Paramagnetic resonance study of the photothermal properties of iron oxide: towards optimized photothermal therapy

Abstract

Das Aufkommen von Nanopartikeln und deren Einsatz in der Medizin hat neue Möglichkeiten für personalisierte Medizin und theranostische Ansätze in der Krebstherapie eröffnet. Anwendungen von Nanopartikeln in der Medizin reichen von bildgebenden Verfahren über Medikamentenabgabe, Photothermie und Magnetothermie bis hin zu Immuntherapie. In der breiten Palette vefügbarer Nanopartikel spielen magnetische Nanopartikel aufgrund ihrer möglichen Verwendung in der Magnetresonanztomographie (MRT) eine wichtige Rolle.Eisenoxid-Nanopartikel besitzen sowohl magnetische Eigenschaften, wegen derer sie bereits als MRT-Kontrastmittel eingesetzt werden, als auch exzellente photothermische Eigenschaften, was erst seit Kurzem erforscht wird. In der photothermischen Therapie wird das Licht eines Lasers im nahen Infrarotbereich durch einen Wirkstoff zu Hitze umgewandelt, um Tumorgewebe zu zerstören. Im Idealfall sollte die Hitze nur lokal den Tumor und nicht das umliegende gesunde Gewebe schädigen. Dies wird als "Hot Spot"-Effekt bezeichnet.Um die Wärmeausbreitung auf der Nanoskala untersuchen zu können, ist Nanothermometrie notwendig. Obwohl es in diesem Bereich Fortschritte mit fluoreszenten Sonden und thermosensitiven Reaktionen nahe der Partikeloberfläche gibt, existieren kaum Methoden, die ein Signal vom Kern der Nanopartikel verwenden. Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR) von Eisesnoxid-Nanopartikeln generiert ein Signal aus dem Inneren der Nanopartikel. Es ist bekannt, dass das ESR-Spektrum von Eisenoxid-Nanopartikeln sich mit der Temperatur verändert. Diese Tatsache wurde verwendet, um eine in operando Nanothermometrie-Methode zu entwickeln, die während der Laserbestrahlung der Probe eingesetzt werden kann.Um ein ideales Modell für die Arbeit zu finden, wurden mehrere Arten von Eisenoxid-Nanopartikeln synthetisiert. Durch thermische Zersetzung hergestellte Magnetit-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 26-28 nm wurden Maghemit- und Magnetit-Nanopartikeln, die durch Koprezipitation hergestellt worden waren, vorgezogen. Um die ausgewählten Nanopartikel wurden auch Beschichtungen aus mesoporösem und nicht-porösem Siliziumdioxid hergestellt, um Stabilität und Hydrophilie zu gewährleisten.Aufgrund temperaturbedingter irreversibler Änderungen der EPR-Spektrums der unbeschichteten Magnetit-Partikel wurde die Stabilität dieser Nanopartikel in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Kinetische ESR-Messungen bei erhöhter Temperatur zeigten eine Veränderung des Signals in TBB, THF und CHX. Stabiles Verhalten wurde in CHCl3 beobachtet. Oxidation der Nanopartikel wird als Grund für die Veränderung vermutet, weitere Forschung in diesem Bereich könnte zu wichtigen Erkenntnissen über die Oberflächenchemie der Nanopartikel führen. Die Magnetit-Nanopartikel in CHCl3 waren auch unter Laserbestrahlung nicht stabil, die beschichteten Nanopartikel zeigten jedoch vielversprechendes Verhalten. Temperaturkalibrationen wurden in situ vor der Bestrahlung durchgeführt. Temperaturerhöhungen von bis zu 36 K bei 7.6 W/cm^2 Laserleistung konnten erzielt werden. Eine Kombination mit Cu(acac)2 als Sonde für die Temperatur der Umgebung lieferte keinen Unterschied in den Temperaturen, was die Notwendigkeit der Verbesserung der Eigenschaften der Nanopartikel zeigt, um einen "Hot Spot"-Effekt zu erreichen. ESR wurde erfolgreich für Nanothermometrie während der Laserbestrahlung eingesetzt mit Temperaturungenauigkeiten zwischen 0.34 K und 1.45 K. Weitere Studien mit der Kombination von Temperatursonden für den Kern, die Oberfläche und die Umgebung der Nanopartikel werden dazu beitragen, das Verständnis der Wärmeausbreitung auf der Nanoskala zu vertiefen.

In cancer therapy, the emergence of nanoparticles and their use in medicine has givenrise to new possibilities for personalized medicine and theranostic approaches. Applicationsinclude imaging, drug delivery, photothermia, magnetothermia and immunotherapy. Amongthe wide array of available nanoparticles, magnetic nanoparticles play an important role dueto their potential use in magnetic resonance imaging (MRI).Iron oxide nanoparticles exhibit magnetic properties, which has already led to their use asan MRI contrast agent, and were recently discovered to be excellent photothermal agents.In photothermal therapy, tissues are destroyed by using heat produced by an agent thatconverts the energy of a near infrared (NIR) laser used to irradiate the tumor. Ideally, theheat should only affect the cancerous tissues very locally without damaging surroundinghealthy tissues - a “hot spot” effect is desired.The investigation of heat propagation at the nanoscale is faced with the need of nanothermometry.While there are advances with fluorescent probes and thermosensitive reactionsnear the nanoparticles’ surfaces, few methods are able to probe the core of the nanoparticles.Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of iron oxide nanoparticles generatesa signal from the ions within the nanoparticles. It is known that the EPR spectrum of ironoxide nanoparticles changes with temperature. This fact was used to conceptionalize an inoperando nanothermometry during laser irradiation.Several types of iron oxide nanoparticles were synthesized in order to find an ideal modelfor the study. Magnetite nanoparticles produced by thermal decomposition with a diameterof 26-28 nm were chosen over maghemite and magnetite nanoparticles produced by coprecipitation.Coatings for the selected nanoparticles with mesoporous and non-porous silicalayers were synthesized for stability and hydrophility.Due to temperature-induced irreversible changes in the EPR signal of magnetite, thestability of the nanoparticles in different solvents was tested. Kinetic measurements in EPRat elevated temperature showed evolution of the signal in TBB, THF and CHX. A stablebehaviour was found in CHCl3. Oxidation of the nanoparticles is suspected as a reason forthe evoluting signal, further studies could give interesting insights into the surface chemistryof these nanoparticles.Magnetite nanoparticles in CHCl3 were not stable during laser irradiation, but the silicacoatedparticles showed promising behaviour. Temperature calibrations were performed insitu before laser irradiation. Temperature increases of up to 36 K at 7.6 W/cm2 laserpower were observed. A combination with Cu(acac)2 as a probe for the solvent temperatureshowed no difference between the temperatures, indicating the necessity of improving thenanoparticles’ properties to attain a “hot spot” effect.EPR was successfully used for nanothermometry during laser irradiation, with temperatureinaccuracies ranging from 0.34 K to 1.45 K. Further studies with combination oftemperature probes for the core, surface and environment of the nanoparticles will help togain a deeper understanding of heat propagation at the nanoscale.