M.R. Ibarra, "Suministro local de fármacos mediante nanopartículas..."

CONSOLIDER-Ingenio 2010
“Suministro local de fármacos mediante
nanopartículas magnéticas”
M.R. Ibarra1,2
R. Fernández-Pacheco1, C. Marquina2 , J.G Valdivia1,3 M. Gutierrez1,3,
A. Viloria4, M.T. García4, A. Fernandez4, J. A. Jalón4 M. Arruebo1
1Instituto
de Nanociencia de Aragón INA, Edificio Interfacultades II, Zaragoza
2Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC/Universidad de Zaragoza)
3Hospital Clínico Universitario, Universidad de Zaragoza (Spain)
4Hospital Clínico Veterinario, Universidad de Zaragoza (Spain)
http//:ina.unizar.es
INDICE
Nanopartículas magnéticas y su aplicaciones en biomedicina
-Aplicaciones
-Preparación
-Caracterización
Experimentación “in-vitro”
-Biocompatibilidad
-Adsorción/desorción de fármacos
Experimentación “in-vivo”
Conclusiones
PRINCIPALES APLICACIONES
SEPARACIÓN
MAGNÉTICA
BIOSENSORES
NANODIAGNÓSTICO
SUMINISTRO
LOCAL
FÁRMACOS
NANOPARTÍCULAS
MAGNÉTICAS
INMUNO-MAGNÉTICOS
NANOTERÁPIA
AGENTES
CONTRASTE
MRI
HIPERTERMIA
Suministro local de fármacos mediante
partículas magnéticas
Tumor sólido
Nuevos desarrollos en el INA
Colocar un imán permanente
cerca del tumor
Implantar un iman
Modular el campo
magnético aplicado
Inyectar las
nanopartículas
magnéticas cargadas
con el fármaco
Ventajas de la utilización de
nanopartículas magnéticas
Se puede
controlar el
tamaño
Respuesta frente a
campos magnéticos
Se puede
funcionalizar
su superficie
Versátiles para su
utilización “in-vivo”, “invitro” y “ex-vivo”
El tamaño puede modular
su repuesta frente a
campos magnéticos en
organismos vivos
Repuesta nanopartículas
magnéticas
-Suministro de fármacos
(Terapia)
ESTÁTICA
B
m
DINÁMICA
-Detección y cuantificación de
biomoléculas
(Inmunoensayos)
-Inhomogeneidades
magnéticas para contraste
(MRI)
-Absorción resonante de
radiación electromagnética
(Hipertermina, desorción de
fármacos)
-Resonancia magnética
Repuesta sistema reticulo-endotelial
Inyección intravenosa
OPSONIZACIÓN
Médula
ósea
Inflamación
Torrente
sanguíneo
Los agentes extraños
son rodeados por
proteínas plasmáticas
para poder ser
detectadas por los
receptores fagocíticos
del RES
Bazo
Tumor
¿Cómo evitarla?
Hígado
Nódulos
linfáticos
Hidrofilizando la
superficie de las
nanopartículas (PEG)
Captura en células de Kupffer
Nanopartículas en el bazo
Útil para el tratamiento
del cancer de hígado,
leishmania…..
Acumulación esporádica
en pulmón
Comportamiento magnético de la materia
Diamagnetismo
Paramagnetismo
Toda la materia
Atomos aislados
Q.A. Pankhurst et al. J. Phys. D.:Appl.
