Administration in vitro et in vivo d’hyperthermie par nanoparticules magnétiques à l’aide d’un système d’administration sur mesure

Summary

Ce protocole présente les techniques et la méthodologie nécessaires à l’administration précise de l’hyperthermie des nanoparticules magnétiques à l’aide d’un système sophistiqué de livraison et de surveillance.

Abstract

L’hyperthermie a longtemps été utilisée dans le traitement du cancer. Les techniques ont varié de l’insertion intratumorale de tiges de fer chaudes, aux nanoparticules magnétiques ciblées par anticorps tumoral administrés par voie systémique, à des températures de 39 ° C (niveau de fièvre) à 1 000 ° C (électrocautérisation) et des temps de traitement de quelques secondes à quelques heures. La relation température-temps (dose thermique) dicte l’effet avec des doses thermiques élevées entraînant l’ablation des tissus et des doses thermiques plus faibles entraînant des effets sublétaux tels que l’augmentation du flux sanguin, l’accumulation de médicaments et la stimulation immunitaire. L’une des thérapies médicales actuelles les plus prometteuses est l’hyperthermie magnétique par nanoparticules (mNPH). Cette technique consiste à activer des nanoparticules magnétiques, qui peuvent être délivrées par voie systémique ou intratumorale, avec un champ magnétique alternatif non invasif et non toxique. La taille, la construction et l’association des nanoparticules magnétiques ainsi que la fréquence et l’intensité du champ magnétique sont des déterminants majeurs de l’échauffement. Nous avons développé des instruments et des techniques sophistiqués pour fournir une hyperthermie de nanoparticules magnétiques reproductibles dans des modèles animaux de grande et de petite taille et des cellules en culture. Cette approche, utilisant une surveillance continue et en temps réel de la température à plusieurs endroits, permet d’administrer des doses thermiques bien définies au tissu cible (tumeur) ou aux cellules tout en limitant le chauffage des tissus non ciblés. Le contrôle et la surveillance précis de la température, sur plusieurs sites, et l’utilisation de l’algorithme standard de l’industrie (minutes équivalentes cumulées à 43 °C / CEM43), permettent une détermination et une quantification précises de la dose thermique. Notre système, qui permet une grande variété de températures, de doses thermiques et d’effets biologiques, a été développé grâce à une combinaison d’acquisitions commerciales et de développements internes en ingénierie et en biologie. Ce système a été optimisé de manière à permettre la conversion rapide entre les techniques ex vivo, in vitro et in vivo. L’objectif de ce protocole est de démontrer comment concevoir, développer et mettre en œuvre une technique et un système efficaces pour administrer une hyperthermie reproductible et précise de thérapie par nanoparticules magnétiques (NPm).

Introduction

L’hyperthermie a toujours été utilisée dans le traitement du cancer, seule ou en combinaison avec d’autres traitements. Bien qu’il ait une longue histoire d’utilisation, la méthode la plus avantageuse pour administrer ce traitement fait encore l’objet de débats et dépend du site et de l’emplacement de la maladie. Les méthodes d’administration hyperthermique comprennent les micro-ondes, la radiofréquence, les ultrasons focalisés, le laser et les nanoparticules métalliques (comme l’or ou l’oxyde de fer)1,2,3,4. Ces méthodes d’administration peuvent conduire à une gamme de températures de traitement allant du niveau de fièvre à des centaines de degrés C. L’effet biologique de l’hyperthermie dépend principalement des températures utilisées et de la durée du traitement⁵. Pour ce manuscrit et à cette fin, nous nous concentrons sur l’hyperthermie des nanoparticules magnétiques (mNPH). Cette méthode permet des changements de température ciblés, localisés, bien surveillés et contrôlés, en utilisant des nanoparticules d’oxyde de fer non toxiques et approuvées par la FDA.

L’un des pièges des autres modalités d’hyperthermie est le manque de ciblage cellulaire précis; L’hyperthermie n’a pas un rapport thérapeutique intrinsèquement élevé, par conséquent, une thermométrie et un ciblage minutieux sont nécessaires⁶. mNPH permet l’injection systémique ou intratumorale de mNPs, la chaleur n’étant générée que là où se trouvent les mNPs, ciblant ainsi le traitement directement sur la tumeur. mNPH peut être efficace lorsque les nanoparticules magnétiques sont situées à l’intérieur ou à l’extérieur de la cellule. Pour le traitement du cancer, l’aperçu général de mNPH est que les nanoparticules magnétiques sont injectées (intratumorales ou intraveineuses), puis un champ magnétique alternatif est appliqué, provoquant le réalignement constant des pôles magnétiques des nanoparticules, conduisant à un échauffement localisé des cellules et des tissus associés aux nanoparticules ^7,8 . En ajustant le volume de nanoparticules et la fréquence/force du champ magnétique alternatif (CMA), il est possible de contrôler soigneusement la température générée dans le tissu.

Ce traitement fonctionne bien dans les tumeurs qui sont près de la surface du corps, car les tumeurs plus profondes nécessitent des CMA plus fortes, de sorte que le risque de chauffage par courants de Foucault augmente⁹. Il existe des preuves que l’hyperthermie est utilisée cliniquement en monothérapie, cependant, l’hyperthermie est souvent associée à la radiothérapie ou à la chimiothérapie, ce qui entraîne un effet anticancéreux plus ciblé^10,11,12. Les preuves cliniques de l’hyperthermie en association avec la radiothérapie sont examinées dans une publication précédente¹³. Notre laboratoire a traité avec succès une variété d’animaux, des souris aux porcs et aux cancers canins spontanés, en utilisant la méthode mNPH^12,14,15. Ce protocole est conçu pour ceux qui souhaitent étudier les effets du traitement de l’hyperthermie localisée, seul ou en combinaison avec d’autres thérapies.

