В момента Javascript е деактивиран във вашия браузър.Когато javascript е деактивиран, някои функции на този уебсайт няма да работят.
Регистрирайте вашите специфични данни и специфични лекарства, които представляват интерес, и ние ще съпоставим предоставената от вас информация със статиите в нашата обширна база данни и ще ви изпратим PDF копие по имейл своевременно.
Контролирайте движението на магнитни наночастици от железен оксид за целево доставяне на цитостатици
Автор Торопова Y, Королев Д, Истомина М, Шулмейстер Г, Петухов А, Мишанин В, Горшков А, Подячева Е, Гареев К, Багров А, Демидов О
Яна Торопова,1 Дмитрий Королев,1 Мария Истомина,1,2 Галина Шулмейстер,1 Алексей Петухов,1,3 Владимир Мишанин,1 Андрей Горшков,4 Екатерина Подячева,1 Камил Гареев,2 Алексей Багров,5 Олег Демидов6,71Almazov National Medical Изследователски център на Министерството на здравеопазването на Руската федерация, Санкт Петербург, 197341, Руска федерация;2 Санкт Петербургски електротехнически университет „ЛЕТИ“, Санкт Петербург, 197376, Руска федерация;3 Център за персонализирана медицина, Държавен медицински изследователски център Алмазов, Министерство на здравеопазването на Руската федерация, Санкт Петербург, 197341, Руска федерация;4FSBI „Изследователски институт по грип на името на AA Smorodintsev” Министерство на здравеопазването на Руската федерация, Санкт Петербург, Руска федерация;5 Институт по еволюционна физиология и биохимия "Сеченов", Руската академия на науките, Санкт Петербург, Руска федерация;6 Институт по цитология на РАН, Санкт Петербург, 194064, Руска федерация;7INSERM U1231, Факултет по медицина и фармация, Университет Bourgogne-Franche Comté в Дижон, Франция Комуникация: Национален медицински изследователски център Яна Торопова Алмазов, Министерство на здравеопазването на Руската федерация, Санкт Петербург, 197341, Руска федерация Тел. +7 981 95264800 4997069 Имейл [имейл защитен] Предистория: Обещаващ подход към проблема с цитостатичната токсичност е използването на магнитни наночастици (MNP) за целево доставяне на лекарства.Цел: Да се ​​използват изчисления за определяне на най-добрите характеристики на магнитното поле, което контролира MNPs in vivo, и да се оцени ефективността на магнетронното доставяне на MNPs към миши тумори in vitro и in vivo.(MNPs-ICG) се използва.Изследванията на интензитета на луминесценция in vivo са проведени в туморни мишки, със и без магнитно поле на интересуващото място.Тези изследвания са проведени на хидродинамично скеле, разработено от Института по експериментална медицина към Държавния медицински изследователски център Алмазов към руското Министерство на здравеопазването.Резултат: Използването на неодимови магнити насърчава селективното натрупване на MNP.Една минута след прилагане на MNPs-ICG на мишки, носещи тумор, MNPs-ICG се натрупва главно в черния дроб.В отсъствието и наличието на магнитно поле това показва неговия метаболитен път.Въпреки че се наблюдава увеличение на флуоресценцията в тумора в присъствието на магнитно поле, интензитетът на флуоресценция в черния дроб на животното не се променя с времето.Заключение: Този тип MNP, комбиниран с изчислената сила на магнитното поле, може да бъде основа за разработването на магнитно контролирано доставяне на цитостатични лекарства към туморните тъкани.Ключови думи: флуоресцентен анализ, индоцианин, наночастици железен оксид, магнетронно доставяне на цитостатици, таргетиране на тумора
Туморните заболявания са една от основните причини за смърт в световен мащаб.В същото време все още съществува динамиката на нарастване на заболеваемостта и смъртността от туморни заболявания.1 Използваната днес химиотерапия все още е едно от основните лечения за различни тумори.В същото време разработването на методи за намаляване на системната токсичност на цитостатиците е все още актуално.Обещаващ метод за решаване на проблема с токсичността е използването на наномащабни носители за насочване на методите за доставяне на лекарства, които могат да осигурят локално натрупване на лекарства в туморните тъкани, без да увеличават натрупването им в здрави органи и тъкани.концентрация.2 Този метод дава възможност да се подобри ефективността и насочването на химиотерапевтичните лекарства върху туморните тъкани, като същевременно се намалява тяхната системна токсичност.
