Bio-nanomagnetic particles for application to regional Hyperthermia

Abstract

[한글]온열 치료란 생리적으로 온도조절 기능을 유지하면서 온열 효과를 극복할 수 있는 한도 내에서 생체 기관이나 생체조직 일부의 온도를 42 ℃에서 45 ℃ 정도로 유지하여 질병을 치료하는 방법이다. 암세포의 주위 환경은 혈관과 신경이 정상 세포들에 비해 발달이 미비하기 때문에 쉽게 가온되며, 혈관의 발달 부진으로 인해 산소 공급이 원활하지 않기 때문에 온열 온도(42 ~ 45 ℃)가 되면 암세포의 괴사가 일어나게 된다. 온열치료에 의해 암세포를 제어하는 주 요인으로는 온도, 시간, 균일한 가온조건이 있다. 또한 암세포는 산화도, 진행 정도, 암세포의 면역성, 환자의 상태에 따라서도 쉽게 영향을 받으므로 암세포를 제어 하는데 여러 가지 제약이 따르게 된다. 이에 암을 치료하는데 있어 종양부위에 대해 정확한 위치선정과 균일한 온도조절을 통해 효과적으로 암을 치료할 수 있는 자성온열치료가 기대된다.본 연구목표는 여러가지 나노자성체의 제조와 특성 파악을 통해 암세포를 효과적으로 사멸시킬 수 있는 온열 치료용 나노자성입자를 만드는 것이다. 즉, 나노자성체의 신체 주입 후, 외부에서 교류자기장을 발생시키게 되면 나노자성입자들이 이와 상호작용하여 자기이력 가열을 통해 암세포의 온도를 온열 온도까지 상승시키는 것이다. 이때, 정상세포에 손상을 주지 않도록 낮은 자기장 하에서 효율적으로 자기이력 가열될 수 있어야 한다. 따라서 온열 치료재료의 자기적 성질을 연구하는 것이 본 연구에 있어서 중요한 부분이 된다. 또한, 생체재료의 기본 요건으로서 세포독성을 통한 생체친화성 및 자기장 하에서의 온열 치료시 암세포 사멸 효과에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 육방정과 스피넬 구조의 나노자성입자를 제조하여 특성을 평가 하였다. 대표적인 육방정계의 재료인 BaFe12O19를 대상으로 Sr을 치환시키며 Ba1-xSrxFe12O19계 졸을 합성하고, 스피넬 구조는 CoFe2O4에 Ni를 치환하여 Co1-xNixFe2O4를 졸겔법으로 제조하였다. 또한 현재 의료용으로 사용되고 있는 Fe3O4 나노입자의 제조를 통해 그 자성특성과 발열 특성에 대해 연구하여 평가하였다. 또한, 세포독성평가를 통해 CoFe2O4를 선정하였다. 이를 토대로 우선적으로 in vitro에서 암세포 사멸 효과를 입증하고, 암이 발생된 생쥐에 CoFe2O4를 주사하여 실제 암 억제 효과에 대해서 평가하였다.Hysteresis loop의 면적이 증가할수록 발열량이 증가하여, 육방정 구조인 SrFe12O19가 96.5 W/gㆍs로 최대 발열량을 나타내었으나, 발열 온도가 온열온도 범위를 초과하여 육방정구조의 나노자성입자는 온열요법 재료로 적합하지 않음을 알 수 있었다. 7 MHz의 외부자기장에서 발열량이 온열 온도에 적합한 것은 스피넬 구조의 나노자성입자임을 알 수 있었으며, 그 중에서 세포독성을 나타내지 않은 CoFe2O4(발열량 29.6 W/gㆍs)를 대상으로 in vitro 시험 및 in vivo 시험을 행하였다. In vitro 시험 결과, 정상세포는 35.5%가 사멸한 반면, 암세포는 54.2%가 사멸하여 암세포의 선택적 사멸이 가능함을 확인할 수 있었다. 동물 시험 결과, 약 10일 후부터 암이 퇴화되는 현상이 관찰되어 교류자기장 만을 인가한 경우나, 자성체 만을 주사한 경우와 달리 약 90%의 암 억제 효과를 확인할 수 있었다.

