PLoS ONE: Quasi-Cubic Magnetit /Silica Core-Shell Nanopartikler som forstærket MRI kontrastmidler til Cancer Imaging

Abstrakt

Udvikling af magnetisk resonans imaging (MRI) kontrastmidler, der let kan anvendes til afbildning af biologisk væv under kliniske omgivelser er en udfordrende opgave. Dette skyldes overvejende forventningen om en ideel MR middel er i stand til at blive syntetiseret i store mængder, der besidder længere holdbarhed, rimelig biokompatibilitet, tolerance mod dets aggregering i biologiske væsker, og høj relaksivitet, hvilket resulterer i bedre kontrast ved biologisk billeddannelse. Selv et repertoire af rapporter fat forskellige ovennævnte spørgsmål, de tidligere rapporterede resultater er langt fra optimal, hvilket nødvendiggør en yderligere indsats på dette område. I denne undersøgelse viser vi facile storstilet syntese af sub-100 nm kvasi-kubisk magnetit og magnetit /silica kerne-skal (Mag @ SiO2) nanopartikler og deres anvendelighed som et biokompatibelt T2 kontrastmiddel til MRI af biologiske væv. Vores undersøgelse tyder på, at silica-coatede magnetit nanopartikler rapporteret i denne undersøgelse potentielt kan fungere som forbedrede MR kontrastmidler ved at behandle en række førnævnte spørgsmål, herunder længere holdbarhed og stabilitet i biologiske væsker. Derudover vores

in vitro

in vivo

undersøgelser viser klart betydningen af ​​silica belægning mod forbedret anvendeligheden af ​​T2 kontrastmidler for kræft imaging

Henvisning:. Campbell JL, Arora J, Cowell SF, Garg A, Eu P, Bhargava SK, et al. (2011) Quasi-Cubic Magnetit /Silica Core-Shell Nanopartikler som forstærket MRI kontrastmidler til Cancer Imaging. PLoS ONE 6 (7): e21857. doi: 10,1371 /journal.pone.0021857

Redaktør: Yi Wang, Cornell University, USA

Modtaget: Februar 7, 2011; Accepteret: 8 juni 2011; Udgivet: Juli 1, 2011

Copyright: © 2011 Campbell et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

konkurrerende interesser:.. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Interessen for magnetiske nanomaterialer har varet i løbet af de sidste par årtier primært på grund af deres applikationer på tværs mange områder såsom magnetisk dataregistrering, sansning, katalyse og biomedicin [1] – [5]. Magnetiske nanomaterialer har tiltrukket sig særlig opmærksomhed i biomedicin på grund af deres store potentiale i at forbedre de foreliggende diagnostik sygdom, forebyggelse, og terapeutiske metoder [6]. For eksempel til potentialet for magnetiske nanopartikler præcist levere stærkt biotoksiske lægemidler til specifikke steder i kroppen [6], såvel som deres anvendelse som højt specialiserede bio-prober til diagnostisk billeddannelse er blevet demonstreret ved at fastgøre biomolekylære markører til deres overflade [1 ], [7]. Med denne udvikling, er der en stigende efterspørgsel på at udvikle biokompatible magnetiske nanomaterialer med ultra-følsomme imaging kapaciteter, så de kan bruges til en bred vifte af

in vivo

medicinsk billedbehandling.

magnetisk resonans (MRI) betragtes som et kraftfuldt imaging værktøj grund af dets høje rumlige opløsning kapacitet, ikke-invasiv art og dets evne til at undgå ioniserende stråling i modsætning til nukleare billedteknik såsom positronemissionstomografi (PET) [8] – [10]. Kort fortalt MRI fungerer ved at udnytte den usædvanligt små magnetiske moment iboende på hver proton, som under tilstedeværelsen af ​​et stort magnetfelt, frembringer en virkning målbare som et signal på MR-billedet. Signalerne via T1 afslapning (spin-gitter afslapning) eller T2 afslapning (spin-spin-afslapning) afhænger af sekvens-parametre programmeret til at erhverve MR-billedet. Samlet set T1 vægtet og T2 vægtet imaging giver forskellige kontrasterende effekter mellem væske og kropsvæv. For eksempel T1 vægtede billeder viser væske som mørke, vandbaserede væv som grå og fedt-baserede væv som lyse og dermed meget tydeligt viser grænserne mellem forskellige væv. Omvendt på T2 vægtede billeder, fremtræder lyst og vand- væske og fedt-baserede væv vises grå. Brugen af ​​kontrastmidler i høj grad forbedrer specificitet og følsomhed af MRI ved at forkorte enten T1 eller T2 lempelse af vandprotoner støder op til dem og dermed give mere detaljerede oplysninger om patologi. Gadolinium-baserede T1 kontrastmidler er mest almindeligt anvendt i MRI, men voksende bekymring over sikkerheden af ​​gadolinium-baserede kontraster har ført til et stort skift i retning af jernoxid baseret T2 kontrastmidler, der anses for at være relativt biologisk sikkert [11] – [ ,,,0],. 13]

