Magnetické nanočastice podporované odparovanie kvapôčok pre in vivo stimulujúce rakoviny reagujúce na rakovinu | npg materiály pre Áziu

Magnetické nanočastice podporované odparovanie kvapôčok pre in vivo stimulujúce rakoviny reagujúce na rakovinu | npg materiály pre Áziu

Anonim

predmety

  • biomateriály
  • nanobiotechnológia

abstraktné

Veľkou výzvou je rozvoj účinných stratégií na liečbu rakoviny in vivo reagujúcej na podnety a prispôsobeného biomedicínu. Aby sme prekonali kritické problémy a obmedzenia tradičných protokolov pomocou akustického vyparovania kvapiek a optického vyparovania kvapiek pri liečbe nádorov reagujúcich na stimuly, uvádzame v tomto dokumente novú stratégiu, efektívnu rakovinu reagujúcu na magnetické pole, odparovanie pomocou magnetických kvapiek (MDV), založené na nanobiotechnológiách. theranostics. Perfluórhexánové (PFH) enkapsulované superparamagnetické duté oxidy železa s nanočasticami s vysokou schopnosťou prenosu magnetickej termálnej energie rýchlo reagujú na vonkajšie magnetické pole so striedavým prúdom (AC), aby sa vytvorila tepelná energia a zvýšila teplota okolitého nádorového tkaniva. Opuzdrený PFH s požadovanou teplotou varu ~ 56 ° C sa môže odpariť, aby sa zvýšila účinnosť ultrazvukového zobrazovania nádorov, ako sa systematicky demonštruje in vitro aj in vivo . Prenos magneticko-tepelnej energie ďalej odstránil a odstránil nádory v modeloch xenoštepu myší. Očakáva sa, že tento jedinečný princíp MDV s vysokou všestrannosťou a výkonom rozšíri biomedicínske aplikácie nanotechnológií a podporí klinické preklady inteligentných diagnostických a terapeutických metód, najmä v boji proti rakovine.

úvod

Rýchly pokrok nanotechnológie v biomedicíne poskytuje alternatívu vysoko všestrannú a účinnú metodológiu na zlepšenie citlivosti, rozlíšenia a presnosti rôznych diagnostických zobrazovacích modalít a zvýšenie terapeutickej účinnosti rôznych protokolov liečby, najmä na včasné odhalenie a účinné usmrtenie rakovinových buniek. 1, 2, 3, 4, 5, 6 Koncepcia molekulárneho zobrazovania a synergickej terapie založená na nanočasticiach (NP) ako kontrastných látkach (CA) alebo synergických látkach (SA) má sľubné klinické aplikácie v prospech ľudského zdravia z dôvodu ich vysokej biokompatibilita a biomedicínska výkonnosť. 7, 8, 9, 10, 11 V porovnaní s inými zobrazovacími metódami, ako je napríklad magnetická rezonancia, počítačová tomografia a rádionuklidové zobrazovanie, sa molekulárne zobrazovanie na báze ultrazvuku vyvíja pomalšie, pretože má úzke miesto pre zobrazovanie, tj veľkosť častíc CA (napríklad mikrobubliny) pre ultrasonografiu musia byť dostatočne veľké, aby účinne reagovali na ultrazvukové vlny. 12, 13, 14 Takéto CA s veľkou veľkosťou častíc sa retikuloendotelovým systémom ľahšie absorbujú, čím sa značne obmedzuje ich akumulácia v nádoroch a následné molekulárne zobrazovacie funkcie na včasnú detekciu nádoru. 13, 14 Okrem toho vývoj SA pre ultrazvukovú synergickú terapiu (napríklad vysoko intenzívny ultrazvuk zameraný na intenzitu) tiež naráža na podobnú otázku veľkosti častíc v porovnaní s inými synergickými terapiami na báze SA, ako je rádiosenzibilizácia a / alebo chemoterapia. 15

