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Apparecchiatura compatibile MRI progettato su misura basato sul laser riscaldamento è stato sviluppato per fornire riscaldamento locale di tumori sottocutanei per attivare il rilascio di agenti di liposomi termosensibili specificamente alla regione tumorale.
I liposomi sono stati impiegati come sistemi di drug delivery a bersaglio tumori solidi attraverso lo sfruttamento della permeabilità potenziata e ritenzione (EPR) effetto risultante in una significativa riduzione tossicità sistemica. Tuttavia, il rilascio insufficiente di droga incapsulato da liposomi ha limitato l'efficacia clinica. Liposomi termosensibili sono stati progettati per fornire rilascio sito-specifica di farmaco per superare il problema del tumore limitato droga biodisponibilità. Il nostro laboratorio ha progettato e sviluppato una formulazione calore attivato termosensibile liposomi di cisplatino (CDDP), noto come HTLC, per fornire rilascio innescata di CDDP a tumori solidi. Consegna attivati calore in vivo è stata ottenuta in modelli murini utilizzando un apparecchio di riscaldamento basato sul laser su misura che fornisce un modello di riscaldamento conforme al sito del tumore come confermato da MR termometria (MRT). Un dispositivo di monitoraggio della temperatura in fibra ottica è stato usato per misurare la temperatura in tempo realedurante l'intero periodo di riscaldamento con regolazione linea di erogazione di calore alternando la potenza del laser. Drug delivery è stata ottimizzata in risonanza magnetica (MR) orientamento dell'immagine co-incapsulamento di un agente di contrasto MR (cioè, gadoteridolo) insieme con CDDP nei liposomi termosensibili come mezzo per convalidare il protocollo di riscaldamento e di valutare l'accumulo tumore. Il protocollo di riscaldamento costituito da un periodo di preriscaldamento di 5 min prima della somministrazione di HTLC e 20 min riscaldamento post-iniezione. Questo protocollo riscaldamento provocato efficace rilascio degli agenti incapsulati con la massima variazione del segnale MR osservato nel tumore riscaldata rispetto al tumore non riscaldata e muscolare. Questo studio ha dimostrato l'applicazione di successo degli apparecchi di riscaldamento a base di laser per lo sviluppo preclinico liposomi termosensibile e l'importanza di convalida MR-guidata del protocollo di riscaldamento per l'ottimizzazione della consegna della droga.
La fisiopatologia di solidi tumori risultati nella permeabilità potenziata e ritenzione (EPR) di sistemi in nanoscala. Questo ha portato allo sviluppo di molti sistemi di rilascio di farmaci che sfruttano questo effetto di indirizzare il tessuto tumorale, riducendo al minimo gli effetti collaterali sistemici 1. Tecnologie per la distribuzione liposomiale sono stati ampiamente indagati per droga o di imaging sonde 2. Sebbene liposomi hanno ridotto in modo significativo la tossicità sistemica rispetto alla chemioterapia convenzionale, ci sono stati alcuni miglioramenti in termini di efficacia clinica 3,4. Studi hanno dimostrato che l'efficacia limitata è dovuta ad una mancanza di rilascio del farmaco da parte del vettore 4,5. Come risultato, lo sviluppo di liposomi che vengono attivati per rilasciare il farmaco incapsulato in risposta a stimoli esterni ha suscitato notevole attenzione. L'ipertermia è stato impiegato per decenni come una modalità di trattamento relativamente sicuro per i pazienti oncologici 6. Quindi il svilupparezione di liposomi termosensibili con il calore come un trigger esterno è una combinazione logica con un significativo potenziale per la traduzione clinica. Infatti, la formulazione a lysolipid contenente termosensibile liposomi di doxorubicina, noto come LTSL-DOX, ha ora raggiunto valutazione clinica 7.
