RU2587902C2 - Detection, measurement and imaging of cells, such as cancer, and other biological substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof - Google Patents
Detection, measurement and imaging of cells, such as cancer, and other biological substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2587902C2 RU2587902C2 RU2012120429/14A RU2012120429A RU2587902C2 RU 2587902 C2 RU2587902 C2 RU 2587902C2 RU 2012120429/14 A RU2012120429/14 A RU 2012120429/14A RU 2012120429 A RU2012120429 A RU 2012120429A RU 2587902 C2 RU2587902 C2 RU 2587902C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- cells
- cancer
- magnetic
- antibody
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
[0001] ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ[0001] FIELD OF THE INVENTION
Данное изобретение относится к in vivo обнаружению и измерению клеток или веществ с помощью нацеленных наночастиц и измерений магнитной релаксации, и особенно пригодно при обнаружении и измерении раковых клеток у людей.The present invention relates to the in vivo detection and measurement of cells or substances using targeted nanoparticles and measurements of magnetic relaxation, and is particularly suitable for the detection and measurement of cancer cells in humans.
[0002] ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ[0002] BACKGROUND OF THE INVENTION
Раннее обнаружение заболевания обеспечивает максимальную вероятность успешного лечения и выздоровления. Более того, ранее обнаружение и определение локализации заболевания позволяет провести направленную терапию по отношению к месту заболевания, оптимизируя эффективность лечения. С помощью соответствующего устройства для обнаружения лечение можно подвергать мониторингу, дополнительно увеличивая эффективность применяемых лекарственных средств или других форм терапии. Способность нацеливаться на конкретные заболевания также может улучшить результаты лечения. Ранее обнаружение и локализация рака, второй основной причины смерти в США, может улучшить последствия для пациента. Все наиболее распространенные способы, используемые для клинических целей для обнаружения рака, являются неспецифическими, то есть они не могут провести различие между раковыми или доброкачественными опухолями, и ни один из них не приводит к 100% точности обнаружения. Все доступные способы имеют недостатки и слабые места, приводя к высоким уровням ложной диагностики и слишком низкому уровню достоверной диагностики, что вместе приводит к повышенным уровням смертности. Наиболее распространенные клинические методы, доступные в настоящее время, представляют собой: (1) рентгеновская маммография, (2) магнитно-резонансная томография (MRI) и (3) ультразвуковое сканирование с дополнительной опцией (4) позитрон-эмиссионной томографии (PET), если это доступно.Early detection of the disease maximizes the likelihood of successful treatment and recovery. Moreover, earlier detection and determination of the localization of the disease allows targeted therapy in relation to the site of the disease, optimizing the effectiveness of the treatment. Using an appropriate detection device, treatment can be monitored, further increasing the effectiveness of the drugs used or other forms of therapy. The ability to target specific diseases can also improve treatment outcomes. Early detection and localization of cancer, the second leading cause of death in the United States, can improve patient outcomes. All the most common methods used for clinical purposes for detecting cancer are non-specific, that is, they cannot distinguish between cancerous or benign tumors, and none of them leads to 100% detection accuracy. All available methods have flaws and weaknesses, leading to high levels of false diagnosis and too low levels of reliable diagnosis, which together leads to increased levels of mortality. The most common clinical methods currently available are: (1) X-ray mammography, (2) magnetic resonance imaging (MRI), and (3) ultrasound scanning with the additional option (4) positron emission tomography (PET), if it is available.
[0003] Измерение рентгеновского затухания дает информацию о плотности промежуточной среды и является одобренным FDA и наиболее распространенным устройством, применяемым для обнаружения различных форм заболевания и, в частности, рака. Он также отвечает за многие ложноотрицательные и ложноположительные результаты. Могут быть обнаружены раковые опухоли ранней стадии, но без специфичности в отношении того, являются ли они доброкачественными или раковыми опухолями. Артефакты могут быть вызваны здоровой тканью и давать ложноположительные результаты. Хотя доза является низкой, существует возрастающая проблема, касающаяся воздействия рентгеновских лучей и облучения в целом.[0003] The X-ray attenuation measurement provides information on the density of the intermediate medium and is the FDA approved and most common device used to detect various forms of the disease and, in particular, cancer. He is also responsible for many false negative and false positive results. Cancers of an early stage can be detected, but without specificity as to whether they are benign or cancerous. Artifacts can be caused by healthy tissue and produce false positive results. Although the dose is low, there is an increasing problem regarding exposure to x-rays and radiation in general.
В общем, число ложноположительных результатов в рентгеновской визуализации рака остается высоким, и рентгеновский способ не может обнаружить опухоли на ранних стадиях.In general, the number of false positive results in x-ray imaging of cancer remains high, and the x-ray method cannot detect tumors in the early stages.
[0004] Ультразвук применяют для обеспечения второго способа для визуализации опухолей. Ультразвук имеет превосходное контрастное разрешение, но страдает от ослабленного пространственного разрешения по сравнению с рентгеновскими лучами и другими техниками визуализации. Ультразвук в настоящее время не одобрен FDA в качестве основного способа скрининга рака, но обычно применяется как последующее врачебное наблюдение для исследования любых нарушений, обнаруженных в ходе стандартных процедур. Это - способ, часто применяемый для подтверждения сомнительных областей в рентгенограммах рака молочной железы и рака яичника.[0004] Ultrasound is used to provide a second method for imaging tumors. Ultrasound has excellent contrast resolution, but suffers from weakened spatial resolution compared to x-rays and other imaging techniques. Ultrasound is not currently approved by the FDA as the primary method for screening cancer, but is usually used as follow-up medical examination to examine any abnormalities found during standard procedures. This is a method often used to confirm questionable areas in radiographs of breast and ovarian cancer.
[0005] MRI применяют для последующего врачебного наблюдения на потенциальных проблемных областях, наблюдаемых в ходе рентгеновских сканирований; однако, высокая стоимость MRI сканирования часто препятствует его применению. MRI может обнаружить небольшие нарушения в ткани, и он также пригоден при определении того, метастазировал ли рак. MRI с динамическим контрастированием (DCE) потенциально различает доброкачественные и раковые опухоли, но дает ряд ложноположительных результатов. Высокая стоимость MRI ограничивает его применения в качестве способа скрининга. При MRI-визуализации рака часто применяют магнитные наночастицы в качестве контрастных средств и это является признанным протоколом, обеспечивающим стандарты для введения таких наночастиц. Внутрисосудистые контрастные средства для MRI в дозе 2 мг/кг по весу наночастиц применялись для обнаружения метастатических поражений.[0005] MRI is used for follow-up medical observation on potential problem areas observed during x-ray scans; however, the high cost of MRI scanning often discourages its use. MRI can detect small abnormalities in the tissue, and is also useful in determining whether cancer has metastasized. Dynamic Contrast Enhanced MRI (DCE) potentially distinguishes between benign and cancerous tumors, but yields a series of false positive results. The high cost of MRI limits its use as a screening method. Magnetic nanoparticles are often used as contrast agents in MRI imaging of cancer, and this is a recognized protocol that provides standards for the administration of such nanoparticles. Intravascular contrast agents for MRI at a dose of 2 mg / kg by weight of the nanoparticles were used to detect metastatic lesions.
[0006] В связи с важностью раннего обнаружения заболевания существует разнообразие других техник, которые исследуются в настоящее время для визуализации. Они включают сцинтимаммографию с применением PET (позитронно-эмиссионная томография) или SPECT (однофонная эмиссионная компьютерная томография), импедансную томографию и различные формы RF-визуализации.[0006] Due to the importance of early detection of the disease, there are a variety of other techniques that are currently being studied for imaging. These include scintimammography using PET (positron emission tomography) or SPECT (single-phonon emission computed tomography), impedance tomography and various forms of RF imaging.
[0007] Ранее обнаружение повреждений, в то время как они все еще локализованы, является ключевым, поскольку уровень излечимости многих форм рака, обнаруженных рано, составляет около 100%. Существующие способы визуализации часто не определяют поражения, пока не произошел существенный рост. Существует происходящее в настоящее время исследование альтернативных способов, включая MRI, PET, ультразвук, сцинтиграфию и другие способы. В настоящее время ни один из этих способов не обладает специфичностью в отношении типа опухоли с помощью различий в свойствах ткани между раковой и нераковой тканью. В частности, точно необходим новый подход, не основанный на облучении, или очень дорогих процедурах и предлагающий очень ранее обнаружение опухолей. Настоящее изобретение обеспечивает новые возможности для обнаружения рака in vivo.[0007] Earlier detection of lesions while they are still localized is key because the cure rate of many forms of cancer detected early is about 100%. Existing visualization methods often do not determine lesions until significant growth has occurred. There is ongoing research into alternative methods, including MRI, PET, ultrasound, scintigraphy, and other methods. Currently, none of these methods has specificity for the type of tumor using differences in tissue properties between cancerous and noncancerous tissue. In particular, a new approach is definitely needed, not based on radiation, or very expensive procedures and offering very early detection of tumors. The present invention provides new opportunities for the detection of cancer in vivo.
[0008] РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ[0008] SUMMARY OF THE INVENTION
Данная заявка относится к следующим заявкам, каждая из которых включена в данный документ ссылкой: США 61/259011, поданная 6 ноября 2009 года; 61/308897, поданная 27 февраля 2010 года; 61/314392, поданная 16 марта 2010 года; 61/331816, поданная 5 мая 2010 года; 61/361998, поданная 7 июля 2010 года; каждая из которых включена в данный документ ссылкой.This application relates to the following applications, each of which is incorporated herein by reference: US 61/259011, filed November 6, 2009; 61/308897, filed February 27, 2010; 61/314392, filed March 16, 2010; 61/331816, filed May 5, 2010; 61/361998, filed July 7, 2010; each of which is incorporated herein by reference.
[0009] Настоящее изобретение обеспечивает устройства и способы для обнаружения клеток или веществ, таких как раковые клетки в ткани. Система содержит магнитную систему, включающую генератор магнитного поля, который воздействует известным магнитным полем на ткань субъекта, намагничивая нацеленные парамагнитные наночастицы, связанные с клетками или веществом, представляющими интерес; и включающую чувствительный магнитный сенсор, который может обнаруживать остаточное магнитное поле по мере затухания намагниченности наночастиц. Иллюстративная магнитная система содержит сенсор сверхпроводящего квантового интерференционного датчика, содержащий генератор магнитных импульсов, адаптированный применять однородное намагничивающее импульсное поле к раковой ткани пациента, помещенного на платформу для измерения; и детектор остаточного магнитного поля, адаптированный обнаруживать и визуализировать остаточное магнитное поле, произведенное воздействующим импульсным полем. Генератор магнитных импульсов может включать пару катушек Гельмгольца. Детектор остаточного магнитного поля может включать набор градиентометров. Другая иллюстративная магнитная система включает атомный магнитометр и набор атомных градиентометров - очень чувствительных сенсоров магнитного поля, которые можно применять для измерения очень слабых магнитных полей, основываясь на прецессии Лармора атомов в магнитном поле. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения атомный магнитометр включает набор микросхем, содержащий небольшую полость, содержащую ячейку-атомизатор. Эта испарительная ячейка содержит атомы Rb, и оптически накачивается циркулярно поляризованным лазерным лучом. Атомы подвергаются прецессии Лармора, и частота этой прецессии вызывает изменение в показателе рефракции пара в ответ на воздействующее магнитное поле. Второй лазер можно применять в качестве поля измерения для данного изменения рефракции, используя набор решеток для измерения изменений в интерференционной картине по мере изменения воздействующего магнитного поля. Испарительные ячейки могут быть отдельными или упорядоченными в конфигурации градиентометра для измерения изменений поля как функции от расстояния.[0009] The present invention provides devices and methods for detecting cells or substances, such as cancer cells in tissue. The system comprises a magnetic system including a magnetic field generator that acts on a subject tissue by a known magnetic field to magnetize targeted paramagnetic nanoparticles bound to cells or a substance of interest; and including a sensitive magnetic sensor that can detect a residual magnetic field as the magnetization of the nanoparticles decays. An illustrative magnetic system comprises a superconducting quantum interference sensor, comprising a magnetic pulse generator adapted to apply a uniform magnetizing pulsed field to a cancerous tissue of a patient placed on a measurement platform; and a residual magnetic field detector adapted to detect and visualize the residual magnetic field produced by the acting pulsed field. The magnetic pulse generator may include a pair of Helmholtz coils. The residual magnetic field detector may include a set of gradiometers. Another illustrative magnetic system includes an atomic magnetometer and a set of atomic gradiometers — very sensitive magnetic field sensors that can be used to measure very weak magnetic fields based on the Larmor precession of atoms in a magnetic field. In some embodiments, the atomic magnetometer comprises a chipset containing a small cavity containing an atomizer cell. This evaporation cell contains Rb atoms and is optically pumped by a circularly polarized laser beam. Atoms undergo a Larmor precession, and the frequency of this precession causes a change in the refractive index of the vapor in response to the acting magnetic field. The second laser can be used as a measurement field for a given change in refraction, using a set of gratings to measure changes in the interference pattern as the acting magnetic field changes. Evaporation cells can be separate or ordered in a gradiometer configuration to measure field changes as a function of distance.
[0010] Способ согласно настоящему изобретению включает обеспечение магнитной системы; введение множества нацеленных (например, меченых антителом) парамагнитных наночастиц в субъекта для специфического связывания с раковыми клетками или другими клетками или веществом, представляющим интерес; воздействие известным (например, однородным) намагничивающим импульсным полем для намагничивания наночастиц в ткани субъекта; и обнаружение остаточного магнитного поля намагниченных наночастиц, тем самым обеспечивая визуализацию наночастиц, связанных с раковой тканью пациента. Нацеленная парамагнитная наночастица может содержать магнитный сердечник, покрытый биологически совместимым покрытием, к которому прикреплено по меньшей мере одно специфическое антитело. Например, магнитный сердечник может содержать ферромагнитный материал, такой как оксид железа. Примеры приемлемых нацеливающих средств, таких как антитела, описаны ниже.[0010] The method according to the present invention includes providing a magnetic system; the introduction of a variety of targeted (e.g., labeled with an antibody) paramagnetic nanoparticles in a subject for specific binding to cancer cells or other cells or a substance of interest; exposure to a known (eg, homogeneous) magnetizing pulsed field for magnetizing nanoparticles in the tissue of a subject; and detecting a residual magnetic field of magnetized nanoparticles, thereby providing visualization of the nanoparticles associated with the cancerous tissue of the patient. The targeted paramagnetic nanoparticle may comprise a magnetic core coated with a biocompatible coating to which at least one specific antibody is attached. For example, the magnetic core may contain ferromagnetic material, such as iron oxide. Examples of suitable targeting agents, such as antibodies, are described below.
[0011] КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ[0011] A BRIEF DESCRIPTION OF GRAPHIC MATERIALS
Сопроводительные графические материалы, которые включены в и образуют часть описания, иллюстрируют настоящее изобретение и, вместе с описанием, описывают настоящее изобретение. В графических материалах одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами.The accompanying graphic materials, which are included in and form part of the description, illustrate the present invention and, together with the description, describe the present invention. In graphic materials, the same elements are denoted by the same numbers.
