The story of hyperthermia with small particles in AC magnetic fields started in the late 1950s, but most of the studies were unfortunately conducted with inadequate animal systems, inexact thermometry and poor AC magnetic field parameters, so that any clinical implication was far behind the horizon. More than three decades later, it was found, that colloidal dispersions of superparamagnetic (subdomain) iron oxide nanoparticles exhibit an extraordinary specific absorption rate (SAR [W/g]), which is much higher at clinically tolerable H0f combinations in comparison to hysteresis heating of larger multidomain particles. This was the renaissance of a cancer treatment method, which has gained more and more attention in the last few years. Due to the increasing number of randomized clinical trials preferentially in Europe with conventional E-field hyperthermia systems, the general medical and physical experience in hyperthermia application is also rapidly growing. Taking this increasing clinical experience carefully into account together with the huge amount of new biological data on heat response of cells and tissues, the approach of magnetic fluid hyperthermia (MFH) is nowadays more promising than ever before. The present contribution reviews the current state of the art and some of the future perspectives supported by advanced methods of the so-called nanotechnology.

The aim of this pilot study was to evaluate whether the technique of magnetic fluid hyperthermia can be used for minimally invasive treatment of prostate cancer. This paper presents the first clinical application of interstitial hyperthermia using magnetic nanoparticles in locally recurrent prostate cancer. Treatment planning was carried out using computerized tomography (CT) of the prostate. Based on the individual anatomy of the prostate and the estimated specific absorption rate (SAR) of magnetic fluids in prostatic tissue, the number and position of magnetic fluid depots required for sufficient heat deposition was calculated while rectum and urethra were spared. Nanoparticle suspensions were injected transperineally into the prostate under transrectal ultrasound and flouroscopy guidance. Treatments were delivered in the first magnetic field applicator for use in humans, using an alternating current magnetic field with a frequency of 100 kHz and variable field strength (0–18 kA m−1). Invasive thermometry of the prostate was carried out in the first and last of six weekly hyperthermia sessions of 60 min duration. CT-scans of the prostate were repeated following the first and last hyperthermia treatment to document magnetic nanoparticle distribution and the position of the thermometry probes in the prostate. Nanoparticles were retained in the prostate during the treatment interval of 6 weeks. Using appropriate software (AMIRA), a non-invasive estimation of temperature values in the prostate, based on intra-tumoural distribution of magnetic nanoparticles, can be performed and correlated with invasively measured intra-prostatic temperatures. Using a specially designed cooling device, treatment was well tolerated without anaesthesia. In the first patient treated, maximum and minimum intra-prostatic temperatures measured at a field strength of 4.0–5.0 kA m−1 were 48.5°C and 40.0°C during the 1st treatment and 42.5°C and 39.4°C during the 6th treatment, respectively. These first clinical experiences prompted us to initiate a phase I study to evaluate feasibility, toxicity and quality of life during hyperthermia using magnetic nanoparticles in patients with biopsy-proven local recurrence of prostate cancer following radiotherapy with curative intent. To the authors’ knowledge, this is the first report on clinical application of interstitial hyperthermia using magnetic nanoparticles in the treatment of human cancer.

Magnetic fluid hyperthermia (MFH) selectively heats up tissue by coupling alternating current (AC) magnetic fields to targeted magnetic fluids, so that boundaries of different conductive tissues do not interfere with power absorption. In this paper, a new AC magnetic field therapy system for clinical application of MFH is described. With optimized magnetic nanoparticle preparations it will be used for target-specific glioblastoma and prostate carcinoma therapy.

The potential of colloidal subdomain ferrite particle suspensions (SDP) ('magnetic fluids'), exposed to an alternating magnetic field, is evaluated for hyperthermia. Power absorption measurements of different magnetic fluids are presented in comparison to multidomain ferrite particles (MDP). Variations with frequency as well as magnetic field strength have been investigated. The experimental results clearly indicate a definite superiority of even non-optimized magnetic fluids over MDP ferrites regarding their specific absorption rate (SAR). Based on the work of Shliomis et al. (1990) and Hanson (1991), a solid-state physical model is applied to explain the specific properties of magnetic fluids with respect to a possible use in hyperthermia. The experimentally determined SAR data on magnetic fluids are used to estimate the heating capabilities of a magnetic induction heating technique assuming typical human dimensions and tissue parameters. It is considered that for a moderate concentration of 5 mg ferrite per gram tumour (i.e. 0.5% w/w) and clinically acceptable magnetic fields, intratumoral power absorption is comparable to RF heating with local applicators and superior to regional RF heating (by comparison with clinical SAR measurements from regional and local hyperthermia treatments). Owing to the high particle density per volume, inductive heating by magnetic fluids can improve temperature distributions in critical regions. Furthermore, localized application of magnetic fluids in a tumour might be easier and less traumatic than interstitial implantation techniques.

