Blomsterlignende magnetiske nanopartikler er målrettet mod svære tumorer

Takket være arbejdet i et tværfagligt team af forskere ved Dartmouth Center for Nanotechnology Excellence, finansieret af National Institutes of Health, næste generations magnetiske nanopartikler (MNP'er) kan snart behandle dybtliggende og svært tilgængelige tumorer i menneskekroppen.

Selvom forskerne advarer om, at nye terapier baseret på deres opdagelser skal vise sig sikre og effektive i kliniske forsøg, før de rutinemæssigt bliver tilgængelige for mennesker med kræft, de peger på det arbejde, de udgav i denne uge i Journal of Applied Physics , fra AIP Publishing, som betydelige fremskridt.

De skabte en ny klasse af blomstformede magnetiske nanopartikler med overlegen ydeevne i magnetiske felter på lavt niveau og udarbejdede deres varmemekanisme. Arbejdet giver fremtidige forslag til udvikling af en ny generation af uregelmæssigt formede magnetiske nanopartikler til behandling af hypertermi kræft.

Hvad er klinisk hypertermi? Det er en teknik, hvor temperaturen på en del eller hele kroppen hæves over det normale. Varme er kendt for at skade eller ødelægge kræftceller, men for at udnytte det sikkert og effektivt, opvarmning skal påføres meget specifikt, og tumoren skal holdes inden for et krævende temperaturområde i en præcis periode.

En måde at opnå dette på er at administrere nanopartikler og derefter opvarme dem med energi fra lys, lyd eller skiftevis magnetiske bølger. Dette er ingen let opgave, fordi de anvendte skiftevis radiofrekvente bølger også genererer unødvendig opvarmning i normale væv. "Til dato, de fleste kommercielt tilgængelige partikler designet til anvendelse af hypertermi varme meget godt i en relativt høj frekvens, stærkt magnetfelt, "sagde Fridon Shubitidze, lektor i teknik ved Dartmouth College's Thayer School of Engineering. "Imidlertid, der er en grænse for frekvensen og styrken, der kan anvendes. "

Når menneskekroppen er placeret i et højfrekvent og stærkt vekslende felt, det begynder at varme op, og hvis det ikke er markeret dette kan beskadige normale celler. "En måde at undgå at beskadige normalt væv er ved at opnå en dybere forståelse af de magnetiske nanopartiklers opvarmningsmekanismer og bruge denne viden til at skabe magnetiske nanopartikler, der opvarmer ved lave feltstyrker, "Påpegede Shubitidze.

Generelt, bulkmagnetiske materialer opvarmer, når de oplever et magnetfelt i forandring. "Når den krymper til nanostørrelse, disse materialer kan varme op på et par forskellige måder, der ikke forekommer i større skala, "forklarede Shubitidze." Nogle involverer bevægelse, med partiklerne, der fysisk roterer og/eller bevæger sig under påvirkning af feltet, mens andre er helt ikke-mekaniske og kun involverer ændringer i den retning, hvor partiklerne magnetiseres. "

Samlet set, magnetisk nanopartikelhyperteri består af to hovedtrin:levering og derefter aktivering af nanopartikler inde i tumorceller. Når de magnetiske nanopartikler er leveret inde i tumorceller, systemet aktiverer et elektromagnetisk felt, der overfører energi til dem, skaber lokal opvarmning for at ødelægge tumorcellerne.

"Den lokale temperatur er direkte relateret til størrelsen af ​​det vekslende magnetfelt ved tumoren, "Shubitidze uddybet." Det vekslende magnetfelt fra en spole falder hurtigt, så for at anvende denne teknologi i tilfælde, der involverer tumorer dybt inde i kroppen-såsom kræft i bugspytkirtlen-for at opnå et vekslende magnetfelt med høj amplitude i tumoren, er det nødvendigt med et endnu større amplitude-skiftende magnetfelt ved overfladen. Dette felt i stor størrelse kan også hæve temperaturen i normale væv og begrænser anvendeligheden af ​​magnetisk nanopartikelhypertermi -terapi ved ikke at få nok varme ud af partiklerne, som er i en tumor dybt inde i kroppen. "

Partiklerne designet, syntetiseret og testet af teamet viser forbedret ydeevne ved lave feltniveauer i forhold til deres kommercielt tilgængelige modstykker.

Dette markerer et vigtigt skridt i retning af "muliggør behandling af tumorer, der er dybt inde i kroppen, "sagde Shubitidze." Opvarmningsmekanismen er dikteret af forskellige faktorer, såsom nanopartikelform, størrelse, materialetype og påvirkning af det omgivende miljø. Analyser viste, at ud over mulig hystereseopvarmning, effekttabsmekanismen for vores magnetiske nanopartikler er magnetfeltdrevne viskøse friktionstab, som ikke tidligere blev overvejet inden for forskningsmiljøet i magnetisk nanopartikelhyperteri. "

Med hensyn til ansøgninger, magnetisk nanopartikelhyperteri viser sig effektiv, når der er nok partikler i tumoren, når partiklerne har gunstige varmeegenskaber, og når der leveres et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt. Teknologien kan bruges som en selvstændig terapi eller som en adjuvant behandling sammen med kemo- og strålebehandlinger til behandling af kræft.

Udviklingen af ​​magnetiske nanopartikler, der opvarmes ved lavere feltniveauer, er et "vigtigt skridt i retning af at gøre magnetisk nanopartikelhyperteri til en klinisk levedygtig behandling af dybtliggende kræftformer, "Noterede Shubitidze.

Hvad er det næste for holdet? "Vi arbejder i øjeblikket på at kombinere vores magnetiske nanopartikler og en ny enhed til at levere en højere feltstyrke til tumoren i tilfælde af kræft i bugspytkirtlen, hvilket er et særligt vanskeligt mål for konventionelle feltgenererende enheder, "sagde Shubitidze.