Veľkou výzvou zostáva vyriešiť problém s kritickou veľkosťou častíc pre ultrazvukové molekulárne zobrazovanie a terapiu. Nanoobjekty, ktoré menia fázu, s jedinečným správaním reagujúcim na podnety, sú jednou z najúčinnejších CA a SA pre ultrasonografiu a ultrazvukovú terapiu. Tieto nano-sondy cirkulujú v krvných cievach a prenikajú do nádorových tkanív, ak sú vo forme častíc s nano veľkosťou. 13, 16, 17 Pri externom spustení sa tieto nano-veľké CA alebo SA môžu odpariť, aby sa vytvorili veľké mikrometrické bubliny a podstatne sa zvýšila ultrazvuková a terapeutická výkonnosť. Na dosiahnutie tohto špecifického procesu fázovej transformácie boli vyvinuté dva prístupy (obrázok 1). Jedným je odparovanie akustických kvapiek (ADV) a druhým je odparovanie optických kvapiek (ODV). ADV typicky používa akustické vlny na odparenie kvapiek kvapaliny. 18, 19, 20 Avšak, pretože ultrazvuk je ľahko a podstatne ovplyvňovaný plynom alebo kosťou, použitie ADV je pri vaskulárnom zobrazovaní, detekcii rakoviny a dodávaní liečiva obmedzené. ODV používa laser ako zdroj excitácie na vyvolanie odparovania kvapiek kvapaliny. Biokompatibilné kovové NP sa všeobecne používajú na premenu fotónov na tepelnú energiu a na vyvolanie odparovania kvapiek kvapaliny. 21, 22, 23 Malá hĺbka prieniku lasera však podstatne bráni jeho ďalšiemu klinickému prenosu. Poznamenáva sa, že ADV aj ODV vyžadujú vopred určenú polohu nádoru, aby sa uskutočnila miestne špecifická fázová transformácia pre zobrazovanie a terapiu, čo znamená, že tieto dve modality nemôžu vnútorne prekonať nevýhody veľkostí častíc CA alebo SA pre včasnú diagnostiku a účinné terapia rakoviny.

Image

Schéma procesov odparovania akustických kvapiek (ADV), odparovania optických kvapiek (ODV) a odparovania pomocou magnetických kvapiek (MDV). Schematické znázornenie troch reprezentatívnych princípov odparovania pre inteligentnú fázovú transformáciu citlivú na podnety na zvýšenie výkonu a efektívnosti diagnostického zobrazovania a terapie na báze ultrazvuku. Tieto tri spôsoby zahŕňajú ADV, ODV a MDV využívajúce ultrazvuk, laserové a magnetické pole ako externé spúšťače.

Obrázok v plnej veľkosti

Materiály a metódy

Syntéza HION-a PFH-naložených HION (PFH-HION)

Syntéza HION

Superparamagnetické duté nanočastice oxidu železitého (HION) boli syntetizované solotermálnym procesom v jednej nádobe. FeCl3 · 6H20 (1, 350 g, Sinopharm Chemical Reagent, Šanghaj, Čína) sa najskôr rozpustil v etylénglykole (Sinopharm Chemical Reagent) magnetickým miešaním a následne sa pridal octan amónny (NH4 Ac, 3, 854 g, Sinopharm Chemical Reagent) do riešenie. Po ďalšom miešaní pri teplote miestnosti počas 3 hodín sa 100 ml roztoku prenieslo do autoklávu z nehrdzavejúcej ocele potiahnutého teflónom. Autokláv sa inkuboval v peci pri 200 ° C počas 24 hodín. Po ochladení autoklávu na teplotu miestnosti bola čierna zrazenina izolovaná magnetom a niekoľkokrát premytá vodou a etanolom. Konečný produkt sa lyofilizuje na ďalšie použitie.

Syntéza PFH-HION

Aby sa enkapsuloval perfluórhexán (PFH) (Sigma-Aldrich, Šanghaj, Čína) do HIONov, HION prášok z lyofilizácie (5, 10, 20 alebo 40 mg) sa vákuovo utesnil v 2 ml fľaštičkách a potom sa PFH (0, 5 ml) injektoval do každá liekovka, aby sa zaistilo, že prášok bol ponorený do PFH. Nakoniec sa fľaštičky udržiavali pri 4 ° C počas 24 hodín, po ktorých sa PFH-HION zhromaždili po extrakcii nadbytku PFH. Nakoniec bol PFH zapuzdrený vo vnútri dutého priestoru pridaním fyziologického roztoku, ktorý ho uzavrel vo vnútri HION. HION bez enkapsulácie PFH sa pripravili nahradením PFH odplynenou vodou vo vyššie uvedenom postupe.

Účinnosť magnetickej hypertermie in vivo a fázová transformácia

Xenoimplantát zvieracieho nádoru

Bunková línia ľudského karcinómu prsníka MDA-MB-231 (ATCC kat. Č. HTB-26) sa kultivovala v médiu DMEM (Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA, USA) s 10% fetálnym hovädzím sérom. Približne 0, 2 ml DMEM riedenej suspenzie buniek MDA-MB-231 bez séra (1 x 106 buniek na ml) sa priamo injektovalo do bokov štvortýždňových samíc myší Balb C nu / nu, ktoré sa ďalej umiestnili a kŕmené v konštantných teplotných a vlhkostných podmienkach. Približne o 2 až 3 týždne neskôr boli nahé myši s objemom nádoru 0, 8 - 1 cm3 náhodne vybrané, aby sa podrobili pokusom in vivo . Všetky pokusy na zvieratách sa uskutočňovali v súlade s pokynmi Inštitucionálnej komisie pre starostlivosť o zvieratá a ich využitie na univerzite.

