Abstract
Utvikling av magnetisk resonans imaging (MRI) kontrastmidler som kan lett brukes for avbilding av biologisk vev under kliniske settinger er en utfordrende oppgave. Dette er hovedsakelig på grunn av forventningen om en ideell MR middel være i stand til å bli syntetisert i store mengder, som har lengre holdbarhet, rimelig biokompatibilitet, toleranse mot sin aggregering i biologiske væsker, og høy relaksivitet, noe som resulterer i bedre kontrast i løpet av biologisk imaging. Selv om et repertoar av rapporter løse ulike tidligere nevnte spørsmålene, de tidligere rapporterte resultater er langt fra optimal, noe som nødvendiggjør ytterligere innsats på dette området. I denne studien viser vi lettvint stor-skala syntese av sub-100 nm kvasi-kubisk magnetitt magnetitt og /silisiumdioksyd kjerne-skall (Mag @ SiO2) nanopartikler og deres anvendelse som en biokompatibel T2 kontrastmiddel for MRI av biologisk vev. Vår studie tyder på at silikon-belagt magnetitt nanopartikler er rapportert i denne studien kan potensielt fungere som forbedrede MR-kontrastmidler ved å ta opp en rekke tidligere nevnte spørsmålene, herunder lengre holdbarhet og stabilitet i biologiske væsker. I tillegg vår
in vitro Hotell og
in vivo
studier viser klart betydningen av silika belegg mot økt anvendelse av T2 kontrastmidler for kreft bildebehandling
Citation. Campbell JL, Arora J, Cowell SF, Garg A, Eu P, Bhargava SK, et al. (2011) Kvasi-Cubic Magne /Silica Kjerne-Shell Nanopartikler som Utvidet MR kontrastmidler for Cancer Imaging. PLoS ONE 6 (7): e21857. doi: 10,1371 /journal.pone.0021857
Redaktør: Yi Wang, Cornell University, USA
mottatt: 07.02.2011; Godkjent: 08.06.2011; Publisert: 01.07.2011
Copyright: © 2011 Campbell et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Forfatterne har ingen støtte eller finansiering for å rapportere
konkurrerende interesser:.. forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Interessen magnetiske nanomaterialer har vedvart de siste par tiårene først og fremst på grunn av sine applikasjoner på tvers av mange områder som magnetiske data opptak, sensing, katalyse og biomedisin [1] – [5]. Magnetiske nanomaterialer har tiltrukket seg spesiell oppmerksomhet i biomedisin på grunn av deres store potensial i å forbedre tiden tilgjengelig sykdomsdiagnostikk, forebygging og terapeutiske tilnærminger [6]. For eksempel, er potensialet av magnetiske nanopartikler for å gi nøyaktig høyt biotoxic stoffer til bestemte steder i kroppen [6], så vel som deres anvendelse som høyt spesialiserte bio-prober for diagnostisk avbildning er blitt demonstrert ved å feste biomolekylære markører til overflaten [1 ], [7]. Med denne utviklingen, er det et økende behov for å utvikle biokompatible magnetiske nanomaterialer med ultra-sensitive imaging evner slik at de kan brukes til et bredt spekter av
in vivo
medisinsk bildeprogrammer.
