Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Biofunctionalized הכחול פרוסים חלקיקים ליישומי הדמיה מולקולריים Multimodal

Published: April 28, 2015 doi: 10.3791/52621
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1, 1,3, 1,3,4
1The Sheikh Zayed Institute for Pediatric Surgical Innovation, Children's National Medical Center, 2Fischell Department of Bioengineering, University of Maryland, 3Department of Radiology, George Washington University, 4Department of Pediatrics, George Washington University

Abstract

Multimodal, הדמיה מולקולרית מאפשרת ההדמיה של תהליכים ביולוגיים ברזולוציות סלולריות, subcellular, ורמה-המולקולרית תוך שימוש בטכניקות הדמיה מרובות, משלימים. סוכני הדמיה אלה להקל על ההערכה של מסלולים ומנגנוני in vivo, אשר משפרים את יעילות שני האבחון וטיפול בזמן אמת. מאמר זה מציג את הפרוטוקול לסינתזה של חלקיקים כחולים פרוסים biofunctionalized (NPS PB) - כיתת רומן של סוכנים לשימוש ביישומי ההדמיה multimodal, מולקולריים. יש שיטות ההדמיה התאגדו בחלקיקים, ההדמיה הקרינה והדמיה בתהודה מגנטית (MRI), תכונות משלימות. הצירופים וPB יש עיצוב ליבה-פגז שבי גדוליניום ויונים מנגן שולבו בתוך חללי ביניים של סריג PB ליצור ניגוד MRI, שניהם בT 1 ו- T 2-משוקלל רצפים. הצירופים וPB מצופים בavidin ניאון באמצעות אלקטרוסטטי עצמית כsembly, המאפשר הדמיה הקרינה. חלקיקים מצופים avidin משתנים עם ligands biotinylated שמקנה יכולות מיקוד מולקולריות לחלקיקים. היציבות והרעילות של חלקיקים נמדדות, כמו גם relaxivities MRI שלהם. יכולות multimodal, מולקולרי ההדמיה של הצירופים וPB biofunctionalized אלה לאחר מכן הפגינו באמצעות אותם לקרינת הדמיה ו- MRI המולקולרי במבחנה.

Introduction

הדמיה מולקולרית היא ההדמיה לא פולשנית וממוקדת של תהליכים ביולוגיים בסלולרי, subcellular, ורמות מולקולריות 1. הדמיה מולקולרית מאפשרת דגימה להישאר במייקרו-הסביבה המקורית שלו בזמן שמסלולי אנדוגני ומנגנונים מוערכים בזמן אמת. בדרך כלל, הדמיה מולקולרית כרוכה ממשל סוכן הדמיה אקסוגניים בצורה של מולקולה, מקרומולקולה, או ננו-חלקיקים קטנים כדי להמחיש, יעד, ואת עקבות תהליכים פיסיולוגיים רלוונטיים של נחקרים 2. שיטות ההדמיה השונות שנחקרו בהדמיה מולקולרית כוללות MRI, CT, PET, SPECT, אולטרסאונד, photoacoustics, ספקטרוסקופיית ראמאן, פליטת אור, הקרינה, ומיקרוסקופיה intravital 3. ההדמיה Multimodal היא השילוב של שתיים או יותר שיטות הדמיה שבו השילוב משפר את היכולת לדמיין ולאפיין תהליכים ביולוגיים ואירועים שונים 4. Multimodaההדמיה l מנצלת את נקודות החוזק של טכניקות הדמיה פרט, תוך מתן פיצוי בגין המגבלות האישיות שלהם 3.

מאמר זה מציג את הפרוטוקול לסינתזה של חלקיקים כחולים פרוסים biofunctionalized (NPS PB) - כיתת רומן של סוכני הדמיה multimodal, מולקולריים. הצירופים וPB משמשים להדמית הקרינה וMRI המולקולרי. PB הוא פיגמנט הכולל לסירוגין ברזל (II) וברזל (III) אטומים ברשת מעוקב במרכז הפנים (איור 1). סריג PB מורכב מligands ציאניד ליניארי בFe II - CN - הצמדת Fe III המשלבת קטיונים לאזן חיובים בתוך הרשת תלת-ממדית שלה 5. היכולת של PB לשלב קטיונים לתוך הסריג שלו מנוצלת על ידי בנפרד טעינת גדוליניום ויונים מנגן לצירופים וPB לניגוד MRI.