[0012] Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию примерного приготовления ткани субъекта для измерения согласно настоящему изобретению.[0012] FIG. 1 is a schematic illustration of an example preparation of tissue of a subject for measurement according to the present invention.
Фиг.2(а, b, с, d) приводит схематическую иллюстрацию примера измерения согласно настоящему изобретению.Figure 2 (a, b, c, d) provides a schematic illustration of a measurement example according to the present invention.
Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию измерений из процесса, описанного в связи с Фиг.2.Figure 3 is a schematic illustration of measurements from the process described in connection with Figure 2.
Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства, подходящего для применения в настоящем изобретении.Figure 4 is a schematic illustration of a device suitable for use in the present invention.
Фиг.5 представляет собой схематическую иллюстрацию образца устройства, использующего магнитные сенсоры сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (SQUID).5 is a schematic illustration of a sample device using magnetic sensors of a superconducting quantum interference sensor (SQUID).
Фиг.6 представляет собой схематическую иллюстрацию образца SQUID-сенсорного устройства, которое можно применять для исследований рака человека.6 is a schematic illustration of a sample SQUID-sensor device that can be used for research on human cancer.
Фиг.7 представляет собой схематическую иллюстрацию и фотографию атомного магнитометра для измерений слабого поля.7 is a schematic illustration and photograph of an atomic magnetometer for measuring a weak field.
Фиг.8 представляет собой схематическую иллюстрацию магнитной наночастицы с биологически совместимым покрытием и прикрепленными антителами для нацеливания на специфические клетки.Fig. 8 is a schematic illustration of a biocompatible coated magnetic nanoparticle and attached antibodies to target specific cells.
Фиг.9 представляет собой изображение числа сайтов Неr2 на клетку, рассчитанного путем сравнения с диапазоном микросфер с известными способностями к связыванию. Фиг.10 представляет собой иллюстрацию магнитных моментов двух клеточных линий рака молочной железы, MCF7/HER218 и MDA-MB-231, измеренных как функция от времени после инкубации с антителами к HER2/neu и наночастицами.Fig. 9 is an image of the number of He2 sites per cell, calculated by comparison with a range of microspheres with known binding abilities. Figure 10 is an illustration of the magnetic moments of two cell lines of breast cancer, MCF7 / HER218 and MDA-MB-231, measured as a function of time after incubation with antibodies to HER2 / neu and nanoparticles.
[0013] Фиг.11 представляет собой иллюстрацию магнитных моментов клеточных образцов, измеренных как функция от числа клеток путем разбавления в два раза пипетированием. Фиг.12 представляет собой иллюстрацию фантома с введенными ампулами с клетками MCF7, левый 2Е+06, правый=1Е+06 клеток.[0013] FIG. 11 is an illustration of the magnetic moments of cell samples, measured as a function of cell number by double dilution by pipetting. 12 is an illustration of an ampoule phantom with MCF7 cells, left 2E + 06, right = 1E + 06 cells.
Фиг.13 представляет собой фотографию бестимусной мыши под SQUID-системой. Фиг.14 содержит графики достоверности положений, полученных от опухолей у мышей. Фиг.15 представляет собой иллюстрацию магнитных контурных линий, наблюдаемых для 35 различных мест измерения.Fig.13 is a photograph of a nude mouse under the SQUID system. Fig.14 contains plots of the reliability of the positions obtained from tumors in mice. 15 is an illustration of magnetic contour lines observed at 35 different measurement sites.
Фиг.16 представляет собой иллюстрацию временной динамики измерений для двух мышей и обеих опухолей каждой мыши.Fig.16 is an illustration of the temporal dynamics of measurements for two mice and both tumors of each mouse.
Фиг.17 представляет собой иллюстрацию результатов этих измерений и показывает очень хорошее соответствие с измерениями in vivo на живой мыши.17 is an illustration of the results of these measurements and shows very good agreement with in vivo measurements on a live mouse.
Фиг.18 представляет собой иллюстрацию 2-мерного 95% предела достоверности для местонахождений двух опухолей, наложенного на действительные опухоли мыши.Fig. 18 is an illustration of a 2-dimensional 95% confidence limit for the locations of two tumors superimposed on actual mouse tumors.
Фиг.19 представляет собой фотографию гистологии опухолей после выделения.Fig. 19 is a photograph of the histology of tumors after isolation.
Фиг.20 представляет собой иллюстрацию рака яичника, показывающую рост опухоли на яичнике.FIG. 20 is an illustration of ovarian cancer showing tumor growth on the ovary.
[0014] Фиг.21 представляет собой фотографию полноразмерного фантома яичника, помещенного под SQUID-сенсорное устройство на расстоянии, которое будет типичным для субъекта-пациента.[0014] FIG. 21 is a photograph of a full-sized ovarian phantom placed under a SQUID sensor device at a distance that will be typical of a patient subject.
Фиг.22 представляет собой иллюстрацию результатов исследований чувствительности для живых клеток яичника, введенных в фантом, показанный на Фиг.21.Fig.22 is an illustration of the results of sensitivity studies for live ovarian cells inserted into the phantom shown in Fig.21.
Фиг.23 представляет собой иллюстрацию подтверждение сайтов антител для этих клеток с помощью проточной цитометрии.23 is an illustration of confirmation of antibody sites for these cells by flow cytometry.
Фиг.24 представляет собой иллюстрацию магнитных моментов от магнитных наночастиц (от Ocean Nanotech), прикрепленных к опухолям рака яичника человека у живой мыши.24 is an illustration of magnetic moments from magnetic nanoparticles (from Ocean Nanotech) attached to human ovarian cancer tumors in a live mouse.
Фиг.25 представляет собой фотографию мыши, используемой для подтверждения того, что SQUID-сенсорный способ работает in vivo вместе с магнитными контурными полями от мыши. Фиг.26 представляет собой график измерения магнитного момента SQUID-сенсорной системы как функции от времени для инкубации прикрепляющихся магнитных наночастиц к клеточным линиям лимфомы.25 is a photograph of a mouse used to confirm that the SQUID-sensor method works in vivo with magnetic contour fields from a mouse. Fig is a graph of measuring the magnetic moment of the SQUID-sensor system as a function of time for incubation of attached magnetic nanoparticles to lymphoma cell lines.
Фиг.27 представляет собой иллюстрацию результатов измерений проточной цитометрии RS-кяеток из лимфатической системы при определении числа сайтов, доступных для наночастиц и обнаружения SQUID-сенсорами.Fig. 27 is an illustration of flow cytometry measurements of RS-cells from the lymphatic system when determining the number of sites available for nanoparticles and detection by SQUID sensors.
Фиг.28 представляет собой гистологический срез от пациента с болезнью Ходжкина.Fig. 28 is a histological section from a patient with Hodgkin's disease.
[0015] СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ [0015] MODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION AND INDUSTRIAL APPLICABILITY
Настоящее изобретение описано в контексте различных иллюстративных вариантов осуществления и применений. В некоторых частях описания выражение "обнаружение" применяют для краткости; настоящее изобретение может обеспечивать обнаружение присутствия клеток или веществ, измерение числа клеток или количества вещества, определение местонахождения клеток или вещества, определение изменения или скорости изменения в предыдущем, и подобные определения, все из которых включены в выражение "обнаружение".The present invention is described in the context of various illustrative embodiments and applications. In some parts of the description, the expression "detection" is used for brevity; the present invention can provide detection of the presence of cells or substances, measuring the number of cells or quantity of a substance, determining the location of cells or substances, determining the change or rate of change in the previous one, and similar determinations, all of which are included in the expression "detection".
[0016] Сначала описывают упрощенный пример измерения магнитной релаксации согласно настоящему изобретению. Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию примерного получения ткани субъекта для измерения согласно настоящему изобретению. Иллюстрации на фигуре являются очень упрощенными и предназначены только для простоты объяснения и не предназначены для отображения действительных форм, размеров, пропорций или сложностей действительных привлеченных материалов. Часть ткани 11, например орган, подлежащий исследованию, или известное или предполагаемое место опухоли, содержит несколько клеток представляющего интерес типа (показаны на фигуре как круги с "V"-образными структурами по периметру) и несколько клеток других типов (показаны на фигуре как овалы с прямоугольными структурами по периметру). Обеспечивают множество магнитных наночастиц 12, показанных на фигуре в виде небольших кружков. Также обеспечивают множество нацеливающих молекул 13, показанных на фигуре в виде небольших треугольников. Наночастицы и нацеливающие молекулы объединяют (или конъюгируют) с образованием нацеленных наночастиц 14.[0016] A simplified example of measuring magnetic relaxation according to the present invention is first described. Figure 1 is a schematic illustration of an example of obtaining tissue of a subject for measurement according to the present invention. The illustrations in the figure are very simplified and are intended only for ease of explanation and are not intended to display the actual shapes, sizes, proportions or complexities of the actual materials involved. A portion of
Нацеленные наночастицы затем можно ввести в ткань 15. Клетки представляющего интерес типа имеют сайты связывания или другие аффинности к нацеливающей молекуле, проиллюстрированной на фигуре "V"-образными структурами по периметру таких клеток.Targeted nanoparticles can then be introduced into
Нацеливающие молекулы прикрепляются к клеткам представляющего интерес типа, проиллюстрированным на фигуре треугольными нацеливающими молекулами, расположенными внутри "V'-образных структур. В целом, каждая клетка будет иметь большое количество таких сайтов связывания или аффинностей. Клетки других типов не имеют таких сайтов связывания или аффинностей, проиллюстрированы на фигуре овалами без прикрепленных нацеленных наночастиц. Нацеленные наночастицы, которые не связываются с клетками и остаются свободными в полученном образце, проиллюстрированы на фигуре небольшими кружками с прикрепленными треугольниками, которые не соединены с какой-либо специфической клеткой.Targeting molecules attach to cells of interest of the type illustrated in the figure by triangular targeting molecules located within "V'-shaped structures. In general, each cell will have a large number of such binding or affinities. Other types of cells do not have such binding or affinities are illustrated in the figure by ovals without attached targeted nanoparticles. Targeted nanoparticles that do not bind to cells and remain free in the resulting sample are llyustrirovany the figure small circles with attached triangles that are not connected with any particular cell.
[0017] Фиг.2(а, b, с, d) приводят схематическую иллюстрацию иллюстративного измерения согласно настоящему изобретению. На Фиг.2а ткань является такой как на Фиг.1, с добавлением стрелок возле каждой наночастицы. Стрелки представляют намагниченность каждой наночастицы, и указывают на то, что намагниченность наночастиц в ткани является случайным (на фигуре стрелки показаны в одном из четырех направлений только для простоты иллюстрации; на практике намагниченность может иметь любое направление).[0017] Figure 2 (a, b, c, d) is a schematic illustration of an illustrative measurement according to the present invention. In Fig. 2a, the fabric is as in Fig. 1, with the addition of arrows near each nanoparticle. The arrows represent the magnetization of each nanoparticle, and indicate that the magnetization of the nanoparticles in the tissue is random (in the figure, the arrows are shown in one of four directions just for ease of illustration; in practice, the magnetization can have any direction).
[0018] На Фиг.2b воздействуют внешним магнитным полем (представленным обведенной по контуру стрелкой в нижнем правом углу фигуры). Намагниченность наночастиц в ответ на воздействующее магнитное поле сейчас является однородным, представленным на фигуре с помощью всех стрелок намагниченности, указывающих в одном направлении.[0018] In FIG. 2b, an external magnetic field is applied (represented by an outlined arrow in the lower right corner of the figure). The magnetization of the nanoparticles in response to the acting magnetic field is now uniform, shown in the figure using all the magnetization arrows pointing in one direction.
[0019] Фиг.2 с иллюстрирует ткань через короткое время после того, как устраняют магнитное поле. Наночастицы, не связанные с клетками, свободны в своем перемещении в броуновском движении, и их намагниченность быстро возвращается произвольной, представленному на фигуре стрелками намагниченности несвязанных наночастиц, показывающими в разных направлениях. Наночастицы, связанные с клетками, однако, удерживаются от такого физического движения и, следовательно, их намагниченность остается, по существу, такой же, как и в присутствии воздействующего магнитного поля.[0019] FIG. 2c illustrates tissue shortly after magnetic field is removed. Non-cell nanoparticles are free to move in Brownian motion, and their magnetization quickly returns to arbitrary, shown in the figure by the magnetization arrows of unbound nanoparticles, showing in different directions. The nanoparticles bound to the cells, however, are restrained from such physical movement and, therefore, their magnetization remains essentially the same as in the presence of an acting magnetic field.
[0020] Фиг.2d иллюстрирует полученный образец через более длительный период времени после устранения воздействующего магнитного поля. Намагниченность связанных наночастиц теперь также возвратилась к произвольной.[0020] Fig. 2d illustrates the obtained sample over a longer period of time after the exposure to the magnetic field. The magnetization of bound nanoparticles has now also returned to arbitrary.
[0021] Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию измерений из процесса, описанного в связи с Фиг.2. Магнитное поле показано как функция от времени в упрощенном представлении для простоты иллюстрации; в действительности на практике единицы, шкалы и формы сигналов могут быть различными и более сложными. В начале процесса, что соответствует состоянию Фиг.2а, намагниченность наночастиц является произвольной и воздействуют внешним магнитным полем. С этого момента времени намагниченность наночастиц является однородной, что соответствует состоянию Фиг.2b. Магнитное поле может игнорироваться в течение короткого промежутка времени до тех пор, пока несвязанные наночастицы не вернуться к случайной намагниченности, что соответствует состоянию Фиг.2с. Затем можно измерить намагниченность по мере перехода связанных наночастиц от однородной к случайной намагниченности, что соответствует состоянию Фиг.2d. Характеристики намагниченности при измерении от состояния Фиг.2с до состояния Фиг.2d связаны с числом связанных наночастиц в образце и, следовательно, с числом клеток представляющего интерес типа в образце.[0021] FIG. 3 is a schematic illustration of measurements from a process described in connection with FIG. 2. The magnetic field is shown as a function of time in a simplified representation for ease of illustration; in fact, in practice, the units, scales and waveforms can be different and more complex. At the beginning of the process, which corresponds to the state of Fig. 2a, the magnetization of the nanoparticles is arbitrary and is affected by an external magnetic field. From this point in time, the magnetization of the nanoparticles is uniform, which corresponds to the state of Fig.2b. The magnetic field can be ignored for a short period of time until the unbound nanoparticles return to random magnetization, which corresponds to the state of FIG. 2c. Then you can measure the magnetization as the transition of the bound nanoparticles from homogeneous to random magnetization, which corresponds to the state of Fig.2d. The magnetization characteristics when measured from the state of FIG. 2c to the state of FIG. 2d are related to the number of bound nanoparticles in the sample and, therefore, to the number of cells of the type of interest in the sample.
