس الحراري الدقيق والاستهداف ضروريان6. يسمح mNPH بالحقن الجهازي أو داخل الورم ل mNPs ، مع توليد الحرارة فقط حيث توجد mNPs ، وبالتالي استهداف العلاج للورم مباشرة. يمكن أن يكون mNPH فعالا عندما توجد الجسيمات النانوية المغناطيسية داخل الخلية أو خارجها. بالنسبة لعلاج السرطان ، فإن النظرة العامة على mNPH هي أن الجسيمات النانوية المغناطيسية يتم حقنها (داخل الورم أو في الوريد) ، ثم يتم تطبيق مجال مغناطيسي متناوب ، مما يتسبب في إعادة تنظيم الأقطاب المغناطيسية للجسيمات النانوية باستمرار ، مما يؤدي إلى تسخين موضعي للخلايا والأنسجة المرتبطة بالجسيمات النانوية 7,8 . من خلال ضبط حجم الجسيمات النانوية وتردد / قوة المجال المغناطيسي المتناوب (AMF) ، من الممكن التحكم بعناية في درجة الحرارة المتولدة داخل الأنسجة.
يعمل هذا العلاج بشكل جيد في الأورام القريبة من سطح الجسم ، حيث تتطلب الأورام العميقة AMF أقوى ، لذا يزيد خطر تسخين التيار الدوامي9. هناك أدلة على استخدام ارتفاع الحرارة سريريا كعلاج وحيد ، ومع ذلك ، في كثير من الأحيان يتم الجمع بين ارتفاع الحرارة والعلاج الإشعاعي أو العلاج الكيميائي ، مما يؤدي إلى تأثير مضاد للسرطان أكثر استهدافا10،11،12. تمت مراجعة الأدلة السريرية لارتفاع الحرارة التي تعمل مع العلاج الإشعاعي في منشور سابق13. نجح مختبرنا في علاج مجموعة متنوعة من الحيوانات ، من الفئران إلى الخنازير وسرطانات الكلاب العفوية ، باستخدام طريقة mNPH12،14،15. تم تصميم هذا البروتوكول للمهتمين بالتحقيق في آثار علاج ارتفاع الحرارة الموضعي ، إما بمفرده أو بالاشتراك مع علاجات أخرى.
أحد أهم العوامل في ارتفاع الحرارة هو القدرة على قياس وفهم ، في الوقت الفعلي ، الجرعة الحرارية التي يتم توصيلها إلى النسيج المستهدف / الورم. الطريقة القياسية لحساب الجرعة ومقارنتها هي من خلال إظهار الدقائق المكافئة التراكمية للتسخين عند 43 درجة مئوية. تسمح هذه الخوارزمية بمقارنة الجرعات المستقلة عن نظام التسليم ، ودرجات الحرارة القصوى والدنيا (ضمن نطاق معين) ومعلمات التسخين / التبريد 5,16. يعمل حساب CEM بشكل أفضل لدرجات الحرارة بين 39-57 درجة مئوية5. على سبيل المثال ، في بعض الدراسات التي أجريناها ، اخترنا جرعة حرارية من CEM43 30 (أي 30 دقيقة عند 43 درجة مئوية). سمح لنا اختيار هذه الجرعة بالنظر إلى تأثيرات مناعية آمنة وفعالة في المختبر ، بمفردها ، وبالاقتران مع جرعة واحدة من الإشعاع17.
مع ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية ، هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند بناء نظام توصيل مناسب. يتضمن تصميم الأجهزة عوامل أمان مهمة ، مثل استخدام مبرد لضمان بقاء معدات توصيل المجال المغناطيسي باردة حتى عند تشغيلها بطاقة عالية ، وإجراءات آمنة من الفشل تمنع تشغيل النظام إذا لم يتم تنشيط جميع أنظمة درجة الحرارة وتقييم الطاقة والتحكم. بالإضافة إلى ذلك ، هناك عوامل بيولوجية مهمة يجب مراعاتها في كل من الحالات في الجسم الحي وفي المختبر. عند استخدام الخلايا المستزرعة ، من الضروري المعالجة في وسط النمو والحفاظ عليها في درجة حرارة ثابتة قابلة للحياة لتجنب التغيرات الفسيولوجية التي يمكن أن تؤثر على النتائج. بالنسبة لأنواع الجسيمات النانوية الفردية ، من المهم معرفة معدل الامتصاص المحدد (SAR) عند حساب معلمات التسخين القائمة على AMF. وبالمثل ، من المهم معرفة تركيز mNP / Fe ، في الخلايا والأنسجة ، وهو أمر ضروري لتحقيق التسخين المطلوب. تتطلب الطرق في الجسم الحي مزيدا من الاهتمام بالتفاصيل حيث يجب الحفاظ على الحيوان تحت التخدير أثناء العلاج والحفاظ على درجة حرارة الجسم الأساسية للحيوان عند المستوى الطبيعي طوال فترة العلاج. السماح بانخفاض درجة حرارة جسم الحيوان ، كما يحدث تحت التخدير ، يمكن أن يؤثر على النتائج الإجمالية ، فيما يتعلق بالجرعة الحرارية للأنسجة التي يتم علاجها.
