Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (81601608) e NUPTSF (NY216024).

Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti in conformità con i protocolli approvati dalle linee guida farmaceutiche OG per la cura degli animali e l'uso degli animali da laboratorio. I protocolli seguivano le linee guida del Comitato Etico per gli animali da laboratorio di OG Pharmaceutical.
1. Sintesi di microbolle sgusciate di nanoparticelle (NSM)
<ol><li>Disperdere nanoparticelle magnetiche (Fe3O4, ossidodi ferro) in acqua deionizzata per formare una soluzione stock da 10 mg/mL.</li>
	<li>Posizionare il tubo contenente la soluzione IONPs in una macchina per la pulizia ad ultrasuoni per 20 minuti. Ottenere una soluzione di OPP uniformemente dispersa prima dell'uso.</li>
	<li>Aggiungere 150 μL di acqua deionizzata, 150 μL di 10 mM di sodio dodecil solfato (SDS) e 400 μL di una soluzione stock di IPP dal punto 1.1. in tubo centrifuga da 1,5 mL.</li>
	<li>Fissare l'omogeneizzatore con un'impalcatura in un bagno di ghiaccio.</li>
	<li>Posizionare il tubo della miscela in un bagno di ghiaccio e posizionare la sonda omogeneizzatore con precisione per essere immersa nella soluzione della miscela.</li>
	<li>Regolare la velocità dell'omogeneizzatore a 20.000 giri/min e accendere l'omogeneizzatore per 3 minuti.</li>
	<li>Spegnere l'omogeneizzatore e rimuovere il tubo dal bagno di ghiaccio.</li>
	<li>Posizionare il tubo sul portatubi per una stabilizzazione di 12 ore a temperatura ambiente.</li>
	<li>Assorbire gli NSM risultanti alla parete del tubo con un magnete e rimuovere il surnatante. Quindi reintegrare con 1 ml di acqua deionizzata fresca.</li>
	<li>Ripetere il processo di lavaggio per tre volte e sospendere nuovamente gli NSM in 1 mL di acqua distillata fresca.</li>
	<li>Trasferire 10 μL di sospensione NSM su una slitta di vetro pulita dopo aver leggermente agitato.</li>
	<li>Utilizzare un microscopio a fluorescenza con ingrandimento 20x per visualizzare la morfologia degli NSM. Assicurati di scattare foto in un'area casuale.</li>
	<li>Misura il diametro degli NSM dalle foto utilizzando un software Nano Measurer 1.2 ad accesso aperto. Conta almeno 200 microbolle.<ol>
<li>Fare clic su "File" e "Apri" per selezionare il file immagine da elaborare. Dopo aver importato l'immagine, premere il "righello". Disegna una linea rossa della stessa lunghezza del righello.</li>
		<li>Quindi premere "Impostazioni" | "Righello" e inserisci la lunghezza del righello. Disegna linee della stessa lunghezza dei diametri delle singole microbolle nell'immagine. Completa tutte le misurazioni, quindi clicca su "Report" | " Visualizza report".</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Risposta acustica degli NSM
<ol><li>Diluire 200 μL di NSM con 800 μL di acqua deionizzata, quindi trasferirli in un tubo centrifugo da 1,5 mL per formare una soluzione madre.</li>
	<li>Collegare il generatore di funzioni, l'amplificatore, la corrispondenza dell'impedenza e il trasduttore focalizzato fatto in casa. Posizionare il trasduttore al centro nella parte inferiore del lavandino cuboide artificiale e collegare l'idrofono con un oscilloscopio per monitorare l'intensità degli ultrasuoni in uscita (Figura 1). Aggiungere acqua deionizzata nel lavandino per immergere il trasduttore.</li>
	<li>Regolare il generatore di funzioni sulla modalità sweep, regolare la gamma di frequenza da 10 kHz a 900 kHz e impostare l'ampiezza su 20 Vpp (tensione picco-picco). Regolare la potenza degli ultrasuoni allo 0,1% dall'amplificatore. La durata di ogni ciclo è di 4 s con un intervallo di tempo di 1 s.</li>
	<li>Preparare campioni di soluzione stock NSM da 1 mL nel tubo e fissare il tubo con un'impalcatura sulla parte superiore del trasduttore focalizzato fatto in casa. Attaccare il magnete sul fondo del tubo e attirare gli NSM.</li>
	<li>Accendere l'alimentazione del generatore di funzioni e dell'amplificatore. Spegnere il generatore di funzioni dopo l'applicazione di 5 cicli (25 s) di ultrasuoni. Rimuovere il magnete e raccogliere 1 mL della soluzione contenente gli IPP rilasciati. Aggiungere 1 mL di acqua deionizzata al tubo della centrifuga.</li>
	<li>Ripetere il passaggio 2.5. fino a quando gli NSM nel tubo collassano completamente.</li>
	<li>Quantificare tutti gli IPP rilasciati dalla spettrometria di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente (ICP-OES) come descritto in precedenza13.</li>
</ol>3. Risposta ottica degli NSM
NOTA: In questo lavoro, viene utilizzato un sistema laser contenente una potenza laser di 808 nm e una termocamera a infrarossi precedentemente descritta da Xu et al.20.
<ol><li>Preparazione del sistema laser<ol>
<li>Accendere l'alimentatore del laser e lasciarlo scaldare per diversi minuti. Fissare un diodo laser da 808 nm accoppiato a fibra su un supporto di storta.</li>
		<li>Dirigere il raggio laser allo stadio del campione attraverso una fibra ottica e concentrarsi sullo stadio del campione per ottenere un punto luce di 6 mm (di diametro) da una lente convessa.</li>
