Smart and Multi-Functional Magnetic Nanoparticles for Cancer Treatment Applications: Clinical Challenges and Future Prospects

Iron oxide nanoparticle (IONPs) have become a subject of interest in various biomedical fields due to their magnetism and biocompatibility. They can be utilized as heat mediators in magnetic hyperthermia (MHT) or as contrast media in magnetic resonance imaging (MRI), and ultrasound (US). In addition, their high drug-loading capacity enabled them to be therapeutic agent transporters for malignancy treatment. Hence, smartening them allows for an intelligent controlled drug release (CDR) and targeted drug delivery (TDD). Smart magnetic nanoparticles (SMNPs) can overcome the impediments faced by classical chemo-treatment strategies, since they can be navigated and release drug via external or internal stimuli. Recently, they have been synchronized with other modalities, e.g., MRI, MHT, US, and for dual/multimodal theranostic applications in a single platform. Herein, we provide an overview of the attributes of MNPs for cancer theranostic application, fabrication procedures, surface coatings, targeting approaches, and recent advancement of SMNPs. Even though MNPs feature numerous privileges over chemotherapy agents, obstacles remain in clinical usage. This review in particular covers the clinical predicaments faced by SMNPs and future research scopes in the field of SMNPs for cancer theranostics

Cancer Nanomedicine

This special issue brings together cutting edge research and insightful commentary on the currentl state of the Cancer Nanomedicine field

Alpha-fetoprotein and immunotherapy for hepatocellular carcinoma

Background and Aims: Hepatocellular carcinoma (HCC) often presents at a late stage which limits the use of curative therapy. Hence the pressing need for increasing research into newer therapies such as immunotherapy. Alpha-Fetoprotein (AFP) is an oncofetal antigen elaborated in most HCCs and is a tumour rejection antigen in animal models for HCC making it a target for the development of T cell based immunotherapy. The effect of AFP on antitumour immune responses in patients with HCC has not been explored in depth. We aimed to study the effects of AFP on the immune system cells including dendritic cells (DCs). In man, naturally occurring anti-AFP CD8 T cell responses have been detected in patients with HCC. One vital step for the design of epitope-based therapeutic vaccines is the identification and characterization of T-cell epitopes on AFP. Several AFPderived peptides have been identified and T cells recognizing these epitopes have been studied in patients with HCC. However, the role of anti-AFP CD4+ T cell responses (Th1 cells or regulatory T cells) in HCC patients has not been studied. Also, our aim was to study the role of Th1 cells in HCC patients and investigate any possible association between the expansion of these cells with clinical features of the disease such as stage of disease, serum AFP levels and tumour invasiveness. Results and Conclusions: In our first study, the treatment of monocyte-derived DCs with AFP led to DC dysfunction as detected by the down-regulation of surface molecules (CD40 and CD86) and inhibition of their T cell-stimulatory capacity. In addition, AFP treatment induced apoptosis of DCs and reduced their ability to produce TNF-alpha and IL-12. Our ex vivo results showed that the ability of monocytes, isolated from patients with elevated levels of serum AFP (>1,000 ng/ml), to produce TNF-alpha was impaired. In the second study we identified an AFP-derived T cell epitope that was recognized by circulating CD4+ T cells from patients with HCC and normal or mildly elevated AFP level in the early stage of the disease. This response was absent in healthy donors and in patients with chronic liver disease, which suggested that this response had been previously expanded in vivo in response to the tumour. The induction or activation of regulatory T cells (T-regs) by tumours or pathogens may suppress protective immunity. In the third study, we demonstrated that AFP contained an epitope which activated the expansion of inducible TGF-beta producing T-regs. In our fourth study we revealed that CD4 T-cell response expanded in the early stages of disease (Child–Pugh A score), which is usually associated with low concentrations of serum AFP. Furthermore, CD8 T cell response was largely detected in HCC patients with a Child–Pugh B or C score. Necrosis of tumour cells can activate both innate and adaptive antitumor immunity. In a further study by our group, development of higher frequencies of AFP-specific CD4+ T cells after embolisation therapy was noted. Necrosis produced by Transarterial Chemoembolization (TACE) or Chemoembolization (TAE) unmasks tumour rejection Antigen-specific T cell responses. This represented a method of in situ immune response induction that could be combined with immunotherapy to increase the frequency of AFP-specific T cells with the aim of controlling tumour growth and improving survival. Also, two further HLA-DR-restricted AFP-derived CD4+ T cell epitopes were detected. From our studies thus far, we concluded that predictive factors for detecting an AFP-specific Th1 response in patients with HCC included a serum AFP of <1000 ng/ml, Okuda stage 1 and treatment with TACE/TAE

