MagneTherm?磁流體熱療分析系統(tǒng)
MagneTherm? Magnetic Fluid Hyperthermia System
MagneTherm?磁流體熱療分析系統(tǒng)是來自英國的Nanotherics公司的一種高精度磁流體熱療測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制表面功能化的磁性納米顆粒產(chǎn)熱用于熱療**。MagneTherm?磁流體熱療分析系統(tǒng)使用交變磁場(AMF)和磁納米顆粒(MNPs)作為腫瘤和其他細(xì)胞的加熱方法,通過施加一定強(qiáng)度的交變磁場,磁性微粒在交變磁場作用下能吸收電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能,系統(tǒng)控制熱能局限于腫瘤組織,可導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡及壞死,從而實(shí)現(xiàn)對腫瘤的熱療和相關(guān)研究。該系統(tǒng)還能控制納米磁流體運(yùn)動的組織靶向性和細(xì)胞特異靶向性,進(jìn)行細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)多重磁流體熱療分析。
圖1MagneTherm?磁流體熱療分析系統(tǒng)
2、系統(tǒng)原理
通過控制納米尺度的磁性顆粒定位于腫瘤組織,然后施加一外部交變磁場,使材料因產(chǎn)生磁滯、馳豫或感應(yīng)渦流而被加熱,這些熱量再傳遞到材料周邊的腫瘤組織中,使腫瘤組織溫度超過42℃并導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡及壞死,從而實(shí)現(xiàn)對腫瘤的**。
MagneTherm?磁流體熱療測試系統(tǒng)殺傷腫瘤細(xì)胞的主要原理有:
(1)高溫使瘤細(xì)胞線粒體膜的流動性改變,破壞DNA合成所需的酶系導(dǎo)致瘤細(xì)胞死亡;受熱后腫瘤組織的pH值降低,增加了對瘤細(xì)胞的殺傷作用;
(2)腫瘤血管不規(guī)則,散熱能力低,增加了高溫作用于腫瘤組織的選擇性,增加了NK細(xì)胞的活性,NK細(xì)胞無須經(jīng)腫瘤抗原激活就有殺傷腫瘤細(xì)胞活性,其殺傷作用主要通過其表面的腫瘤細(xì)胞受體與腫瘤細(xì)胞相結(jié)合,釋放溶細(xì)胞素。
(3)促進(jìn)樹突狀細(xì)胞(DC)的成熟,未成熟的樹突狀細(xì)胞是成熟樹突狀細(xì)胞的前體,具有強(qiáng)大的抗原攝取能力。但因其表面表達(dá)低水平的MHCⅠ、Ⅱ及共刺激分子,因而不能有效地將抗原提呈給T**細(xì)胞,對T細(xì)胞的刺激能力降低。成熟的樹突狀細(xì)胞能夠顯著刺激初始樹突狀細(xì)胞細(xì)胞進(jìn)行增值,因此樹突狀細(xì)胞是機(jī)體**應(yīng)答的始動者。
(4)磁流體熱療還能增加腫瘤細(xì)胞表面MHCⅠ表達(dá),從而激活了T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤**反應(yīng)。
圖2 不同濃度的磁流體 (Fe3O4)在交流磁場中的加熱性能對比
3、系統(tǒng)亮點(diǎn)概述
該magneTherm ?有超過**和可耐受的磁場劑量,而且具有很大的靈活性,方便研究者根據(jù)要求改變頻率和場強(qiáng)來應(yīng)用不同的細(xì)胞和組織體系??梢詫?xì)胞(貼壁或懸浮液)和三維細(xì)胞培養(yǎng)體系進(jìn)行磁流體熱療分析。
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10種不同的標(biāo)準(zhǔn)頻率,頻率范圍從50千赫茲至1兆赫茲
包括 110 kHz, 168 kHz, 176 kHz, 262 kHz, 335 kHz,474kHz, 523 kHz, 633 kHz, 739 kHz, 987 kHz。
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擁有高達(dá)25毫特斯拉(mT)的磁場強(qiáng)度,且磁場強(qiáng)度可變
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優(yōu)良的保溫隔熱
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運(yùn)行PCR小瓶或小管(容量從1毫升到50毫升)
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可運(yùn)行35毫米培養(yǎng)皿(培養(yǎng)生物膜/細(xì)胞/ 三維組織 )
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臺式裝置,占用較小的工作面積
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低溫制冷系統(tǒng)輕便,沒有笨重的附屬設(shè)施
4、應(yīng)用領(lǐng)域
腫瘤**研究
熱療正成為繼手術(shù)、放療、化療和**療法后出現(xiàn)的第五種癌癥**手段。目前已在臨床上得到應(yīng)用,但是由于其加熱受到部位和組織的限制,而且對腫瘤的加熱也不均勻,嚴(yán)重影響了熱療的效果。已有的研究表明,磁熱療可以起到很好的組織內(nèi)靶向熱療作用,而且也不受腫瘤體積和部位的影響,特別是近年來還發(fā)現(xiàn)磁熱療具有“熱旁觀者”效應(yīng),從而引起人們的廣泛關(guān)注,熱療用的不同磁性材料更成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
S.Y. Yan, et al. Therapeutic mechanism of treating SMMC-7721 liver cancer cells with magnetic fluid hyperthermia using Fe2O3 nanoparticles. Brazilian Journal of Medical and Biological Research (2014) 47(11): 947-959
熱休克蛋白研究
熱療聯(lián)合化療**能提高機(jī)體的**功能,避免放、化療的毒副作用。熱休克蛋白(heat shock protein ,HSP),主要參與腫瘤抗原的加工呈遞,可作為抗原呈遞分子直接將腫瘤的抗原肽呈遞給T細(xì)胞,激發(fā)T細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞**,其中HSP70*為引人關(guān)注。機(jī)體**能力和腫瘤之間的作用是相互的,一方面機(jī)體**影響腫瘤的發(fā)展,另一方面腫瘤也能改變機(jī)體的**功能。對于惡性腫瘤的**,除外科手術(shù)外,化療和放療也是目前*主要的**方法。但化、放療除耐藥性及劑量受限外,它們在殺傷腫瘤的同時,正常組織和細(xì)胞也受到損傷,甚至引起致死性并發(fā)癥。
**釋放控制研究
控制**釋放的技術(shù)可以保證**緩慢長期的效用,保持*優(yōu)血液中**濃度,從而達(dá)到*佳的**效果。其優(yōu)點(diǎn)在于利于**吸收和新陳代謝,優(yōu)化療法的效果。通過控制獨(dú)特的納米微粒攜帶**輸送技術(shù),可以更有效的**控制釋放,將**滲透到實(shí)體腫瘤,通過利用磁性納米粒藥系統(tǒng)結(jié)合磁流體熱療分析可以控制**釋放使得**在定點(diǎn)區(qū)域殺傷靶標(biāo)癌細(xì)胞。
Sophie Laurent, et al. Magnetic ?uid hyperthermia: Focus on superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Advances in Colloid and Interface Science 166 (2011) 8–23
磁性納米顆粒介導(dǎo)的生物膜處理
**群落附著到表面上,通過分泌細(xì)胞外聚合物基質(zhì)形成生物膜。生物膜的形成提供了病原性**對***的抗性,還會促進(jìn)微生物慢性感染的發(fā)展。超順磁性氧化鐵納米顆粒( SPIONs )的應(yīng)用可以顯著降低**的生物材料介導(dǎo)的感染幾率。SPIONs的磁性靶向性,可允許它們滲透到生物膜內(nèi)部,通過使用交流磁場加熱降低**群落的生存能力。這種處理是非常有效的,特別是對***耐藥菌株和***抗性生物膜的**中已經(jīng)顯示出其應(yīng)用前景。
已經(jīng)應(yīng)用的磁流體納米顆粒類型包括
-
表面官能化的磁鐵礦( Fe3O4)
-
涂覆有銀磁赤鐵礦(氧化鐵)
-
磁鐵礦( Fe3O4)
-
鈷摻雜磁鐵礦
-
鐵核心/鐵氧化物殼納米顆粒
-
涂有金的磁赤鐵礦(氧化鐵)
-
氧化鐵納米晶體( IONCs )
-
膠體Greigite ( Fe3S4 )納米片
Wei Wu, et al. Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis and Surface Functionalization Strategies, Nanoscale Res Lett (2008) 3:397–415
5、系統(tǒng)組成部分
包括直流電源供應(yīng)系統(tǒng),函數(shù)信號發(fā)生器,示波器等
直流電源供應(yīng)系統(tǒng):24cm (W) x 32cm (D) x 13cm (H)??? 重量: 6 kg
函數(shù)信號發(fā)生器:22cm (W) x 29cm (D) x 10cm (H)??? 重量: 2.8kg
示波器:35cm (W) x 44cm (D) x 17cm (H)??? 重量: 8 kg
主要配件
17匝線圈
9匝線圈
帶有萬用表功能的熱電偶適配器
示波器
函數(shù)信號發(fā)生器
溫度探頭( T型熱電偶)
直流穩(wěn)壓電源
聚苯乙烯試管樣品
管線和墊片
冷卻水連接管
連接電纜
表1 系統(tǒng)所能提供的頻率和磁場強(qiáng)度
頻率
FREQUENCY
|
*大磁場強(qiáng)度(毫特斯拉)Maximum Field Strength (mT)
|
*大場強(qiáng)(奧斯特)
Maximum Field Strength (Oersted)
|
*大磁場強(qiáng)度(kA/m)
Maximum Field Strength (kA/m)
