Javascript är för närvarande inaktiverat i din webbläsare.När javascript är inaktiverat kommer vissa funktioner på denna webbplats inte att fungera.
Registrera dina specifika uppgifter och specifika droger av intresse, så matchar vi informationen du tillhandahåller med artiklar i vår omfattande databas och skickar dig en PDF-kopia via e-post i tid.
Kontrollera rörelsen av magnetiska järnoxidnanopartiklar för riktad leverans av cytostatika
Författare Toropova Y, Korolev D, Istomina M, Shulmeyster G, Petukhov A, Mishanin V, Gorshkov A, Podyacheva E, Gareev K, Bagrov A, Demidov O
Yana Toropova,1 Dmitry Korolev,1 Maria Istomina,1,2 Galina Shulmeyster,1 Alexey Petukhov,1,3 Vladimir Mishanin,1 Andrey Gorshkov,4 Ekaterina Podyacheva,1 Kamil Gareev,2 Alexei Bagrov,5 Oleg Demidov6,71Almazov National Medical Forskningscentrum vid Ryska federationens hälsoministerium, St. Petersburg, 197341, Ryska federationen;2 St. Petersburg Electrotechnical University "LETI", St. Petersburg, 197376, Ryska federationen;3 Center for Personalized Medicine, Almazov State Medical Research Center, Ryska federationens hälsoministerium, St. Petersburg, 197341, Ryssland;4FSBI "Influensaforskningsinstitutet uppkallat efter AA Smorodintsev" Ryska federationens hälsoministerium, St. Petersburg, Ryska federationen;5 Sechenov-institutet för evolutionär fysiologi och biokemi, Ryska vetenskapsakademin, St. Petersburg, Ryska federationen;6 RAS Institute of Cytology, St. Petersburg, 194064, Ryska federationen;7INSERM U1231, fakulteten för medicin och farmaci, Bourgogne-Franche Comté University of Dijon, Frankrike Kommunikation: Yana Toropova Almazov National Medical Research Centre, Ryska federationens hälsoministerium, Sankt Petersburg, 197341, Ryssland Tel +7 981 95264806 95264806 95264806 [email protected] Bakgrund: En lovande inställning till problemet med cytostatisk toxicitet är användningen av magnetiska nanopartiklar (MNP) för riktad läkemedelsleverans.Syfte: Att använda beräkningar för att bestämma de bästa egenskaperna hos magnetfältet som styr MNPs in vivo, och att utvärdera effektiviteten av magnetronleverans av MNP till mustumörer in vitro och in vivo.(MNPs-ICG) används.In vivo luminescensintensitetsstudier utfördes i tumörmöss, med och utan ett magnetfält på platsen av intresse.Dessa studier utfördes på en hydrodynamisk ställning utvecklad av Institutet för experimentell medicin vid Almazov State Medical Research Center vid det ryska hälsoministeriet.Resultat: Användningen av neodymmagneter främjade den selektiva ackumuleringen av MNP.En minut efter administrering av MNPs-ICG till tumörbärande möss ackumuleras MNPs-ICG huvudsakligen i levern.I frånvaro och närvaro av ett magnetfält indikerar detta dess metaboliska väg.Även om en ökning av fluorescensen i tumören observerades i närvaro av ett magnetfält, förändrades inte fluorescensintensiteten i djurets lever över tiden.Slutsats: Denna typ av MNP, i kombination med den beräknade magnetfältstyrkan, kan ligga till grund för utvecklingen av magnetiskt kontrollerad leverans av cytostatika till tumörvävnader.Nyckelord: fluorescensanalys, indocyanin, järnoxidnanopartiklar, magnetrontillförsel av cytostatika, tumörinriktning
Tumörsjukdomar är en av de främsta dödsorsakerna i världen.Samtidigt existerar fortfarande dynamiken i ökande sjuklighet och dödlighet av tumörsjukdomar.1 Den kemoterapi som används idag är fortfarande en av huvudbehandlingarna för olika tumörer.Samtidigt är utvecklingen av metoder för att minska den systemiska toxiciteten av cytostatika fortfarande relevant.En lovande metod för att lösa dess toxicitetsproblem är att använda bärare i nanoskala för att rikta läkemedelsleveransmetoder, vilket kan ge lokal ackumulering av läkemedel i tumörvävnader utan att öka deras ackumulering i friska organ och vävnader.koncentration.2 Denna metod gör det möjligt att förbättra effektiviteten och inriktningen av kemoterapeutiska läkemedel på tumörvävnader, samtidigt som den minskar deras systemiska toxicitet.