[영문]Hyperthermia is expected to be a very useful treatment of cancer with few side effects. Magnetic hyperthermia is a largely experimental modality of hyperthermia that has the potential to address the targeting and tissue heat distribution shortcomings of other hyperthermia modalities. The technique consists of localizing magnetic particles or seeds within tumor tissue and then applying an external alternating magnetic field to cause them to heat by hysteresis loss, Néel relaxation or induced eddy currents. This heat then conducts into the surrounding cancerous tissue. In broad terms, the procedure involves dispersing magnetic particles throughout the target tissue, and then applying an AC magnetic field of sufficient strength and frequency to cause the magnetic particles to heat. This heat conducts into the immediately surrounding diseased tissue whereby, if the temperature can be maintained above the therapeutic threshold of 42˚C for 30 min or more, the cancer may be destroyed. The magnetic particles should be easily heated up the hyperthermic temperature (42 ~ 45℃) interacting with the alternating magnetic field outside the body, especially under low frequency because minimizes the hazard to the surrounding normal tissues. The purpose of the present study is synthesis of effective hyperthermic thermoseed in order to apply to the cancer treatment.Hexagonal and spinel magnetic nanoparticles were synthesized by various methods. And then, the heating ability was evaluated from the characterization of synthesized magnetic nanoparticles. In vitro tests, the cytotoxicity test would be conducted to develop the biocompatible hyperthermic thermoseeds. Necrosis of carcinoma cells was investigated using magnetic nanoparticles under alternating magnetic field. In conclusion, the hyperthermic effect was evaluated using the selected magnetic nanoparticles through the in vivo test.Magnetic particles of hexagonal and spinel type were prepared with a size range of 70 to 100 nm by controlled sol-gel method. And the spherical magnetite particles of 10 nm also were synthesized by spray-coprecipitation method. From the XRD results, the two stage of heat treatment needed to make a pure ferrite crystal in sol-gel method. As increasing Sr2+ substitution in the BaFe12O19, the axis of c0 decreased from 23.215 Å to 23.050 Å. When Ni2+ substituted in CoFe2O4, the axis of a0 decreased from 8.381 Å to 8.370 Å. And when the molar concentration of Fe2+ was 0.5 M in spray-coprecipitation, pure magnetite crystal was well synthesized. From the VSM results, Sr2+ and Ni2+ substitution caused the increment of the coercivity (Hc). This showed that Hc could be controlled by Strontium or Nickel content, and Ms was nearly constant in Ba1-xSrxFe12O19 but increased in Co1-xNixFe2O4. The superparamagnetic properties were observed in magnetite nanoparticles. The Hc of synthesized magnetite nanoparticles approached to zero in room temperature. From the heat generation of magnetic particles, the amount of heat generation increased with increasing the frequency of magnetic field. When a CoFe2O4 nanoparticles was placed into distilled water, the greatest temperature change, ΔT=29.3℃, was observed. The temperature change of CoFe2O4 nanoparticles saturated in the hyperthermic temperature 45 ~ 50℃ under AC magnetic field with 7 MHz. In the cytotoxicity data using L929 cells, the cytotoxicity of BaFe12O19 nanoparticles represented the severe cytotoxic effect, it would be difficult to use for hyperthermic thermoseed. However, CoFe2O4, Co0.9Ni0.1Fe2O4 and SrFe12O19 nanoparticles showed the cell viability of above 85% in MTT assay, respectively. The necrosis of carcinoma cells were examined after exposure to an alternating magnetic field. More than half of the malignant carcinoma cells were dead after exposure to an AC magnetic field with 7 MHz for 1 h when CoFe2O4 nanoparticles were emerged in cell suspension, while normal cells were survived more than 60%. Therefore, CoFe2O4 ferrites could be expected having a selective necrosis effect on the carcinoma cells. CoFe2O4 nanoparticles were employed to in vivo test. The tumor regression rate of average volume was approximately 90% in experimental group of hyperthermic treatment. From these results, we convinced that CoFe2O4 could be expected for the useful hyperthermic thermoseed in cancer-treatment because it exhibited the best necrosis of tumor cell in vitro and in vivo.