Возможности применения наноразмерных частиц оксида железа для гипертермической терапии опухолей

Владимир Юрьевич Науменко; Артур Геннадьевич Акопджанов; Алексей Владимирович Бабич; Иван Владимирович Быков; Николай Львович Шимановский

Возможности применения наноразмерных частиц оксида железа для гипертермической терапии опухолей

Владимир Юрьевич Науменко¹, Артур Геннадьевич Акопджанов², Алексей Владимирович Бабич³, Иван Владимирович Быков⁴, Николай Львович Шимановский⁵

научная статья Страницы: 19-27

¹ д.т.н., профессор, кафедра экспериментальной и теоретической физики, Российский государственный медицинский институт (Москва)
^2,3 инженер, Российский государственный медицинский институт
⁴ аспирант, Российский государственный медицинский институт
⁵ член-корр РАМН, д.м.н., профессор, кафедра фармакологии и радиобиологии, Российский государственный медицинский институт

Ключевые слова: ипертермия суперпарамагнитные наночастицы магнитно-резонансная томография магнитно-резонансные контрастные средства

Аннотация

Рассмотрены основные направления фармакологического применения магнитных наночастиц: контрастное средство при МРТ-диагностике; применение наночастиц со специально модифицированной поверхностью, целевая доставка препаратов, сепарации стволовых клеток, а также для управляемой локальной гипертермии. Показана перспективность применения коллоидных растворов на основе магнитных наночастиц оксида железа. Определены основные возможности, достоинства и круг существующих проблем при использовании наночастиц магнетита в медицине.

Для цитирования

Науменко В.Ю., Акопджанов А.Г., Бабич А.В., Быков И.В., Шимановский Н.Л. Возможности применения наноразмерных частиц оксида железа для гипертермической терапии опухолей // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 12. С. 19–27.

