Özel Yapım Bir Dağıtım Sistemi Kullanarak Manyetik Nanopartikül Hipertermisinin In Vitro ve In Vivo Teslimatı
Summary
Bu protokol, sofistike bir dağıtım ve izleme sistemi kullanarak manyetik nanopartikül hipertermisinin doğru bir şekilde verilmesi için gerekli teknikleri ve metodolojiyi sunar.
Abstract
Hipertermi uzun zamandır kanser tedavisinde kullanılmaktadır. Teknikler, sıcak demir çubukların tümöral içe yerleştirilmesinden, 39 ° C (ateş seviyesi) ila 1.000 ° C (elektrokoter) arasındaki sıcaklıklarda ve saniyelerden saatlere kadar tedavi sürelerinde sistemik olarak verilen tümör antikor hedefli manyetik nanopartiküllere kadar değişmiştir. Sıcaklık-zaman ilişkisi (termal doz), doku ablasyonu ile sonuçlanan yüksek termal dozlar ve daha düşük termal dozlarla etkiyi belirler ve artan kan akışı, ilaç birikimi ve immün stimülasyon gibi subölümcül etkilere neden olur. En umut verici güncel tıbbi tedavilerden biri manyetik nanopartikül hipertermisidir (mNPH). Bu teknik, invaziv olmayan, toksik olmayan alternatif bir manyetik alanla sistemik veya intratümöral olarak verilebilen manyetik nanopartiküllerin aktive edilmesini içerir. Manyetik nanopartiküllerin boyutu, yapısı ve ilişkisi ve manyetik alanın frekansı ve alan kuvveti başlıca ısıtma belirleyicileridir. Büyük ve küçük hayvan modellerinde ve kültürlü hücrelerde tekrarlanabilir manyetik nanopartikül hipertermisi sağlamak için sofistike enstrümantasyon ve teknikler geliştirdik. Birden fazla yerde sürekli, gerçek zamanlı sıcaklık izlemeyi kullanan bu yaklaşım, hedef olmayan doku ısıtmasını sınırlarken, hedef dokuya (tümör) veya hücrelere iyi tanımlanmış termal dozların verilmesine izin verir. Birden fazla sahada sıcaklığın hassas kontrolü ve izlenmesi ve endüstri standardı algoritmanın (43 °C / CEM43’te kümülatif eşdeğer dakikalar) kullanılması, termal dozun doğru bir şekilde belirlenmesini ve miktarını sağlar. Çok çeşitli sıcaklıklara, termal dozlara ve biyolojik etkilere izin veren sistemimiz, ticari satın almalar ve kurum içi mühendislik ve biyoloji gelişmelerinin bir kombinasyonu ile geliştirilmiştir. Bu sistem, ex vivo, in vitro ve in vivo teknikler arasında hızlı dönüşüm sağlayacak şekilde optimize edilmiştir. Bu protokolün amacı, tekrarlanabilir ve doğru manyetik nanopartikül terapisi (mNP) hipertermisi sağlamak için etkili bir teknik ve sistemin nasıl tasarlanacağını, geliştirileceğini ve uygulanacağını göstermektir.
Introduction
Hipertermi tarihsel olarak kanser tedavisinde, tek başına veya diğer tedavilerle kombinasyon halinde kullanılmıştır. Uzun bir kullanım geçmişine sahip olmasına rağmen, bu tedaviyi sağlamak için en avantajlı yöntem hala tartışılmaktadır ve hastalığın bulunduğu yere ve konumuna bağlıdır. Hipertermi dağıtım yöntemleri arasında mikrodalga, radyofrekans, odaklanmış ultrason, lazer ve metalik nanopartiküller (altın veya demir oksit gibi)1,2,3,4 bulunur. Bu doğum yöntemleri, ateş seviyesinden yüzlerce derece C’ye kadar bir dizi tedavi sıcaklığına yol açabilir. Hiperterminin biyolojik etkisi öncelikle kullanılan sıcaklıklara ve tedavinin süresine bağlıdır5. Bu makale ve amaç için, manyetik nanopartikül hipertermisi (mNPH) üzerinde duruluyor. Bu yöntem, toksik olmayan, FDA onaylı, demir oksit nanopartikülleri kullanarak odaklanmış, lokalize, iyi izlenen ve kontrol edilen sıcaklık değişimlerine izin verir.
Diğer hipertermi modalitelerinin bir tuzağı, kesin hücresel hedefleme eksikliğidir; hipertermi doğası gereği yüksek bir terapötik orana sahip değildir, bu nedenle dikkatli termometri ve hedefleme gereklidir6. mNPH, mNP’lerin sistemik veya intratümöral enjeksiyonuna izin verir, ısı sadece mNP’lerin bulunduğu yerde üretilir, böylece tedaviyi doğrudan tümöre hedefler. mNPH, manyetik nanopartiküller hücrenin içine veya dışına yerleştirildiğinde etkili olabilir. Kanser tedavisi için, mNPH’ye genel bakış, manyetik nanopartiküllerin enjekte edilmesidir (intratümöral veya intravenöz olarak), daha sonra nanopartikül manyetik kutuplarının sürekli olarak yeniden hizalanmasına neden olan alternatif bir manyetik alan uygulanır ve nanopartiküllerle ilişkili hücrelerin ve dokunun lokalize bir şekilde ısınmasına neden olur 7,8 . Nanopartiküllerin hacmini ve alternatif manyetik alanın (AMF) frekansını / gücünü ayarlayarak, doku içinde üretilen sıcaklığı dikkatlice kontrol etmek mümkündür.