		<li>Misurare la potenza erogata con un misuratore di potenza laser e regolare la potenza a 1 W/cm2.</li>
		<li>Fissare la termocamera a infrarossi sul treppiede. Accendere la fotocamera e controllare se funziona (ad esempio, monitorare la temperatura della regione di interesse focalizzata (ROI). Spegnere l'alimentatore e la termocamera a infrarossi.</li>
	</ol></li>
	<li>Misurazione fototermica in soluzione acquosa<ol>
<li>Preparare il campione da 1 mL a diverse concentrazioni di IPP (1,05 mg/mL, 1,35 mg/mL, 3,65 mg/mL, 5 mg/mL) in un tubo centrifugo da 1,5 mL.</li>
		<li>Posizionare il tubo di interesse nella regione focalizzata del raggio laser e registrare la temperatura di base del campione.</li>
		<li>Accendere l'alimentazione laser e la termocamera a infrarossi e irradiare il campione per 10 minuti continuamente. Allo stesso tempo, registra la temperatura in tempo reale.</li>
		<li>Spegnere l'alimentazione laser e la termocamera a infrarossi dopo 10 minuti di irradiazione. Attendere che la temperatura della regione ritorni alla linea di base.</li>
		<li>Ripetere i punti da 3.2.2 a 3.2.4 per la misurazione di altri campioni. NOTA: Utilizzare acqua deionizzata a 20 °C come controllo per la misurazione fototermica.</li>
	</ol></li>
	<li>Misurazione fototermica in celle coltivate NOTA: Le cellule murine del cancro al seno (4T1) sono state selezionate come modello per studiare l'effetto di inibizione del trattamento fototermico.<ol>
<li>Nutrire le cellule con il mezzo Roswell Park Memorial Institute-1640 (RPMI-1640) integrato con il 10% di siero bovino fetale (FBS) e l'1% di penicillina. Impostare l'ambiente di coltivazione a 37 °C e 5% CO2.</li>
		<li>Coltura le cellule 4T1 in palloni T25 e passaggio delle cellule in un rapporto 1:2 quando viene raggiunta la confluenza del 90%. NOTA: il rapporto di sottocoltura può essere regolato in base alle condizioni specifiche della cellula in diversi laboratori.</li>
		<li>Rimuovere e scartare il supporto della coltura. Risciacquare lo strato cellulare con 1 soluzione PBS per rimuovere il siero residuo contenente inibitore della tripsina.</li>
		<li>Aggiungere 2 ml di soluzione di tripsina-EDTA (0,25%) al matraccio per il distacco. Quindi aggiungere 3 ml di 1640 cellule medie e aspirate mediante pipettaggio delicato.</li>
		<li>Raccogliere 5 ml di sospensione cellulare e centrifugare a 500 x g per 3 min.</li>
		<li>Rimuovere il surnatante e aggiungere 1 mL di terreno fresco 1640 per formare una sospensione cellulare.</li>
		<li>Aggiungere 100 μL della sospensione cellulare a un piatto confocale contenente 1 mL del terreno di coltura. Assicurarsi che la concentrazione della sospensione cellulare sia 9 x10 5/mL e che la concentrazione cellulare finale nel piatto confocale della coltura cellulare sia 8,1 x 104/mL.</li>
		<li>Posizionare il piatto confocale in coltura cellulare inoculato in un'incubatrice per 24 ore.</li>
		<li>Diluire diverse concentrazioni (1,05 mg/mL, 1,35 mg/mL, 3,65 mg/mL, 5 mg/mL) del campione IPP per produrre 1 mL di soluzione con mezzo 1640 privo di siero.</li>
		<li>Aspirare il terreno di coltura dal piatto confocale e aggiungere la soluzione campione preparata.</li>
		<li>Accendere l'alimentazione laser. Focalizzare il raggio laser al centro della parabola e regolare la potenza di uscita a 1 W/cm2. Accendere la termocamera a infrarossi, irradiare le cellule nella parabola confocale per 10 minuti continuamente. Registra la temperatura in tempo reale per la regione focalizzata.</li>
		<li>Spegnere la termocamera laser e infrarossa. Trasferire la parabola irradiata all'incubatore per altre 24 ore.</li>
		<li>Rimuovere e scartare il terreno di coltura, aggiungere 1 mL del terreno di coltura fresco nel piatto confocale. Aggiungere 5 μL di soluzione di Calcein-AM (1 mg/mL) nel piatto.</li>
		<li>Incubare il piatto confocale a 37 °C e 5% CO2 per 15 min. Risciacquare lo strato cellulare con 1 soluzione PBS due volte.</li>
		<li>Osservare e immaginare le cellule con un microscopio a fluorescenza confocale con una lunghezza d'onda di eccitazione di 488 nm e una lunghezza d'onda di emissione di 500-540 nm.</li>
		<li>Scegli 5 aree nelle immagini confocali in modo casuale e conta manualmente il numero di celle 4T1 vive in ogni area. Quantificare la vitalità delle cellule 4T1 confrontando il numero di cellule vive in tutti i gruppi sperimentali con il gruppo di controllo. NOTA: utilizzare il mezzo 1640 senza siero a 20 °C come controllo per la misura fototermica. Utilizzare il campione senza irradiazione laser come gruppo di controllo della vitalità cellulare.</li>
	</ol></li>
	<li>Misurazione fototermica in vivo<ol>
<li>Preparare 3 topi maschi ICR di 8 settimane con un peso medio di 25 ± 2 g.</li>
		<li>Aggiungere 2 g di gelatina in polvere a 20 ml di acqua deionizzata. Riscaldare la soluzione a 40 - 50 °C, sciogliere completamente il gel di gelatina per formare una soluzione trasparente e limpida.</li>