Список источников

Шимановский Н.Л., Епинетов М.А., Мельников М.Я. Молекулярная и нанофармакология. М.: Наука. 2010. 624 с.
Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю.Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. 2005. № 74(6). С. 539-574.
Белов К.Л. Электронные процессы в магнетите // Успехи физических наук. 1993. Т. 163. № 5. С. 53-66.
Шимановский Н.Л., Науменко В.Ю., Акопджанов А.Г. и др. Применение суперпарамагнитных наночастиц сложного оксида железа для магнитно-резонансного контрастирования биологических сред // Нанотехника. 2009. № 4 (20). С. 64-70.
Гусев А.И., Рампель А.А. Нанокристаллические материалы. М. Физматгиз. 2000. С. 224.
Broun W.F. Thermal fluctuation of a single-domain patrickle // Phys. Rev. 1963. V. 130. P. 1677-1686.
Granov A.M., Muratov O.V., Frolov V.F. Problems in the local hyperthermia of inductively heated emboli zed tissues // Theor. Foundation Chem. Eng. 2002. V. 36. P. 71-74.
Craciun V., Calugaru G., Badescu V. Accelerated simulation of heat transfer in magnetic fluid hyperthermia // Czechoslovak. J. Phys. 2002. V. 52. P. 725-728.
Berry C., Curtis A. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. P. 36.
Lu A.-H., Salabas E.L., Schuth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 1222-1244.
Koneracka M., Kopcansky P., Antalik M. et al. Immobilization of proteins and enzymes to fine magnetic particles // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 201. P. 427.
Bruce I.J., Sen T. Surface Modification of magnetic nanoparticles with alkoxysilanes and their application in magnetic bioseparations // Langmuir. 2005. V. 21. P. 7029-7035.
Tomasovicova N., Koneracka M., Kopcansky P. et al. Infrared study of biocompatible magnetic nanoparticles // Measurement Science Review. 2006. V. 6. № 3. P. 32-35.
Berry C., Curtis F. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. 2003. V. 15. P. 198-206.
TaupitzM., WagnerS., SchnorrJ. et al.Phase I Clinical Evaluation of Citrate-coated Monocrystalline Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles as a New Contrast Medium for Magnetic Resonance Imaging // Investigative Radiology. 2004. V. 39. P. 394-405.
Kin Man Ho, Pei Li. Design and Synthesis of Novel Magnetic Core- Shell Polymeric Particles // American Chemical Society. 2008. V. 24(5). P. 1801-1807.
Ito A., Shinicai M., Honda H., Kobayashi T. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles // J. of bioscience and bioengineering. 2005. V. 100. P. 1-11.
Schnorr J. et al. Comparisonof the Iron Oxide-Based Blood-Pool Contrast MediumVSOP-C184With Gadopentetate Dimeglumine for First-Pass Magnetic Resonance Angiographyofthe Aortaand Renal Arteriesin Pigs // Investigative Radiology. 2004. V. 39. № 9.P. 546-553.
Gupta A. Q. et al. Resent advances on surface engineering of magnetic iron oxide nanoparticles and their biomedical applications. //Nanomedicine. 2007.V. 2 (1). P. 2-23.
Li X., Du X., Huo T., Liu X., Zhang S., Yuan F. Specific targeting of breast tumor by octreotide-conjugated ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles using a clinical 3.0-Tesla magnetic resonance scanner // Acta Radiol. 2009. V. 50(6). P. 583-94.
Pang S.C., Chin S.F., Anderson M.A. Redox Equilibria of iron oxides in aqueous-based magnetite dispersions: Effect of the pH and redox potential // J. Colloid and Interface Sci. 2007. V. 311. P. 94-101.
Corot C., Robert P., Idee J.M. et al. Recent advances in iron oxide nanocrystal technology for medical imaging // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2006. V. 58. P. 1471-504.
Михайлов Г.А., Васильева О.С. Технология будущего: использование магнитных наночастиц в онкологии // Бюллетень СО РАН. 2008. № 3 (131). С. 18-22.
Le B. et al. Preparation of tumor specific magnetoliposomes and their application for hyperthermia // J. Chem. Eng. Jpn. 2001. V. 34. P. 66-72.
Le B. et al. Targeting hyperthermia for renal cell carcinoma using human MN antigenspecific magnetoliposomes //Jap. J. Cancer. 2001. V. 92. P. 1138-1145.
Lee J. et al. Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultra-sensitive molecular imaging // Nature Medcine. 2007. V. 13(1). P. 95-99.
Lacroix L.-M., Ho. D., SunS.Magnetic Nanoparticles
as Both Imaging Probes and Therapeutic Agents // Current Topics in Medicinal Chemistry. 2010. V. 10. P. 1184-1197.
KrishnanK.M. Biomedical Nanomagnetics: A Spin Through Possibilities in Imaging, Diagnostics, and Therapy // EEE Trans. Magn. 2010. V. 46(7). P. 2523-2558.
Johannsen M. Gneveckow U. Thiesen B. et al. Thermotherapy of prostate cancer using magnetic nanoparticles: Feasibility, imaging, and three-dimensional temperaturedistribution // Eur. Urol. 2007. V. 52. P. 1653-1662.
Neilsen O.S., Horsman M., Overgaard J. A future hyperthermia in cancer treatment // E. J. Cancer. 2001. V. 37. P. 1587-1589.
Pankhurst Q.A., Connolly J., Jones S.K., Dobson J. Applications of magnetic nanoparticiles in biomedicines. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 167-181.
Rapoport N. et al. Multifunctional nanoparticles for combining ultrasonic tumor imaging und targeted chemotherapy // J. Natl. Cancer. Inst. 2007. V. 99. P. 1095-1106.
Oleson J.R., Heusinfeld R.S., Manning M.R. Hyperthermia by magnetic induction: II Clinical experience with concentric electrodes Usable frequencies in hyperthermia with thermal seeds // Int. J. Radial. Oncol. Phys. 1983. V. 9. P. 549-556.
Atrinson W.J., Brezovich I.A., Chakraborty D.P. Usable frequencies in hyperthermia with thermal seeds // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1984. V. BME 31. P. 70-75.
Harton B.V., Takano Y.S., Winterforde C.M., Gobe G.C. The role of apoptosis in the response of cells and tumors to mild hyperthermia // Int. J. Radiat. Biol. 1991. V. 59. P. 489-501.
Fairbairn J.J., Khan M.W., Ward K.J. et al. Induction of apoptotic cell DNA fragmentation in human cells after treatment with hyperthermia // Cancer Letters. 1995. V. 89. P. 183-188.
Burgman P., Nussenzweig A., Li G.C. Thermotolerance // Thermoradiotherapy and Thermo-chemoterapy. Biology, Physiology, Physics / M.H. Seegenscmidt, P. Fessenden, C.C.Vernon (Eds). Berlin: Springer. 1995. V. 1. P. 75-87.
Multhoff G., Botzler C., Wiesnet M. et. al. A stress induciblt 72-kDa heat shock protein (HSP72) is expressed on the surface of human tumor cells, but not on normal cells // Int. J. Cancer. 1995. V. 61. P. 272-279.
Fortin-Ripoche J.P. et al.Magnetic Targeting of magnetoliposomes to Solid Tumors with MR imaging monitoring in Mice: Feasibility // Radiology. 2006. V. 239. P. 415-24.
Kumar D., Narayan J., Sharma A.V., Sankar J. J. // Magn. Magn. Mater. 2001. V. 232. P. 161.
Neuwelt E.A., Hamilton B.E., Varallyay C.G., Roo-
ney W.R., Edelman R.D., Jacobs P.M., Watnick S.G. Ultrasmall superparamagnetic iron oxides (USPIOs): a future alternative magnetic resonance (MR) contrast agent for patients at risk for nephrogenic systemic fibrosis (NSF) // Kidney International. 2009. V. 75. P. 465-474.
Инструкция (информация для специалистов) по медицинскому применению лекарственного препарата Резовист. ПроизводительSchering AG Germany. D-13342. Berlin. Mullerstrasse 178. 2003.
Weissleder R., Elizondo G., Wittenberg J., et al. Ultrasmall superpara-magnetic iron oxide: characterization of a new class of contrast agents for MR imaging // Radiology. 1990. V. 75. P. 489-93.
Jordan A. et al. Scientific and clinical applications of magnetic carriers. New York: Plenum Press. 1997. P. 569.
Lu A.H., Salabas E.L., Schuth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, fictionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 1222-1244.
Hilger I., Fruhauf K. et al. Heating potential of iron oxides for therapeutic purposes in interventional radiology // Acad. Radiol. 2002.V. 9. P. 198-202.