DES-polyacetals as polymer therapeutics for the treatment of prostate cancer

Esta tesis se centra en el diseño de nuevos conjugados polímero-fármaco sensibles a pH para usarse como agentes únicos o en terapia de combinación para el tratamiento del cáncer hormono-dependiente, en particular cáncer de próstata. Éstos conjugados se basan en sístemas poliacetalicos previamente descritos en los que el fármaco forma parte de la cadena principal del polímero. En el microambiente tumoral o después de la absorción celular por endocitosis, el descenso del pH encontrado en el compartimiento ácido del endosoma lisosomal, desencadena la degradación del polímero y como consecuencia la liberación del fármaco que se difunde fuera en el citosol. Para el diseño de éstos sistemas, la necesidad de optimizar la química de enlace para unir el fármaco al polímero está por lo tanto superada, ya que en éstos sistemas poliacetalicos el fármaco forma parte de la cadena principal. El dietilestilbestrol (DES), estrógeno sintético que fue utilizado como fármaco y es clínicamente relevante en el tratamiento del cáncer de próstata, posee una funcionalidad adecuada (grupos dioles) para llevar a cabo dicha incorporación a la cadena polímerica base. Una clara degradación dependiente del pH y ensayos de prueba de concepto in vitro se obtuvieron con la primera generación de poliacetales. Sin embargo presentaron algunas limitaciones, que incluyen; una estructura no única, heterogeneidad en la composición, carga de fármaco bajo y una alta polidispersidad, afectando el comportamiento farmacológico y reproducibilidad de los resultados terapéuticos de este nanoconjugado basado en polímero. El objetivo principal de esta tesis es avanzar un paso más hacia una segunda generación de conjugados poliacetalicos para el tratamiento del cáncer de próstata como agentes únicos, modificando y entendiendo la química del polímero/ conformación en disolución (capítulo 4) y como conjugados de combinación a base de polímero (capítulo 5) con el fin de lograr un posible candidato clínico. Por lo tanto se ha desarrollado una segunda generación de sistemas poliacetalicos con DES con una mejorada estructura que la primera generación utilizando una metodología de bloque-co-polímero. El control y optimización de la síntesis para obtener los bloque-co-polímeros de DES demostraron beneficiosos resultados, obteniendo distribuciones de polidispersidad más estrechas y mayor capacidad de carga de fármaco. Otro de los mayores intereses en ésta tesis se centró en la comprensión de si pequeñas modificaciones estructurales podían influir significativamente en el rendimiento del conjugado terapéutico. Para ello, ambos polímeros, Ter-DES (primera generación) y bloque-DES (segunda generación), fueron caracterizados fisicoquímicamente y biológicamente in vitro e in vivo en modelos celulares de cáncer de próstata seleccionados. La conformación adoptada por los conjugados en disolución (tamaÑo y forma) fueron estudiados mediante microscopía electrónica de transmission y barrido (TEM and SEM, resp.), dispersión dinámica de la luz (DLS), gradiente de pulsos de eco spin NMR (PGSE-NMR) y dispersión de neutrones de ángulo pequeÑno (SANS). Usando éstas técnicas fueron encontradas marcadas diferencias entre ter-DES y bloque-DES. Mediante TEM se observaron particulas bien definidas de 100nm de diametro para el bloque-DES en gran abundancia a una concentración en disolución de 3 mg/ml mostrando una superficie más globular mediante SEM. El tamaÑo de particula y la estabilidad de los agregados formados fueron confirmados mediante medidas de DLS a diferentes concentraciones de conjugados (1 mg/mL y 3 mg/mL, siempre por encima del CAC). Al contrario que para el bloque-polímero, para el ter-DES no fue posible obtener una indicación del tamaÑo de particular con ninguna de las técnicas. Tras exhaustivos estudios conformacionales utilizando varias técnicas como SANS y PGSE-NMR (llevadas a cabo con la colaboración de la Dra. Paul en la Universidad de Cardiff), se demostró que la estructura molecular de los conjugados tiene un efecto significativo sobre el comportamiento en disolución, incluso con el mismo contenido de DES. En disolución acuosa el ter-DES se presenta como un sistema individual de 20nm de diámetro y 2nm de espesor. Por otro lado, para el bloque-DES se presentan dos sistemas, uno con forma similar pero mayor longitud que el ter-DES (100 nm longitud, 2 nm espesor) y un segundo y más abundante sistema con una conformación en forma de disco (80 nm diametro, 10 nm espesor), siendo ésta segunda especie más abundante y consistente con el tamaÑo de la estructuras observada mediante TEM y DLS, y significantemente más grandes