In Vitro и In Vivo Доставка гипертермии магнитных наночастиц с использованием специальной системы доставки
Summary
Этот протокол представляет методы и методологию, необходимые для точной доставки гипертермии магнитных наночастиц с использованием сложной системы доставки и мониторинга.
Abstract
Гипертермия уже давно используется при лечении рака. Методы варьировались от внутриопухолевой вставки горячих железных стержней до системно доставляемых магнитных наночастиц, нацеленных на антитела, при температурах от 39 ° C (уровень лихорадки) до 1000 ° C (электрокоагуляция) и времени лечения от секунд до часов. Температурно-временная зависимость (тепловая доза) диктует эффект с высокими тепловыми дозами, приводящими к абляции тканей и более низким тепловым дозам, приводящим к сублетальным эффектам, таким как увеличение кровотока, накопление лекарств и иммунная стимуляция. Одним из наиболее перспективных современных медицинских методов лечения является гипертермия магнитных наночастиц (mNPH). Этот метод включает в себя активацию магнитных наночастиц, которые могут быть доставлены системно или внутриопухолево, с неинвазивным, нетоксичным переменным магнитным полем. Размер, конструкция и ассоциация магнитных наночастиц, а также частота и напряженность поля магнитного поля являются основными детерминантами нагрева. Мы разработали сложные приборы и методы для доставки воспроизводимой гипертермии магнитных наночастиц в больших и малых животных моделях и культивируемых клетках. Этот подход, использующий непрерывный мониторинг температуры в режиме реального времени в нескольких местах, позволяет доставлять четко определенные тепловые дозы в ткань-мишень (опухоль) или клетки, ограничивая при этом нагрев нецелевой ткани. Точный контроль и мониторинг температуры на нескольких участках и использование стандартного алгоритма (кумулятивный эквивалент минут при 43 °C / CEM43) позволяет точно определять и количественно оценивать тепловую дозу. Наша система, которая допускает широкий спектр температур, тепловых доз и биологических эффектов, была разработана путем сочетания коммерческих приобретений и собственных инженерных и биологических разработок. Эта система была оптимизирована таким образом, чтобы обеспечить быстрое преобразование между методами ex vivo, in vitro и in vivo. Целью этого протокола является демонстрация того, как проектировать, разрабатывать и внедрять эффективную технику и систему для обеспечения воспроизводимой и точной гипертермии магнитной наночастицы (mNP).
Introduction
Гипертермия исторически использовалась в терапии рака, либо отдельно, либо в сочетании с другими методами лечения. Хотя он имеет долгую историю использования, наиболее выгодный метод доставки этого лечения все еще обсуждается и зависит от места и местоположения заболевания. Методы доставки гипертермии включают микроволновые, радиочастотные, сфокусированные ультразвуковые, лазерные и металлические наночастицы (такие как золото или оксид железа)1,2,3,4. Эти методы доставки могут привести к диапазону температур лечения от уровня лихорадки до сотен градусов С. Биологический эффект гипертермии зависит, прежде всего, от применяемых температур и длительности лечения5. Для этой рукописи мы фокусируемся на гипертермии магнитных наночастиц (mNPH). Этот метод позволяет фокусировать, локализовать, хорошо контролировать и контролировать изменения температуры, используя нетоксичные, одобренные FDA наночастицы оксида железа.
Одной из ловушек других модальностей гипертермии является отсутствие точного клеточного таргетинга; Гипертермия не имеет по своей сути высокого терапевтического соотношения, поэтому необходима тщательная термометрия и таргетирование6. mNPH позволяет системную или внутриопухолевую инъекцию mNP, при этом тепло генерируется только там, где находятся mNP, тем самым нацеливая лечение непосредственно на опухоль. mNPH может быть эффективным, когда магнитные наночастицы расположены внутри или снаружи клетки. Для терапии рака общий обзор mNPH заключается в том, что магнитные наночастицы вводятся (внутриопухолево или внутривенно), затем применяется переменное магнитное поле, заставляя магнитные полюса наночастиц постоянно выравниваться, что приводит к локализованному нагреву клеток итканей, связанных с наночастицами 7,8 . Регулируя объем наночастиц и частоту/силу переменного магнитного поля (AMF), можно тщательно контролировать температуру, генерируемую внутри ткани.