في هذه المخطوطة ، نناقش الطرق المستخدمة لتصميم وبناء نظام ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية متعدد الاستخدامات ، بالإضافة إلى عوامل الاستخدام المهمة التي يجب مراعاتها. يسمح النظام الموصوف بتسليم قوي ومتسق ومناسب بيولوجيا وآمن وجيد التحكم لارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية. أخيرا ، تجدر الإشارة إلى أن دراسات mNPH التي نجريها غالبا ما تتضمن علاجات أخرى مثل الإشعاع والعلاج الكيميائي والعلاج المناعي. لكي تكون هذه النتائج ذات مغزى ، من المهم تحديد كيف يمكن أن تؤثر الحرارة الموصلة على فعالية و / أو سمية السلامة للطرائق الأخرى (أو العكس) ورفاهية الحيوان. لهذا السبب وقياس الجرعات والحالات العلاجية المذكورة سابقا ، من الضروري إيلاء اهتمام صارم لدقة جرعات ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية وقياسات درجة الحرارة الأساسية والمستهدفة المستمرة. الهدف من هذا البروتوكول هو توفير طريقة ووصف مباشر ومتسق لتوصيل ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية الآمنة والفعالة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر تصميم وتنفيذ هذا النظام القدرة على إجراء تجارب دقيقة وقابلة للتكرار في المختبر وفي الجسم الحي تجارب ارتفاع حرارة الجسيمات النانوية المغناطيسية. من الأهمية بمكان أن يتم تصميم النظام بحيث يتم مطابقة تردد AMF وشدة المجال بشكل كاف مع نوع الجسيمات النانوية المغناطيسية وتركيزها وموقع الأن…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل الدراسة من خلال أرقام المنح: NCI P30 CA023108 و NCI U54 CA151662.
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 |
References
- Chen, X., Tan, L., Liu, T., Meng, X. Micro-Nanomaterials for Tumor Microwave Hyperthermia: Design, Preparation, and Application. Current Drug Delivery. 14 (3), 307-322 (2016).
- Luo, W., et al. Effects of radiofrequency ablation versus other ablating techniques on hepatocellular carcinomas: A systematic review and meta-analysis. World Journal of Surgical Oncology. 15 (1), 126 (2017).
- Ter Haar, G. Heat and sound: Focused ultrasound in the clinic. International Journal of Hyperthermia. 31 (3), 223-224 (2015).
- Salunkhe, A. B., Khot, V. M., Pawar, S. H. Magnetic Hyperthermia with Magnetic Nanoparticles: A Status Review. Current Topics in Medicinal Chemistry. 14 (5), 572-594 (2014).
- Dewhirst, M. W., Viglianti, B. L., Lora-Michiels, M., Hanson, M., Hoopes, P. J. Basic principles of thermal dosimetry and thermal thresholds for tissue damage from hyperthermia. International Journal of Hyperthermia. 19 (3), 267-294 (2003).
- Roizin-Towle, L., Pirro, J. P. The response of human and rodent cells to hyperthermia. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 20 (4), 751-756 (1991).
- Hergt, R., Dutz, S., Müller, R., Zeisberger, M. Magnetic particle hyperthermia: Nanoparticle magnetism and materials development for cancer therapy. Journal of Physics Condensed Matter. 18 (38), (2006).
- Kumar, C. S. S. R., Mohammad, F. Magnetic nanomaterials for hyperthermia-based therapy and controlled drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 63 (9), 789-808 (2011).
- Stigliano, R. V., et al. Mitigation of eddy current heating during magnetic nanoparticle hyperthermia therapy. International Journal of Hyperthermia. 32 (7), 735-748 (2016).
- Johannsen, M., et al. Clinical hyperthermia of prostate cancer using magnetic nanoparticles: Presentation of a new interstitial technique. International Journal of Hyperthermia. 21 (7), 637-647 (2005).
- Horsman, M. R., Overgaard, J. Hyperthermia: a Potent Enhancer of Radiotherapy. Clinical Oncology. 19 (6), 418-426 (2007).
- Petryk, A. A., Giustini, A. J., Gottesman, R. E., Kaufman, P. A., Hoopes, P. J. Magnetic nanoparticle hyperthermia enhancement of cisplatin chemotherapy cancer treatment. International Journal of Hyperthermia. 29 (8), 845-851 (2013).
- Peeken, J. C., Vaupel, P., Combs, S. E. Integrating hyperthermia into modern radiation oncology: What evidence is necessary. Frontiers in Oncology. 7, 132 (2017).
- Petryk, A. A., Giustini, A. J., Gottesman, R. E., Trembly, B. S., Hoopes, P. J. Comparison of magnetic nanoparticle and microwave hyperthermia cancer treatment methodology and treatment effect in a rodent breast cancer model. International Journal of Hyperthermia. 29 (8), 819-827 (2013).
- Stigliano, R. V., Shubitidze, F., Petryk, A. A., Tate, J. A., Hoopes, P. J. Magnetic nanoparticle hyperthermia: predictive model for temperature distribution. Energy-based Treatment of Tissue and Assessment VII. 8584, 858410 (2013).
- Dewhirst, M., Viglianti, B. L., Lora-Michiels, M., Hoopes, P. J., Hanson, M. A. Thermal dose requirement for tissue effect: experimental and clinical findings. Thermal Treatment of Tissue: Energy Delivery and Assessment II. 4954, 37 (2003).
- Duval, K. E. A., et al. Immunogenetic effects of low dose (CEM43 30) magnetic nanoparticle hyperthermia and radiation in melanoma cells. International Journal of Hyperthermia. 36, 37-46 (2019).
- Giustini, A. J., Petryk, A. A., Cassim, S. M., Tate, J. A., Baker, I., Hoopes, P. J. Magnetic Nanoparticle Hyperthermia in Cancer Treatment. Nano LIFE. 01, 17-32 (2010).
- Hoopes, P. J., et al. Intratumoral iron oxide nanoparticle hyperthermia and radiation cancer treatment. Thermal Treatment of Tissue: Energy Delivery and Assessment IV. 6440, (2007).
- Semiatin, S. L., Zinn, S. Coil design and fabrication basic design and modifications. Heat Treating. , 32-41 (1988).
- Maxwell, J. C. On physical lines of force. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 21 (139), 161-175 (1861).
