Summary

Microburbujas magnéticas, acústicas y ópticas de triple respuesta para la hipertermia magnética y la terapia combinada de cáncer potototérmico

Published: May 22, 2020
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Summary

Aquí se presenta un protocolo para la fabricación de microburbujas con capa de nanopartículas (NSM) de óxido de hierro a través del autoensamblaje, sinergizando la capacidad de respuesta magnética, acústica y óptica en una plataforma nanoterapéutica para la hipertermia magnética y la terapia de combinación fototérmica contra el cáncer.

Abstract

La administración precisa de agentes anticancerígenos que apuntan a la administración dirigida y penetrada profundamente, así como a una liberación controlada en el sitio del tumor ha sido cuestionada. Aquí, fabricamos microburbujas con carcasa de nanopartículas de óxido de hierro (NSM) a través del autoensamblaje, sinergizando la capacidad de respuesta magnética, acústica y óptica en una plataforma nanoterapéutica. Las nanopartículas de óxido de hierro sirven como agentes magnéticos y fototérmicos. Una vez inyectados por vía intravenosa, los NSM pueden ser guiados magnéticamente al sitio del tumor. El ultrasonido desencadena la liberación de nanopartículas de óxido de hierro, facilitando la penetración de nanopartículas profundamente en el tumor debido al efecto de cavitación de las microburbujas. A partir de entonces, la hipertermia magnética y la terapia fototérmica se pueden realizar en el tumor para la terapia combinada del cáncer, una solución para la resistencia al cáncer debido a la heterogeneidad del tumor. En este protocolo se realizó la síntesis y caracterización de los NSM incluyendo propiedades estructurales, químicas, magnéticas y acústicas. Además, la eficacia anticancerígena mediante terapia térmica se investigó mediante cultivos celulares in vitro. La estrategia de administración propuesta y la terapia combinada son muy prometedoras en el tratamiento del cáncer para mejorar tanto la administración como la eficacia contra el cáncer.

Introduction

El cáncer es una de las enfermedades más mortales, causando millones de muertes cada año en todo el mundo y enormes pérdidas económicas1. En las clínicas, las terapias convencionales contra el cáncer, como la resección quirúrgica, la radioterapia y la quimioterapia, aún no pueden proporcionar una eficacia terapéutica satisfactoria2. Las limitaciones de estas terapias son los efectos secundarios tóxicos altos, la alta tasa de recurrencia y la alta tasa de metástasis3. Por ejemplo, la quimioterapia se sufre por la baja eficiencia de administración de quimio fármacos precisamente al sitio tumoral4. La incapacidad de los fármacos para penetrar profundamente en el tejido tumoral a través de las barreras biológicas, incluida la matriz extracelular y la alta presión del líquido intersticial tumoral, también es responsable de la baja eficacia terapéutica5. Además, la resistencia tumoral suele ocurrir en los pacientes que recibieron tratamiento mediante quimioterapia única6. Por lo tanto, las técnicas donde se produce la ablación térmica del tumor, como la terapia fototérmica (PTT) y la terapia de hipertermia magnética (MHT), han mostrado resultados prometedores para reducir la resistencia tumoral y han ido surgiendo en ensayos clínicos7,8,9.

PTT desencadena la ablación térmica de las células cancerosas por la acción de agentes de conversión fototérmica bajo la irradiación de la energía del láser. La alta temperatura generada (por encima de 50 °C) induce necrosis celular completa10. Muy recientemente, se demostró que las nanopartículas de óxido de hierro (IONP) son un agente de conversión fototérmica que puede ser activado por la luz del infrarrojo cercano (NIR)11.  A pesar del bajo coeficiente de absorción molar en la región del infrarrojo cercano, los IONP son candidatos para la terapia fototérmica a baja temperatura (43 °C), una terapia modificada para reducir el daño causado por la exposición al calor a los tejidos normales e iniciar la inmunidad antitumoral contra la metástasis tumoral12. Una de las limitaciones de PTT es la baja profundidad de penetración del láser. Para los tumores profundamente asentados, el calentamiento inducido por el campo magnético alterno (AFM) de nanopartículas de óxido de hierro, también llamado hipertermia magnética, es una terapia alternativa para PTT13,14. La principal ventaja de MHT es la alta penetración del campo magnético15. Sin embargo, la concentración relativamente alta requerida de IONPs sigue siendo una desventaja importante para su aplicación clínica. La eficiencia de entrega de nanomedicina (o nanopartículas) a tumores sólidos en animales ha sido del 1-10% debido a una serie de obstáculos que incluyen circulación, acumulación y penetración16,17. Por lo tanto, una estrategia de administración de IONPs controlada y dirigida con la capacidad de lograr una alta penetración tisular es de gran interés en el tratamiento del cáncer.

