Krooninen sairaus

tiivistelmä

kehittäminen magneettikuvaus (MRI) varjoaineita, joita voidaan helposti käyttää kuvantaminen biologisten kudosten alle hoitopaikassa on haastava tehtävä. Tämä johtuu pääasiassa odotuksia ihanteellinen MR agentti pystyy syntetisoida suuria määriä, joilla säilyy kauemmin, kohtuullinen biologinen yhteensopivuus, sietokyvyn sen koostamista biologisissa nesteissä, ja korkea relaksiivisuutta, mikä parantaa kontrastia aikana biologinen kuvantaminen. Vaikka ohjelmistoon raportteja käsitellä eri edellä mainitut asiat, aikaisemmin raportoidut tulokset ovat kaukana ihanteellisesta, mikä edellyttää lisätoimia tällä alalla. Tässä tutkimuksessa osoitamme facile laajamittaista synteesiä alle 100 nanometrin lähes kuutio magnetiitti ja magnetiitti /piidioksidi ydin-kuori (Mag @ SiO2) nanohiukkaset ja niiden soveltuvuus bioyhteensopivan T2 varjoaine MRI biologisten kudosten. Tutkimuksemme osoittaa, että piidioksidilla päällystettyä magnetiitti nanohiukkasia tässä tutkimuksessa voi mahdollisesti toimia parannetun MR varjoaineita käsittelemällä useat edellä mainituista asioista, kuten pidempi säilyvyysaika ja stabiilisuus biologisissa nesteissä. Lisäksi meidän

in vitro

ja

in vivo

tutkimukset osoittavat selvästi, että on tärkeää piidioksidipäällyste kohti parempia sovellettavuutta T2 varjoaineiden syövän kuvantamisessa.

Citation: Campbell JL, Arora J, Cowell SF, Garg A, Eu P, Bhargava SK, et al. (2011) Quasi-Cubic Magnetiitti /Silica Core-Shell Nanohiukkasten Enhanced MRI varjoaineina Cancer Imaging. PLoS ONE 6 (7): e21857. doi: 10,1371 /journal.pone.0021857

Editor: Yi Wang, Cornell University, Yhdysvallat

vastaanotettu: 07 helmikuu 2011; Hyväksytty: 8 kesäkuu 2011; Julkaistu: 01 heinäkuu 2011

Copyright: © 2011 Campbell et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Kirjoittajat ei ole tukea tai rahoitusta raportoida.

kilpailevat edut: kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

Kiinnostus magneettinen nanomateriaaleja on jatkunut muutaman viime vuosikymmeniä johtuu ensisijaisesti niiden sovelluksia monilla aloilla, kuten magneettiset tallennus-, tunnistus, katalyysi ja biolääketieteen [1] – [5]. Magneettinen nanomateriaaleja ovat herättäneet erityistä huomiota biolääketieteen johtuen niiden suurta potentiaalia parantaa nykyisin saatavissa sairauksien diagnostiikkaan, ehkäisyyn, ja hoitomenetelmät [6]. Esimerkiksi mahdolliset magneettisten nanohiukkasten täsmällisesti tuottavat erittäin biotoxic huumeita tiettyihin paikkoihin elimistössä [6], sekä niiden käyttöä pitkälle erikoistunutta bio-koettimien diagnostisen kuvantamisen on osoitettu liittämällä biomolekyylitason markkereita niiden pinnalle [1 ], [7]. Näiden kehitysvaiheiden on kasvava tarve kehittää bioyhteensopivia magneettinen nanomateriaaleja Erittäin herkkä kuvantamisen valmiuksia, jotta niitä voidaan käyttää monenlaisia ​​

in vivo

lääketieteellisen kuvantamisen sovelluksiin.

magneettikuvaus (MRI) pidetään tehokas kuvantamisen työkalu, koska sen korkea spatiaalinen resoluutio ominaisuus, ei-invasiivisia luonteeltaan ja sen kyky välttää ionisoiva säteily toisin ydin- kuvantamismenetelmiä kuten positroniemissiotomografia (PET) [8] – [10]. Lyhyesti, MRI toimii hyödyntämällä poikkeuksellisen pieni magneettinen momentti luontainen jokaiseen protoni, että vuoden esiintyy suuri magneettikenttä, tuottaa vaikutuksen mitattavissa signaalin MR kuvaa. Signaalit valmistetulla T1 rentoutumista (spin-hila rentoutuminen) tai T2-rentoutuminen (spin-spin rentoutuminen) riippuu sekvenssin parametrit ohjelmoidaan hankkia MR kuva. Kaiken T1 painotettu ja T2 painotettu kuvantamisen tarjoavat erilaisia ​​vastakkaisia ​​vaikutuksia välillä nesteen ja kudoksen. Esimerkiksi T1 painotettu kuvat osoittavat nesteen tumma, vesi-pohjainen kudoksissa harmaa ja rasva-pohjainen kudoksissa kirkas, mikä selvästi osoittaa väliset rajat eri kudoksissa. Käänteisesti T2 painotettu kuvia, neste näyttää kirkkaalta ja vesi- ja rasva-pohjainen kudosten näkyvät harmaina. Käyttö varjoaineita parantaa suuresti spesifisyys ja herkkyys MRI lyhentämällä joko T1- tai T2 rentoutumista veden protonien niiden viereen, jolloin saadaan tarkempia tietoja patologia. Gadolinium-pohjainen T1 varjoaineita ovat yleisimmin käytetty MRI, mutta kasvava huoli turvallisuudesta gadoliniumia perustuva kontrastit ovat johtaneet suuriin siirtymistä rautaoksidi perustuu T2 varjoaineita, joiden katsotaan olevan suhteellisen biologisesti turvallinen [11] – [ ,,,0],13].