Selv jernoxid baserede kontrastmidler er blevet klinisk godkendt til MRI, deres anvendelse er blevet overvejende begrænset til leveren /milt imaging (AMI-25 Feridex® – ikke er i brug længere) og gastrointestinale lumen imaging (Lumirem® /Gastromark®). Denne begrænsning skyldes primært den større størrelse af de jernoxidpartikler, der er involveret i disse midler, som enten optages øjeblikkeligt af reticuloendothelium systemet efter intravenøs administration (Feridex®), eller indgives oralt (Lumirem® /Gastromark®). Der er derfor et klinisk presserende at udvikle kommercielt levedygtige og biologisk sikre kontrastmidler, der kan bruges til MR-billeddannelse af en lang række af kroppens væv [14] – [16]. Desuden har der været talrige rapporter om forskellige synteseveje til magnetiske nanopartikler-baserede kontrastmidler, herunder biologisk syntetiserede magnetiske nanopartikler [17] – [18], magnetiske nanopartikler med dendrimer kerner [19], superparamagnetiske liposomer [20], lipid-baserede MR kontrastmidler [21], metal-dopede magnetiske nanopartikler [22] – [25], CoFe2O4 @ SiO2 partikler med fluorescerende farvestoffer indarbejdet [26], og magnetiske nanopartikler til både billedbehandling og terapeutiske anvendelser [27]. Derudover er der i den præ-kliniske omgivelser, er tendensen i de sidste par år har været i retning af udvikling af små (under-100 nm) jernoxid nanopartikler [24], [28] – [31]. De tidligere undersøgelser tyder på, at for at skifte fra sub-micron jernoxidpartikler til deres nanopartikelform i det kliniske miljø, de udfordringer, der skal overvindes omfatte deres lave kemiske og biologiske stabilitet, lille holdbarhed, iboende lav-til-høj cytotoksicitet, og lav magnetisering forbundet med jernoxid nanopartikler, som er skønt blevet behandlet af nogle nyere undersøgelser til en vis grad, kræver det stadig en yderligere indsats på dette område [32] – [34]. Dette er overvejende fordi de førnævnte egenskaber af MR-kontrastmidler stærkt kan stole på deres syntese rute.

I dette manuskript, vi løse de fleste af de ovennævnte problemer ved at demonstrere udviklingen af ​​en T2-vægtet, jernoxid-baserede MRI-kontrastmiddel med rimelig lav cytotoksicitet, høj relaksivitet, og særligt bemærkelsesværdigt høj stabilitet, der kan opbevares ved stuetemperatur i mere end 6 måneder uden nogen synlig aggregering. Den kemiske stabilitet af disse nanopartikler opnås ved at overtrække dem med en uorganisk silica (SiO2) lag, hvilket fører til Mag @ SiO2 kerne-skal-nanopartikler. De resulterende nanopartikler blev analyseret ved en superledende kvanteinterferensfilter måleindretningen (SQUID), høj opløsning transmissionselektronmikroskopi (HRTEM), røntgendiffraktion (XRD) og en 3 Tesla klinisk MRI scanner. Vores

in vitro

undersøgelser viser, at belægning med SiO2 gør disse nanopartikler biokompatible og de er aktivt optaget af prostata kræftceller under

in vitro

betingelser. Vores foreløbige

in vivo

studier med et bryst tumor dyremodel foreslår endvidere deres potentielle anvendelighed som gode MRI kontrastmidler til tumor billeddannelse.

Resultater og Diskussion

Figur 1A viser den TEM billede af de magnetiske (MAG) nanopartikler, hvilket indikerer, at as-syntetiserede Mag nanopartikler fremstillet ved vores syntesevej var kvasi-kubisk morfologi med god monodispersitet og en gennemsnitlig størrelse på 40 ± 5 nm. Især ved hjælp af vores fremgangsmåde, syntese i stor skala af Mag nanopartikler kunne opnås (i det mindste op til 10 g partikler pr batch) uden at kompromittere nanopartikel form eller monodispersitet. Fra større forstørrelse TEM billede blev disse Mag nanopartikler sig at have sfæriske kanter, og det ser ud som om disse nanopartikler består af flere mindre sfæriske partikler, der samler sammen giver anledning til kvasi-kubik strukturer (inset figur 1a). Det er vigtigt at bemærke, at i henhold til rum opbevaringstemperaturer betingelser, uberørte Mag nanopartikler mister deres kvasi-kubik morfologi og drej sfæriske efter to ugers syntese. Holdbarheden af ​​kommercielt tilgængelige MRI-kontrastmidler er i virkeligheden et af de største begrænsninger forbundet med klinisk anvendelighed af sådanne materialer. SiO

2 skalovertræk er tidligere påvist at give biokompatibilitet, partikel stabilitet samt en let overflade for yderligere biofunctionalisation i forskellige nanomaterialer [27] – [29]. Derfor, for at tilvejebringe kemisk stabilitet til magnetiske nanopartikler blev en silica shell vokset omkring kvasi-kubisk Mag partikler (inden for 3 dage efter syntese), hvorved der produceres Mag @ SiO2 kerne-skal-nanopartikler (figur 1b). Den kontrollerede silica belægning af Mag nanopartikler førte til dannelsen af ​​Mag @ SiO2 kerne-skal-strukturer med en ca. 20 ± 2 nm silica shell omkring 40 ± 5 nm kvasi-kubik Mag nanopartikler (Figur 1B og indsat). Stort område TEM analyse af Mag @ SiO2 kerne-skal-strukturer viste, at de fleste af de Mag nanopartikler bevaret deres kvasi-kubisk morfologi efter silica belægning, og mere end ca. 75% af partiklerne i prøven fandtes at være individuelt coatet med en silica shell. Men mindre end ca. 25% af strukturer bestod af enten to eller tre eller ingen Mag partikler i silica shell. Især denne type partikelfordeling er typisk for et kemisk syntesevej, hvilket ikke nødvendigvis altid eksplicit anerkendt i den fremherskende litteratur. Derudover observerede vi, at efter belægning Mag nanopartikler med silica, Mag @ SiO2-partikler forbliver stabile i phosphatpuffer saltvand (PBS) opløsning i mindst op til 1 mg /ml koncentration, samt i let-dispergerbart pulver form i mindst op til 6 måneder. TEM billedet vist i figur 1B først opnås efter 6 måneders opbevaring af Mag @ SiO2 nanopartikler ved stuetemperatur og var lig dem afbildes umiddelbart efter syntese. Dette antyder, at en silica belægning over Mag nanopartikler markant kan forbedre deres stabilitet for langsigtede opbevaringsbetingelser, og dermed bevarer deres magnetiske egenskaber ved at forbedre deres holdbarhed. Dette er en af ​​de afgørende parametre for at udvikle MRI-baserede kontrastmidler til kliniske og kommercielle applikationer.

Inlays viser de respektive højere opløsning TEM billeder.

Figur 2 viser XRD mønstre af Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler. Den XRD mønstret fra kvasi-kubiske Mag nanopartikler (kurve 1) kunne indekseres baseret på standard diffraktionsmønster typisk skyldes magnetit (Fe

3 O

4) med store toppe indekseret (JCPDS fil Ingen 75-0449). Efter silicabelægningen, de fleste af diffraktionstoppene som følge af Mag nanopartikler kunne stadig påvises. Men interessant nok efter silica belægning, en yderligere top ved ca. 29,3 ° 2θ blev observeret, at kunne henføres til den (220) plan en ferrosilicium

2 fase (kurve 2) (JSPDS fil nr. 73-0963). Det blandede Fe-Si fase sandsynligvis dannet ved grænsefladen mellem silica og magnetit under kerne-skal-syntese af Mag @ SiO2 nanopartikler.

XRD-toppe med tilsvarende Bragg refleksioner af magnetit er blevet indikeret. (*) Svarer til XRD peak opstår fra et blandet Fe-Si fase.

Høj mætningsmagnetisering af MR-kontrastmidler er en vigtig forudsætning for de magnetiske nanopartikler, der skal anvendes til MRI applikation. Den magnetiske hysterese kurve af Mag @ SiO2 nanopartikler opnået ved SQUID måling er vist i figur 3, som viste sig at have nogen tvang felter, hvilket således bekræfter deres superparamagnetisk karakter. Mag @ SiO2 nanopartikler viste sig at besidde en forholdsvis høj masse magnetisering værdi på 74,4 emu /g, hvilket kan sammenlignes med den tidligere rapporterede masse magnetiseringsmålinger værdier på 72,9 emu /g i kommercielt tilgængelige Resovist jernoxidpartikler [35].

Mag og Mag @ SiO2 syntetiseret i denne undersøgelse, blev yderligere testet for deres evne til at blive internaliseret af humane prostatacancer PC3-celler (figur 4). Når det udsættes for celleoptagelse studier i 24 timer, blev der fundet 50 ug /mL Mag @ SiO2 nanopartikler, der skal uptaken af ​​PC3-prostatacancerceller mere effektivt end tilsvarende en koncentration på nøgne Mag nanopartikler (sammenlign figur 4B og C). Når PC3 kræftceller blev udsat for Mag nanopartikler, bemærkede vi, at nøgne Mag nanopartikler uden SiO

2 belægning tendens til at danne store aggregater (af dimensioner svarende til cellestørrelse) i opløsningen i løbet af en eksponering periode 24 timer, hvilket begrænsede deres evne til at blive uptaken af ​​PC3-celler (figur 4B). Som det kan udledes af figur 4B, disse store klynger af nøgne Mag nanopartikler overvejende vedhæfte til det ydre af cellerne, og er vanskelige at internalisere PC3 prostatacancerceller. Omvendt efter SiO

2 coating, Mag @ SiO2 nanopartikler forbliver godt dispergeret i opløsningen selv efter 24 timer, hvilket letter deres effektive optagelse af PC3-celler, som det fremgår af en højere densitet af Mag @ SiO2 nanopartikler inde PC3 prostatacancerceller (figur 4C). Vores gruppe og andre har tidligere demonstreret, at nanopartikel størrelse og aggregering i biologiske medier kan spille en afgørende rolle i cellulær optagelse processer, som ikke-specifik optagelse af sub-100 nm nanopartikler observeres generelt via endocytose mekanisme af cellerne [36] – [ ,,,0],39]. Sammenlægning af nøgne (uberørte) Mag nanopartikler i biologiske medier, og undgåelse af sammenlægning efter silica belægning antyder klart den vigtige rolle, SiO

2 belægning, og fordel af Mag @ SiO2 kerne-shell nanopartikler i nøgne Mag nanopartikler for biologiske anvendelser . Baseret på resultater fra celle uptake undersøgelser blev uberørte Mag nanopartikler sig at være uegnet til biologiske anvendelser, og derfor kun Mag @ SiO2 nanopartikler blev valgt til yderligere undersøgelser vedrørende deres egnethed til MRI-anvendelser.

Fra celle uptake undersøgelser, er det også klart, at Mag @ SiO2 nanopartikler ikke forårsager nogen væsentlig ændring i morfologi af PC3 prostata kræftceller. Tidligere undersøgelser viser, at jernoxid nanopartikler er ikke-toksiske ved lavere koncentration, men kan være mildt toksisk ved højere koncentrationer [40] – [41]. Før du udforsker Mag @ SiO2 nanopartikler for MRI ansøgning blev biokompatibilitet profil af disse partikler vurderes ved at udføre MTS-baserede

in vitro

cytotoksicitet eksperimenter på PC3 prostatacancerceller, hvilket er en af ​​de foranstaltninger af biokompatibilitet (figur 5) . Det fremgår af figur 5, at Mag @ SiO2 nanopartikler ikke signifikant påvirker levedygtigheden PC3 celle i mindst op til 50 ug ml-1 Fe-koncentrationer, hvor levedygtigheden mere end 85% PC3-celler blev opretholdt. Men stige yderligere i Mag @ SiO2 nanopartikler koncentration svarende til 100 ug ml

-1 Fe resulterede i et tab på ca. cellernes levedygtighed 30%. Dette antyder, at Mag @ SiO2 nanopartikler rapporteret i denne undersøgelse kan være egnet til MRI-anvendelser inden for 50 ug ml

-1 Fe koncentrationsområde. Dog kan dette aspekt kræve yderligere detaljeret undersøgelse, hvor effekten af ​​Mag @ SiO2 nanopartikler på cytokinproduktion profil celler skal undersøges.