		<li>Aggiungere 100 mg di IONI alla soluzione a partire dal 3.4.2.</li>
		<li>Riscaldare il gel a 40 – 50 °C, iniettare immediatamente 500 μL della soluzione di gelatina nel cuscinetto mammario destro del mouse.</li>
		<li>Accendere l'alimentazione del laser e focalizzare il raggio laser nella regione di interesse (pettorale destro dei topi). Regolare la potenza di uscita a 1 W/cm2. Accendere la termocamera a infrarossi, irradiare la regione di interesse per 10 minuti continuamente. Registra la temperatura della regione di interesse in tempo reale.</li>
		<li>Spegnere la termocamera laser e infrarossa.</li>
		<li>Eutanasia dei topi mediante asfissia di CO2 e lussazione delle vertebre cervicali o qualsiasi metodo approvato dal comitato di ricerca sugli animali dell'Istituto.</li>
	</ol></li>
</ol>4. Misurazione dell'ipertermia magnetica
NOTA: Qui, viene utilizzato un sistema di ipertermia magnetica precedentemente descritto da Wu et al. (21).
<ol><li>Preparare un sistema di ipertermia magnetica che includa un generatore di campo magnetico alternato (AFM) e una termocamera a infrarossi.<ol>
<li>Accendere il refrigeratore per 10 minuti e quindi accendere la macchina di riscaldamento a radiofrequenza moderata (ad esempio, generatore AFM).</li>
		<li>Impostare i parametri della macchina come segue: frequenza (f) = 415 kHz, intensità del campo magnetico = 1,8 kA/m.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Misurazione dell'ipertermia magnetica in soluzione acquosa<ol>
<li>Preparare 1 mL del campione a diverse concentrazioni di IONIPs (1,05 mg/mL, 1,35 mg/mL, 3,65 mg/mL, 5 mg/mL) in un tubo centrifugo da 1,5 mL.</li>
		<li>Posizionare il tubo al centro di una bobina di rame a induzione magnetica raffreddata ad acqua.</li>
		<li>Accendere il campo magnetico alternato (AFM) e la termocamera a infrarossi. Indurre il campione per 10 minuti continuamente e registrare la temperatura in tempo reale. NOTA: la telecamera si trova nella parte superiore del campione, fornendo una vista in sezione trasversale del campione.</li>
		<li>Spegnere l'AFM e la termocamera a infrarossi. Attendere che la temperatura della bobina di rame torni alla linea di base per 10 minuti. NOTA: Fare attenzione alle alte temperature, evitare il contatto diretto con le mani e attendere il raffreddamento prima di rimuovere i campioni.</li>
		<li>Ripetere i punti da 4.2.2 a 4.2.4 per la misurazione degli altri campioni.</li>
		<li>Spegnere la macchina di riscaldamento a radiofrequenza moderata (AFM) e il refrigeratore. NOTA: Utilizzare l'acqua deionizzata a 20 °C come controllo per la misurazione dell'ipertermia magnetica.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Misurazione dell'ipertermia magnetica in vivo<ol>
<li>Preparare 3 topi maschi ICR di 8 settimane con un peso medio di 25 ± 2 g.</li>
		<li>Preparare 20 mL di gel gelatinoso al 10 % contenente 5 mg/mL di soluzione di IONIPs.</li>
		<li>Riscaldare il gel di gelatina a 40 - 50 °C, iniettare immediatamente 500 μL della soluzione di gelatina nel pettorale destro dell'animale. NOTA: Esperimenti di ipertermia indotta da magnetico sono stati condotti con la macchina riscaldante utilizzando gli stessi parametri del test in vitro.</li>
		<li>Accendere il campo magnetico alternato (AFM) e la termocamera a infrarossi. Posizionare il pettorale destro dei topi al centro di una bobina di rame a induzione magnetica raffreddata ad acqua.</li>
		<li>Accendere la termocamera a infrarossi, immaginare la regione di interesse (pettorale destro dei mouse) per 10 minuti ininterrottamente e registrare la temperatura della regione di interesse in tempo reale.</li>
		<li>Spegnere l'interruttore di alimentazione della macchina e la termocamera a infrarossi dopo 10 minuti di induzione. Attendere che la temperatura della bobina di rame ritorni alla linea di base per 10 minuti.</li>
		<li>Ripetere i punti da 4.3.4 a 4.3.6 per la misurazione di altri campioni.</li>
		<li>Spegnere la macchina di riscaldamento a radiofrequenza moderata (AFM) e il refrigeratore. NOTA: Fare attenzione alle alte temperature, evitare il contatto diretto con le mani e attendere il raffreddamento prima di rimuovere i campioni.</li>
		<li>Eutanasia dei topi mediante asfissia di CO2 e lussazione delle vertebre cervicali o qualsiasi metodo approvato dal comitato di ricerca sugli animali dell'Istituto.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Qui, abbiamo presentato un protocollo per fabbricare microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l'autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica. Gli IPP erano densamente impacchettati attorno al nucleo dell'aria per formare un guscio magnetico, che può essere controllato dal campo magnetico esterno per il targeting. Una volta consegnato, il rilascio di IPP può essere ottenuto tramite innesco ad ultrasuoni. Gli IPP rilas...

