Download PDF
Rofo 2005; 177(4): 507-515
DOI: 10.1055/s-2005-858021
Übersicht

© Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Magnetische Thermotherapie von Tumoren der Brust: ein experimenteller Therapieansatz

Magnetic Thermotherapy of Breast Tumors: An Experimental Therapeutic ApproachI. Hilger1 , W. Andrä2 , R. Hergt2 , R. Hiergeist2 , W. A. Kaiser1
  • 1Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie des Klinikums der Friedrich-Schiller-Universität Jena
  • 2Institut für Physikalische Hochtechnologie e. V., Jena
Die Autoren danken für die gute Zusammenarbeit mit Dr. Martin Roskos, Institut für Klinische Chemie des Klinikums der FSU Jena, Dr. Harald Schubert, Institut für Versuchstierkunde, PD Dr. Jürgen R. Reichenbach, Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Doreen May, Brigitte Maron, Yvonne Heyne für die gute technische Assistenz. Die Arbeiten wurden teilweise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.
Further Information

Publication History

Publication Date:
19 April 2005 (online)

Also available at
    Permissions and Reprints

Zusammenfassung

Die Strategien zur Therapie von Brustkrebs befinden sich in einem Wandel, insbesondere solche, die auf den Einsatz bei der Behandlung von frühen, prognostisch günstigen Tumorstadien abzielen. Eine potenzielle minimalinvasive Therapieform besteht in der Anreicherung eines verträglichen magnetischen Materials (Eisenoxid, speziell Magnetit) im Zielgewebe. Durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes wird dann am Tumorort gezielt Energie absorbiert und in zellschädigende Wärme umgewandelt. In vorliegender Übersichtsdarstellung werden die für die magnetische Thermotherapie notwendigen Rahmenbedingungen und Einflussgrößen anhand von tierexperimentellen in-vitro- und in-vivo-Untersuchungen vorgestellt und Extrapolationen in Bezug auf die klinische Anwendung diskutiert. Insbesondere werden das Wärmepotenzial des magnetischen Materials, die Wahl der Parameter des magnetischen Wechselfeldes, das Auftreten von Wirbelströmen, die Generierung von lokalisierten Wärmestellen sowie die zu erwartenden Temperaturanstiege und deren Effekte am Tumorort behandelt.

Abstract

The therapeutic strategy for breast cancer is changing, especially for early tumor stages with good prognosis. One potential minimally invasive therapy modality consists in the accumulation of a well-tolerated magnetic material (iron oxides, particularly magnetite) in the target tissue. By applying an alternating magnetic field, energy is selectively absorbed and induces harmful heating of the tumor. The present review deals with the essential conditions and parameters as studied in vitro and in vivo in animal experiments. Extrapolations to the clinical situation are discussed, in particular, the heating potential of the magnetic material, the selection of the magnetic field parameters, the occurrence of eddy currents, the generation of localized heating spots and the expected temperature rises and their effects on the tumor area.

Key words

Minimal invasive therapy - breast carcinoma - hyperthermia - magnetic thermoablation - magnetic nanoparticles - magnetite