הרציונל לרודף עיצוב ננו-חלקיקים לניגוד MRI בגלליתרונות עיצוב זה מציע ביחס לסוכנים בניגוד MRI הנוכחיים. רובם המכריע של סוכנים בניגוד MRI אישרו ה- FDA האמריקאי הם chelates גדוליניום שפאראמגנטיים בטבע ומספק ניגוד חיובי על ידי 6,7,8 מנגנון ההרפיה הספין-סריג. בהשוואה לגדוליניום-chelate יחיד המספק עוצמת אות נמוכה בכוחות עצמו, השילוב של גדוליניום יונים מרובים בסריג PB של חלקיקים מספק משופר עוצמת אות (בניגוד חיובי) 3,9. יתר על כן, הנוכחות של יוני גדוליניום מרובים בתוך סריג PB מגדילה את צפיפות הספין הכוללת וסדר הגודל של פרא-מגנטיויות של חלקיקים, אשר מפריע לשדה המגנטי המקומי בסביבתו, ובכך לייצר ניגוד שלילי על ידי מנגנון ההרפיה ספין-ספין. כך חלקיקים המכיל גדוליניום לתפקד גם כT 1 (חיובי) ו- T 2 סוכנים בניגוד (שלילי) 10,11.

בתת-קבוצה של חולים עם הפרעות בתפקוד הכליתי, הממשל של סוכנים בניגוד מבוסס גדוליניום נקשר להתפתחות של סיסטיק nephrogenic המערכתי 8,12, 13. תצפית זו גרמה חקירות השימוש ביוני פאראמגנטיים חלופיים כסוכנים בניגוד ל MRI. לכן, עיצוב הרב-תכליתי של חלקיקים מותאם לשלב יונים מנגן בתוך סריג PB. בדומה לגדוליניום-chelates, מנגן-chelates גם פאראמגנטיים ומשמשים בדרך כלל כדי לספק עוצמת אות חיובית בMRI 7,14. כמו בצירופים וPB המכיל גדוליניום, הצירופים וPB המכיל מנגן גם לתפקד כT 1 (חיובי) ו- T 2 סוכנים בניגוד (שלילי).

לשלב יכולות הדמיה הקרינה, "הליבות" ננו-החלקיקים מצופות בקליפה "biofunctional" בהיקף של avidin גליקופרוטאין fluorescently שכותרתו (איור 1). Avidin לא רק מאפשר הדמיה הקרינה, אך משמש גם כפלטפורמת עגינה לligands biotinylated כי יעד תאים ורקמות ספציפיים. אג"ח avidin ביוטין הוא אחד מהקשרים החזקים ביותר הידועים, שאינם קוולנטיים המאופיין בזיקה מחייבת חזקה מאוד בין avidin וביוטין 15. הקובץ המצורף של ligands biotinylated למצופי avidin PB הצירופים ומקנה יכולות מיקוד מולקולריות לצירופים וPB.

המוטיבציה לרודף ההדמיה הקרינה וMR באמצעות PB צירופים ובגלל שיטות ההדמיה האלה יש תכונות משלימות. הדמיה הקרינה היא אחת טכניקות ההדמיה הנפוצות ביותר האופטית מולקולריות, ומאפשרת ההדמיה בו זמנית של מספר אובייקטים ברגישויות גבוהות 1,16,17. הדמיה הקרינה היא שיטה בטוחה, לא פולשנית, אך קשורה למעמקים נמוכים של חדירה והחלטות מרחביות 1,3,16. מצד השני, MRI מייצר זמני גבוההרזולוציה מרחבית ד הלא פולשני וללא צורך בקרינה מייננת 1,3,16. עם זאת MRI סובל מרגישות נמוכה. לכן הדמיה הקרינה וMRI נבחרו כטכניקות הדמיה מולקולריות בשל התכונות המשלימות שלהם חדיר לעומק, רגישות, ורזולוציה מרחבית.