Il cancro è una delle malattie più mortali, causando milioni di morti ogni anno in tutto il mondo e enormi perdite economiche1. Nelle cliniche, le terapie antitumorali convenzionali, come la resezione chirurgica, la radioterapia e la chemioterapia, non possono ancora fornire un'efficacia terapeutica soddisfacente2. I limiti di queste terapie sono alti effetti collaterali tossici, alto tasso di recidiva e alto tasso di metastasi3. Ad esempio, la chemioterapia soffre della bassa efficienza di consegna dei farmaci chemioterapici precisamente al sito tumorale4. L'incapacità dei farmaci di penetrare in profondità nel tessuto tumorale attraverso le barriere biologiche, tra cui la matrice extracellulare e l'elevata pressione del fluido interstiziale tumorale, è anche responsabile della bassa efficacia terapeutica5. Inoltre, la resistenza al tumore di solito si verifica nei pazienti che hanno ricevuto un trattamento con chemioterapia singola6. Pertanto, le tecniche in cui si verifica l'ablazione termica del tumore, come la terapia fototermica (PTT) e la terapia magnetica ipertermia (MHT), hanno mostrato risultati promettenti per ridurre la resistenza al tumore e sono emerse negli studi clinici7,8,9.
Il PTT innesca l'ablazione termica delle cellule tumorali mediante l'azione di agenti di conversione fototermica sotto l'irradiazione dell'energia laser. L'alta temperatura generata (superiore a 50 °C) induce la necrosi cellulare completa10. Molto recentemente, le nanoparticelle di ossido di ferro (IPP) hanno dimostrato di essere un agente di conversione fototermico che può essere attivato dalla luce del vicino infrarosso (NIR)11.  Nonostante il basso coefficiente di assorbimento molare nella regione del vicino infrarosso, gli IPP sono candidati per la terapia fototermica a bassa temperatura (43 °C), una terapia modificata per ridurre il danno causato dall'esposizione al calore ai tessuti normali e per avviare l'immunità antitumorale contro le metastasi tumorali12. Uno dei limiti del PTT è la bassa profondità di penetrazione del laser. Per i tumori profondi, il riscaldamento indotto dal campo magnetico alternato (AFM) delle nanoparticelle di ossido di ferro, chiamato anche ipertermia magnetica, è una terapia alternativa per PTT13,14. Il vantaggio principale di MHT è l'elevata penetrazione del campo magnetico15. Tuttavia, la concentrazione relativamente elevata richiesta di IPP rimane un grave svantaggio per la sua applicazione clinica. L'efficienza di consegna della nanomedicina (o nanoparticelle) ai tumori solidi negli animali è stata dell'1-10% a causa di una serie di ostacoli tra cui circolazione, accumulo e penetrazione16,17. Pertanto, una strategia di somministrazione DI IPP controllata e mirata con la capacità di ottenere un'elevata penetrazione dei tessuti è di grande interesse nel trattamento del cancro.
La somministrazione di nanoparticelle mediata da ultrasuoni ha dimostrato la sua capacità di facilitare la penetrazione di nanoparticelle in profondità nel tessuto tumorale, a causa del fenomeno chiamato cavitazione delle microbolle18,19. Nel presente studio, fabbrichiamo microbolle sgusciate (NSM) IONP attraverso l'autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica. L'NSM contiene un nucleo d'aria e un guscio di nanoparticelle di ossido di ferro, con un diametro di circa 5,4 μm. Gli NSM possono essere guidati magneticamente al sito tumorale. Quindi il rilascio di IPP viene attivato dagli ultrasuoni, accompagnati da cavitazione di microbolle e microstreaming. Lo slancio ricevuto dal microstreaming facilita la penetrazione degli IPP nel tessuto tumorale. Il PTT e l'MHT possono essere ottenuti mediante irradiazione laser NIR o applicazione AFM, o con la combinazione di entrambi.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1331px;" width="1330">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:337px;">808 nm laser power</td>
			<td style="width:315px;">Changchun New Industries Optoelectronics Tech</td>
			<td style="width:263px;">MDL-F-808-5W-18017023</td>
			<td style="width:416px;"></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Calcein-AM</td>
			<td>Thermo Fisher SCIENTIFIC</td>
			<td>C3099</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Fetal bovine serum</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>16000-044</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Fluorescence Microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>IX71</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Function generator</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>33500B series</td>
			<td style="width:416px;">20 MHz, 2 channels with arbitrary waveform generation capability</td>
		</tr>
		<tr height="48">
			<td height="48" style="height:48px;">Gelatin gel</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>9000-70-8</td>
			<td style="width:416px;"></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Heating machine</td>
			<td>Shuangping</td>
			<td>SPG-06- II</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Homemade focused transducer</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Frequency=855, R-X=36.2W+5.8W, |Z|-&#952;=37W+8&#176;</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Homogenizer</td>
			<td>SCILOGEX</td>
			<td>D-160</td>
			<td>8000-30000 rpm</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;">Hydrophone</td>
			<td>T&#38;C</td>
			<td>NH1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">ICR male mice</td>
			<td>OG Pharmaceutical. Co. Ltd</td>
			<td></td>
			<td>8-week-old</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Inductively coupled plasma optical emission spectrometry</td>
			<td>PerkinElmer</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Infrared thermal imaging camera.</td>
			<td>FLIR</td>
			<td>E50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Iron(II,III) oxide</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>1317-61-9</td>
			<td>50-100nm APS Powder</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Laser power meter</td>
			<td colspan="2">Changchun New Industries Optoelectronics Tech</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Oscilloscope</td>
			<td>Keysight</td>
			<td>DSOX3054T</td>
			<td>Bandwidth 500 MHz, Sampling Rate 5 GS/S, 4 channels</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">RF Power Amplifier</td>
			<td>T&#38;C</td>
			<td>AG1020</td>
			<td style="width:416px;">The signal source can also be connected to an external signal source. The gain can be adjusted from 0 to 100%. It has multiple functions such as frequency sweep, pulse, and triangle.</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Roswell Park Memorial Institute-1640</td>
			<td>KeyGEN BioTECH</td>
			<td>KGM31800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Sodium dodecyl sulfate</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>151-21-3</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

