Αφηρημένο

Ανάπτυξη παραγόντων αντίθεσης απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) που μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα για την απεικόνιση των βιολογικών ιστών κάτω από κλινικό περιβάλλον είναι ένα δύσκολο έργο. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στην προσδοκία ενός ιδανικού παράγοντα MR είναι σε θέση να συντεθούν σε μεγάλες ποσότητες, που διαθέτουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, λογικές βιοσυμβατότητα, την ανοχή έναντι συσσωμάτωσης της σε βιολογικά υγρά, και υψηλή ικανότητα χαλάρωσης, με αποτέλεσμα την καλύτερη αντίθεση κατά τη διάρκεια της βιολογικής απεικόνισης. Παρά το γεγονός ότι ένα ρεπερτόριο των εκθέσεων αντιμετωπίσει διάφορα προαναφερθέντα θέματα, τα έχει ήδη αναφερθεί αποτελέσματα απέχουν πολύ από το βέλτιστο, το οποίο απαιτεί περαιτέρω προσπάθειες σε αυτόν τον τομέα. Σε αυτή τη μελέτη, δείχνουμε εύκολη μεγάλης κλίμακας σύνθεση του υπο-100 nm οιονεί κυβικά μαγνητίτη και μαγνητίτη /σίλικα πυρήνα-κελύφους (Mag @ SiO2) νανοσωματίδια και εφαρμογής τους ως ένα βιοσυμβατό παράγοντα αντίθεσης Τ2 για MRI των βιολογικών ιστών. Η μελέτη μας δείχνει ότι πυριτίου επικαλυμμένα νανοσωματίδια μαγνητίτη που αναφέρονται στη μελέτη αυτή μπορεί ενδεχομένως να δρουν ως βελτιωμένη παραγόντων αντίθεσης MR αντιμετωπίζοντας μια σειρά προαναφερθέντων θεμάτων, συμπεριλαμβανομένων μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και τη σταθερότητα σε βιολογικά υγρά. Επιπλέον, μας

in vitro

και

in vivo

μελέτες αποδεικνύουν σαφώς τη σημασία της επικάλυψης διοξειδίου του πυριτίου για τη βελτίωση της εφαρμογής των παραγόντων αντίθεσης Τ2 για την απεικόνιση του καρκίνου

Παράθεση:. Campbell JL, Arora J, Cowell SF, Garg Α, Ευ P, Μπαργκάβα SK, et al. (2011) Οιονεί Κυβικά μαγνητίτης /Silica πυρήνα-κελύφους νανοσωματίδια ως Ενισχυμένη MRI Contrast Agents για τον καρκίνο απεικόνισης. PLoS ONE 6 (7): e21857. doi: 10.1371 /journal.pone.0021857

Επιμέλεια: Yi Wang του Πανεπιστημίου Cornell, Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής

Ελήφθη: 7 Φεβ 2011? Αποδεκτές: 8 Ιούνη 2011? Δημοσιεύθηκε: 1, Ιούλ 2011

Copyright: © 2011 Campbell et al. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Χρηματοδότηση:. Οι συγγραφείς δεν έχουν καμία υποστήριξη ή χρηματοδότηση για να αναφέρετε

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

το ενδιαφέρον για μαγνητική νανοϋλικών συνεχίστηκε κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετίες οφείλεται κατά κύριο λόγο στις εφαρμογές τους σε πολλούς τομείς, όπως η καταγραφή μαγνητικών δεδομένων, αίσθησης, κατάλυσης και της βιοϊατρικής [1] – [5]. Μαγνητική νανοϋλικά έχουν προσελκύσει ιδιαίτερη προσοχή στη βιοϊατρική λόγω της μεγάλης τις δυνατότητές τους στη βελτίωση της επί του παρόντος διαθέσιμες διάγνωση της νόσου, την πρόληψη και θεραπευτικές προσεγγίσεις [6]. Για παράδειγμα, το δυναμικό των μαγνητικών νανοσωματιδίων για να παραδώσει ακριβώς εξαιρετικά βιοτοξικών φαρμάκων σε συγκεκριμένες θέσεις στο σώμα [6], καθώς και τη χρήση τους ως άκρως εξειδικευμένα βιο-ανιχνευτές για διαγνωστική απεικόνιση έχει αποδειχθεί με την προσάρτηση βιομοριακής δείκτες στην επιφάνειά τους [1 ], [7]. Με αυτές τις εξελίξεις, υπάρχει μια αυξανόμενη ζήτηση για την ανάπτυξη βιοσυμβατά μαγνητικά νανοϋλικά με δυνατότητες εξαιρετικά ευαίσθητη απεικόνιση, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ένα ευρύ φάσμα των

in vivo

εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης.

