Nanopartikkel-stabiliserte mikrobobler og fokusert ultrasound for levering av kreftmedisin til tumorer - Karakterisering i den korioallantoiske membran-modellen

Abstract

Formålet med dette arbeidet var å undersøke oppførselen til nanopartikkel-stabiliserte mikrobobler (NPMBer) når de ble utsatt for pulsert ultralyd (UL) i både normale og kreftutsatte blodkar. Alle NPMB-batcher ble laget av samarbeidspartnere ved SINTEF sin avdeling for bioteknologi og nanomedisin i Trondheim. Disse NPMBene hadde en gjennomsnittlig diameter på 2.2 μm samt en gjennomsnittlig konsentrasjon på 6.0 · 108 MBer/mL. Nanopartiklene (NP) bestod av poly (2-etyl-butyl cyanoacrylat) (PEBCA) og var 100-200 nm i diameter. Korioallantoiske membraner (CAM) fra kyllinger ble utviklet ex ovo og benyttet til å studere ekstravasering og NP-akkumulering i CAMenes blodårer. Effektene som UL hadde på egenskapene til blodkarene ble også studert. For å forberede CAM-kulturene ble befruktede kyllingegg inkubert i veieskip og etter seks dager ble de inokulert med OHS-celler (en cellelinje fra et osteosarkom). På dag 13 etter inkubering ble leveringen av NPer studert ved å bruke sanntids epi-fluorescerende avbildning av blodkarene. Kateterisering av en CAM-blodåre ble utført og 2 MDa fluorescein isocyanat (FITC) dekstraner og NPMBer ble serie-injisert i den, og et annet område av blodkarene ble utsatt for en UL-behandling med en mekanisk indeks (MI) på 0.4. Formålet med dekstranene var å visualisere blodkarene under forsøket. Bildeserier fra eksperimentene ble analysert i Fiji-versjonen av ImageJ. 16 distinkte fenomener ble observert og 12 av dem ble studert nærmere. Tilfeller av både sakte og rask ekstravasering ble observert for en CAM. Forskjellige mønstre av NP-akkumulering ble observert i de øvrige resultatene, i tillegg til at et vaskulært område med begrenset perfusjon viste omfattende akkumulering av NPer i hele det avbildede området. Innsnevring av blodkar og endringer i retning av blodstrøm var vanlige observasjoner i blodårene. En CAM viste spesielt lekke blodkar og mørke flekker før UL-behandling. Kombinasjonen av NPMBer og UL for levering av medisiner til kreftsvulster antas å være en lovende tilnærming, da det ser ut til å utløse de ønskede effektene.

The aim of this work was to investigate the behaviour of nanoparticle-stabilized microbubbles (NPMBs) when subjected to pulsed ultrasound (US) in both normal and tumourous vasculatures. The NPMBs were provided by the Department of Biotechnology and Nano-medicine at SINTEF in Trondheim, and had an average diameter of 2.2 μm and an average concentration of 6.0 · 108 MBs/mL. The nanoparticles (NPs) consisted of poly (2-ethyl-butyl cyanoacrylate) (PEBCA) and were 100-200 nm in diameter. The chicken chorioallantoic membrane (CAM) model was grown ex ovo and utilized to study extravasation, bursts and accumulation of NPs in the vasculature of the CAM. Effects of US on the properties of the vasculature was also studied.

To prepare the ex ovo cultures, fertilized chicken eggs were incubated in weighing boats and after six days inoculation of OHS cells (an osteosarcoma cell line) was performed. On day 13 after incubation the delivery of NPs was studied using real-time epi-fluorescent imaging of the vasculature. During the experiment process a vessel of the CAM was catheterized, 2 MDa fluorescein isocyanate (FITC) dextrans and NPMBs were serially injected into it, and another area of the vasculature was exposed to an US treatment with a mechanical index (MI) of 0.4. The purpose of the dextrans was to visualize the blood vessels during imaging. Images from the experiments were analyzed using the Fiji version of ImageJ.

16 distinct phenomena were observed and 12 of them studied in greater detail. Events of both slow extravasation and burst extravasation was found for one of the CAMs. Various patterns of NP accumulation were observed, in addition to a vascular site with hindered perfusion which displayed extensive NP accumulation in the whole FOV. Vasoconstriction and changes in the direction of blood perfusion were common features in the vasculatures. One CAM portrayed leaky blood vessels and dark spots prior to US treatment.

Combining NPMBs and US in this platform for targeted drug delivery to tumours is a promising approach, as it seemed to increase desirable effects in vasculatures.