Bland de olika nanopartiklar som övervägs för riktad leverans av cytostatiska medel, är magnetiska nanopartiklar (MNP) av särskilt intresse på grund av deras unika kemiska, biologiska och magnetiska egenskaper, som säkerställer deras mångsidighet.Därför kan magnetiska nanopartiklar användas som ett värmesystem för att behandla tumörer med hypertermi (magnetisk hypertermi).De kan också användas som diagnostiska medel (magnetisk resonansdiagnos).3-5 Genom att använda dessa egenskaper, kombinerat med möjligheten till MNP-ackumulering i ett specifikt område, genom användning av ett externt magnetfält, öppnar leveransen av riktade farmaceutiska preparat upp skapandet av ett multifunktionellt magnetronsystem för att rikta cytostatika till tumörstället Utsikter.Ett sådant system skulle innefatta MNP och magnetfält för att kontrollera deras rörelse i kroppen.I detta fall kan både externa magnetfält och magnetiska implantat placerade i kroppsområdet som innehåller tumören användas som källa till magnetfältet.6 Den första metoden har allvarliga brister, inklusive behovet av att använda specialutrustning för magnetisk målinriktning av läkemedel och behovet av att utbilda personal för att utföra operation.Dessutom är denna metod begränsad av höga kostnader och är endast lämplig för "ytliga" tumörer nära kroppens yta.Den alternativa metoden att använda magnetiska implantat utökar tillämpningsområdet för denna teknik, vilket underlättar dess användning på tumörer som finns i olika delar av kroppen.Både individuella magneter och magneter integrerade i den intraluminala stenten kan användas som implantat för tumörskador i ihåliga organ för att säkerställa deras öppenhet.Men enligt vår egen opublicerade forskning är dessa inte tillräckligt magnetiska för att säkerställa bibehållandet av MNP från blodomloppet.
Effektiviteten av magnetronläkemedelstillförsel beror på många faktorer: egenskaperna hos själva magnetbäraren och egenskaperna hos magnetfältkällan (inklusive de geometriska parametrarna för permanentmagneter och styrkan på det magnetiska fältet de genererar).Utvecklingen av framgångsrik magnetiskt styrd cellinhibitortillförselteknologi bör involvera utveckling av lämpliga läkemedelsbärare i nanoskala, bedömning av deras säkerhet och utveckling av ett visualiseringsprotokoll som gör det möjligt att spåra deras rörelser i kroppen.
I den här studien beräknade vi matematiskt de optimala magnetfältsegenskaperna för att kontrollera den magnetiska läkemedelsbäraren i nanoskala i kroppen.Möjligheten att kvarhålla MNP genom blodkärlsväggen under påverkan av ett applicerat magnetfält med dessa beräkningsegenskaper studerades också i isolerade råttblodkärl.Dessutom syntetiserade vi konjugat av MNP och fluorescerande medel och utvecklade ett protokoll för deras visualisering in vivo.Under in vivo-förhållanden, i tumörmodellmöss, studerades ackumuleringseffektiviteten av MNP i tumörvävnader när de administrerades systemiskt under påverkan av ett magnetfält.
I in vitro-studien använde vi referens-MNP, och i in vivo-studien använde vi MNP belagd med mjölksyrapolyester (polymjölksyra, PLA) innehållande ett fluorescerande medel (indolcyanin; ICG).MNP-ICG ingår i I fallet, använd (MNP-PLA-EDA-ICG).