magnetic-, acoustic-, and optical-triple-responsive microbubbles for magnetic hyperthermia and pothotothermal combination cancer therapy

La somministrazione di precisione di agenti anti-cancro che mirano a una consegna mirata e penetrata in profondità, nonché a un rilascio controllato nel sito tumorale è stata messa in discussione. Qui, fabbrichiamo microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l'autoassemblaggio, sinergizzando la reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica. Le nanoparticelle di ossido di ferro fungono da agenti sia magnetici che fototermici. Una volta iniettati per via endovenosa, gli NSM possono essere guidati magneticamente al sito tumorale. Gli ultrasuoni innescano il rilascio di nanoparticelle di ossido di ferro, facilitando la penetrazione di nanoparticelle in profondità nel tumore a causa dell'effetto di cavitazione delle microbolle. Successivamente, l'ipertermia magnetica e la terapia fototermica possono essere eseguite sul tumore per la terapia combinata del cancro, una soluzione per la resistenza al cancro a causa dell'eterogeneità del tumore. In questo protocollo, sono state eseguite la sintesi e la caratterizzazione di NSM comprese le proprietà strutturali, chimiche, magnetiche e acustiche. Inoltre, l'efficacia anti-cancro mediante terapia termica è stata studiata utilizzando colture cellulari in vitro. La strategia di consegna proposta e la terapia di combinazione sono molto promettenti nel trattamento del cancro per migliorare sia la consegna che l'efficacia antitumorale.

Le microbolle a guscio di nanoparticelle a tripla risposta (NSM) utilizzate in questo studio sono state preparate agitando la miscela di tensioattivo e IPP. Gli IONP (50 nm) si sono auto-assemblati all'interfaccia del nucleo liquido e del gas, per formare un guscio magnetico densamente imballato. La morfologia degli NSM è mostrata nella Figura. 1A. Gli NSM risultanti presentavano una forma sferica e con un diametro medio di 5,41 ± 1,78 μm (Figura 1B). I risultati hanno indicato che gl...

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Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

Qui viene presentato un protocollo per la fabbricazione di microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l'autoassemblaggio, la sinergizzazione della reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica per l'ipertermia magnetica e la terapia del cancro combinata fototermica.

Microbolle magnetiche, acustiche e ottiche a tripla risposta per ipertermia magnetica e terapia del cancro combinata pototermica

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...

magnetic-acoustic-optical-triple-responsive-microbubbles-for-magnetic

Research

JoVE Journal

Bioengineering

3.0K Views.  Nanjing University of Posts & Telecommunications. Qui viene presentato un protocollo per la fabbricazione di microbolle a guscio di nanoparticelle di ossido di ferro (NSM) attraverso l'autoassemblaggio, la sinergizzazione della reattività magnetica, acustica e ottica in un'unica piattaforma nanoterapeutica per l'ipertermia magnetica e la terapia del cancro combinata fototermica.

Video: Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

Magnetic Tweezers for the Measurement of Twist and Torque

Single-molecule techniques make it possible to investigate the behavior of individual biological molecules in solution in real time. These techniques include so-called force spectroscopy approaches such as atomic force microscopy, optical tweezers, flow stretching, and magnetic tweezers. Amongst these approaches, magnetic tweezers have distinguished themselves by their ability to apply torque while maintaining a constant stretching force. Here, it is illustrated how such a &#8220;conventional&#8221; magnetic tweezers experimental configuration can, through a straightforward modification of its field configuration to minimize the magnitude of the transverse field, be adapted to measure the degree of twist in a biological molecule. The resulting configuration is termed the freely-orbiting magnetic tweezers. Additionally, it is shown how further modification of the field configuration can yield a transverse field with a magnitude intermediate between that of the &#8220;conventional&#8221; magnetic tweezers and the freely-orbiting magnetic tweezers, which makes it possible to directly measure the torque stored in a biological molecule. This configuration is termed the magnetic torque tweezers. The accompanying video explains in detail how the conversion of conventional magnetic tweezers into freely-orbiting magnetic tweezers and magnetic torque tweezers can be accomplished, and demonstrates the use of these techniques. These adaptations maintain all the strengths of conventional magnetic tweezers while greatly expanding the versatility of this powerful instrument.