Summary

Background

 The optimum treatment for high-risk soft-tissue sarcoma (STS) in adults is unclear. Regional hyperthermia concentrates the action of chemotherapy within the heated tumour region. Phase 2 studies have shown that chemotherapy with regional hyperthermia improves local control compared with chemotherapy alone. We designed a parallel-group randomised controlled trial to assess the safety and efficacy of regional hyperthermia with chemotherapy. 

Methods

 Patients were recruited to the trial between July 21, 1997, and November 30, 2006, at nine centres in Europe and North America. Patients with localised high-risk STS (≥5 cm, Fédération Nationale des Centres de Lutte Contre le Cancer [FNCLCC] grade 2 or 3, deep to the fascia) were randomly assigned to receive either neo-adjuvant chemotherapy consisting of etoposide, ifosfamide, and doxorubicin (EIA) alone, or combined with regional hyperthermia (EIA plus regional hyperthermia) in addition to local therapy. Local progression-free survival (LPFS) was the primary endpoint. Efficacy analyses were done by intention to treat. This trial is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT 00003052. 

Findings

 341 patients were enrolled, with 169 randomly assigned to EIA plus regional hyperthermia and 172 to EIA alone. All patients were included in the analysis of the primary endpoint, and 332 patients who received at least one cycle of chemotherapy were included in the safety analysis. After a median follow-up of 34 months (IQR 20–67), 132 patients had local progression (56 EIA plus regional hyperthermia vs 76 EIA). Patients were more likely to experience local progression or death in the EIA-alone group compared with the EIA plus regional hyperthermia group (relative hazard [RH] 0·58, 95% CI 0·41–0·83; p=0·003), with an absolute difference in LPFS at 2 years of 15% (95% CI 6–26; 76% EIA plus regional hyperthermia vs 61% EIA). For disease-free survival the relative hazard was 0·70 (95% CI 0·54–0·92, p=0·011) for EIA plus regional hyperthermia compared with EIA alone. The treatment response rate in the group that received regional hyperthermia was 28·8%, compared with 12·7% in the group who received chemotherapy alone (p=0·002). In a pre-specified per-protocol analysis of patients who completed EIA plus regional hyperthermia induction therapy compared with those who completed EIA alone, overall survival was better in the combined therapy group (HR 0·66, 95% CI 0·45–0·98, p=0·038). Leucopenia (grade 3 or 4) was more frequent in the EIA plus regional hyperthermia group compared with the EIA-alone group (128 of 165 vs 106 of 167, p=0·005). Hyperthermia-related adverse events were pain, bolus pressure, and skin burn, which were mild to moderate in 66 (40·5%), 43 (26·4%), and 29 patients (17·8%), and severe in seven (4·3%), eight (4·9%), and one patient (0·6%), respectively. Two deaths were attributable to treatment in the combined treatment group, and one death was attributable to treatment in the EIA-alone group. 

Interpretation

 To our knowledge, this is the first randomised phase 3 trial to show that regional hyperthermia increases the benefit of chemotherapy. Adding regional hyperthermia to chemotherapy is a new effective treatment strategy for patients with high-risk STS, including STS with an abdominal or retroperitoneal location. 

Funding

 Deutsche Krebshilfe, Helmholtz Association (HGF), European Organisation of Research and Treatment of Cancer (EORTC), European Society for Hyperthermic Oncology (ESHO), and US National Institute of Health (NIH).

To obtain more evidence for intracellular magnetic fluid hyperthermia (MFH), endocytosis and hyperthermia efficacy of silan and dextran magnetite was investigated. Differential endocytosis was observed in dependence of nanoparticle and cell type. Clonogenic survival was 3-fold lower after MFH versus waterbath hyperthermia. The selective “remote inactivation” of cancer cells by an AC magnetic field has been demonstrated in vitro.

To investigate the feasibility of thermotherapy using biocompatible superparamagnetic nanoparticles in patients with locally recurrent prostate cancer and to evaluate an imaging-based approach for noninvasive calculations of the three-dimensional temperature distribution. Ten patients with locally recurrent prostate cancer following primary therapy with curative intent were entered into a prospective phase 1 trial. The magnetic fluid was injected transperineally into the prostates according to a preplan. Patients received six thermal therapies of 60-min duration at weekly intervals using an alternating magnetic field applicator. A method of three-dimensional thermal analysis based on computed tomography (CT) of the prostates was developed and correlated with invasive and intraluminal temperature measurements. The sensitivity of nanoparticle detection by means of CT was investigated in phantoms. The median detection rate of iron oxide nanoparticles in tissue specimens using CT was 89.5% (range: 70–98%). Maximum temperatures up to 55 °C were achieved in the prostates. Median temperatures in 20%, 50%, and 90% of the prostates were 41.1 °C (range: 40.0–47.4 °C), 40.8 °C (range: 39.5–45.4 °C), and 40.1 °C (range: 38.8–43.4 °C), respectively. Median urethral and rectal temperatures were 40.5 °C (range: 38.4–43.6 °C) and 39.8 °C (range: 38.2–43.4 °C). The median thermal dose was 7.8 (range: 3.5–136.4) cumulative equivalent minutes at 43 °C in 90% of the prostates. The heating technique using magnetic nanoparticles was feasible. Hyperthermic to thermoablative temperatures were achieved in the prostates at 25% of the available magnetic field strength, indicating a significant potential for higher temperatures. A noninvasive thermometry method specific for this approach could be developed, which may be used for thermal dosimetry in future studies.