Da magnetiske nanomaterialer kan modulere MR signal ekstraudstyr effekter, evnen af Mag @ SiO2 nanopartikler som T2 MR kontrastmiddel blev yderligere vurderet i forhold til deres relaksivitet (R2 eller afslapning sats, som er lig med 1 /T2, hvor T2 er spin-spin-afslapning tid) på en 3 Tesla klinisk MRI-scanner på et ekko tid ( TE) af 10.86 ms. Relaksation er et mål for effektiviteten af ​​en MR-kontrastmiddel til at forbedre proton afslapning og øge effektiviteten hvortil billedkontrast produceres under MRI [42]. Relaxiviteten målinger blev udført både på nanopartikler som suspension i fantomer samt efter at være uptaken af ​​PC3 prostatacancerceller. Mag @ SiO2 nanopartikler viste sig at have en høj relaksivitet værdi på 263,23 l /mmol /s i cellefrie suspensioner, og 230,90 l /mmol /s for Mag @ SiO2 nanopartikler inden for PC3 celler. Høj relaksivitet værdi (dvs. bedre MR kontrast) sammen med høj masse magnetisering værdi for MRI er vigtige overvejelser ved udvikling T2 kontrastmidler, som afslapning processen af ​​protoner i vandmolekyler omkring nanopartiklerne spin-spin-lettes af den store størrelse af magnetiske spins i nanopartikler [43] – [44]. Mag @ SiO2 nanopartikler med høj masse magnetisering og høje relaksiviteten værdier kan derfor resultere i en stærk T2-vægtede MR-signal intensitet fald målt ved MRI [45]. Dette er kritisk i at tillade nanomolær aktivitet af kontrastmidler, som vil lette reducere den samlede kontrastmiddel dosis til patienterne.

relaxiviteten data tyder også en reduktion i relaksivitet værdi Mag @ SiO2 nanopartikler i PC3-celler efter cellulær optagelse sammenlignet med i suspension. Dette fund bekræfter godt med tidligere undersøgelser, der viste, at relaxiviteter af indfødte jernoxid nanopartikler blev højere sammenlignet med dem efter ophobning i cellerne [46] – [47]. Mekanismerne er ansvarlige for denne effekt er endnu ikke fuldt forstået, men det kan muligvis tilskrives indespærring af nanopartikler inden endosomer af målcellerne, som kan forårsage en ophobning af magnetiske inhomogeniteter efter sub-cellulære opdeling, der ville omvendt være fraværende i jævnt fordelt nanopartikler i suspensioner [48]. Endvidere kan forskellige geometriske arrangement af nanopartikler i suspensioner og i celler, og muligvis antiferromagnetiske kobling som følge af klynger på sub-cellulære rum spiller en vis rolle i at reducere relaksiviteten værdier efter cellulær optagelse [28], [48]. Især i modsætning til relaksiviteten værdier på 230-269 l /mmol s observeret /for Mag @ SiO2 nanopartikler i denne undersøgelse, kommercielle Resovist baserede nanopartikler er blevet rapporteret med lavere værdier af 151 l /mmol /s [35]. Den observerede relaksivitet værdi Mag @ SiO2 nanopartikler fremstillet i denne undersøgelse er også forholdsvis højere end rapporteret for ikke-doterede magnetit partikler (218 l /mmol /s) i de seneste detaljerede undersøgelser [24]. For dopede magnetiske partikler, er det blevet rapporteret, at høje relaxiviteter på op til 358 l /mmol /s kan opnås ved dotering magnetit med Mn (MnFe

2O

4) [24]. potentiel udvaskning af Mn under administration af disse MR kontrastmidler i kroppen, kan imidlertid indebære cytotoksicitet spørgsmål, og efter bedste forfatternes viden, ikke hidtil har været rapporteret ikke-doterede Mag @ SiO2 nanopartikler med sådanne høje relaksiviteten værdier.