L’un des facteurs les plus importants de l’hyperthermie est de pouvoir mesurer et comprendre, en temps réel, la dose thermique délivrée au tissu cible / tumoral. Une méthode standard de calcul et de comparaison de la dose consiste à démontrer les minutes équivalentes cumulées de chauffage à 43 °C; Cet algorithme permet de comparer les doses indépendamment du système d’administration, des températures maximales et minimales (dans une plage spécifique) et des paramètres de chauffage et de refroidissement ^5,16. Le calcul CEM fonctionne mieux pour des températures comprises entre 39 et 57 °C⁵. Par exemple, dans certaines des études que nous avons réalisées, nous avons choisi une dose thermique de CEM43 30 (c.-à-d. 30 min à 43 °C). Le choix de cette dose nous a permis d’examiner un effet immunogénétique sûr et efficace in vitro, à la fois seul et en combinaison avec une dose unique de rayonnement¹⁷.

Avec l’hyperthermie magnétique par nanoparticules, plusieurs facteurs doivent être pris en compte dans la construction d’un système d’administration approprié. La conception de l’instrumentation comprend des facteurs de sécurité importants, tels que l’utilisation d’un refroidisseur pour s’assurer que l’équipement de distribution de champ magnétique reste froid même lorsqu’il fonctionne à haute puissance, et des procédures à sécurité intégrée qui empêchent le système d’être allumé si tous les systèmes de température, d’évaluation de la puissance et de contrôle n’ont pas été activés. En outre, il existe des facteurs biologiques importants qui doivent être pris en compte pour les situations in vivo et in vitro. Lors de l’utilisation de cellules en culture, il est nécessaire de traiter dans un milieu de croissance et de maintenir à une température viable constante pour éviter les changements physiologiques qui pourraient affecter les résultats. Pour les types de nanoparticules individuels, il est important de connaître le débit d’absorption spécifique (DAS) lors du calcul des paramètres de chauffage basés sur les CMA. De même, il est important de connaître la concentration de mNP/Fe, dans les cellules et les tissus, qui est nécessaire pour obtenir le chauffage souhaité. Les méthodes in vivo nécessitent encore plus d’attention aux détails puisque l’animal doit être maintenu sous anesthésie pendant le traitement et que la température corporelle centrale de l’animal doit être maintenue à un niveau normal tout au long du traitement. Laisser baisser la température corporelle de l’animal, comme c’est le cas sous anesthésie, peut affecter les résultats globaux, en ce qui concerne la dose thermique du tissu traité.

Dans ce manuscrit, nous discutons des méthodes utilisées pour concevoir et construire un système polyvalent d’hyperthermie par nanoparticules magnétiques, ainsi que des facteurs d’utilisation importants qui doivent être pris en compte. Le système décrit permet l’administration robuste, cohérente, biologiquement appropriée, sûre et bien contrôlée de l’hyperthermie par nanoparticules magnétiques. Enfin, il convient de noter que les études mNPH que nous menons impliquent souvent d’autres thérapies telles que la radiothérapie, la chimiothérapie et l’immunothérapie. Pour que ces résultats soient significatifs, il est important de déterminer comment la chaleur délivrée peut affecter l’efficacité et/ou la sécurité-toxicité d’autres modalités (ou vice versa) et le bien-être de l’animal. Pour cette raison et les situations de dosimétrie et thérapeutiques mentionnées précédemment, il est essentiel de porter une attention particulière à la précision du dosage de l’hyperthermie magnétique des nanoparticules et aux mesures continues de la température du cœur et de la cible. L’objectif de ce protocole est de fournir une méthode et une description simples et cohérentes pour l’administration d’une hyperthermie de nanoparticules magnétiques sûre et efficace.

Protocol

Le programme de soin et d’utilisation des animaux du Collège Dartmouth est accrédité par l’American Association for the Accreditation of Laboratory Animal Care (iAAALAC) et adhère à toutes les lignes directrices et réglementations de l’UDSA et du NIH (Office of Laboratory Animal Welfare). Toutes les études in vivo ont été approuvées par le Dartmouth College Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). La procédure d’euthanasie est conforme aux directives 2020 de l’AVMA pour l’euthanasie…

Representative Results

Études in vitroLes cellules n’atteindront et ne maintiendront la température et la dose thermique souhaitées que si la quantité et la concentration des nanoparticules magnétiques/fer et de l’AMF sont correctement appariées. Lors de l’utilisation de nanoparticules magnétiques pour chauffer des cellules in vitro (et in vivo), il convient de noter que pour atteindre l’hyperthermie dans des cellules avec des nanoparticules magnétiques internalisées, un niveau spécifique de mNP / Fe intr…

Discussion

La conception et la mise en œuvre de ce système permettent de mener des expériences précises et reproductibles in vitro et in vivo d’hyperthermie magnétique par nanoparticules. Il est essentiel que le système soit conçu de manière à ce que la fréquence et l’intensité du champ AMF correspondent adéquatement au type de nanoparticules magnétiques, à la concentration, ainsi qu’à l’emplacement et à la température des tissus souhaités. De plus, la surveillance précise de la température en temps rée…

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