Recenti dati clinici con LTSL-DOX ha dimostrato che il protocollo per la consegna di calore è un fattore critico che può influenzare pesantemente i risultati del paziente 8. Negli esseri umani, trasduttori a radiofrequenza, microonde, laser e ultrasuoni sono utilizzati per applicare l'ipertermia locale nei siti tumorali 9. In studi preclinici che richiedono riscaldamento di tumori sottocutanei, cateteri riscaldamento 10,11 e bagni di acqua 12,13 sono più spesso utilizzati. In questo manoscritto, si introduce un nuovo metodo per riscaldare tumori sottocutanei utilizzando una configurazione personalizzata progettata riscaldamento basato su laser, che consente riscaldamento più conformazionale del volume del tumore. Utilizzando MR ma compatibileteriali, la configurazione è abbastanza piccolo da stare dentro il foro di un piccolo animale imager MR, consentendo il monitoraggio in tempo reale delle variazioni di temperatura del tessuto durante il riscaldamento del laser.
Il mezzo di contrasto MR, gadoteridolo (Gd-HP-DO3A), è stato co-incapsulato con CDDP in una formulazione liposomiale termosensibile di CDDP (HTLC), noto come Gd-HTLC, in tempo reale MR monitoraggio e la valutazione del calore guidata dalle immagini rilascio del farmaco -activated e la convalida del protocollo di riscaldamento. I nostri risultati dimostrano che l'apparecchio di riscaldamento basato su laser attivato efficacemente il rilascio di agenti incapsulati dalla formulazione Gd-HTLC mentre vengono monitorati attraverso RM.
1. liposomi Preparazione
2. Nella Release vitro da liposomi
3. L'impianto di sottocutanea xenotrapianto di cervicaleTumore
4. Design, AssemTaratura Bly e di un Conformal Laser consegna Illuminatore per In Vivo Riscaldamento
5. Conformal riscaldamento del tumore utilizzando Appositamente studiata Setup Camera Laser
6. Temperatura Distribuzione valutate attraverso MR Termometria (MRT)
7. MR Monitoraggio del distaccante
I liposomi HTLC sono prodotti utilizzando metodi comuni, tra cui la formazione del film lipidico, l'idratazione, l'estrusione e la dialisi. Durante le fasi che coinvolgono CDDP, si deve usare cautela non esporre CDDP a qualsiasi materiale di alluminio, come CDDP sarà disattivato attraverso la formazione di un deposito nero. Un esempio di HTLC è mostrato in Figura 3. Le caratteristiche chimico-fisiche dei HTLC sono stati riassunti in un manoscritto recentemente pubblicato sul Journal of Controlled 16 Liberazione. Le concentrazioni gadolinio e platino della formulazione Gd-HTLC sono 1,87 ± 0,28 mg / ml e 0,10 ± 0,02 mg / ml, rispettivamente.
L'illuminatore del setup di riscaldamento a base di laser utilizza tre piccoli, camere collegate che forniscono una distribuzione omogenea della luce (± 15%) alla luce di uscita 10 mm di diametro. A seconda del livello di potenza del laser, viene erogata potenza nell'intervallo da 0,5 a 1,7 W / cm 2, come misurad usando una sfera di integrazione calibrato. I risultati sono mostrati nella figura 4, una sezione trasversale attraverso il tumore. Assumendo una potenza totale di 1 W, il tasso massimo di fluenza in qualsiasi punto del tumore è di 70 mW / cm 2. La potenza del laser diminuisce di un fattore di 2 a livello della pelle rispetto al picco fluenza appena sotto la superficie del tumore.
Riscaldamento con la messa a punto di riscaldamento a base di laser genera una mappa relativamente uniforme distribuzione della temperatura, come confermato dalla PRF-shift MRT (Figura 5). PRF-shift MRT traccia la variazione di temperatura relativo da una misurazione di riferimento assoluto acquisiti prima del riscaldamento dalla fonte puntiforme (ovvero, sensore di temperatura a fibra ottica).
Dall'analisi segnale RM (Figura 6C), il tumore riscaldata visualizza il massimo incremento segnale relativo rispetto al tumore non riscaldata e muscolare dopo somministrazione di Gd-HTLC, che viene mantenuto fino alla finedel periodo di riscaldamento.