[0022] Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства, подходящего для применения в настоящем изобретении. Платформа 41 для субъекта сконфигурирована для размещения субъекта в координированном положении по отношению к остальному устройству. Намагничивающая система 42, например, катушки Гельмгольца, устанавливается относительно платформы для субъекта так, чтобы намагничивающая система могла воздействовать магнитным полем на образец. Магнитная сенсорная система 43 устанавливается относительно платформы для субъекта так, чтобы она смогла регистрировать малые магнитные поля, связанные с намагниченными наночастицами. Системой управляют и данные от сенсора анализируют с помощью системы управления и анализа 44; например, компьютером с соответствующей программой.[0022] FIG. 4 is a schematic illustration of a device suitable for use in the present invention. The
[0023] Фиг.5 представляет собой схематическую иллюстрацию образца устройства, использующего магнитные сенсоры сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (SQUID). Резервуар Дьюара 51 для жидкого гелия вверху рисунка поддерживает температуру SQUID-сенсоров. Аксиальные SQUID-градиентометры 2-го порядка содержатся в белом выступе 52, проходящем через несущий каркас 53. Есть семь градиентометров, содержащихся в этом иллюстративном выступе; один в центре и 6 в круге с радиусом 2,15 см. Каждый градиентометр индуктивно соединен с низкотемпературным SQUID. Две кольцевые катушки 54 образуют пару Гельмгольца, которая может обеспечивать намагничивающее импульсное поле для наночастиц. Однородное поле, производимое этими катушками, может изменяться, но как правило составляет 40-50 Гаусс, и длина импульса составляет как правило 300-800 мс. В этом примере деревянный каркас поддерживает SQUID и платформу для измерения, а также намагничивающие катушки. Немагнитная каркасная система включает 3-мерную платформу 55, которая может быть выполнена без металлических компонентов, например, из пластика. Верхние две черные ручки управляют х-у перемещениями платформы в диапазоне +/-10 см, а нижнюю ручку применяют для поднимания и опускания платформы для измерения в диапазоне 20 см. Держатель образца может быть выставлен на платформу, которая может содержать живые субъекты, такие как мыши или другие маленькие животные.[0023] FIG. 5 is a schematic illustration of a sample device using magnetic sensors of a superconducting quantum interference sensor (SQUID). A
[0024] Фиг.6 представляет собой схематическую иллюстрацию иллюстративного SQUID-сенсорного устройства, которое можно применять для исследований рака человека. Деревянная структура 63 может быть сходной с несущим каркасом, показанным на Фиг.5. Платформа для измерения может быть замещена кроватью 65 для размещения пациента. Две большие катушки Гельмгольца 64 включают деревянные кольцевые формы выше и ниже кровати. Эти большие катушки можно применять для создания однородного импульсного поля и намагничивания магнитных наночастиц, которые вводят пациенту. Токи можно модифицировать, например, увеличить по сравнению с теми, которые применяют в устройстве, показанном на Фиг.5, чтобы снова произвести поля в диапазоне от 40 до 50 Гаусс. Подобно устройству, показанному на Фиг.5, сосуд Дьюара 61 для SQUID с набором магнитных градиентометров можно применять для измерения изменения остаточного магнитного поля, произведенного намагниченными наночастицами.[0024] FIG. 6 is a schematic illustration of an illustrative SQUID sensor device that can be used for human cancer research.
[0025] Фиг.7 представляет собой схему и фотографию атомного магнитометра для измерений слабого поля. Это устройство миниатюризируют с помощью способов производства микрочипов, а множественные единицы можно поместить бок о бок с образованием набора сенсоров. Работа магнитометра происходит посредством применения лазерного светового луча, направляемого посредством оптического волокна. Этот луч накачивает нагретый газ Rb в испарительной ячейке в специфические атомные состояния. Луч вначале эллиптически поляризуется и коллимируется в испарительную ячейку. Зеркало отражает этот луч обратно через ячейку и линзы в анализатор поляризации. Магнитное поле, воздействующее перпендикулярно к длине магнитометра, измеряет показатель рефракции газа в ячейке, изменение поляризации света, проходящего через ячейку. Изменение в поляризации дает в результате величину воздействующего магнитного поля. Накачивающий лазер подается во множественные оптоволоконные кабели и, таким образом, применяется для множественных магнитометров. Набор этих магнитометров для релаксометрических измерений может содержать 7 испарительных ячеек, помещенных с одной в центре, окруженной 6 остальными. Воздействующее поле от намагничивающих катушек перпендикулярно расположению, показанному на Фиг.5 для того, чтобы индуцировать максимальные наблюдаемые магнитные моменты у наночастиц. Фотография внизу Фиг.7 показывает иллюстративное физическое расположение и размер атомного магнитометра для применения с настоящим изобретением. Чувствительность показанного прибора составляет 0,16 ϕТл/√Гц по сравнению с чувствительностью иллюстративной SQUID-системой, показанной на Фиг.5, 1,0 пТл/√Гц (1000 ϕТл/√Гц). Атомные магнитометры не нуждаются в криогенном охладителе, что может делать их желательными для клинических применений, где такие охладители, в частности, жидкий гелий, не всегда можно легко получить.[0025] FIG. 7 is a diagram and photograph of an atomic magnetometer for measuring a weak field. This device is miniaturized using microchip manufacturing methods, and multiple units can be placed side by side to form a set of sensors. The magnetometer operates through the use of a laser light beam guided by an optical fiber. This beam pumps the heated Rb gas in the evaporation cell into specific atomic states. The beam is initially elliptically polarized and collimated into the evaporation cell. A mirror reflects this beam back through the cell and lenses into a polarization analyzer. A magnetic field acting perpendicular to the length of the magnetometer measures the refractive index of the gas in the cell, a change in the polarization of the light passing through the cell. A change in polarization results in the magnitude of the acting magnetic field. The pumping laser is fed into multiple fiber optic cables and is thus used for multiple magnetometers. The set of these magnetometers for relaxometric measurements may contain 7 evaporation cells placed with one in the center surrounded by 6 others. The acting field from the magnetizing coils is perpendicular to the arrangement shown in FIG. 5 in order to induce the maximum observed magnetic moments of the nanoparticles. The photograph below FIG. 7 shows an illustrative physical arrangement and size of an atomic magnetometer for use with the present invention. The sensitivity of the device shown is 0.16 ϕT / √Hz compared with the sensitivity of the illustrative SQUID system shown in FIG. 5, 1.0 pT / √Hz (1000 ϕT / √Hz). Atomic magnetometers do not need a cryogenic cooler, which may make them desirable for clinical applications, where such coolers, in particular liquid helium, cannot always be easily obtained.
[0026] Иллюстративное применение для обнаружения рака молочной железы. Для рака молочной железы современным предпочтительным способом для скрининга и обнаружения является маммография. Не смотря на то, что маммография привела к значительному улучшению нашей способности к обнаружению рака молочной на более ранней стадии, она все еще страдает от неспособности отличить доброкачественные и злокачественные поражения, сложности в обнаружении опухолей в плотной и рубцеватой ткани молочной железы и не может обнаружить 10-30% случаев рака молочной железы. Применение магнитных наночастиц, конъюгированных со специфическими к опухоли реагентами, комбинированное с обнаружением этих частиц посредством измерения их релаксирующих полей, представляет многообещающую новую технологию, которая обладает потенциалом для улучшения нашей способности к обнаружению опухолей на более ранней стадии. Более того, обнаружение нацеленных магнитных наночастиц с помощью сенсоров слабого поля является быстрым и может быть более чувствительным, чем MRI-обнаружение, поскольку обнаруживаются только частицы, связанные с их целевыми клетками.[0026] Illustrative application for the detection of breast cancer. For breast cancer, mammography is the current preferred method for screening and detection. Despite the fact that mammography has led to a significant improvement in our ability to detect breast cancer at an earlier stage, it still suffers from an inability to distinguish between benign and malignant lesions, difficulties in detecting tumors in dense and scarred breast tissue and cannot detect 10 30% of breast cancers. The use of magnetic nanoparticles conjugated with tumor-specific reagents, combined with the detection of these particles by measuring their relaxing fields, represents a promising new technology that has the potential to improve our ability to detect tumors at an earlier stage. Moreover, the detection of targeted magnetic nanoparticles using weak field sensors is fast and may be more sensitive than MRI detection, since only particles associated with their target cells are detected.
[0027] Мы разработали конъюгированные магнитные наночастицы, нацеленные на клетки рака молочной железы, которые экспрессируют антиген HER2, который сверхэкспрессируется в ~30% случаях рака молочной железы человека. Мы охарактеризовали наночастицы по их магнитным свойствам и выбрали те, которые имеют оптимальный размер и магнитный момент на мг Fe. Ряд различных клеточных линий, которые имеют специфичность к HER2, был изучен для определения их плотности сайтов и чувствительности сенсорной системы для обнаружения. Была исследована мышиная модель SCID с применением опухолей, выращенных из клеточных линий человека, с визуализацией мыши под действием сенсорной системы с последующим подтверждением гистологическими исследованиями. Эти результаты показывают достоверность магнитного сенсорного подхода для чувствительного обнаружения рака молочной железы.[0027] We have developed conjugated magnetic nanoparticles targeting breast cancer cells that express the HER2 antigen, which is overexpressed in ~ 30% of human breast cancer cases. We characterized the nanoparticles by their magnetic properties and selected those that have the optimal size and magnetic moment per mg of Fe. A number of different cell lines that are specific for HER2 have been studied to determine their site density and sensitivity of the sensory system for detection. A murine SCID model was studied using tumors grown from human cell lines, visualizing the mouse under the influence of the sensory system, followed by confirmation by histological studies. These results show the validity of the magnetic sensory approach for sensitive detection of breast cancer.
[0028] Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию магнитной наночастицы с биологически совместимым покрытием и прикрепленными антителами для нацеливания на специфические клетки. При демонстрации иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения мы применяли антитела (АЬ) к HER2, которые являются специфическими для 30-40% случаев рака молочной железы. Наночастицы имели покрытия, содержащие карбоксильные группы, а сульфо-NHS способ применяют для конъюгации наночастиц с антителами. Проточная цитометрия, проведенная для клеточных линий рака молочной железы MCF7, MCF7/Her2-18 (клон MCF7, стабильно трансфицированный Неr2), ВТ474 и MDA-MB-231. Число сайтов связывания Неr2 определяли с помощью проточной цитометрии, антитела к Нег2 конъюгировали с флюоресцентным зондом FITC. Фиг.9 представляет собой изображение числа сайтов Неr2 на клетку, рассчитанного путем сравнения с диапазоном микросфер с известными способностями к связыванию. Клетки MCF7, сконструированные для сверхэкспрессии Неr2-18, имеют 11×106 сайтов связывания Неr2/клетку, ВТ-474 имеют 2,8×106, MCF7 0,18×106, MDA-MB-231 0,11×106. Клеточные линии, не принадлежащие молочной железе, имеют<4000 сайтов связывания Неr2/клетку.[0028] FIG. 8 is a schematic illustration of a biocompatible coated magnetic nanoparticle and attached antibodies to target specific cells. To demonstrate an illustrative embodiment of the present invention, we used antibodies (AB) to HER2, which are specific for 30-40% of breast cancers. Nanoparticles had coatings containing carboxyl groups, and the sulfo-NHS method is used to conjugate nanoparticles with antibodies. Flow cytometry performed for MCF7, MCF7 / Her2-18 breast cancer cell lines (clone MCF7 stably transfected with Her2), BT474 and MDA-MB-231. The number of He2 binding sites was determined by flow cytometry; antibodies to He2 were conjugated to a FITC fluorescence probe. Fig. 9 is an image of the number of He2 sites per cell, calculated by comparison with a range of microspheres with known binding abilities. MCF7 cells designed for overexpression of Ner2-18 have 11 × 106 He2 / cell binding sites, BT-474 have 2.8 × 106, MCF7 0.18 × 106, MDA-MB-231 0.11 × 106. Cell lines that do not belong to the mammary gland have <4000 He2 / cell binding sites.
[0029] Фиг.10 представляет собой график измерения магнитного момента в SQUID-сенсорной системе как функцию от времени для инкубации прикрепляющихся магнитных наночастиц (от Ocean Nanotech) к клеточным линиям рака молочной железы. На магнитные наночастицы нанесли карбоксильное биологически совместимое покрытие и затем конъюгировали с антителом к Her2/neu. Это антитело является специфическим к приблизительно 30% клеток рака молочной железы клетки у людей. Меченые магнитные наночастицы вводили в ампулы, содержащие живые раковые клетки, и магнитные моменты ампулы, измеренные в различные моменты времени в диапазоне от одной минуты до 16 минут. Нулевой момент времени представляет собой магнитный момент ампулы с наночастицами до добавления к клеткам. Отсутствие магнитного момента для несмешанных частиц является демонстрацией того, что несвязанные частицы не дают магнитный сигнал с данным способом SQUID-визуализации. При смешивании с клетками магнитные моменты быстро повышаются и насыщаются, показывая, что клетки собрали на своих поверхностях максимальное число возможных наночастиц за одну-две минуты. Верхняя кривая представлена для клеточной линии рака молочной железы, MCF7/Her218, которая, как известно, является очень специфической для антитела к Her2/neu, и большая величина магнитного сигнала подтверждает это. Клеточная линия рака молочной железы, MDA-MB-231, является также положительной в отношении Her2/neu, но с намного меньшим количеством сайтов для прикрепления к ним нацеленных с помощью антитела наночастиц. Меньшие величины также указывают на эту тенденцию. Клеточная линия СНО является неспецифической к Her2/neu и дает существенно меньшие магнитные моменты после инкубации. Присутствие магнитного момента указывает на некоторый фагоцитоз у этих клеток, при котором наночастицы проникают в клетки. Кривая для случая отсутствия клеток представляет собой кривую для ампул, содержащих только наночастицы, и демонстрирует, что частицы сами по себе не дают сигнал и, таким образом, не происходит агломерация с частицами. Эти результаты демонстрируют специфичность антитела к целевым раковым клеткам и подтверждают, что только связанные частицы дают магнитные моменты. Этот результат не является достоверным для других способов, таких как MRI, который видит все частицы, связанные или несвязанные.[0029] FIG. 10 is a graph of magnetic moment measurement in an SQUID sensor system as a function of time for incubating attachable magnetic nanoparticles (from Ocean Nanotech) to breast cancer cell lines. A biocompatible carboxylic coating was applied to the magnetic nanoparticles and then conjugated to an anti-Her2 / neu antibody. This antibody is specific for approximately 30% of human breast cancer cells. Labeled magnetic nanoparticles were injected into ampoules containing live cancer cells, and magnetic moments of the ampoule, measured at various points in time in the range from one minute to 16 minutes. The zero point in time is the magnetic moment of the ampoule with nanoparticles before being added to the cells. The absence of a magnetic moment for unmixed particles is a demonstration that unbound particles do not give a magnetic signal with this SQUID imaging method. When mixed with cells, the magnetic moments increase rapidly and become saturated, indicating that the cells collected on their surfaces the maximum number of possible nanoparticles in one to two minutes. The upper curve is for the breast cancer cell line, MCF7 / Her218, which is known to be very specific for the anti-Her2 / neu antibody, and a large magnetic signal confirms this. The breast cancer cell line, MDA-MB-231, is also Her2 / neu positive, but with much fewer sites for attachment of antibody-targeted nanoparticles to them. Smaller values also indicate this trend. The CHO cell line is non-specific for Her2 / neu and gives significantly lower magnetic moments after incubation. The presence of a magnetic moment indicates some phagocytosis in these cells, in which nanoparticles penetrate into the cells. The curve for the absence of cells is a curve for ampoules containing only nanoparticles, and demonstrates that the particles themselves do not give a signal and, thus, there is no agglomeration with the particles. These results demonstrate the specificity of the antibody for target cancer cells and confirm that only bound particles give magnetic moments. This result is not reliable for other methods, such as MRI, which sees all particles bound or unbound.
