Javascript er for øyeblikket deaktivert i nettleseren din.Når javascript er deaktivert, vil enkelte funksjoner på denne nettsiden ikke fungere.
Registrer dine spesifikke detaljer og spesifikke legemidler av interesse, så vil vi matche informasjonen du gir med artikler i vår omfattende database og sende deg en PDF-kopi via e-post i tide.
Kontroller bevegelsen av magnetiske jernoksid-nanopartikler for målrettet levering av cytostatika
Forfatter 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 Forskningssenter ved Helsedepartementet i Den russiske føderasjonen, St. Petersburg, 197341, Russland;2 St. Petersburg Electrotechnical University “LETI”, St. Petersburg, 197376, Russland;3 Senter for personlig medisin, Almazov statlige medisinske forskningssenter, helsedepartementet i den russiske føderasjonen, St. Petersburg, 197341, Russland;4FSBI "Influenza Research Institute oppkalt etter AA Smorodintsev" Helsedepartementet i den russiske føderasjonen, St. Petersburg, Russland;5 Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russland;6 RAS Institute of Cytology, St. Petersburg, 194064, Russland;7INSERM U1231, Det medisinske og farmasøytiske fakultet, Bourgogne-Franche Comté Universitetet i Dijon, Frankrike Kommunikasjon: Yana ToropovaAlmazov National Medical Research Centre, Den russiske føderasjonens helseministerium, Saint-Petersburg, 197341, Russland Tlf. +7 981 95264806 95264806 [email protected] Bakgrunn: En lovende tilnærming til problemet med cytostatisk toksisitet er bruken av magnetiske nanopartikler (MNP) for målrettet medikamentlevering.Formål: Å bruke beregninger for å bestemme de beste egenskapene til magnetfeltet som kontrollerer MNP-er in vivo, og for å evaluere effektiviteten av magnetronlevering av MNP-er til musesvulster in vitro og in vivo.(MNPs-ICG) brukes.In vivo luminescensintensitetsstudier ble utført i tumormus, med og uten et magnetfelt på stedet av interesse.Disse studiene ble utført på et hydrodynamisk stillas utviklet av Institutt for eksperimentell medisin ved Almazov State Medical Research Center i det russiske helsedepartementet.Resultat: Bruken av neodymmagneter fremmet den selektive akkumuleringen av MNP.Ett minutt etter administrering av MNPs-ICG til tumorbærende mus, akkumuleres MNPs-ICG hovedsakelig i leveren.I fravær og tilstedeværelse av et magnetisk felt, indikerer dette dens metabolske vei.Selv om en økning i fluorescensen i svulsten ble observert i nærvær av et magnetisk felt, endret ikke fluorescensintensiteten i leveren til dyret seg over tid.Konklusjon: Denne typen MNP, kombinert med den beregnede magnetiske feltstyrken, kan være grunnlaget for utvikling av magnetisk kontrollert levering av cytostatika til tumorvev.Nøkkelord: fluorescensanalyse, indocyanin, jernoksid-nanopartikler, magnetronlevering av cytostatika, tumormålretting
Tumorsykdommer er en av de viktigste dødsårsakene over hele verden.Samtidig eksisterer fortsatt dynamikken i økende sykelighet og dødelighet av tumorsykdommer.1 Kjemoterapien som brukes i dag er fortsatt en av hovedbehandlingene for ulike svulster.Samtidig er utviklingen av metoder for å redusere den systemiske toksisiteten til cytostatika fortsatt aktuelt.En lovende metode for å løse toksisitetsproblemet er å bruke nanoskalabærere for å målrette legemiddelleveringsmetoder, som kan gi lokal akkumulering av medisiner i tumorvev uten å øke akkumuleringen i friske organer og vev.konsentrasjon.2 Denne metoden gjør det mulig å forbedre effektiviteten og målrettingen av kjemoterapeutiske legemidler på tumorvev, samtidig som den reduserer deres systemiske toksisitet.
