Magnetisch basierte Steigerung der Nanopartikelaufnahme in Tumorzellen: Kombination von magnetisch induzierter Zellmarkierung und magnetischer Wärmebehandlung

Zusammenfassung

Ziel: Magnetische Nanopartikel (MNP) sind als vielseitige Werkzeuge in der diagnostischen und interventionellen Radiologie bekannt. Die Motivation für die vorliegende Untersuchung war zu klären, ob MNP selektiv an humane Adenokarzinomzellen in vitro mithilfe eines externen magnetischen Feldes (magnetisch induzierte Zellmarkierung) angereichert und anschließend diese markierten Tumorzellen nach Exposition in einem Magnetwechselfeld (magnetisch induzierte Wärmegenerierung) zerstört werden können. Langfristiges Ziel dabei ist, diese zwei in der Entwicklung befindlichen Methoden zu einer effizienten Tumorbehandlung mit additivem Effekt zu vereinen. Material und Methoden: BT-474-Zellen wurden bis zur Konfluenz in einer Kulturflasche inkubiert. Anschließend wurden magnetische Nanopartikel (0,32 mg Fe/ml Kulturmedium) zugegeben und die Kultur einem externen magnetischen Feldgradienten (magnetisch induzierte Zellmarkierung, 56 oder 83 mT) über 24 Stunden ausgesetzt, um die Tumorzellen mit den MNP zu markieren. BT-474-Zellen ohne MNP und ohne Magneten bzw. mit MNP, aber ohne Magneten fungierten als Kontrollen. Nach Inkubation mit den MNP wurden die magnetisch markierten Zellen (5 × 10⁷ Zellen/ml) einem Magnetwechselfeld (Frequenz 400 kHz, Amplitude 24,6 kA/m) für 5,45 Minuten ausgesetzt. Der kombinatorische Effekt von beiden Methoden, magnetisch induzierte Markierung und magnetische Wärmebehandlung, wurde über die erzielte Temperaturerhöhung pro Zeiteinheit bestimmt. Die Menge der an Zellen akkumulierten MNP wurde über den Eisengehalt mittels Atomabsorptionsspektrometrie ermittelt. Zur statistischen Analyse wurden Mittelwerte und Standardabweichungen der erzielten Temperaturerhöhungen und Eisengehalte berechnet sowie deren signifikante Unterschiede zu den Kontrollen mittels t-Test ermittelt. Ergebnisse: Es konnte ein signifikant (p < 0,01) höherer Temperaturanstieg während der magnetischen Wärmebehandlung von 41,76 ± 4,60 K bei mit MNP magnetisch markierten Zellen (5 × 10⁷ Zellen/ml, 83 mT) gegenüber den Kontrollen festgestellt werden. Bei Zellen, die mit MNP, aber ohne Magneten inkubiert wurden, lag die Temperaturerhöhung bei 32,03 ± 3,33 K, bei Zellen ohne MNP und ohne Magneten bei 2,69 ± 0,34 K. Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigten die magnetisch basierte Steigerung der zellulären MNP-Aufnahme von Tumorzellen, wodurch die generierte Temperaturerhöhung während der magnetischen Wärmebehandlung verstärkt wurde. Folglich könnten MNP zukünftig zu guten Werkzeugen für die Kombination von magnetisch basierten Therapiemodalitäten werden.

Abstract

Purpose: Magnetic nanoparticles (MNP) are known to be versatile tools in diagnostic and interventional radiology. The goal of the present study was to assess whether MNP can be selectively accumulated on human adenocarcinoma cells in vitro using an external magnetic field (magnetically induced cell labeling) and whether these labeled tumor cells can then be destroyed after being exposed to an alternating magnetic field (magnetically induced heating). In this context, a long-term goal is to combine these two developing methods to achieve an additive effect in tumor therapy. Materials and Methods: BT-474 cells were incubated until confluence. Magnetic nanoparticles (0.32 mg Fe/ml culture medium) were then added and the flask was exposed to an external magnetic field gradient (magnetically induced cell labeling, 56 or 83 mT magnets) for 24 hours in order to label the tumor cells with nanoparticles. Cells without both MNP and magnetic labeling as well as cells with MNP incubation but without magnetic labeling served as controls. After MNP incubation, the magnetically labeled cells (5 × 10⁷ cells/ml) were exposed to an alternating magnetic field for 5.45 minutes (frequency 400 kHz, amplitude 24.6 kA/m). The combination effect of both magnetic labeling and magnetic heating was assessed by determining the temperature increase. The amount of MNP accumulated within the cells was determined by measuring the iron content via atomic absorption spectrometry. For statistical analysis mean values and standard deviations of temperature increases and iron contents were calculated and the differences were analyzed using the Student’s t-test. Results: A significant temperature increase (p < 0.01) during magnetic heating of 41.76 ± 4.60 K was detected after magnetic labeling of the cells (5 × 10⁷ cells/ml, 83 mT) incubated with MNP. In comparison, the cells incubated with MNP but without magnetic labeling revealed a temperature increase of 32.03 ± 3.33 K, naked cells of only 2.69 ± 0.34 K. Conclusion: The results demonstrated the magnetically based enhancement of cellular uptake of nanoparticles by tumor cells, resulting in the intensification of the generated temperature increase during magnetic heating. Consequently, magnetic nanoparticles are shown to be valuable tools for the combination of magnetically based therapy modalities.