Magnetic tweezers, a powerful single-molecule manipulation technique, can be adapted for the direct measurements of the twist (using a configuration called freely-orbiting magnetic tweezers) and torque (using a configuration termed magnetic torque tweezers) in biological macromolecules. Guidelines for performing such measurements are given, including applications to the study of DNA and associated nucleo-protein filaments.

Pinzetta magnetici per la misurazione di Twist and Torque

Single-molecule techniques make it possible to investigate the behavior of individual biological molecules in solution in real time. These techniques ...

Ricerca

Bioingegneria

Fabrication of a Functionalized Magnetic Bacterial Nanocellulose with Iron Oxide Nanoparticles

In this study, bacterial nanocellulose (BNC) produced by the bacteria Gluconacetobacter xylinus is synthesized and impregnated in situ with iron oxide nanoparticles (IONP) (Fe3O4) to yield a magnetic bacterial nanocellulose (MBNC). The synthesis of MBNC is a precise and specifically designed multi-step process. Briefly, bacterial nanocellulose (BNC) pellicles are formed from preserved G. xylinus strain according to our experimental requirements of size and morphology. A solution of iron(III) chloride hexahydrate (FeCl3&#183;6H2O) and iron(II) chloride tetrahydrate (FeCl2&#183;4H2O) with a 2:1 molar ratio is prepared and diluted in deoxygenated high purity water. A BNC pellicle is then introduced in the vessel with the reactants. This mixture is stirred and heated at 80 &#176;C in a silicon oil bath and ammonium hydroxide (14%) is then added by dropping to precipitate the ferrous ions into the BNC mesh. This last step allows forming in situ magnetite nanoparticles (Fe3O4) inside the bacterial nanocellulose mesh to confer magnetic properties to BNC pellicle. A toxicological assay was used to evaluate the biocompatibility of the BNC-IONP pellicle. Polyethylene glycol (PEG) was used to cover the IONPs in order to improve their biocompatibility. Scanning electron microscopy (SEM) images showed that the IONP were located preferentially in the fibril interlacing spaces of the BNC matrix, but some of them were also found along the BNC ribbons. Magnetic force microscope measurements performed on the MBNC detected the presence magnetic domains with high and weak intensity magnetic field, confirming the magnetic nature of the MBNC pellicle. Young&#39;s modulus values obtained in this work are also in a reasonable agreement with those reported for several blood vessels in previous studies.

Here, we present a protocol to make a bacterial nanocellulose (BNC) magnetic for applications in damaged blood vessel reconstruction. The BNC was synthesized by G. xylinus strain. On the other hand, magnetization of the BNC was realized through in situ precipitation of Fe2+ and Fe3+ ferrous ions inside the BNC mesh.

Realizzazione di un funzionalizzato magnetico batterica Nanocellulose con nanoparticelle di Ossido di Ferro

In this study, bacterial nanocellulose (BNC) produced by the bacteria Gluconacetobacter xylinus is synthesized and impregnated in situ with iron oxide ...

Custom-designed Laser-based Heating Apparatus for Triggered Release of Cisplatin from Thermosensitive Liposomes with Magnetic Resonance Image Guidance

Liposomes have been employed as drug delivery systems to target solid tumors through exploitation of the enhanced permeability and retention (EPR) effect resulting in significant reductions in systemic toxicity. Nonetheless, insufficient release of encapsulated drug from liposomes has limited their clinical efficacy. Temperature-sensitive liposomes have been engineered to provide site-specific release of drug in order to overcome the problem of limited tumor drug bioavailability. Our lab has designed and developed a heat-activated thermosensitive liposome formulation of cisplatin (CDDP), known as HTLC, to provide triggered release of CDDP at solid tumors. Heat-activated delivery in vivo was achieved in murine models using a custom-built laser-based heating apparatus that provides a conformal heating pattern at the tumor site as confirmed by MR thermometry (MRT). A fiber optic temperature monitoring device was used to measure the temperature in real-time during the entire heating period with online adjustment of heat delivery by alternating the laser power. Drug delivery was optimized under magnetic resonance (MR) image guidance by co-encapsulation of an MR contrast agent (i.e.,&#160;gadoteridol) along with CDDP into the thermosensitive liposomes as a means to validate the heating protocol and to assess tumor accumulation. The heating protocol consisted of a preheating period of 5 min prior to administration of HTLC and 20 min heating post-injection. This heating protocol resulted in effective release of the encapsulated agents with the highest MR signal change observed in the heated tumor in comparison to the unheated tumor and muscle. This study demonstrated the successful application of the laser-based heating apparatus for preclinical thermosensitive liposome development and the importance of MR-guided validation of the heating protocol for optimization of drug delivery.