Сред различните наночастици, разглеждани за целево доставяне на цитостатични агенти, магнитните наночастици (MNP) са от особен интерес поради техните уникални химични, биологични и магнитни свойства, които гарантират тяхната гъвкавост.Следователно магнитните наночастици могат да се използват като нагревателна система за лечение на тумори с хипертермия (магнитна хипертермия).Могат да се използват и като диагностични средства (диагностика с магнитен резонанс).3-5 Използвайки тези характеристики, комбинирани с възможността за натрупване на MNP в специфична област, чрез използване на външно магнитно поле, доставката на целеви фармацевтични препарати отваря създаването на многофункционална магнетронна система за насочване на цитостатици към мястото на тумора Перспективи.Такава система ще включва MNP и магнитни полета за контрол на движението им в тялото.В този случай като източник на магнитно поле могат да се използват както външни магнитни полета, така и магнитни импланти, поставени в областта на тялото, съдържаща тумора.6 Първият метод има сериозни недостатъци, включително необходимостта от използване на специализирано оборудване за магнитно насочване на лекарства и необходимостта от обучение на персонал за извършване на операция.В допълнение, този метод е ограничен от високата цена и е подходящ само за "повърхностни" тумори близо до повърхността на тялото.Алтернативният метод за използване на магнитни импланти разширява обхвата на приложение на тази технология, като улеснява използването й върху тумори, разположени в различни части на тялото.Както отделни магнити, така и магнити, интегрирани в интралуминалния стент, могат да се използват като импланти за туморни увреждания в кухи органи, за да се осигури тяхната проходимост.Въпреки това, според нашите собствени непубликувани изследвания, те не са достатъчно магнитни, за да осигурят задържането на MNP от кръвния поток.
Ефективността на магнетронното доставяне на лекарства зависи от много фактори: характеристиките на самия магнитен носител и характеристиките на източника на магнитно поле (включително геометричните параметри на постоянните магнити и силата на магнитното поле, което генерират).Разработването на успешна технология за доставяне на магнитно направлявани клетъчни инхибитори трябва да включва разработването на подходящи магнитни наномащабни носители на лекарства, оценка на тяхната безопасност и разработване на протокол за визуализация, който позволява проследяване на техните движения в тялото.
В това изследване ние математически изчислихме оптималните характеристики на магнитното поле за контрол на магнитния наномащабен носител на лекарството в тялото.Възможността за задържане на MNP през стената на кръвоносния съд под въздействието на приложено магнитно поле с тези изчислителни характеристики също беше изследвана в изолирани кръвоносни съдове на плъх.В допълнение, ние синтезирахме конюгати на MNP и флуоресцентни агенти и разработихме протокол за тяхната визуализация in vivo.При in vivo условия, при туморни модели на мишки, е изследвана ефективността на натрупване на MNPs в туморните тъкани, когато се прилагат системно под въздействието на магнитно поле.
В in vitro изследването използвахме референтния MNP, а в in vivo изследването използвахме MNP, покрит с полиестер на млечна киселина (полимлечна киселина, PLA), съдържащ флуоресцентен агент (индолецианин; ICG).MNP-ICG е включен в В случая използвайте (MNP-PLA-EDA-ICG).
Синтезът и физичните и химичните свойства на MNP са описани подробно другаде.7,8
За да се синтезират MNPs-ICG, първо бяха произведени PLA-ICG конюгати.Използва се прахообразна рацемична смес от PLA-D и PLA-L с молекулно тегло 60 kDa.