Syntesen och fysikaliska och kemiska egenskaper hos MNP har beskrivits i detalj på annat håll.7,8
För att syntetisera MNPs-ICG producerades först PLA-ICG-konjugat.En racemisk pulverblandning av PLA-D och PLA-L med en molekylvikt av 60 kDa användes.
Eftersom PLA och ICG båda är syror, för att syntetisera PLA-ICG-konjugat, måste man först syntetisera en aminoterminerad spacer på PLA, vilket hjälper ICG att kemisorbera till spacern.Spacern syntetiserades med användning av etylendiamin (EDA), karbodiimidmetoden och vattenlöslig karbodiimid, 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl)karbodiimid (EDAC).PLA-EDA spacer syntetiseras enligt följande.Tillsätt 20-faldigt molärt överskott av EDA och 20-faldigt molärt överskott av EDAC till 2 mL 0,1 g/ml PLA-kloroformlösning.Syntesen utfördes i ett 15 ml polypropenprovrör på en skakapparat med en hastighet av 300 min-1 under 2 timmar.Syntesschemat visas i figur 1. Upprepa syntesen med ett 200-faldigt överskott av reagens för att optimera syntesschemat.
Vid slutet av syntesen centrifugerades lösningen vid en hastighet av 3000 min-1 under 5 minuter för att avlägsna överskott av utfällda polyetenderivat.Sedan sattes 2 ml av en 0,5 mg/ml ICG-lösning i dimetylsulfoxid (DMSO) till 2 ml lösningen.Omröraren fixeras vid en omrörningshastighet av 300 min-1 under 2 timmar.Det schematiska diagrammet över det erhållna konjugatet visas i figur 2.
I 200 mg MNP tillsatte vi 4 ml PLA-EDA-ICG-konjugat.Använd en LS-220 shaker (LOIP, Ryssland) för att röra om suspensionen i 30 minuter med en frekvens av 300 min-1.Därefter tvättades den med isopropanol tre gånger och utsattes för magnetisk separation.Använd UZD-2 Ultrasonic Disperser (FSUE NII TVCH, Ryssland) för att tillsätta IPA till suspensionen i 5-10 minuter under kontinuerlig ultraljudsverkan.Efter den tredje IPA-tvättningen tvättades fällningen med destillerat vatten och återsuspenderades i fysiologisk saltlösning vid en koncentration av 2 mg/ml.
ZetaSizer Ultra-utrustningen (Malvern Instruments, Storbritannien) användes för att studera storleksfördelningen av den erhållna MNP i vattenlösningen.Ett transmissionselektronmikroskop (TEM) med en JEM-1400 STEM-fältemissionskatod (JEOL, Japan) användes för att studera formen och storleken på MNP.
I denna studie använder vi cylindriska permanentmagneter (N35-kvalitet; med nickelskyddande beläggning) och följande standardstorlekar (längdaxellängd × cylinderdiameter): 0,5×2 mm, 2×2 mm, 3×2 mm och 5×2 mm.
In vitro-studien av MNP-transport i modellsystemet utfördes på en hydrodynamisk ställning utvecklad av Institutet för experimentell medicin vid Almazov State Medical Research Center vid det ryska hälsoministeriet.Volymen av den cirkulerande vätskan (destillerat vatten eller Krebs-Henseleit-lösning) är 225 ml.Axiellt magnetiserade cylindriska magneter används som permanentmagneter.Placera magneten på en hållare 1,5 mm från innerväggen på det centrala glasröret, med dess ände vänd mot rörets riktning (vertikalt).Vätskeflödet i den slutna slingan är 60 L/h (motsvarande en linjär hastighet på 0,225 m/s).Krebs-Henseleit-lösning används som en cirkulerande vätska eftersom den är en analog av plasma.Den dynamiska viskositetskoefficienten för plasma är 1,1–1,3 mPa∙s.9 Mängden MNP som adsorberas i magnetfältet bestäms med spektrofotometri från koncentrationen av järn i den cirkulerande vätskan efter experimentet.