מאמר זה מציג את הפרוטוקול לסינתזה וbiofunctionalization של הצירופים וPB, PB צירופים ו( GdPB), ומכיל גדוליניום PB צירופים ו( MnPB) 10,11 המכיל מנגן. השיטות הבאות מתוארות: 1) מדידה של גודל, אחראי, ויציבות זמנית של חלקיקים, 2) הערכה של cytotoxicity של חלקיקים, 3) מדידת relaxivities MRI, ו- 4) שימוש בננו-חלקיקים לקרינה והדמיה מולקולרית MR אוכלוסייה של תאים ממוקדים במבחנה. תוצאות אלו מראות את הפוטנציאל של הצירופים ולשימוש כסוכני multimodal, מולקולרי הדמיה in vivo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סינתזה של PB צירופים ו, ​​GdPB, וMnPB

סינתזה של ננו-החלקיקים (PB צירופים ו, ​​GdPB, או MnPB) מושגת באמצעות ערכת סינתזה בסיר אחד על ידי ביצוע הצעדים המפורטים להלן:

  1. הכן את הפתרון '' המכיל 5 מיליליטר של 5 hexacyanoferrate אשלגן מ"מ (II) במים ללא יונים (DI). בהתאם לסוג של ננו-חלקיקים שמסונתזים - צירופים וPB, GdPB, או MnPB, להכין פתרון 'B' כדלקמן:
    1. ל PB צירופים ו: להכין 10 מיליליטר של תמיסה המכילה 2.5 מ"מ ברזל כלוריד (III) במי DI.
    2. לGdPB צירופים ו: להכין 10 מיליליטר של תמיסה המכילה 2.5 מ"מ כל אחד מגדוליניום (III) חנקתי וברזל (III) כלוריד במי DI
    3. לMnPB צירופים ו: להכין 10 מיליליטר של תמיסה המכילה 2.5 מ"מ כל אחד ממנגן כלוריד וברזל כלוריד (II) (III) במי DI.
  2. הוסף 'B' פתרון לבקבוק מסביב לתחתית, ומערבבים את תכולת הבקבוק בטמפרטורת חדר (RT) ו1,000 סל"ד. הוסף פתרון '' טיפה חכמה ל'B 'הבקבוק המכיל פתרון מסביב לתחתית. לשלוט על קצב הזרימה לתוספת של פתרון '' ל 'ב' על ידי משאבת peristaltic להגדיר לוותר כ 10 מיליליטר / שעה.
  3. ממשיך לבחוש ב 1000 סל"ד ב RT עבור 30 דקות נוספות לאחר התוספת של פתרון '' ל 'B' הוא מלא. תפסיק לבחוש ולאסוף את התערובת.
  4. העבר את aliquots של התערובת לתוך צינורות microcentrifuge כדי לשטוף את חלקיקים חופשיים של רכיבי unreacted. הוסף 5 M NaCl (0.2 מיליליטר NaCl / תערובת תגובת מיליליטר) לכל aliquot לסייע באיסוף חלקיקים על ידי צנטריפוגה.
  5. צנטריפוגה כל aliquot של חלקיקים במשך לפחות 10 דקות ב20,000 × g. לאחר צנטריפוגה, להסיר בזהירות את supernatant.
  6. Resuspend כל גלולה ננו-חלקיקים במי DI 1 מיליליטר באמצעות sonication באמצעות microtip (דופק sonication / כיבוי = 1/1 שניות, 50% = משרעת, משך =5 שניות, דירוג = 125 W כוח sonicator) כדי לשבור את גלולה.
  7. חזור על שלבים 1.4-1.6 לפחות 3 × כדי להבטיח שהחלקיקים חופשיים של רכיבים של תוצרי לוואי תגובה ותגובה הראשוניים. לאחר צנטריפוגה הסופית, resuspend חלקיקים במי DI 1 מיליליטר.