Тъй като и PLA, и ICG са киселини, за да се синтезират PLA-ICG конюгати, първо трябва да се синтезира амино-терминиран спейсер върху PLA, който помага на ICG да хемосорбира към спейсера.Спейсерът беше синтезиран с помощта на етилендиамин (EDA), карбодиимиден метод и водоразтворим карбодиимид, 1-етил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимид (EDAC).PLA-EDA спейсерът се синтезира както следва.Добавете 20-кратен моларен излишък от EDA и 20-кратен моларен излишък от EDAC към 2 mL от 0,1 g/mL PLA хлороформен разтвор.Синтезът се провежда в 15 mL полипропиленова епруветка на шейкър при скорост 300 min-1 в продължение на 2 часа.Схемата на синтез е показана на Фигура 1. Повторете синтеза с 200-кратен излишък от реагенти, за да оптимизирате схемата на синтез.
В края на синтеза, разтворът се центрофугира при скорост 3000 min-1 за 5 минути, за да се отстранят излишните утаени полиетиленови производни.След това, 2 mL от 0,5 mg/mL ICG разтвор в диметилсулфоксид (DMSO) се добавя към 2 mL разтвор.Бъркалката се фиксира при скорост на разбъркване от 300 min-1 в продължение на 2 часа.Схематичната диаграма на получения конюгат е показана на Фигура 2.
В 200 mg MNP добавихме 4 mL PLA-EDA-ICG конюгат.Използвайте шейкър LS-220 (LOIP, Русия), за да разбъркате суспензията в продължение на 30 минути при честота 300 min-1.След това се промива с изопропанол три пъти и се подлага на магнитна сепарация.Използвайте ултразвуков диспергатор UZD-2 (FSUE NII TVCH, Русия), за да добавите IPA към суспензията за 5-10 минути при непрекъснато ултразвуково действие.След третото промиване с IPA, утайката се промива с дестилирана вода и се ресуспендира във физиологичен разтвор при концентрация от 2 mg/mL.
Оборудването ZetaSizer Ultra (Malvern Instruments, UK) се използва за изследване на разпределението на размера на получения MNP във водния разтвор.Трансмисионен електронен микроскоп (TEM) с JEM-1400 STEM емисионен катод (JEOL, Япония) беше използван за изследване на формата и размера на MNP.
В това изследване използваме цилиндрични постоянни магнити (клас N35; със защитно покритие от никел) и следните стандартни размери (дължина на дългата ос × диаметър на цилиндъра): 0,5×2 mm, 2×2 mm, 3×2 mm и 5×2 мм.
Изследването in vitro на транспорта на MNP в моделната система е извършено върху хидродинамично скеле, разработено от Института по експериментална медицина на Държавния медицински изследователски център Алмазов на руското Министерство на здравеопазването.Обемът на циркулиращата течност (дестилирана вода или разтвор на Krebs-Henseleit) е 225 mL.Като постоянни магнити се използват аксиално магнетизирани цилиндрични магнити.Поставете магнита върху държач на 1,5 мм от вътрешната стена на централната стъклена тръба, като краят му е насочен към посоката на тръбата (вертикално).Дебитът на флуида в затворения контур е 60 L/h (съответстващ на линейна скорост от 0,225 m/s).Разтворът на Krebs-Henseleit се използва като циркулираща течност, тъй като е аналог на плазмата.Коефициентът на динамичен вискозитет на плазмата е 1,1–1,3 mPa∙s.9 Количеството MNP, адсорбирано в магнитното поле, се определя чрез спектрофотометрия от концентрацията на желязо в циркулиращата течност след експеримента.
Освен това са проведени експериментални изследвания върху подобрена таблица за механика на флуидите за определяне на относителната пропускливост на кръвоносните съдове.Основните компоненти на хидродинамичната опора са показани на фигура 3. Основните компоненти на хидродинамичния стент са затворен контур, който симулира напречното сечение на моделната съдова система и резервоар за съхранение.Движението на моделната течност по контура на кръвоносния съдов модул се осигурява от перисталтична помпа.По време на експеримента поддържайте изпарението и необходимия температурен диапазон и наблюдавайте параметрите на системата (температура, налягане, скорост на потока на течността и стойност на pH).