[1] Шимановский Н.Л., Епинетов М.А., Мельников М.Я. Молекулярная и нанофармакология. М.: Наука. 2010. 624 с.

[2] Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю.Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. 2005. № 74(6). С. 539-574.

[3] Белов К.Л. Электронные процессы в магнетите // Успехи физических наук. 1993. Т. 163. № 5. С. 53-66.

[4] Шимановский Н.Л., Науменко В.Ю., Акопджанов А.Г. и др. Применение суперпарамагнитных наночастиц сложного оксида железа для магнитно-резонансного контрастирования биологических сред // Нанотехника. 2009. № 4 (20). С. 64-70.

[5] Гусев А.И., Рампель А.А. Нанокристаллические материалы. М. Физматгиз. 2000. С. 224.

[6] Broun W.F. Thermal fluctuation of a single-domain patrickle // Phys. Rev. 1963. V. 130. P. 1677-1686.

[7] Granov A.M., Muratov O.V., Frolov V.F. Problems in the local hyperthermia of inductively heated emboli zed tissues // Theor. Foundation Chem. Eng. 2002. V. 36. P. 71-74.

[8] Craciun V., Calugaru G., Badescu V. Accelerated simulation of heat transfer in magnetic fluid hyperthermia // Czechoslovak. J. Phys. 2002. V. 52. P. 725-728.