Figura 1. Progettazione dell'illuminatore. (A) Dimensioni del illuminatore. (B) Dimensioni delle camere interne. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Illustrazione del setup di riscaldamento a base di laser lungo con un dispositivo di monitoraggio della temperatura. Una fibra laser (linea blu) fornisce luce per l'illuminatore. Una sonda di temperatura a fibre ottiche (linea gialla) è stato inserito nel centro del tumore attraverso un catetere 22 G per controllare i cambiamenti di temperatura. In tempo reale temperamentoletture di tem- vengono visualizzate sullo schermo del computer. Modificato da Journal of Controlled Release 2014, 178, 69-78. 16 Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Schema della formulazione HTLC (non in scala). Le composizioni lipidiche, concentrazione CDDP e dimensione dei liposomi HTLC sono illustrati. Modificato da Journal of Controlled Release 2014, 178, 69-78. 16 Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. modeling di consegna luce di tumore, utilizzando piccole sfera di integrazione. (A) Schema di modello che mostra tumore rialzata rispetto al normale tessuto sottostante. Frecce rosse rappresentano la copertura e la direzione dei fotoni iniziali nel calcolo. Illuminazione copre la superficie piena del tumore in rilievo. (B) Risultati di calcolo mostrano luce distribuzione fluenza nel tumore. (C) trama trasversale di fluenza luce contro di profondità, lungo la linea tratteggiata bianco mostrato in (B). Tasso Fluence nel tumore alla profondità della pelle è il 50% della velocità massima fluenza. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Distribuzione Temperatura valutata attraverso MR termometria. &# 160;. (A) T 2 pesate immagine che mostra la localizzazione anatomica dei due tumori impiantati bilateralmente mappa (B) Distribuzione della temperatura generato dal riscaldamento del tumore a sinistra a 42 ° C con l'impostazione di riscaldamento a base di laser, mentre il tumore giusto è rimasto non riscaldata. I dati rianalizzati da Journal of Controlled Release 2014, 178, 69-78. 16, cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. MR monitoraggio del rilascio gadoteridolo dai liposomi Gd-HTLC su attivazione di calore. T 1 pesate immagini RM (stesso livello di finestra applicato) di un topo portante due sottocutanee ME-180 tumori, con uno su ciascuno degli arti posteriori ( A) pre-iniezione di Gd-HTLC e(B) 20 min dopo l'iniezione di Gd-HTLC (cioè, dopo l'intero periodo di riscaldamento). (C) del segnale MR Relativa cambia normalizzata al primo punto di acquisizione MR dinamica del mouse mostrato in (A) e ( B). I dati rappresentano la media ± DS. I dati rianalizzati da Journal of Controlled Release 2014, 178, 69-78. 16, cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
I liposomi sono stati sviluppati nel 1960 come veicoli di consegna di droga che trasportano farmaci idrofili del loro volume acquoso interno e farmaci idrofobici all'interno del loro doppio strato lipidico 2. Oltre a utilizzare in applicazioni terapeutiche, liposomi sono stati esplorati per applicazioni diagnostiche quando marcato con radionuclidi o caricato con mezzi di contrasto 17 immagini. Negli ultimi anni, theranostics e coppie terapeutiche-diagnostiche sono state perseguite per fornire opportunità per la stratificazione dei pazienti guidata dalle immagini e drug delivery 17,18. Il presente studio si basa sul concetto di drug delivery guidata dalle immagini per valutare il rilascio innescata farmaco da liposomi termosensibili utilizzando un laser-based di installazione riscaldamento progettati su misura sotto la guida MR.
Come accennato in precedenza, bagni di acqua o cateteri riscaldamento vengono comunemente usate per riscaldare tumori sottocutanei. Il metodo bagnomaria richiede l'immersione di tutto l'arto in w caldoater, con conseguente rilascio di farmaci non specifico, durante l'arto oltre a rilasciare nel sito del tumore. L'uso di un catetere riscaldamento richiede il posizionamento di un catetere 18 G nel centro del tumore, e ha dimostrato di richiedere il riscaldamento per un periodo relativamente lungo di tempo (15 min) al fine di raggiungere lo stato stazionario termico 11.