Phys. 36 (2003) R167
Ferromagnetismo
Superparamagnetismo
Algunos metales
Nanopartículas
100 µm
Dominios magnéticos
20 nm
Partículas monodominio
G. Goya et al. INA (2006)
Las nanopartículas tipo “core-shell” reunen las
especificaciones para aplicaciones
biomédicas:
-Son pequeñas
-Tienen una fuerte repuesta magnética
-Biocompatibles
-Capacidad de adsorber fármacos rápidamente
-Desorción lenta
Fe
Carbon
BIOFERROFLUIDOS
Graphite
Encapsulation
Fe2O3
Nanoparticle
Plasma Krästchmer-Hoffman
HRTEM
-Biocompatibilidad
-Adsorción de fármacos
-Conjugación con proteinas
Fe2O3
Maghemite
C
Graphite
Nanopartículas de hierro encapsuladas en sílica
SiO2
Fe
Fe
Fe
Silica
SiO2
Fe
Fe2O3-δδ
NANOPARTICLES SIZE DISTRIBUTION
20
16
Data: Count3_Count
Model: LogNormal
Equation:
y = y0 + A/(sqrt(2*PI)*w*x)*exp(-(ln(x/xc))^2/(2*w^2))
Weighting:
y
No weighting
14
Chi^2/DoF
= 1.63508
R^2
= 0.95743
18
y0
xc
w
A
counts
12
0.16669
11.02898
0.27842
133.29081
±0.34967
±0.19318
±0.01822
±7.06403
El tamaño de las nanopartículas
individuales se obtiene por
Microscopía electrónica de alta
resolución y por Rayos X
10
8
TEM: 10 nm
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
nm
Dynamic Light Scattering y
medidas magnéticas determinan
el tamaño de agregados
DLS: 220 nm
Los ferrofluidos obtenidos tienen
una fuerte repuesta magnética
INDICE
Nanopartículas magnéticas y su aplicaciones en biomedicina
-Aplicaciones
-Preparación
-Caracterización
Experimentación “in-vitro”
-Biocompatibilidad
-Adsorción/desorción de fármacos
Experimentación “in-vivo”
Conclusiones
Test de biocompatibilidad
hematol
ó
gica
“In vivo” conejos de raza neozelandesa
•
Se tomaron muestras de sangre antes y después de injectar las
nanopartículas.
•
1 ml de Nanoparticulas a una concentración de 12.5 mg/ml de Gelafundine
no modifican la viscosidad de la sangre ni del plasma.
•
La agregación eritrocitaria se presenta pequeñas variaciones sin
importancia
“In vitro” en sangre humana
•
Se han medido los parámetros hematológicos en sangre humana con
distintas concentraciones de nanopartículas (5 ml de sangre y 0, 0.06, 0.12,
0.24 and 0.5 ml of ferrofluid). Se obtuvieron valores normales en todos los
test, con variaciones inferiores al 10% respecto de controles normales.
Nanopartículas en
torente sanguíneo
Test de biocompatibilidad
•Ausencia de “Blue Perls stain”: buen encapsulamiento por capas grafíticas
•Ausencia de partículas en monocitos y granulocitos
RESULTS IN HUMAN BLOOD
BASAL
C.0,06
C.0,12
C.0,24
C.0,5
VS230
VS 23
VS5,7
AE5M
AE5M1
AE10M
AE10M1
4,44
6,7
7,2
3,4
10
8,3
22,5
4,36
5
7,6
3,4
8,9
7,6
20,6
4,45
7
8
3
8,4
7,6
18
4,33
5,4
6,9
2,9
7
7,1
18,6
4,1
6,2
6,4
2,9
6,9
8,8
20,1
AE = Erythrocyte aggregation
(M: stasis, M1 minutes under low
shear rate)
25
20
VS = Blood viscosity Shear rate (s-1)
15
C= Particles concentration (mg/ml)
10
5
0
VS230
VS5,7
AE5M1
AE10M1
BASAL
C.0,06
C.0,12
C.0,24
C.0,5
Estudio de adsorción y desorción de fármacos
Doxorubicin (11x 13 Å)
498 nm
3
296 nm
Abs
2
1
300
Graphite
Encapsulation
Fe2O3
Nanoparticle
400
500
nm
600
700
800
Absorbance spectra of Doxorubicin. Kinetics of adsorption
2,0
INICIAL
1,8
1,6
Abs
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
200
400
600
λ (nm)
800
adsorbed doxorubicin (a.u.)
2,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-20
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200
t (min)
The adsorbent particles were sedimented with a 3 KOe permanent magnet, and the optical density of the
supernatant measured with a UV spectrophotometer (method proposed by Kuznetsov, A. et al, (1999) J. Mag.
Mag. Mat. 194, 22).
DOXRRUBICINA DESORBIDA (a.u.)
Absorbance spectra of Doxorubicin after desorption
Final
Abs
0,9
0,6
0,3
400
600
λ (nm)
800
0,9
0,6
0,3
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
t (horas)
The adsorbent particles were sedimented with a 3 KOe permanent magnet, and the optical density of the
supernatant measured with a UV spectrophotometer (method proposed by Kuznetsov, A. et al, (1999) J. Mag.
Mag. Mat. 194, 22).