2. Biofunctionalization של PB צירופים ו, ​​GdPB, וMnPB

Biofunctionalization של חלקיקים כרוכים ציפוי של "ליבות" ננו-חלקיקים עם avidin והוספת ligands biotinylated כמפורט להלן:

  1. ציפוי של החלקיקים עם פלורסנט avidin
    ציפוי של חלקיקים עם avidin הניאון מושגת באמצעות הרכבה עצמית אלקטרוסטטי בי מטען חשמלי חיובי avidin (PI ~ 10.5) מצופה לחלקיקים טעונים שלילי כדלקמן 18:
    1. הכן השעיות של הצירופים וPB, GdPB, או MnPB במי DI 1 מיליליטר. סנן אלקסה פלואוריד 488 שכותרתו avidin (A488; מחדש במי DI)דרך מסנן microcentrifuge ניילון 0.2 מיקרומטר ב× גרם 14,000 למשך 10 דקות. להוסיף ≤0.2 מ"ג חלקיקי avidin / מ"ג. הוסף כל aliquot המסונן של A488 בנפרד לaliquots של PB צירופים ו, ​​GdPB, או MnPB.
    2. צור חלקיקים עם A488 עבור שעות 2-4 עם רעד או סיבוב עדין על 4 מעלות צלזיוס. להגן על הדגימות מן האור באמצעות רדיד אלומיניום.
      הערה: A488 תשואות שלב זה מצופה PB צירופים ו( PB-A488), GdPB (GdPB-A488), וMnPB (MnPB-A488).
  2. קובץ מצורף של הנוגדנים Biotinylated
    קובץ מצורף של biotinylated נוגדני מיקוד על חלקיקים מצופים avidin מושגת באמצעות אינטראקציות avidin ביוטין כדלקמן:
    1. הכן השעיות של חלקיקי avidin מצופה - PB-A488, GdPB-A488, וMnPB-A488 במי DI 1 מיליליטר. סנן נוגדן biotinylated (כפי שסופק על ידי היצרן) דרך מסנן microcentrifuge 0.2 מיקרומטר ניילון ב 14,000 × גרם במשך 10 דקות.
      הערה: הנה, המחקר הנוכחי משתמש בביוinylated אנטי-נוירון, גליה אנטיגן 2 (ANG2) שמכוון NG2 ביטוי יתר בתאים ורקמות של מערכת העצבים המרכזית וbiotinylated eotaxin-3 אנטי-אנושי (Eot3) שמכוון קולטנים ביטוי יתר על אאוזינופילים או שורות תאי eosinophilic.
    2. הוסף כל aliquot המסונן של נוגדן biotinylated בנפרד לaliquots של חלקיקים מצופים avidin. הוספת חלקיקי נוגדן מצופה avidin / מ"ג biotinylated ≤0.05 מ"ג. צור חלקיקים מצופים avidin עם נוגדני biotinylated (ANG2 או Eot3) במשך 2-4 שעות עם רעד עדין או סיבוב על 4 מעלות צלזיוס. להגן על הדגימות מן האור באמצעות רדיד אלומיניום.
      הערה: נוגדן תשואות שלב זה חלקיקים מצופים (למשל GdPB-A488-Eot3 וMnPB-A488-ANG2).

3. מדידות, פוטנציאל זטה, וTemporal יציבות של החלקיקים

התפלגות הגודל, האחראי, והיציבות של חלקיקים נמדדו באמצעות דינמיפיזור אור שיטות (DLS) כמפורט להלן:

  1. שינוי הגודל של החלקיקים
    שינוי הגודל של חלקיקים מושגת באמצעות פיזור אור דינאמי כדלקמן:
    1. הוסף 10 μl של מדגם ננו-החלקיקים (1 מ"ג / מיליליטר) עד 990 μl מים DI בקובט פלסטיק חד פעמי.
      שים לב: זה ערך נציג לאות DLS טוב.
    2. מכסה את קובט ומערבולת לערבב היטב. מניחים את קובט במערכת המשמשת לניתוח גודל חלקיקים על מנת למדוד את גודל חלקיקים. לבצע ניתוח גודל חלקיקים בזווית מדידה של 173 מעלות.
  2. פוטנציאל זטה של ​​החלקיקים
    פוטנציאל זטה של ​​חלקיקים נמדד באמצעות פיזור ניתוח שלב אור כדלקמן:
    1. הוספה של מדגם ננו-החלקיקים (1 מ"ג / מיליליטר) עד 900 μl מים DI 100 μl בתא נימי פלסטיק חד פעמי. ערך זה הוא נציג למדידת פוטנציאל זטה טובה.
    2. הנח את קַפִּילָארתא y במערכת המשמשת לניתוח פוטנציאל זטה כדי למדוד את פוטנציאל זטה של ​​חלקיקים באמצעות פרמטרים של ברירת מחדל של 25 מעלות צלזיוס.
  3. יציבות זמנית של החלקיקים
    יציבות זמנית של חלקיקים נמדדה באמצעות פיזור אור דינאמי כדלקמן:
    1. להעריך את היציבות של חלקיקים על ידי מדידת הגדלים של חלקיקים במי DI כמו גם בינוני השתנה Dulbecco של הנשר (DMEM) כמפורט בסעיף 3.1.
    2. חזור על מדידות גודל במי DI וDMEM פעם / יום על פני תקופה של 5 ימים.

4. Cytotoxicity של החלקיקים

Cytotoxicity של חלקיקים נמדד באמצעות assay התפשטות תאי XTT כדלקמן:

  1. תאי זרע 10,000-15,000 / טוב של כל סוג תא למדו (Neuro2a, BSG D10, EoL-1, וOE21) בצלחת 96-היטב. ודא שהנפח הכולל של תאי זרע אינו דוארXceed 0.2 מיליליטר / טוב. דגירה תאי זרע הלילה ב 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2.
  2. יצירת קשר עם חלקיקים עם התאים:
    1. דגירה התאים עם ריכוזים שונים של ננו-חלקיקים (0.01-0.5 מ"ג / מיליליטר). עיין בטבלת 1 כטבלת נציג המתארת ​​את הכמויות של חלקיקים (50 μl) הוסיף לתאים לאחר הסרת 50 μl של מדיום / טוב.
      1. כדי להסביר את כל ספיגת להתערב של חלקיקים בתוך assay, להוסיף ריק בהיקף של הריכוז המתאים של חלקיקים (0-.5 מ"ג / מיליליטר; בשקילות לסכומים נוספים לתאים) לבינוניים ללא תאים.
    2. דגירה תאים עם חלקיקי הלילה ב 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2. תקשורת לשאוב מכל טוב ולשטוף עם החיץ מכתים המורכב של 5% בסרום שור עוברי (FBS) בפתרון פוספט שנאגרו (PBS). הוספה של תקשורת 100 μl ללא פנול אדום ולדגור על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2ל16-18 שעות.
  3. הכן את הפתרון למניעת הפצת הנשק Assay הנייד XTT עובד על ידי ערבוב מרכיבי ערכה (XTT מגיב וXTT Activator) לפי המפרט של היצרן. לשאוב את התקשורת מהבארות ולהוסיף של RPMI 100 μl (RPMI w / o פנול FBS האדום + 10% + 1 × פן-דלקת) או בינוני מתאימה לסוג התא למד. הוסף 50 μl של פתרון עובד XTT היטב כל אחד ולדגור על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2 ל2-2.5 שעות.
  4. מדוד את הספיגה ב 490 ננומטר, עם אורך גל של 630 ננומטר התייחסות לתיקון לטביעות אצבעות או כתמים. לחשב את הספיגה המתוקנת לכל טוב (490 -A 630) וממוצע הקריאות למשכפל.
  5. הפחת את הקריאות ריקות מכל ערך ולחשב את ערכי הספיגה המתוקנות הסופיים. לחשב את אחוז ההישרדות לכל דגימה על ידי נרמול הספיגה המתוקנת הסופית לזה של תאים שלא טופלו ללא חלקיקים. העלילה suאחוז rvival כפונקציה של ריכוז ננו-חלקיקים.