η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) θεωρείται ως ένα ισχυρό εργαλείο απεικόνισης λόγω της υψηλής ικανότητας χωρική ανάλυση, μη επεμβατική φύση του και την ικανότητά του να αποφύγει την ιονίζουσα ακτινοβολία, σε αντίθεση με τις τεχνικές της πυρηνικής απεικόνισης όπως η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ) [8] – [10]. Εν συντομία, η MRI λειτουργεί εκμεταλλευόμενη την εξαιρετικά μικρή μαγνητική ροπή εγγενή σε κάθε πρωτόνιο που, υπό την παρουσία ενός μεγάλου μαγνητικού πεδίου, παράγει ένα αποτέλεσμα μετρήσιμο ως ένα σήμα στην εικόνα MR. Τα σήματα που παράγονται μέσω χαλάρωσης T1 (spin-lattice χαλάρωση) ή χαλάρωση Τ2 (spin-spin χαλάρωση) εξαρτάται από τις παραμέτρους ακολουθία προγραμματιστεί να αποκτήσει την εικόνα MR. Συνολικά, Τ1 και Τ2 σταθμισμένη σταθμισμένη απεικόνισης παρέχουν διαφορετικά αντικρουόμενες επιδράσεις μεταξύ υγρών και των ιστών του σώματος. Για παράδειγμα Τ1 σταθμισμένες εικόνες δείχνουν ρευστό ως σκοτεινή, ιστοί με βάση το νερό ως γκρι και με βάση το λίπος ιστούς ως φωτεινό, έτσι δείχνει πολύ καθαρά τα όρια μεταξύ διαφορετικών ιστών. Αντίθετα, στις Τ2 εικόνες, υγρό εμφανίζεται φωτεινό και το νερό και στους ιστούς του λίπους που βασίζονται εμφανίζονται γκρι. Η χρήση των παραγόντων αντίθεσης βελτιώνει σημαντικά την ειδικότητα και ευαισθησία της MRI συντομεύοντας είτε Τ1 ή Τ2 χαλάρωση των πρωτονίων του νερού δίπλα σε αυτά, παρέχοντας έτσι πιο λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την παθολογία. Οι παράγοντες αντίθεσης Τ1 με βάση το γαδολίνιο χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε μαγνητική τομογραφία, ωστόσο αυξανόμενες ανησυχίες για την ασφάλεια των αντιθέσεων με βάση το γαδολίνιο έχουν οδηγήσει σε μια σημαντική στροφή προς παραγόντων αντίθεσης Τ2 με βάση το οξείδιο του σιδήρου που θεωρούνται σχετικά ασφαλή βιολογικά [11] – [ ,,,0],. 13]

Παρά το γεγονός ότι, το οξείδιο του σιδήρου έχουν σκιαγραφικά μέσα με βάση κλινικά εγκριθεί για μαγνητική τομογραφία, η χρήση τους έχει κατά κύριο λόγο περιορίζεται σε συκώτι /απεικόνισης σπλήνα (AMI-25 Feridex® – δεν χρησιμοποιείται πια) και ο αυλός του γαστρεντερικού απεικόνισης (Lumirem® /Gastromark®). Αυτός ο περιορισμός οφείλεται κυρίως στο μεγαλύτερο μέγεθος των σωματιδίων του οξειδίου του σιδήρου εμπλέκονται σε αυτούς τους παράγοντες, οι οποίοι είτε παραλαμβάνεται αμέσως από το σύστημα reticuloendothelium μετά από ενδοφλέβια χορήγηση (Feridex®), ή χορηγούνται από το στόμα (Lumirem® /Gastromark®). Ως εκ τούτου, υπάρχει μια κλινική επείγουσα ανάγκη για την ανάπτυξη εμπορικά βιώσιμων και βιολογικώς ασφαλής παραγόντων αντίθεσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απεικόνιση MR από ένα ευρύ φάσμα των ιστών του σώματος [14] – [16]. Επιπλέον, υπήρξαν πολυάριθμες αναφορές σε διαφορετικές οδοί σύνθεσης σε μαγνητικά παράγοντες αντίθεσης νανοσωματίδια με βάση, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικώς συντεθεί μαγνητικά νανοσωματίδια [17] – [18], μαγνητικά νανοσωματίδια με πυρήνες δενδριμερές [19], υπερπαραμαγνητικά λιποσώματα [20], το λιπίδιο που βασίζονται παράγοντες MR αντίθεσης [21], μέταλλο με πρόσμιξη μαγνητικά νανοσωματίδια [22] – [25], τα σωματίδια CoFe2O4 @ SiO2 με φθορίζουσες χρωστικές που ενσωματώνεται [26], και μαγνητικά νανοσωματίδια τόσο για απεικόνιση και θεραπευτικές εφαρμογές [27]. Επιπλέον, στην προ-κλινικό περιβάλλον, η τάση κατά τα τελευταία λίγα χρόνια ήταν προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης των μικρών (κάτω των 100 nm) νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου [24], [28] – [31]. Οι προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι η μετάβαση από τα σωματίδια οξειδίου σιδήρου υπο-μικρόν έως νανοσωματιδιακή μορφή τους στο κλινικό περιβάλλον, οι προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν περιλαμβάνουν χαμηλή χημική τους και βιολογική σταθερότητα, μικρό χρόνο ζωής στο ράφι, που είναι εγγενείς χαμηλή-υψηλή κυτταροτοξικότητα, και χαμηλή μαγνητισμού που συνδέονται με τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου, η οποία αν και αντιμετωπίστηκε με μερικές πρόσφατες μελέτες, σε κάποιο βαθμό, εξακολουθεί να απαιτεί πρόσθετες προσπάθειες σε αυτόν τον τομέα [32] – [34]. Αυτό γίνεται κυρίως επειδή οι προαναφερθείσες ιδιότητες των παραγόντων αντίθεσης MR μπορεί να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη διαδρομή σύνθεση τους.