80
INDICE
Nanopartículas magnéticas y su aplicaciones en biomedicina
-Aplicaciones
-Preparación
-Caracterización
Experimentación “in-vitro”
-Biocompatibilidad
-Adsorción/desorción de fármacos
Experimentación “in-vivo”
Conclusiones
Modelo quirúrgico laparoscópco de implante de iman
Experimentación in vivo de localización de partículas
magnéticas mediante administación por via sistémica
Implante imán riñón izquierdo
Presencia de nanopartículas
Riñon derecho con incisión sin implante
Ausencia de nanopartículas
Riñón con implante magnético: concentración de nanopartículas
Conejo 22
Conejo 23
Conejo 25
CONCLUSIONES
-La aplicación de las nanopartículas magnéticas en
medicina abre nuevas expectativas en la clínica
humana tanto en el diagnostico precoz como en la
terápia
-Se ha probado la biocompatibilidad sanguínea y la
capacidad de adsorber y desorber doxorubicina en
nanopartículas “core-shell” de Fe&C.
-Se ha comprobado la capacidad de localización
con implantes magnéticos
-El reto es hacer la superficie hidrofílica para
evadir la detección y captura por el RES sin perder
la capacidad de portar la doxorubicina.
CONSOLIDER-Ingenio 2010
Comité de Dirección
SCIENTIFIC CONSOLIDER TEAM
NANOTECHNOLOGIES IN BIOMEDICINE
NANOTHERAPY
CONSOLIDER-Ingenio 2010
NANODIAGNOSTIC
NANOPARTICLES
BIOSENSORS
Preparation
L. Liz & M.J. Alonso
Funcionalization
A. González
“In-Vitro”
V. Puntes
“In-Vivo”
G. Valdivia
Electrochemical
platforms
A. Markoçi
Miniaturized
electrodes
F. Pérez-Murano
Lateral Flow
J.M. De Teresa
M R I
Early Cancer Detection
SPION
X. Batlle
Biological barriers
E. Giralt
Targeting and
Experimental
Models
A. Trés
PROGRAMA INGENIO-2010
CIBER
NANOMEDICINA
CONSOLIDER
CENIT
DISTANCIA
TIERRA-SOL
1.5 x 1011 m
ESCALAS DE LONGITUD
1.5 m
HOMBRE
10-4 m
5 x 10-8 m
HOJA DE PAPEL
DE CANTO
2 x 10-9 m
VIRUS
2 x 10-10 m
MOLÉCULA
ADN
1 nanómetro =
10-9
m
ATOMO
BARRERAS PARA LA NANOTECNOLOGÍA EN BIOMEDICINA
Los tejidos tumorales expulsan las
nanopatículas y los sanos las
retiran de la circulación
Físicos-Químicos
Médicos
Funcionalización
Internalización
Bioquímicos-Farmaceúticos
Diferentes tipos de tejido endotelial
Las células que forman el endotelio regulan la permeabilidad de los
agentes y su estructura es diferente dependiendo del órgano.
Sistema nervioso central (BBB
“Blood-Brain-Barrier)
Capilares continuos: Mayoria
de los tejidos (Musculos, piel..)
Capilares abiertos: riñon,
instentinos, glandulas..
Capilares sinusoidales: higado,
bazo, médula espinal
Nanopartículas entre 60-80 nm se eliminan de la circulación en 8-10 minutos
Magnetic implant in the left kidney
Localization of nanoparticles
Right kidney witout magnetic implant
Lack of nanoparticles
Absorbance spectra of Doxorubicine
after desorption from carbon coated
magnetic nanoparticles
144h
120h
72h
60h
48h
54h
The adsorbent particles were sedimented with a 3 KOe permanent magnet, and the
optical density of the supernatant measured with a UV spectrophotometer (method
proposed by Kuznetsov, A. et al, (1999) J. Mag. Mag. Mat. 194, 22).
Dynamic of the adsorption and release of
Doxorubicine on carbon coated magnetic
nanoparticles
Complete release after 100 hours
B
1.0
1.0
0.8
0.8
Desrobed C (a.u.)
Adosrbed doxorubicin C (a.u.)
Saturation after 20 minutes
0.6
0.4
Adsorption
0.6
B
fit
0.4
Desorption
0.2
0.2
0.0
0.0
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
t (min)
A 100 µg/ml solution of doxorubicin hydrochloride
was mixed with 1 mg/ml of distilled water. The
suspension was incubated on a shaker at room
temperature, and samples were taken after 5, 15, 30,
60, 90, 120 and 180 minutes.