|
110
|
25
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250
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19.9
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168
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17
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170
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13.5
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176
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23
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230
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18.3
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262
|
23
|
230
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18.3
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335
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17
|
170
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13.5
|
474
|
11
|
110
|
8.7
|
523
|
20
|
200
|
15.9
|
633
|
9
|
90
|
7.2
|
739
|
16
|
160
|
12.7
|
987
|
12
|
120
|
9.5
|
注:如果需要,所有的場強(qiáng)均可以由操作者從*大減小到零
圖3? 17繞圈和9繞圈的繞組方式
選配配件:
較大的樣品線圈盒( 60毫米)
較低的頻率配件: 90KHz、87kHz 、70kHz、64kHz、50kHz
水夾套樣品孔徑(通常用于體內(nèi)應(yīng)用)
2通道光纖信號處理器和溫度探頭。
6、工作流程案例
(1)磁熱效應(yīng)分析:先將含磁性納米顆粒的培養(yǎng)液在 37℃恒溫培養(yǎng)箱中孵育 1 h, 再在交變磁場下處理不同時間, 用精密溫度計(jì)測量溶液溫度,考察不同濃度磁納米顆粒在磁場作用下的處理時間與環(huán)境溫度的變化情況.
(2)動物實(shí)驗(yàn)應(yīng)用:在腫瘤四周向瘤體進(jìn)行多點(diǎn)注射Fe2O3納米磁流體(以提高材料均勻彌散度),用0.5%無菌****鈉溶液60mg/kg體重腹腔注射的方法進(jìn)行麻醉,待完全麻醉后將上述注有Fe2O3納米磁流體的熱療組荷瘤鼠腫瘤放在輸出電流I=300 A的高頻磁感應(yīng)加熱器照射1 h,用同樣方法前后共處理3次,每兩次間隔時間為24 h,從熱療后的第2天開始觀察各組荷瘤鼠及腫瘤的生長情況并分別予以記錄和拍照,至**周期結(jié)束(7周)后,用脫臼法處死荷瘤鼠并剝離出腫瘤,測量腫瘤的長徑(a)及腫瘤的短徑(b),稱瘤重。
(3)細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用:光學(xué)及電子顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài):細(xì)胞貼璧生長24 h,棄去各培養(yǎng)瓶中的培養(yǎng)液;對照組加入5 ml 8 g/LFe2O3納米磁流體,熱療組分別加入2、4、6、8 g/L Fe2O3納米磁流體各5 ml,熱療組分別在(200 kHZ,4 kW,輸出電流300安培)高頻交變磁場下照射各1 h;繼續(xù)培養(yǎng)48h,倒置顯微鏡下拍照,然后用0.25%胰酶消化細(xì)胞,800r/min離心5 min、PBS(pH7.4)洗2次、4%預(yù)冷戊二醛固定24 h,EPON812包埋、60e聚合72 h,細(xì)胞被切成60nm的超薄切片、檸檬酸鉛及醋酸鈾染色,透射電鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)變化。
(4)MTT還原法檢測細(xì)胞增殖抑制率:在96孔培養(yǎng)板中每孔接種103個細(xì)胞,24 h后分別加入4、6、8、10 g/L的Fe2O3納米磁流體100uL,繼續(xù)培養(yǎng),參照文獻(xiàn)方法進(jìn)行四甲基偶氮唑藍(lán)(MTT)實(shí)驗(yàn)。用自動酶標(biāo)檢測儀(Thermo Labsystems-Multiskam MK3美國BD公司)在493 nm處檢測96孔的吸光度。?
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