Dessutom har experimentella studier utförts på en förbättrad vätskemekaniktabell för att bestämma blodkärlens relativa permeabilitet.Huvudkomponenterna i det hydrodynamiska stödet visas i figur 3. Huvudkomponenterna i den hydrodynamiska stenten är en sluten slinga som simulerar tvärsnittet av modellens kärlsystem och en lagringstank.Rörelsen av modellvätskan längs konturen av blodkärlsmodulen tillhandahålls av en peristaltisk pump.Under experimentet, upprätthåll förångningen och det erforderliga temperaturintervallet och övervaka systemparametrarna (temperatur, tryck, vätskeflödeshastighet och pH-värde).
Figur 3 Blockschema över uppställningen som används för att studera permeabiliteten av halspulsåderns vägg.1-lagringstank, 2-peristaltisk pump, 3-mekanism för att införa suspension som innehåller MNP i slingan, 4-flödesmätare, 5-trycksgivare i slingan, 6-värmeväxlare, 7-kammare med behållare, 8-källan av magnetfältet, 9-ballongen med kolväten.
Kammaren som innehåller behållaren består av tre behållare: en yttre stor behållare och två små behållare, genom vilka armarna på den centrala kretsen passerar.Kanylen sätts in i den lilla behållaren, behållaren är strängad på den lilla behållaren och spetsen på kanylen är tätt bunden med en tunn tråd.Utrymmet mellan den stora behållaren och den lilla behållaren är fylld med destillerat vatten, och temperaturen förblir konstant på grund av anslutningen till värmeväxlaren.Utrymmet i den lilla behållaren är fyllt med Krebs-Henseleit-lösning för att upprätthålla livskraften hos blodkärlsceller.Tanken är också fylld med Krebs-Henseleit-lösning.Gasförsörjningssystemet (kol) används för att förånga lösningen i den lilla behållaren i lagringstanken och kammaren som innehåller behållaren (Figur 4).
Figur 4 Kammaren där behållaren är placerad.1-kanyl för sänkning av blodkärl, 2-ytterkammare, 3-liten kammare.Pilen indikerar modellvätskans riktning.
För att bestämma det relativa permeabilitetsindexet för kärlväggen användes halspulsådern hos råtta.
Införandet av MNP-suspension (0,5 ml) i systemet har följande egenskaper: den totala inre volymen av tanken och anslutningsröret i slingan är 20 ml, och den inre volymen i varje kammare är 120 ml.Den externa magnetfältskällan är en permanentmagnet med en standardstorlek på 2×3 mm.Den installeras ovanför en av de små kamrarna, 1 cm från behållaren, med ena änden vänd mot behållarens vägg.Temperaturen hålls vid 37°C.Rullpumpens effekt är inställd på 50 %, vilket motsvarar en hastighet på 17 cm/s.Som kontroll togs prover i en cell utan permanentmagneter.
En timme efter administreringen av en given koncentration av MNP togs ett vätskeprov från kammaren.Partikelkoncentrationen mättes med en spektrofotometer med användning av Unico 2802S UV-Vis spektrofotometer (United Products & Instruments, USA).Med hänsyn till absorptionsspektrumet för MNP-suspensionen utfördes mätningen vid 450 nm.
Enligt Rus-LASA-FELASA-riktlinjerna är alla djur uppfödda och uppfödda i specifika patogenfria anläggningar.Denna studie överensstämmer med alla relevanta etiska regler för djurförsök och forskning och har erhållit etiskt godkännande från Almazov National Medical Research Center (IACUC).Djuren drack vatten ad libitum och matade regelbundet.
Studien genomfördes på 10 sövda 12 veckor gamla manliga immunbrist NSG-möss (NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/Szj, Jackson Laboratory, USA) 10, som vägde 22 g ± 10 %.Eftersom immuniteten hos immunbristmöss undertrycks, tillåter immunbristmöss i denna linje transplantation av mänskliga celler och vävnader utan transplantatavstötning.Kullkamraterna från olika burar tilldelades slumpmässigt till den experimentella gruppen, och de samuppfödes eller exponerades systematiskt för andra gruppers strö för att säkerställa lika exponering för den vanliga mikrobiotan.
