Magnetization and movement of glioblastoma cells loaded with magnetic nanoparticles

Abstract

Glioblastoma possesses one of the poorest prognoses of any kind of brain tumors, due to its fast recurrence after surgical removal. A combination of radiation and chemotherapeutics has prolonged the survival of the patients, however, most patients still die within the first year after diagnosis. Thus, alternative therapeutic approaches gained more interest, for example therapies based on magnetic nanoparticles (MNPs). MNPs are particles in the nano-range,that can own various properties by different biochemical coatings and that can be manipulated by a magnetic field. In the present study, the loading of cells with MNPs and their potential cytotoxicity were examined by cytobiological and biochemical methods. For this purpose, the iron content and the viability of three human primary glioblastoma cell lines and astrocytes was detected after addition of two distinct MNP types under different conditions (1-3 d incubation time and 5-50 μg iron/mL concentration). In a second part, different setups were tested to evaluate and quantify the cell movement in a magnetic field with or without incorporation of MNPs and its potential cytotoxicity. The different glioblastoma cell lines showed very diverse characteristics, e.g. in the growth rate, which also influenced the loading of the cells. Additionally, the MNP types selected for this study demonstrated a concentration-dependent loading. By observing the cell metabolic activity, dose-dependent effects of the MNPs were observed, while effects of the magnetic field were only low. In a non-attached state, the cells were attracted by the magnet according to their iron load and their distance to the magnet. The evaluation of the magnetic-directed cell movement required novel cell-culture setups, which were tested in terms of practicability and quality of the results. Interestingly, the magnetic attraction was not only determined by the cellular iron content but also by the MNP type. As expected, each MNP type had a specific impact on cell viability and loading, however, particularly the culture conditions and the inherent donor-specific cell characteristics should not be underestimated. Furthermore, the choice of the MNP type should be carefully considered in terms of healthy cell tolerance, as astrocytes also responded to the MNP loading. Thus, valuable insights were achieved for the application of MNPs in the medical field.

Glioblastome haben wegen der schnellen Rückkehr nach operativer Entfernung eine der schlechtesten Prognosen aller Gehirntumoren. Durch eine Kombination von Bestrahlung und Chemotherapie kann das Überleben der Patienten verlängert werden, allerdings sterben die meisten Patienten dennoch innerhalb des ersten Jahres nach Diagnosestellung. Deswegen ist das Interesse an alternativen Therapiekonzepten gestiegen, beispielsweise an Behandlungen basierend auf magnetischen Nanopartikeln (MNPs). MNPs sind Partikel im Nanobereich, die durch biochemische Beschichtungen vielfältige Eigenschaften besitzen und durch ein magnetisches Feld manipuliert werden können. In der vorliegenden Studie wurden die Beladung von Zellen mit MNPs und die potentielle Zelltoxizität mit zellbiologischen und biochemischen Methoden untersucht. Dafür wurden der Eisengehalt und die Viabilität von drei humanen Glioblastomzelllinien und Astrozyten nach Zugabe von zwei unterschiedlichen MNP-Typen unter verschiedenen Bedingungen (1-3 Tage Inkubationszeit und 5-50 μg/mL Eisenkonzentration) detektiert. Im zweiten Teil der Studie wurden verschiedene Methoden für die Auswertung und Quantifizierung der Zellbewegung im Magnetfeld mit und ohne MNP-Beladung getestet, einschließlich der möglichen Zelltoxizität. Die verschiedenen Glioblastomzelllinien besaßen sehr unterschiedliche Eigenschaften, z.B. variierte die Wachstumsrate, was auch die Beladung der Zellen beeinflusste. Außerdem zeigte sich bei den ausgewählten MNP-Arten eine konzentrationsabhängige Beladung. Durch Beobachtung der metabolischen Aktivität der Zellen konnten dosisabhängige Effekte durch die Beladung gezeigt werden, wobei die Effekte durch das Magnetfeld nur gering waren. Die Bewertung der Magnetfeld-gerichteten Zellbewegung erforderte die Etablierung neuartiger Zellkulturverfahren, die auf ihre Praktikabilität und Qualität der Ergebnisse geprüft wurden. So konnte beobachtet werden, dass die magnetische Anziehung nicht nur durch den zellulären Eisengehalt, sondern auch durch den MNP-Typ bestimmt wurde. Wie erwartet hatte jeder MNP-Typ einen anderen Einfluss auf die Beladung und Viabilität der Zellen, dennoch sollten insbesondere die Kulturbedingungen und die Zellspenderspezifischen Eigenschaften nicht unterbewertet werden. Außerdem sollte bei der Auswahl des MNP-Typs auf die Verträglichkeit in gesunden Zellen geachtet werden, da die untersuchten Astrozyten ebenfalls auf die Beladung mit MNPs reagiert haben. Insgesamt konnten in der Studie also wertvolle Erkenntnisse für die Anwendung von MNPs im medizinischen Kontext gewonnen werden.