Literatur

  • 1 Mahnken A H, Tacke J, Bücker A. et al . Perkutane Radiofrequenzablation maligner Leberläsionen: Erste Erfahrungen mit einem 200-W-Generator.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 216-223
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 2 Harries S A, Amin Z, Smith M E. et al . Interstitial laser photocoagulation as a treatment for breast cancer.  The Britisch Journal of Surgery. 1994;  81 1617-1619
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 3 Dowlatshahi K, Fan M, Gould V E. et al . Stereotactically guided laser therapy of occult breast tumors.  Archives of Surgery. 2000;  135 1345-1352
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 4 Harari P M, Hynynen K H, Roemer R B. et al . Development of scanned focused ultrasound hyperthermia: clinical response evaluation.  International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 1991;  21 831-840
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 5 Jeffrey S S, Birdwell R L, Ikeda D M. et al . Radiofrequency ablation of breast cancer: first report of an emerging technology.  Archives of Surgery. 1999;  134 1064-1068
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 6 Okon E, Pouliquen D, Okon P. et al . Biodegradation of magnetite dextran nanoparticles in the rat. A histologic and biophysical study.  Laboratoy Investigation. 1994;  71 895-903
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 7 Hergt R, Andrä W, d’Ambly C G. et al . Physical limits of hyperthermia using magnetite fine particles.  IEEE-Transactions on Magnetics. 1998;  34 3745-3754
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 8 Hergt R, Hiergeist R, Hilger I. et al . Magnetic Nanoparticles for Thermoablation.  Recent Research Developments in Material Science. 2002;  3 723-742
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 9 Shliomis M I, Stepanov V I. Theory of the Dynamic Susceptibility of Magnetic Fluids. Coffey W Relaxation Phenomena in Condensed Matter New York; Wiley 1994: 1-30
    Search in Google Scholar
  • 10 Andrä W. Magnetic hyperthermia. Andrä W, Nowak H Magnetism in Medicine Berlin; Wiley-VCH 1998: 455-470
    Search in Google Scholar
  • 11 Hergt R, Hiergeist R, Hilger I. et al . Maghemite nanoparticles with very high ac-losses for application in rf-magnetic hyperthermia.  Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004;  270 345-347
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 12 Raj K, Moskowitz B, Casciari R. Advances in ferrofluid technology.  Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1995;  149 174-180
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 13 Alexiou C, Arnold W, Klein R J. et al . Locoregional cancer treatment with magnetic drug targeting.  Cancer Research. 2000;  60 6641-6648
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 14 Lübbe A S, Bergemann C, Riess H. et al . Clinical experiences with magnetic drug targeting: a phase I study with 4’epidoxorubicin in 14 patients with advanced solid tumors.  Cancer Research. 1996;  56 4686-4693
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 15 Taupitz M, Schmitz S, Hamm B. Superparamagnetische Eisenoxidpartikel: Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 752-765
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 16 Hilger I, Andrä W, Hergt R. et al . Electromagnetic heating of breast tumors in interventional radiology: in vitro and in vivo studies in human cadavers and mice.  Radiology. 2001;  218 570-575
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 17 Hilger I, Hiergeist R, Hergt R. et al . Thermoablation of tumors using magnetic nanoparticles: an in vivo feasibility study.  Investigative Radiology. 2002;  37 580-586
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 18 Hilger I, Kießling A, Romanus E. et al . Magnetic nanoparticles for selective detection and heating of magnetically labeled cells in culture: preliminary investigation.  Nanotechnology. 2004;  15 1027-1032
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 19 Bacon B R, Stark D D, Park C H. et al . Ferrite particles: a new magnetic resonance imaging contrast agent. Lack of acute or chronic hepatoxicity after intravenous administration.  The Journal of Laboratory and Clinical Medicine. 1987;  110 164-171
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 20 Marchal G, van Heke P, Demaerel P. et al . Detection of liver metastases with superparamagnetic iron oxide in 15 patients; results of MR imaging at 1.5 T.  American Journal of Radiology. 1988;  152 771-775
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 21 Rummeny E, Weissleder R, Stark D D. et al . Kernspintomographie fokaler Leber- und Milzläsionen.  Radiologe. 1988;  28 380-386
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 22 Beyersdorff D, Taupitz M, Giessing M. et al . Staging von Harnblasentumoren in der MRT: Wertigkeit der intravesikalen Applikation von eisenoxidhaltigem Kontrastmittel in Kombination mit hochaufgelöster T2-gewichteter Bildgebung.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 504-508
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 23 Axmann C, Bohndorf K, Gellissen J. et al . Vergleich zwischen GE- und SE-Sequenzen in der MRT nach i. v. Applikation von superparamagnetischen Eisenpartikeln bei der Beurteilung von experimentell induzierten Osteosarkomen der Weichteile.  Fortschr Röntgenstr. 1997;  166 146-152
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 24 Hilger I, Frühauf S, Linß W. et al . Cytotoxicity of selected magnetic ferrofluids on human adenocarcinoma cells.  Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2003;  261 7-12
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 25 Laniado M, Chachuat A. Verträglichkeitsprofil von ENDOREM.  Radiologe. 1995;  35 266-270
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 26 Hilger I, Hofmann F, Reichenbach J R. et al . Bildgebende Darstellung von Magnetiten in vitro.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  173 101-103
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 27 Lwakatare F, Yamashita Y, Nakayama M. et al . SPIO-enhanced MR imaging of focal fatty liver lesions.  Abdominal Imaging. 2001;  26 157-160