Blant de forskjellige nanopartikler som vurderes for målrettet levering av cytostatiske midler, er magnetiske nanopartikler (MNP) av spesiell interesse på grunn av deres unike kjemiske, biologiske og magnetiske egenskaper, som sikrer deres allsidighet.Derfor kan magnetiske nanopartikler brukes som varmesystem for å behandle svulster med hypertermi (magnetisk hypertermi).De kan også brukes som diagnostiske midler (magnetisk resonansdiagnose).3-5 Ved å bruke disse egenskapene, kombinert med muligheten for MNP-akkumulering i et spesifikt område, gjennom bruk av et eksternt magnetfelt, åpner leveringen av målrettede farmasøytiske preparater for etableringen av et multifunksjonelt magnetronsystem for å målrette cytostatika til tumorstedet Utsikter.Et slikt system vil inkludere MNP og magnetiske felt for å kontrollere deres bevegelse i kroppen.I dette tilfellet kan både eksterne magnetiske felt og magnetiske implantater plassert i kroppsområdet som inneholder svulsten brukes som kilde til magnetfeltet.6 Den første metoden har alvorlige mangler, inkludert behovet for å bruke spesialisert utstyr for magnetisk målretting av legemidler og behovet for å trene personell til å utføre kirurgi.I tillegg er denne metoden begrenset av høye kostnader og er bare egnet for "overfladiske" svulster nær overflaten av kroppen.Den alternative metoden for å bruke magnetiske implantater utvider anvendelsesområdet for denne teknologien, og letter bruken på svulster lokalisert i forskjellige deler av kroppen.Både individuelle magneter og magneter integrert i den intraluminale stenten kan brukes som implantater for tumorskader i hule organer for å sikre deres åpenhet.Imidlertid, ifølge vår egen upubliserte forskning, er disse ikke tilstrekkelig magnetiske til å sikre oppbevaring av MNP fra blodet.
Effektiviteten av tilførsel av magnetronmedisin avhenger av mange faktorer: egenskapene til selve magnetbæreren og egenskapene til magnetfeltkilden (inkludert de geometriske parameterne til permanente magneter og styrken til magnetfeltet de genererer).Utviklingen av vellykket magnetisk guidet cellehemmer-leveringsteknologi bør innebære utvikling av passende magnetiske nanoskala medikamentbærere, vurdering av deres sikkerhet og utvikling av en visualiseringsprotokoll som gjør det mulig å spore deres bevegelser i kroppen.
I denne studien beregnet vi matematisk de optimale magnetfeltkarakteristikkene for å kontrollere den magnetiske nanoskala medikamentbæreren i kroppen.Muligheten for å beholde MNP gjennom blodkarveggen under påvirkning av et påført magnetfelt med disse beregningsegenskapene ble også studert i isolerte rotteblodkar.I tillegg syntetiserte vi konjugater av MNP-er og fluorescerende midler og utviklet en protokoll for deres visualisering in vivo.Under in vivo-forhold, i tumormodellmus, ble akkumuleringseffektiviteten til MNP-er i tumorvev studert når de ble administrert systemisk under påvirkning av et magnetfelt.
I in vitro-studien brukte vi referansen MNP, og i in vivo-studien brukte vi MNP belagt med melkesyrepolyester (polymelkesyre, PLA) som inneholder et fluorescerende middel (indolecyanin; ICG).MNP-ICG er inkludert i I tilfellet, bruk (MNP-PLA-EDA-ICG).
Syntesen og de fysiske og kjemiske egenskapene til MNP er beskrevet i detalj andre steder.7,8
For å syntetisere MNP-ICG ble PLA-ICG-konjugater først produsert.En racemisk pulverblanding av PLA-D og PLA-L med en molekylvekt på 60 kDa ble brukt.
