Development of handheld induction heaters for magnetic fluid hyperthermia applications and in-vitro evaluation on ovarian and prostate cancer cell lines

Abstract

Magnetic fluid hyperthermia (MFH) is a still experimental technique that has been found to have a potential application in the treatment of cancer. The goal of this method is to reach around 41-47°C in the tumor by exciting magnetic nanoparticles with an externally applied alternating magnetic field (AMF). As a result, various mechanisms of cell death are induced depending on therapeutic conditions. Applying these AMFs with high spatial resolution is still a challenge. Since the area of the body that is treated with current magnetic field generators is relatively large, their use is not suitable for patients having metallic implants anywhere near the treatment area. Thus, there will be a clinical need for smaller, more focused magnetic field applicators that can be used in patients having metallic implants that would otherwise be ineligible to receive MFH therapy. Therefore, a novel laparoscopic induction heater (LIH) and a transrectal induction heater (TRIH), both capable of applying high-frequency, high-intensity AMFs in hard-to-reach places within the human body were developed. Miniature multilayer “pancake” coils were wound using Litz wire and inserted into 3D printed enclosures, aimed at laparoscopic and transrectal applications for cancer. Ovarian cancer cell lines (SKOV-3, A2780) and prostate cancer cell lines (PC-3, LNCaP) were used to evaluate the instruments’ capabilities in killing cancer cells in vitro, using Synomagr-D nanoparticles as the heat mediator. Maximum magnetic field intensities reached by the LIH and TRIH were 42.6 kA/m at 326 kHz and 26.3 kA/m at 303 kHz, respectively. Temperatures reached in the samples were 41°C by the LIH and 43°C by the TRIH. Both instruments successfully accomplished killing cancer cells, with minimal effects on normal cells. This work presents what is believed to be the first line of portable medical devices having induction heaters for cancer treatment. These innovative instruments could potentially enable the development of new MFH modalities that will certainly facilitate the clinical translation of this thermal treatment.

La hipertermia por fluido magnético (MFH, por sus siglas en inglés) es una técnica aún experimental que se ha encontrado que tiene una potencial aplicación como tratamiento de cáncer. El objetivo de este método es alcanzar alrededor de 41-47°C en el tumor mediante la excitación de nanopartículas magnéticas con un campo magnético alterno (CMA) aplicado externamente. Como resultado, se inducen varios mecanismos de muerte celular dependiendo de las condiciones terapéuticas. La aplicación de estos CMA con alta resolución espacial sigue siendo un desafío. Dado que el área del cuerpo que se trata con generadores de campos magnéticos actuales es relativamente grande, su uso no es adecuado para pacientes que tienen implantes metálicos cerca del área de tratamiento. Por lo tanto, habrá una necesidad clínica de aplicadores de campo magnético más pequeños y enfocados que puedan usarse en pacientes que tienen implantes metálicos que de otro modo no serían elegibles para recibir terapia MFH. Por lo tanto, se desarrolló un nuevo calentador de inducción laparoscópico (CIL) y un calentador de inducción transrectal (CITR), ambos capaces de aplicar CMA de alta frecuencia y alta intensidad en lugares de difícil acceso dentro del cuerpo humano. Se enrollaron bobinas multicapa tipo “panqueque” en miniatura con alambre Litz y se insertaron en recintos impresos en 3D, destinados a aplicaciones laparoscópicas y transrectales para el cáncer. Líneas celulares de cáncer de ovario (SKOV-3, A2780) y líneas celulares de cáncer de próstata (PC-3, LNCaP ) se usaron para evaluar las capacidades de los instrumentos en matar células cancerosas in vitro, usando nanopartículas Synomagr-D como mediador de calor. Las intensidades máximas de campo magnético alcanzadas por el CIL y el CITR fueron 42.6 kA/m a 326 kHz y 26.3 kA/m a 303 kHz, respectivamente. Las temperaturas alcanzadas en las muestras fueron de 41°C por el CIL y de 43°C por el CITR. Ambos instrumentos lograron eliminar con éxito las células cancerosas, con efectos mínimos en las células normales. Este trabajo presenta lo que se cree que es la primera línea de dispositivos médicos portátiles teniendo calentadores de inducción para el tratamiento del cáncer. Estos instrumentos innovadores podrían potencialmente permitir el desarrollo de nuevas modalidades MFH que sin duda facilitaran la traducción clínica de este tratamiento térmico.