Magnetická hypertermia in vivo

Nahé myši nesúce xenotransplantátové nádory MDA-MB-231 dostali intranádorové podanie PFH-HION (0, 3 ml, 40 mg ml -1 ), HION (0, 3 ml, 40 mg ml -1 ) alebo soľného roztoku po intraperitoneálnej anestézii pentobarbitalom sodným, Po vytvorení modelu nádoru boli myši náhodne rozdelené do troch skupín ( n = 10 v každej skupine) pomocou metódy „jednoduchej randomizácie“. Kvapaliny boli presne vstreknuté do centra nádorov pod vedením ultrasonografie pre lokalizované zobrazovanie a terapiu rakoviny. Potom boli myši prenesené do stredu elektromagnetickej indukčnej zahrievacej cievky domáceho analyzátora magnetickej hypertermie, kde boli nádory rovnobežné s rovinou cievky a oddelené od cievky. Tepelné obrazy boli zaznamenávané vzdialeným infračerveným snímačom (Fluke, Ti32, Everett, WA, USA) každých 10 s. Teploty nádoru boli analyzované na termálnych obrazoch pomocou softvéru SmartView 3.3 (Smart Digital Networks, Inc, Los Angeles, CA, USA). Magnetické ožarovanie sa zastavilo po 3 minútach. Polovica myší bola usmrtená 24 hodín po ošetrení na patologické štúdie. Zostávajúce myši boli kŕmené na ďalšie pozorovanie a monitorovanie nádoru. Objem nádoru myší sa meral každé 2 dni po magnetickej hypertermii. Objemy nádoru boli vypočítané podľa nasledujúceho vzorca: V = (W2 x L) / 2 (L: najdlhšia veľkosť nádoru, W: najkratší priemer, kolmý na dĺžku). Na ošetrenie nádorov bolo použité magnetické pole striedavého prúdu 626 kHz pri 6 kW. Ak myš uhynula do 14 dní po liečbe, bola vylúčená z analýzy. V tejto štúdii bola použitá metóda otvoreného pokusu.

TTC farbenie

Nádory po magnetickej hypertermii boli anatomizované, odrezané od stredu a vložené do roztoku TTC (2% hm./obj., Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA). Približne o 10 minút neskôr sa odobrali vzorky na pozorovanie terapeutickej účinnosti magnetickej hypertermie.

Pozorovanie in vivo procesu MDV po injekcii PFH-HION

In vivo ultrasonografia sa uskutočňovala in situ, aby sa pozorovala fázová transformácia PFH-HION po expozícii ac magnetickému poľu. Zobrazovacie režimy (režim B a režim CEUS) a parametre boli rovnaké ako pri ultrasonografii in vitro , ako je opísané v doplnkových informáciách.

Patológia nádorov po MDV a magnetickej hypertermii

Aby sa odhalil molekulárny mechanizmus magnetickej hypertermie, patologická analýza vrátane farbenia hematoxylínom a eozínom (H&E) a imunohistochemická analýza proliferácie a nekrózy tumoru (TUNEL, proliferujúci jadrový antigén buniek (PCNA), BCL-2 a Baxand kaspázy). ) sa uskutočňovali na anatomizovaných nádorových plátkoch podľa štandardných postupov. Po terapeutickom procese, po ktorom nasledovalo ďalšie 2 týždne kŕmenia, sa uskutočnilo farbenie H&E a farbenie hlavných orgánov pruskou modrou. Na konci terapie sa okrem toho hodnotili sérové ​​biochemické hladiny myší TP, ALB, ALT, AST, BUN a sCr myší.

Výsledky a diskusia

Návrh stratégie MDV pre rakovinovú terapiu reagujúcu na stimuly

Neinvazívna magnetická indukcia tepla je nový zdroj ožarovania na premenu vysokofrekvenčných elektromagnetických vĺn na tepelnú energiu a hĺbka prenikania tkaniva nie je obmedzená. 24, 25 V snahe vyvinúť nové inteligentné stratégie reagovania na riešenie kritických problémov a obmedzení ADV a ODV navrhujeme a navrhujeme novú stratégiu fázovej transformácie kvapalina-plyn, tj odparovanie magnetických kvapiek (označené ako MDV), pre účinnú rakovinu reagujúcu na magnetické pole. Tento proces MDV využíva vonkajšie magnetické pole so striedavým prúdom (AC) na generovanie tepelnej energie sprostredkovanej magnetickými NP, ktoré môžu následne indukovať odparovanie zapuzdrených biologicky kompatibilných kvapôčok s nízkym bodom varu (bp). Uskutočňovali sa systematické výskumy in vitro a in vivo, aby sa úspešne preukázala uskutočniteľnosť a účinnosť MDV pri liečbe rakoviny. V porovnaní s ODV využíva MDV ako spúšťací zdroj magnetické pole, ktoré má vyššiu schopnosť prenikania do tkanív v porovnaní so svetlom použitým ako zdroj žiarenia pre ODV. MDV navyše nemôžu byť ovplyvňované plynom alebo kosťou, ktoré sa často vyskytujú počas procesu ADV.