magnetisk resonansavbildning (MRI) er å anse som et kraftig bilde verktøy på grunn av sin høye romlig oppløsningsevne, ikke-invasiv karakter, og dens evne til å unngå ioniserende stråling i motsetning til nukleære avbildningsteknikker så som positronemisjonstomografi (PET) [8] – [10]. I korthet MRI opererer ved å dra fordel av den usedvanlig lille magnetiske moment som ligger på hver proton at under tilstedeværelse av en stor magnetisk felt, frembringer en effekt som måles som et signal på MR-bilde. Signalene som produseres via T1 avslapning (spin-gitter avslapping) eller T2 avslapning (spinn-spinn avslapping) avhenger av sekvensparametre programmert til å erverve MR-bilde. Totalt sett, T1 vektet og T2 vektet bilde gi forskjellige kontrasteffekter mellom væske og kroppsvev. For eksempel T1 vektede bilder viser væske som mørke, vannbaserte vev som grå og fettbaserte vev som lyse, og dermed veldig tydelig viser grensene mellom ulike vev. Omvendt, på T2 vektede bilder, vises væske lys og vann- og fettbaserte vev synes grå. Bruken av kontrastmidler forbedrer spesifisiteten og sensitiviteten av MRI ved å forkorte enten T1 eller T2 relaksasjon av vannprotonene ved siden av dem, og dermed gi mer detaljert informasjon om patologi. Gadolinium-baserte T1 kontrastmidler er mest brukt i MR, men voksende bekymring over sikkerheten til gadolinium-baserte kontraster har ført til et stort skifte mot jernoksid basert T2 kontrastmidler som anses å være relativt biologisk trygg [11] – [ ,,,0],. 13]
Selv om jernoksyd baserte kontrastmidler har blitt klinisk godkjent for MRI, deres bruk har vært overveiende begrenset til lever /milt imaging (AMI-25 Feridex® – ikke i bruk lenger) og gastrointestinale lumen imaging (Lumirem® /Gastromark®). Denne begrensningen er først og fremst på grunn av den større størrelsen av jern oksid partikler som er involvert i disse agentene, som enten er tatt opp umiddelbart av reticuloendothelium systemet etter intravenøs administrering (Feridex®) eller oralt (Lumirem® /Gastromark®). Det er derfor et klinisk haster med å utvikle kommersielt levedyktige og biologisk sikre kontrastmidler som kan brukes for MR-avbildning av et bredt spekter av kroppens vev [14] – [16]. Dessuten har det vært tallrike rapporter om forskjellige synteseveier til magnetiske nanopartikler baserte kontrastmidler, blant annet biologisk syntetiserte magnetiske nanopartikler [17] – [18], magnetiske nanopartikler med dendrimer-kjerner [19], superparamagnetiske liposomer [20], lipid-baserte MR-kontrastmidler [21], metall-dopet magnetiske nanopartikler [22] – [25], CoFe2O4 @ SiO2 partikler med fluorescerende fargestoffer innlemmet [26], og magnetiske nanopartikler for både bildebehandling og terapeutiske anvendelser [27]. I tillegg, i den pre-klinisk setting, har trenden de siste årene gått i retning av utvikling av små (sub-100 nm) jernoksid nanopartikler [24], [28] – [31]. De tidligere studier tyder på at å skifte fra sub-mikron jernoksid partikler til sin nanoparticulate form i det kliniske miljøet, de utfordringer som må overvinnes inkludere deres lave kjemisk og biologisk stabilitet, liten holdbarhet, iboende lav til høy cytotoksisitet, og lav magnetisering forbundet med jernoksid nanopartikler, som har selv blitt adressert av noen nyere studier til en viss grad, fortsatt krever det ekstra innsats på dette området [32] – [34]. Dette er hovedsakelig fordi de ovennevnte egenskaper av MR-kontrastmidler kan sterkt avhengig av deres syntese rute.
I dette manuskriptet, tar vi de fleste av de tidligere nevnte problemene ved å vise utviklingen av en T2-vektet, iron oxide-baserte MRI-kontrastmiddel med rimelig lav cytotoksisitet, høy relaksivitet, og særlig bemerkelsesverdig høy stabilitet som kan lagres ved romtemperatur i mer enn 6 måneder uten noen synlig aggregering. Den kjemiske stabilitet av disse nanopartiklene blir oppnådd ved å belegge dem med en uorganisk silika (SiO2) lag, som fører til Mag @ SiO2 kjerne-skallnanopartikler. De resulterende nanopartikler ble analysert ved hjelp av en superledende kvante-interferensmåleinnretning (SQUID), høy oppløsning transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM), røntgenstråle-diffraksjon (XRD) og en 3 Tesla klinisk MRI-skanner. Våre
in vitro
studier indikerer at belegget med SiO2 gjengir disse nanopartiklene biokompatible og de er aktivt tatt opp av prostatakreftceller under
in vitro
forhold. Vår foreløpige
in vivo
studier med en brystsvulst dyremodell antyder videre sitt potensial verktøyet som gode MR-kontrastmidler for svulst bildebehandling.