200
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
t (h)
Doxorubicin loaded nanoparticles were mixed with
human blood serum at the concentration of 1 mg/ml.
The suspension was incubated on a shaker at 37 oC,
and samples were taken each 8 hours during four
days and UV absorbance spectra of the supernatant
were obtained.
Percutaneus insertion of the permanent magnet
The rabbits were submitted to general
anaesthesia with endotracheal intubation.
A laparoscopic optic was introduced by
using a 5 mm trocar.
Optical Microscope Image
of the permanent magnet
coated with gold.
Under endoscopic control, the permanent
magnet was implanted in the lower pole of the
righ kidney
Bioferrofluid
125 mg of our
nanoparticles were
suspended in 100 ml of
gelafundine
1 ml of the fluid were
injected
intravenously in the
marginal ear vein of
the rabbit.
In coll. Hospital Clínico Veterinario
Magnet implant in the left kidney
Localization of nanoparticles
Right kydney witout magnetic implant
Lack of nanoparticles
Kidney with magnetic implant:
Some concentration of nanoparticles
Rabbit 22
Rabbit 23
In coll. Hospital Clínico Veterinario: Dr. A. Viloria, Dra. Mª
Teresa García, Dr. Angel Fernandez and Dr. J. A. Jalón
Liver Capture in Kuffer cells
Nanoparticles in spleen
Macrophagy
capture in
organs
Reduced concentration of
nanoparticles in lung
OUTLINE OF THE TALK
-Introduction
-Encapsulated nanoparticles:preparation and
charaterization
-Morphology, Structure and Magnetism of the
nanoparticles
-Bioferrofluids for local drug delivery
-Invivo experiments: magnet implant and magnetic
localization
-Conclusions
Medical application of magnetic nanoparticles
Selective drug
delivery
Biological
labeling
Hiperthermy
Bioferrofluid
Contrast
agent
Oftalmology
The new world of nanoscience
Matter manipulation
at atomic level
Inteligent
nanovectors
Targeting
HRTEM images of Fe encapsulated nanoparticles
Graphite
Encapsulatio
n
Fe2O3
Nanoparticle
HRTEM
Fe2O3
Maghemite
C
Graphite
Fernandez Pacheco R., Ibarra M.R.,…J. Proceeding of the NSTI Nanotech 2005
(Anaheim, California) Vol 1 pag 144-147
Classic paramagnet
Quantum paramagnet
If K 0
If K>>>
The supermoment follows
the Langevin law
The supermoment follows
the Brillouin J=1/2 law
Kratschmer-Huffman Method
-The anode is a graphite-metal composite
-Several carbon and graphitic structures are obtained
Gas
DEPOSIT
“SOOT”
ANODE
CATODE
“COLLARETTE”
Refrigeration
“WEB-LIKE SOOT”
Vacuum
Bioferrofluid
125 mg of our
nanoparticles were
suspended in 100 ml of
gelafundine
1 ml of the fluid were
injected
intravenously in the
marginal ear vein of
the rabbit.
In coll. Hospital Clínico Veterinario
How small?