[0030] Фиг.11 представляет собой иллюстрацию магнитных моментов клеточных образцов, измеренных как функция от числа клеток путем разбавления в два раза пипетированием. Демонстрируемая чувствительность составляет 100000 клеток для клеток MCF7 и наночастиц Ocean, для клеток на расстоянии 3,5 см от сенсора. Имеют место 2,5×106 наночастиц/клетку. Линейность демонстрирует, что магнитный момент дает число клеток; MRI контраст не является линейной функцией числа клеток. Типичная маммограмма требует 10 миллионов клеток.[0030] FIG. 11 is an illustration of the magnetic moments of cell samples, measured as a function of the number of cells by diluting twice with pipetting. The demonstrated sensitivity is 100,000 cells for MCF7 cells and Ocean nanoparticles, for cells at a distance of 3.5 cm from the sensor. There are 2.5 × 106 nanoparticles / cell. Linearity demonstrates that the magnetic moment gives the number of cells; MRI contrast is not a linear function of cell number. A typical mammogram requires 10 million cells.
[0031] Сконструировали фантом молочной железы с помощью стандартного калибровочного фантома мамограммы в качестве модели. Фантом сконструировали из глины, неметаллического материала, проницаемого для этих полей. Ампулы, содержащие живые клетки ввели в фантом. Фиг.12 представляет собой иллюстрацию фантома с введенными ампулами с клетками MCF7, левая 2Е+06, правая=1Е+06 клеток. Клетки конъюгированы с наночастицами с антителами к HER2 от Ocean Nanotech. Поля наносили на карту в пяти 7-канальных SQUID положениях=35 сайтов. 3-D контурные карты представляют распределения полей. Местонахождения и величины момента получали из обратной задачи. Моменты определяют число клеток в ампулах из данных для клеток, показанных выше.[0031] The mammary gland phantom was constructed using a standard mammogram calibration phantom as a model. The phantom was constructed from clay, a non-metallic material permeable to these fields. Ampoules containing living cells were introduced into the phantom. 12 is an illustration of a phantom with inserted ampoules with MCF7 cells, left 2E + 06, right = 1E + 06 cells. Cells are conjugated to Ocean Nanotech anti-HER2 nanoparticles. Fields were mapped in five 7-channel SQUID positions = 35 sites. 3-D contour maps represent field distributions. The locations and magnitudes of the moment were obtained from the inverse problem. Moments determine the number of cells in the ampoules from the data for the cells shown above.
[0032] Мышиная модель рака молочной железы была разработана приемлемой для SQUID-сенсорных измерений. SCID-бестимусные мыши использовали с клеточными линиями рака молочной железы человека. Фиг.13 представляет собой фотографию бестимусной мыши под SQUID-системой. Для изучения in vivo процессов с помощью SQUID-техники мыши вводили клетки MCF7 человека за две недели ранее в два места. Эти клетки затем продуцировали опухоли человека на боковых поверхностях тела мыши; одна такая опухоль является видимой под правым ухом мыши. Мыши вводили анестезию посредством трубки через ее рот. Меченые магнитные наночастицы вводили в мышь на этой платформе либо с помощью хвостовой, интерперитонеальной, либо внутриопухолевых инъекций. После инъекций мышь помещали под сенсорную систему, как показано, и сообщали намагничивающий импульс, и измеряли полученные магнитные моменты введенных частиц. Как и в случае живых раковых клеток не наблюдали моментов, если только частицы не были прикрепленные к клеткам в пределах опухолей. В некоторых случаях обе опухоли были клетками типа MCF7, а в других случаях применяли две различные клеточные линии для развития опухолей у мышей. Мышь оставалась на платформе, показанной на Фиг.5, и ее можно было перемещать в несколько положений под сенсорной системой для получения большей пространственной информации. Измерения осуществляли как функцию от времени для определения того, как быстро частицы захватывались из кровотока, и как быстро происходил фагоцитоз с частицами, попадающими в печень. Мышь, как правило, помещали в пять положений платформы под 7-канальной SQUID-системой для получения 35 пространственных расположений. Магнитные поля во всех положениях затем применяли в специальном коде для решения обратной электромагнитной задачи, используя теорему Левенберга-Маркардта для определения местонахождения всех источников магнитных частиц у мыши. Эту информацию затем сравнивали с известной геометрией мыши из фотографий для определения точности и чувствительности для определения местонахождения раковых опухолей молочной железы у живых животных. Фиг.14 содержит графики достоверности положений, полученных от мышиных опухолей. Левая сфера - от левой опухоли, которая в ~2 раза больше правой опухоли в магнитном моменте (см. ниже). Положения рассчитывали с помощью способа двухдипольных наименьших квадратов для выделения магнитных моментов и положений. Моменты определяют число меченых клеток в опухолях.[0032] A murine model of breast cancer has been developed acceptable for SQUID-sensory measurements. SCID nude mice were used with human breast cancer cell lines. Fig.13 is a photograph of a nude mouse under the SQUID system. To study in vivo processes using the SQUID technique, mice were injected with human MCF7 cells two weeks earlier in two places. These cells then produced human tumors on the lateral surfaces of the mouse body; one such tumor is visible under the right ear of the mouse. Mice injected anesthesia through a tube through its mouth. Labeled magnetic nanoparticles were injected into the mouse on this platform using either tail, interperitoneal, or intratumoral injections. After injection, the mouse was placed under the sensory system, as shown, and a magnetizing impulse was reported, and the obtained magnetic moments of the introduced particles were measured. As in the case of living cancer cells, no moments were observed, unless the particles were attached to the cells within the tumors. In some cases, both tumors were MCF7 cells, and in other cases, two different cell lines were used to develop tumors in mice. The mouse remained on the platform shown in FIG. 5 and could be moved to several positions under the sensor system to obtain more spatial information. Measurements were performed as a function of time to determine how quickly particles were captured from the bloodstream and how quickly phagocytosis occurred with particles entering the liver. The mouse, as a rule, was placed in five positions of the platform under the 7-channel SQUID system to obtain 35 spatial locations. Magnetic fields in all positions were then applied in a special code to solve the inverse electromagnetic problem, using the Levenberg-Markardt theorem to determine the location of all sources of magnetic particles in the mouse. This information was then compared with known mouse geometry from photographs to determine accuracy and sensitivity to locate breast cancers in live animals. Fig.14 contains plots of the reliability of the positions obtained from murine tumors. The left sphere is from the left tumor, which is ~ 2 times larger than the right tumor in the magnetic moment (see below). The positions were calculated using the two-dipole least squares method to highlight magnetic moments and positions. Moments determine the number of labeled cells in tumors.
[0033] Результаты SQUID-системы для in vivo измерений на живых животных показаны на Фиг. 16, 17, 18 для животных, несущих две различные опухоли. Каждая мышь имела две опухоли, но различных клеточных типов. Каждой из двух опухолей абсорбировались различные количества наночастиц. Мышь с клетками MCF7 демонстрировала более высокие магнитные моменты, чем мышь с опухолями MDA-MB-231, что, как предполагается, обусловлено большим числом специфических сайтов для антител к HER2/neu на первой из них. Фиг.15 представляет собой иллюстрацию магнитных контурных линий, наблюдаемых для 35 различных мест измерения, как описано на Фиг.13. Анализ этих магнитных полей дал в результате пространственные положения опухолей, которые согласовывались с измеренными значениями этих положений; причем результаты SQUID дают более высокую точность, чем физические измерения на приблизительно 3 мм. Фиг.16 представляет собой иллюстрацию временной динамики измерений для двух мышей и обеих опухолей каждой мыши. Захват частиц происходил быстро с сигналом около максимального, полученным в первый час. Наночастицы остаются в опухолях в течение по меньшей мере 5 часов в продолжение экспериментов. После этих измерений мышей подвергали эвтаназии и опухоли и другие органы удаляли, и помещали под сенсорную систему для определения того, как много введений наночастиц было в опухолях. Графики на Фиг.17 являются иллюстрациями результатов этих измерений и показывают очень хорошее соответствие с in vivo измерениями на живой мыши. В нижней левой фигуре магнитный момент наблюдался в печени, указывая на то, что имел место некоторый фагоцитоз и частицы были доставлены в печень для выведения. Последующая гистология опухолей также показала значительное прикрепление частиц к клеткам в опухоли с помощью окрашивания берлинской лазурью для обнаружейия железа в магнитных наночастицах.[0033] The results of the SQUID system for in vivo measurements in live animals are shown in FIG. 16, 17, 18 for animals bearing two different tumors. Each mouse had two tumors, but different cell types. Each of the two tumors absorbed different amounts of nanoparticles. A mouse with MCF7 cells exhibited higher magnetic moments than a mouse with MDA-MB-231 tumors, which is believed to be due to the large number of specific sites for anti-HER2 / neu antibodies in the first one. Fig. 15 is an illustration of magnetic contour lines observed at 35 different measurement locations, as described in Fig. 13. The analysis of these magnetic fields resulted in the spatial positions of the tumors, which were consistent with the measured values of these positions; moreover, SQUID results give higher accuracy than physical measurements of approximately 3 mm. Fig.16 is an illustration of the temporal dynamics of measurements for two mice and both tumors of each mouse. Particle capture occurred rapidly with a signal near the maximum received in the first hour. Nanoparticles remain in the tumors for at least 5 hours for the duration of the experiments. After these measurements, the mice were euthanized and tumors and other organs removed and placed under the sensory system to determine how many introductions of nanoparticles were in the tumors. The graphs in FIG. 17 are illustrations of the results of these measurements and show very good agreement with in vivo measurements on a live mouse. In the lower left figure, a magnetic moment was observed in the liver, indicating that there was some phagocytosis and the particles were delivered to the liver for excretion. Subsequent histology of tumors also showed significant attachment of particles to cells in the tumor by staining with Prussian blue to detect iron in magnetic nanoparticles.
[0034] Рассчитали доверительные области для определения точности местонахождения опухолей для in vivo измерений мышей. Фиг.18 представляет собой иллюстрацию 2-мерного 95% предела достоверности для местонахождений двух опухолей, наложенных на действительные опухоли мыши. Получают точность пространственного расположения приблизительно +/-3 мм в х и у направлении. Фиг.19 представляет собой фотографию гистологии опухолей после выделения. Микроскопическое изображение одного среза опухоли MCF-7. Окрашивание берлинской лазурью клеток обнаруживает железо, присутствующее в наночастицах, прикрепленных к клеткам. Стрелка указывает на клетку, покрытую наночастицами.[0034] Confidence areas were calculated to determine the accuracy of the location of tumors for in vivo measurements of mice. Fig. 18 is an illustration of a 2-dimensional 95% confidence limit for the locations of two tumors superimposed on actual mouse tumors. A spatial accuracy of approximately +/- 3 mm is obtained in x and y direction. Fig. 19 is a photograph of the histology of tumors after isolation. Microscopic image of a single section of the tumor MCF-7. Staining with Prussian blue cells reveals iron present in nanoparticles attached to the cells. The arrow indicates a cell coated with nanoparticles.
[0035] Была продемонстрирована чувствительная к магнитному полю сенсорная система для раннего обнаружения in vivo рака молочной железы путем обнаружения магнитных наночастиц, конъюгированных с антителами к клеточным линиям рака молочной железы. Более 1 миллиона наночастиц прикрепляется к каждой раковой клетке. Способ является чувствительным к <100000 клеткам на расстояниях, сравнимых с опухолями молочной железы. Стандартная рентгеновская маммография как правило требует плотности клеток в десять миллионов клеток. Измеренные моменты являются линейными по отношению к числу клеток; то есть измерение магнитного момента дает в результате число присутствующих раковых клеток. Не наблюдаются очень высоко контрастные наночастицы, не прикрепленные к клеткам. Фантомные исследования демонстрируют множественные источники, которые имеют точное месторасположение и определенное число клеток на источник. Разработали мышиную модель с помощью множественных опухолей клеточных линий рака молочной железы человека и выполнили измерения in vivo для определения местонахождения и числа раковых клеток этих опухолей после введений наночастиц. Решения обратной задачи успешно определяют местонахождение опухолей и число клеток. Гистология подтверждает присутствие мышиных опухолей с наночастицами.[0035] A magnetic field sensitive sensor system has been demonstrated for early detection in vivo of breast cancer by detecting magnetic nanoparticles conjugated to antibodies to breast cancer cell lines. Over 1 million nanoparticles attach to each cancer cell. The method is sensitive to <100,000 cells at distances comparable to breast tumors. Standard X-ray mammography typically requires a cell density of ten million cells. The measured moments are linear in relation to the number of cells; that is, measuring the magnetic moment results in the number of cancer cells present. Very high contrast nanoparticles not attached to the cells are not observed. Phantom studies show multiple sources that have an exact location and a specific number of cells per source. A mouse model was developed using multiple tumors of human breast cancer cell lines and in vivo measurements were performed to determine the location and number of cancer cells of these tumors after nanoparticle administration. Solutions to the inverse problem successfully determine the location of tumors and the number of cells. Histology confirms the presence of murine tumors with nanoparticles.
[0036] Иллюстративное применение для обнаружения рака яичника.[0036] Illustrative application for the detection of ovarian cancer.
Этиология рака яичника является не до конца понятной и существует немного свидетельств в отношении факторов риска, которые предполагали бы профилактический скрининг. Обычное скрининговое исследование представляет собой обследование таза в отношении того, есть ли подозрительные симптомы, такие как абдоминальное увеличение, и результаты, как правило, обнаруживают прогрессирующую стадию рака. Плановый скрининг женщин в настоящее время не выполняется, так как не существуют надежных скрининговых исследований. Большая сложность в настоящее время в отношении рака яичника состоит в том, что ко времени, когда его обнаруживают, он метастазировал из яичника в другие органы. По этой причине гистерэктомию часто проводят вместе с удалением яичника. Если присутствие рака яичника может быть определено на ранней стадии, и он содержится в яичнике, уровень пятилетней выживаемости составляет 95%. Однако только 29% обнаруживают на этой стадии. Если заболевание распространилось локально, его уровень выживаемости падает до 72% и если метастазировало до отдаленных местоположений, то уровень выживаемости составляет 31%. Таким образом, разработка способов раннего обнаружения является настоятельной необходимостью.The etiology of ovarian cancer is not fully understood and there is little evidence regarding risk factors that would suggest prophylactic screening. A routine screening test is a pelvic examination to determine if there are any suspicious symptoms, such as an abdominal enlargement, and the results usually show a progressive stage of cancer. Routine screening of women is currently not performed, as there are no reliable screening studies. The great challenge now regarding ovarian cancer is that by the time it is discovered, it has metastasized from the ovary to other organs. For this reason, a hysterectomy is often performed along with removal of the ovary. If the presence of ovarian cancer can be determined at an early stage, and it is contained in the ovary, the five-year survival rate is 95%. However, only 29% are found at this stage. If the disease has spread locally, its survival rate drops to 72%, and if it metastasizes to distant locations, the survival rate is 31%. Thus, the development of early detection methods is an urgent need.