Фигура 3 Блокова диаграма на настройката, използвана за изследване на пропускливостта на стената на каротидната артерия.1-резервоар, 2-перисталтична помпа, 3-механизъм за въвеждане на суспензия, съдържаща MNP в контура, 4-разходомер, 5-сензор за налягане в контура, 6-топлообменник, 7-камера с контейнер, 8-източник на магнитното поле, 9-балонът с въглеводороди.
Камерата, съдържаща контейнера, се състои от три контейнера: външен голям контейнер и два малки контейнера, през които преминават рамената на централната верига.Канюлата се поставя в малкия контейнер, контейнерът се нанизва върху малкия контейнер и върхът на канюлата се завързва здраво с тънка тел.Пространството между големия контейнер и малкия контейнер се пълни с дестилирана вода, а температурата остава постоянна поради връзката с топлообменника.Пространството в малкия контейнер е запълнено с разтвор на Krebs-Henseleit, за да се поддържа жизнеспособността на клетките на кръвоносните съдове.Резервоарът също се пълни с разтвор на Krebs-Henseleit.Системата за подаване на газ (въглерод) се използва за изпаряване на разтвора в малкия контейнер в резервоара за съхранение и камерата, съдържаща контейнера (Фигура 4).
Фигура 4 Камерата, в която е поставен контейнерът.1-Канюла за спускане на кръвоносни съдове, 2-Външна камера, 3-Малка камера.Стрелката показва посоката на моделната течност.
За определяне на индекса на относителната пропускливост на съдовата стена се използва каротидната артерия на плъх.
Въвеждането на MNP суспензия (0,5 ml) в системата има следните характеристики: общият вътрешен обем на резервоара и свързващата тръба в контура е 20 ml, а вътрешният обем на всяка камера е 120 ml.Източникът на външно магнитно поле е постоянен магнит със стандартен размер 2×3 mm.Монтира се над една от малките камери на 1 см от контейнера, с единия край към стената на контейнера.Температурата се поддържа на 37°C.Мощността на ролковата помпа е настроена на 50%, което съответства на скорост от 17 cm/s.Като контрола бяха взети проби в клетка без постоянни магнити.
Един час след прилагането на дадена концентрация на MNP, от камерата беше взета течна проба.Концентрацията на частиците се измерва със спектрофотометър, използвайки Unico 2802S UV-Vis спектрофотометър (United Products & Instruments, USA).Като се вземе предвид абсорбционният спектър на суспензията на MNP, измерването се извършва при 450 nm.
Съгласно насоките на Rus-LASA-FELASA, всички животни се отглеждат и отглеждат в специални съоръжения, свободни от патогени.Това проучване е в съответствие с всички съответни етични разпоредби за експерименти и изследвания върху животни и е получило етично одобрение от Националния медицински изследователски център Алмазов (IACUC).Животните пиеха вода ad libitum и се хранеха редовно.
Изследването е проведено върху 10 анестезирани 12-седмични мъжки имунодефицитни NSG мишки (NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/Szj, Jackson Laboratory, САЩ) 10, с тегло 22 g ± 10%.Тъй като имунитетът на имунодефицитните мишки е потиснат, имунодефицитните мишки от тази линия позволяват трансплантация на човешки клетки и тъкани без отхвърляне на трансплантанта.Съвместните котила от различни клетки бяха разпределени на случаен принцип в експерименталната група и те бяха съвместно отглеждани или систематично изложени на постелките на други групи, за да се осигури еднакво излагане на общата микробиота.
