Tack vare arbetet i ett tvärvetenskapligt team av forskare vid Dartmouth Center of Nanotechnology Excellence, finansieras av National Institutes of Health, nästa generations magnetiska nanopartiklar (MNP) kan snart behandla djupgående och svåråtkomliga tumörer i människokroppen.

Även om forskarna varnar för att alla nya behandlingar baserade på deras upptäckter måste visa sig vara säkra och effektiva i kliniska prövningar innan de blir rutinmässigt tillgängliga för personer med cancer, de pekar på det arbete de publicerade den här veckan i Journal of Applied Physics , från AIP Publishing, som betydande framsteg.

De skapade en ny klass av blomformade magnetiska nanopartiklar med överlägsen prestanda i lågnivåmagnetfält och utarbetade deras uppvärmningsmekanism. Arbetet ger framtida förslag för att utveckla en ny generation av oregelbundet formade magnetiska nanopartiklar för behandling med hypertermi.

Vad är klinisk hypertermi? Det är en teknik där temperaturen på en del eller hela kroppen höjs över det normala. Värme är känt för att skada eller förstöra cancerceller, men för att utnyttja det säkert och effektivt, uppvärmning måste appliceras mycket specifikt och tumören måste hållas inom ett exakt temperaturintervall under en exakt tidsperiod.

Ett sätt att uppnå detta är att administrera nanopartiklar och sedan värma dem med energi från ljus, ljud eller växlande magnetiska vågor. Detta är ingen lätt uppgift eftersom de applicerade alternerande radiofrekvensvågorna också genererar onödig uppvärmning i normala vävnader. "Hittills, de flesta kommersiellt tillgängliga partiklarna utformade för applicering av hypertermi värme mycket bra i en relativt hög frekvens, starkt magnetfält, "sa Fridon Shubitidze, docent i teknik vid Dartmouth College Thayer School of Engineering. "Dock, det finns en gräns för frekvensen och styrkan som kan appliceras. "

När människokroppen placeras i ett högfrekvent och starkt växlande fält, det börjar värma upp och om den inte är markerad, detta kan skada normala celler. "Ett sätt att undvika att skada normal vävnad är genom att få en djupare förståelse för de magnetiska nanopartiklarnas uppvärmningsmekanismer och använda denna kunskap för att skapa magnetiska nanopartiklar som värmer vid låga fältstyrkor, "Påpekade Shubitidze.

I allmänhet, bulkmagnetiska material värmer när de upplever ett föränderligt magnetfält. "När krympt till nanostorlek, dessa material kan värma på några olika sätt som inte förekommer i större skala, "förklarade Shubitidze." Vissa involverar rörelse, med partiklarna som fysiskt roterar och/eller rör sig under påverkan av fältet, medan andra är helt icke-mekaniska och endast innebär förändringar i riktningen i vilken partiklarna magnetiseras. "

Övergripande, magnetisk nanopartikelhypertermi består av två huvudsteg:leverans och sedan aktivering av nanopartiklar inuti tumörceller. När de magnetiska nanopartiklarna levereras inuti tumörceller, systemet aktiverar ett elektromagnetiskt fält som överför energi till dem, skapa lokal uppvärmning för att förstöra tumörcellerna.

"Den lokala temperaturen är direkt relaterad till storleken på det växlande magnetfältet vid tumören, "Shubitidze utarbetat." Det växlande magnetfältet från en spole sönderfaller snabbt, så att tillämpa denna teknik i fall där tumörer djupt inne i kroppen-såsom bukspottskörtelcancer-uppnår ett växlande magnetfält med hög amplitud i tumören kräver ett ännu högre amplitudomväxlande magnetfält vid ytan. Detta fält med stor storlek kan också höja temperaturen i normala vävnader och begränsar tillämpligheten av magnetisk nanopartikelhypertermi -terapi genom att inte få ut tillräckligt med värme ur partiklarna, som befinner sig i en tumör djupt inne i kroppen. "

Partiklarna utformade, syntetiserat och testat av teamet visar förbättrad prestanda vid låga fältnivåer jämfört med deras kommersiellt tillgängliga motsvarigheter.

Detta markerar ett betydande steg mot "möjliggör behandling av tumörer som är djupt inne i kroppen, "sa Shubitidze." Uppvärmningsmekanismen dikteras av olika faktorer, såsom nanopartikelform, storlek, materialtyp och påverkan av den omgivande miljön. Analyser visade att förutom möjlig hysteresuppvärmning, kraftförlustmekanismen för våra magnetiska nanopartiklar är magnetfältdriven viskös friktionsförlust, som inte tidigare beaktades inom det magnetiska nanopartikelhyperterminforskningsgemenskapen. "

När det gäller ansökningar, magnetisk nanopartikelhypertermi visar sig vara effektiv när det finns tillräckligt med partiklar i tumören, när partiklarna har gynnsamma värmeegenskaper, och när ett tillräckligt starkt magnetfält levereras. Tekniken kan användas som en fristående behandling eller som en adjuvant behandling tillsammans med kemo- och strålbehandlingar för cancerbehandling.

Utvecklingen av magnetiska nanopartiklar som värms vid lägre fältnivåer är ett "viktigt steg mot att göra magnetisk nanopartikelhypertermi till en kliniskt livskraftig behandling för djupt liggande cancer, "Noterade Shubitidze.

Vad är nästa för laget? "Vi arbetar för närvarande med att kombinera våra magnetiska nanopartiklar och en ny enhet för att leverera en högre fältstyrka till tumören vid cancer i bukspottskörteln, vilket är ett särskilt svårt mål för konventionella fältgenereringsanordningar, sa Shubitidze.