[0037] Фиг.20 представляет собой иллюстрацию рака яичника, показывающую рост опухоли на яичнике. Эти опухоли состоят из клеток с высокими количествами рецепторов к антителу к СА-125 и могут являться мишенями для магнитных наночастиц, меченых этим антителом. Фиг.21 представляет собой фотографию полноразмерного фантома яичника, помещенного под SQUID-сенсорное устройство на расстоянии, которое будет типичным для пациента-субъекта. Фантом имеет ампулу, содержащую живые клетки рака яичника, введенные в нее. Магнитные наночастицы, меченые антителом к СА-125, ввели в эту ампулу, и поскольку эти антитела являются высокоспецифичными к этим клеткам рака яичника, к клеточной поверхности они прикрепляются в большом количестве. Эти магнитные наночастицы затем обнаруживали с помощью SQUID-сенсорного устройства с получением калибровок чувствительности для измерений in vivo как для животных, так и для человеческих моделей in vivo.[0037] FIG. 20 is an illustration of ovarian cancer showing tumor growth on the ovary. These tumors are composed of cells with high amounts of receptors for the anti-CA-125 antibody and can be targets for magnetic nanoparticles labeled with this antibody. Fig is a photograph of a full-sized phantom of the ovary, placed under the SQUID-sensor device at a distance that will be typical for the patient subject. The phantom has an ampoule containing live ovarian cancer cells introduced into it. Magnetic nanoparticles labeled with an anti-CA-125 antibody were introduced into this ampoule, and since these antibodies are highly specific to these ovarian cancer cells, they attach to the cell surface in large numbers. These magnetic nanoparticles were then detected using an SQUID sensor device to obtain sensitivity calibrations for in vivo measurements for both animal and human in vivo models.
[0038] Результаты изучений чувствительности для живых клеток яичника, вставленных в фантом, показанный на Фиг.21, проиллюстрированы на Фиг.22 для трех различных клеточных линий рака яичника; а именно tov-112D, Ov-90 и nihovcar-3. График показывает минимальное число клеток, которые были обнаружены этим устройством для трех различных клеточных линий как функцию расстояния от сенсора до яичников пациента. Раковая клеточная линия ov-90, как известно, является одной из наиболее агрессивных форм рака и эти результаты показывают, что существует много рецепторов к СА-125 на поверхности клетки. Число наночастиц на клетку может быть оценено из этих измерений и соответствует 20000 частиц на клетку для tov-112D, 3400 для ov-90 и 6700 для ovcar-3.[0038] The results of sensitivity studies for live ovarian cells inserted into the phantom shown in FIG. 21 are illustrated in FIG. 22 for three different ovarian cancer cell lines; namely tov-112D, Ov-90 and nihovcar-3. The graph shows the minimum number of cells that were detected by this device for three different cell lines as a function of the distance from the sensor to the patient's ovaries. The ov-90 cancer cell line is known to be one of the most aggressive forms of cancer, and these results show that there are many CA-125 receptors on the cell surface. The number of nanoparticles per cell can be estimated from these measurements and corresponds to 20,000 particles per cell for tov-112D, 3400 for ov-90 and 6700 for ovcar-3.
[0039] Фиг.23 представляет собой иллюстрацию подтверждения сайтов антител для этих клеток с помощью проточной цитометрии. Фиг. 23а и 23b показывают две из четырех проанализированных клеточных линий. Показан сигнал только от клеток, а изотип (с помощью молекулы с неспецифичным связыванием, Igg), антитело к Her2/neu и антитело к СА-125 показаны с возрастающим числом сайтов справа на этих графиках. На этих фигурах показано, что антитело к СА-125 имеет большое число сайтов на этих клеток, причем SK-OV-3 является наибольшим из этих двух. Антитело к Неr2/пеи является также специфичным к 30% клеток рака молочной железы.[0039] Fig. 23 is an illustration of confirmation of antibody sites for these cells by flow cytometry. FIG. 23a and 23b show two of the four cell lines analyzed. Only the signal from the cells is shown, and the isotype (using a molecule with non-specific binding, Igg), the anti-Her2 / neu antibody and the anti-CA-125 antibody are shown with an increasing number of sites on the right in these graphs. These figures show that the anti-CA-125 antibody has a large number of sites on these cells, with SK-OV-3 being the largest of the two. The Her2 / pei antibody is also specific for 30% of breast cancer cells.
[0040] Выполнили измерения как функцию от времени для определения того, как быстро частицы захватывались из кровотока, и как быстро происходил фагоцитоз частиц, попадающих в печень. Измерение магнитного момента в SQUID-сенсорном устройстве как функция от времени для магнитных моментов от магнитных наночастиц (от Ocean Nanotech), прикрепленных к раковым опухолям яичника человека в живой мыши, показано на Фиг.24. У мыши были две опухоли яичника, одна - SK-OV-3, а другая - NIH-OVCAR3. На магнитные наночастицы нанесли карбоксильное биологически совместимое покрытие и затем конъюгировали с антителом к СА-125. Это антитело является специфичным к клеткам рака яичника у людей. Вводили меченые магнитные наночастицы в мышиные опухоли и измеряли магнитные моменты мыши в различные моменты времени в диапазоне от одной минуты до 300 минут. Захват частиц происходил быстро, с сигналом, близким к максимальному, получаемым в первый час. Временная динамика показывает, что наночастицы остаются в опухолях в течение нескольких часов. Наночастицы оставались в опухолях в течение по меньшей мере 5 часов в продолжение экспериментов. Каждая из двух опухолей абсорбировала различные количества наночастиц. Мышиная опухоль с клетками SK-OV-3 демонстрировала более высокие магнитные моменты, чем мышь с опухолями NIH-OVCAR-3, как и предполагалось вследствие более высокого числа специфических сайтов к антителам к СА-125 на первой из вышеупомянутых. Наночастицы не давали магнитного момента до введения и дают магнитный сигнал лишь при прикреплении к чему-нибудь, например, клеткам опухоли. Эксперименты показали, что введения в места, отличные от опухоли, не дают сигнал, так как частицы не связываются с нормальными клетками. После периода времени печень начинает демонстрировать признаки накопления этих частиц по мере их фагоцитоза из системы. После этих измерений мышей подвергли эвтаназии, опухоли и другие органы удалили и поместили под сенсорное устройство для определения количество введений наночастиц в опухоли. Эти измерения очень хорошо согласовались с измерениями in vivo на живой мыши. Последующая гистология опухолей показала значительное прикрепление частиц к клеткам опухоли с помощью окрашивания берлинской лазурью для обнаружения железа в магнитных наночастицах.[0040] Measurements were performed as a function of time to determine how quickly particles were captured from the bloodstream and how quickly phagocytosis of particles entering the liver occurred. The measurement of magnetic moment in a SQUID-sensor device as a function of time for magnetic moments from magnetic nanoparticles (from Ocean Nanotech) attached to human ovarian cancers in a live mouse is shown in FIG. 24. The mouse had two ovarian tumors, one SK-OV-3 and the other NIH-OVCAR3. A magnetic carboxylic biocompatible coating was applied to the magnetic nanoparticles and then conjugated to an anti-CA-125 antibody. This antibody is specific to human ovarian cancer cells. Labeled magnetic nanoparticles were introduced into murine tumors and the magnetic moments of the mouse were measured at various time points ranging from one minute to 300 minutes. Particle capture occurred rapidly, with a signal close to the maximum received in the first hour. Temporal dynamics show that nanoparticles remain in the tumors for several hours. Nanoparticles remained in the tumors for at least 5 hours during the course of the experiments. Each of the two tumors absorbed different amounts of nanoparticles. A murine tumor with SK-OV-3 cells exhibited higher magnetic moments than a mouse with NIH-OVCAR-3 tumors, as expected because of the higher number of specific sites for anti-CA-125 antibodies in the first of the above. Nanoparticles did not give a magnetic moment before administration and give a magnetic signal only when attached to something, for example, tumor cells. Experiments have shown that introductions to sites other than the tumor do not give a signal since the particles do not bind to normal cells. After a period of time, the liver begins to show signs of accumulation of these particles as they phagocytose from the system. After these measurements, the mice were euthanized, tumors and other organs were removed and placed under a sensor device to determine the number of nanoparticle injections into the tumor. These measurements are very well consistent with in vivo measurements on a live mouse. Subsequent histology of the tumors showed significant attachment of particles to the tumor cells by staining with Prussian blue to detect iron in magnetic nanoparticles.
[0041) Фотография мыши, используемой для подтверждения того, что SQUID-сенсорный способ применим in vivo, вместе с магнитными контурными полями от этой мыши показана на Фиг.25. Человеческие опухоли показаны на боковых поверхностях мыши; они представляют собой бугорки выше и на боковых сторонах хвоста на Фиг.25. Эти опухоли были получены путем введения живых клеток рака яичника человека в эту мышь с иммунодефицитом в тяжелой стадии и им позволили расти в течение нескольких недель до появления 6-10 мм опухоли. Мыши давали анестезию при помощи трубки через рот в течение всех SQUID-сенсорных экспериментов. Меченые магнитные наночастицы вводили в мышь на этой платформе либо с помощью хвостовой, интерперитонеальной, либо внутриопухолевой инъекций. После инъекций мышь помещали под сенсор, как показано на ФИГ.1, и прилагали намагничивающий импульс, и измеряли полученные магнитные моменты введенных частиц. Как в случае живых раковых клеток моменты не наблюдали, если только частицы не были прикреплены к клеткам в пределах опухолей. В некоторых случаях обе опухоли были клетками SK-OV-3 типа, а в других случаях для развития опухолей у мышей применяли две различные клеточные линии.[0041) A photograph of a mouse used to confirm that the SQUID sensor method is applicable in vivo, together with magnetic contour fields from this mouse, is shown in FIG. 25. Human tumors are shown on the lateral surfaces of the mouse; they are tubercles above and on the sides of the tail in FIG. These tumors were obtained by introducing live human ovarian cancer cells into this severely immunocompromised mouse and were allowed to grow for several weeks until a 6-10 mm tumor appeared. Mice were anesthetized with a tube through the mouth during all SQUID-sensory experiments. Labeled magnetic nanoparticles were injected into the mouse on this platform using either tail, interperitoneal, or intratumoral injection. After injection, the mouse was placed under the sensor, as shown in FIG. 1, and a magnetizing pulse was applied, and the obtained magnetic moments of the introduced particles were measured. As in the case of living cancer cells, no moments were observed, unless the particles were attached to the cells within the tumors. In some cases, both tumors were SK-OV-3 type cells, and in other cases, two different cell lines were used to develop tumors in mice.
[0042] Мышь, помещенную на платформу, показанную на Фиг.5, можно переместить в несколько положений под сенсором для получения большей пространственной информации. Мышь как правило помещали в пять положений платформы под 7-канальным SQUID для получения 35 пространственных локализаций. Магнитные поля на всех положениях затем применяли в коде для решения обратной электромагнитной задачи с помощью теоремы Левенберга-Маркардта для определения местонахождения всех источников магнитных частиц у мыши. Эту информацию затем сравнивали с известной геометрией мыши с фотографий для определения точности и чувствительности для определения местонахождения раковых опухолей в живых животных. Фиг.25 демонстрирует магнитные контурные линии, наблюдаемые для 35 различных измерений. Анализ этих магнитных полей давал в результате пространственные положения опухолей, которые согласовывались с измеренными значениями этих положений; причем SQUID результаты дают более высокую точность, чем физические измерения на приблизительно 3 мм.[0042] A mouse placed on the platform shown in FIG. 5 can be moved to several positions under the sensor to obtain more spatial information. The mouse was typically placed in five positions of the platform under the 7-channel SQUID to obtain 35 spatial locations. Magnetic fields at all positions were then applied in the code to solve the inverse electromagnetic problem using the Levenberg-Markardt theorem to determine the location of all sources of magnetic particles in the mouse. This information was then compared with known mouse geometry from photographs to determine accuracy and sensitivity to locate cancerous tumors in live animals. 25 shows magnetic contour lines observed for 35 different measurements. The analysis of these magnetic fields resulted in the spatial positions of the tumors, which were consistent with the measured values of these positions; moreover, SQUID results give higher accuracy than physical measurements of approximately 3 mm.
[0043] Иллюстративное применение для обнаружения лимфомы Ходжкина. Лимфома Ходжкина (HL) составляет 30% всех лимфом. HL как правило возникает в лимфатических узлах, предпочтительно в шейных отделах, и тимусе; но преимущественно заболевание может вовлекать отдаленные лимфатические узлы, селезенку и костный мозг. Основная часть случаев приходится на молодежь от 15 до 34, а второй пик возникновения имеет место у людей старше 55. В настоящее время для диагностики необходима оценка с помощью биопсии. Хирургическая биопсия имеет осложнения, такие как инфекция и кровотечение, и оценка биопсии как правило занимает 3-5 дней. Таким образом, в случаях HL, и которых масса опухоли является препятствующей обратному кровотоку в сердце (а именно, синдром верхней полой вены, 10% случаев), в ходе этого периода ожидания могут иметь место значительная болезненность и смертность. Были определены некоторые из антител, которые нацеливаются на лимфому Ходжкина; а именно CD15, CD30 и CD25. Последнее антитело, однако, нацеливается на многие клетки и является менее специфичным. Другое применение, где настоящее изобретение может иметь существенное клиническое воздействие, состоит в обнаружении персистирующей HL после терапии. Если пациент, переживающий обострение, подвергается лучевой терапии в высокой дозе, то существует хороший прогноз, если обострение обнаруживается на ранней стадии. Пациенты с обострением будут иметь прогноз, определяемый в первую очередь длительностью первой ремиссии. Персистирование больших фиброзных узлов, особенно в средостении, после терапии приводит к неясности при определении того, присутствует ли персистирующий рак, а хирургия фиброзных узлов чревата сложностью контролирования проблемы с кровотечением и болезненностью для пациента.[0043] Illustrative application for the detection of Hodgkin lymphoma. Hodgkin lymphoma (HL) accounts for 30% of all lymphomas. HL typically occurs in the lymph nodes, preferably in the cervical regions, and the thymus; but predominantly the disease may involve distant lymph nodes, spleen and bone marrow. The majority of cases occur in young people from 15 to 34, and the second peak of occurrence occurs in people over 55. Currently, a biopsy assessment is needed for diagnosis. A surgical biopsy has complications such as infection and bleeding, and a biopsy evaluation usually takes 3-5 days. Thus, in cases of HL, and of which the tumor mass interferes with the return blood flow in the heart (namely, the superior vena cava syndrome, 10% of cases), significant pain and mortality may occur during this waiting period. Some of the antibodies that target Hodgkin's lymphoma have been identified; namely, CD15, CD30 and CD25. The latter antibody, however, targets many cells and is less specific. Another application where the present invention can have a significant clinical effect is the detection of persistent HL after therapy. If a patient experiencing an exacerbation undergoes high-dose radiation therapy, then there is a good prognosis if the exacerbation is detected at an early stage. Patients with exacerbation will have a prognosis, determined primarily by the duration of the first remission. The persistence of large fibrous nodes, especially in the mediastinum, after therapy leads to confusion in determining whether persistent cancer is present, and surgery for fibrous nodes is fraught with the difficulty of controlling the bleeding problem and pain for the patient.