Realizovateľnosť a účinnosť procesu MDV určujú dva kľúčové faktory: magnetické NP a kvapôčky kvapaliny. Magnetické NP by mali mať vysokú schopnosť prenosu tepelnej energie, zatiaľ čo kvapôčky kvapaliny by mali mať primeraný bp, aby rýchlo reagovali na zavedenú tepelnú energiu. Okrem toho by kvapky kvapaliny mali byť dokonale integrované do magnetických NP, aby sa uskutočnil proces MDV. Na základe našej predchádzajúcej práce, že perfluórovaný uhľovodík (PFC) by sa mohol zapuzdriť do dutého mezopórovitého oxidu kremičitého, 26 PLGA kapsúl 27 alebo miciel 16, navrhujeme a vyrábame superparamagnetické porézne HION ako nosiče na enkapsuláciu a dodávanie hydrofóbnych PFC kvapiek. Fyzikálno-chemické vlastnosti PFC tiež v podstate určujú MDV proces, a teda výsledné terapeutické účinky na rakovinu, kde biokompatibilita a bp majú významnú úlohu. Ako je znázornené na obrázku 2a, biokompatibilný PFH s bp ~ 56 ° C bol spočiatku vybraný na zapuzdrenie do veľkého dutého vnútra HION (PFH-HION), po ktorom nasledovalo odparenie PFH po vystavení PFH-HION ac magnetickému poľu ( Obrázok 2b). PFH bol vybraný z iných PFC z niekoľkých dôvodov. Najpoužívanejším PFC je perfluórpentán (PFP) s teplotou varu 29 ° C. Teplota bp sa zvýši na ~ 30 - 37 ° C v závislosti od povrchovo aktívnych látok použitých na enkapsuláciu PFP. 28, 29 Napriek zvýšeniu bp sa kvapky PFP musia pripraviť v ľadovo chladnom vodnom kúpeli a sú nestabilné pri skladovaní pri -4 ° C, čo sťažuje manipuláciu a kontrolu pre ich ireverzibilný prechod kvapiek na bublinu po injekcii. Ostatné biokompatibilné PFC, ako je perfluórhexylbromid (PFHB), perfluóroktylbromid (PFOB) a perfluór-15-koruna-5-éter (PFCE), majú vysoké bp 97 ° C, 142 ° C a 146 ° C (doplnkové) Tabuľka S1), ktoré sú príliš vysoké na rýchle odparenie.

Image

Dizajn perfluórhexánových (PFH) nanesených magnetických dutých oxidov železa (HION) pre magnetické kvapôčky odparovania (MDV) na báze inteligentných terapeutických terapií reagujúcich na rakovinu. a ) Schematické zobrazenie procesu MDV sprostredkovaného PFH-HION, vrátane zapuzdrenia PFH do HION a následného odparenia PFH indukovaného ac magnetickým poľom. b ) Schéma zariadenia MDV na proces MDV na generovanie mikrobubliniek. c ) MDV proces in vivo na zobrazovanie rakovinom riadených rakovinových ochorení.

Obrázok v plnej veľkosti

PFH-HIONs môžu vstupovať do nádorových tkanív, pretože ich malé veľkosti častíc sú menšie ako obmedzenie špecifických veľkých pórov kapilár (<700 nm) v netesnej vaskulatúre nádoru (obrázok 2c). 30 Po začatí procesu MDV môžu podstatne zvýšiť výkonnosť ultrazvuku z dôvodu výroby veľkého počtu mikrobubliniek. Proces MDV môže súčasne vytvárať tepelnú energiu na abláciu a odstránenie nádorových tkanív. Dôležité je, že superparamagnetické HION môžu súčasne pôsobiť ako CA pre zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie váženého T2. MDV proces, podporovaný PFH-HION, tak môže mať jedinečnú funkciu na zobrazovanie navodenej hypertermie rakoviny.