Это лечение хорошо работает при опухолях, которые находятся вблизи поверхности тела, так как более глубокие опухоли требуют более сильного AMF, поэтому риск вихретокового нагрева увеличиваетсяна 9. Имеются данные о том, что гипертермия используется клинически в качестве монотерапии, однако часто гипертермия сочетается с лучевой терапией или химиотерапией, что приводит к более целенаправленному противораковому эффекту 10,11,12. Клинические доказательства гипертермии, работающей в сочетании с лучевой терапией, рассматриваются в предыдущей публикации13. Наша лаборатория успешно лечила различных животных, от мышей до свиней и спонтанного рака собак, используя метод mNPH 12,14,15. Этот протокол предназначен для тех, кто заинтересован в исследовании эффектов лечения локализованной гипертермии, либо отдельно, либо в сочетании с другими методами лечения.
Одним из наиболее важных факторов гипертермии является возможность измерения и понимания в режиме реального времени тепловой дозы, доставляемой в ткань мишени / опухоли. Стандартным способом расчета и сравнения дозы является демонстрация кумулятивного эквивалента минут нагрева при 43 °C; данный алгоритм позволяет сравнивать дозы независимо от системы доставки, максимальную и минимальную температуры (в пределах определенного диапазона) и параметры нагрева/охлаждения 5,16. Расчет CEM лучше всего подходит для температур от 39 до 57 °C5. Например, в некоторых исследованиях, которые мы проводили, мы выбрали тепловую дозу CEM43 30 (т.е. 30 мин при 43 °C). Выбор этой дозы позволил посмотреть на безопасный, эффективный, иммуногенетический эффект in vitro, как отдельно, так и в сочетании с однократной дозой облучения17.
При гипертермии магнитных наночастиц существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при построении соответствующей системы доставки. Конструкция контрольно-измерительных приборов включает в себя важные факторы безопасности, такие как использование чиллера для обеспечения того, чтобы оборудование для доставки магнитного поля оставалось прохладным даже при работе на высокой мощности, и отказоустойчивые процедуры, которые предотвращают включение системы, если все системы оценки температуры, мощности и управления не были активированы. Кроме того, существуют важные биологические факторы, которые необходимо учитывать как для ситуаций in vivo, так и in vitro. При использовании культивируемых клеток необходимо обрабатывать в питательных средах и поддерживать постоянную жизнеспособную температуру, чтобы избежать физиологических изменений, которые могут повлиять на результаты. Для отдельных типов наночастиц важно знать удельную скорость поглощения (SAR) при расчете параметров нагрева на основе AMF. Точно так же важно знать концентрацию mNP/Fe в клетках и тканях, которая необходима для достижения желаемого нагрева. Методы in vivo требуют еще большего внимания к деталям, так как животное должно поддерживаться под наркозом во время лечения, а температура тела животного поддерживалась на нормальном уровне на протяжении всего лечения. Снижение температуры тела животного, как это происходит под наркозом, может повлиять на общие результаты в отношении тепловой дозы обрабатываемой ткани.
В этой рукописи мы обсуждаем методы, используемые для проектирования и построения универсальной системы гипертермии магнитных наночастиц, а также важные факторы использования, которые необходимо учитывать. Описанная система обеспечивает надежную, последовательную, биологически приемлемую, безопасную и хорошо контролируемую доставку гипертермии магнитных наночастиц. Наконец, следует отметить, что исследования mNPH, которые мы проводим, часто включают другие методы лечения, такие как лучевая, химиотерапия и иммунотерапия. Чтобы эти результаты были значимыми, важно определить, как доставляемое тепло может повлиять на эффективность и / или токсичность для безопасности других модальностей (или наоборот) и благополучие животного. По этой причине и в дозиметрических и терапевтических ситуациях, упомянутых ранее, важно уделять строгое внимание точности дозирования магнитной наночастицы гипертермии и непрерывным измерениям температуры ядра и цели. Целью этого протокола является предоставление простого, последовательного метода и описания для доставки безопасной и эффективной гипертермии магнитных наночастиц.
Protocol
Representative Results
Discussion
Проектирование и реализация данной системы обеспечивает возможность проведения точных и воспроизводимых in vitro и in vivo экспериментов по гипертермии магнитных наночастиц. Крайне важно, чтобы система была спроектирована таким образом, чтобы частота AMF и напряженность поля адекватно соот?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование финансировалось за счет номеров грантов: NCI P30 CA023108 и 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).