Bu tedavi, vücut yüzeyine yakın tümörlerde iyi çalışır, çünkü daha derin tümörler daha güçlü AMF gerektirir, bu nedenle girdap akımı ısınma riski9 artar. Hiperterminin klinik olarak monoterapi olarak kullanıldığına dair kanıtlar vardır, ancak çoğu zaman hipertermi radyasyon tedavisi veya kemoterapi ile birleştirilir ve daha hedefli bir anti-kanser etkisine yol açar10,11,12. Radyasyon tedavisi ile kombinasyon halinde çalışan hiperterminin klinik kanıtları önceki bir yayında gözden geçirilmiştir13. Laboratuvarımız mNPH yöntemi12,14,15’i kullanarak farelerden domuzlara ve spontan köpek kanserlerine kadar çeşitli hayvanları başarıyla tedavi etmiştir. Bu protokol, lokalize hipertermi tedavisinin etkilerini tek başına veya diğer tedavilerle kombinasyon halinde araştırmak isteyenler için tasarlanmıştır.
Hipertermideki en önemli faktörlerden biri, hedef / tümör dokusuna verilen termal dozu gerçek zamanlı olarak ölçebilmek ve anlayabilmektir. Dozu hesaplamanın ve karşılaştırmanın standart bir yolu, 43 ° C’de kümülatif eşdeğer ısıtma dakikalarının gösterilmesidir; Bu algoritma, dağıtım sisteminden bağımsız dozların, maksimum ve minimum sıcaklıkların (belirli bir aralıkta) ve ısıtma / soğuma parametrelerininkarşılaştırılmasına izin verir 5,16. CEM hesaplaması en iyi 39-57 °C5 arasındaki sıcaklıklar için çalışır. Örneğin, yaptığımız bazı çalışmalarda, CEM43 30’luk bir termal doz seçtik (yani, 43 ° C’de 30 dakika). Bu dozu seçmek, hem tek başına hem de tek bir radyasyon dozu17 ile kombinasyon halinde in vitro olarak güvenli, etkili, immünogenetik etkilere bakmamızı sağladı.
Manyetik nanopartikül hipertermisi ile, uygun bir dağıtım sistemi oluştururken göz önünde bulundurulması gereken birkaç faktör vardır. Enstrümantasyon tasarımı, manyetik alan dağıtım ekipmanının yüksek güçte çalıştırıldığında bile serin kalmasını sağlamak için bir soğutucunun kullanılması ve tüm sıcaklık, güç değerlendirmesi ve kontrol sistemleri etkinleştirilmediğinde sistemin açılmasını önleyen arıza emniyetli prosedürler gibi önemli güvenlik faktörlerini içerir. Ek olarak, hem in vivo hem de in vitro durumlar için dikkate alınması gereken önemli biyolojik faktörler vardır. Kültürlenmiş hücreleri kullanırken, sonuçları etkileyebilecek fizyolojik değişikliklerden kaçınmak için büyüme ortamlarında tedavi etmek ve tutarlı bir canlı sıcaklıkta tutmak gerekir. Bireysel nanopartikül tipleri için, AMF tabanlı ısıtma parametrelerini hesaplarken spesifik absorpsiyon oranını (SAR) bilmek önemlidir. Benzer şekilde, istenen ısıtmayı elde etmek için gerekli olan hücrelerdeki ve dokulardaki mNP / Fe konsantrasyonunu bilmek önemlidir. In vivo yöntemler, hayvanın tedavi sırasında anestezi altında tutulması ve hayvanın çekirdek vücut ısısının tedavi boyunca normal bir seviyede tutulması gerektiğinden, detaylara daha fazla dikkat edilmesini gerektirir. Hayvanın vücut ısısının düşmesine izin vermek, anestezi altında olduğu gibi, tedavi edilen dokunun termal dozu ile ilgili genel sonuçları etkileyebilir.
Bu yazıda, çok yönlü bir manyetik nanopartikül hipertermi sistemi tasarlamak ve inşa etmek için kullanılan yöntemlerin yanı sıra dikkate alınması gereken önemli kullanım faktörlerini tartışıyoruz. Açıklanan sistem, manyetik nanopartikül hipertermisinin sağlam, tutarlı, biyolojik olarak uygun, güvenli ve iyi kontrol edilen bir şekilde verilmesini sağlar. Son olarak, yürüttüğümüz mNPH çalışmalarının genellikle radyasyon, kemoterapi ve immünoterapi gibi diğer tedavileri içerdiği belirtilmelidir. Bu sonuçların anlamlı olması için, verilen ısının diğer modalitelerin etkinliğini ve / veya güvenlik-toksisitesini (veya tam tersi) ve hayvanın refahını nasıl etkileyebileceğini belirlemek önemlidir. Bu nedenle ve daha önce bahsedilen dozimetri ve terapötik durumlar için, manyetik nanopartikül hipertermi dozajlama doğruluğuna ve sürekli çekirdek ve hedef sıcaklık ölçümlerine çok dikkat etmek önemlidir. Bu protokolün amacı, güvenli ve etkili manyetik nanopartikül hipertermisinin verilmesi için basit, tutarlı bir yöntem ve açıklama sağlamaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu sistemin tasarımı ve uygulanması, in vitro ve in vivo manyetik nanopartikül hipertermi deneylerini doğru ve tekrarlanabilir bir şekilde yürütme yeteneği sağlar. Sistemin, AMF frekansı ve alan kuvvetinin manyetik nanopartikül tipine, konsantrasyonuna ve istenen doku konumuna ve sıcaklığına yeterince uyacak şekilde tasarlanması çok önemlidir. Ek olarak, sıcaklığın gerçek zamanlı olarak doğru bir şekilde izlenmesi, güvenlik ve doğru bir termal dozun hesaplanması için çok önemlidir (43 °…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışma hibe numaraları ile finanse edildi: NCI P30 CA023108 ve 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).