Σε αυτό το χειρόγραφο, απευθυνόμαστε τα περισσότερα από τα παραπάνω θέματα, αποδεικνύοντας την ανάπτυξη ενός Τ2, οξείδιο σιδήρου με βάση MRI παράγοντα αντίθεσης με λογικά χαμηλή κυτταροτοξικότητα, υψηλή χαλαρότητα, και ιδιαίτερα αξιοσημείωτη υψηλή σταθερότητα που μπορεί να αποθηκευτεί σε θερμοκρασία δωματίου για περισσότερο από 6 μήνες χωρίς καμία ορατή συσσωμάτωση. Η χημική σταθερότητα αυτών των νανοσωματιδίων επιτυγχάνεται με επικάλυψη αυτών με ένα στρώμα ανόργανου οξειδίου του πυριτίου (SiO2), που οδηγεί σε Mag @ SiO2 νανοσωματίδια πυρήνα-κελύφους. Τα προκύπτοντα νανοσωματίδια αναλύθηκαν με μία συσκευή υπεραγώγιμης κβαντικής παρεμβολής μετρήσεως (SQUID), υψηλή ανάλυση μετάδοσης ηλεκτρονίου μικροσκοπία (HRTEM), περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και 3 Tesla κλινική MRI σαρωτή.

in vitro

μελέτες μας δείχνουν ότι η επίστρωση με SiO2 καθιστά αυτά τα νανοσωματίδια βιοσυμβατά και έχουν λάβει ενεργά από τα καρκινικά κύτταρα του προστάτη κάτω από το

in vitro

συνθήκες. Μας προκαταρκτική

in vivo

μελέτες με καρκίνου του μαστού ζωικό μοντέλο περαιτέρω υποδηλώνει πιθανή χρησιμότητα τους ως καλή MRI παράγοντες αντίθεσης για την απεικόνιση του όγκου.

Αποτελέσματα και Συζήτηση

Σχήμα 1Α δείχνει την εικόνα ΤΕΜ των μαγνητικών (Mag) νανοσωματίδια, το οποίο υποδεικνύει ότι όπως-συντίθεται Mag νανοσωματίδια παρασκευάζονται με τρόπο σύνθεσης μας ήταν οιονεί κυβικά σε μορφολογία με καλή μονοδιασπορά και ένα μέσο μέγεθος 40 ± 5 nm. Αξίζει να σημειωθεί ότι, με τη χρήση προσέγγισή μας, μεγάλης κλίμακας σύνθεση του Mag νανοσωματίδια θα μπορούσε να επιτευχθεί (τουλάχιστον μέχρι 10 g σωματιδίων ανά παρτίδα) χωρίς να διακυβεύεται το σχήμα των νανοσωματιδίων ή μονοδιασπορά. Από την μεγαλύτερη μεγέθυνση εικόνα ΤΕΜ, αυτά τα νανοσωματίδια Mag βρέθηκαν να έχουν σφαιρικό άκρες, και φαίνεται σαν αυτά τα νανοσωματίδια αποτελούνται από διάφορα μικρότερα σφαιρικά σωματίδια που συγκεντρώνονται μαζί προκαλώντας οιονεί κυβικά δομές (ένθετο Σχήμα 1Α). Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι κάτω από τις συνθήκες φύλαξης σε θερμοκρασία δωματίου, παρθένες νανοσωματίδια Mag χάσει σχεδόν κυβικό μορφολογία τους και να μετατρέψει σφαιρικό μετά από δύο εβδομάδες της σύνθεσης. Η διάρκεια ζωής των διαθέσιμων στο εμπόριο παραγόντων αντίθεσης MRI είναι στην πραγματικότητα μία από τις μείζονες περιορισμούς που σχετίζονται με την κλινική εφαρμοσιμότητα τέτοιων υλικών. SiO