Purpose: To investigate the treatment-related morbidity and quality of life (QoL) during thermotherapy using superparamagnetic nanoparticles in patients with locally recurrent prostate cancer.Materials and Methods: Ten patients with biopsy-proven locally recurrent prostate cancer following primary therapy with curative intent and no detectable metastases were entered on a prospective phase I trial. Endpoints were feasibility, toxicity and QoL. Following intraprostatic injection of a nanoparticle dispersion, six thermal therapy sessions of 60 min duration were delivered at weekly intervals using an alternating magnetic field. National Cancer Institute (NCI) common toxicity criteria (CTC) and the European Organization for Research and Treatment of Cancer (EORTC) QLQ-C30 and QLQ-PR25 questionnaires were used to evaluate toxicity and QoL, respectively. In addition, prostate specific antigen (PSA) measurements were carried out.Results: Maximum temperatures up to 55°C were achieved in the prostates at 25–30% of the available magnetic field strength. Nanoparticle deposits were detectable in the prostates one year after thermal therapy. At a median follow-up of 17.5 months (3–24), no systemic toxicity was observed. Acute urinary retention occurred in four patients with previous history of urethral stricture. Treatment-related morbidity was moderate and QoL was only temporarily impaired. Prostate-specific antigen (PSA) declines were observed in eight patients.Conclusions: Interstitial heating using magnetic nanoparticles was feasible and well tolerated in patients with locally recurrent prostate cancer. Deposition of nanoparticles in the prostate was highly durable. Further refinement of the technique is necessary to allow application of higher magnetic field strengths.

Patients with soft tissue sarcoma are at risk for local recurrence and distant metastases despite optimal local treatment. Preoperative anthracycline plus ifosfamide chemotherapy improves outcome in common histological subtypes.To analyze whether the previously reported improvement in local progression-free survival by adding regional hyperthermia to neoadjuvant chemotherapy translates into improved survival.Open-label, phase 3 randomized clinical trial to evaluate the efficacy and toxic effects of neoadjuvant chemotherapy plus regional hyperthermia. Adult patients (age ≥18 years) with localized soft tissue sarcoma (tumor ≥5 cm, French Federation Nationale des Centers de Lutte Contre le Cancer [FNCLCC] grade 2 or 3, deep) were accrued across 9 centers (6, Germany; 1, Norway; 1, Austria; 1, United States) from July 1997 to November 2006. Follow-up ended December 2014.After stratification for tumor presentation and site, patients were randomly assigned to either neoadjuvant chemotherapy consisting of doxorubicin, ifosfamide, and etoposide alone, or combined with regional hyperthermia.The primary end point was local progression-free survival. Secondary end points included treatment safety and survival, with survival defined from date of randomization to death due to disease or treatment. Patients lost to follow-up were censored at the date of their last follow-up.A total of 341 patients were randomized, and 329 (median [range] age, 51 [18-70] years; 147 women, 182 men) were eligible for the intention-to-treat analysis. By December 2014, 220 patients (67%; 95% CI, 62%-72%) had experienced disease relapse, and 188 (57%; 95% CI, 52%-62%) had died. Median follow-up was 11.3 years. Compared with neoadjuvant chemotherapy alone, adding regional hyperthermia improved local progression-free survival (hazard ratio [HR], 0.65; 95% CI, 0.49-0.86; P = .002). Patients randomized to chemotherapy plus hyperthermia had prolonged survival rates compared with those randomized to neoadjuvant chemotherapy alone (HR, 0.73; 95% CI, 0.54-0.98; P = .04) with 5-year survival of 62.7% (95% CI, 55.2%-70.1%) vs 51.3% (95% CI, 43.7%-59.0%), respectively, and 10-year survival of 52.6% (95% CI, 44.7%-60.6%) vs 42.7% (95% CI, 35.0%-50.4%).Among patients with localized high-risk soft tissue sarcoma the addition of regional hyperthermia to neoadjuvant chemotherapy resulted in increased survival, as well as local progression-free survival. For patients who are candidates for neoadjuvant treatment, adding regional hyperthermia may be warranted.clinicaltrials.gov Identifier: NCT00003052.