Key words

Minimal-invasive therapy - breast carzinoma - magnetic nanoparticles - hyperthermia - magnetically induced cell labeling - specific heating power

Literatur

• 1 Gilchrist R K, Shorey W D, Russel M. Effects of electromagnetic heating on internal viscera: a preliminary to the treatment of human tumors.  Ann Surg. 1957;  161 890-896
• 2 Herborn C U, Papanikolaou N, Reszka R. et al . Magnetosomen als biologisches Modell der Eisenbindung: Messung der Relaxivität in der MRT.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 830-834
• 3 Ito A, Shinkai M, Honda H. et al . Medical application of functionalized magnetic nanoparticles.  J Biosci Bioeng. 2005;  100 1-11
• 4 Grimm J, Wunder A. Molekulare Bildgebung: Stand der Forschung.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 326-337
• 5 Dahnke H, Schaeffter T. Accurate T2* Quantification with Susceptibility Correction at 3.0 T.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 582
• 6 Böhm I, Träber F, Block W. et al . Molekulare Bildgebung von Apoptose und Nekrose - Zellbiologische Grundlagen und Einsatz in der Onkologie.  Fortschr Röntgenstr. 2006;  178 263-271
• 7 Ittrich H, Lange C, Dahnke H. et al . Untersuchungen zur Markierung von mesenchymalen Stammzellen mit unterschiedlichen superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln und Nachweisbarkeit in der MRT bei 3T.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1151-1163
• 8 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.  Radiol. 2001;  218 570-575
• 9 Hilger I, Hiergeist R, Hergt R. et al . Thermal ablation of tumors using magnetic nanoparticles.  Invest Radiol. 2002;  37 580-586
• 10 Hilger I, Andrä W, Hergt R. et al . Magnetische Thermotherapie von Tumoren der Brust: ein experimenteller Therapieansatz.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 507-515
• 11 Hilger I, Frühauf S, Andrä W. et al . Magnetic heating as a therapeutic tool.  Thermology Int. 2001;  11 130-131
• 12 Alexiou C, Jurgons R, Schmid R. et al . In vitro and in vivo investigations of targeted chemotherapy with magnetic nanoparticles.  J Magn Magnet Materials. 2005;  293 389-393
• 13 Alexiou C, Jurgons R, Schmid R. et al . Magnetisches Drug Targeting - ein neuer Ansatz in der lokoregionären Tumortherapie mit Chemotherapeutika - Tierexperimentelle Untersuchungen.  HNO. 2005;  53 618-622
• 14 Alexiou C, Jurgons R, Schmid R J. et al . Magnetic drug targeting - biodistribution of the magnetic carrier and the chemotherapeutic agent mitoxantrone after locoregional cancer treatment.  J Drug Target. 2003;  11 139-149
• 15 Hiergeist R, Andrä W, Buske N. et al . Application of magnetic ferrofluids for hyperthermia.  J Magn Magn Mat. 1999;  201 420-422
• 16 Preu E, Winnefeld K, Drescher V. et al . Standardisierung der Bestimmung von Eisen im Lebergewebe.  Zentralbl Pharm. 1985;  124 470-471
• 17 Frank J A, Anderson S A, Kalsih H. et al . Methods for magnetically labeling stem and other cells for detection by in vivo magnetic resonance imaging.  Cytotherapy. 2004;  6 621-625
• 18 Hilger I, Kießling A, Romanus E. et al . Magnetic nanoparticles for selective heating of magnetically labelled cells in culture: preliminary investigation.  Nanotechnology. 2004;  15 1027-1032
• 19 Plank C, Schillinger U, Scherer F. et al . The magnetofection method: using magnetic force to enhance gene delivery.  Biol Chem. 2003;  384 737-747
• 20 Hilger I, Andrä W, Bähring R. et al . Evaluation of temperature increase with different amounts of magnetite in liver tissue samples.  Invest Radiol. 1997;  32 705-712
• 21 Hilger I, Hergt R, Kaiser W A. Effects of magnetic thermoablation in muscle tissue using iron oxide particles: an in vitro study.  Invest Radiol. 2000;  35 170-179
• 22 Hilger I, Rapp A, Gräulich K O. et al . Assessment of DNA damage in target tumor cells after thermoablation in mice.  Radiol. 2005;  237 500-506
• 23 Hergt R, Hiergeist R, Hilger I. et al . Magnetic nanoparticles for thermoablation.  Recent Res Devel Mat Sci. 2002;  3 723-742
• 24 Schopman E M, Van Bree C, Bakker P J. et al . Hyperthermia-enhanced effectiveness of mitoxantrone in an experimental rat tumour.  Int J Hyperthermia. 1996;  12 241-254