Syntéza a charakterizácia HIONov s obsahom PFH

Porézne superparamagnetické HION sa syntetizovali jednoduchou, ale vysoko všestrannou solotermálnou syntézou v jednej nádobe. 31 Ako prekurzor pre syntézu sa použil hexahydrát chloridu železitého (FeCl3.6H20), ktorý sa redukoval etylénglykolom (tiež ako rozpúšťadlo) za solotermálnych podmienok (200 ° C) počas 24 hodín. Počas syntézy sa pridal octan amónny, aby sa predišlo agregácii a aby sa zaručila vysoká disperzia asyntetizovaných HION. Tvorba dutej nanoštruktúry HION bola založená na princípe Ostwaldovho dozrievania počas solotermálneho procesu pri vysokej teplote a tlaku. Ako je znázornené na obrázku 3a – c a doplnkovom obrázku S1, vyrobené HION vykazujú dobre definovanú sférickú morfológiu s priemernou veľkosťou častíc 537, 3 nm, ako sa stanovilo transmisnou elektrónovou mikroskopiou (615, 1 nm, ako sa stanovilo pomocou dynamického rozptylu svetla, doplnkový obrázok S2)., Kontrastný rozdiel medzi jadrom a plášťom naznačuje vytvorenie dutej štruktúry. Na odhalenie detailov dutej štruktúry HION sa uskutočnilo mapovanie plošných prvkov (obrázok 3d a e) a lineárne (obrázok 3f). Interiér HION vykazoval oveľa slabšie intenzity signálu Fe a O elementov v porovnaní so zložením obalu, čo ďalej odhaľuje prítomnosť dutej štruktúry. Kryštalinita asyntetizovaných HION bola demonštrovaná rôntgenovou difrakciou (doplnkový obrázok S3) a infračervenou spektroskopiou Fourierovej transformácie (FTIR; doplnkový obrázok S4), ktorá sa môže indexovať podľa štandardného rôntgenového difraktogramu (JCPDS 19-0629). a vibračný režim napínania Fe-O pre Fe 3 04. Vysoká kryštalinita HION zaručuje ich žiaduce magnetické vlastnosti. Slučka magnetickej hysterézy HION pri 300 K vykazuje typický superparamagnetický znak so saturačnou magnetizáciou 87, 8 emu g −1 (doplnkový obrázok S5). Takáto vysoká saturačná magnetizácia poskytuje HION s požadovanou účinnosťou magnetického termického prenosu pre proces MDV.

Image

Štrukturálna / kompozitná charakterizácia dutých nanočastíc oxidu železitého (HION). Obrazy transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) HION pri ( a ) nízkom a ( b ) vysokom zväčšení. ( c ) snímka HION so skenovacím elektrónovým mikroskopom. Prvkové mapovanie ( d ) Fe a ( e ) O HION. f ) Distribúcia prvkov Fe a O lineárnym skenovaním obrazu TEM vnoreného do tmavého poľa.

Obrázok v plnej veľkosti

Ultrazvukové zobrazenie citlivé na magnetické pole in vitro a in vivo

Najprv sme skúmali in vitro účinnosť magneticko-tepelného prechodu asyntetizovaných PFH-naplnených HION. Hydrofóbny PFH bol utesnený v dutom vnútornom priestore HION pomocou impregnácie pomocou vákua. 32 Správanie sa na magnetickom ohreve (obrázok 4a) bolo možné pozorovať dispergovaním HION do vodného roztoku a následným vystavením ac magnetickému poľu. Teplota tohto vodného roztoku sa týmto magneticko-tepelným procesom rýchlo zvýšila. Teplota sa zvýšila na 66, 2 ± 5, 7 a 90, 1 ± 8, 1 ° C pri koncentrácii HION 5 a 10 mg ml -1 po expozícii pôsobeniu ac magnetického poľa počas 5 minút (obrázok 4b). Rýchly nárast teploty silne závisí od koncentrácie HION. HION pri koncentrácii 20 alebo 40 mg ml -1 spôsobil, že sa teplota zvýšila na 76, 7 ± 6, 4 alebo 147, 8 ± 13, 2 ° C po vystavení pôsobeniu ac magnetického poľa iba 30 s. Na porovnanie nízka koncentrácia PFH-HIONs ľahko nezvýšila teplotu vodných roztokov (doplnkový obrázok S6).

Image

In vitro magnetotermálna výkonnosť nanočastíc dutého oxidu železitého s perfluórhexánom (PFH-HIONs) a zodpovedajúci proces odparovania pomocou magnetickej kvapôčky (MDV) na kontrastné ultrazvukové zobrazenie. a ) Magnetické termické snímky soľného roztoku in vitro (1 '), PFH (2') a PFH-HION v rôznych koncentráciách (3 ': 5 mg ml −1, 4 ′: 10 mg ml −1, 5 ′: 20 mg ml -1 a 6 ': 40 mg ml -1 ). Obrazy 1 ', 2', 3 'a 4' boli urobené každých 30 s a obrázky 5 'boli získané každých 15 s. Obrazy v 6 'boli zaznamenané 5, 15 a 30 s po zahriatí na striedavé magnetické pole. b ) Kvantitatívna teplotná krivka soľného roztoku, PFH a PFH-HION v rôznych koncentráciách po dlhodobom vystavení pôsobeniu ac magnetického poľa. ( c ) In vitro ultrazvukové zobrazovanie PFH-naložených HION pri rôznych koncentráciách HION (HION: 30 mg ml −1, PFH-HIONs-1: 10 mg ml −1, PFH-HIONs-2: 20 mg ml −1 a PFH -HIONs-3: 30 mg ml −1 ) a rôzne ultrasonografické režimy (režim B a režim CEUS) pred a ) a po b ) magnetickom zahriatí. ( d : režim B, e : režim CEUS) Kvantitatívne hodnoty šedej ultrazvukovej snímky zodpovedajúce snímkam uvedeným v bode c ) a doplnkovému obrázku S8.