Nel presente studio, la configurazione di riscaldamento basato su laser di nuova concezione fornisce un modo conforme di fornire calore al volume del tumore come dimostrato dalla valutazione basata-MR della mappa di distribuzione della temperatura (Figura 5). Eterogeneità nella mappa PRF-shift nella riscaldata arto posteriore destra e tumore arto destro in figura 5 può riflettere una combinazione di basso rapporto segnale-rumore in prossimità di artefatti di suscettibilità e lievi movimenti fisiologici o riscaldamento indotto, che può direttamente compromesso riscaldamento e registrazione delle immagini della linea di base, ma anche introdurre piccole variazioni nei campi indotti intornoregioni della suscettività magnetica di offset. Inoltre, si è riscontrato che regime termico potrebbe essere ottenuto entro 1-2 min di iniziare il riscaldamento. Inoltre, il sensore di temperatura in fibra ottica punto-basato consentito per regolazione in tempo reale della potenza del laser per mantenere la temperatura a 42 ° C e per minimizzare le fluttuazioni di temperatura. Tuttavia, è fondamentale per posizionare il sensore di temperatura in fibra ottica in una posizione relativamente centrale all'interno del tumore. RM può essere impiegato per convalidare il punto di incisione per il sensore. Durante il riscaldamento, la potenza del laser deve essere regolata con attenzione per mantenere la temperatura a 42 ° C con una potenza iniziale di 0,8 W.
Il protocollo di riscaldamento è stato ottimizzato attraverso il monitoraggio in tempo reale di rilascio Gd-HP-DO3A come surrogato per il CDDP droga. Il rilascio efficace di agenti incapsulati dai liposomi HTLC tradotto in una migliore efficacia, con il gruppo HTLC riscaldato con un conseguente significativo advan terapeuticatage su altri gruppi di trattamento e di controllo 16.
L'illuminatore degli apparecchi di riscaldamento è stato progettato per riscaldare tumori di 5-7 mm di dimensione maggiore. Il disegno dell'illuminatore potrebbe essere modificato per riscaldare tumori più grandi e più sensori di temperatura in fibra ottica potrebbero essere inseriti in tutto il volume del tumore per monitorare la temperatura in confronto alla corrente di misurazione basato singolo punto. Inoltre, poiché il dispositivo portatile è realizzato con materiali compatibili MR, 3-dimensional MR termometria potrebbe essere eseguito per valutare la distribuzione della temperatura durante l'intero volume del tumore.
In conclusione, l'apparecchio di riscaldamento basato su laser fornisce un valido strumento per lo sviluppo preclinico di formulazioni di liposomi termosensibili. Approcci di drug delivery guidata dalle immagini, come ad esempio quello utilizzato in questo studio, hanno un potenziale significativo per la traduzione clinica e l'attuazione della medicina personalizzata tra cui reale time monitoraggio del trattamento terapeutico.
There are no disclosures.
This research is funded by an operating grant from the Canadian Institutes of Health Research (CIHR) to C.A. and D.A.J. The authors acknowledge the Canadian Foundation for Innovation and Princess Margaret Cancer Foundation for funding the STTARR research facility that enables the imaging and therapy research components of this work.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Rotary evaporator | Heidolph Instruments GmbH & Co.KG | Laborota 4000 | |
High pressure extruder | Northern Lipids Inc. | T.001 | 10 ml thermobarrel |
Heating circulator | VWR International LLC. | 11305 | Connected to extruder |
Polycarbonate membrane filter | Whatman | 110605;110606 | |
Differential scanning calorimeter (DSC) | TA Instruments | Q100 | |
Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES) | PerkinElmer | Optima 7300DV | |
Zetasizer | Malvern Instruments Ltd. | Nano-ZS | |
Cell incubator | NuAire Inc. | NU-5800 | |
Autoclip wound clip applier | Becton Dickinson | 427630 | |
Autoclip wound clip remover | Becton Dickinson | 427637 | |
Wound clips | Becton Dickinson | 427631 | 9 mm |
763 nm Laser device | Biolitec | Ceralas CD 403 laser | |
Laser probe | Thorlabs Inc. | FT400EMT | With SMA and flat cleave connectors |
Spectralon (illuminator) | Labsphere Inc. | FAST-SL-5CMX5CM | |
CSTM-SL-5CMX5CM | |||
7 Tesla prelinical magnetic resonance (MR) imaging system | Bruker Corporation | Biospec 70/30 | |
Fiber optic temperature sensor | LumaSense Technologies Inc. | Luxtron FOT Lab Kit | |
Integrating sphere | Newport Corporation | 819C | |
Optical power meter | Newport Corporation | 1830-R |
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