[0044] Релаксометрический способ настоящего изобретения может обеспечить количественную оценку числа лимфомных клеток, присутствующих в органах, пораженных болезнью Ходжкина, таких как тимус и селезенка. RS-клетки являются гигантскими клетками, происходящими от В-лимфоцитов, которые содержат миллионы рецепторов CD30 и CD15. Предыдущие результаты с SQUID-сенсорами, нацеливающимися на Т-клеточные лимфоциты, показали, что для меньших клеток к каждой Т-клетке могут быть прикреплены приблизительно миллион наночастиц. Стерическое несоответствие ограничивает число наночастиц, прикрепленных к нормальному лимфоциту, но намного большие RS клетки могут иметь в 25-50 раз больше связанных наночастиц. Количество железа на наночастицу составляет 4,4×10-6 нг/наночастицу. Учитывая большой размер RS-клеток, может быть несколько миллионов наночастиц на клетку, так что каждая клетка может иметь до 10 нг железа. Сто RS-клеток, накопленных в селезенке или тимусе, могут содержать микрограмм железа. Менее микрограмма является достаточным для SQUID-обнаружения, следовательно, вероятна возможность обнаружения 100 RS-клеток. Измеренная амплитуда остаточной намагниченности меченых антителом наночастиц in vivo может обеспечить важный диагностический инструмент при лимфомном раке. Сила сигнала зависит от плотности антигенов на клеточных поверхностях опухоли, и, таким образом, сила поля, производимого наночастицами, является пропорциональной численной плотности антигенных сайтов на лимфомных клетках. Можно определить число частиц и плотность с тем, чтобы получить амплитуду обнаруживаемого магнитного поля. Эту информацию можно использовать при планировании in vivo обнаружения, а также в качестве вспомогательной при выборе наночастиц для применения. SQUID-сенсор является оптимальной сенсорной системой для болезни Ходжкина с большой чувствительностью к RS-клеткам, и in vivo обнаружения заболевания без биопсии, и возможности отслеживать лечение заболевания в ходе химиотерапии.[0044] The relaxometric method of the present invention can provide a quantitative estimate of the number of lymphoma cells present in organs affected by Hodgkin's disease, such as thymus and spleen. RS cells are giant cells derived from B lymphocytes that contain millions of CD30 and CD15 receptors. Previous results with SQUID sensors targeting T-cell lymphocytes have shown that for smaller cells, approximately one million nanoparticles can be attached to each T-cell. Steric mismatch limits the number of nanoparticles attached to a normal lymphocyte, but much larger RS cells can have 25-50 times more bound nanoparticles. The amount of iron per nanoparticle is 4.4 × 10 -6 ng / nanoparticle. Given the large size of the RS cells, there may be several million nanoparticles per cell, so that each cell can have up to 10 ng of iron. One hundred RS cells accumulated in the spleen or thymus may contain micrograms of iron. Less than a microgram is sufficient for SQUID detection, hence the possibility of detecting 100 RS cells is likely. The measured amplitude of the remanent magnetization of antibody-labeled nanoparticles in vivo may provide an important diagnostic tool for lymphoma cancer. The signal strength depends on the density of antigens on the cell surfaces of the tumor, and thus, the strength of the field produced by the nanoparticles is proportional to the numerical density of the antigenic sites on the lymphoma cells. You can determine the number of particles and density in order to obtain the amplitude of the detected magnetic field. This information can be used in planning in vivo detection, and also as an aid in the selection of nanoparticles for use. The SQUID sensor is the optimal sensor system for Hodgkin's disease with high sensitivity to RS cells, and in vivo detection of the disease without biopsy, and the ability to track the treatment of the disease during chemotherapy.
[0045] Фиг.26 представляет собой график измерения магнитного момента в SQUID-сенсорной системе как функции от времени для инкубации прикрепляющихся магнитных наночастиц (от Ocean Nanotech) к лимфомным клеточным линиям. На магнитные наночастицы нанесли карбоксильное биологически совместимое покрытие и затем их конъюгировали с антителом к CD34. Это антитело является специфическим к одному типу лимфомных клеток, а именно, острой лимфоматической лейкемии у людей. Меченые магнитные наночастицы внесли в ампулы, содержащие живые раковые клетки, и измерили магнитные моменты ампулы в различные моменты времени в диапазоне от одной минуты до 16 минут. Нулевой момент времени представляет собой магнитный момент ампулы с наночастицами до добавления к клеткам. Отсутствие магнитного момента для несмешанных частиц в нулевой момент времени показывает, что несвязанные частицы не дают магнитный сигнал с данным способом SQUID-визуализации. При смешивании с клетками магнитные моменты быстро возрастают и насыщаются, показывая, что клетки собрали на своих поверхностях максимальное число возможных наночастиц за одну-две минуты. Верхняя кривая представлена для лимфомной раковой клеточной линии U937, которая, как известно, очень специфична для антитела к CD34, и большая величина магнитного сигнала подтверждает это. Нижняя кривая представлена для той же клеточной линии, но неспецифического маркера, BSA, и показывает существенно меньшие магнитные моменты после инкубации. Наличие магнитного момента для BSA является признаком некоторого фагоцитоза этих клеток, при котором наночастицы проникают в клетки. U937 представляет собой лимфому Т-лимфоцитов, a RS представляет собой лимфому В-лимфоцитов. Поскольку одной из основных целей лимфоцитов является захват частиц, которые не принадлежат организму, то это количество неспецифичности является ожидаемым. Эти результаты демонстрируют специфичность антитела к целевым раковым клеткам и подтверждают, что только связанные частицы дают магнитные моменты. Этот результат не наблюдается для других способов, таких как MRI, который видит все частицы, связанные или несвязанные.[0045] FIG. 26 is a graph of magnetic moment measurements in an SQUID sensor system as a function of time for incubating attachable magnetic nanoparticles (from Ocean Nanotech) to lymphoma cell lines. A biocompatible carboxylic coating was applied to the magnetic nanoparticles and then conjugated to an anti-CD34 antibody. This antibody is specific for one type of lymphoma cell, namely, acute lymphatic leukemia in humans. Labeled magnetic nanoparticles were introduced into ampoules containing live cancer cells, and the magnetic moments of the ampoule were measured at various points in time ranging from one minute to 16 minutes. The zero point in time is the magnetic moment of the ampoule with nanoparticles before being added to the cells. The absence of a magnetic moment for unmixed particles at time zero indicates that unbound particles do not produce a magnetic signal with this SQUID imaging method. When mixed with cells, the magnetic moments increase rapidly and become saturated, indicating that the cells collected on their surfaces the maximum number of possible nanoparticles in one to two minutes. The upper curve is presented for the U937 lymphoma cancer cell line, which is known to be very specific for the anti-CD34 antibody, and a large magnetic signal confirms this. The lower curve is presented for the same cell line, but a non-specific marker, BSA, and shows significantly lower magnetic moments after incubation. The presence of a magnetic moment for BSA is a sign of some phagocytosis of these cells, in which nanoparticles penetrate into the cells. U937 is a lymphoma of T-lymphocytes, and RS is a lymphoma of B-lymphocytes. Since one of the main goals of lymphocytes is to capture particles that do not belong to the body, this amount of nonspecificity is expected. These results demonstrate the specificity of the antibody for target cancer cells and confirm that only bound particles give magnetic moments. This result is not observed for other methods, such as MRI, which sees all particles bound or unbound.
[0046] Образцы RS-клеток получили из фонда Тканевого банка (Tissue Bank facility) при Университете Нью-Мехико (University of New Mexico), национальной организации для хранения клеток и множества образцов. Эффективность SQUID-сенсорной системы для обнаружения RS-клеток сравнивали с числом RS клеток в образце, определенным путем гематоцитометрических подсчетов вручную. Эти выделенные RS-клетки метили наночастицами, специфично связанными с CD15 и CD30 в ходе процедуры выделения. Калибровку чувствительности проводили путем серийного разведения в диапазоне 1 в 10 до 1 в 100000 клеток. Диапазоны плотности наночастиц на злокачественных клетках превышали 107 наночастиц/клетку. Плотность сайтов CD15 определяют, используя технику проточной цитометрии, которая подсчитывает рецепторы/клетку. Число CD15- и СD30-сайтов/клетку подтверждали, используя количественную технику иммунофлюоресцентного окрашивания. [0046] Samples of RS cells were obtained from the Tissue Bank facility of the University of New Mexico, a national organization for storing cells and multiple samples. The effectiveness of the SQUID sensor system for detecting RS cells was compared with the number of RS cells in the sample, determined by manual hematocytometric counts. These isolated RS cells were labeled with nanoparticles specifically bound to CD15 and CD30 during the isolation procedure. Sensitivity calibration was performed by serial dilution in the range of 1 in 10 to 1 in 100,000 cells. Density ranges of nanoparticles on malignant cells exceeded 107 nanoparticles / cell. The density of CD15 sites is determined using flow cytometry technique that counts receptors / cell. The number of CD15 and CD30 sites / cell was confirmed using a quantitative immunofluorescence staining technique.
[0047] Фиг.27 представляет собой иллюстрацию результатов измерений проточной цитометрии RS-клеток из лимфатической системы при определении числа мест, доступных для наночастиц и обнаружения SQUID-сенсорами. Фиг.27А представляет собой фотографию, на которой показан морфологический вид RS-клеток, выделенных из образца лимфатического узла. Фиг.27 В демонстрирует анализ проточной цитометрии образца костного мозга, где (В1) представляет собой до, а (В2) после проведения процедуры обогащения для увеличения частоты RS-клеток в образце для проточной цитометрии. В норме RS-клетки возникают с частотой 1 в 104 или 105 нормальных лимфоцитах и должны быть увеличены до применения CD15- и СD30-окрашивания с помощью проточной цитометрии для возможности обнаружения. SQUID-сенсорная система обнаруживает все RS-клетки in vivo и не нуждается во взятии образца, следовательно, усиление не является необходимым, как необходимо при определениях с помощью проточной цитометрии.[0047] FIG. 27 is an illustration of measurement results of flow cytometry of RS cells from the lymphatic system when determining the number of sites available for nanoparticles and detection by SQUID sensors. 27A is a photograph showing a morphological view of RS cells isolated from a lymph node sample. 27B shows a flow cytometry analysis of a bone marrow sample, where (B1) is before and (B2) after the enrichment procedure to increase the frequency of RS cells in a flow cytometry sample. Normally, RS cells arise with a frequency of 1 in 104 or 105 normal lymphocytes and should be increased before CD15 and CD30 staining using flow cytometry for detection. The SQUID-sensory system detects all RS cells in vivo and does not need to be sampled; therefore, amplification is not necessary, as is necessary for determination by flow cytometry.
[0048] Лимфатические узлы являются одним из основных мест, где накапливаются RS-клетки, помимо тимуса. Фиг.28 представляет собой гистологический срез от пациента с болезнью Ходжкина. RS-клетки были окрашены иммунопероксидазным окрашиванием. Антитело CD15 показано справа, а антитело CD30 - слева. Окружающие клетки являются незлокачественными клетками в лимфатическом узле. SQUID-сенсор может обнаруживать несколько сотен этих меченых RS-клеток в лимфатическом узле.[0048] Lymph nodes are one of the main places where RS cells accumulate, in addition to the thymus. Fig. 28 is a histological section from a patient with Hodgkin's disease. RS cells were stained with immunoperoxidase staining. The CD15 antibody is shown on the right, and the CD30 antibody is shown on the left. The surrounding cells are non-cancerous cells in the lymph node. The SQUID sensor can detect several hundred of these labeled RS cells in the lymph node.
[0049] Иллюстративное применение для обнаружения рака простаты. Рак простаты имеет высокий уровень смертности из-за отсутствия раннего обнаружения с помощью стандартных скрининговых методик. Число случаев за 2009 год в США составило 192280 с 27360 смертельными случаями. Рак простаты составляет 9% смертей мужчин и сейчас существует 1 на 6 вероятность развития рака простаты в течение жизни. Заболевание обычно не обнаруживают, пока оно не вызвало увеличения простаты, проблем с мочеиспусканием или распространилось на другие органы. Бессимптомное обнаружение заболевания обычно осуществляют с помощью цифрового исследования, результата теста на повышенный PSA (специфического антигена простаты) или биопсии. Тест на PSA сейчас считают ненадежным, приводящим ко многим ненужным биопсиям, которые сопровождаются опасностью инфицирования. Цифровое исследование также является высоко субъективным. Тестирование на рак простаты является очень спорным. Затраты на тесты на PSA только в США превышают 3 миллиарда долларов, а недавнее исследование, опубликованное в New England Journal of Medicine, выявило, что современные способы скрининга не снижают уровень смертности у мужчин старше 55 лет. Настоящее изобретение может обнаруживать этот рак до того, как он метастазировал.[0049] Illustrative application for the detection of prostate cancer. Prostate cancer has a high mortality rate due to the lack of early detection using standard screening techniques. The number of cases in 2009 in the United States was 192280 with 27360 deaths. Prostate cancer accounts for 9% of male deaths and there is now a 1 in 6 chance of developing prostate cancer over the course of a lifetime. The disease is usually not detected until it causes an enlarged prostate, problems with urination, or spreads to other organs. Asymptomatic detection of the disease is usually carried out using a digital study, the result of an elevated PSA test (prostate specific antigen) or a biopsy. The PSA test is now considered unreliable, leading to many unnecessary biopsies that are associated with a risk of infection. Digital research is also highly subjective. Testing for prostate cancer is very controversial. PSA testing costs more than $ 3 billion in the US alone, and a recent study published in the New England Journal of Medicine found that modern screening methods do not reduce mortality in men over 55. The present invention can detect this cancer before it metastasizes.
[0050] Иллюстративный способ обнаружения рака простаты в ткани включает помещение пациента на платформу для измерения сенсорного устройства сверхпроводящего квантового интерференционного датчика; введение множества меченых антителом магнитных наночастиц в пациента для специфического связывания с тканью пациента; воздействие однородным намагничивающим импульсным полем для намагничивания наночастиц, введенных в пациента; и обнаружение остаточного магнитного поля намагниченных наночастиц, тем самым, получая изображение наночастиц, связанных с тканью пациента. Ткань может включать ткань простаты, а меченые антителом магнитные наночастицы могут специфически связываться с антигенами клеток рака простаты. Меченая антителом магнитная наночастица может содержать магнитный сердечник, покрытый биологически совместимым покрытием, к которому прикреплены специфические антитела. Например, магнитный сердечник может содержать ферромагнитный материал, такой как оксид железа. Например, биологически совместимое покрытие может содержать декстран, карбоксил или амин. Для обнаружения рака простаты специфическое антитело может приставлять собой антитело к PSMA.[0050] An exemplary method for detecting prostate cancer in tissue includes placing a patient on a platform for measuring a sensor device of a superconducting quantum interference sensor; introducing a plurality of antibody-labeled magnetic nanoparticles into the patient for specific binding to the patient’s tissue; exposure to a uniform magnetizing pulsed field to magnetize nanoparticles introduced into a patient; and detecting a residual magnetic field of magnetized nanoparticles, thereby obtaining an image of the nanoparticles bound to the patient’s tissue. The tissue may include prostate tissue, and antibody-labeled magnetic nanoparticles can specifically bind to antigens of prostate cancer cells. An antibody-labeled magnetic nanoparticle may comprise a magnetic core coated with a biocompatible coating to which specific antibodies are attached. For example, the magnetic core may contain ferromagnetic material, such as iron oxide. For example, the biocompatible coating may contain dextran, carboxyl, or amine. To detect prostate cancer, a specific antibody may be an anti-PSMA antibody.