Клетъчната линия на човешки рак HeLa се използва за установяване на модел на ксенотрансплант.Клетките се култивират в DMEM, съдържащ глутамин (PanEco, Русия), допълнен с 10% фетален говежди серум (Hyclone, САЩ), 100 CFU/mL пеницилин и 100 μg/mL стрептомицин.Клетъчната линия беше любезно предоставена от Лабораторията за регулиране на генната експресия на Института за клетъчни изследвания на Руската академия на науките.Преди инжектиране HeLa клетките бяха отстранени от пластмасата на културата с 1: 1 разтвор на трипсин: Версен (Biolot, Русия).След промиване клетките се суспендират в пълна среда до концентрация от 5 × 106 клетки на 200 μL и се разреждат с матрица на базалната мембрана (БЕЗ LDEV, MATRIGEL® CORNING®) (1:1, върху лед).Приготвената клетъчна суспензия се инжектира подкожно в кожата на бедрото на мишката.Използвайте електронни шублери, за да наблюдавате растежа на тумора на всеки 3 дни.
Когато туморът достигне 500 mm3, в мускулната тъкан на опитното животно в близост до тумора се имплантира постоянен магнит.В експерименталната група (MNPs-ICG + тумор-M), 0.1 mL суспензия на MNP се инжектира и се излага на магнитно поле.Нетретирани цели животни се използват като контроли (фон).В допълнение бяха използвани животни, инжектирани с 0.1 mL MNP, но не имплантирани с магнити (MNPs-ICG + тумор-BM).
Флуоресцентната визуализация на in vivo и in vitro проби беше извършена на IVIS Lumina LT серия III bioimager (PerkinElmer Inc., САЩ).За in vitro визуализация, обем от 1 mL синтетичен PLA-EDA-ICG и MNP-PLA-EDA-ICG конюгат се добавя към ямките на плаката.Като се вземат предвид флуоресцентните характеристики на ICG багрилото, се избира най-добрият филтър, използван за определяне на интензитета на светлината на пробата: максималната дължина на вълната на възбуждане е 745 nm, а дължината на вълната на излъчване е 815 nm.Софтуерът Living Image 4.5.5 (PerkinElmer Inc.) се използва за количествено измерване на интензитета на флуоресценция на ямките, съдържащи конюгата.
Интензитетът на флуоресценция и натрупването на конюгата MNP-PLA-EDA-ICG бяха измерени в in vivo мишки с туморен модел, без присъствието и прилагането на магнитно поле на интересуващото място.Мишките бяха анестезирани с изофлуран и след това 0.1 mL MNP-PLA-EDA-ICG конюгат беше инжектиран през опашната вена.Нетретираните мишки се използват като отрицателна контрола за получаване на флуоресцентен фон.След интравенозно приложение на конюгата, поставете животното на нагревател (37°C) в камерата на IVIS Lumina LT серия III флуоресцентна камера (PerkinElmer Inc.), като поддържате инхалация с 2% изофлуран анестезия.Използвайте вградения филтър на ICG (745–815 nm) за откриване на сигнал 1 минута и 15 минути след въвеждането на MNP.
За да се оцени натрупването на конюгат в тумора, перитонеалната област на животното беше покрита с хартия, което направи възможно елиминирането на ярката флуоресценция, свързана с натрупването на частици в черния дроб.След изследване на биоразпределението на MNP-PLA-EDA-ICG, животните бяха евтаназирани по хуманен начин чрез свръхдоза изофлуранова анестезия за последващо отделяне на туморните области и количествена оценка на флуоресцентното лъчение.Използвайте софтуера Living Image 4.5.5 (PerkinElmer Inc.), за да обработите ръчно анализа на сигнала от избрания регион на интерес.Бяха направени три измервания за всяко животно (n = 9).
В това проучване ние не определихме количествено успешното зареждане на ICG върху MNPs-ICG.Освен това не сравнихме ефективността на задържане на наночастиците под въздействието на постоянни магнити с различни форми.В допълнение, ние не оценихме дългосрочния ефект на магнитното поле върху задържането на наночастици в туморните тъкани.