Obrázok v plnej veľkosti

Očakáva sa, že takáto vysoká účinnosť magneticko-tepelného prenosu ľahko vyvolá proces MDV. Na overenie tejto myšlienky sa PFH s bp ~ 56 ° C zapuzdril do HION na inteligentné ultrazvukové zobrazovanie reagujúce na magnetické pole. Veľké množstvo mikrobubliniek s rôznymi priemermi by sa dalo generovať z PFH-HION podľa optických mikroskopických obrazov (doplnkový obrázok S7) po magnetickom zahriatí suspenzie PFH-HION. Kontrolná skupina čistých HION nemohla produkovať mikrobubliny za rovnakých podmienok magnetického ožarovania. Tvorba mikrobubliniek bola pozorovaná in vitro pomocou ultrazvukového zobrazovania in vitro . V odplynenom soľnom roztoku a v suspenzii HION zapuzdrujúcich soľný roztok pred a po vystavení účinkom ac magnetického poľa (doplnkový obrázok S8) nedošlo k žiadnym zjavným zmenám ultrazvukových signálov. Výrazne zlepšená kontrastná ultrasonografia bola pozorovaná v suspenziách PFH-HION v B-móde a v CEUS móde pomocou buď magnetického zahrievania (obrázok 4c) alebo priameho zahrievania na 65 ° C vo vodnom kúpeli (doplnkový obrázok S9 a film 1). Zvýšenie kontrastu ultrazvukového zobrazovania pod magnetickým poľom je tiež závislé od koncentrácie, pretože prítomnosť viacerých magnetických HION uľahčuje rýchle zvýšenie teploty a tvorbu mikrobubliniek (obrázok 4d). Významné zvýšenie kontrastu v režime CEUS (obrázok 4e) ďalej demonštruje tvorbu mikrobubliniek, pretože táto kontrastná ultrazvuková zobrazovacia modalita reaguje iba na mikrobubliny v porovnaní s inými zobrazovacími režimami, ako je napríklad režim B alebo harmonický režim. Okrem MDV sprostredkovaných PFH-HIONs, taký organicko-anorganický hybridný nanosystém, môže tiež súčasne realizovať procesy ODV (doplnkový obrázok S10) a MDV (doplnkový obrázok S11), čo dokazuje ich uskutočniteľnosť pre viacúčelové rakovinové terapie.

Výkonnosť PFH-HION pre MDV sa ďalej hodnotila in vivo u nahých myší nesúcich xenoimplantáty rakoviny prsníka MDA-MB-231. Po intratumorálnom podaní fyziologického roztoku, PFH, HION alebo PFH-HION (0, 3 ml, 40 mg ml -1 ) boli myši vystavené ac magnetickému poľu na magneticko-tepelný prechod a ďalší postup MDV. Teplota nádoru sa rýchlo zvýšila na 99, 7 ± 9, 8 a 102, 3 ± 9, 8 ° C po magnetickom zahriatí myší pomocou HION a PFH-HION, v tomto poradí, po iba 3 minútach (obrázok 5a a b). Rýchle zvýšenie teploty odparilo enkapsulovaný PFH vo vnútri dutého vnútra HION, čo bolo demonštrované významným zvýšením kontrastu ultrazvukového zobrazovania v režime B aj v režime CEUS (obrázok 5c). Kvantitatívne hodnoty šedej (obrázok 5d) ďalej ukazujú, že intenzita ultrazvukového signálu sa zvýšila 1, 7-násobne, zatiaľ čo ostatné dve skupiny nemali zjavné zvýšenie intenzity signálu, čo demonštruje vysokú in vivo MDV účinnosť PFH-HION pre ultrasonografiu.

Image

In vivo magneticko-tepelná účinnosť nanočastíc z dutého oxidu železitého s perfluórhexánom (PFH-HION) a zodpovedajúci proces odparovania pomocou magnetickej kvapôčky (MDV) na kontrastné ultrazvukové zobrazenie. a ) Tepelné obrazy myší po podaní (1 ') soľného roztoku, (2') PFH, (3 ') HION a (4') PFH-HION. b ) Kvantitatívna krivka časovej teploty nádorového tkaniva zodpovedajúca tepelným snímkam podľa a ). c ) ultrazvukové zobrazovanie nádorov in vivo pred a po podaní (a) PFH-HION, b) HION a (c) fyziologického roztoku a následná expozícia ac magnetickému poľu. d ) kvantitatívne hodnoty šedej hmoty in vivo zodpovedajúce obrázkom z bodu c ).