5. MRI Relaxivities של הצירופים וPB, GdPB, וMnPB

relaxivity MRI נמדד באמצעות T 1 - וT 2-משוקלל רצפים על ידי הכנת "פנטום" באמצעות ה- MRI צלחת 96-היטב המכילה חלקיקים כמפורט להלן:

  1. פנטום הכנה
    1. הכן צלחת 96-היטב עם כל חלקיקים המכילים גם 100 μl (PB צירופים ו, ​​GdPB, או MnPB) בריכוז המתאים. החל בריכוז של 0.4 מ"מ לכל סוג של ננו-חלקיקים, סדרנו לדלל את חלקיקי 2 × שימוש במי DI עד ריכוז של 2.4 × 10 -5 M הוא הגיע (זה דורש 14 דילולים ו -15 בארות).
    2. הוספה של 1% פתרון agarose מותך במי DI 100 μl היטב לתוך כל אחד ומערבבים היטב. לאפשר ג'ל לבסס על 4 מעלות צלזיוס במשך שעה 12.
      הערה: זה מניב פנטום מכיל דילולים סדרתי שלחלקיקים בagarose הקרושה.
    3. הנח את הפנטום במגנט קליני T אופקי 3 תחת גוש מוצק של אגר 2% (150 סנטימטר 3). אבטח את הפנטום ובלוק של אגר בתוך מרכז סליל מוח ערוץ 8-HD. למדוד פעמים הרפיה באמצעות פרוסות עבות העטרה 0.5 מ"מ באמצע הגובה-של הצלחת 96-היטב 11.
  2. 1 T - וT 2 רצפים משוקללים
    השתמש בהגדרות הנציג הבאות לרכישת הרצפים במגנט הקליני.
    הערה: ערכים אלה מותאמים לחלקיקים המשמשים במחקר הנוכחי:
    1. לרכוש T 1 משוקלל תמונות (T1W) MR באמצעות ההתאוששות הבאה נוזל היפוך מוחלש (פלייר) רצף: Echo רכבת (ET) = 8, זמן החזרה (TR) = 2,300 אלפיות שנייה, זמן הד (TE) = 24.4 msec, גודל מטריקס = 512 x 224, שדה ראייה (FOV) = 16 x 16 סנטימטר 2.
    2. לרכוש T 2-משוקלל תמונות (T2W) MR באמצעות relaxa המהיר הבארצף tion מהיר הד ספין (FRFSE): ET = 21; TR = 3500 אלפיות שניים; TE = 104 אלפיות שני; מטריקס גודל = 512 x 224; FOV = 16 x 16 סנטימטר 2.
    3. לרכוש תמונות T1W וT2W MR ב 127 MHz (3 T) במועדי ההיפוך הבאים: 50, 177, 432, 942, 1,961, ו4,000 אלפיות שניים.
  3. מדידת Relaxivities MRI
    1. לאחר רכישת תמונות T1W וT2W באמצעות הרצפים שתוארו בסעיף 5.2, למדוד את עוצמת האות עבור כל ImageJ באמצעות כן, מעתה ואילך יועדה כאזור של עניין (ROI) על ידי בחירת כל ROI באמצעות לחצן יבול הסגלגל הממוקם בסרגל הכלים הראשיים, ולאחר מכן בחירה לנתח> מדוד.
      הערה: מוקפץ צריך להציג את עוצמת האות הממוצעת של כל ROI תחת העמודה שכותרתה "Mean".
    2. לכל החזר על השקעה, עלילה עוצמת האות נמדדת נגד זמן ההיפוך הספציפי שלה. במידת צורך, נקודות היפוך (קריאה) שיוצר "בועה" ראשונית או חריגים בתחילת העלילה (היפוך נמוךפעמים).
      הערה: קריאות אלה שנוצרו בזמנים היפוך נמוכים בגלל MRI מודד את ערך הגודל או מוחלט של תמונות ולא את ערכם האמיתי (השלילי), אשר צריך להיות מטופלות / תיקן במשך 19.
    3. הכן לנכון מעריכי עבור כל עלילה של עוצמת אות לROIs (SI) לעומת פעמים היפוך (T I) כמפורט בסעיף 5.2. עלילת T אני על ציר x, SI על ציר y; ɑ וΔ הם קבועים שנקבעו על ידי רגרסיה, וT 1 או T 2 הוא משתנה שיש לפתור:
      משוואת 1
      כאשר t = T 1, T 2.
    4. לפתור עבור T 1 או T 2 באמצעות המשוואה לעיל ולתכנן את ההופכי של הערכים מחושבים (1 / T 1 ו 1 / T 2) נגד הריכוזים של חלקיקים המשמשים בכל ROI.
    5. חשב את השיפוע של הגרף ליניארי שתשואות relaxivities r 1 ו- R 2.
      הערה: החלק מהפרוטוקול הבא מתארת ​​את היישום של ננו-החלקיקים לתיוג ניאון וניגוד MRI יצירה בתאים ממוקדים.