Den mänskliga cancercellinjen HeLa används för att etablera en xenograftmodell.Cellerna odlades i DMEM innehållande glutamin (PanEco, Ryssland), kompletterat med 10% fetalt bovint serum (Hyclone, USA), 100 CFU/mL penicillin och 100 μg/mL streptomycin.Cellinjen tillhandahölls vänligt av Gene Expression Regulation Laboratory vid Institutet för cellforskning vid den ryska vetenskapsakademin.Före injektion avlägsnades HeLa-celler från odlingsplasten med en 1:1 trypsin:Versene-lösning (Biolot, Ryssland).Efter tvätt suspenderades cellerna i komplett medium till en koncentration av 5 × 106 celler per 200 μL och späddes med basalmembranmatris (LDEV-FREE, MATRIGEL® CORNING®) (1:1, på is).Den beredda cellsuspensionen injicerades subkutant i huden på muslåret.Använd elektroniska bromsok för att övervaka tumörtillväxt var tredje dag.
När tumören nådde 500 mm3 implanterades en permanent magnet i muskelvävnaden hos försöksdjuret nära tumören.I den experimentella gruppen (MNPs-ICG + tumör-M) injicerades 0,1 ml MNP-suspension och exponerades för ett magnetfält.Obehandlade hela djur användes som kontroller (bakgrund).Dessutom användes djur injicerade med 0,1 ml MNP men inte implanterade med magneter (MNPs-ICG + tumör-BM).
Fluorescensvisualiseringen av prover in vivo och in vitro utfördes på IVIS Lumina LT serie III bioimager (PerkinElmer Inc., USA).För in vitro-visualisering tillsattes en volym på 1 ml syntetiskt PLA-EDA-ICG- och MNP-PLA-EDA-ICG-konjugat till plattbrunnarna.Med hänsyn till ICG-färgämnets fluorescensegenskaper väljs det bästa filtret som används för att bestämma provets ljusintensitet: den maximala excitationsvåglängden är 745 nm och emissionsvåglängden är 815 nm.Programvaran Living Image 4.5.5 (PerkinElmer Inc.) användes för att kvantitativt mäta fluorescensintensiteten hos brunnarna som innehöll konjugatet.
Fluorescensintensiteten och ackumuleringen av MNP-PLA-EDA-ICG-konjugatet mättes i in vivo-tumörmodellmöss, utan närvaro och applicering av ett magnetfält på platsen av intresse.Mössen bedövades med isofluran och sedan injicerades 0,1 ml MNP-PLA-EDA-ICG-konjugat genom svansvenen.Obehandlade möss användes som en negativ kontroll för att erhålla en fluorescerande bakgrund.Efter att ha administrerat konjugatet intravenöst, placera djuret på ett uppvärmningssteg (37 °C) i kammaren i IVIS Lumina LT serie III fluorescensbildkamera (PerkinElmer Inc.) samtidigt som inandningen bibehålls med 2 % isofluranbedövning.Använd ICG:s inbyggda filter (745–815 nm) för signaldetektering 1 minut och 15 minuter efter införandet av MNP.
För att bedöma ackumuleringen av konjugat i tumören täcktes djurets peritoneala område med papper, vilket gjorde det möjligt att eliminera den ljusa fluorescensen i samband med ackumuleringen av partiklar i levern.Efter att ha studerat biodistributionen av MNP-PLA-EDA-ICG, avlivades djuren humant genom en överdos av isofluranestesi för efterföljande separation av tumörområden och kvantitativ bedömning av fluorescensstrålning.Använd programvaran Living Image 4.5.5 (PerkinElmer Inc.) för att manuellt bearbeta signalanalysen från den valda regionen av intresse.Tre mätningar gjordes för varje djur (n = 9).
I denna studie kvantifierade vi inte den framgångsrika laddningen av ICG på MNPs-ICG.Dessutom jämförde vi inte retentionseffektiviteten för nanopartiklar under påverkan av permanentmagneter av olika former.Dessutom utvärderade vi inte den långsiktiga effekten av magnetfältet på retentionen av nanopartiklar i tumörvävnader.