Resultater og Diskusjon
Figur 1A viser TEM-bilde av de magnetiske (Mag) nanopartikler, noe som indikerer at det ny-syntetiserte Mag nanopartikler fremstilt ved vår syntese rute var kvasi-kubisk morfologi med god monodispersitet og en gjennomsnittlig størrelse på 40 ± 5 nm. Spesielt ved bruk av vår tilnærming, stor skala syntese av Mag nanopartikler kan oppnås (minst opp til 10 g partikler per batch) uten at nanopartikkel form eller monodispersitet. Fra høyere forstørrelse TEM bilde, ble disse Mag nanopartikler funnet å ha sfæriske kanter, og det ser ut som om disse nanopartiklene består av flere mindre sfæriske partikler som monterer sammen gir opphav til kvasi-kubikk strukturer (innfelt Figur 1a). Det er viktig å merke seg at ved romtemperatur lagringsforhold, uberørte Mag nanopartikler mister sin kvasi-kubikk morfologi og slå sfærisk etter to uker med syntese. Holdbarheten av kommersielt tilgjengelige MRI-kontrastmidler er faktisk en av de store begrensningene forbundet med klinisk anvendbarhet av slike materialer. SiO
to skallbelegg er tidligere blitt påvist å gi biokompatibilitet, partikkel-stabilitet samt en lettvint overflate for ytterligere biofunctionalisation i forskjellige nano [27] – [29]. Derfor, for å gi kjemisk stabilitet for magnetiske nanopartikler, ble en silika skall vokst rundt kvasi-kubikk Mag partikler (innen 3 dager etter sin syntese), og dermed produsere Mag @ SiO2 kjerne-skall nanopartikler (Figur 1b). Den kontrollerte silika belegg av Mag nanopartikler førte til dannelsen av Mag @ SiO2 kjerne-skallkonstruksjoner med en ca. 20 ± 2 nm silika skall rundt 40 ± 5 nm kvasi-kubikk Mag nanopartikler (figur 1B og innfelt). Stort område TEM-analyse av Mag @ SiO2 kjerne-skallkonstruksjoner indikerte at det meste av Mag nanopartikler beholdt sin kvasi-kubisk morfologi etter silisiumoksyd-belegg, og mer enn ca. 75% av partiklene i prøven ble funnet å være individuelt belagt med en silika skall. Imidlertid mindre enn ca. 25% av strukturer besto av enten to eller tre eller ingen Mag partikler i silika skallet. Spesielt, denne type partikkelfordelingen er typisk for en kjemisk syntese rute, noe som ikke nødvendigvis alltid eksplisitt erkjent i den rådende litteraturen. I tillegg ble det observert at etter belegning Mag nanopartikler med silisiumdioksyd, Mag @ SiO2- partikler som holder seg stabile i fosfatbuffer saltvann (PBS) løsning for i det minste opp til 1 mg /ml konsentrasjon, så vel som i lett-dispergerbare pulverform for at minst opp til 6 måneder. TEM Bildet vist i figur 1B ble ervervet etter 6 måneders lagring av Mag @ SiO2 nanopartikler ved romtemperatur, og var lik de avbildes umiddelbart etter syntese. Dette tyder på at en silika belegg over Mag nanopartikler kan forbedre deres stabilitet for langtidslagringsforhold, og dermed beholde sine magnetiske egenskaper ved å forbedre holdbarheten. Dette er en av de avgjørende parametere for utvikling av MRI-baserte kontrastmidler for kliniske og kommersielle programmer.
innfellinger vise de respektive høyere oppløsning TEM bilder.
Figur 2 viser XRD mønstre av Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler. Den XRD mønster hentet fra kvasi-kubikk Mag nanopartikler (kurve 1) kunne indekseres basert på standard diffraksjonsmønster vanligvis oppstår fra magnetitt (Fe
3O
4) med store topper indeksert (JCPDS fil Ingen 75-0449). Etter silika belegg, de fleste av diffraksjonstopper som kommer fra Mag nanopartikler kunne fortsatt påvises. Imidlertid interessant, for etter silisiumoksyd-belegg, en ytterligere topp ved ca. 29,3 ° 2θ ble observert som kan være tildelt til (220) planet til en FeSi
2-fase (kurve 2) (JSPDS fil nr. 73-0963). Det blandede Fe-Si-fase er sannsynligvis dannes ved grenseflaten mellom silisiumdioksyd og magnetitt i løpet av kjerne-skall syntese av Mag @ SiO2 nanopartikler.