que las esttructuras obtenidas mediante SANS para el ter-DES. Comparandolo con el ter-DES, el bloque-DES presenta una conformación más estable y más particulada en el rango de nanotamaÑo que puede presentar major comportamiento biologico que el ter-DES en modelos celulares de cancer de prostata. Ambos poliacetales con DES mostraron claramente una degradación dependiente de pH, con una liberación del fármaco DES más rápida en condiciones acidas. El bloque-DES demostró tener una liberación de DES más rápida que el Ter-DES y una cinética de liberación de fármaco bimodal. El siguiente paso era explorar las posibles diferencias en cellular de estos conjugados en las lineas prostaticas más comunes, LNCaP y PC3. Para llevar a cabo ensayos de internalización celular o de biodistribución de los polímeros se necesita la incorporación de un marcador fluorescente (Oregon green o cyane 5.5 respectivamente) por lo que un monómero adicional, serinol, se incorporó en la cadena principal del sistema poliacetalico (descrito por primera vez por Tomlinson et al) de manera que permitía disponer de una cadena funcional lateral accesible para dicho marcador e incluso para la conjugación de otro fármaco, Paclitaxel (PTX) para formar sistemas para Terapia de Combinación. Los estudios de microscopia confocal demostraron que los conjugados de Oregon Green entran en la célula mediante ruta endocítica siendo el porcentaje de Bloque-DES mayor que el que se observa para el ter-DES en ambas líneas celulares. Las diferencias obtenidas en los estudios de liberación de fármaco junto con la internalización celular, probablemente inducidas por una forma esférica, dieron como resultado un aumento en la citotoxicidad para el bloque-DES en las lineas celulares LNCaP y PC3, mostrando un efecto significante con el contenido de DES. Tambien se llvaron a cabo estudios de mecanismos de acción ara corroborar si la diferente conformación de disolución induce a diferencias en la citotoxicidad. Se llevaron a cabo estudios preliminares in vivo en colaboración con el CIBBIM Nanomedicina del Hospital Vall d’Hebron de Barcelona. Estos estudios se hicieron en modelos xenográficos con células humanas de cáncer de colon, obteniendo una toxicidad negativa para los poliacetales con DES hasta 10 mg/kg y una clara acumulación en tumor hasta el día 17 para el Ter-DES. No se encontró una significante actividad antitumoral en modelos xenográficos de células de cáncer de próstata PC3 con los conjugados individuales, por lo que se empezó a estudiar los sistemas de Terapia de Combinación. Los poliacetales para combinación fueron exhaustivamente caracterizados y evaluados biológicamente tal y como se hizo para los poliacetales individuales. Los estudios con SANS demostraron claramente que la incorporación del segundo fármaco PTX, domina sobre la estructura formada en disolución. Los ensayos de eficacia in vitro se realizaron en líneas celulares de cáncer de mama y próstata y mostraron un claro sinergismo cuando ambos fármacos, DES y PTX, fueron combinados en el mismo sistema y con diferentes arquitecturas Tert- o Block-. Los ensayos in vitro en células de cancer de mama dieron una mayor toxicidad para los poliacetales con ambos fármacos poliacetales-DES-PTX comparandolos con los resultados de PTX a solas. En células de cáncer de próstata independientes de andrógenos como son las células PC3, el poliacetal Tert-DES-Ser-PTX pareció ser más activo que el PTX a solas. Por el contrario en células dependientes de andrógeno como la línea celular LNCaP Block-DES-Ser-PTX mostró mayor citotoxicidad que el PTX solo o el conjugado poliacetalico Tert-PTX (sin el fármaco DES). No se observaron diferencias significativas con lo que respecta a los estudios de internalización celular con los conjugados de combinación. Sin embargo las cinéticas de captación fueron muy influenciadas dependiendo la línea celular empleada. Cuando los polímeros de combinación fueron conjugados a Cy5.5, los estudios de biodistribución in vivo mostraron acumulación en el tumor siendo máximo a las 3 horas de administración del conjugado. También se detectó acumulación en los riñones y en el hígado indicando que la excreción de los poliacetales se producía a través de las rutas hepáticas y renales sin observar ninguna señal de toxicidad en los órganos. Actualmente se están llevando a cabo estudios de tolerabilidad in vivo y eficacia terapéutica de todos los sistemas usando ortotópicos de cáncer de próstata (células de cáncer de próstata dependientes de andrógeno LNCaP). También se están realizando estudios no invasivos intraprostáticos con tumores de PC3 de crecimiento de tumor y metástasis in vivo y ex vivo para confirmar los resultados

