Ingrid Hilger1,
Sylvia Frühauf, Wilfried Andrä2, Robert Hiergeist2, Rudolf Hergt2,
Werner A. Kaiser1
1Institut für Diagnostische und
Interventionelle Radiologie des Klinikums der Friederich-Schiller-Universität
Jena, Bachstraße 18, D-07740 Jena, Germany
2Institut für Physikalische Hochtechnologie
e.V., Winzerlaer Straße 10, D-07745 Jena, Germany
Corresponding
author: Dr. Ingrid Hilger, Institut für Diagnostische und Interventionelle
Radiologie des Klinikums der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Bachstraße
18, D-07743 Jena, Germany. Phone:
0049-3641-935037, Fax: 0049-3641-936767, e-mail: ingrid.hilger@med.uni-jena.de.
Rationale and Objectives. In preliminary investigations a method called “magnetic thermoablation” was proposed for the localized elimination of tumors by heating. Therapeutic heating is generated by the application of a magnetic material at the target and the exposure to an alternating magnetic field. The present study deals with the in vitro estimation of critical heating dosages (°C x min) for a reliable killing of tumor cells and the elucidation of the practicability of an application of correspondent dosages by magnetic thermoablation using a in vivo experimental tumor model.
Methods. Human adenocarinoma cells (BT-20) were exposed to 37 to 62 °C (water bath) for 4 min and incubated for 24, 48 and 72 h before colorimetrical cell viability determinations. Moreover, cells were implanted into 5 immunodeficient mice. 12 ± 3 mg magnetite per 300 mm3 tumor tissue was applied intratumorally. Animals were exposed to an AC magnetic field (amplitude: 6.5 kA/m, frequency: 400 kHz) for 4 min and temperature measurements were performed at the tumor periphery and the rectum. The deposited heat dosages (DHD) were defined as the area between the time-dependent temperature curves during treatments and the temperature level without heating.
Results. The critical DHD lethal for tumor cells varied from 47 ± 2 °C x min (temperature setting of 51 °C) and 61 ± 2 °C x min (temperature setting of 55 °C) due to decreasing cell survival rates with increasing incubation time after treatments. The heat dosages deposited in tumors by magnetic thermoablation ranged between 197 ± 29 °C x min and 106 ± 4 °C x min (mean temperatures at the end of treatments: 84 ± 3 °C and 59 ± 0 °C) for the distal and proximal tumor periphery, respectively. The rectal temperatures increased by about 3 °C during treatments.
Conclusions. The comparison of the DHD from in vitro and in vivo investigations in tumor bearing mice demonstrates that a reliable cell killing is possible by the proposed method.
Key words: magnetic thermoablation, cancer therapy, heating, critical temperatures, iron oxides
Zielsetzung. In vorangegangenen Untersuchungen wurde
eine Methode, die sogenannte „magnetische Thermoablation“, zur Beseitigung von
Tumoren durch Wärme vorgeschlagen. Die therapeutische Wärme wird mittels der
Applikation eines magnetischen Materials und der anschließenden Exposition in
einem magnetischen Wechselfeld generiert. Die vorliegende Studie befaßt sich
mit der In-vitro-Abschätzung der
kritischen Hitzedosis (°C x min) für eine zuverlässige Zerstörung von
Tumorzellen sowie mit der Applizierbarkeit von entsprechenden Hitze-Dosen durch
die magnetische Thermoablation in einem in vivo experimentellen Tumormodell.
Methoden. Humane Adenokarzinomezellen (BT-20)
wurden auf Temperaturen zwischen 37 und 62 °C (Wasserbad) für 4 min exponiert
und weitere 24, 48 und 72 Stunden vor der kolorimetrischen
Zellvitalitätsbestimmung inkubiert. BT-20 Zellen wurden in 5 immundefizienten
Mäusen implantiert. 12 ± 3 mg Magnetit per 300 mm3 Tumorgewebe
wurden appliziert und die Tiere in einem magnetischen Wechselfeld (Amplitude:
6.5 kA/m, Frequenz: 400 kHz) für 4 min ausgesetzt. Dabei erfolgten
Temperaturmessungen im Rektum und in der Tumorperipherie. Die Fläche zwischen
der zeitabhängigen Temperaturkurve und des nativen Temperaturspiegels (ohne
Wärmebehandlung) wurde als die applizierte Hitzedosis (DHD) definiert.
Ergebnisse. Die kritische DHD für die Inaktivierung
von Tumorzellen lag zwischen 47 ± 2 °C x min ( 51 °C) und 61 ± 2 °C x min (55 °C) und ist auf die abnehmende Zellvitalität mit zunehmender
Inkubationszeit nach der Wärmebehandlung zurückzuführen. Die in Tumoren
applizierte Hitzedosis reichte von 197 ± 29 °C x min und 106 ± 4 °C x min (mittlere Temperaturen am Ende der Wärmebehandlung: 84 ± 3 °C und 59 ± 0 °C) für die distale und proximale
Tumorperipherie. Die rektalen Temperaturen stiegen um etwa 3 °C während der
Wärmebehandlung an.
Schlußfolgerungen. Der Vergleich der DHD aus den In-Vitro- und In-Vivo-tierexperimentellen Untersuchungen verdeutlichen die
Möglichkeit für eine zuverlässige Zerstörung von Tumorzellen mittels der
vorgeschlagenen Methode.