XRD topper med korresponderende Bragg-refleksjoner av magnetitt er indikert. (*) Svarer til den XRD topp som oppstår fra et blandet Fe-Si-fase.
høy metningsmagnetiseringen av MR-kontrastmidler er en viktig forutsetning for den magnetiske nanopartikler som skal brukes for MRI anvendelse. Den magnetiske hysteresekurve av Mag @ SiO2 nanopartikler som oppnås ved SQUID-måling er vist i figur 3, som ble funnet å ha noen tvangs felt, noe som bekrefter deres superparamagnetisk art. Mag @ SiO2 nanopartikler ble funnet å ha en forholdsvis høy masse magnetisering verdi på 74,4 emu /g, noe som er sammenlignbart med det som tidligere er rapportert massemagnetiseringen verdier på 72,9 emu /g i kommersielt tilgjengelige Resovist jernoxydpartikler [35].
Mag og Mag @ SiO2 syntetisert i denne studien ble videre testet for sin evne til å bli internalisert av menneskelige prostata kreft PC3 celler (figur 4). Når det utsettes for celle opptaksstudier i 24 timer, 50 ug /ml Mag @ SiO2 nanopartikler ble funnet å være uptaken av PC3 prostatakreftceller mer effektivt enn tilsvarende en konsentrasjon på nakne Mag nanopartikler (sammenlign figurene 4B og C). Når PC3 kreftceller ble utsatt for Mag nanopartikler, observerte vi at bare Mag nanopartikler uten noe SiO
2 belegg hadde en tendens til å danne store aggregater (med dimensjoner tilsvarende til cellestørrelsen) i oppløsningen i løpet av en 24 timers eksponeringsperiode, som begrenset sin evne til å bli uptaken av PC3-celler (Figur 4B). Som det kan utledes av figur 4B, er disse store klynger av nakne Mag nanopartikler overveiende festes til utsiden av cellene, og er vanskelig å bli internalisert av PC3 prostata kreftceller. Motsatt, etter SiO
2 belegg, Mag @ SiO2 nanopartikler forblir godt dispergert i oppløsningen selv etter 24 timer, noe som letter deres effektivt opptak av PC3-celler, som kan sees fra en høyere tetthet av Mag @ SiO2 nanopartikler inne PC3 prostata kreft celler (Figur 4C). Vår gruppe og andre har tidligere vist at nanopartikkelstørrelse og aggregering i biologiske media kan spille en avgjørende rolle i cellulært opptak prosesser, som ikke-spesifikt opptak av sub-100 nm-nanopartikler er generelt observeres via endocytose mekanisme av cellene [36] – [ ,,,0],39]. Aggregering av nakne (urørte) Mag nanopartikler i biologisk media, og unngåelse av deres aggregering etter silika belegg antyder klart den viktige rollen SiO
2 belegg, og fordelen med Mag @ SiO2 kjerne-shell nanopartikler over nakne Mag nanopartikler for biologiske bruksområder . Basert på resultater fra celle opptak studier ble uberørte Mag nanopartikler funnet å være uegnet for biologiske applikasjoner, og derfor bare Mag @ SiO2 nanopartikler ble valgt for videre studier om deres egnethet for MRI-applikasjoner.
Fra celle opptak studier, er det også klart at Mag @ SiO2 nanopartikler ikke medføre noen vesentlig endring i morfologi PC3 prostata kreft celler. Tidligere studier viser at jernoksid nanopartikler er ikke-toksiske ved lavere konsentrasjon, men kan være svakt toksisk ved høyere konsentrasjoner [40] – [41]. Før du utforsker Mag @ SiO2 nanopartikler for MRI-programmet, ble biokompatibilitet profilen av disse partiklene vurderes ved å utføre MTS-baserte
in vitro
cytotoksisitetstester eksperimenter på PC3 prostatakreftceller, som er ett av tiltakene for biokompatibilitet (figur 5) . Det er åpenbart fra figur 5 at Mag @ SiO2 nanopartikler ikke i vesentlig grad påvirker PC3 cellelevedyktighet i minst opp til 50 ug ml-1 Fe konsentrasjoner, ved hvilke mer enn 85% PC3-celler levedyktighet ble opprettholdt. Men ytterligere økning i Mag @ SiO2 nanopartikler konsentrasjon ekvivalent med 100 ug ml
-1 Fe resulterte i en cellelevedyktighet tap på ca. 30%. Dette tyder på at Mag @ SiO2 nanopartikler er rapportert i denne studien kan være egnet for MRI-applikasjoner innen 50 mikrogram ml
-1 Fe konsentrasjonsområde. Imidlertid kan dette aspektet kreve ytterligere detaljert undersøkelse, hvor effekten av Mag @ SiO2 nanopartikler på cytokin produksjon profil av celler må undersøkes.