Endvidere relaksiviteten studier som en funktion af forskellige koncentrationer af Fe i Mag @ SiO2 nanopartikler, både som en nanopartikel suspension i fantomer (figur 6A), og efter 24 timer af nanopartikel optagelse af PC3 prostatacancerceller (figur 6B) viste, at Mag @ SiO2 nanopartikler fungere som udestående T2-vægtede kontrastmidler. Det viser et billede mørkere effekt, demonstreret ved fald i R2 (ΔR2 /R2

kontrol) signal intensitet med stigende Fe-koncentrationer. Eksempelvis ved 100 ug /ml Fe koncentration, Mag @ SiO2 nanopartikler tilvejebringe et signal forøgelse af -90% sammenlignet med mere end 70% signal enhancement under billeddannelse af PC3 prostatacancerceller. Dette er en væsentlig forstærkning af signalet sammenligning med de fleste af de tidligere rapporterede materialer, hvori generelt kun 15-20% signal enhancement er blevet observeret [28]. En sådan stærk MR-signal forstærkning forventes fra Mag @ SiO2 nanopartikler på grund af deres relativt høje relaksiviteten og mætning magnetiseringsmålinger værdier.

Panel A viser de gennemførte undersøgelser i fantomer for partikler i suspension, mens panel B viser de tilsvarende undersøgelser i PC3 humane prostatacancerceller efter nanopartikler optagelse i 24 timer. Tilsvarende T2-vægtede MR-billeder af forskellige prøver, der viser billedet mørkere effekt med stigende Fe-koncentration er også vist under hver bar.

In vivo

MRI studier i et bryst tumor mus model også vist T2 signal enhancement ved tumorstedet af Mag @ SiO2 nanopartikler (figur 7). Billederne ved at følge

in vivo

indgivelse af 10 ug dosis af Mag @ SiO2 nanopartikler demonstrere sin evne til at producere MR forøgelse af tumorstedet i forhold til legemet. T2-vægtede signal enhancement effekter ved de Mag @ SiO2 nanopartikler på et MR-billede visualiseres som mørkfarvning eller kontrast mellem områder infiltreret med Mag @ SiO2 nanopartikler og dem uden nanopartikler. Fremtidige studier af Mag @ SiO2 kan skræddersys for målrettet MRI, udnytte dens bedre magnetiske egenskaber ved diagnosticering af patologier.

Mus 2 blev injiceret med Mag @ SiO2 nanopartikler som T2 kontrastmiddel, mens Mouse 1 blev injiceret med saltvand som kontrol. Tumor steder i kontrolgruppen (mus 1), og i den behandlede mus (mus 2) er blevet mærket som blå og røde cirkler henholdsvis. Paneler C og D viser de højere forstørrelse tværsnit billeder af tumorstedet svarer til panelerne A og B henholdsvis, hvor tumor region injiceret med MR-kontrastmiddel er blevet fremhævet ved hjælp af hvide cirkler.

Sammenfattende vigtig overvejelser for en effektiv MRI-kontrastmiddel omfatter mindre partikelstørrelse, deres effektive optagelse af celler, nedsat aggregation i biologiske væsker, forbedret holdbarhed og forbedret biokompatibilitet. En kontrol over alle disse parametre vil give en mulighed for at målrette en række molekylære /cellulære billedbehandlingsprogrammer uden at forårsage akut toksicitet for de normale celler. Især for tumor imaging applikationer, kan sub-100 nm partikler giver en betydelig fordel, da den afskårne diameter tumor vessel porer er 400-600 nm [41] – [43], [49] -. [51]

i denne undersøgelse har vi påvist en letkøbt, storstilet syntese af kvasi-kubik magnetit og Mag @ SiO2 nanopartikler af sub-100 nm størrelse. De Mag @ SiO2 nanopartikler rapporteret her har en holdbarhed på mere end 6 måneder, og de er effektivt uptaken af ​​cellerne uden at forårsage væsentlig sammenlægning eller cellulær toksicitet. forventes biologiske halveringstid af mindre og silica-overtrukket jernoxid nanopartikler skal øges yderligere på grund af deres reducerede interaktion med kropsvæsker. Denne undersøgelse er derfor klart understreger betydningen af ​​SiO

2 belægning til at forbedre optagelsen af ​​Mag @ SiO2 nanopartikler ved PC3 prostatacancerceller, og forbedre holdbarheden af ​​MR-kontrastmidler. De magnetisk-silica komposit nanopartikler fungere som lovende T2 kontrastmidler, der tilbyder en potentielt farbar som en kommerciel MR-kontrastmiddel. Det skyldes deres lille størrelse, høj MR-signal ekstraudstyr, relativ biokompatibilitet, længere holdbarhed, og meget modificerbare silica overflade kemi, som vil tillade vedhæftningen af ​​flere molekylære markører for målrettet MRI i fremtiden. Disse karakteristika for en T2 kontrastmiddel er meget ønskeligt for magnetisk resonans imaging applikationer i prækliniske niveau, og til senere brug klinisk.