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 28 Tacke J. Perkutane Radiofrequenzablation - klinische Indikationen und Ergebnisse.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 156-168
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 29 Chen L, Wansapura J P, Heit G. et al . Study of laser ablation in the in vivo rabbit brain with MR thermometry.  Journal of Magnetic Resonance Imaging. 2002;  16 147-152
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 30 Weidensteiner C, Quesson B, Caire-Gana B. et al . Real-time MR temperature mapping of rabbit liver in vivo during thermal ablation.  Magnetic Resonance in Medicine. 2003;  50 322-330
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 31 Germain D, Chevallier P, Laurent A. et al . MR monitoring of tumour thermal therapy.  MAGMA. 2001;  13 47-59
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 32 Brezovich I. Low frequency hyperthermia: capacitive and ferromagnetic thermoseed methods. In: Palival P, Hetzel FW (eds).  Medical Physics Monograph. 1988;  16 82
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 33 Hill R P, Hunt J W. Hyperthermia. Tannock JF, Hill RP The Basic Science of Oncology New York; Pergamon Press 1987: 337-357
    Search in Google Scholar
  • 34 Hall E J. Hyperthermia. Hall EJ Radiobiology for the Radiologist. Fourth Edition Philadelphia; J.B. Lippincott Company 1994: 257-288
    Search in Google Scholar
  • 35 Mills M D, Meyn R E. Hyperthermic potentiation of unrejoined DNA strand breaks following irradiation.  Radiation Research. 1983;  95 327-338
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 36 Hilger I, Frühauf S, Andrä W. et al . Magnetic heating as a therapeutic tool.  Thermology International. 2001;  11 130-136
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 37 Hilger I, Rapp A, Greulich K O. et al . Assessment of DNA damages on target in tumor cells after thermoablative heating.  Radiology (in press).
    PubMed
  • 38 Heisterkamp J, van Hillegersberg R, IJzermans J NM. Critical temperature and heating time for coagulation damage: implications for interstitial laser coagulation (ILC) of tumors.  Lasers in Surgery and Medicine. 1999;  25 257-262
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 39 Ritchie K P, Keller B M, Syed K M. et al . Hyperthermia (heat-shock) induced protein denaturation in liver, muscle and lens tissue as determined by differential scanning calorimetry.  International Journal of Hyperthermia. 1994;  10 605-618
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 40 Xu Y, Qian R. Analysis of thermal injury process based on enzyme deactivation mechanisms.  Journal of Biomechanical Engineering - Transactions of the ASME. 1995;  117 462-465
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 41 Joly M A. (ed) .A physico-chemical approach to the denaturation of proteins. London; Academic Press Vol 1965: 1-350
    Search in Google Scholar
  • 42 Andrä W, d’Ambly C G, Hergt R. et al . Temperature distribution as function of time around a small spherical heat source of local magnetic hyperthermia.  Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1999;  194 197-203
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 43 Hilger I, Hergt R, Kaiser W A. Effects of magnetic thermoablation in muscle tissue using iron oxide particles. An in vitro study.  Investigative Radiology. 2000;  35 170-179
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 44 Allgaier H P, Rossi S, Deibert P. et al . Hepatocellular carcinoma: percutaneous ethanol injection/transarterial chemoembolization/radiofrequency thermoablation.  Schweizerische Rundschau für Medizin Praxis. 2000;  89 1056-1060
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 45 Rossi S, Garbagnati F, Lencioni R. et al . Percutaneous radiofrequency thermal ablation of nonresectable hepatocellular carcinoma after occlusion of tumor blood supply.  Radiology. 2000;  217 119-126
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 46 Bicher H I, Hetzel F W, Sandhu T S. et al . Effects of hyperthermia on normal and tumor microenvironment.  Radiology. 1980;  137 523-530
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 47 Böhm T, Malich A, Goldberg S N. et al . Vacuum assisted resection of breast cancer with and without subsequent radiofrequency ablation: Feasibility of complete tumor treatment tested in an animal model.  Journal of Vascular Interventional Radiology. 2001;  12 1086-1093
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 48 Böhm T, Hilger I, Müller W. et al . Saline-enhanced radiofrequency ablation of breast tissue. An in vitro feasibility study.  Investigative Radiology. 2000;  35 149-157
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 49 Corica F A, Cheng L, Ramnani D. et al . Transurethral hot-water balloon thermoablation for benign prostatic hyperplasia: patient tolerance and pathologic findings.  Urology. 2000;  56 76-81
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 50 Larson T R, Bostwick D G, Corica A. Temperature-correlated histopathologic changes following microwave thermoablation of obstructive tissue in patients with benign prostatic hyperplasia.  Urology. 1996;  47 463-469
    CrossrefPubMedSearch in Google Scholar
  • 51 Pichler L, Anzböck W, Pärtan G. et al . Radiofrequenz-Thermoablation maligner Raumforderungen der Leber.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 1369-1374
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 52 Riede U N, Schaefer H E. Physikalische Zellschädigung. Riede UN, Schaefer HE Allgemeine und Spezielle Pathologie Stuttgart; Georg Thieme Verlag 1995: 154-167
    Search in Google Scholar
  • 53 Jordan A, Scholz R, Wust P. et al . Effects of Magnetic Fluid Hyperthermia (MFH) on C3H mammary carcinoma in vivo.  International Journal of Hyperthermia. 1997;  13 587-605
    PubMedSearch in Google Scholar
  • 54 Weissleder R, Stark D D, Engelstad B L. et al . Superparamagnetic iron oxide: pharmacokinetics and toxicity.  Am J of Roentgenol. 1989;  152 167-173
    PubMedSearch in Google Scholar

PD Dr. Ingrid Hilger

Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie des Klinikums der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Forschungszentrum Lobeda

07740 Jena

Germany

Phone: ++ 49/36 41/9 32 59 21

Fax: ++ 49/36 41/9 32 59 22

Email: ingrid.hilger@med.uni-jena.de