Siden PLA og ICG begge er syrer, må man først syntetisere en aminoterminert spacer på PLA for å syntetisere PLA-ICG-konjugater, som hjelper ICG med å kjemisorbere til spaceren.Avstandsstykket ble syntetisert ved å bruke etylendiamin (EDA), karbodiimidmetode og vannløselig karbodiimid, 1-etyl-3-(3-dimetylaminopropyl)karbodiimid (EDAC).PLA-EDA-avstandsstykket er syntetisert som følger.Tilsett 20 ganger molart overskudd av EDA og 20 ganger molart overskudd av EDAC til 2 ml 0,1 g/ml PLA kloroformløsning.Syntesen ble utført i et 15 ml polypropylen-reagensrør på en shaker med en hastighet på 300 min-1 i 2 timer.Synteseskjemaet er vist i figur 1. Gjenta syntesen med et 200 ganger overskudd av reagenser for å optimalisere synteseskjemaet.
Ved slutten av syntesen ble løsningen sentrifugert ved en hastighet på 3000 min-1 i 5 minutter for å fjerne overskudd av utfelte polyetylenderivater.Deretter ble 2 ml av en 0,5 mg/ml ICG-løsning i dimetylsulfoksid (DMSO) tilsatt til 2 ml-løsningen.Omrøreren fikseres ved en rørehastighet på 300 min-1 i 2 timer.Det skjematiske diagrammet av det oppnådde konjugatet er vist i figur 2.
I 200 mg MNP tilsatte vi 4 ml PLA-EDA-ICG-konjugat.Bruk en LS-220 shaker (LOIP, Russland) for å røre suspensjonen i 30 minutter med en frekvens på 300 min-1.Deretter ble den vasket med isopropanol tre ganger og utsatt for magnetisk separasjon.Bruk UZD-2 Ultrasonic Disperser (FSUE NII TVCH, Russland) for å tilsette IPA til suspensjonen i 5-10 minutter under kontinuerlig ultralydvirkning.Etter den tredje IPA-vasken ble bunnfallet vasket med destillert vann og resuspendert i fysiologisk saltvann ved en konsentrasjon på 2 mg/ml.
ZetaSizer Ultra-utstyret (Malvern Instruments, UK) ble brukt til å studere størrelsesfordelingen til den oppnådde MNP i den vandige løsningen.Et transmisjonselektronmikroskop (TEM) med en JEM-1400 STEM feltemisjonskatode (JEOL, Japan) ble brukt til å studere formen og størrelsen på MNP.
I denne studien bruker vi sylindriske permanentmagneter (N35-kvalitet; med nikkelbeskyttende belegg) og følgende standardstørrelser (langakselengde × sylinderdiameter): 0,5×2 mm, 2×2 mm, 3×2 mm og 5×2 mm.
In vitro-studien av MNP-transport i modellsystemet ble utført på et hydrodynamisk stillas utviklet av Institute of Experimental Medicine ved Almazov State Medical Research Center i det russiske helsedepartementet.Volumet av den sirkulerende væsken (destillert vann eller Krebs-Henseleit-løsning) er 225 ml.Aksialt magnetiserte sylindriske magneter brukes som permanente magneter.Plasser magneten på en holder 1,5 mm unna den indre veggen av det sentrale glassrøret, med enden vendt mot rørets retning (vertikalt).Væskestrømningshastigheten i den lukkede sløyfen er 60 L/t (tilsvarende en lineær hastighet på 0,225 m/s).Krebs-Henseleit-løsning brukes som en sirkulerende væske fordi den er en analog av plasma.Den dynamiske viskositetskoeffisienten til plasma er 1,1–1,3 mPa∙s.9 Mengden MNP adsorbert i magnetfeltet bestemmes ved spektrofotometri fra konsentrasjonen av jern i den sirkulerende væsken etter forsøket.
I tillegg er det utført eksperimentelle studier på en forbedret væskemekanikktabell for å bestemme den relative permeabiliteten til blodkar.Hovedkomponentene til den hydrodynamiske støtten er vist i figur 3. Hovedkomponentene i den hydrodynamiske stenten er en lukket sløyfe som simulerer tverrsnittet av modellkarsystemet og en lagertank.Bevegelsen av modellvæsken langs konturen til blodkarmodulen er gitt av en peristaltisk pumpe.Under eksperimentet opprettholder du fordampningen og det nødvendige temperaturområdet, og overvåker systemparametrene (temperatur, trykk, væskestrømningshastighet og pH-verdi).