Obrázok v plnej veľkosti

In vivo magnetická hypertermia nádorov

Okrem MDV na inteligentné ultrazvukové zobrazovanie so zvýšeným kontrastom by sa na magnetickú abláciu nádorov hypertermiou mohla ďalej využívať vysoká účinnosť HIONs s magnetickým a tepelným prenosom. Rast nádoru bol účinne inhibovaný v krátkom čase po magnetickej hypertermii pomocou PFH-HIONs (88% miera inhibície do 4 dní a 100% miera inhibície do 14 dní, obrázok 6a-e) v porovnaní s kontrolnou skupinou. Nádory zmizli u myší bez zjavného opätovného výskytu po liečbe trvajúcej 2 týždne. Preto je MDV proces schopný ultrazvukovo riadenej magnetickej hypertermie rakoviny.

Image

In vivo magnetická hypertermia nádoru podporovaná výkonom nanočastíc oxidu železitého s perfluórhexánom (PFH-HION). Fotografie nádorov po podaní ( a ) fyziologického roztoku, ( b ) HION a ( c ) PFH-HION a následnej magnetickej hypertermie počas 3 minút. Obrázky boli zaznamenané pred a po ošetrení počas 4 a 14 dní. d ) Fotografie nádorov získaných chirurgickým odstránením po podaní fyziologického roztoku (ľavý obrázok), HION (stredný obrázok) a PFH-HION (pravý obrázok) a následná magnetická termálna ablácia. e ) Objemová krivka objemu nádoru po ošetrení soľným roztokom ako kontrolou, HION a PFH-HION ako terapeutická skupina a ďalšia magnetická hypertermia. f ) H&E farbenie a ( g - j ) optické mikroskopické snímky imunohistochemického farbenia nádorových plátkov po ošetrení soľným roztokom, HION a PFH-HION a ďalšia magnetická hypertermia. ( g : PCNA, h : TUNEL, i : Bcl-2 a j : kaspázy).

Obrázok v plnej veľkosti

Na ďalšie skúmanie molekulárneho mechanizmu vysokej účinnosti magnetickej ablácie in vivo sa systematicky skúmala patológia nádoru po magnetickej ablácii. Výsledky zafarbenia hematoxylínom a eozínom (H&E) ukazujú zjavnú hranicu medzi nekrotickými a nekrotickými oblasťami v časti nádoru po magnetickej hypertermii v skupine PFH-HIONs (obrázok 6f). Hromadenie PFH-HION bolo tiež jasne pozorované v nekrotickej oblasti, čo naznačuje, že nekrotickému účinku pomáhali PFH-HION. Koagulovaná nekróza bola tiež sprevádzaná vymiznutím bunkových štruktúr, fragmentáciou lyzovaných bunkových membrán a prasknutím jadier. V porovnaní bola štruktúra nádorového tkaniva a bunkových membrán jasná a neporušená a jadrá boli v kontrolnej skupine hyperchromatické.

Výsledky imunohistochemického farbenia PCNA ukázali, že mnoho proliferujúcich nádorových buniek s hnedými jadrami bolo prítomných v nádorových plátkoch v kontrolnej skupine po magnetickej ablácii (obrázok 6g), ale len málo proliferujúcich nádorových buniek bolo pozorovaných v skupine PFH-HION, ani v nekrotickej oblasti. ani nekrotická oblasť. Výsledky imunohistochemického farbenia PCNA sú v súlade s analýzou Bax, kde sa pozorovalo veľa mŕtvych buniek hnedej farby (doplnkový obrázok S12). Výsledky vyfarbenia TUNEL ukázali, že na nádorových plátkoch v nekrotickej oblasti skupiny, ktorá dostala PFH-HION (obrázok 6h), bolo pozorovaných veľa apoptotických nádorových buniek s hnedými jadrami, čo naznačuje, že magnetická hypertermia podporovaná PFH-HION môže účinne spôsobiť apoptózu rakovinových buniek. Pri imunohistochemickom farbení Bcl-2 ukázalo, že gén Bcl-2 potláčajúci apoptózu ukazuje, že v skupine buniek (pozri obrázok 6i) je možné pozorovať významnú expresiu Bcl-2 vo vnútri bunkovej cytoplazmy (hnedá), ale nižšia expresia Bcl-2 je prítomná v bunky v skupine PFH-HIONs, v nekrotických aj nekrotických oblastiach. V kaspázovom imunohistochemickom farbení test kaspázových cysteínových proteázových kaspáz súvisiacich s apoptózou ukázal, že v cytoplazme buniek (hnedá) došlo k významnej expresii kaspázy v nekrotickej oblasti nádorov, ktoré dostali PFH-HION (obrázok 6j). Expresia nižšej kaspázy bola pozorovaná v skupine s fyziologickým roztokom.