Доминират наночастиците със среден размер 195,4 nm.В допълнение, суспензията съдържа агломерати със среден размер от 1176.0 nm (Фигура 5А).След това порцията се филтрува през центробежен филтър.Дзета потенциалът на частиците е -15,69 mV (Фигура 5B).
Фигура 5 Физически свойства на суспензията: (A) разпределение на размера на частиците;(B) разпределение на частиците при зета потенциал;(C) TEM снимка на наночастици.
Размерът на частиците е основно 200 nm (Фигура 5C), съставен от единичен MNP с размер 20 nm и PLA-EDA-ICG конюгирана органична обвивка с по-ниска електронна плътност.Образуването на агломерати във водни разтвори може да се обясни с относително ниския модул на електродвижещата сила на отделните наночастици.
За постоянните магнити, когато намагнитването е концентрирано в обема V, интегралният израз се разделя на два интеграла, а именно обема и повърхността:
В случай на образец с постоянно намагнитване, плътността на тока е нула.Тогава изразът на вектора на магнитната индукция ще приеме следната форма:
Използвайте програмата MATLAB (MathWorks, Inc., САЩ) за числени изчисления, номер на академичен лиценз на ETU „LETI“ 40502181.
Както е показано на Фигура 7 Фигура 8 Фигура 9 Фигура-10, най-силното магнитно поле се генерира от магнит, ориентиран аксиално от края на цилиндъра.Ефективният радиус на действие е еквивалентен на геометрията на магнита.При цилиндрични магнити с цилиндър, чиято дължина е по-голяма от неговия диаметър, най-силното магнитно поле се наблюдава в аксиално-радиална посока (за съответния компонент);следователно чифт цилиндри с по-голямо аспектно съотношение (диаметър и дължина) MNP адсорбция е най-ефективна.
Фиг. 7 Компонента на интензитета на магнитната индукция Bz по оста Oz на магнита;стандартният размер на магнита: черна линия 0,5×2 мм, синя линия 2×2 мм, зелена линия 3×2 мм, червена линия 5×2 мм.
Фигура 8 Компонентът на магнитната индукция Br е перпендикулярен на магнитната ос Oz;стандартният размер на магнита: черна линия 0,5×2 мм, синя линия 2×2 мм, зелена линия 3×2 мм, червена линия 5×2 мм.
Фигура 9 Интензитетът на магнитната индукция Bz компонент на разстояние r от крайната ос на магнита (z=0);стандартният размер на магнита: черна линия 0,5×2 мм, синя линия 2×2 мм, зелена линия 3×2 мм, червена линия 5×2 мм.
Фигура 10 Компонента на магнитна индукция в радиална посока;стандартен размер на магнита: черна линия 0,5×2 мм, синя линия 2×2 мм, зелена линия 3×2 мм, червена линия 5×2 мм.
Специални хидродинамични модели могат да се използват за изследване на метода за доставка на MNP до туморни тъкани, концентриране на наночастици в целевата област и определяне на поведението на наночастиците при хидродинамични условия в кръвоносната система.Като външни магнитни полета могат да се използват постоянни магнити.Ако пренебрегнем магнитостатичното взаимодействие между наночастиците и не вземем предвид модела на магнитната течност, достатъчно е да оценим взаимодействието между магнита и единична наночастица с приближение дипол-дипол.
Където m е магнитният момент на магнита, r е радиус-векторът на точката, в която се намира наночастицата, а k е системният фактор.В диполното приближение полето на магнита има подобна конфигурация (Фигура 11).
В еднородно магнитно поле наночастиците се въртят само по силовите линии.В нееднородно магнитно поле върху него действа сила:
Къде е производната на дадена посока l.В допълнение, силата издърпва наночастиците в най-неравномерните области на полето, тоест кривината и плътността на силовите линии се увеличават.
Поради това е желателно да се използва достатъчно силен магнит (или магнитна верига) с очевидна аксиална анизотропия в областта, където се намират частиците.
Таблица 1 показва способността на единичен магнит като достатъчен източник на магнитно поле да улови и задържи MNP в съдовото легло на полето на приложение.