Magnetic field-guided delivery of magnetite nanoparticles in the model in vitro system

Purpose. The development and validation of experimental setup for the investigation of the process of magnetic nanoparticle (MNP) accumulation in the specific area of the vessel model under the influence of external magnetic field. Materials and methods. Distilled water was used as a model fluid. The water was circulating in the closed loop at a rate of 40-80 L/h. The water was supplemented with magnetite nanoparticle suspension (diameter 7-10 nm) at concentration of 2 mg/ml. The morphology, specific surface area and magnetic properties of MNPs were evaluated. The time to accumulation of MNPs on the inner surface of the tube was recorded after application of constant magnetic field from the Nd magnet (N35) with the dimensions 30x20x10 mm. Results. The technology of MNPs synthesis, as well as their physicochemical properties were described. MNPs were characterized by the needle-like shape and surface area of 95 m²/g. It was shown that 100 % of MNPs from the circulating fluid are concentrated in the area of magnet application within 5 min after turning on the field. The MNPs were predominantly accumulated on the edges of the constant magnet, which is explained by the topography of the magnetic field. Conclusion. We developed the in vitro model setup for investigation of magnetic field-targeted nanoparticle delivery. Two types of MNPs introduction into the system could be used: direct MNPs injection in the circulation or introduction of the nanoparticles using special magnetic probe. The model setup suggested may be useful in studying the effectiveness of magnetically guided MNP transport depending on the volume flow of the fluid, salt composition, and viscosity.

магнитные наночастицы, магнетит, магнитоуправляемая доставка, испытательный стенд, модель кровообращения, magnetic nanoparticles, magnetite, magnetic drug delivery, in vitro model system, circulation model

1. Wu Y, Briley-Saebo K, Xie J et al. Inflammatory bowel disease: MR- and SPECT/CT-based macrophage imaging for monitoring and evaluating disease activity in experimental mouse model-pilot study. Radiology. 2014;271(2):400-406.

2. Luciani A, Dechoux S, Deveaux V et al. Adipose tissue macrophages: MR tracking to monitor obesity-associated inflammation. Radiology. 2012;263(3):786-878.

3. Pradhan P, Giri J, Rieken F et al. Targeted temperature sensitive magnetic liposomes for thermo-chemotherapy. J Control Release. 2010;142(1):108-129.

4. Cinteza LO, Ohulchanskyy TY, Sahoo Y et al. Diacyllipid micelle-based nanocarrier for magnetically guided delivery of drugs in photodynamic therapy. Mol Pharm. 2006;3(4):415-437.

5. Yang L, Mao H, Cao Z et al. Molecular imaging of pancreatic cancer in an animal model using targeted multifunctional nanoparticles. Gastroenterology. 2009;136(5):1514-1538.

6. Galagudza M, Korolev D, Postnov V et al. Passive targeting of ischemic-reperfused myocardium with adenosine-loaded silica nanoparticles. Int J Nanomedicine. 2012;7:1671-1678.

7. Zhang Y, Li W, Ou L et al. Targeted delivery of human VEGF gene via complexes of magnetic nanoparticle-adenoviral vectors enhanced cardiac regeneration. PLoS One. 2012;7(7): e39490.

8. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 685294. Стенд-имитатор системы кровообращения организма / М. А. Локшин, Ю. Н. Гаврилов, В. И. Ковин. - № 2560622/28-13, заявл. 29.12.77, опубл. 15.09.79.

9. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 936922. Стенд для моделирования системы кровообращения / А. П. Осипов, В. М. Мордашев, В. А. Кремнев, Ю. М. Киселев. - № 2864449/28-13, заявл. 04.01.80, опубл. 23.06.82.

10. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 939013. Устройство для моделирования гемодинамических явлений в системе кровообращения / В. С. Бедненко, А. С. Нехаев, А. Н. Козлов. - № 2883841/28-13, заявл. 05.02.80, опубл. 30.06.82.

11. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1029961 A. Стенд для испытания искусственного сердца / М. А. Локшин, В. И. Копин, В. Г. Северин, А. В. Врубель, В. А. Стасенков. - № 2887106/28-13, заявл. 29.02.80, опубл. 23.07.83.

12. Афонин М. В., Евреинова Н. В., Королев Д. В. и др. Исследование физических свойств и биодеградации наночастиц магнетита in vitro. Биотехносфера. 2015;2(38):32-34.

13. Поздняков В. А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: учеб. пособие. М.: МГЛУ, 2007. 423 с.

14. Патент на изобретение RU 2525430 C2. Носитель для лекарственных средств и биологически активных веществ для лечения и диагностики и способ его получения / Королев Д. В., Афонин М. В., Галагудза М. М. и др. - № 2012143574/15, заявл. 11.10.2012, опубл. 10.08.2014, Бюл. № 22.

15. Королев Д. В., Галагудза М. М., Афонин М. В. и др. Обоснование использования магнитных наночастиц для направленной доставки лекарственных препаратов в ишемизированную скелетную мышцу. Биотехносфера.2012;1(19):2-6.

16. Кириленко А. В., Чехун В. Ф., Подольцев А. Д. и др. Анализ силового воздействия высокоградиентного магнитного поля на магнитные наночастицы в потоке жидкости. Доклады Национальной академии наук Украины. 2010;9:162-172.

17. Cheng K, Malliaras K, Li TS et al. Magnetic enhancement of cell retention, engraftment, and functional benefit after intracoronary delivery of cardiac-derived stem cells in a rat model of ischemia/reperfusion. Cell Transplant. 2012;21 (6):1121-1135.

18. Vandergriff AC, Hensley TM, Henry ET et al. Magnetic targeting of cardiosphere-derived stem cells with ferumoxytol nanoparticles for treating rats with myocardial infarction. Biomaterials. 2014;35(30):8528-8539.

19. Cheng K, Shen D, Hensley MT et al. Magnetic antibody-linked nanomatchmakers for therapeutic cell targeting. Nat Commun. 2014;5:4880.