Microbolle magnetiche, acustiche e ottiche a tripla risposta per ipertermia magnetica e terapia del cancro combinata pototermica

Qui viene presentato un protocollo per la fabbricazione di microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l'autoassemblaggio, la sinergizzazione della reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica per l'ipertermia magnetica e la terapia del cancro combinata fototermica.

Questo protocollo è molto promettente per migliorare la consegna post-nanomedicina e l'efficacia anti-cancro delle nanoparticelle nel trattamento del cancro. Questa tecnica sinergizza le reattività magnetiche, acustiche e ottiche in un'unica piattaforma nanoterapeutica per il controllo e la somministrazione mirata della nanomedicina e facilita la combinazione di terapia fototermica e di ipertermia magnetica. A dimostrare la procedura sarà Siyu Wang, un collega del mio laboratorio di microbolle magnetiche, acustiche e ottico-a tripla risposta per l'ipertermia magnetica e la terapia del cancro con combinazione fototermica.

Per la formazione di microbolle con guscio di nanoparticelle, disperdere uniformemente le nanoparticelle magnetiche di ossido di ferro in acqua deionizzata per generare una soluzione madre di 10 milligrammi per millilitro e caricare la soluzione di nanoparticelle in una macchina per la pulizia ad ultrasuoni per 20 minuti. Al termine della sonicazione, aggiungere 150 microlitri di acqua deionizzata, 150 microlitri di dodecil solfato di sodio da 10 millimolari e 400 microlitri di soluzione di nanoparticelle di ossido di ferro sonicato in una provetta da centrifuga da 1,5 millilitri. Quindi, fissare un omogeneizzatore con un'impalcatura in un bagno di ghiaccio e posizionare la soluzione di nanoparticelle nel bagno di ghiaccio.

Immergere la sonda dell'omogeneizzatore nella soluzione di nanoparticelle e omogeneizzare la sospensione per tre minuti a 20.000 giri al minuto. Al termine dell'omogeneizzazione, lasciare stabilizzare la soluzione per 12 ore a temperatura ambiente prima di posizionare la provetta in un supporto magnetico per adsorbire le microbolle sgusciate di nanoparticelle sulla parete della provetta. Sostituire il surnatante con un millilitro di acqua fresca deionizzata tre volte per lavare le microbolle sgusciate di nanoparticelle.

Dopo l'ultimo lavaggio, agitare leggermente il tubo e trasferire 10 microlitri di microbolle sgusciate con nanoparticelle su un vetrino pulito. Utilizzare un microscopio a fluorescenza e un ingrandimento 20X per visualizzare le microbolle sgusciate di nanoparticelle. Dopo l'imaging, aprire l'immagine nel software del microscopio e utilizzare il righello per impostare una linea rossa con la stessa lunghezza del righello.

Fare clic su Imposta e scala per inserire la lunghezza del righello e disegnare linee della stessa lunghezza con i diametri di almeno 200 singole microbolle. Quindi fare clic su report e visualizzare il report. Per misurare la risposta acustica delle microbolle, diluire 200 microlitri di microbolle sgusciate di nanoparticelle in 800 microlitri di acqua deionizzata in un tubo da 1,5 millilitri e collegare il generatore di funzioni, l'amplificatore, l'adattamento dell'impedenza e il trasduttore di messa a fuoco fatto in casa.

Posizionare il trasduttore al centro del fondo del lavandino cuboide artificiale e collegare l'idrofono con un oscilloscopio per monitorare l'intensità degli ultrasuoni in uscita. Aggiungere una quantità sufficiente di acqua deionizzata per immergere il trasduttore e regolare il generatore di funzioni sulla modalità di scansione. Sintonizza la gamma di frequenza da 10 a 900 kilohertz e imposta l'ampiezza su 20 tensione da picco a picco.

Utilizzare l'amplificatore per regolare la potenza degli ultrasuoni allo 0,1% e la durata del ciclo a quattro secondi con un intervallo di tempo di un secondo. Posiziona il tubo di nanoparticelle nell'impalcatura sulla parte superiore del trasduttore di messa a fuoco fatto in casa e attacca il magnete alla parte inferiore del tubo. Accendere il generatore di funzioni e l'alimentazione dell'amplificatore.

Dopo cinque cicli di ultrasuoni di 25 secondi, spegnere il generatore di funzioni e rimuovere il magnete. Quindi sostituire la soluzione di nanoparticelle con un millilitro di acqua deionizzata e ripetere l'ecografia e il trattamento. Per impostare il laser per il trattamento ottico delle microbolle, accendere prima l'alimentazione del laser.

Dopo alcuni minuti, fissare un diodo laser a 808 nanometri accoppiato a fibra su un supporto per storte e utilizzare una fibra ottica per dirigere il raggio laser verso lo stadio del campione. Utilizzare una lente convessa per mettere a fuoco il tavolino del campione per ottenere un punto luminoso di sei millimetri di diametro e misurare la potenza in uscita con il misuratore di potenza laser. Quindi regolare la potenza a un watt per centimetro quadrato.

Per eseguire una misurazione fototermica, preparare volumi di un millilitro di diverse concentrazioni di nanoparticelle di ossido di ferro in singole provette da centrifuga da 1,5 millilitri e posizionare la prima provetta nella regione focalizzata del raggio laser. Registrare la temperatura di base del campione e accendere il laser e la termocamera a infrarossi. Irradiare il campione continuamente per 10 minuti registrando la temperatura in tempo reale.

Quindi spegnere il laser e la fotocamera e attendere che la temperatura della regione torni alla linea di base prima di misurare le altre concentrazioni del campione nello stesso modo. Per una misurazione dell'ipertermia magnetica in una soluzione acquosa, preparare diverse diluizioni di nanoparticelle di ossido di ferro come dimostrato e posizionare una diluizione al centro di una bobina di rame a induzione magnetica fredda ad acqua. Accendi il campo magnetico alternato e la termocamera a infrarossi e induci continuamente il campione per 10 minuti registrando la temperatura in tempo reale.

Al termine del trattamento, spegnere il campo magnetico alternato e la fotocamera. Quando la temperatura della bobina di rame è tornata al basale, misurare il campione successivo. Le microbolle a guscio di nanoparticelle mostrano tipicamente una forma sferica con un diametro medio di circa 5,41 micrometri.

Sebbene le microbolle rimangano intatte fino a un anno, è possibile ottenere un rilascio graduale di ferro aumentando il numero di cicli di ultrasuoni. La misurazione fototermica mediata da nanoparticelle di ossido di ferro in soluzione acquosa rivela un rapido aumento della temperatura delle nanoparticelle di ossido di ferro nel tempo con un aumento della temperatura di 30 gradi Celsius raggiunto dopo 10 minuti di esposizione alla luce laser del vicino infrarosso a una concentrazione di ferro di cinque milligrammi per millilitro. Rispetto al gruppo di controllo, non si osservano differenze nella morfologia o nel numero di cellule vive quando le linee cellulari di cancro al seno vengono incubate con un'alta concentrazione di ferro, suggerendo una buona biodisponibilità delle nanoparticelle di ossido di ferro.

Dopo l'irradiazione, le cellule tumorali trattate con nanoparticelle hanno assunto una forma arrotondata e hanno dimostrato una ridotta vitalità, indicando l'apoptosi. Cinque minuti dopo l'irradiazione, la temperatura delle aree di iniezione della gelatina aumenta rapidamente di circa 20 gradi Celsius. Quando esposta alla terapia con campo magnetico alternato, l'imaging termico di diverse concentrazioni di nanoparticelle di ossido di ferro rivela una risposta alternata del campo magnetico caratteristica delle microbolle con guscio di nanoparticelle.

Inoltre, l'imaging all'ingrosso di topi esposti alla terapia con campo magnetico alternato rivela cambiamenti di temperatura rapidi e significativi all'interno dell'area di interesse. Durante l'agitazione della soluzione di nanoparticelle, assicurarsi che la sonda dell'omogeneizzatore rimanga completamente immersa all'interno della soluzione. Questo protocollo può anche raggiungere e migliorare la penetrazione nei tessuti tumorali per affrontare le sfide della somministrazione di nanomedicina nel trattamento del cancro.