Vaikka rautaoksidi varjoaineilla on kliinisesti hyväksytty MRI, niiden käyttö on pääasiallisesti rajattu maksa /perna kuvantaminen (AMI-25 Feridex® – ei enää käytössä) ja maha-lumenia kuvantaminen (Lumirem® /Gastromark®). Tämä rajoitus johtuu lähinnä suuremman koon rautaoksidipartikkelien mukana näissä aineita, jotka ovat joko ottaneet välittömästi reticuloendothelium järjestelmä laskimonsisäisen antamisen jälkeen (Feridex®), tai annetaan suun kautta (Lumirem® /Gastromark®). Tämän vuoksi on olemassa kliininen kiireellistä kehittää kaupallisesti ja biologisesti turvallisia varjoaineita, joita voidaan käyttää MR-kuvantaminen monenlaisia ​​kehon kudosten [14] – [16]. Lisäksi on ollut lukuisia raportteja eri synteesireittejä magneettisia nanohiukkasia varjoaineilla, mukaan lukien biologisesti syntetisoitu magneettisia nanohiukkasia [17] – [18], magneettinen nanopartikkelien dendrimeeriin ytimien [19], superparamagneettisia liposomit [20], lipidipohjaiset MR varjoaineet [21], metalli-dopingia magneettinen nanohiukkasten [22] – [25], CoFe2O4 @ SiO2 hiukkaset fluoresoivilla väreillä sisällytetty [26], ja magneettiset nanopartikkelit sekä kuvantamisen ja terapeuttisia sovelluksia [27]. Lisäksi edeltävässä hoitopaikassa, suuntaus viime vuosina on ollut kohti pienten (alle 100 nm) rautaoksidin nanohiukkasia [24], [28] – [31]. Edelliset tutkimukset viittaavat siihen, että siirtymään alle mikronin rautaoksidipartikelien niiden nanopartikkelien muodossa kliinisessä ympäristössä, haasteita, jotka on voitettava sisältyvät niiden alhainen kemiallinen ja biologinen pysyvyys, pieni säilyvyysaika, luontainen matalasta korkea sytotoksisuus, ja matalan magnetoinnin liittyy rautaoksidin nanohiukkasia, joka on tosin yritetty ratkaista muutama viimeaikaiset tutkimukset jossain määrin, se edellyttää vielä lisätoimia tällä alalla [32] – [34]. Tämä tapahtuu pääasiassa siksi, että edellä mainitut ominaisuudet MR varjoaine voi riippuvat suuresti niiden synteesin reitin.

Tässä käsikirjoituksen, käsittelemme useimmat edellä mainitut ongelmat, jotka osoittavat kehittää T2-painotettu, rautaoksidi-pohjainen MRI varjoaine kohtuullisen alhainen sytotoksisuus, korkea relaksiivisuutta, ja erityisen merkittävä hyvä vakaus voidaan säilyttää huoneenlämmössä yli 6 kuukautta ilman mitään näkyvää aggregoitumista. Kemiallinen stabiilisuus näiden nanohiukkasten saavutetaan päällystämällä ne epäorgaanisen piidioksidia (SiO2) kerros, joka johtaa Mag @ SiO2 ydin-kuori-nanopartikkeleita. Saatu nanohiukkasten analysoitiin suprajohtava kvantti-interferenssin mittauslaite (SQUID), korkea resoluutio lähetyksen (HRTEM), X-(XRD) ja 3 Tesla kliinisen MRI. Meidän

in vitro

tutkimukset osoittavat, että pinnoite SiO2 tekee nämä nanopartikkelit bioyhteensopivia ja he ovat aktiivisesti tarttunut syöpäsolujen alla

in vitro

olosuhteissa. Alustavien

in vivo

tutkimuksissa rintasyöpä eläinmallissa ehdottaa lisäksi niiden potentiaali käyttökelpoisuus hyvä MRI aineita kasvaimen kuvantamiseen.