30 nm 5 % atoms at the surface
10 nm 20 % atoms at the surface
3 nm 50 % atoms at the surface
Crítical size for single-domain particle
-Under size reduction the coercive field increases and the the particle becomes singledomain
-When EK=KV as V 0 then EK 0 superparamagnetic limit
KV = kBT
-At this situation the particle magnetic moment will fluctuate independently of the particle
Real superparamagnetic system
-No hystheresis
-The isotherm presents a universal H/T behaviour
Encapsulated Fe nanoparticles
200
150
100
50
50
40
30
20
0
10
M (emu/g)
M (emu/g)
C
-50
0
-10
-20
-30
-40
-50
-100
-60
-1500
-1000
-500
0
500
1000
H (Oe)
-150
-200
-40000 -30000 -20000 -10000
0
H (Oe)
10000
20000
30000
40000
1500
2000
OUTLINE OF THE TALK
-Introduction
-Encapsulated nanoparticles:preparation and
charaterization
-Morphology, Structure and Magnetism of the
nanoparticles
-Bioferrofluids for local drug delivery
-Invivo experiments: magnet implant and magnetic
localization
-Conclusions
OUTLINE OF THE TALK
-Introduction
-Encapsulated nanoparticles:preparation and
charaterization
-Morphology, Structure and Magnetism of the
nanoparticles
-Bioferrofluids for local drug delivery
-Invivo experiments: magnet implant and magnetic
localization
-Conclusions
OUTLINE OF THE TALK
-Introduction
-Encapsulated nanoparticles:preparation and
charaterization
-Morphology, Structure and Magnetism of the
nanoparticles
-Bioferrofluids for local drug delivery
-Invivo experiments: magnet implant and magnetic
localization
-Conclusions
OUTLINE OF THE TALK
-Introduction
-Encapsulated nanoparticles:preparation and
charaterization
-Morphology, Structure and Magnetism of the
nanoparticles
-Bioferrofluids for local drug delivery
-Invivo experiments: magnet implant and magnetic
localization
-Conclusions
Non desire effects of the circulating
particles in the blood stream
• Increase of:
– Plasma and blood viscosity
– Red blood cells aggregability
• Activation of Coagulation
– “Factor XII” activation
– Platelets activation
– Vascular endothelium damage
• Withdrawal of particles by phagocytes
Si consideramos el sistema circulatorio
como una red de distribución para
nanopartículas:
Asmatulu et al. JMMM, (2004)
Llevando las partículas a donde
se requiere
Fuerza de arrastre
de la sangre
Campo magnético
externo
Es necesario sobrepasar un
umbral de fuerza magnética:
- Aumentar el campo externo
- Aproximar el imán
Velocidad de flujo en la arteria carótida (Asmatulu
y cols., JMMM 2005)
SiO2
Green Fe2O3
(Hematite)
Red Fe fcc
Blue SiO2 Plasmon
Fe
Fe
HRTEM
Fe
EFTEM
SiO2
(100)Fe
(022)Fe2O3
(02-3) Fe2O3
EFTEM
SiO2 plasmon
SAED
Fe2O3 Hematite
Fe fcc
COOH
O
C
COOH
OH
OH
OH
N
H
NH2
NH2
N
N
H
H
Magnetic Nanoparticles
•Fe@C 200 nm aggregates
•Fe3O4@SiO2 80 nm
•Fe3O4@ZY 40 nm
•SiO2 spheres with Fe3O4 1µm
GLUTARALDEHYDE
COOH
SiO2
COOH
NH2
COOH
Fe
CARBODIIMIDE
COOH
COOH
SiO2
NH2
NH2
Fe
NH2
NH2
Local drug delivery by using magnetic carriers
Solid tumor
New development at the INA
Lapararoscopic implant of a
permanent magnet
Magnet
implantation
Intravenous
administration of
magnetic carriers
LINEAS DE INVESTIGACIÓN
“IN-VITRO”
“EXVIVO”
NANOPARTICLE PREPARATION
-Core Shell Nanoparticles
-Matrix Nanoparticles
-SPIONS
FUNCTIONALIZATION
“IN-VIVO”
DEVELOP OF MICRO
AND NANODEVICES
FOR BIODETECTION PLATFORMS
-Microcircuitry
-Nanolithography
-Magnetoresistive sensors
-Microcoils
BIOSENSORS TEST
TECHNOLOGICAL TRANSFER
ESTRUCTURA CRISTALINA EN LA NANOESCALA
Transformada
Fourier
(100)Fe
(022)Fe2O3
(02-3) Fe2O3
EFTEM
SiO2
plasmon
Imagen (espacio real)
Imagen (espacio recíproco)
FILTRADO
Fe2O3
Hematite
Fe fcc
Nanopartículas-”Nanodevices” del futuro
Los materiales tienen una determinada funcionalidad
La reducción de tamaño la modifica, refuerza o la hace
más adecuada para deteminadas aplicaciones
El tamaño es importante pero tambien lo es la superficie
-Aplicaciones electrónicas: espintrónica:
Tamaño-coulomb blockage (Magnetic Spin
single transistor)
Superficie-Magnetoresistencia elevada
(MUND)
-Aplicaciones biomédicas
Tamaño-coexisten con células en la sangre y
viajan por todo el cuerpo (Drug delivery)
Superficie-se funcionalizan con grupos
peptidicos con acción específica ->Nueva
herramienta en ingeniería molecular con
implicaciones en farmacia y biomedicina