Studies of ferrite based magnetic nanoparticle uptake and magnetocytolysis effects on model cell cultures

Abstract

Suspended ferrite magnetic nanoparticles are known to dissipate energy under an oscillating magnetic field. Such energy dissipation could be employed to locally raise temperature inside a tumor to 41-45°C (hyperthermia), promoting cell death. This novel treatment is known as magnetic fluid hyperthermia (MFH). Even though clinical work has been conducted in relation to this phenomenon, little is known regarding the mechanisms of cell death and the main factors involved. This work focused on the examination of cell death mechanisms when an AC magnetic field is applied for a period of 120 min. The temperature range was maintained between 41°C and 45°C at a frequency of 237 kHz and a magnetic field of 2.8 kA/m. Two cell models (Caco-2 and MCF-7) were employed with distinct known properties. Magnetite nanoparticles were synthesized by coprecipitation and by thermodecompositon. Particles were functionalized with different polymers, such as commercial carboxymethyldextran, with 23-COOH or with 5COOH, and poly (ethylene glycol). Cytotoxicity studies indicated that cell viability was not affected in the concentration range of 0.05-1.5 mg magnetite/mL. Results of nanoparticle uptake indicated that 0.15-0.20 pg magnetite/cell with MagCopCMDXcom was internalized by both cell models, while MagTerm-PEG nanoparticles demonstrated a higher uptake by MCF-7 cells of 0.30 pg/cell for a period of 1 week, suggesting that nanoparticle uptake was affected by nanoparticles functionalization and cell type. MagCop-CMDXcom nanoparticles were selected to perform MFH experiments. Results indicated a significant decrease in cell viability for a magnetic field exposure of 120 min and a resting time of 24 hours when compared to similar field applications but with shorter resting times. MCF-7 cells appeared to be more sensitive to MFH than Caco-2 cells. The process of cell death appears to be mainly apoptotic. The results presented here suggest that apoptosis was likely induced during MFH and it has a higher effect on cell viability when compared to hyperthermia with hot water. This research proposed that MFH might be causing additional effects on cell death when compared to hyperthermia alone.

Suspensiones de partículas magnéticas de hierro son capaces de disipar energía bajo la aplicación de un campo magnético. La disipación de energía puede ser empleada para aumentar la temperatura entre 41-45° C (hipertermia) en el interior de un tumor localizado, causando muerte celular. Este tratamiento novedoso se le conoce como hipertermia mediante fluidos magnéticos (MFH). Aunque se han realizado exámenes clínicos sobre este fenómeno, poco se conoce sobre el mecanismo de muerte celular y los factores principales envueltos. Este trabajo se enfoca en el estudio del mecanismo de muerte celular cuando un campo magnético AC es aplicado por un período de 120 minutos. El rango de temperatura fue mantenido entre los 41° C y los 45° C a una frecuencia de 237 kHz y un campo magnético de 2.8 kA/m. Se utilizaron dos modelos celulares con propiedades distintas conocidas (Caco 2 y MCF-7). Las partículas fueron cubiertas con diferentes polímeros, como dextran-carboximetilado comercial, con 23 COOH o con 5COOH, y glicol de polietileno. Estudios de citotoxicidad indicaron que la viabilidad celular no fue afectada a una concentración de 0.05-1.5 mg magnetita/mL. Resultados sobre la internalización de MagCop-CMDXcom indicaron que 0.15-0.20 pg magnetita/célula fueron internalizadas por ambos modelos celulares, mientras que MagTerm-PEG demostraron una mayor internalización por las células MCF-7 de 0.30 pg magnetita/célula en un período de una semana, sugiriendo que la internalización de las partículas era afectada por la cubierta y el tipo de célula. Las partículas de MagCop-CMDXcom fueron seleccionadas para realizar los experimentos de MFH. Los resultados indicaron una disminución significante en la viabilidad de las células para un campo magnético expuesto por 120 minutos y un tiempo de incubación de 24 horas en comparación con campos magnéticos similares pero con menos tiempo de incubación. MCF-7 aparentan ser más sensitivas al tratamiento de MFH que las Caco-2. El proceso de muerte celular aparenta ser apoptótico. Los resultados presentados sugieren que la apoptosis aparenta ser inducida durante MFH. Esta investigación propone que el tratamiento de MFH puede estar causando efectos adicionales en la muerte celular cuando es comparado con hipertermia con agua caliente.