Figur 3 Blokkdiagram av oppsettet som ble brukt til å studere permeabiliteten til halspulsåreveggen.1-lagringstank, 2-peristaltisk pumpe, 3-mekanisme for innføring av suspensjon som inneholder MNP i sløyfen, 4-strømningsmåler, 5-trykksensor i sløyfen, 6-varmeveksler, 7-kammer med beholder, 8-kilden av magnetfeltet, 9-ballongen med hydrokarboner.
Kammeret som inneholder beholderen består av tre beholdere: en ytre stor beholder og to små beholdere, gjennom hvilke armene til den sentrale kretsen passerer.Kanylen settes inn i den lille beholderen, beholderen strenges på den lille beholderen, og tuppen av kanylen er tett knyttet med en tynn ledning.Rommet mellom den store beholderen og den lille beholderen er fylt med destillert vann, og temperaturen holder seg konstant på grunn av koblingen til varmeveksleren.Plassen i den lille beholderen er fylt med Krebs-Henseleit-løsning for å opprettholde levedyktigheten til blodkarceller.Tanken er også fylt med Krebs-Henseleit-løsning.Gass (karbon) forsyningssystemet brukes til å fordampe løsningen i den lille beholderen i lagringstanken og kammeret som inneholder beholderen (Figur 4).
Figur 4 Kammeret hvor beholderen er plassert.1-kanyle for senking av blodårer, 2-ytre kammer, 3-lite kammer.Pilen indikerer retningen til modellvæsken.
For å bestemme den relative permeabilitetsindeksen til karveggen, ble rottehalspulsåren brukt.
Innføringen av MNP-suspensjon (0,5 mL) i systemet har følgende egenskaper: det totale indre volumet av tanken og tilkoblingsrøret i sløyfen er 20 mL, og det indre volumet i hvert kammer er 120 mL.Den eksterne magnetfeltkilden er en permanent magnet med en standardstørrelse på 2×3 mm.Den installeres over et av de små kamrene, 1 cm unna beholderen, med den ene enden vendt mot beholderveggen.Temperaturen holdes på 37°C.Effekten til rullepumpen er satt til 50 %, som tilsvarer en hastighet på 17 cm/s.Som kontroll ble prøver tatt i en celle uten permanente magneter.
En time etter administrering av en gitt konsentrasjon av MNP ble en væskeprøve tatt fra kammeret.Partikkelkonsentrasjonen ble målt med et spektrofotometer ved bruk av Unico 2802S UV-Vis spektrofotometer (United Products & Instruments, USA).Tar man hensyn til absorpsjonsspekteret til MNP-suspensjonen, ble målingen utført ved 450 nm.
I henhold til Rus-LASA-FELASA-retningslinjene er alle dyr oppdrettet og oppdrettet i spesifikke patogenfrie anlegg.Denne studien overholder alle relevante etiske forskrifter for dyreforsøk og forskning, og har fått etisk godkjenning fra Almazov National Medical Research Center (IACUC).Dyrene drakk vann ad libitum og matet regelmessig.
Studien ble utført på 10 bedøvede 12 uker gamle mannlige immundefekte NSG-mus (NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/Szj, Jackson Laboratory, USA) 10, som veide 22 g ± 10 %.Siden immuniteten til immunsviktmus er undertrykt, tillater immunsviktmusene i denne linjen transplantasjon av menneskelige celler og vev uten transplantasjonsavvisning.Kullkameratene fra forskjellige bur ble tilfeldig tildelt forsøksgruppen, og de ble samoppdrettet eller systematisk eksponert for sengetøy fra andre grupper for å sikre lik eksponering for den vanlige mikrobiotaen.