[9] Berry C., Curtis A. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. P. 36.

[10] Lu A.-H., Salabas E.L., Schuth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 1222-1244.

[11] Koneracka M., Kopcansky P., Antalik M. et al. Immobilization of proteins and enzymes to fine magnetic particles // J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 201. P. 427.

[12] Bruce I.J., Sen T. Surface Modification of magnetic nanoparticles with alkoxysilanes and their application in magnetic bioseparations // Langmuir. 2005. V. 21. P. 7029-7035.

[13] Tomasovicova N., Koneracka M., Kopcansky P. et al. Infrared study of biocompatible magnetic nanoparticles // Measurement Science Review. 2006. V. 6. № 3. P. 32-35.

[14] Berry C., Curtis F. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. 2003. V. 15. P. 198-206.

[15] TaupitzM., WagnerS., SchnorrJ. et al.Phase I Clinical Evaluation of Citrate-coated Monocrystalline Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles as a New Contrast Medium for Magnetic Resonance Imaging // Investigative Radiology. 2004. V. 39. P. 394-405.

[16] Kin Man Ho, Pei Li. Design and Synthesis of Novel Magnetic Core- Shell Polymeric Particles // American Chemical Society. 2008. V. 24(5). P. 1801-1807.

[17] Ito A., Shinicai M., Honda H., Kobayashi T. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles // J. of bioscience and bioengineering. 2005. V. 100. P. 1-11.

[18] Schnorr J. et al. Comparisonof the Iron Oxide-Based Blood-Pool Contrast MediumVSOP-C184With Gadopentetate Dimeglumine for First-Pass Magnetic Resonance Angiographyofthe Aortaand Renal Arteriesin Pigs // Investigative Radiology. 2004. V. 39. № 9.P. 546-553.

[19] Gupta A. Q. et al. Resent advances on surface engineering of magnetic iron oxide nanoparticles and their biomedical applications. //Nanomedicine. 2007.V. 2 (1). P. 2-23.

[20] Li X., Du X., Huo T., Liu X., Zhang S., Yuan F. Specific targeting of breast tumor by octreotide-conjugated ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles using a clinical 3.0-Tesla magnetic resonance scanner // Acta Radiol. 2009. V. 50(6). P. 583-94.

[21] Pang S.C., Chin S.F., Anderson M.A. Redox Equilibria of iron oxides in aqueous-based magnetite dispersions: Effect of the pH and redox potential // J. Colloid and Interface Sci. 2007. V. 311. P. 94-101.

[22] Corot C., Robert P., Idee J.M. et al. Recent advances in iron oxide nanocrystal technology for medical imaging // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2006. V. 58. P. 1471-504.

[23] Михайлов Г.А., Васильева О.С. Технология будущего: использование магнитных наночастиц в онкологии // Бюллетень СО РАН. 2008. № 3 (131). С. 18-22.

[24] Le B. et al. Preparation of tumor specific magnetoliposomes and their application for hyperthermia // J. Chem. Eng. Jpn. 2001. V. 34. P. 66-72.

[25] Le B. et al. Targeting hyperthermia for renal cell carcinoma using human MN antigenspecific magnetoliposomes //Jap. J. Cancer. 2001. V. 92. P. 1138-1145.

[26] Lee J. et al. Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultra-sensitive molecular imaging // Nature Medcine. 2007. V. 13(1). P. 95-99.

[27] Lacroix L.-M., Ho. D., SunS.Magnetic Nanoparticles
as Both Imaging Probes and Therapeutic Agents // Current Topics in Medicinal Chemistry. 2010. V. 10. P. 1184-1197.

[28] KrishnanK.M. Biomedical Nanomagnetics: A Spin Through Possibilities in Imaging, Diagnostics, and Therapy // EEE Trans. Magn. 2010. V. 46(7). P. 2523-2558.

[29] Johannsen M. Gneveckow U. Thiesen B. et al. Thermotherapy of prostate cancer using magnetic nanoparticles: Feasibility, imaging, and three-dimensional temperaturedistribution // Eur. Urol. 2007. V. 52. P. 1653-1662.

[30] Neilsen O.S., Horsman M., Overgaard J. A future hyperthermia in cancer treatment // E. J. Cancer. 2001. V. 37. P. 1587-1589.

[31] Pankhurst Q.A., Connolly J., Jones S.K., Dobson J. Applications of magnetic nanoparticiles in biomedicines. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 167-181.

[32] Rapoport N. et al. Multifunctional nanoparticles for combining ultrasonic tumor imaging und targeted chemotherapy // J. Natl. Cancer. Inst. 2007. V. 99. P. 1095-1106.

[33] Oleson J.R., Heusinfeld R.S., Manning M.R. Hyperthermia by magnetic induction: II Clinical experience with concentric electrodes Usable frequencies in hyperthermia with thermal seeds // Int. J. Radial. Oncol. Phys. 1983. V. 9. P. 549-556.

[34] Atrinson W.J., Brezovich I.A., Chakraborty D.P. Usable frequencies in hyperthermia with thermal seeds // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1984. V. BME 31. P. 70-75.

[35] Harton B.V., Takano Y.S., Winterforde C.M., Gobe G.C. The role of apoptosis in the response of cells and tumors to mild hyperthermia // Int. J. Radiat. Biol. 1991. V. 59. P. 489-501.

[36] Fairbairn J.J., Khan M.W., Ward K.J. et al. Induction of apoptotic cell DNA fragmentation in human cells after treatment with hyperthermia // Cancer Letters. 1995. V. 89. P. 183-188.

[37] Burgman P., Nussenzweig A., Li G.C. Thermotolerance // Thermoradiotherapy and Thermo-chemoterapy. Biology, Physiology, Physics / M.H. Seegenscmidt, P. Fessenden, C.C.Vernon (Eds). Berlin: Springer. 1995. V. 1. P. 75-87.

[38] Multhoff G., Botzler C., Wiesnet M. et. al. A stress induciblt 72-kDa heat shock protein (HSP72) is expressed on the surface of human tumor cells, but not on normal cells // Int. J. Cancer. 1995. V. 61. P. 272-279.

[39] Fortin-Ripoche J.P. et al.Magnetic Targeting of magnetoliposomes to Solid Tumors with MR imaging monitoring in Mice: Feasibility // Radiology. 2006. V. 239. P. 415-24.

[40] Kumar D., Narayan J., Sharma A.V., Sankar J. J. // Magn. Magn. Mater. 2001. V. 232. P. 161.

[41] Neuwelt E.A., Hamilton B.E., Varallyay C.G., Roo-
ney W.R., Edelman R.D., Jacobs P.M., Watnick S.G. Ultrasmall superparamagnetic iron oxides (USPIOs): a future alternative magnetic resonance (MR) contrast agent for patients at risk for nephrogenic systemic fibrosis (NSF) // Kidney International. 2009. V. 75. P. 465-474.

[42] Инструкция (информация для специалистов) по медицинскому применению лекарственного препарата Резовист. ПроизводительSchering AG Germany. D-13342. Berlin. Mullerstrasse 178. 2003.

[43] Weissleder R., Elizondo G., Wittenberg J., et al. Ultrasmall superpara-magnetic iron oxide: characterization of a new class of contrast agents for MR imaging // Radiology. 1990. V. 75. P. 489-93.

[44] Jordan A. et al. Scientific and clinical applications of magnetic carriers. New York: Plenum Press. 1997. P. 569.

[45] Lu A.H., Salabas E.L., Schuth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, fictionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 1222-1244.

[46] Hilger I., Fruhauf K. et al. Heating potential of iron oxides for therapeutic purposes in interventional radiology // Acad. Radiol. 2002.V. 9. P. 198-202.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи