Erste In-vitro-Anwendung katheter- und magnetgesteuerter ferromagnetischer Polymerfilamente aus Nanopartikeln mit hitzeinduzierter Partikelabgabe unter Einsatz des Stereotaxis-Niobe®-Systems

Zusammenfassung

Ziel: Entwicklung eines neuen Verfahrens zur intravaskulären Navigation und Freisetzung ferromagnetischer Nanopartikel in Form eines Filaments mithilfe eines externen magnetischen Feldes. Material und Methoden: Ferromagnetische Nanopartikel wurden synthetisiert und in thermolabiles Gel eingebettet, das in Form von Filamenten polymerisiert wurde. Die magnetische Auslenkbarkeit der Gelfilamente wurde im Niobe®-Magnetnavigationssystem (MNS) im Vergleich zu dedizierten Führungsdrähten untersucht. Die Krümmung wurde als Surrogatparameter der Auslenkung verwendet. Anschließend wurden handelsübliche Katheter in Kombination mit dem Niobe®-MNS in Gefäßmodellen eingesetzt, um die Filamente mittels Stereotaxie zu navigieren. Die Richtung des magnetischen Feldvektors wurde dabei in allen drei Raumrichtungen geändert. Nach Positionierung erfolgte die Induktionserhitzung der thermosensiblen Gelfilamente über 5 Minuten in einem elektromagnetischen Feld der Stärke 45kA/m bei 200 kHz. Ergebnisse: Die Auslenkbarkeit der Gelfilamente ist derjenigen dedizierter Führungsdrähte signifikant überlegen (p = 0,0091). Die entsprechende Krümmung betrug 0,54 ± 0,12 mm ^{- 1} bzw. 0,33 ± 0,21 mm ^{- 1}. In Kombination des Niobe®-MNS mit handelsüblichen Kathetern war die Navigation und lokale Anreicherung dieser Filamente in allen Fällen möglich. Durch berührungsfreie externe elektromagnetische Induktionserhitzung konnten die Gelfilamente bei allen Untersuchungen aufgelöst und die Nanopartikel freigesetzt werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass durch katheterunterstützte magnetische Navigation ein aus Magnetkolloiden bestehendes Gelfilament in ein Zielgebiet navigiert und durch Erwärmung aufgelöst werden kann. Die Methode bietet die Möglichkeit, Wirkstoffe wie Chemotherapeutika lokal kontrolliert zu applizieren.

Abstract

Purpose: To develop a new technique for intravascular guidance and the release of magnetized ferromagnetic nanoparticles using a polymerized filament by means of an external magnetic field. Materials and Methods: Ferromagnetic nanoscaled beads were embedded in temperature-sensitive gels to form filaments after polymerization. Deflection of the filaments was assessed in a Stereotaxis Niobe® magnetic navigation system (MNS) in comparison with dedicated guide wires. The curvature was measured as a surrogate parameter for deflection. In combination with commercially available catheters, the filaments were navigated in a perfused aneurysmatic vessel model and a perfused branched vessel model under the influence of two permanent magnets of the Niobe® MNS. The magnetic field vector was varied in all three dimensions. After positioning, the magnetic colloid-containing filaments were exposed to an electromagnetic field of 45kA/m, 200 kHz for a period of 5 minutes for non-invasive heating. Results: The filaments showed superior deflectability compared to the dedicated guide wires (p = 0.0091). The curvature was 0.54 ± 0.12 mm ^{- 1} for the filaments and 0.33 ± 0.21 mm ^{- 1} for the guide wires. In combination with angiography catheters, magnetic guidance and accumulation of specially designed filaments were possible in the perfused vessel model. Inductive heating allowed non-invasive disintegration and releasing of the nanoparticles in all filaments. Conclusion: This feasibility study shows that magnetic guidance and targeting of a specially designed magnetic colloid-containing filament and subsequent disintegration are feasible. This technique offers the potential for controlled local drug release.

Magnetic navigation system - vascular intervention - navigation - ferumoxide nanoparticles

Literatur

• 1 Vogl T J, Eichler K, Mack M G. et al . Interstitial photodynamic laser therapy in interventional oncology.  Eur Radiol. 2004;  14 1063-1073
• 2 Harada J, Mogami T. Minimally invasive therapy under image guidanceemphasizing MRI-guided cryotherapy.  Rinsho Byori. 2004;  52 145-151
• 3 Mahnken A H, Tacke J, Bucker A. et al . Perkutane Radiofrequenzablation maligner Leberläsionen: Erste Erfahrungen mit einem 200-W-Generator.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 216-223
• 4 Tacke J, Mahnken A H, Gunther R W. Perkutane Thermoablation von Nierentumoren.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1631-1640
• 5 Hilger I, Hiergeist R, Hergt R. et al . Thermal ablation of tumors using magnetic nanoparticles: an in vivo feasibility study.  Invest Radiol. 2002;  37 580-586
• 6 Alexiou C, Arnold W, Klein R J. et al . Locoregional cancer treatment with magnetic drug targeting.  Cancer Res. 2000;  60 6641-6648
• 7 Brigger I, Dubernet C, Couvreur P. Nanoparticles in cancer therapy and diagnosis.  Adv Drug Deliv Rev. 2002;  54 631-651
• 8 Ito A, Matsuoka F, Honda H. et al . Heat shock protein 70 gene therapy combined with hyperthermia using magnetic nanoparticles.  Cancer Gene Ther. 2003;  10 918-925
• 9 Müller-Schulte D, Schmitz-Rode T, Borm P. Ultra-fast synthesis of magnetic and luminescent silica beads for versatile bioanalytical applications.  J Magnetism and Magnetic Materials. 2005;  293 135-143
• 10 Ernst S, Ouyang F, Linder C. et al . Initial Experience with Remote Catheter Ablation Using a Novel Magnetic Navigation System. Magnetic Remote Catheter Ablation.  Circulation. 2004;  109 1472-1475
• 11 Faddis M N, Chen J, Osborn J. et al . Magnetic Guidance System for Cardiac Electrophysiology. A Prospective Trial of Safety and Efficacy in Humans.  J Am Coll Cardiol. 2003;  42 1952-1958
• 12 Tillander H. Magnetic guidance of a catheter with articulated steel tip.  Acta Radiol. 1951;  35 62-64
• 13 Grady M S, Howard 3rd M A. et al . Preliminary experimental investigation of in vivo magnetic manipulation: results and potential application in hyperthermia.  Med Phy. 1989;  16 263-272
• 14 Schiemann M, Killmann R, Kleen M. et al . Vascular guide wire navigation with a magnetic guidance system: experimental results in a phantom.  Radiology. 2004;  232 475-481
• 15 Müller-Schulte D, Füssl F, De Cuyper M. A new AIDS Therapy approach using magnetoliposomes. Häfeli U, Schütt W, Teller J, Zborowski M Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers New York; Plenum Press 1997: 517-526
• 16 de Cuyper M, Joniau M. Potentialities of magnetoliposomes in studying symmetric and asymmetric phospholipid transfer processes.  Biochim Biophys Acta. 1990;  1027 172-178
• 17 Alexiou C, Jurgons R, Schmid R J. et al . Magnetic drug targeting - biodistribution of the magnetic carrier and the chemotherapeutic agent mitoxantrone after locoregional cancer treatment.  J Drug Target. 2003;  11 139-149
• 18 Heim P, Steiner P, Schoder V. et al . Detection of liver lesions with gadoliniumenhanced VIBE sequence in comparison with SPIO-enhanced MRI.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 1376-1383
• 19 Herborn C U, Papanikolaou N, Reszka R. et al . Magnetosomes as biological model for iron binding: relaxivity determination with MRI.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 830-834
• 20 Babincova M, Leszczynska D, Sourivong P. et al . Principles of magnetodynamic chemotherapy.  Med Hypotheses. 2004;  62 375-377
• 21 Kramer G, Steiner G E, Grobl M. et al . Response to sublethal heat treatment of prostatic tumor cells and of prostatic tumor infiltrating T-cells.  Prostate. 2004;  58 109-120
• 22 Hilger I, Andra W, Hergt R. et al . Magnetische Thermotherapie von Tumoren der Brust: ein experimenteller Therapieansatz.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 507-515
• 23 Bredetean O, Ciochina A D, Iacob. et al . Preclinical assay on a magnetic carrier type ferrofluid.  Rev Med Chir Soc Med Nat Iasi. 2002;  106 796-800 (Rumänisch)
• 24 Malonne H, Eeckman F, Fontaine D. et al . Preparation of poly(N-isopropylacrylamide) copolymers and preliminary assessment of their acute and subacute toxicity in mice.  Eur J Pharm Biopharm. 2005;  61 188-194