Den humane kreftcellelinjen HeLa brukes til å etablere en xenograft-modell.Cellene ble dyrket i DMEM inneholdende glutamin (PanEco, Russland), supplert med 10 % føtalt bovint serum (Hyclone, USA), 100 CFU/mL penicillin og 100 μg/mL streptomycin.Cellelinjen ble levert av Gene Expression Regulation Laboratory ved Institute of Cell Research ved det russiske vitenskapsakademiet.Før injeksjon ble HeLa-celler fjernet fra kulturplasten med en 1:1 trypsin:Versene-løsning (Biolot, Russland).Etter vasking ble cellene suspendert i komplett medium til en konsentrasjon på 5×106 celler per 200 μL, og fortynnet med basalmembranmatrise (LDEV-FREE, MATRIGEL® CORNING®) (1:1, på is).Den tilberedte cellesuspensjonen ble injisert subkutant inn i huden på muselåret.Bruk elektroniske skyvelære for å overvåke tumorvekst hver 3. dag.
Når svulsten nådde 500 mm3, ble en permanent magnet implantert i muskelvevet til forsøksdyret nær svulsten.I den eksperimentelle gruppen (MNPs-ICG + tumor-M) ble 0,1 ml MNP-suspensjon injisert og utsatt for et magnetfelt.Ubehandlede hele dyr ble brukt som kontroller (bakgrunn).I tillegg ble dyr injisert med 0,1 ml MNP men ikke implantert med magneter (MNPs-ICG + tumor-BM) brukt.
Fluorescensvisualiseringen av in vivo og in vitro prøver ble utført på IVIS Lumina LT serie III bioimager (PerkinElmer Inc., USA).For in vitro-visualisering ble et volum på 1 ml syntetisk PLA-EDA-ICG og MNP-PLA-EDA-ICG-konjugat tilsatt til platebrønnene.Tatt i betraktning fluorescensegenskapene til ICG-fargestoffet, velges det beste filteret som brukes til å bestemme lysintensiteten til prøven: maksimal eksitasjonsbølgelengde er 745 nm, og emisjonsbølgelengden er 815 nm.Living Image 4.5.5-programvaren (PerkinElmer Inc.) ble brukt til å kvantitativt måle fluorescensintensiteten til brønnene som inneholder konjugatet.
Fluorescensintensiteten og akkumuleringen av MNP-PLA-EDA-ICG-konjugatet ble målt i in vivo tumormodellmus, uten tilstedeværelse og påføring av et magnetfelt på stedet av interesse.Musene ble bedøvet med isofluran, og deretter ble 0,1 ml MNP-PLA-EDA-ICG-konjugat injisert gjennom halevenen.Ubehandlede mus ble brukt som en negativ kontroll for å oppnå en fluorescerende bakgrunn.Etter administrering av konjugatet intravenøst, plasser dyret på et varmetrinn (37 °C) i kammeret til IVIS Lumina LT serie III fluorescensbildeapparat (PerkinElmer Inc.) mens du opprettholder inhalasjonen med 2 % isofluranbedøvelse.Bruk ICGs innebygde filter (745–815 nm) for signaldeteksjon 1 minutt og 15 minutter etter introduksjonen av MNP.
For å vurdere akkumuleringen av konjugat i svulsten, ble det peritoneale området til dyret dekket med papir, noe som gjorde det mulig å eliminere den lyse fluorescensen forbundet med akkumulering av partikler i leveren.Etter å ha studert biofordelingen av MNP-PLA-EDA-ICG, ble dyrene humant avlivet ved en overdose av isofluran anestesi for påfølgende separasjon av tumorområder og kvantitativ vurdering av fluorescensstråling.Bruk Living Image 4.5.5-programvare (PerkinElmer Inc.) for å manuelt behandle signalanalysen fra den valgte regionen av interesse.Tre målinger ble tatt for hvert dyr (n = 9).
I denne studien kvantifiserte vi ikke den vellykkede belastningen av ICG på MNPs-ICG.I tillegg sammenlignet vi ikke retensjonseffektiviteten til nanopartikler under påvirkning av permanente magneter av forskjellige former.I tillegg evaluerte vi ikke den langsiktige effekten av magnetfeltet på retensjon av nanopartikler i tumorvev.
Nanopartikler dominerer, med en gjennomsnittlig størrelse på 195,4 nm.I tillegg inneholdt suspensjonen agglomerater med en gjennomsnittlig størrelse på 1176,0 nm (figur 5A).Deretter ble porsjonen filtrert gjennom et sentrifugalfilter.Zetapotensialet til partiklene er -15,69 mV (Figur 5B).