Tulokset ja keskustelu

Kuvio 1A esittää TEM kuva magneettisen (Mag) nanohiukkasia, joka osoittaa, että synteesistä Mag nanohiukkasten valmistamia synteesireitti olivat lähes kuutio morfologialtaan hyvää monodispexsiivx syys ja keskikoko on 40 ± 5 nm. Erityisesti käyttämällä lähestymistapaa, suuren mittakaavan synteesi Mag nanohiukkasia voitaisiin saavuttaa (ainakin jopa 10 g partikkeleita per erä) vaarantamatta nanohiukkasten muoto tai monodispexsiivx syys. Korkeammasta suurennus TEM kuva, nämä Mag nanohiukkasten havaittiin pallomaisia ​​reunat, ja näyttää siltä, ​​että nämä nanopartikkelit koostuvat useita pienempiä pallomaisia ​​hiukkasia, jotka kokoavat yhteen synnyttää lähes kuutiometriä rakenteiden (upotus kuvio 1A). On tärkeää huomata, että huoneenlämmössä varastointiolosuhteissa, koskematon Mag nanohiukkaset menettävät lähes kuutio morfologia ja käännä pallomainen kahden viikon synteesin. Säilyvyyttä kaupallisesti saatavilla MRI varjoaineiden on itse asiassa yksi tärkeimmistä rajoituksista liittyy kliinisiä sovellettavuutta aineita. SiO

2 kuori pinnoite on aikaisemmin osoitettu tuottavan biologinen yhteensopivuus, hiukkanen vakauden sekä helpon pinta edelleen biofunctionalisation eri nanomateriaaleja [27] – [29]. Siksi tarjota kemiallisen vakauden magneettisia nanohiukkasia, silika kuori kasvatettiin noin lähes kuutio Mag hiukkasten (3 päivän kuluessa niiden synteesi), tuottaen siten Mag @ SiO2 ydin-kuori nanohiukkasten (kuvio 1 B). Kontrolloitu piidioksidi pinnoite Mag nanohiukkasten johti muodostumiseen Mag @ SiO2 ydin-kuori rakenteille ca. 20 ± 2 nm piidioksidin kuoren noin 40 ± 5 nm lähes kuutio Mag nanohiukkasten (kuvio 1 B ja upotus). Suuri alue TEM analyysi Mag @ SiO2 ydin-kuori rakenteita osoitti, että suurin osa Mag nanohiukkasten säilyttivät lähes kuutio morfologia jälkeen piihappopinnoitteeksi, ja yli ca. 75% hiukkasista näytteessä havaittiin erikseen päällystetty piidioksidi kuori. Kuitenkin alle ca. 25% rakenteiden muodostui joko kaksi tai kolme tai ei Mag hiukkasten piidioksidin kuori. Erityisesti, tämän tyyppinen hiukkasjakauman on tyypillinen kemiallisen synteesin reitti, joka ei välttämättä ole aina nimenomaisesti huomioon vallitsevat kirjallisuutta. Lisäksi havaitsimme, että päällystyksen jälkeen Mag nanopartikkelien piidioksidi, Mag @ SiO2 hiukkaset pysyvät vakaina fosfaattipuskurissa (PBS) ratkaisu ainakin jopa 1 mg /ml pitoisuus, samoin kuin helposti jauheeksi muodossa osoitteessa ainakin jopa 6 kuukautta. TEM kuva kuvassa 1B hankittiin 6 kuukauden varastoinnin Mag @ SiO2 nanohiukkasten huoneenlämpötilassa ja oli samanlainen kuin kuvattavan heti synteesin jälkeen. Tämä viittaa siihen, että piidioksidipäällyste yli Mag nanohiukkaset voivat merkittävästi parantaa vakautta pitkäaikaiseen varastointiolosuhteet, näin säilyttäen magneettisia ominaisuuksia parantamalla niiden säilyvyyttä. Tämä on yksi keskeinen parametrien kehittämiseksi MRI varjoaineilla kliinisiä ja kaupallisia sovelluksia.

Upotekoristeinen kivi näyttää kunkin Tarkempaa TEM kuvia.

Kuva 2 esittää XRD kuviot Mag ja Mag @ SiO2 nanohiukkasia. XRD, saatuina lähes kuutiometriä Mag nanohiukkasten (käyrä 1) voitaisiin indeksoitu perustuu standardiin diffraktiokuvion ilmenevät tyypillisesti magnetiittia (Fe

3 O

4) tärkeimpien piikkien indeksoitu (JCPDS tiedosto Ei 75-0449). Jälkeen piidioksidipäällyste, useimmat diffraktiopiikkien johtuvat Mag nanohiukkasia voidaan vielä havaita. Kuitenkin mielenkiintoisesti, kun piihappopinnoitteeksi ylimääräinen huippu ca. 29,3 ° 2θ havaittiin, että voitaisiin osoittaa, että (220) -tason FeSi

2 vaihe (käyrä 2) (JSPDS tiedosto ei. 73-0963). Sekoitettu Fe-Si-vaiheen todennäköisimmin rajapinnalle muodostunut piidioksidin ja magnetiitti aikana ydin-kuori-synteesi Mag @ SiO2 nanohiukkasia.