Medical-Data-Models.org:A collection of freely available forms (September 2016)

MDM-Portal (Medical Data-Models) is a meta-data repository for creating, analysing, sharing and reusing medical forms, developed by the Institute of Medical Informatics, University of Muenster in Germany. Electronic forms for documentation of patient data are an integral part within the workflow of physicians. A huge amount of data is collected either through routine documentation forms (EHRs) for electronic health records or as case report forms (CRFs) for clinical trials. This raises major scientific challenges for health care, since different health information systems are not necessarily compatible with each other and thus information exchange of structured data is hampered. Software vendors provide a variety of individual documentation forms according to their standard contracts, which function as isolated applications. Furthermore, free availability of those forms is rarely the case. Currently less than 5 % of medical forms are freely accessible. Based on this lack of transparency harmonization of data models in health care is extremely cumbersome, thus work and know-how of completed clinical trials and routine documentation in hospitals are hard to be re-used. The MDM-Portal serves as an infrastructure for academic (non-commercial) medical research to contribute a solution to this problem. It already contains more than 4,000 system-independent forms (CDISC ODM Format, www.cdisc.org, Operational Data Model) with more than 380,000 dataelements. This enables researchers to view, discuss, download and export forms in most common technical formats such as PDF, CSV, Excel, SQL, SPSS, R, etc. A growing user community will lead to a growing database of medical forms. In this matter, we would like to encourage all medical researchers to register and add forms and discuss existing forms

In vivo Efficacy of HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) on Mice with Ehrlich Ascites Carcinoma

Objective: Cavitation and coagulation necrosis due to high temperature caused by application of the high intensity focused ultrasound (HIFU) to a focal area occurs. This feature makes HIFU possible to use in the destruction of cancerous tissue. In this study, it was aimed to determine the effect of HIFU on Balb/c mice with Ehrlich ascites tumor model to reach effective usage of HIFU with its clinical and experimental applications in various types of cancer