Nanopartiklar dominerar, med en medelstorlek på 195,4 nm.Dessutom innehöll suspensionen agglomerat med en medelstorlek av 1176,0 nm (Figur 5A).Därefter filtrerades portionen genom ett centrifugalfilter.Zetapotentialen för partiklarna är -15,69 mV (Figur 5B).
Figur 5 De fysikaliska egenskaperna hos suspensionen: (A) partikelstorleksfördelning;(B) partikelfördelning vid zetapotential;(C) TEM-fotografi av nanopartiklar.
Partikelstorleken är i princip 200 nm (Figur 5C), sammansatt av en enda MNP med en storlek på 20 nm, och ett PLA-EDA-ICG-konjugerat organiskt skal med en lägre elektrondensitet.Bildandet av agglomerat i vattenlösningar kan förklaras av den relativt låga modulen för den elektromotoriska kraften hos enskilda nanopartiklar.
För permanentmagneter, när magnetiseringen är koncentrerad till volymen V, delas integraluttrycket upp i två integraler, nämligen volymen och ytan:
I fallet med ett prov med konstant magnetisering är strömtätheten noll.Sedan kommer uttrycket av den magnetiska induktionsvektorn att ta följande form:
Använd MATLAB-programmet (MathWorks, Inc., USA) för numerisk beräkning, ETU "LETI" akademiskt licensnummer 40502181.
Som visas i Figur 7 Figur 8 Figur 9 Figur-10, genereras det starkaste magnetfältet av en magnet som är orienterad axiellt från cylinderns ände.Den effektiva verkningsradien är likvärdig med magnetens geometri.I cylindriska magneter med en cylinder vars längd är större än dess diameter observeras det starkaste magnetfältet i axiell-radiell riktning (för motsvarande komponent);därför är ett par cylindrar med ett större bildförhållande (diameter och längd) MNP-adsorption den mest effektiva.
Fig. 7 Komponenten för den magnetiska induktionsintensiteten Bz längs magnetens Oz-axel;magnetens standardstorlek: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grön linje 3×2 mm, röd linje 5×2 mm.
Figur 8 Den magnetiska induktionskomponenten Br är vinkelrät mot magnetaxeln Oz;magnetens standardstorlek: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grön linje 3×2 mm, röd linje 5×2 mm.
Figur 9 Den magnetiska induktionsintensiteten Bz-komponenten på avståndet r från magnetens ändaxel (z=0);magnetens standardstorlek: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grön linje 3×2 mm, röd linje 5×2 mm.
Figur 10 Magnetisk induktionskomponent längs den radiella riktningen;standard magnetstorlek: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grön linje 3×2 mm, röd linje 5×2 mm.
Särskilda hydrodynamiska modeller kan användas för att studera metoden för MNP-leverans till tumörvävnader, koncentrera nanopartiklar i målområdet och bestämma beteendet hos nanopartiklar under hydrodynamiska förhållanden i cirkulationssystemet.Permanenta magneter kan användas som externa magnetfält.Om vi ​​bortser från den magnetostatiska interaktionen mellan nanopartiklarna och inte överväger den magnetiska vätskemodellen, är det tillräckligt att uppskatta interaktionen mellan magneten och en enskild nanopartikel med en dipol-dipolapproximation.
Där m är magnetens magnetiska moment, r är radievektorn för den punkt där nanopartikeln är belägen och k är systemfaktorn.I dipolapproximationen har magnetens fält en liknande konfiguration (Figur 11).
I ett enhetligt magnetfält roterar nanopartiklarna bara längs kraftlinjerna.I ett ojämnt magnetfält verkar kraft på det:
Var är derivatan av en given riktning l.Dessutom drar kraften nanopartiklarna in i de mest ojämna områdena i fältet, det vill säga krökningen och densiteten hos kraftlinjerna ökar.
Därför är det önskvärt att använda en tillräckligt stark magnet (eller magnetkedja) med uppenbar axiell anisotropi i området där partiklarna finns.
Tabell 1 visar förmågan hos en enstaka magnet som en tillräcklig magnetfältkälla för att fånga och behålla MNP i den vaskulära bädden av applikationsfältet.