Figur 5 De fysiske egenskapene til suspensjonen: (A) partikkelstørrelsesfordeling;(B) partikkelfordeling ved zeta-potensial;(C) TEM-fotografi av nanopartikler.
Partikkelstørrelsen er i utgangspunktet 200 nm (Figur 5C), sammensatt av en enkelt MNP med en størrelse på 20 nm, og et PLA-EDA-ICG konjugert organisk skall med lavere elektrontetthet.Dannelsen av agglomerater i vandige løsninger kan forklares med den relativt lave modulen til den elektromotoriske kraften til individuelle nanopartikler.
For permanente magneter, når magnetiseringen er konsentrert i volumet V, er integraluttrykket delt inn i to integraler, nemlig volumet og overflaten:
Når det gjelder en prøve med konstant magnetisering, er strømtettheten null.Deretter vil uttrykket av den magnetiske induksjonsvektoren ha følgende form:
Bruk MATLAB-programmet (MathWorks, Inc., USA) for numerisk beregning, ETU "LETI" akademisk lisensnummer 40502181.
Som vist i Figur 7 Figur 8 Figur 9 Figur-10, genereres det sterkeste magnetfeltet av en magnet orientert aksialt fra enden av sylinderen.Den effektive aksjonsradiusen tilsvarer magnetens geometri.I sylindriske magneter med en sylinder hvis lengde er større enn dens diameter, observeres det sterkeste magnetfeltet i aksial-radial retning (for den tilsvarende komponenten);derfor er et par sylindre med et større sideforhold (diameter og lengde) MNP-adsorpsjon den mest effektive.
Fig. 7 Komponenten til den magnetiske induksjonsintensiteten Bz langs Oz-aksen til magneten;standardstørrelsen på magneten: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grønn linje 3×2 mm, rød linje 5×2 mm.
Figur 8 Den magnetiske induksjonskomponenten Br er vinkelrett på magnetaksen Oz;standardstørrelsen på magneten: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grønn linje 3×2 mm, rød linje 5×2 mm.
Figur 9 Den magnetiske induksjonsintensiteten Bz-komponenten i avstanden r fra magnetens endeakse (z=0);standardstørrelsen på magneten: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grønn linje 3×2 mm, rød linje 5×2 mm.
Figur 10 Magnetisk induksjonskomponent langs radiell retning;standard magnetstørrelse: svart linje 0,5×2 mm, blå linje 2×2 mm, grønn linje 3×2 mm, rød linje 5×2 mm.
Spesielle hydrodynamiske modeller kan brukes til å studere metoden for MNP-levering til tumorvev, konsentrere nanopartikler i målområdet og bestemme oppførselen til nanopartikler under hydrodynamiske forhold i sirkulasjonssystemet.Permanente magneter kan brukes som eksterne magnetiske felt.Hvis vi ignorerer den magnetostatiske interaksjonen mellom nanopartikler og ikke vurderer den magnetiske væskemodellen, er det tilstrekkelig å estimere interaksjonen mellom magneten og en enkelt nanopartikkel med en dipol-dipol-tilnærming.
Der m er magnetens magnetiske moment, r er radiusvektoren til punktet der nanopartikkelen befinner seg, og k er systemfaktoren.I dipoltilnærmingen har feltet til magneten en lignende konfigurasjon (Figur 11).
I et jevnt magnetfelt roterer nanopartikler bare langs kraftlinjene.I et uensartet magnetfelt virker kraft på det:
Hvor er den deriverte av en gitt retning l.I tillegg trekker kraften nanopartikler inn i de mest ujevne områdene av feltet, det vil si at krumningen og tettheten til kraftlinjene øker.
Derfor er det ønskelig å bruke en tilstrekkelig sterk magnet (eller magnetkjede) med åpenbar aksial anisotropi i området hvor partiklene befinner seg.
Tabell 1 viser evnen til en enkelt magnet som en tilstrekkelig magnetfeltkilde til å fange opp og beholde MNP i det vaskulære lag av applikasjonsfeltet.