XRD huiput vastaa Braggin heijastusten magnetiitti on todettu. (*) Vastaa XRD huippu johtuvat sekoitettu Fe-Si-vaiheen.

korkea saturaatiomagnetoituma MR varjoaineiden on tärkeä edellytys magneettisen nanohiukkasia voidaan käyttää MRI sovelluksen. Magneettinen hystereesi käyrä Mag @ SiO2 nanopartikkelit saadaan SQUID mittaus on esitetty kuviossa 3, joka havaittiin ei ole pakottavaa kenttiä, mikä vahvistaa niiden superparamagneettisia luonne. Mag @ SiO2 nanohiukkasten havaittiin olevan suhteellisen suuri massa magnetoinnin arvo 74,4 emu /g, joka on verrattavissa aikaisemmin raportoitu massa magnetointi arvoja 72,9 emu /g kaupallisesti saatavissa Resovist rautaoksidipartikelien [35].

Mag ja Mag @ SiO2 syntetisoitu tässä tutkimuksessa testattiin edelleen niiden kyky sisäistää ihmisen eturauhassyövän PC3-solut (kuvio 4). Kun se altistetaan solu oton tutkimuksia 24 h, 50 ug /ml Mag @ SiO2 nanohiukkasten havaittiin imeytymiskertoimeksi mukaan PC3 syöpäsolujen tehokkaammin kuin vastaavat pitoisuus on paljas Mag nanohiukkasten (vertaa kuvioita 4B ja C). Kun PC3 syövän solut altistettiin Mag nanohiukkasia, havaitsimme, että paljain Mag nanohiukkasten ilman SiO

2 pinnoite oli taipumus muodostaa suuria aggregaatteja (mittojen samanlainen solun koko) liuoksessa yli 24 tunnin altistuksen aikana, mikä rajoitti heidän kyky olla imeytymiskertoimeksi mukaan PC3-solut (kuvio 4B). Kuten voidaan päätellä kuviosta 4B, nämä suuret klustereita paljas Mag nanohiukkasten pääasiassa pitävät ulkopinnan soluja, ja on vaikea sisäistää PC3 syöpäsolujen. Kääntäen, kun SiO

2 pinnoite, Mag @ SiO2 nanopartikkelit pysyvät hyvin hajallaan liuoksessa vielä 24 tunnin kuluttua, mikä helpottaa niiden tehokas sisäänotto PC3-solut, kuten voidaan nähdä suuremman tiheyden Mag @ SiO2 nanohiukkasten sisällä PC3 eturauhasen syöpäsolujen (kuvio 4C). Ryhmämme ja muut ovat aikaisemmin osoittaneet, että nanopartikkelikoko ja yhdistäminen biologisessa media voi olla ratkaiseva rooli soluunottokokeissa prosesseissa, kuten epäspesifinen, alle 100 nm nanopartikkeleita havaitaan yleensä kautta endosytoosin mekanismi solujen [36] – [ ,,,0],39]. Aggregoituminen paljas (koskematon) Mag nanohiukkasten biologiset median sekä välttää niiden yhdistäminen jälkeen piihappopinnoitteeksi selvästi viittaa tärkeän roolin SiO

2 pinnoite, ja etu Mag @ SiO2 ydin-kuori nanohiukkasten yli paljas Mag nanopartikkelien biologisiin sovelluksiin . Perustuen tulosten sisäänoton soluun tutkimuksista, koskematon Mag nanohiukkasten havaittiin olevan sopimattomia biologisissa sovelluksissa, ja siksi vain Mag @ SiO2 nanohiukkasten valittiin lisätutkimuksiin koskien niiden sopivuutta MRI sovelluksia.

Valitse solun sisäänoton tutkimuksissa on myös selvää, että Mag @ SiO2 nanopartikkelit eivät aiheuta merkittäviä muutoksia morfologia PC3 eturauhasen syöpäsoluja. Aikaisemmat tutkimukset osoittavat, että rautaoksidi nanopartikkelit ovat myrkyttömiä alhaisempi pitoisuus, mutta se voi olla lievästi myrkyllisiä korkeammilla pitoisuuksilla [40] – [41]. Ennen tutkimalla Mag @ SiO2 nanopartikkeleiden MRI sovellus, biologisen yhteensopivuuden profiilia näistä hiukkasista arvioitiin suorittamalla MTS-pohjainen

in vitro

sytotoksisuus kokeet PC3 eturauhassyövän solut, joka on yksi niistä toimenpiteistä, biologinen yhteensopivuus (kuva 5) . On selvää kuviosta 5, että Mag @ SiO2 nanopartikkelit eivät vaikuta merkittävästi PC3 solujen elinkelpoisuus vähintään 50 ug ml-1 Fe pitoisuudet, jolloin yli 85% PC3-solujen elinkelpoisuus säilyi. Kuitenkin edelleen kasvavan Mag @ SiO2 nanohiukkasten vastaava pitoisuus 100 ug ml:

-1 Fe aiheutti solujen elinkelpoisuuden menetys ca. 30%. Tämä viittaa siihen, että Mag @ SiO2 nanohiukkaset tässä tutkimuksessa saattaa olla sopiva MRI sovelluksissa 50 ug ml

-1 Fe pitoisuusalueella. Kuitenkin, tämä näkökohta voi edellyttää edelleen yksityiskohtainen tutkimus, jossa vaikutus Mag @ SiO2 nanohiukkasten sytokiinien tuotantoa profiilia solujen täytyy tutkia.