AN MRI-compatible&#160;custom-designed laser-based heating apparatus has been developed to provide local heating of subcutaneous tumors in order to activate release of agents from thermosensitive liposomes specifically at the tumor region.

Appositamente studiata apparecchi di riscaldamento a base laser per la Release Innescata di Cisplatino da termosensibile liposomi con Risonanza Magnetica Guidance Immagine

Liposomes have been employed as drug delivery systems to target solid tumors through exploitation of the enhanced permeability and retention (EPR) effect ...

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan electron-paramagnetic-resonance (RS-EPR), which can provide quantitative information under in vivo conditions on oxygen concentration, pH, redox status and concentration of signaling molecules (i.e., OH&#8226;, NO&#8226;). The RS-EPR technique has a higher sensitivity, improved spatial resolution (1 mm), and shorter acquisition time in comparison to the standard continuous wave (CW) technique. A variety of phantom configurations have been tested, with spatial resolution varying from 1 to 6 mm, and spectral width of the reporter molecules ranging from 16 &#181;T (160 mG) to 5 mT (50 G). A cross-loop bimodal resonator decouples excitation and detection, reducing the noise, while the rapid scan effect allows more power to be input to the spin system before saturation, increasing the EPR signal. This leads to a substantially higher signal-to-noise ratio than in conventional CW EPR experiments.

Rapid Scan Electron Paramagnetic Resonance Opens New Avenues for Imaging Physiologically Important Parameters In Vivo

A new electron paramagnetic resonance (EPR) method, rapid scan EPR (RS-EPR), is demonstrated for 2D spectral spatial imaging which is superior to the traditional continuous wave (CW) technique and opens new venues for in vivo imaging. Results are demonstrated at 250 MHz, but the technique is applicable at any frequency.

Rapid Scan paramagnetica elettronica Risonanza apre nuove strade per l&#39;imaging Fisiologicamente parametri importanti<em&gt; In Vivo</em

We demonstrate a superior method of 2D spectral-spatial imaging of stable radical reporter molecules at 250 MHz using rapid-scan ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient's cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.

We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.

Levitazione magnetica Accoppiato con Imaging portatile e analisi per la malattia di diagnostica

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

3D Magnetic Stem Cell Aggregation and Bioreactor Maturation for Cartilage Regeneration

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach recently explored for the development of autologous replacements involves the differentiation of stem cells into chondrocytes. To initiate this chondrogenesis, a degree of compaction of the stem cells is required; hence, we demonstrated the feasibility of magnetically condensing cells, both within thick scaffolds and scaffold-free, using miniaturized magnetic field sources as cell attractors. This magnetic approach was also used to guide aggregate fusion and to build scaffold-free, organized, three-dimensional (3D) tissues several millimeters in size. In addition to having an enhanced size, the tissue formed by magnetic-driven fusion presented a significant increase in the expression of collagen II, and a similar trend was observed for aggrecan expression. As the native cartilage was subjected to forces that influenced its 3D structure, dynamic maturation was also performed. A bioreactor that provides mechanical stimuli was used to culture the magnetically seeded scaffolds over a 21-day period. Bioreactor maturation largely improved chondrogenesis into the cellularized scaffolds; the extracellular matrix obtained under these conditions was rich in collagen II and aggrecan. This work outlines the innovative potential of magnetic condensation of labeled stem cells and dynamic maturation in a bioreactor for improved chondrogenic differentiation, both scaffold-free and within polysaccharide scaffolds.

Chondrogenesis from stem cells requires fine tuning the culture conditions. Here, we present a magnetic approach for condensing cells, an essential step to initiate chondrogenesis. In addition, we show that dynamic maturation in a bioreactor applies mechanical stimulation to the cellular constructs and enhances cartilaginous extracellular matrix production.

3D Stem magnetica cellulare Aggregazione e bioreattore maturazione per la cartilagine Regeneration

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach ...

Magnetic and Thermal-sensitive Poly(N-isopropylacrylamide)-based Microgels for Magnetically Triggered Controlled Release

Magnetically and thermally sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)/Fe3O4-NH2 microgels with the encapsulated anti-cancer drug curcumin (Cur) were designed and fabricated for magnetically triggered release. PNIPAAm-based magnetic microgels with a spherical structure were produced via a temperature-induced emulsion followed with physical-crosslinking by mixing PNIPAAm, polyethylenimine (PEI), and Fe3O4-NH2 magnetic nanoparticles. Because of their dispersity, the Fe3O4-NH2 nanoparticles were embedded inside the polymer matrix. The amine groups exposed on the Fe3O4-NH2 and PEI surface supported the spherical structure by physically crosslinking with the amide groups of the PNIPAAm. The hydrophobic anti-cancer drug curcumin can be dispersed in water after encapsulation into the microgels. The microgels were characterized by transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and UV-Vis spectral analysis. Furthermore, magnetically triggered release was studied under an external high frequency magnetic field (HFMF). A significant &#34;burst release&#34; of curcumin was observed after applying the HFMF to the microgels due to the magnetic inductive heating (hyperthermia) effect. This manuscript describes the magnetically triggered controlled release of Cur-PNIPAAm/Fe3O4-NH2 encapsulated curcumin, which can be potentially applied for tumor therapy.