Siden magnetiske nanomaterialer kan modulere MR signal ekstrautstyr effekter, evnen av Mag @ SiO2 nanopartikler som T2 MR-kontrastmiddel ble videre undersøkt i forhold til deres relaksivitet (R2 eller avslapning rate, noe som tilsvarer 1 /T2 hvor T2 er spinn-spinn avslapping tid) på en 3 Tesla klinisk MR skanner på et ekko tid ( TE) fra 10,86 ms. Relaksivitet er et mål på effektiviteten av et MR-kontrastmiddel for å forbedre proton avslapping og øke effektiviteten til hvilken bildekontrasten blir produsert i løpet av MR [42]. Relaksiviteten Målingene ble utført både på nanopartikler som suspensjon i fantomer, så vel som etter å ha blitt uptaken av PC3 prostata kreftceller. Mag @ SiO2 nanopartikler ble funnet å ha en høy relaksivitet verdi på 263,23 l /mmol /s i cellefrie suspensjoner, og 230,90 l /mmol /s for Mag @ SiO2 nanopartikler innenfor PC3-celler. Høy relaksivitet verdi (det vil si bedre MR kontrast) sammen med høy masse magnetisering verdi for MRI er viktige hensyn ved utvikling av T2-kontrastmidler, som spinn-spinn avslapping prosess protoner i vannmolekyler omgir nanopartikler lettes av det store omfanget av magnetiske spinn i nanopartikler [43] – [44]. Mag @ SiO2 nanopartikler med høy masse magnetisering og høye relaksiviteten verdier kan derfor resultere i sterk MR signalintensitet reduksjon T2-vektet MRI som målt ved [45]. Dette er kritisk i slik at nanomolar aktivitet av kontrastmidler, noe som vil gjøre det lettere å redusere den totale kontrastmidlet dosen til pasienten.
relaksiviteten data antyder også en reduksjon i verdien av relaksiviteten Mag @ SiO2 nanopartikler i PC3-celler etter cellulært opptak, sammenlignet med det i suspensjon. Dette funn bekrefter godt med tidligere studier som viste at relaksiviteter av innfødte jernoksid nanopartikler var høyere sammenlignet med de etter akkumulering i cellene [46] – [47]. De mekanismer som er ansvarlig for denne effekten ennå ikke er fullt ut forstått, men det kan muligens skyldes innesperring av nanopartikler i endosomer av målceller, noe som kan føre til en opphopning av magnetiske felt inhomogeniteter etter sub-cellulær oppdeling i seksjoner, noe som ville omvendt være fraværende i jevnt fordelt nanopartikler i suspensjoner [48]. I tillegg kan de forskjellige geometriske arrangement av nanopartikler i suspensjoner, og i celler, og muligens antiferromagnetic kopling som følge av opphopning i de sub-cellulære spille noen rolle for å redusere relaksiviteten verdier etter cellulært opptak [28], [48]. Spesielt, i motsetning til relaksiviteten verdier på 230-269 l /mmol /s observert for Mag @ SiO2 nanopartikler i denne studien, kommersielle Resovist basert nanopartikler er rapportert med lavere verdier av 151 l /mmol /s [35]. Den observerte relaksivitet verdien av Mag @ SiO2 nanopartikler utarbeidet i denne studien er også relativt høyere enn de som er rapportert for udopede magnetittpartikler (218 l /mmol /s) i de senere detaljerte studier [24]. For dopede magnetiske partikler, er det blitt rapportert at høye relaksiviteter på opp til 358 l /mmol /s kan oppnås ved doping magnetitt med Mn (MnFe
2o
4) [24]. Men kanskje potensiell utlekking av Mn under administrering av disse MR kontrastmidler i kroppen positur cytotoksisitetstester problemstillinger, og det beste av forfatternes kunnskap, udopede Mag @ SiO2 nanopartikler med slike høye relaksiviteten verdier har ikke hittil vært rapportert.
Videre er relaksiviteten studier som en funksjon av forskjellige konsentrasjoner av Fe i Mag @ SiO2 nanopartikler, både som en nanopartikkel suspensjon i fantomer (figur 6A), og etter 24 timer av nanopartikkel-opptaket hos PC3 prostatakreftceller (figur 6B) viste at Mag @ SiO2 nanopartikler fungere som utestående T2-vektet kontrastmidler. Det viser et bilde mørkere effekt, demonstrert av fall i R2 (ΔR2 /R2
kontroll) signalintensitet med økende Fe konsentrasjoner. For eksempel, ved 100 ug /ml Fe konsentrasjon Mag @ SiO2 nanopartikler tilveiebringe et signal forbedring av ~90% sammenlignet med mer enn 70% i løpet av signalforbedring avbildning av PC3 prostata kreftceller. Dette er en betydelig forbedring signal i forhold til de fleste av de tidligere rapporterte materialer, i hvilke vanligvis bare 15-20% signalforbedring er blitt observert [28]. Slike sterke MR signal forbedring forventes fra Mag @ SiO2 nanopartikler på grunn av deres relativt høye relaksiviteten og saturasjonsmagnetiseringen verdier.
Panel A viser studier utført i fantomene for partikler i suspensjon, mens panel B viser tilsvarende undersøkelser i PC3 menneskelige prostata kreft celler etter nanopartikler opptak i 24 timer. Tilsvarende T2-vektet MR-bilder av forskjellige prøver, som viser bildet mørkere effekt med økende Fe konsentrasjon er også vist under hver bar.
In vivo
MR-studier i et bryst svulst mus modellen viste også T2 signal forsterkning på svulststedet ved Mag @ SiO2 nanopartikler (figur 7). Bildene Følgende
in vivo
administrering av 10 ug dose av Mag @ SiO2 nanopartikler demonstrere evnen til å produsere MR forbedring av tumorstedet i forhold til legemet. T2-vektet signal ekstrautstyr effekter av de Mag @ SiO2 nanopartikler på et MR-bilde er visualisert som mørkere eller kontrasten mellom områder infiltrert med Mag @ SiO2 nanopartikkel og de uten nanopartikler. Fremtidige studier på Mag @ SiO2 kan skreddersys for målrettet MRI, utnytte sin overlegne magnetiske egenskaper i diagnostisering av sykdommer.
Mus to ble injisert med Mag @ SiO2 nanopartikler som T2 kontrastmiddel, mens Mouse 1 ble injisert med saltløsning som en kontroll. Tumor steder i kontrollgruppen (mus 1) og i det behandlede mus (mus 2) har blitt merket som blå og røde sirkler hhv. Paneler C og D viser høyere forstørrelse tverrsnitt bilder av svulsten nettstedet tilsvarende paneler A og B henholdsvis, hvor svulsten region injisert med MR-kontrastmiddel har vært fremhevet ved hjelp av hvite sirklene.
I sammendraget, viktig betraktninger for et effektivt MRI-kontrastmiddel inkluderer mindre partikkelstørrelse, deres effektivt opptak av celler, redusert aggregering i biologiske væsker, forbedret holdbarhet og forbedret biokompatibilitet. En kontroll over alle disse parametrene vil gi en mulighet til å målrette en rekke molekylære /cellulære bildebehandlingsprogrammer uten å forårsake akutt giftighet for normale celler. Særlig for tumorbilde applikasjoner, kan sub-100 nm-partikler gir betydelig fordel, som den avkappede diameter av tumor fartøyet porer er 400-600 nm [41] – [43], [49] -. [51]
i denne studien har vi vist en lettvinte, storstilt syntese av kvasi-kubikk magnetitt og Mag @ SiO2 nanopartikler av sub-100 nm størrelse. De Mag @ SiO2 nanopartikler som presenteres her har en holdbarhet på mer enn 6 måneder, og de er effektivt uptaken av cellene uten å forårsake betydelig aggregering eller cellulær toksisitet. Den biologiske halveringstid av mindre og silikabelagt jernoksid nanopartikler forventes å bli ytterligere økt på grunn av deres reduserte interaksjon med kroppsvæsker. Denne studien tydelig understreker derfor viktigheten av SiO
2 belegg mot å forbedre opptaket av Mag @ SiO2 nanopartikler av PC3 prostatakreftceller, og forbedre holdbarheten av MR-kontrastmidler. De magnetiske-silika kompositt nanopartikler fungere som lovende T2 kontrastmidler som tilbyr et potensielt levedyktig alternativ som en kommersiell MR-kontrastmiddel. Dette skyldes deres liten størrelse, høy MR signalforsterkning, relativ biokompatibilitet, lengre holdbarhet, og svært modifiserbar silika overflatekjemi som vil tillate vedheft av flere molekylære markører for målrettet MR i fremtiden. Disse egenskapene til en T2 kontrastmiddel er svært ønskelig for magnetic resonance imaging programmer på pre-klinisk nivå og for senere bruk klinisk.
Materialer og metoder
Etikk erklæringen
den brystkreft mus modellen ble utviklet i huset, og alle studier som involverer dyr ble forhåndsgodkjent av institusjonelle dyreetikk komité.
Material
alle kjemikalier ble kjøpt fra Sigma-Aldrich og brukt som mottas uten videre modifisering. De prostatakreftceller (PC3 cellelinje) ble kjøpt fra American Type Culture Collection (ATCC). CellTiter 96 vandige løsning Cell Proliferation Assay (Promega) kit ble kjøpt fra Promega Corporation.
Syntese av jernoksid nanopartikler
Kvasi-kubikk jernoksid nanopartikler (også omtalt som «Mag») ble syntetisert ved hjelp av en totrinnsprosess vesentlig endret fra Park
et al
, og dermed fører til kontrollert storskala syntese [52]. Under syntesen, ble en jern-oleat kompleks først er dannet ved oppløsning av 5,4 g jernklorid og 18,25 g natriumoleat i en oppløsning bestående av 40 ml etanol, 30 ml destillert vann og 70 ml heksan. Når homogenisert, ble løsningen tilbakeløpskokt ved 70 ° C i 4 timer, etterfulgt av separasjon av det øvre organiske sjikt ved bruk av en skilletrakt, vasking og fordampning av heksan, for derved å etterlate et voksaktig jern oleat kompleks. Jernoxydpartiklene nanokrystaller ble dannet ved oppløsning av 9,0 g av jern oleat komplekset i 1,425 g oljesyre og 63.3 ml av 1-oktadecen, etterfulgt av tilbakeløp under nitrogen inntil den nådde 320 ° C, ved hvilket punkt temperaturen ble holdt i 30 min og fikk deretter avkjøles til romtemperatur. 250 ml etanol ble deretter tilsatt til løsningen, og magnetittpartiklene ble separert gjennom sentrifugering, etterfulgt av tre vaskesykluser med etanol. Spesielt, ved å designe denne protokollen, omfanget av minst opp til 10 g magnetiske nanopartikler pr reaksjon kan enkelt oppnås under laboratorieforhold.
Syntese av silika-belagt jernoksid (Mag @ SiO2) nanopartikler
Silica-belagt jernoksid nanopartikler (Mag @ SiO2) ble utarbeidet med en metode vesentlig endret fra Fang
et al Hotell og Morel
et al product: [53] – [54], hvor regulert hydrolyse av silisiumdioksyd-forløperen i nærvær av magnetitt nanopartikler ble utført. I vår tilnærming, ble pre-formede magnetiske partikler anvendt som kjernedannende steder for etterfølgende hydrolyse av silika forløper rundt dem. I korthet, ble 1 mg av jernoksid nanopartikler fremstilt i foregående trinn behandlet med ultralyd i en oppløsning bestående 15 ml etanol og 2 ml avionisert vann (MilliQ). 1 ml ammoniakk (25% oppløsning) ble tilsatt til den ovennevnte løsning mens det er neddykket i et ultralydapparat som er programmert for å slå på i 1 minutt i hvert 10 min. Videre, en overhead-rører ble det i tillegg brukt til å blande oppløsningen mens 4 ml av 1:60 (tetraetyl-orthosilicate:ethanol) ble tilsatt ved en hastighet på 0,4 ml /t ved anvendelse av en sprøytepumpe, og løsningen ble omrørt ved romtemperatur i 12 timer. Silika belagt jernoksid nanopartikler ble sentrifugert, vasket tre ganger med etanol og redispergeres i MilliQ vann.
Material karakterisering
Den morfologi og størrelse på Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler ble karakterisert ved hjelp av JEOL 2010 høy oppløsning transmisjonselektron (HRTEM) mikroskop operert ved en akselererende spenning på 200 kV. Prøver for HRTEM målinger ble fremstilt ved å slippe støpe partikler på en karbonbelagt kobbergitter, etterfulgt av lufttørking. Den krystallografi av nanomaterial pulver ble oppnådd på et Bruker D8 ADVANCE røntgen-diffraktometer ved bruk av Cu Ka-stråling. For magnetiske målinger ble en superledende kvante-grensesnitt enhet basert magnetometer (Quantum Design MPMS-XL5) brukes. Jerninnholdet av de nanopartikkel løsninger som brukes for
in vitro
og
in vivo
studier ble konstatert på et Varian AA280FS Fast Sekvensiell Atomic Absorption Spectrometer (AAS) etter fordøyelse av partikler over natten i salpetersyre.
in vitro
cellestudier og cytotoksisitetsanalyser
human prostata kreftceller (PC3 cellelinje) ble rutinemessig dyrket ved 37 ° C i en fuktet atmosfære med 5% CO2 ved hjelp RPMI 1640 medium supplert med 10% føtalt bovint serum (FBS), 1% penicillin, streptomycin 1% /penicillin og 1 mM L-glutamin. For sub-dyrking, ble PC3 prostatakreftceller frittliggende ved vasking med fosfatbufret saltvann (PBS) og inkubering med trypsin-EDTA-oppløsning (0,25% trypsin, 1 mM EDTA) i 5 minutter ved 37 ° C, fulgt av vasking og inkubering med supplert RPMI 1641 medium. For celleopptak, ble cellene først sådd ut i 24-brønners polystyren retter i 24 timer, etterfulgt av inkubasjon med Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler for 24 timer ved 37 ° C i fullstendig cellematerialet, og etterfølgende tre ganger vasking av cellene med PBS , før avbildning i henhold til et invertert mikroskop. For cytotoksisitetsanalyser ble levedyktigheten til PC3 prostata kreftceller eksponert for Mag @ SiO2 nanopartikler i fravær av cellevekstmedium bestemmes. En CellTiter 96 Aqueous One Solution Cell Proliferation Assay (Promega) kit innehold tetrazoliumforbindelsen 3- (4,5-dimetyltiazol-2-yl) -5- (3-carboxymethoxyphenyl) -2- (4-sulfofenyl) -2H-tetrazolium (MTS), ble brukt til å overvåke cellelevedyktighet i henhold til produsentens protokoller. MTS fargeendring ble overvåket ved bruk av en plateleser ved 490 nm, og celle-levedyktigheten data ble plottet ved å vurdere levedyktigheten for de ubehandlede celler som 100%. Eksperimenter ble utført i tre paralleller, og feilfelt representerer standard eksperimentelle feil.
Magnetic resonance imaging (MRI) studier
MRI studier ble utført for nanopartikkel løsninger som er lagret i fantomer, i PC3 prostatakreftceller etter nanopartikkel opptak, og i en musemodell med brystkreft. For fantom MRI undersøkelser, ble fantomer fremstilt i Eppendorf-rør med Mag @ SiO2 nanopartikler ved tre forskjellige konsentrasjoner (Fe 0,18 mM, 0,9 mM, 1,79 mM) og en saltoppløsning uten nanopartikler ble benyttet som en kontroll. For
in vitro
MRI-studier, PC3 kreftceller ble dyrket ved hjelp av ovennevnte protokoll i 24 vel isopor plater, og inkubert i 24 timer med Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler ved tre forskjellige konsentrasjoner (0,18 mm, 0,9 mm, 1,79 mM) og en kontroll med celler, men ingen nanopartikler. MRI-målinger for fantomer og PC3-celler ble utført med en klinisk 3,0 Tesla Clinical Siemens Trio MR-skanner ved hjelp av en 12-kanals hode spolen og de følgende parametre: T2-vektet imaging, gradient ekko sekvens, multippel ekkotid (TE) som strekker seg fra 0.99- 100 ms, repetisjon tid (TR) = 2000 ms, matrise 128 × 128, skive tykkelse på 3 mm. Relaksasjonshastigheter (R2) ble bestemt ved hjelp av et enkelt ekko-sekvens (SE) med en konstant TR på 2000 ms og TE multiple som strekker seg fra 0.99-100 ms. Signalet ble plottet som en funksjon av ekko tid og utstyrt for å oppnå R2 verdier. R2 verdier av Mag @ SiO2 i fantomer og PC3-celler ble bestemt ved å plotte relaksiviteten ved en TE over 10,86 ms, som en funksjon av molar jernkonsentrasjon i de respektive prøver, og ekstrahering av T2-verdien fra helningen ved lineær regresjon av dataene