Koska magneettinen nanomateriaaleja voidaan mukauttaa MR signaalin laatua vaikutuksia, kyky Mag @ SiO2 nanopartikkeleita T2 MR varjoainetta tutkittiin lisäksi mitattuna niiden relaksiivisuutta (R2 tai relaksaationopeuteen, joka on yhtä kuin 1 /T2 jossa T2 on spin-spin relaksaatioaika) on 3 Teslan kliininen MRI klo kaikuajan ( TE) on 10,86 ms. Relaksiivisuus on mitta tehokkuudesta MR varjoaineen parantaa protonin rentoutumista ja tehokkuuden lisäämiseksi, johon kuvan kontrastia on tuotettu MK [42]. Relaksiivisuus mittaukset suoritettiin sekä nanopartikkeleita suspensiona haamut sekä sen jälkeen, kun imeytymiskertoimeksi mukaan PC3 eturauhasen syöpäsoluja. Mag @ SiO2 nanohiukkasten havaittiin olevan korkea relaksiivisuutta arvo 263,23 l /mmol /s solussa vapaa suspensiot ja 230,90 l /mmol /s Mag @ SiO2 nanohiukkasten sisällä PC3 soluissa. Korkea relaksiivisuutta arvo (eli parempi MR kontrasti) yhdessä korkea massa magnetointi vastinetta MRI ovat tärkeitä näkökohtia kehitettäessä T2 varjoaine, kuten spin-spin rentoutumista prosessi protonien vesimolekyylejä ympäröivä nanohiukkasten helpottaa suurten suuruus magneettinen pyörii nanohiukkaset [43] – [44]. Mag @ SiO2 nanopartikkelien suuren massan magnetoinnin ja korkeat relaksiivisuutta arvot voivat siis aiheuttaa voimakasta T2-painotettu MR signaalin intensiteetin laskua mitattuna MRI [45]. Tämä on kriittinen mahdollistaa nanomolaarisella aktiivisuuden varjoaineita, joka helpottaa vähentämään yleistä varjoaineen annoksen potilaille.

relaksiivisuutta data ehdottaa myös vähentää relaksiivisuus arvo Mag @ SiO2 nanohiukkasten PC3-soluissa jälkeen soluunottoa verrattuna suspensiossa. Tämä havainto vahvistavat hyvin aiempien tutkimusten, jotka osoittivat, että relaksiviteetit natiivin rautaoksidia nanohiukkasten korkeammat verrattuna jälkeen kerääntymistä soluihin [46] – [47]. Mekanismit vastaa tätä vaikutusta ei ole vielä täysin ymmärretty, mutta se voi mahdollisesti johtua synnytyksen nanohiukkasten sisällä endosomien kohdesolujen, mikä saattaa aiheuttaa kerääntyy magneettikentän rakenteiden vaikutuksista jälkeen subsellulaarisella kompartmentalisaatio mikä kääntäen puuttuvan jakautunut tasaisesti nanohiukkasten suspensioissa [48]. Lisäksi erilaiset geometriset järjestely nanohiukkasia suspensioiden ja soluissa, ja mahdollisesti antimagneettinen kytkennän seurauksena klustereiden sisällä solukomponenttien osastot voivat pelata joitakin rooli vähentää relaksiivisuudet arvojen jälkeen soluunottoa [28], [48]. Erityisesti toisin kuin relaksiivisuutta arvoihin 230-269 l /mmol /s havaittiin Mag @ SiO2 nanohiukkaset tässä tutkimuksessa, kaupallinen Resovist nanohiukkasia on raportoitu pienempiä arvoja 151 l /mmol /s [35]. Havaittu relaksiivisuutta arvo Mag @ SiO2 nanohiukkasia valmistetaan tässä tutkimuksessa on myös suhteellisesti suurempi kuin raportoitu undoped magnetiittia hiukkasten (218 l /mmol /s) viime yksityiskohtaisia ​​tutkimuksia [24]. Sillä dopingia magneettisia hiukkasia, on raportoitu, että korkea relaksiviteetit jopa 358 l /mmol /s voidaan saavuttaa seostamalla magnetiitin kanssa Mn (MnFe

2O

4) [24]. Kuitenkin mahdollisen suotautumisen Mn antamisen aikana näiden MR varjoaine elimistössä saattaa aiheuttaa sytotoksisuutta kysymyksiä, ja parhaan kirjoittajien tiedon, undoped Mag @ SiO2 nanopartikkelien niin korkeat relaksiivisuutta arvoja ei ole tähän mennessä raportoitu.