2 κέλυφος επικάλυψης έχει προηγουμένως αποδειχθεί ότι παρέχει βιοσυμβατότητα, σταθερότητα των σωματιδίων, καθώς και μία εύκολη επιφάνεια για περαιτέρω biofunctionalisation σε διάφορα νανοϋλικά [27] – [29]. Ως εκ τούτου, για την παροχή χημικής σταθερότητας σε μαγνητικά νανοσωματίδια, ένα κέλυφος του πυριτίου αναπτύχθηκε γύρω σωματίδια Mag οιονεί κυβικά (μέσα σε 3 ημέρες από τη σύνθεση τους), παράγοντας έτσι Mag @ SiO2 νανοσωματίδια πυρήνα-κελύφους (Εικόνα 1Β). Η ελεγχόμενη επικάλυψη οξειδίου του πυριτίου του Mag νανοσωματιδίων οδήγησε στο σχηματισμό Mag @ SiO2 δομές πυρήνα-κελύφους με ca. 20 ± κέλυφος πυριτίου 2 nm περίπου 40 ± 5 nm οιονεί κυβικά νανοσωματίδια Mag (Εικόνα 1Β και ένθετο). Μεγάλες ανάλυση ΤΕΜ περιοχή Mag @ SiO2 δομές πυρήνα-κελύφους έδειξε ότι τα περισσότερα από τα νανοσωματίδια Mag διατηρούνται οιονεί κυβικό μορφολογία τους μετά την επικάλυψη οξειδίου του πυριτίου, και περισσότερο από ca. Το 75% των σωματιδίων στο δείγμα βρέθηκε να είναι επικαλυμμένα ατομικά με κέλυφος πυριτίας. Ωστόσο, λιγότερο από ca. 25% των δομών αποτελούνταν από δύο ή τρία ή και καθόλου σωματίδια Mag εντός του κελύφους του πυριτίου. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτό το είδος της κατανομής των σωματιδίων είναι τυπική για μια διαδρομή χημική σύνθεση, η οποία δεν είναι απαραίτητα πάντα αναγνωρίζεται ρητά στην επικρατούσα βιβλιογραφία. Επιπλέον, παρατηρήσαμε ότι μετά την επικάλυψη νανοσωματίδια Mag με διοξείδιο του πυριτίου, τα σωματίδια Mag @ SiO2 παραμένουν σταθερά σε φωσφορικό ρυθμιστικό αλατούχο διάλυμα (PBS) για τουλάχιστον έως 1 mg /mL, που όπως και στη μορφή ευκόλως διασπορά σκόνης επί τουλάχιστον μέχρι 6 μήνες. Η εικόνα ΤΕΜ δείχνεται στο Σχήμα 1Β αποκτήθηκε μετά από 6 μήνες αποθήκευσης του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια σε θερμοκρασία δωματίου και ήταν παρόμοια με εκείνα που απεικονίζονται αμέσως μετά την σύνθεση. Αυτό υποδηλώνει ότι μία επικάλυψη οξειδίου του πυριτίου πάνω Mag νανοσωματίδια μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την σταθερότητα τους για συνθήκες μακροχρόνιας αποθήκευσης, διατηρώντας έτσι τις μαγνητικές τους ιδιότητες, βελτιώνοντας την διάρκεια ζωής τους. Αυτή είναι μία από τις κρίσιμες παραμέτρους για την ανάπτυξη της μαγνητικής τομογραφίας που βασίζονται σε παράγοντες αντίθεσης για κλινικές και εμπορικές εφαρμογές.

Ένθετα δείχνουν τις αντίστοιχες εικόνες υψηλότερης TEM ανάλυση.

Η

Το Σχήμα 2 δείχνει τα μοτίβα XRD του Mag και Mag @ SiO2 νανοσωματίδια. Το σχέδιο XRD που προέρχονται από οιονεί κυβικά νανοσωματίδια Mag (καμπύλη 1) θα μπορούσε να αναπροσαρμόζονται με βάση το πρότυπο σχέδιο περίθλασης που προκύπτουν συνήθως από μαγνητίτη (Fe

3Ο

4) με σημαντικές κορυφές στο ευρετήριο (JCPDS αρχείο Δεν 75-0449). Μετά την επικάλυψη του πυριτίου, οι περισσότερες από τις κορυφές περίθλασης που προκύπτουν από Mag νανοσωματίδια θα μπορούσαν ακόμη να ανιχνευθούν. Ωστόσο έχει ενδιαφέρον, μετά την επικάλυψη του πυριτίου, ένα πρόσθετο κορυφή στα ca. 29,3 ° 2θ Παρατηρήθηκε ότι θα μπορούσε να ανατεθεί στο (220) επίπεδο ενός

2 φάση FeSi (καμπύλη 2) (αρχείο JSPDS αρ. 73-0963). Η μικτή φάση Fe-Si είναι πολύ πιθανό διαμορφώνεται στη διεπαφή του πυριτίου και μαγνητίτη κατά τη σύνθεση πυρήνα-κελύφους του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια.

κορυφές XRD με αντίστοιχες αντανακλάσεις Bragg μαγνητίτη έχουν υποδειχθεί. (*) Αντιστοιχεί στην κορυφή XRD που προκύπτουν από μία μικτή φάση Fe-Si.

Η

Υψηλή κορεσμός μαγνήτιση των παραγόντων αντίθεσης MR αποτελεί σημαντική προϋπόθεση για την μαγνητικά νανοσωματίδια που πρέπει να χρησιμοποιούνται για την εφαρμογή MRI. Το μαγνητικό καμπύλη υστέρησης του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια που λαμβάνονται με SQUID μέτρησης φαίνεται στο Σχήμα 3, το οποίο βρέθηκε να μην έχει εξαναγκασμού πεδία, επιβεβαιώνοντας έτσι υπερπαραμαγνητικά φύση τους. Mag @ νανοσωματίδια SiO2 βρέθηκαν να κατέχουν μια σχετικά υψηλή μάζα αξία μαγνήτιση του 74,4 emu /g, η οποία είναι συγκρίσιμη με το προηγουμένως αναφερθεί τιμές μάζας μαγνητισμού του 72,9 emu /g για εμπορικώς διαθέσιμα σωματίδια οξειδίου του σιδήρου Resovist [35].

Ο Mag και Mag @ SiO2 συντίθεται σε αυτή τη μελέτη εξετάστηκαν περαιτέρω για την ικανότητά τους να καλύπτονται από ανθρώπινα κύτταρα καρκίνου του προστάτη PC3 (Εικόνα 4). Όταν υποβάλλονται σε μελέτες πρόσληψης κυττάρων για 24 ώρες, 50 μg /mL Mag @ SiO2 νανοσωματίδια βρέθηκαν να προσλαμβάνονται εκλεκτικά από καρκινικά κύτταρα προστάτη PC3 πιο αποτελεσματικά από ό, τι παρόμοιες μια συγκέντρωση του γυμνού νανοσωματιδίων Mag (σύγκρινε Σχήματα 4Β και C). Όταν τα καρκινικά κύτταρα PC3 εκτέθηκαν σε Mag νανοσωματίδια, παρατηρήσαμε ότι τα γυμνά νανοσωματίδια Mag χωρίς SiO

2 επίστρωση τείνουν να σχηματίζουν μεγάλα συσσωματώματα (διαστάσεων παρόμοιο με το μέγεθος του κυττάρου) στο διάλυμα για μια περίοδο έκθεσης 24 ωρών, το οποίο περιόριζε τους ικανότητα να προσλαμβάνονται εκλεκτικά από τα κύτταρα PC3 (Εικόνα 4Β). Όπως μπορεί να συναχθεί από το Σχήμα 4Β, αυτές οι μεγάλες συστάδες των γυμνών νανοσωματιδίων Mag αποδίδουν κυρίως στο εξωτερικό των κυττάρων, και είναι δύσκολο να εσωτερικεύονται από τα καρκινικά κύτταρα προστάτη PC3. Αντιστρόφως, μετά SiO

2 επίστρωση, Mag @ SiO2 νανοσωματίδια παραμένουν καλώς διασπαρμένες στο διάλυμα, ακόμη και μετά από 24 ώρες, το οποίο διευκολύνει αποτελεσματική πρόσληψη τους από κύτταρα PC3, όπως μπορεί να φανεί από μια υψηλότερη πυκνότητα των νανοσωματιδίων Mag @ SiO2 μέσα PC3 καρκίνου του προστάτη κύτταρα (Σχήμα 4C). Η ομάδα μας και άλλοι έχουν αποδείξει στο παρελθόν ότι το μέγεθος των νανοσωματιδίων και την ομαδοποίηση σε βιολογικά μέσα μαζικής ενημέρωσης μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην κυτταρική διαδικασίες πρόσληψης, ως μη-ειδική πρόσληψη των υπο-100 nm νανοσωματίδια παρατηρείται γενικά μέσω του μηχανισμού ενδοκυττάρωσης των κυττάρων [36] – [ ,,,0],39]. Συνυπολογισμός των γυμνών (παρθένα) νανοσωματίδια Mag σε βιολογικά μέσα μαζικής ενημέρωσης, και την αποφυγή της συσσώρευσης τους μετά την επικάλυψη πυριτίου δείχνει σαφώς τον σημαντικό ρόλο του SiO

2 επίστρωση, και το πλεονέκτημα της Mag @ SiO2 νανοσωματίδια πυρήνα-κελύφους πάνω από τα γυμνά νανοσωματίδια Mag για βιολογικές εφαρμογές . Με βάση τα αποτελέσματα από τις μελέτες πρόσληψης κυττάρων, παρθένες νανοσωματίδια Mag βρέθηκαν να είναι ακατάλληλα για βιολογικές εφαρμογές, και ως εκ τούτου μόνο Mag @ SiO2 νανοσωματίδια επιλέχθηκαν για περαιτέρω μελέτες σχετικά με την καταλληλότητά τους για τις εφαρμογές MRI.

Η

Από την μελέτες πρόσληψης των κυττάρων, είναι επίσης προφανές ότι Mag @ SiO2 νανοσωματίδια δεν προκαλούν καμία σημαντική αλλαγή στη μορφολογία των καρκινικών κυττάρων PC3 του προστάτη. Προηγούμενες μελέτες υποδεικνύουν ότι τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου είναι μη-τοξικά σε χαμηλότερη συγκέντρωση, αλλά μπορεί να είναι ήπια τοξικά σε υψηλότερες συγκεντρώσεις [40] – [41]. Πριν από την εξερεύνηση Mag @ SiO2 νανοσωματιδίων για εφαρμογή MRI, το προφίλ βιοσυμβατότητα αυτών των σωματιδίων εκτιμήθηκε με εκτέλεση MTS με βάση το

in vitro πειράματα

κυτταροτοξικότητα σε καρκινικά κύτταρα προστάτη PC3, το οποίο είναι ένα από τα μέτρα της βιοσυμβατότητας (Σχήμα 5) . Είναι προφανές από το σχήμα 5 ότι Mag @ SiO2 νανοσωματίδια δεν επηρέασε σημαντικά τη βιωσιμότητα των κυττάρων PC3 για τουλάχιστον μέχρι 50 μg ml-1 συγκεντρώσεις Fe, στο οποίο τηρείται περισσότερο από το 85% PC3 κύτταρα βιωσιμότητα. Ωστόσο περαιτέρω αύξηση Mag @ SiO2 ισοδύναμη συγκέντρωση νανοσωματιδίων έως 100 μg mL

