用于评估纳米颗粒在细胞内生物分布的生物成像方法,适用于纳米制剂化合物的治疗和诊断监测。通过组织学共定位分析,本文所述方法具有高灵敏度和特异性。这些方法为从啮齿类动物到人类的应用提供了转化路径。
用于评估纳米颗粒在细胞内生物分布的生物成像方法,适用于纳米制剂化合物的治疗和诊断监测。通过组织学共定位分析,本文所述方法具有高灵敏度和特异性。这些方法为从啮齿类动物到人类的应用提供了转化路径。
纳米药物可由血液中的单核-巨噬细胞携带进入网状内皮系统(RES;包括脾脏、肝脏、淋巴结)以及终末器官。后者包括肺、网状内皮系统和脑,在人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)感染期间具有活性。巨噬细胞进入组织的现象在HIV-1活跃复制区域和炎症部位尤为显著。为了评估巨噬细胞作为纳米载体的潜力,研究人员将表面活性剂包被的超顺磁性氧化铁和/或载药颗粒经肠外途径注射至HIV-1脑炎小鼠体内,以定量评估颗粒和药物在体内的生物分布。磁共振成像(MRI)检测结果通过组织学共定位和增强图像处理进行验证。通过MRI评估以脑组织病理学改变为代表的终末器官疾病。纳米制剂向局灶性脑炎区域显著迁移的实验证明了利用先进生物成像技术监测巨噬细胞迁移的“概念验证”。重要的是,脑组织的组织病理学异常与生物成像参数相关,这使得MRI在疾病状态下细胞分布研究中具有广泛的适用性。我们认为,采用此类方法可实时反映疾病负荷及治疗效果,并具备向人类临床转化的潜力。
1. 引言
将药物和治疗性大分子(多肽、蛋白质和核酸)选择性递送至疾病活动部位及持续性微生物感染的细胞和组织位点,将提高疾病治疗过程中的药物疗效1-3。其中一类特定的细胞靶点是巨噬细胞,该细胞具有高度迁移性和免疫活性,同时也是人类免疫缺陷病毒(HIV)持续感染的主要靶细胞4。重要的是,巨噬细胞介导的炎症反应还参与多种疾病的发生发展,包括退行性、炎症性、感染性和肿瘤性疾病;同时,该细胞向病变部位的迁移也推动了组织损伤的进展5-9。值得注意的是,利用血液来源的巨噬细胞作为药物、大分子和信号分子的载体,近年来因其转化潜力而受到广泛关注。然而,实现此类治疗潜力的一个主要障碍是血脑屏障(BBB)以及其他组织屏障,这些屏障对多种大分子和蛋白质具有不通透性。尽管如此,这些屏障仍允许细胞通过。总体而言,人们预计在疾病自然进程中,外周巨噬细胞可绕过屏障,将配制的药物、标记物和多肽运送至感染或炎症部位。然而,此类技术目前仍处于研发阶段。通过我们的研究工作,有望推动细胞介导递送技术在诊断和治疗中的应用,相关应用已得到人类疾病实验室模型和动物模型的支持10-12。
2. 纳米材料制备
用于药物递送和生物分布研究的纳米材料制备是本期另一篇并列稿件的主题(并列稿件参考文献)。所有晶体纳米颗粒的制备操作均在层流罩中进行。所有操作表面在使用前均需用70%酒精消毒,包括工作台面、手套外表面以及任何溅洒物;一旦发生污染,立即用70%酒精溶液浸湿的擦拭纸覆盖处理。手套使用后即丢弃,且不得穿戴进入其他任何实验室区域。辅料、药物、无菌水及制备载药颗粒所需的任何/全部试剂仅在需要时方可带入工作区。仅使用无菌包装的移液器,使用后丢弃至生物危害废物容器中。湿法制粒装置在使用前后均需用酒精消毒。工作区域在操作开始前和结束后均须立即用70%酒精清洁。根据美国食品药品监督管理局(FDA)指南,对纳米颗粒溶液进行热原检测,以评估用于动物的药物颗粒溶液中是否存在细菌内毒素。简言之,
3. 方法与操作:动物准备
4. 数据采集
5. 数据分析

6. 代表性结果
图1和图2展示了DTI与1H MRS的示例。更多关于1H MRS24-26 和DTI27 的结果示例可参见我们此前发表的文献。图3显示了注射前T2*加权MRI图像,其中黄色区域叠加标注了标记细胞的位置。该小鼠通过尾静脉注射了标记的单核细胞来源巨噬细胞。五天后,按照上文所述方法获取并处理了T2*加权MRI图像。另一实验小鼠通过脑内注射感染HIV的人源巨噬细胞制备,图像中可见一条由检测到的小鼠单核细胞来源巨噬细胞组成的信号线。有关标记细胞检测及与组织学共定位分析的更多示例,可参见我们此前发表的文献10,12。

图 1. 用于分析DTI指标的脑区示意图。

图 2. 使用 jMRUI 信号处理套件中的 QUEST 进行光谱拟合。

图 3. 检测从外周血迁移至局灶性脑炎脑区的 SPIO 标记细胞。细胞位置(黄色)叠加于文本中所述 T2* 加权 MRI 采集的代表性切片上。
将组织学与体内成像结果进行精确配准,是开发用于神经疾病检测与分期的成像生物标志物的关键步骤。某些成像指标可能与宏观形态学变化相关,包括用于检测白质病变和癌症存在的组织磁弛豫特性的改变。其他更为敏感的方法,例如弥散张量成像(DTI),可能能够检测到早期的细胞水平变化,而这些变化在疾病早期尚不会表现为可在组织学上观察到的改变,直到疾病进展至较晚阶段才会显现。还有一些标志物,例如波谱学标志物,可能是比最细微的细胞改变更早出现且可逆性变化的指标。
可以使用多种方法无创地测定生物分布。主要的无创方法包括正电子发射断层扫描(PET)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)、光学成像和磁共振成像(MRI)。基于核医学的成像技术(PET 和 SPECT)多年来已被广泛用于多种生物分布研究,但这些方法受限于用于标记化合物或纳米材料的放射性示踪剂的半衰期,尤其是 PET 示踪剂。光学成像可用于小型啮齿类动物,但由于光吸收和光散射,除易于接近的区域(如体表肿瘤)外,难以应用于人体。此外,出于相同原因,对光学信号进行定量也较为困难。MRI 使用如超顺磁性氧化铁(SPIO)等持久性标记物,可在数周内追踪其在体内的分布。然而,这种方法也必须谨慎使用,因为标记物可能转移至不同细胞或被机体重新吸收。
在MRI中针对SPIO的检测特异性可通过多种方法实现。这些检测方法可提供阳性及阴性信号,用于提高MRI检测组织中SPIO存在的特异性。本研究中采用的减影方法此前亦已被其他研究使用28。其他方法包括离共振检测29-31、产生SPIO信号缺失区域特定图像模式的相位敏感成像32,以及利用T1加权在SPIO区域产生阳性信号强度的零回波时间成像33。目前,改进这些方法以提高标记物定量能力、灵敏度和特异性的研究仍处于活跃阶段。
未声明任何利益冲突。
本研究工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助项目1K25MH089851、1P01DA028555-01A1、2R01 NS034239、2R37 NS36126、P01 NS31492、P20RR 15635、P01MH64570和P01 NS43985的支持。作者感谢Robin Taylor女士对稿件的审阅以及在图形设计和文字方面的出色支持。作者还要感谢Erin McIntyre、Melissa Mellon和Lindsay Rice在技术方面提供的支持。
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