[0051] Специфический для простаты мембранный антиген (PSMA) является трансмембранным гликопротеином, который сильно экспрессируется большинством форм рака простаты. Его также называют mAb 7Е11. Он экспрессируется на поверхности сосудистого эндотелия опухоли солидных карцином, но не на нормальных клетках простаты. Количество PSMA, наблюдаемого при раке простаты, указывает на тяжесть или степень опухоли. Проточная цитометрия показала, что существует большие количества рецепторных сайтов для этого антитела на некоторых клеточных линиях рака простаты, включая LNCaP и РС-3, тогда как PSMA-отрицательная клеточная линия DU-145 не показывает какой-либо экспрессии.[0051] Prostate-specific membrane antigen (PSMA) is a transmembrane glycoprotein that is highly expressed by most forms of prostate cancer. It is also called mAb 7E11. It is expressed on the surface of the vascular endothelium of a solid carcinoma tumor, but not on normal prostate cells. The amount of PSMA observed in prostate cancer indicates the severity or extent of the tumor. Flow cytometry showed that there are large numbers of receptor sites for this antibody on some prostate cancer cell lines, including LNCaP and PC-3, while the PSMA-negative cell line DU-145 does not show any expression.
Результаты прикрепления магнитных наночастиц к этим положительным клеточным линиям демонстрируют один миллион или более наночастиц на клетку. Эти результаты являются сопоставимыми с результатами для рака яичника и молочной железы в отношении наночастиц на клетку и глубин опухолей в организме, и биомагнитные способы обнаружения с применением SQUID-сенсоров будут иметь такую же чувствительность к раку простаты, как и к раку яичника (описанную в одной или нескольких из родственных заявок, включенных ссылкой выше). Результаты исследований на раке яичника могут, таким образом, быть напрямую применены для обнаружения и определения местонахождения рака простаты. По сравнению с антителом к СА-125 для рака яичника PSMA является даже более специфическим для in vivo стратегий для специфического нацеливания на простату.The results of attaching magnetic nanoparticles to these positive cell lines show one million or more nanoparticles per cell. These results are comparable to those for ovarian and breast cancer with respect to nanoparticles per cell and tumor depths in the body, and biomagnetic detection methods using SQUID sensors will have the same sensitivity to prostate cancer as to ovarian cancer (described in one or several of the related applications included in the link above). The results of studies on ovarian cancer can thus be directly applied to detect and locate prostate cancer. Compared to the anti-CA-125 antibody for ovarian cancer, PSMA is even more specific for in vivo strategies for specifically targeting the prostate.
[0052] SQUID-сенсорный способ может обеспечить количественную оценку микрососудистой структуры в опухолях, приводящую к новому заменителю для образования сосудов (ангиогенеза) и градации отдельной опухоли. Было показано в исследовании микрососудистой характеристики опухоли в экспериментальной модели рака простаты с помощью наночастиц, что рост и агрессивность/стадия опухоли имеют непосредственную связь с неоваскуляризацией опухоли. Другие исследования оценивают концентрацию магнитных частиц в опухоли как равную приблизительно 2,3 мг наночастиц на грамм ткани. Эта концентрация обычно достигается в опухолях пациентов с раком печени человека, получающих лечение посредством внутрипеченочных артериально вводимых радиоактивных микросфер; наночастицы имеют тенденцию концентрироваться в кольце роста сосудов опухоли. Менее нанограмма является достаточным для SQUID-обнаружения. Измеренная амплитуда остаточной намагниченности меченых антителом наночастиц in vivo может обеспечивать важный диагностический инструмент рака простаты. Сила сигнала зависит от плотности антигенов на клеточных поверхностях опухоли и, таким образом, сила поля, произведенного наночастицами, является пропорциональной численной плотности антигенных сайтов на клетках опухоли простаты. Таким образом, число и плотность частиц обеспечивают амплитуду обнаруживаемого магнитного поля. Эту информацию можно затем использовать при планировании in vivo, а также в качестве вспомогательной при выборе наночастиц для применения.[0052] The SQUID-sensory method can provide a quantitative assessment of the microvascular structure in tumors, leading to a new substitute for vascular formation (angiogenesis) and gradation of a single tumor. It was shown in a study of the microvascular characteristics of a tumor in an experimental model of prostate cancer using nanoparticles that growth and aggressiveness / stage of the tumor are directly related to neovascularization of the tumor. Other studies estimate the concentration of magnetic particles in the tumor as approximately 2.3 mg of nanoparticles per gram of tissue. This concentration is usually achieved in tumors of patients with human liver cancer receiving treatment through intrahepatic arterially administered radioactive microspheres; nanoparticles tend to concentrate in the tumor vessel growth ring. Less than a nanogram is sufficient for SQUID detection. The measured in vivo residual magnetization amplitude of antibody-labeled nanoparticles can provide an important diagnostic tool for prostate cancer. The signal strength depends on the density of antigens on the cell surfaces of the tumor and, thus, the strength of the field produced by the nanoparticles is proportional to the numerical density of antigenic sites on the cells of the prostate tumor. Thus, the number and density of particles provide the amplitude of the detected magnetic field. This information can then be used in in vivo planning, and also as an aid in the selection of nanoparticles for use.
[0053] Иллюстративное применение для обнаружения глиобластомы. Рак мозга является особенно смертельным и возникает в ряде форм. Рак, вовлекающий глиальные клетки, является наиболее распространенной формой и также наиболее агрессивной опухолью мозга у людей. Могут быть вовлечены различные глиальные клетки, вызывая рак по типу олигодендроглиомы (вовлекающий олигодендроциты), астроцитомы (вовлекающий астроциты) и глиобластомы. Последняя является наиболее часто встречающейся формой рака мозга. Эти типы рака обычно приводят к смерти за очень короткий промежуток времени. На глиабластомные клетки можно нацелить с помощью маркеров, таких как антитела к EGFR, 81С6 и PTN, которые можно применять для визуализации этого типа рака. Мышиные модели и клеточные линии рака мозга, такие как U-251, доступны для тестирования перед применениями на людях.[0053] Illustrative application for the detection of glioblastoma. Brain cancer is particularly deadly and occurs in a number of forms. Cancer involving glial cells is the most common form and also the most aggressive brain tumor in humans. Various glial cells may be involved, causing cancer of the type oligodendrogliomas (involving oligodendrocytes), astrocytomas (involving astrocytes), and glioblastomas. The latter is the most common form of brain cancer. These types of cancer usually lead to death in a very short amount of time. Gliablastoma cells can be targeted using markers, such as antibodies to EGFR, 81C6 and PTN, which can be used to visualize this type of cancer. Mouse models and brain cancer cell lines, such as U-251, are available for testing before human use.
[0054] Важным моментом при нацеливании на рак мозга является доставка через гематоэнцефалический барьер наночастиц с прикрепленными маркерами. Этот барьер в некоторой степени является открытым в сосудистой системе, связанной со злокачественными опухолями, но все еще остается препятствием. Применение наночастиц, покрытых липофильными поверхностями и затем конъюгированных с антителами или пептидами, увеличивает способность пересекать барьер. Дополнительно, наночастицу с маркерами можно инкапсулировать в полимерную оболочку с липосомной поверхностью в мицелле, что является другим подходом, и высвобождающую конъюгированные наночастицы из полимера после попадания в мозг с помощью приложения слабонагревающих РЧ или ультразвукового импульса.[0054] An important point in targeting brain cancer is the delivery of nanoparticles with attached markers through the blood-brain barrier. This barrier is to some extent open in the vascular system associated with malignant tumors, but still remains an obstacle. The use of nanoparticles coated with lipophilic surfaces and then conjugated to antibodies or peptides increases the ability to cross the barrier. Additionally, the nanoparticles with markers can be encapsulated in a polymer shell with a liposome surface in a micelle, which is a different approach, and releasing conjugated nanoparticles from the polymer after entering the brain using a low-temperature RF or ultrasound pulse.
[0055] Иллюстративный способ обнаружения рака мозга включает помещение пациента на платформу для измерения сенсорного устройства с сверхпроводящим квантовым интерференционным датчиком; введение множества меченых антителом магнитных наночастиц в пациента со специфическим связыванием с опухолью мозга у пациента; воздействие однородного намагничивающего импульсного поля с намагничиванием наночастиц, введенных в пациента; и обнаружение остаточного магнитного поля намагниченных наночастиц, тем самым обеспечивая визуализацию наночастиц, связанных с тканью пациента. Мишенью является опухоль мозга, и меченые антителом магнитные наночастицы могут специфически связываться с антигенами клеток рака мозга. Меченая антителом магнитная наночастица может содержать магнитный сердечник, покрытый биологически совместимым покрытием, к которому прикреплены специфические антитела. Например, магнитный сердечник может включать ферромагнитный материал, такой как оксид железа. Например, биологически совместимое покрытие может включать декстран, карбоксил или амин. Для обнаружения глиобластом специфическое антитело может быть EGFR или подобным антителом.[0055] An exemplary method for detecting brain cancer includes placing a patient on a platform for measuring a sensor device with a superconducting quantum interference sensor; introducing a plurality of antibody-labeled magnetic nanoparticles into a patient with specific binding to a brain tumor in a patient; exposure to a uniform magnetizing pulsed field with the magnetization of nanoparticles introduced into a patient; and detecting a residual magnetic field of magnetized nanoparticles, thereby providing visualization of the nanoparticles associated with the patient’s tissue. The target is a brain tumor, and antibody-labeled magnetic nanoparticles can specifically bind to brain cancer cell antigens. An antibody-labeled magnetic nanoparticle may comprise a magnetic core coated with a biocompatible coating to which specific antibodies are attached. For example, a magnetic core may include a ferromagnetic material, such as iron oxide. For example, a biocompatible coating may include dextran, carboxyl, or amine. To detect glioblastoma, the specific antibody may be EGFR or a similar antibody.
[0056] EGFR ангиогенеза имеет несколько форм и является вариантом рецептора эпидермального фактора роста (EGFR), который сверхэкспрессируется некоторыми типами раковых клеток, включая клетки глиобластомы, но не нормальными клетками. EGFR в настоящее время подвергается иммунотерапевтическим клиническим исследованиям пациентов с диагностированной глиобластомой. Его можно конъюгировать с магнитными наночастицами, приемлемыми для обнаружения с помощью магнитной релаксометрии, и вводить в организм. Эти магнитные наночастицы могут включать покрытие, такое как полиэтиленгликоль (PEG), которое будет повышать эффективность нацеленных наночастиц для проникновения через гематоэнцефалический барьер. В другом иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения магнитные наночастицы с прикрепленными маркерами могут содержаться внутри полимерных покрытий, которые способны проникать через гематоэнцефалический барьер и затем высвобождаться при применении небольшого РЧ нагревательного импульса или использовании ультразвука. Результаты прикрепления этих пептидов ангиогенеза к магнитным наночастицам и прикрепления их к клеткам являются сопоставимыми с применением других результатов для антител рака яичника и молочной железы в отношении наночастиц на клетку и глубин опухолей в организме. Биомагнитные способы обнаружения с применением систем, таких как SQUID-сенсоры, будут обладать такой же чувствительностью в отношении рака мозга, как и рака яичника (описаны в одной или нескольких из родственных заявок, включенных по ссылке выше). Результаты исследований на раке молочной железы и раке яичника могут, таким образом, быть напрямую применены к обнаружению и определению местонахождения рака мозга.[0056] EGFR angiogenesis takes several forms and is a variant of the epidermal growth factor receptor (EGFR), which is overexpressed by certain types of cancer cells, including glioblastoma cells, but not normal cells. EGFR is currently undergoing immunotherapeutic clinical trials for patients diagnosed with glioblastoma. It can be conjugated to magnetic nanoparticles suitable for detection using magnetic relaxometry, and introduced into the body. These magnetic nanoparticles may include a coating, such as polyethylene glycol (PEG), which will increase the effectiveness of the targeted nanoparticles to penetrate the blood-brain barrier. In another illustrative embodiment of the present invention, magnetic nanoparticles with attached markers may be contained within polymer coatings that are able to penetrate the blood-brain barrier and then release when a small RF heating pulse is used or ultrasound is used. The results of the attachment of these angiogenesis peptides to magnetic nanoparticles and their attachment to cells are comparable to other results for ovarian and breast cancer antibodies with respect to nanoparticles per cell and the depths of tumors in the body. Biomagnetic detection methods using systems such as SQUID sensors will have the same sensitivity to brain cancer as ovarian cancer (described in one or more of the related applications incorporated by reference above). The results of studies on breast and ovarian cancer can thus be directly applied to the detection and location of brain cancer.
[0057] Иллюстративное применение для обнаружения рака поджелудочной железы. Ряд опухолевых маркеров присутствуют при раке поджелудочной железы. СА19-9 является одним примером маркера, уровень которого повышается при этом раке, но он является не очень чувствительным (77%) и неспецифическим (87%). Комбинации маркеров были предложены центром изучения рака при техасском университете (M.D. Anderson Cancer Center) и их исследовали для скрининга рака поджелудочной железы. Эти маркеры представляют собой микроРНК и включают miR-21, MiR-210, miR-155 и miR-196a. Однако эта комбинация также достигает лишь низкой чувствительности (64%), но большей специфичности (89%), чем СА19-9. Дополнительно, был определен ряд антител к определенным клеточным линиям рака поджелудочной железы человека, например клеточная линия FG, и они включают S3-15, S3-23, S3-41, S3-60, S3-110 и S3-53. Другой маркер определения представляет собой рецептор урокиназного активатора плазминогена (uPAR), который экспрессируется на высоком уровне при раке поджелудочной железы и также в опухолевых стромальных клетках. Последний маркер применяли для доставки магнитных наночастиц к типам рака поджелудочной железы, выращенным в виде ксенотрансплантатов в бестимусных мышах. Эти маркеры привели к обнаружению с помощью MRI опухолей у мышей при использовании в качестве меченых контрастных средств. Механизм в первую очередь представляет доставку наночастиц к опухолевым эндотелиальным клеткам.[0057] Illustrative application for the detection of pancreatic cancer. A number of tumor markers are present in pancreatic cancer. CA19-9 is one example of a marker whose level rises with this cancer, but it is not very sensitive (77%) and non-specific (87%). Marker combinations were proposed by the University of Texas Cancer Research Center (M.D. Anderson Cancer Center) and were investigated for screening for pancreatic cancer. These markers are miRNAs and include miR-21, MiR-210, miR-155 and miR-196a. However, this combination also achieves only low sensitivity (64%), but greater specificity (89%) than CA19-9. Additionally, a series of antibodies to specific human pancreatic cancer cell lines has been determined, for example, the FG cell line, and these include S3-15, S3-23, S3-41, S3-60, S3-110 and S3-53. Another marker of determination is the urokinase plasminogen activator receptor (uPAR), which is highly expressed in pancreatic cancer and also in tumor stromal cells. The latter marker was used to deliver magnetic nanoparticles to pancreatic cancer types grown as xenografts in athymic mice. These markers led to MRI detection of tumors in mice when used as labeled contrast agents. The mechanism primarily represents the delivery of nanoparticles to tumor endothelial cells.
[0058] Не существует надежных подходов визуализации для диагностики рака поджелудочной железы. Таким образом, разработка биомаркеров в качестве нацеленного средства визуализации для MRI или обеспечения более чувствительной методики магнитной релаксометрии является значительным преимуществом. MRI может обнаруживать небольшие аномалии в опухолях и также пригоден при определении того, метастазировал ли рак. MRI с динамическим контрастированием (DCE) потенциально различает доброкачественные и злокачественные опухоли, но производит ряд ложноположительных результатов. Высокая стоимость MRI ограничивает его применение в качестве инструмента скрининга. Визуализация опухолей с помощью MRI часто использует магнитные наночастицы в качестве контрастных средств, как упоминалось выше, и является принятым протоколом, обеспечивающим стандарты для введения таких наночастиц. Внутрисосудистые MRI-контрастные средства в дозе 2 мг/кг веса наночастиц применяли для обнаружения метастатических поражений. Однако применение MRI при раке поджелудочной железы сильно ограничено.[0058] There are no reliable imaging approaches for diagnosing pancreatic cancer. Thus, the development of biomarkers as a targeted visualization tool for MRI or providing a more sensitive magnetic relaxometry technique is a significant advantage. MRI can detect small abnormalities in tumors and is also useful in determining whether cancer has metastasized. Dynamic Contrast MRI (DCE) potentially distinguishes between benign and malignant tumors, but produces a series of false positive results. The high cost of MRI limits its use as a screening tool. MRI imaging of tumors often uses magnetic nanoparticles as contrast agents, as mentioned above, and is an accepted protocol that provides standards for the introduction of such nanoparticles. Intravascular MRI contrast agents at a dose of 2 mg / kg of nanoparticle weight were used to detect metastatic lesions. However, the use of MRI in pancreatic cancer is severely limited.
[0059] Данное изобретение может обеспечивать количественную оценку микрососудистой структуры в опухолях, приводящую к новому заменителю для образования сосудов (ангиогенеза) и градации отдельной опухоли. Результатами исследования микрососудистой характеристики опухоли в экспериментальной модели рака поджелудочной железы с применением наночастиц было показано, что рост опухоли и агрессивность/стадия имеют прямое отношение к неоваскуляризации опухоли. Другие исследования оценивают концентрацию магнитных частиц в опухоли как равную около 2,3 мг наночастиц на грамм ткани. Эта концентрация регулярно достигается в опухолях пациентов с раком печени человека, получающих лечение посредством внутрипеченочных артериально вводимых радиоактивных микросфер; наночастицы имеют тенденцию концентрироваться в кольце роста сосудов опухоли. Для обнаружения с помощью настоящего изобретения достаточно нанограммов. Измеренная амплитуда остаточной намагниченности меченных антителом наночастиц in vivo может обеспечивать важный диагностический инструмент при раке поджелудочной железы. Сила сигнала зависит от плотности антигенов на поверхности опухолевых клеток и, следовательно, напряженность поля, образуемого наночастицами, является пропорциональной численной плотности антигенных сайтов на опухолевых клетках поджелудочной железы. Число частиц и плотность можно определить с обеспечением амплитуды обнаруженного магнитного поля. Эта информация может использоваться в планировании обнаружения in vivo, а также для содействия в выборе наночастиц для применения. Примеры клеточных линий рака поджелудочной железы включают FG или MIA РаСа-2, которые, как известно, являются специфичными в отношении антитела к uPAR.[0059] The present invention can provide a quantitative assessment of the microvascular structure in tumors, leading to a new substitute for vascular formation (angiogenesis) and gradation of a single tumor. The results of a study of the microvascular characteristics of a tumor in an experimental model of pancreatic cancer using nanoparticles showed that tumor growth and aggressiveness / stage are directly related to tumor neovascularization. Other studies estimate the concentration of magnetic particles in the tumor as equal to about 2.3 mg of nanoparticles per gram of tissue. This concentration is regularly achieved in tumors of patients with human liver cancer receiving treatment through intrahepatic arterially administered radioactive microspheres; nanoparticles tend to concentrate in the tumor vessel growth ring. Nanograms are sufficient for detection using the present invention. The measured amplitude of the remanent magnetization of antibody-labeled nanoparticles in vivo may provide an important diagnostic tool for pancreatic cancer. The signal strength depends on the density of antigens on the surface of the tumor cells and, therefore, the field strength formed by the nanoparticles is proportional to the numerical density of the antigenic sites on the tumor cells of the pancreas. The number of particles and density can be determined by providing the amplitude of the detected magnetic field. This information can be used in planning for in vivo detection, as well as to assist in the selection of nanoparticles for use. Examples of pancreatic cancer cell lines include FG or MIA PaCa-2, which are known to be specific for an anti-uPAR antibody.
[0060] Настоящее изобретение было описано, как изложено в данном документе, в отношении различных иллюстративных вариантов осуществления и проектных решений. Будет понятно, что приведенное выше описание является исключительно иллюстративным для применений принципов настоящего изобретения, объем которых определяется формулой изобретения, рассматриваемой в свете описания изобретения. Другие варианты и модификации изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники.[0060] The present invention has been described, as set forth herein, in relation to various illustrative embodiments and design decisions. It will be understood that the foregoing description is illustrative only for applications of the principles of the present invention, the scope of which is defined by the claims considered in light of the description of the invention. Other variations and modifications of the invention will be apparent to those skilled in the art.
Claims (21)
a) намагничивающую подсистему, сконфигурированную для намагничивания наночастиц, которые связаны с одним или несколькими заданными типами раковых клеток или биологических веществ у пациента; и
b) сенсорную подсистему, сконфигурированную для обнаружения остаточного магнитного поля в области пациента после того, как несвязанные наночастицы вернутся к случайной намагниченности, и в течение времени перехода связанных наночастиц от однородной к случайной намагниченности, и
c) систему управления и анализа, сконфигурированную для анализа остаточного магнитного поля для обнаружения, измерения или определения местонахождения одного или нескольких заданных типов раковых клеток или биологических веществ у пациента.1. Device for detecting, measuring or determining the location of one or more specified types of cancer cells or biological substances in vivo, containing:
a) a magnetizing subsystem configured to magnetize nanoparticles that are associated with one or more specified types of cancer cells or biological substances in a patient; and
b) a sensory subsystem configured to detect a residual magnetic field in a patient region after the unbound nanoparticles return to random magnetization, and during the transition time of the bound nanoparticles from uniform to random magnetization, and
c) a control and analysis system configured to analyze the residual magnetic field to detect, measure or locate one or more specified types of cancer cells or biological substances in a patient.
a) обеспечение наличия устройства по п. 1;
b) помещение множества нацеленных наночастиц в пациента, где каждая из множества нацеленных наночастиц включает парамагнитную наночастицу, конъюгированную с нацеливающим средством, которое предпочтительно связывается с одним или несколькими заданными типами раковых клеток или биологических веществ;
c) применение намагничивающей подсистемы для намагничивания наночастиц;
d) применение сенсорной подсистемы для обнаружения остаточного магнитного поля в области пациента в течение времени после затухания результирующих магнитных моментов наночастиц, не связанных с раковыми клетками или биологическими веществами, и до затухания магнитных моментов наночастиц, связанных с раковыми клетками или биологическими веществами, и
e) применение системы управления и анализа для анализа остаточного магнитного поля для обнаружения, измерения или определения местонахождения одного или нескольких заданных типов раковых клеток или биологических веществ.11. A method for detecting, measuring or locating one or more specified types of cancer cells or biological substances in vivo, including:
a) ensuring the availability of the device according to claim 1;
b) placing a plurality of targeted nanoparticles in a patient, wherein each of the plurality of targeted nanoparticles comprises a paramagnetic nanoparticle conjugated to a targeting agent that preferably binds to one or more predetermined types of cancer cells or biological substances;
c) the use of a magnetizing subsystem to magnetize nanoparticles;
d) the use of a sensor subsystem to detect residual magnetic field in the patient’s area over time after the attenuation of the resulting magnetic moments of nanoparticles not associated with cancer cells or biological substances, and before the magnetic moments of the nanoparticles associated with cancer cells or biological substances decay, and
e) the use of a control and analysis system to analyze the residual magnetic field to detect, measure or locate one or more specified types of cancer cells or biological substances.
Applications Claiming Priority (13)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US25901109P | 2009-11-06 | 2009-11-06 | |
US61/259,011 | 2009-11-06 | ||
US30889710P | 2010-02-27 | 2010-02-27 | |
US61/308,897 | 2010-02-27 | ||
US31070010P | 2010-03-04 | 2010-03-04 | |
US61/310,700 | 2010-03-04 | ||
US31439210P | 2010-03-16 | 2010-03-16 | |
US61/314,392 | 2010-03-16 | ||
US33181610P | 2010-05-05 | 2010-05-05 | |
US61/331,816 | 2010-05-05 | ||
US36199810P | 2010-07-07 | 2010-07-07 | |
US61/361,998 | 2010-07-07 | ||
PCT/US2010/055729 WO2011057146A1 (en) | 2009-11-06 | 2010-11-05 | Detection, measurement, and imaging of cells such as cancer and other biologic substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012120429A RU2012120429A (en) | 2014-03-20 |
RU2587902C2 true RU2587902C2 (en) | 2016-06-27 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU177776U1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-03-12 | Климентий Николаевич Югай | A device for determining the coordinates of magnetic nanoparticles located in cancerous cells of a biological object |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5384109A (en) * | 1990-04-02 | 1995-01-24 | Nycomed Imaging As | Diagnostic magnetometry using superparamagnetic particles |
US6470220B1 (en) * | 1999-03-29 | 2002-10-22 | The Regents Of The University Of California | Diagnosis and treatment of cancers using in vivo magnetic domains |
RU2006136148A (en) * | 2006-10-13 | 2008-04-20 | Александр Метталинович Тишин (RU) | CARRIER FOR MEDICINES AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES FOR TREATMENT AND DIAGNOSTICS AND USE OF IT FOR CREATION OF MEDICINES AND A METHOD FOR REGULATED CONTROLLED DRUG DELIVERY ONLY |
US7534866B2 (en) * | 2005-10-19 | 2009-05-19 | Ibc Pharmaceuticals, Inc. | Methods and compositions for generating bioactive assemblies of increased complexity and uses |
US7573264B2 (en) * | 2005-11-28 | 2009-08-11 | The Regents Of The University Of California | Atomic magnetic gradiometer for room temperature high sensitivity magnetic field detection |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5384109A (en) * | 1990-04-02 | 1995-01-24 | Nycomed Imaging As | Diagnostic magnetometry using superparamagnetic particles |
US6470220B1 (en) * | 1999-03-29 | 2002-10-22 | The Regents Of The University Of California | Diagnosis and treatment of cancers using in vivo magnetic domains |
US7534866B2 (en) * | 2005-10-19 | 2009-05-19 | Ibc Pharmaceuticals, Inc. | Methods and compositions for generating bioactive assemblies of increased complexity and uses |
US7573264B2 (en) * | 2005-11-28 | 2009-08-11 | The Regents Of The University Of California | Atomic magnetic gradiometer for room temperature high sensitivity magnetic field detection |
RU2006136148A (en) * | 2006-10-13 | 2008-04-20 | Александр Метталинович Тишин (RU) | CARRIER FOR MEDICINES AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES FOR TREATMENT AND DIAGNOSTICS AND USE OF IT FOR CREATION OF MEDICINES AND A METHOD FOR REGULATED CONTROLLED DRUG DELIVERY ONLY |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Clarke,J. et al. The SQUID handbook, vol.2. Applications of SQUIDs and SQUID systems. 2006, pp.332, 329. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU177776U1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-03-12 | Климентий Николаевич Югай | A device for determining the coordinates of magnetic nanoparticles located in cancerous cells of a biological object |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2010315007B2 (en) | Detection, measurement, and imaging of cells such as cancer and other biologic substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof | |
US8447379B2 (en) | Detection, measurement, and imaging of cells such as cancer and other biologic substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof | |
Bzyl et al. | Molecular and functional ultrasound imaging in differently aggressive breast cancer xenografts using two novel ultrasound contrast agents (BR55 and BR38) | |
Zhang et al. | Specific targeting of tumor angiogenesis by RGD-conjugated ultrasmall superparamagnetic iron oxide particles using a clinical 1.5-T magnetic resonance scanner | |
US20130289383A1 (en) | Magnetic Relaxometry using Brownian Randomization, Neel Relaxation, or Combinations Thereof | |
Mason et al. | Concept for using magnetic particle imaging for intraoperative margin analysis in breast-conserving surgery | |
EP2345974B1 (en) | Magnetically guidable compound | |
Leach | Breast imaging technology Application of magnetic resonance imaging to angiogenesis in breast cancer | |
Melemenidis et al. | Molecular magnetic resonance imaging of angiogenesis in vivo using polyvalent cyclic RGD-iron oxide microparticle conjugates | |
US20140322137A1 (en) | Detection Of Targeted Biological Substances Using Magnetic Relaxation Of Individual Nanoparticles | |
US10194825B2 (en) | Methods and apparatuses for the localization and treatment of disease such as cancer | |
US20110077506A1 (en) | Methods and compositions for molecular imaging | |
Chieh et al. | Dual-imaging model of SQUID biosusceptometry for locating tumors targeted using magnetic nanoparticles | |
Jiang et al. | Noninvasively characterizing the different αvβ3 expression patterns in lung cancers with RGD-USPIO using a clinical 3.0 T MR scanner | |
US20060241391A1 (en) | Device and method for pathology detection | |
WO2018007258A1 (en) | Immune complexes | |
van de Loosdrecht et al. | Laparoscopic probe for sentinel lymph node harvesting using magnetic nanoparticles | |
US20180177429A1 (en) | Detection Of Targeted Biological Substances Using Magnetic Relaxation Of Individual Nanoparticles | |
US20140112872A1 (en) | Magnetic relaxometry using magnetization and measurement fields | |
US20200188537A1 (en) | Methods And Apparatuses For The Detection Of Disease Such As Cancer | |
RU2587902C2 (en) | Detection, measurement and imaging of cells, such as cancer, and other biological substances using targeted nanoparticles and magnetic properties thereof | |
US20200187822A1 (en) | Detection, Measurement, And Imaging Of Cells Using Cellular Internalization of Nanoparticles | |
US20160206226A1 (en) | Detection, Measurement, And Imaging Of Cells Using Cellular Internalization of Nanoparticles | |
WO2006106507A2 (en) | Device and method for pathology detection | |
US20240261442A1 (en) | Method to assess nodal disease using iron oxide nanoparticles in magnetic resonance imaging |