Lisäksi, relaksiivisuutta tutkimukset funktiona eri pitoisuuksia Fe Mag @ SiO2 nanohiukkasia, sekä nanohiukkasten suspensiona haamut (kuvio 6A), ja sen jälkeen 24 h nanohiukkasten oton PC3 syöpäsolujen (kuvio 6B) paljasti, että Mag @ SiO2 nanohiukkasten toimivat erinomainen T2-painotettu varjoaineita. Tämä näkyy kuvan tummuminen, osoituksena lasku R2 (ΔR2 /R2

ohjattu) signaalin intensiteetin kasvaessa Fe pitoisuuksilla. Esimerkiksi, 100 ug /ml Fe pitoisuus, Mag @ SiO2 nanohiukkasten antaa signaalin parantamiseksi ~90% verrattuna yli 70% signaalin laatua kuvantamisen aikana PC3 eturauhasen syöpäsoluja. Tämä on merkittävä signaalin laatua verrattuna useimpien aiemmin raportoitu materiaaleja, joissa on yleensä vain 15-20% signaalin laatua on havaittu [28]. Tällainen vahva MR signaalin laatua odotetaan Mag @ SiO2 nanohiukkasia, koska niiden suhteellisen suuri relaksiivisuutta ja kyllästysmagnetoituma arvoja.

Paneelissa A esitetään tehdyissä tutkimuksissa haamut varten hiukkasina, kun taas paneeli B esittää samanlaiset tutkimukset PC3 ihmisen eturauhasen syöpäsolujen jälkeen nanohiukkaset ottoa 24 tuntia. Vastaavat T2-painotettu MR kuvia eri näytteiden, jotka osoittavat kuvan tummuminen kasvaessa Fe pitoisuus on myös esitetty alla bar.

In vivo

MRI tutkimukset rintasyöpä hiiri malli osoitti myös T2 signaalin laatua tuumoripaikkaan Mag @ SiO2 nanohiukkasten (kuva 7). Kuvat Seuraavat

in vivo

anto 10 mikrogrammaa Mag @ SiO2 nanohiukkasten osoittaa kykynsä tuottaa MR parantamiseen tuumoripaikkaan rungon suhteen. T2-painotettu signaalin laatua vaikutuksia Mag @ SiO2 nanohiukkasten MR kuva saadaan näkyviin kuin tummuminen tai kontrasti alueiden soluttautunut Mag @ SiO2 nanohiukkasten ja ilman nanohiukkasia. Tulevaisuuden tutkimukset Mag @ SiO2 voidaan räätälöidä kohdennettuihin MRI, hyödyntäen ylivoimainen magneettiset ominaisuudet diagnosointiin patologioita.

Hiiri 2 ruiskutettiin Mag @ SiO2 nanopartikkeleita T2 varjoainetta, kun hiiri 1 ruiskutettiin suolaliuosta kontrollina. Tuumorikohdat kontrolliryhmässä (hiiri 1) ja käsitellyn hiiren (hiiri 2) on merkitty sinisellä ja punaiset ympyrät vastaavasti. Paneelit C ja D esittävät suurennettuna poikkileikkaus kuvia kasvainpaikkaa vastaavat paneelit A ja B, jossa kasvain alue pistetään MR varjoainetta on korostettu käyttämällä valkoiset ympyrät.

Yhteenvetona tärkeää näkökohtia tehokkaan MRI-varjoaine sisältää pienempi hiukkaskoko, niiden tehokas sisäänotto soluihin, vähentää aggregaatiota biologisissa nesteissä, parantunut säilyvyys, ja parannettu biologinen yhteensopivuus. Kontrolli kaikkien näiden parametrien antaa mahdollisuuden kohdistaa erilaisia ​​molekyyli- /solu kuvantamisen sovelluksiin aiheuttamatta akuutti toksisuus normaaleille soluille. Erityisesti kasvaimen kuvantamisen sovelluksiin, alle 100 nanometrin hiukkaset voivat tarjota merkittävää etua, koska katkaisurajahalkaisijana kasvainten aluksen huokosiin on 400-600 nm [41] – [43], [49] – [51].

tässä tutkimuksessa olemme osoittaneet helpolla, laajamittainen synteesi lähes kuutio magnetiitti ja Mag @ SiO2 nanohiukkasia alle 100 nanometrin kokoa. Mag @ SiO2 nanohiukkasten raportoitu tässä on säilyvyysaika on yli 6 kuukautta, ja ne ovat tehokkaasti imeytymiskertoimeksi solujen aiheuttamatta merkittäviä kasautumista tai solujen myrkyllisyys. Biologinen puoliintumisaika pienempiä ja piidioksidilla päällystettyä rautaoksidi nanohiukkasten odotetaan edelleen lisätä johtuen niiden vähentää vuorovaikutuksen kehon nesteiden. Tämä tutkimus siis selvästi korostaa SiO

2 pinnoite parantamiseksi ottoa Mag @ SiO2 nanohiukkasia PC3 eturauhassyövän solut, ja parantaa säilyvyyttä MR varjoaineiden. Magneettinen-piidioksidiyhdistelmässä nanohiukkasten toimia lupaavana T2 varjoaineita tarjoten mahdollisesti varteenotettava vaihtoehto kaupallisena MR varjoaine. Tämä johtuu niiden pienen koon, suuren MR signaalin laatua, suhteellinen biologinen yhteensopivuus, säilyvyyttä, ja erittäin muunneltavia silikapinta kemiaa, joka mahdollistaa tarttumisen useiden molekyylimarkkereiden kohdennettua MRI tulevaisuudessa. Nämä ominaisuudet T2 varjoainetta ovat erittäin haluttuja magneettikuvaukseen sovelluksia prekliinisen tason ja myöhempää käyttöä kliinisesti.

Materiaalit ja menetelmät

Ethics lausunto

rintojen kasvain hiirillä kehitettiin talon, ja kaikki tutkimukset, joissa eläimet ennalta hyväksynyt institutionaalisten eläinten eettinen komitea.

Materiaalit

kaikki kemikaalit hankittiin Sigma-Aldrich ja käytettiin vastaanotetuksi ilman muutoksia. Eturauhasen syöpäsolujen (PC3-solulinjassa) hankittiin American Type Culture Collection (ATCC). CellTiter 96 Aqueous One Solution Cell Proliferation Assay (Promega) pakkaus ostettiin Promega Corporation.

synteesi rautaoksidia nanohiukkasten

Lähes kuutio rautaoksidi nanohiukkasten (viitataan nimellä ”Mag”) syntetisoitiin käyttäen kaksivaiheista prosessia huomattavasti muokattu Park

et al

, mikä johtaa ohjattu laajamittaiseen synteesiin [52]. Synteesin aikana, rauta oleaatti kompleksi ensin muodostetaan liuottamalla 5,4 g rautakloridin ja 18,25 g natriumoleaattia liuoksessa, joka koostuu 40 ml: aan etanolia, 30 ml tislattua vettä ja 70 ml: lla heksaania. Kun homogenoitu, liuosta refluksoitiin 70 ° C: ssa 4 h, jonka jälkeen erottamalla ylempi orgaaninen kerros käyttäen erotussuppiloon, pesu ja haihduttamalla pois heksaanilla, jolloin jäljelle jää vahamainen rautaa oleaatti monimutkainen. Rautaoksidi nanocrystals muodostettiin liuottamalla 9,0 g rauta oleaatti monimutkainen 1,425 g öljyhappoa ja 63,3 ml 1-oktadekeeniä, minkä jälkeen refluksissa typen, kunnes se saavutti 320 ° C, jossa vaiheessa lämpötila pidettiin 30 min ja sitten annettiin jäähtyä huoneenlämpötilaan. 250 ml: ssa etanolia lisättiin sitten liuokseen ja magnetiitti partikkelit erotettiin sentrifugoimalla, jota seurasi kolme pesua sykliä etanolilla. Erityisesti suunnittelemalla tätä protokollaa, skaalata ainakin jopa 10 g magneettisia nanohiukkasia kohti reaktiota voidaan helposti saavuttaa laboratorio-olosuhteissa.

synteesi piidioksidilla päällystettyä rautaoksidi (Mag @ SiO2) nanopartikkelit

Silica-päällystetty rautaoksidi nanohiukkasten (Mag @ SiO2) valmistettiin käyttäen menetelmää, joka merkittävästi muutettu Fang

et al

ja Morel

et ai

[53] – [54], jossa ohjattu hydrolyysi piidioksidin edeltäjäyhdisteen läsnä ollessa magnetiitti nanohiukkasia suoritettiin. Meidän lähestymistapa, muotoon puristetut magneettiset partikkelit käytettiin ytimen muodostavana sivustoja myöhempää hydrolyysiin piidioksidin esiasteen heidän ympärillään. Lyhyesti, 1 mg rautaoksidi nanohiukkasten valmistettu edellisessä vaiheessa sonikoitiin liuokseen, joka koostui 15 ml: ssa etanolia ja 2 ml: lla deionisoitua vettä (MilliQ). 1 ml ammoniakkia (25% liuos) lisättiin edellä olevaan liuokseen, kun se on upotettuna sonikaattorilla ohjelmoida kytkemään 1 minuutin ajan 10 minuutin välein. Edelleen, yläpuolinen sekoitin käytetään lisäksi Liuosta sekoitetaan samalla kun 4 ml: 1:60 (tetraetyyli- orthosilicate:ethanol) lisättiin nopeudella 0,4 ml /h käyttäen ruiskupumppua, ja liuoksen annettiin sekoittua huoneenlämpötilassa 12 h. Piidioksidilla päällystetty rautaoksidi nanohiukkasten sentrifugoitiin, pestiin kolme kertaa etanolilla ja dispergoitiin uudelleen MilliQ veteen.

materiaalien karakterisointi

morfologia ja koko Mag ja Mag @ SiO2 nanohiukkasten karakterisoitiin käyttämällä JEOL 2010 korkean resoluution transmissioelektronimikroskoopilla (HRTEM) mikroskoopilla käytettiin kiihdytysjännitteellä 200 kV. Näytteet HRTEM mittauksia valmistettiin pudotus valu hiukkasia hiilidioksidipäästöttömään kuparisten grid, jonka jälkeen ilmakuivaus. Kristallografian nanomateriaalin jauheiden saatiin Bruker D8 etukäteen röntgensädediffraktiometriä käyttäen Cu Ka-säteilyä. Magneettisten mittausten suprajohtava kvantti liitäntälaitteen perustuu magnetometri (Quantum Suunnittelu MPM-XL5) käytettiin. Rautapitoisuus nanohiukkasten ratkaisuja käytetään

in vitro

ja

in vivo

tutkimuksissa todettiin Varian AA280FS Fast Juokseva Atomiabsorptiospektrometri (AAS) pilkkomalla hiukkasten yön typpihappoa.

in vitro

solun tutkimukset ja sytotoksisuusmäärityksissä

Ihmisen syöpäsolujen (PC3-solulinjassa) viljeltiin rutiininomaisesti 37 ° C: ssa kostutetussa ilmakehässä, jossa oli 5% CO2 käyttäen RPMI 1640-väliaineessa, jota oli täydennetty 10% naudan sikiön seerumia (FBS), 1% penisilliini, 1% streptomysiiniä /penisilliiniä ja 1 mM L-glutamiinia. Sub-viljelyn, PC3 eturauhassyövän solut irrotettiin pesemällä fosfaattipuskuroidulla suolaliuoksella (PBS) ja inkuboimalla trypsiini-EDTA-liuosta (0,25% trypsiiniä, 1 mM EDTA), 5 minuuttia 37 ° C: ssa, jota seurasi pesu ja inkubointi täydennetyssä RPMI 1641 väliaineessa. Solujen sisäänoton, solut ensin siirrostettiin 24-kuoppaisille polystyreeni ruokia 24 h, jonka jälkeen inkuboitiin Mag ja Mag @ SiO2 nanohiukkasten 24 tunnin ajan 37 ° C: ssa solujen täydellisen media, ja sen jälkeen kolme kertaa pesua soluja PBS: llä ennen kuvantamisen alla käännettyä mikroskooppia. Sytotoksisuuden määritykset, elinkelpoisuus PC3 eturauhassyöpäsolujen altistetaan Mag @ SiO2 nanohiukkasten ilman solujen kasvua alustassa määritettiin. CellTiter 96 vesikerros Solution Cell Proliferation Assay (Promega) sarja sisältää tetratsoliumyhdiste 3- (4,5-dimetyylitiatsol-2-yyli) -5- (3-karboksimetoksifenyyli) -2- (4-sulfofenyyli) -2H-tetratsoliumin (MTS), käytettiin seuraamaan solujen elinkelpoisuuden mukaan valmistajan protokollia. MTS värimuutos seurattiin käyttämällä levylukijalla 490 nm: ssä, ja solujen elinkelpoisuus data piirrettiin tarkastelemalla elinkelpoisuuden käsittelemättömien solujen 100%. Kokeet suoritettiin kolmena rinnakkaisena, ja virhepylväät edustavat standardin koevirheet.

Magneettikuvaus (MRI) tutkimukset

MRI tutkimukset tehtiin nanohiukkasten ratkaisuja tallennettu haamut, PC3 eturauhassyövän solut jälkeen nanohiukkasten otto ja hiirimallissa rintasyöpään. Phantom MRI tutkimuksia, haamut valmistettiin Eppendorf-putkissa kanssa Mag @ SiO2 nanohiukkasten kolmessa eri Fe pitoisuuksilla (0,18 mM, 0,9 mM, 1,79 mM) ja suolaliuosta ilman nanohiukkasia käytettiin kontrollina. Sillä

in vitro

MRI tutkimukset, PC3 syöpäsolut viljeltiin käyttäen edellä protokollaa 24 hyvin polystyreeni levyt, ja inkuboitiin 24 h Mag ja Mag @ SiO2 nanohiukkasten kolmessa eri pitoisuuksilla (0,18 mM, 0,9 mM, 1,79 mmol) ja kontrollina soluilla mutta ei nanohiukkasten. MRI mittaukset haamut ja PC3-soluja suoritettiin kliininen 3,0 Tesla Clinical Siemens Trio MRI käyttäen 12-kanavainen pää kela ja seuraavat parametrit: T2-painotettu imaging, kaltevuus kaiku sekvenssi, useita kaikuajan (TE) välillä 0.99- 100 ms, toistoaika (TR) = 2000 ms, matriisi 128 x 128, siivu paksuus 3 mm. Rentoutuminen hinnat (R2) määritettiin käyttämällä yhtä kaiku sekvenssi (SE), jossa on jatkuva TR 2000 ms ja useita TE vaihtelevat 0,99-100 ms. Signaali funktiona kaiun aikaa ja varustettu saada R2 arvot. R2 arvot Mag @ SiO2 fantomeita ja PC3-solut määritettiin piirtämällä relaksiivisuus klo TE 10,86 ms, funktiona molaarinen rautapitoisuus vastaavissa näytteissä, ja uuttamalla T2 arvo kulmakerroin lineaarisen regression tietojen pisteiden saaminen alemmilla Fe pitoisuuden arvoja.