La entrega de nanopartículas mediada por ultrasonido ha demostrado su capacidad para facilitar la penetración de nanopartículas profundas en el tejido tumoral, debido al fenómeno llamado cavitación de microburbujeos18,19. En el presente estudio, fabricamos microburbujas con cáscara (NSM) de IONPs a través de autoensamblaje, sinergizando la capacidad de respuesta magnética, acústica y óptica en una plataforma nanoterapéutica. El NSM contiene un núcleo de aire y una capa de nanopartículas de óxido de hierro, con un diámetro de aproximadamente 5,4 μm. Los NSM pueden ser guiados magnéticamente al sitio del tumor. Luego, la liberación de IONPs se desencadena por ultrasonido, acompañada de cavitación de microburbujes y microstreaming. El impulso recibido de la microstreaming facilita la penetración de IONPs en el tejido tumoral. El PTT y el MHT se pueden lograr mediante irradiación láser NIR o aplicación de AFM, o con la combinación de ambos.

Protocol

Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con los protocolos aprobados por las directrices farmacéuticas de OG para el cuidado y uso de animales de laboratorio. Los protocolos siguieron las directrices del Comité de Ética para animales de laboratorio de OG Pharmaceutical. 1. Síntesis de microburbujas con capa de nanopartículas (NSM) Disperse nanopartículas magnéticas (Fe3O4,óxido de hierro) en agua desionizada para formar una solución…

Representative Results

Las microburbujas con carcasa de nanopartículas (NSM) de triple respuesta utilizadas en este estudio se prepararon agitando la mezcla del surfactante y los IONP. Los IONP (50 nm) se autoensamblaron en la interfaz del núcleo líquido y gaseoso, para formar una carcasa magnética densamente empaquetada. La morfología de los NSM se muestra en la Figura. 1A. Los NSM resultantes presentaron una forma esférica y con un diámetro promedio de 5,41 ± 1,78 μm (Figura 1B). Los resultados indi…

Discussion

Aquí, presentamos un protocolo de fabricación de microburbujas con cáscara de nanopartículas de óxido de hierro (NSM) a través del autoensamblaje, sinergizando la capacidad de respuesta magnética, acústica y óptica en una plataforma nanoterapéutica. Los IONP se empaquetaron densamente alrededor del núcleo de aire para formar una cáscara magnética, que puede ser controlada por el campo magnético externo para la orientación. Una vez entregado, la liberación de IONPs se puede lograr mediante disparador de ul…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (81601608) y NUPTSF (NY216024).

Materials

808 nm laser power Changchun New Industries Optoelectronics Tech MDL-F-808-5W-18017023
Calcein-AM Thermo Fisher SCIENTIFIC C3099
Fetal bovine serum Invitrogen 16000-044
Fluorescence Microscope Olympus IX71
Function generator Keysight 33500B series 20 MHz, 2 channels with arbitrary waveform generation capability
Gelatin gel Sigma 9000-70-8
Heating machine Shuangping SPG-06- II
Homemade focused transducer Frequency=855, R-X=36.2W+5.8W, |Z|-θ=37W+8°
Homogenizer SCILOGEX D-160 8000-30000 rpm
Hydrophone T&C NH1000
ICR male mice OG Pharmaceutical. Co. Ltd 8-week-old
Inductively coupled plasma optical emission spectrometry PerkinElmer
Infrared thermal imaging camera. FLIR E50
Iron(II,III) oxide Alfa Aesar 1317-61-9 50-100nm APS Powder
Laser power meter Changchun New Industries Optoelectronics Tech
Oscilloscope Keysight DSOX3054T Bandwidth 500 MHz, Sampling Rate 5 GS/S, 4 channels
RF Power Amplifier T&C AG1020 The signal source can also be connected to an external signal source. The gain can be adjusted from 0 to 100%. It has multiple functions such as frequency sweep, pulse, and triangle.
Roswell Park Memorial Institute-1640 KeyGEN BioTECH KGM31800
Sodium dodecyl sulfate Sigma 151-21-3

Referencias

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Citar este artículo
Yin, Y., Wang, S., Hu, D., Cai, J., Chen, F., Wang, B., Gao, Y. Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy. J. Vis. Exp. (159), e61208, doi:10.3791/61208 (2020).

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