-1 Fe ως αποτέλεσμα την απώλεια κυτταρικής βιωσιμότητας του ca. 30%. Αυτό υποδηλώνει ότι Mag @ SiO2 νανοσωματίδια που αναφέρονται στην παρούσα μελέτη μπορεί να είναι κατάλληλο για εφαρμογές MRI μέσα σε 50 μg mL

-1 Fe φάσμα συγκέντρωσης. Ωστόσο, αυτή η πτυχή μπορεί να απαιτήσει περαιτέρω λεπτομερή έρευνα, όπου επίδραση των νανοσωματιδίων Mag @ SiO2 στο κυτοκινών προφίλ παραγωγή των κυττάρων θα πρέπει να διερευνηθούν.

Η

Από μαγνητική νανοϋλικά μπορούν να διαμορφώσουν αποτελέσματα ενίσχυση του σήματος MR, την ικανότητα του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια ως παράγοντας αντίθεσης Τ2 MR αξιολογήθηκε περαιτέρω από την άποψη της χαλαρότητας τους (R2 ή ποσοστό χαλάρωσης, η οποία ισούται με 1 /Τ2 όπου Τ2 είναι spin-spin ώρα χαλάρωσης) σε 3 Tesla κλινική MRI σαρωτή σε μια ηχώ του χρόνου ( ΤΕ) των 10,86 ms. Η χαλάρωση είναι ένα μέτρο της αποτελεσματικότητας ενός παράγοντα αντίθεσης MR για την ενίσχυση της χαλάρωσης πρωτονίου και αυξάνει την αποδοτικότητα με την οποία αντίθεση εικόνας παράγεται κατά τη διάρκεια MRI [42]. Οι μετρήσεις χαλαρότητας πραγματοποιήθηκαν τόσο σε νανοσωματίδια ως εναιώρημα σε φαντάσματα, καθώς και μετά την προσλαμβάνονται εκλεκτικά από καρκινικά κύτταρα προστάτη PC3. Mag @ νανοσωματίδια SiO2 βρέθηκαν να έχουν υψηλή αξία χαλαρώσεως των 263,23 l /mmol /s σε ελεύθερη κυτταρικά εναιωρήματα, και 230,90 l /mmol /s για τα νανοσωματίδια Mag @ SiO2 εντός των κυττάρων PC3. υψηλή τιμή χαλάρωσης (δηλαδή, καλύτερη αντίθεση MR), μαζί με την αξία μαγνητισμό μεγάλη μάζα για MRI αποτελούν σημαντικούς παράγοντες κατά την ανάπτυξη παραγόντων αντίθεσης Τ2, καθώς η διαδικασία χαλάρωσης spin-spin των πρωτονίων στα μόρια του νερού γύρω από τα νανοσωματίδια διευκολύνεται από το μεγάλο μέγεθος της μαγνητικά περιστροφές σε νανοσωματίδια [43] – [44]. νανοσωματίδια Mag @ SiO2 με μεγάλη μάζα μαγνητισμό και υψηλές τιμές χαλαρότητα μπορεί να οδηγήσει σε ισχυρή Τ2-MR μείωση της έντασης του σήματος, όπως μετράται με MRI [45]. Αυτό είναι κρίσιμης σημασίας, επιτρέποντας δραστηριότητα νανομοριακή παραγόντων αντίθεσης, η οποία θα διευκολύνει τη μείωση του συνολικού δόση παράγοντα αντίθεσης στους ασθενείς.

Τα στοιχεία χαλαρότητα προτείνει επίσης μία μείωση της αξίας χαλάρωσης του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια σε κύτταρα PC3 μετά την κυτταρική πρόσληψη σε σύγκριση με εκείνη σε εναιώρημα. Αυτό το εύρημα επιβεβαιώνει καλά με προηγούμενες μελέτες, οι οποίες έδειξαν ότι οι ικανότητες αλλαγής των χρόνων της φυσικής νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου ήταν υψηλότερη σε σύγκριση με αυτές μετά από συσσώρευση στα κύτταρα [46] – [47]. Οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για αυτή την επίδραση, δεν έχουν ακόμη πλήρως κατανοητό, όμως αυτό μπορεί ενδεχομένως να αποδοθεί στην εγκλεισμό των νανοσωματιδίων εντός ενδοσωμάτων των κυττάρων-στόχων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει μια συσσώρευση ανομοιογένειες μαγνητικού πεδίου μετά υπο-κυτταρική διαμερισματοποίηση, πράγμα που θα αντιστρόφως να απουσιάζει από ομοιόμορφα κατανεμημένα νανοσωματιδίων σε αναστολές [48]. Επιπλέον, η διαφορετική γεωμετρική διάταξη των νανοσωματιδίων σε εναιωρήματα και σε κύτταρα, και πιθανώς αντισιδηρομαγνητικά σύζευξη, ως αποτέλεσμα της ομαδοποίησης εντός υπο-κυτταρικών διαμερισμάτων μπορεί να παίζει κάποιο ρόλο στη μείωση τιμών των χρόνων αποκατάστασης μετά την κυτταρική πρόσληψη [28], [48]. Αξίζει να σημειωθεί ότι, σε αντίθεση με τις αξίες της χαλαρότητας 230 έως 269 l /mmol /s παρατηρούνται για Mag @ SiO2 νανοσωματίδια σε αυτή τη μελέτη, οι εμπορικές νανοσωματίδια Resovist βάση έχουν αναφερθεί με χαμηλότερες τιμές από 151 l /mmol /s [35]. Η παρατηρούμενη τιμή χαλαρότητας του Mag @ SiO2 νανοσωματίδια παρασκευάζονται σε αυτή τη μελέτη είναι επίσης σχετικά υψηλότερες από εκείνες που αναφέρθηκαν για undoped σωματίδια μαγνητίτη (218 l /mmol /s) σε πρόσφατες λεπτομερείς μελέτες [24]. Για ενισχυμένα μαγνητικά σωματίδια, έχει αναφερθεί ότι η υψηλή χρόνων αποκατάστασης έως 358 l /mmol /s μπορούν να επιτευχθούν με doping μαγνητίτη με Mn (MnFe

2O

4) [24]. Ωστόσο, το δυναμικό έκπλυσης του Mn κατά τη χορήγηση αυτών των παραγόντων αντίθεσης MR στο σώμα θα μπορούσε να δημιουργήσει προβλήματα κυτταροτοξικότητα, και στην καλύτερη γνώση των συγγραφέων, undoped νανοσωματίδια Mag @ SiO2 με τόσο υψηλές τιμές χαλαρότητα δεν έχουν μέχρι σήμερα αναφερθεί.

Επιπλέον, μελέτες χαλαρότητα ως συνάρτηση των διαφορετικών συγκεντρώσεων του Fe στο Mag @ SiO2 νανοσωματίδια, τόσο ως εναιώρημα νανοσωματιδίων σε φαντάσματα (Σχήμα 6Α), και μετά από 24 ώρες από την πρόσληψη των νανοσωματιδίων από καρκινικά προστάτη PC3 κύτταρα (Σχήμα 6Β) απεκάλυψε ότι mag νανοσωματίδια @ SiO2 δρουν ως εξαιρετική παράγοντες αντίθεσης Τ2. Αυτό φαίνεται από την επίδραση σκούρο χρώμα της εικόνας, αποδεικνύεται από πτώση R2 (ΔR2 /R2

έλεγχος) της έντασης του σήματος με αυξανόμενες συγκεντρώσεις Fe. Για παράδειγμα, στα 100 μg /ml συγκέντρωση Fe, Mag @ SiO2 νανοσωματίδια παρέχουν ενίσχυση σήματος από -90% σε σχέση με την ενίσχυση του σήματος πάνω από το 70% κατά τη διάρκεια της απεικόνισης των καρκινικών κυττάρων PC3 προστάτη. Αυτή είναι μια σημαντική ενίσχυση σήματος σε σύγκριση με τις περισσότερες από τις προηγουμένως αναφερθείσες υλικά, στα οποία έχει παρατηρηθεί γενικά μόνο το 15-20% ενίσχυση σήματος [28]. Τέτοια ισχυρή ενίσχυση του σήματος MR αναμένεται από Mag @ SiO2 νανοσωματίδια λόγω του σχετικά υψηλές τιμές χαλαρότητα και τον κορεσμό μαγνήτισης τους.

Πίνακας Α δείχνει τις μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε φαντάσματα για τα σωματίδια σε αιώρηση, ενώ το πάνελ Β δείχνει τις παρόμοιες μελέτες σε PC3 ανθρώπινα κύτταρα καρκίνου προστάτη μετά νανοσωματίδια πρόσληψη για 24 ώρες. Αντίστοιχη Τ2 εικόνες MR των διαφόρων δειγμάτων, που δείχνει την εικόνα σκουραίνει αποτέλεσμα με την αύξηση της συγκέντρωσης Fe έχουν επίσης δείξει κάτω από κάθε γραμμή.