Magnetic and Thermal-sensitive PolyN-isopropylacrylamide-based Microgels for Magnetically Triggered Controlled Release

This manuscript describes the preparation of magnetic and thermal-sensitive microgels via a temperature-induced emulsion without chemical reaction. These sensitive microgels were synthesized by mixing poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), polyethylenimine (PEI) and Fe3O4-NH2 nanoparticles for the potential use in magnetically and thermally triggered drug-release.

Poli sensibile magnetico e termico (<em&gt; N</em&gt; -isopropilacrilammide) per il rilascio controllato magneticamente attivato

Magnetically and thermally sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm)/Fe3O4-NH2 microgels with the encapsulated anti-cancer drug curcumin (Cur) were ...

Metabolic Support of Excised, Living Brain Tissues During Magnetic Resonance Microscopy Acquisition

This protocol describes the procedures necessary to support normal metabolic functions of acute brain slice preparations during the collection of magnetic resonance (MR) microscopy data. While it is possible to perform MR collections on living, excised mammalian tissue, such experiments have traditionally been constrained by resolution limits and are thus incapable of visualizing tissue microstructure. Conversely, MR protocols that did achieve microscopic image resolution required the use of fixed samples to accommodate the need for static, unchanging conditions over lengthy scan times. The current protocol describes the first available MR technique that enables imaging of living, mammalian tissue samples at microscopic resolutions. Such data is of great importance to the understanding of how pathology-based contrast changes occurring at the microscopic level influence the content of macroscopic MR scans such as those used in the clinic. Once such an understanding is realized, diagnostic methods with greater sensitivity and accuracy can be developed, which will translate directly to earlier disease treatment, more accurate therapy monitoring and improved patient outcomes.
While the described methodology focuses on brain slice preparations, the protocol is adaptable to any excised tissue slice given that changes are made to the gas and perfusate preparations to accommodate the tissue&#39;s specific metabolic needs. Successful execution of the protocol should result in living, acute slice preparations that exhibit MR diffusion signal stability for periods up to 15.5 h. The primary advantages of the current system over other MR compatible perfusion apparatuses are its compatibility with the MR microscopy hardware required to attain higher resolution images and ability to provide constant, uninterrupted flow with carefully regulated perfusate conditions. Reduced sample throughput is a consideration with this design as only one tissue slice may be imaged at a time.

The current protocol describes a method by which users can maintain viability of acute hippocampal and cortical slice preparations during the collection of magnetic resonance microscopy data.

Supporto metabolico di asportato, tessuti di cervello viventi durante l'acquisizione di microscopia a risonanza magnetica

This protocol describes the procedures necessary to support normal metabolic functions of acute brain slice preparations during the collection of magnetic ...

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps compared to standard metallographic sample preparation procedures. The paper proposes a novel bespoke rig for dynamic domain imaging with in situ BH (magnetic hysteresis) measurements and elaborates the protocols for the sensor preparation and the use of the rig to ensure accurate BH measurement. The protocols for static and ordinary dynamic domain imaging (without in situ BH measurements) are also presented. The reported method takes advantage of the convenience and high sensitivity of the traditional Bitter method and enables in situ BH measurement without interrupting or interfering with the domain wall movement processes. This facilitates establishing a direct and quantitative link between the domain wall movement processes&#8211;microstructural feature interactions in ferritic steels with their BH loops. This method is anticipated to become a useful tool for the fundamental study of microstructure&#8211;magnetic property relationships in steels and to help interpret the electromagnetic sensor signals for non-destructive evaluation of steel microstructures.

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

This paper elaborates the sample and sensor preparation procedures and the protocols for using the test rig particularly for dynamic domain imaging with in situ BH measurements in order to achieve optimal domain pattern quality and accurate BH measurements.

Installazione ottimizzata e protocollo per l'Imaging di dominio magnetico con In Situ isteresi misura

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps ...

Protocol for MicroRNA Transfer into Adult Bone Marrow-derived Hematopoietic Stem Cells to Enable Cell Engineering Combined with Magnetic Targeting

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates after injection into injured tissues as well as the observed massive cell death rates lead to very restricted therapeutic effects. To overcome these limitations, we sought to establish a non-viral based protocol for suitable cell engineering prior to their administration. The modification of human CD133+ expressing SCs using microRNA (miR) loaded magnetic polyplexes was addressed with respect to uptake efficiency and safety as well as the targeting potential of the cells. Relying on our protocol, we can achieve high miR uptake rates of 80&#8211;90% while the CD133+ stem cell properties remain unaffected. Moreover, these modified cells offer the option of magnetic targeting. We describe here a safe and highly efficient procedure for the modification of CD133+ SCs. We expect this approach to provide a standard technology for optimization of therapeutic stem cell effects and for monitoring of the administered cell product via magnetic resonance imaging (MRI).

This protocol illustrates a safe and efficient procedure to modify CD133+ hematopoietic stem cells. The presented non-viral, magnetic polyplex-based approach may provide a basis for the optimization of therapeutic stem cell effects as well as for monitoring the administered cell product via magnetic resonance imaging.

Protocollo per il trasferimento di MicroRNA in adulto cellule staminali emopoietiche derivate da midollo osseo per abilitare ingegneria cellulare combinata con il Targeting magnetico

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates ...