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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
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.
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.
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.
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)
2. Respuesta acústica de los NSM
3. Respuesta óptica de los NSM
NOTA: En este trabajo, se utiliza un sistema láser que contiene una potencia láser de 808 nm y una cámara termográfica infrarroja previamente descrita por Xu et al.20.
4. Medición de hipertermia magnética
NOTA: Aquí, se utiliza un sistema de hipertermia magnética previamente descrito por Wu et al. (21).
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 indicaron que los NSM se prepararon con éxito. Cuando se almacenaron en agua, las microburbujas permanecieron intactas durante más de 1 año, y fueron estables en tampones y medio de cultivo celular durante al menos 10 días19. Como se muestra en la Figura 1D,se logró una liberación gradual de Fe con el aumento del número de ciclos de ultrasonido aplicado. Después de 10 ciclos, aproximadamente el 20% de Fe fueron liberados. Hasta 50 ciclos de ultrasonido, la cantidad de Fe liberada alcanzó una meseta de alrededor del 80%. Estos resultados sugirieron la liberación bajo demanda de IONPs por un disparador de ultrasonido externo.
La medición fototérmica mediada por IONPs en solución acuosa se muestra en la Figura 2. La temperatura de los IONP aumentó rápidamente con el aumento del tiempo de irradiación como se muestra en la Figura 2A,B. Se podría lograr un aumento de temperatura de 30 °C cuando se expone a un láser NIR (808 nm, 1 W/cm2) durante 10 min a la concentración de Fe de 5 mg/ml.
El calor generado por PTT podría matar las células cancerosas. La viabilidad de la célula 4T1 por PTT se evaluó mediante láser NIR (808 nm, 1 W/cm2)durante 10 min. Como se muestra en la Figura 3A,B,en comparación con el grupo control, no hubo diferencias en la morfología y el número de células vivas cuando se incubaron con una alta concentración de Fe (5 mg / ml), lo que sugiere la buena biodisponibilidad de los IONP. Una vez irradiadas por el láser NIR, las células se volvieron de forma redonda, lo que indica apoptosis. La cuantificación del número de células vivas, es decir, la viabilidad de las células se muestra en la Figura 3C. Las células incubadas con alta concentración de IONPs (3,65 mg/mL y 5 mg/mL) bajo irradiación NIR tuvieron la tasa de mortalidad más alta, que es de alrededor del 80% y 100% respectivamente. El grupo tratado con baja concentración de IONPs (1,025 mg/ml y 1,35 mg/ml) mostró una eficacia de matanza similar a aproximadamente el 40%. Los resultados demuestran que el efecto fototérmico del NSMS puede tratar eficazmente el cáncer.
Como se muestra en la Figura 4A,B,la temperatura del área de inyección de gelatina aumentó rápidamente en aproximadamente 20 ° C después de 5 min de irradiación NIR. La temperatura real de la superficie del área de interés en ratones podría alcanzarse a alrededor de 57 ° C. Como se muestra en la Figura 5,cuando se exponen a la AFM, las imágenes térmicas de diferentes concentraciones de IONPs (1.05 mg/ mL, 1.35 mg / mL, 3.65 mg / mL, 5 mg / mL) fueron monitoreadas por una cámara térmica infrarroja(Figura 5A),y las curvas de temperatura elevadas se registraron y trazaron en diferentes intervalos de tiempo(Figura 5B). Entre ellos, los IONP de 1,35 mg/ml, 3,65 mg/ml y 5 mg/ml podrían calentar rápidamente la solución y aumentar la temperatura (20 °C, 30 °C, 40 °C, respectivamente) después de 10 min de inducción. Los resultados demuestran una respuesta de campo magnético alterno característica de NSMS.
En el experimento de hipertermia magnética in vivo, los ratones fueron expuestos a AFM a una frecuencia de 415 kHz y a una amplitud magnética de 1,8 kA/m durante 10 min. El proceso de calentamiento fue monitoreado por una cámara termográfica infrarroja en tiempo real(Figura 6A, 6B). Se observaron cambios significativos de temperatura del área de interés (Figura 6). La temperatura aumentó rápidamente con el tiempo, con un incremento de 50 °C durante 10 min de inducción.

Figura 1: Caracterización y liberación controlada de IONPs de los NSM. (A) Imagen representativa de microscopía de campo brillante de NSMs. Barra de escala: 20 μm. (B) La distribución de diámetro de los NSM, n = 200. (C) El diagrama del equipo ultrasónico utilizado en el experimento. (D) Perfiles de liberación acumulativa de IONPs de NSMs bajo estimulación por ultrasonido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Medición fototérmica mediada por IONPs en acuoso. (A) Imágenes térmicas infrarrojas de diferentes concentraciones de IONPs después de 10 min de irradiación láser a 808 nm para 1 W/cm2. (B) Curvas de elevación de temperatura típicas de diferentes concentraciones de IONPs (808 nm, 1 W/cm2, 10 min). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Medición fototérmica mediada por IONPs en células 4T1. (A) Imágenes de microscopía de fluorescencia confocal de células 4T1 vivas después de la incubación de 24 horas con diferentes concentraciones de IONPs (teñidas con Calceína-AM, verde). Las células tratadas con NIR fueron expuestas al láser de 808 nm durante 10 min (1 W/cm2). Barra de escala: 50 μm. (B) Curvas típicas de elevación de temperatura de diferentes concentraciones de células 4T1 tratadas con IONES durante 10 min de irradiación NIR (1 W/cm2). (C) Cuantificación de la viabilidad de células 4T1 incubadas con IONPs a diferentes concentraciones con o sin tratamiento NIR. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Medición fototérmica mediada por IONPs in vivo. (A) Imágenes térmicas infrarrojas de la región de interés del ratón expuesto al láser NIR (808 nm, 1 W/cm2,10 min) capturadas a diferentes intervalos de tiempo. (B) Curvas de temperatura elevadas a diferentes intervalos de tiempo después del tratamiento con láser NIR (808 nm, 1 W/cm2, 10 min). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Medición de hipertermia magnética mediada por IONPs en acuoso. (A) Imágenes térmicas infrarrojas de diferentes concentraciones de solución de IONPs bajo la AFM a la frecuencia de 415 kHz y la amplitud magnética de 1.8 kA/m durante 10 min. (B) Curvas de temperatura típicas de diferentes concentraciones de solución de IONPs bajo la AFM a la frecuencia de 415 kHz y la amplitud magnética de 1.8 kA/m. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Hipertermia magnética mediada por IONPs in vivo. (A) Imágenes térmicas infrarrojas de la región de interés de los ratones capturadas en diferentes intervalos de tiempo bajo el AFM a la frecuencia de 415 kHz y la amplitud magnética de 1,8 kA / m durante 10 min. (B) Curvas de temperatura elevadas en diferentes intervalos de tiempo bajo AFM a la frecuencia de 415 kHz y la amplitud magnética de 1,8 kA / m. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
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.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (81601608) y NUPTSF (NY216024).
| Potencia láser de 808 nm | Changchun New Industries Optoelectronics Tech | MDL-F-808-5W-18017023 | |
| Calcein-AM | Thermo Fisher SCIENTIFIC | C3099 | |
| Suero fetal bovino | Invitrogen | 16000-044 | |
| Microscopio de fluorescencia | Olympus | IX71 | |
| Generador de funciones | Keysight | 33500B series | 20 MHz, 2 canales con capacidad de generación de formas de onda arbitrarias |
| Gel de gelatina | Sigma | 9000-70-8 | |
| Máquina de calentamiento | Shuangping | SPG-06- II | |
| Transductor enfocado | casero | Frecuencia = 855, R-X = 36.2W + 5.8W, |Z|-θ=37W+8° | |
| Homogeneizador | SCILOGEX | D-160 | 8000-30000 rpm |
| Hidrófono | T& C | NH1000 | |
| ICR ratones machos | OG Pharmaceutical. Co. Ltd | Espectrometría de | |
| emisión óptica de plasma acoplado inductivamente | de 8 semanas de edad Cámara de imágenes térmicas infrarrojasPerkinElmer | ||
| . | FLIR | E50 | |
| Óxido de hierro (II, III) | Alfa Aesar | 1317-61-9 | 50-100nm APS Powder |
| Laser medidor de potencia | Changchun New Industries Optoelectronics Tech | ||
| Osciloscopio | Keysight | DSOX3054T | Ancho de banda 500 MHz, frecuencia de muestreo 5 GS/S, 4 canales |
| RF Power Amplifier | T& C | AG1020 | La fuente de señal también se puede conectar a una fuente de señal externa. La ganancia se puede ajustar de 0 a 100%. Tiene múltiples funciones como barrido de frecuencia, pulso y triángulo. |
| Roswell Park Memorial Institute-1640 | KeyGEN BioTECH KGM31800 | ||
| Dodecil sulfato de sodio | Sigma | 151-21-3 |