Η

In vivo

μελέτες MRI σε ένα ποντίκι του όγκου του μαστού μοντέλο αποδεικνύεται επίσης ενίσχυση σήματος Τ2 στη θέση του όγκου από Mag @ SiO2 νανοσωματίδια (Σχήμα 7). Οι εικόνες παρακάτω

in vivo

χορήγηση 10 μg δόσης Mag @ SiO2 νανοσωματίδια αποδείξει την ικανότητά της να παράγει MR ενίσχυση του θέση όγκου σε σχέση με το σώμα. Τα Τ2 αποτελέσματα ενίσχυση του σήματος από τα νανοσωματίδια Mag @ SiO2 σε μια εικόνα MR απεικονιστεί ως σκούρο χρώμα ή την αντίθεση μεταξύ των περιοχών διεισδύσει με Mag @ SiO2 νανοσωματιδίων και εκείνων που δεν νανοσωματίδια. Οι μελλοντικές μελέτες σχετικά με Mag @ SiO2 μπορεί να προσαρμοστεί για στοχευμένη MRI, χρησιμοποιώντας ανώτερα μαγνητικά χαρακτηριστικά του στην διάγνωση παθολογιών.

Ποντίκι 2 εγχύθηκε με νανοσωματίδια Mag @ SiO2 ως παράγοντας αντίθεσης Τ2, ενώ Mouse 1 εγχύθηκε με αλατούχο ως έλεγχο. Οι θέσεις όγκου στον έλεγχο (ποντικού 1) και στο κατεργασμένο ποντίκι (mouse 2) έχουν επισημανθεί ως μπλε και κόκκινο κύκλους αντίστοιχα. Πίνακες Γ και Δ δείχνουν οι εικόνες υψηλότερης μεγέθυνσης εγκάρσια τομή του site του όγκου που αντιστοιχεί σε πίνακες Α και Β, αντίστοιχα, όπου περιοχή του όγκου ένεση με παράγοντα αντίθεσης MR έχει επισημανθεί χρησιμοποιώντας λευκό κύκλους.

Η

Εν ολίγοις, σημαντικό σκέψεις για ένα αποτελεσματικό παράγοντα αντίθεσης MRI περιλαμβάνουν μικρότερο μέγεθος σωματιδίων, αποτελεσματική απορρόφηση τους από τα κύτταρα, μειωμένη συσσωμάτωση σε βιολογικά υγρά, βελτιωμένη διάρκεια ζωής και βελτιωμένη βιοσυμβατότητα. Μια έλεγχο όλων αυτών των παραμέτρων θα δώσει την δυνατότητα να στοχεύει σε μια σειρά από /εφαρμογών μοριακής κυτταρικής απεικόνισης χωρίς να προκαλούν οξεία τοξικότητα στα φυσιολογικά κύτταρα. Ιδιαίτερα για εφαρμογές απεικόνισης όγκου, υπο-100 nm σωματίδια μπορεί να παράσχει σημαντική πλεονέκτημα, καθώς η διάμετρος αποκοπής των πόρων σκάφος όγκου είναι 400-600 nm [41] – [43], [49] – [51].

Σε αυτή τη μελέτη, έχουμε επιδείξει τη σύνθεση εύκολη, μεγάλης κλίμακας οιονεί κυβικά μαγνητίτη και Mag @ SiO2 νανοσωματίδια των υπο-100 μέγεθος nm. Τα νανοσωματίδια Mag @ SiO2 που αναφέρονται εδώ έχουν διάρκεια ζωής άνω των 6 μηνών, και είναι αποτελεσματικά προσλαμβάνονται εκλεκτικά από τα κύτταρα χωρίς να προκαλεί σημαντική συσσωμάτωση ή κυτταρικής τοξικότητας. Η βιολογική ημιζωή των μικρότερων και επικαλυμμένου με πυριτία νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου αναμένεται να αυξηθεί περαιτέρω λόγω της μειωμένης αλληλεπίδρασή τους με τα υγρά του σώματος. Ως εκ τούτου, η μελέτη αυτή υπογραμμίζει σαφώς τη σημασία της SiO

2 επίστρωση για τη βελτίωση της απορρόφησης των Mag @ SiO2 νανοσωματίδια από τα καρκινικά κύτταρα του προστάτη PC3, και τη βελτίωση της ζωής στο ράφι των παραγόντων αντίθεσης MR. Τα σύνθετα νανοσωματίδια μαγνητικών-πυριτίου ενεργούν ως πολλά υποσχόμενη παράγοντες αντίθεσης Τ2 προσφέροντας μια δυνητικά βιώσιμη επιλογή ως εμπορικός αντιπρόσωπος αντίθεσης MR. Αυτό οφείλεται στο μικρό τους μέγεθος, υψηλή ενίσχυση MR σήματος, σε σχέση βιοσυμβατότητα, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, και ιδιαίτερα τροποποιήσιμο χημείας των επιφανειών πυριτίου που θα επιτρέψουν την προσκόλληση των πολλών μοριακών δεικτών για στοχευμένη MRI στο μέλλον. Αυτά τα χαρακτηριστικά ενός παράγοντα αντίθεσης Τ2 είναι ιδιαίτερα επιθυμητή για εφαρμογές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού σε προ-κλινικό επίπεδο και για μελλοντική χρήση κλινικά.

Υλικά και Μέθοδοι

Δήλωση Ηθικής

το μοντέλο ποντίκια όγκου του μαστού αναπτύχθηκε in-house, και όλες οι μελέτες που αφορούν τα ζώα είχαν προεγκριθεί από την θεσμική επιτροπή ζώων δεοντολογίας.

Υλικά