Materialer og metoder

Etik Statement

brystet tumor mus model blev udviklet internt, og alle undersøgelser med dyr blev forhåndsgodkendt af institutionel dyreetik udvalg.

Materialer

alle kemikalier blev købt fra Sigma-Aldrich og anvendt som modtaget uden yderligere modifikation. De prostatacancerceller (PC3 cellelinie) blev indkøbt fra American Type Culture Collection (ATCC). CellTiter 96 Vandig One Solution Cell Proliferation Assay (Promega) kit blev købt fra Promega Corporation.

Syntese af jernoxid nanopartikler

Quasi-kubiske jernoxid nanopartikler (nævnt som “Mag”) blev syntetiseret ved hjælp af en to-trins proces væsentligt ændret fra Park

et al

, hvilket fører til styret storstilet syntese [52]. Under syntese, blev en jern oleat kompleks først dannet ved opløsning 5,4 g jernchlorid og 18,25 g natriumoleat i en opløsning omfattende 40 ml ethanol, 30 ml destilleret vand og 70 ml hexan. Når homogeniseret, blev opløsningen tilbagesvalet ved 70 ° C i 4 timer, efterfulgt af separation af det øvre organiske lag under anvendelse af en skilletragt, vask og afdampe hexan, hvorved der efterlades en voksagtig jern oleat kompleks. Jernoxidet nanokrystaller blev dannet ved opløsning af 9,0 g af jern oleat kompleks i 1,425 g oliesyre og 63,3 ml 1-octadecen, efterfulgt af tilbagesvaling under nitrogen, indtil den nåede 320 ° C, på hvilket tidspunkt temperaturen blev holdt i 30 min og fik derefter lov til at afkøle til stuetemperatur. 250 ml ethanol blev derefter tilsat til opløsningen, og magnetitpartikler blev separeret via centrifugering, efterfulgt af tre vaskecyklusser med ethanol. Især ved at designe denne protokol, skala op på mindst op til 10 g magnetiske nanopartikler pr reaktion kunne let opnås under laboratorieforhold.

Syntese af silica-coatede jernoxid (Mag @ SiO2) nanopartikler

Silica-belagt jernoxid nanopartikler (Mag @ SiO2) blev fremstillet ved anvendelse af en metode væsentligt modificeret fra Fang

et al

Morel

et al

[53] – [54], hvor kontrolleret hydrolyse af silika-precursor i nærvær af magnetitpartikler nanopartikler blev udført. I vores fremgangsmåde blev præfabrikerede dele magnetiske partikler anvendes som kernedannende steder til efterfølgende hydrolyse af silika-precursor omkring dem. Kort beskrevet blev 1 mg jernoxid nanopartikler fremstillet i det foregående trin sonikeret i en opløsning bestående 15 ml ethanol og 2 ml deioniseret vand (MilliQ). 1 ml ammoniak (25% opløsning) blev tilsat til den ovennævnte opløsning, mens nedsænket i en sonikator programmeres til at tænde i 1 minut i hver 10 min. Yderligere blev en overliggende omrører yderligere anvendes til at blande opløsningen mens 4 ml 1:60 (tetraethyl orthosilicate:ethanol) blev tilsat ved en hastighed på 0,4 ml /time under anvendelse af en sprøjtepumpe, og opløsningen fik lov til at omrøre ved stuetemperatur i 12 timer. De silica belagt jernoxid nanopartikler blev centrifugeret, vasket tre gange med ethanol og gendispergeres i MilliQ vand.

Materialer karakterisering

morfologi og størrelse Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler blev karakteriseret ved hjælp JEOL 2010 høj opløsning transmission elektron (HRTEM) mikroskop drives ved en accelererende spænding på 200 kV. Prøver til HRTEM målinger blev fremstillet ved dråbe støbning partikler på en carbon-kobbernet, efterfulgt af lufttørring. Den krystallografi af nanomaterialer pulver blev opnået på et Bruker D8 ADVANCE røntgendiffraktometer anvendelse af Cu-Ka-stråling. For magnetiske målinger, blev en superledende kvante interface baseret magnetometer (Quantum Design MPMS-XL5), der anvendes. Jernindholdet af nanopartikler løsninger, der anvendes til

in vitro

in vivo

undersøgelser blev konstateret på en Varian AA280FS Fast Sekventiel Atomic Absorption Spectrometer (AAS) efter fordøjelse af partikler natten over i salpetersyre.