Vývoj inteligentných spôsobov liečby rakoviny reagujúcich na podnety má veľký význam pre personalizovaný biomedicín. 33 Spúšťače môžu byť vlastné mikroprostrediu, ako sú enzýmy, znížená hodnota pH alebo zvýšené redukčné podmienky, 34, 35, 36 alebo vonkajšie, napríklad umelo zavedené svetelné, ultrazvukové alebo magnetické pole. 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43 Takáto inteligentná forma liečby rakoviny by mala uvoľňovať liek na požiadanie, zlepšovať diagnostické zobrazovanie alebo synergickú terapiu. Nový koncept MDV využívajúci striedavé magnetické pole ako spúšťací zdroj pre rakovinové terapie môže účinne prekonať nevýhody tradičného ADV a ODV, pretože neexistuje žiadny vplyv ultrazvuku alebo hĺbky prenikania laserom na plyn / kosť. 18, 19, 20, 44, 45 Proces odparovania reagujúci na podnety na výrobu mikrobubliniek môže podstatne zlepšiť ultrazvukové zobrazovanie, ktoré sa môže ďalej použiť na ultrasonograficky riadenú magnetickú hypertermiu rakoviny. Dôležité je, že spúšť pomocou ac magnetického poľa nepoškodzuje normálne tkanivá, v ktorých je prítomné iba malé množstvo PFH-HION. Malé množstvo PFH-HION nebolo zahrievané ac magnetickým poľom, ako bolo preukázané hodnotením in vitro (doplnkový obrázok S6). Tento jedinečný proces MDV môže tiež vyriešiť kritické problémy obmedzenia veľkosti častíc CA pre ultrasonografiu. Okrem toho môžu adoptované superparamagnetické HION pôsobiť ako CA pre efektívne in vitro (doplnkový obrázok S13) a in vivo (doplnkový obrázok S14) zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie T2, ktoré ponecháva potenciál pre predurčenie nádorových tkanív pre následná magnetická hypertermia. Poznamenáva sa, že PFH-HIONs môžu preniknúť do vaskulárnej endotelovej medzery nádoru a difundovať do nádoru, ako je demonštrované pruskou modrou farbou nádorového tkaniva po intravenóznom podaní PFH-HIONs myšiam nesúcim nádor (doplnkový obrázok S15). Dôležité je, že zloženie HION s obsahom PFH bolo biokompatibilné, pretože každá zložka, PFH a HION, bola vysoko biokompatibilná a bola široko používaná v biomedicínskych aplikáciách. Preto sa verilo, že integrácia PFH a HION zachovala biologickú kompatibilitu, čo sa ďalej demonštrovalo testom in vitro cytotoxicity (doplnkový obrázok S16), farbením H&E (doplnkový obrázok S17) hlavných orgánov (teplo, pečeň, slezina). pľúca a obličky) a vyhodnotenie biochemickej hladiny v sére (doplnkový obrázok S18) po magnetickej hypertermii, kde neboli pozorované žiadne zjavné patologické zmeny. Nakoniec sa PFH-HIONs mohli vylúčiť z tela, ako demonštrovalo pruské modré sfarbenie hlavných orgánov po ošetrení magnetickou hypertermiou (doplnkový obrázok S19).

závery

Stručne povedané, vyvinuli sme novú koncepciu MDV pre účinnú rakovinovú terapiu reagujúcu na podnety. Špecifický proces MDV využíva ac magnetické pole, pretože umelo zavedený spúšť môže efektívne vyriešiť kritické problémy a obmedzenia tradičných procesov ADV a MDV. Počas procesu MDV môžu superparamagnetické HION naložené PFH účinne reagovať na ac magnetické pole, aby sa zvýšila teplota nádoru, čo môže odpariť enkapsulovaný PFH, aby sa podstatne zvýšila výkonnosť ultrazvuku, ako sa demonštruje in vitro aj in vivo . Dôležité je, že proces MDV môže tiež účinne odstraňovať nádorové tkanivá, aby sa nádor úplne odstránil. Vzhľadom na univerzálnosť tohto jedinečného procesu MDV môže táto nová stratégia nájsť širšie uplatnenie pri liečbe rakoviny u pacientov s rakovinou v porovnaní s tradičnými postupmi ADV a ODV.

Doplnková informácia

Word dokumenty

  1. 1.

    Doplnková informácia

videá

  1. 1.

    Doplnkový film 1

    Doplňujúce informácie sprevádzajú dokument na webovej stránke NPG Asia Materials (//www.nature.com/am)