맞춤형 전달 시스템을 사용한 자성 나노입자 온열요법의 체외 및 생체 내 전달
Summary
이 프로토콜은 정교한 전달 및 모니터링 시스템을 사용하여 자성 나노입자 온열요법의 정확한 전달에 필요한 기술과 방법론을 제시합니다.
Abstract
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.
Introduction
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 온도와 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 측정 및 표적화가 필요하다6. mNPH는 mNP의 전신 또는 종양내 주사를 허용하며, mNP가 위치한 곳에서만 열이 발생하므로 종양에 대한 치료를 직접 표적으로 합니다. mNPH는 자성 나노입자가 세포의 내부 또는 외부에 위치할 때 효과적일 수 있다. 암 치료의 경우, mNPH의 일반적인 개요는 자성 나노 입자가 주입 (종양 내 또는 정맥 내)되고, 그런 다음 교류 자기장이 적용되어 나노 입자 자극이 지속적으로 재정렬되어 나노 입자와 관련된 세포 및 조직의 국부적 인 가열을 유도한다는 것입니다 7,8 . 나노 입자의 부피와 교류 자기장 (AMF)의 주파수 / 강도를 조정함으로써 조직 내에서 발생하는 온도를 신중하게 제어 할 수 있습니다.
이 치료법은 더 깊은 종양이 더 강한 AMF를 필요로하므로 와전류 가열의 위험이 증가하기 때문에 신체 표면 근처에있는 종양에서 잘 작동합니다9. 온열요법이 단독 요법으로 임상적으로 사용된다는 증거가 있지만, 종종 온열요법은 방사선 요법 또는 화학 요법과 결합되어 보다 표적화된 항암 효과를 유발합니다10,11,12. 방사선 요법과 함께 작동하는 온열요법의 임상 증거는 이전 간행물13에서 검토되었습니다. 우리 실험실은 mNPH 방법12,14,15를 사용하여 생쥐에서 돼지 및 자발적인 송곳니 암에 이르기까지 다양한 동물을 성공적으로 치료했습니다. 이 프로토콜은 국소 온열요법 치료의 효과를 단독으로 또는 다른 치료법과 함께 조사하는 데 관심이 있는 사람들을 위해 설계되었습니다.
온열요법에서 가장 중요한 요소 중 하나는 표적/종양 조직에 전달되는 열량을 실시간으로 측정하고 이해할 수 있다는 것입니다. 선량을 계산하고 비교하는 표준 방법은 43 ° C에서 가열의 누적 등가 분을 입증하는 것입니다. 이 알고리즘을 사용하면 전달 시스템, 최대 및 최소 온도(특정 범위 내) 및 가열/냉각 매개변수(5,16)와 무관한 용량을 비교할 수 있습니다. CEM 계산은 39-57 ° C 사이의 온도에서 가장 잘 작동합니다5. 예를 들어, 우리가 수행 한 일부 연구에서 CEM43 30 (즉, 43 ° C에서 30 분)의 열 용량을 선택했습니다. 이 선량을 선택하면 시험관 내에서 안전하고 효과적인 면역 유전 효과를 단독으로 또는 단일 방사선 량과 함께 볼 수있었습니다17.
자성 나노입자 온열요법의 경우 적절한 전달 시스템을 구축할 때 고려해야 할 몇 가지 요소가 있습니다. 계측 설계에는 고전력으로 작동하는 경우에도 자기장 전달 장비가 냉각 상태를 유지하도록 하는 냉각기 사용과 모든 온도, 전력 평가 및 제어 시스템이 활성화되지 않은 경우 시스템이 켜지지 않도록 하는 페일 세이프 절차와 같은 중요한 안전 요소가 포함됩니다. 또한 생체 내 및 시험관 내 상황 모두에서 고려해야 할 중요한 생물학적 요인이 있습니다. 배양된 세포를 사용할 때는 결과에 영향을 미칠 수 있는 생리학적 변화를 피하기 위해 성장 배지에서 처리하고 일관된 실행 가능한 온도를 유지해야 합니다. 개별 나노입자 유형의 경우 AMF 기반 가열 매개변수를 계산할 때 전자파 흡수율(SAR)을 아는 것이 중요합니다. 유사하게, 원하는 가열을 달성하는 데 필요한 세포와 조직의 mNP/Fe 농도를 아는 것이 중요합니다. In vivo 방법은 치료 중 동물을 마취 상태로 유지해야하며 치료 내내 동물의 핵심 체온을 정상 수준으로 유지해야하기 때문에 세부 사항에 더 많은주의가 필요합니다. 마취 상태에서 발생하는 것처럼 동물의 체온이 떨어지도록 허용하면 치료되는 조직의 열 선량과 관련하여 전반적인 결과에 영향을 줄 수 있습니다.
이 원고에서는 다목적 자성 나노입자 온열요법 시스템을 설계하고 구성하는 데 사용되는 방법과 고려해야 할 중요한 사용 요소에 대해 논의합니다. 설명된 시스템은 자성 나노입자 온열요법의 견고하고 일관되며 생물학적으로 적절하고 안전하며 잘 제어된 전달을 가능하게 합니다. 마지막으로, 우리가 수행하는 mNPH 연구에는 종종 방사선, 화학 요법 및 면역 요법과 같은 다른 치료법이 포함된다는 점에 유의해야합니다. 이러한 결과가 의미가 있으려면 전달 된 열이 다른 양식의 효능 및 / 또는 안전성 독성 (또는 그 반대)과 동물의 웰빙에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 결정하는 것이 중요합니다. 이러한 이유와 앞서 언급한 선량 측정 및 치료 상황 때문에, 자성 나노입자 온열요법 투여 정확도와 연속 코어 및 목표 온도 측정에 엄격한 주의를 기울이는 것이 필수적이다. 이 프로토콜의 목표는 안전하고 효과적인 자성 나노입자 온열요법을 전달하기 위한 간단하고 일관된 방법과 설명을 제공하는 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 NCI P30 CA023108 및 NCI U54 CA151662의 보조금 번호로 자금을 지원받았습니다.
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 |
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