In vitro

celle undersøgelser og cytotoksicitetsassays

human prostatacancer celler (PC3 cellelinie) blev rutinemæssigt dyrket ved 37 ° C i en fugtig atmosfære med 5% CO2 ved hjælp af RPMI 1640-medium suppleret med 10% føtalt bovint serum (FBS), 1% penicillin, 1% streptomycin /penicillin og 1 mM L-glutamin. For sub-dyrkning, blev PC3 prostatacancerceller løsgøres ved vask med phosphatpufret saltvand (PBS) og inkubering med trypsin-EDTA-opløsning (0,25% trypsin, 1 mM EDTA) i 5 minutter ved 37 ° C, efterfulgt af vask og inkubering med suppleret RPMI 1641-medium. For celleoptagelse blev cellerne først podet i 24-brønds polystyrenplader retter i 24 timer, efterfulgt af inkubation med Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler i 24 timer ved 37 ° C i komplet celle medier, og efterfølgende tre gange vask af cellerne med PBS , før billeddannelse under et omvendt mikroskop. For cytotoksicitet assays blev levedygtigheden af ​​PC3-prostatacancerceller udsat for Mag @ SiO2 nanopartikler i fravær af cellevækst medium bestemmes. En CellTiter 96 Aqueous One Solution celleproliferationsassay (Promega) kit indeholdende tetrazoliumforbindelse 3- (4,5-dimethylthiazol-2-yl) -5- (3-carboxymethoxyphenyl) -2- (4-sulfophenyl) -2H-tetrazolium (MTS), blev anvendt til at overvåge levedygtighed celle ifølge fabrikantens protokoller. MTS farveændring blev overvåget ved anvendelse af en pladelæser ved 490 nm, og cellelevedygtigheden data blev plottet ved at betragte levedygtigheden for de ubehandlede celler som 100%. Eksperimenter blev udført i tre eksemplarer, og fejlsøjler repræsenterer standard eksperimentelle fejl.

magnetisk resonans (MRI) undersøgelser

MRI undersøgelser blev udført for nanopartikler løsninger gemt i fantomer, i PC3 prostatacancerceller efter nanopartikel optagelse samt i en musemodel med brystkræft. For fantom MRI undersøgelser blev fantomer fremstillet i Eppendorf-rør med Mag @ SiO2 nanopartikler ved tre forskellige Fe-koncentrationer (0,18 mM, 0,9 mM, 1,79 mM) og en saltopløsning uden nanopartikler blev anvendt som kontrol. For

in vitro

MRI undersøgelser blev PC3 cancerceller dyrkes under anvendelse af ovenstående protokol i 24 brønd polystyrenplader, og inkuberet i 24 timer med Mag og Mag @ SiO2 nanopartikler ved tre forskellige koncentrationer (0,18 mM, 0,9 mM, 1,79 mM) og en kontrol med celler, men ingen nanopartikler. MRI målinger for fantomer og PC3-celler blev udført med en klinisk 3,0 Tesla Klinisk Siemens Trio MR scanner under anvendelse af en 12-kanals hoved spole og følgende parametre: T2-vægtet imaging, gradient ekko-sekvens, flere ekkotid (TE) i området fra 0.99- 100 ms, gentagelse tid (TR) = 2000 ms, matrix 128 × 128, skive tykkelse på 3 mm. Relaksationstider (R2) blev bestemt ved anvendelse af en enkelt ekko sekvens (SE) med en konstant TR på 2000 ms og multipel TE spænder fra 0.99-100 ms. Signalet blev afbildet som en funktion af ekkotid og monteret til opnåelse af R2-værdier. R2 værdier Mag @ SiO2 i fantomer og PC3-celler blev bestemt ved at afbilde relaksivitet ved en TE på 10.86 ms, som en funktion af koncentration molær jern i respektive prøver, og ekstraktion T2 værdi fra hældningen ved lineær regression af data point opnået ved lavere Fe koncentrationsværdier.