6. תיוג פלורסנט של תאים ממוקדים באמצעות החלקיקים - Confocal מיקרוסקופית

הערה: חלקיקים (PB הצירופים ו, ​​GdPB, וMnPB) יכולה לשמש כדי לתייג אוכלוסייה של תאים ממוקדים (פיקוח על ידי מיקרוסקופ confocal) כדלקמן fluorescently:

  1. סינתזה של חלקיקי פלורסנט
    1. לסנתז GdPB-A488, GdPB-A488-Eot3, MnPB-A488, MnPB-A488-ANG2 לתיוג ניאון של אוכלוסייה של תאים ממוקדים על ידי ביצוע הפעולות מפורטות בסעיפי 1 ו -2.
  2. הכנת תאים לקרינת מיקוד
    1. מעיל לא. 1.5 כוסות כיסוי מיקרו על ידי טבילתם בפתרון של פולי 0.002% (L ליזין) hydrobromide למשך 90 דקות. הסר את המשקפיים כיסוי מהפתרון ולאפשר להם להתייבש במשך 24 שעות.
    2. זרעי התאים (למשל EoL-1, D10 BSG, SUDIPG1) על המשקפיים הכיסוי מצופים הונחו בצלחת 6-היטב ולדגור על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2 לפחות 16 שעות. יש לשטוף את התאים עם פתרון ו1 × PBS (אופציונאלי) לתקן עם פורמלדהיד 10% בפתרון חיץ ניטראלי במשך 15 דקות. תאי כתם עם צבע 5 מיקרומטר כתום-אדום תא-permeant בPBS על 37 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. בהמשך לכך, לשטוף תאים עם PBS.
  3. > תיוג פלורסנט של תאים ממוקדים
    1. הוסף 1% אלבומין בסרום שור (BSA; במי DI) לתאים כדי למזער את הלא ספציפי מחייב את התאים, ולדגור על 37 מעלות צלזיוס במשך שעה 1.
    2. דגירה תאים עם חלקיקים בBSA 1% עבור שעה 1. לEoL-1: דגירה עם 0.2 מ"ג / מיליליטר GdPB-A488 או GdPB-A488-Eot3; לD10 BSG וSUDIPG1: דגירה עם 0.2 מ"ג / מיליליטר MnPB-A488 או MnPB-A488-ANG2. יש לשטוף את התאים עם PBS 3 × להסיר unbouחלקיקי nd.
    3. להפוך בזהירות את מכסה הזכוכית (המכילה תאים וחלקיקים) בשקופית מיקרוסקופ, על מנת להבטיח שאין בועות אוויר שנלכדו. לאטום את הקצה שבין מכסה הזכוכית ושקופיות מיקרוסקופ על ידי היישום ברור לק בזהירות. תמונת התאים באמצעות מיקרוסקופ סריקת לייזר confocal.

7. תיוג פלורסנט של תאים ממוקדים באמצעות החלקיקים - cytometry הזרימה

חלקיקים (PB צירופים ו, ​​GdPB, וMnPB) יכולים לשמש לתווית fluorescently אוכלוסייה של תאים ממוקדים (פיקוח על ידי הזרימה cytometry) כדלקמן:

  1. השעיות להכין של התאים להיות ממוקדות בPBS. ללימודי תרבות טהורים, ההשעיות מורכבות מסוג תא בודד (D10 BSG למשל); resuspend תא גלולה של תאי D10 BSG PBS ב 100,000 תאים / מיליליטר (10 מיליליטר סה"כ). ללימודי תרבות מעורבים, ההשעיות יכללו לפחות שני סוגי תאים (למשל EoL-1 וOE21); בדומה לD10 BSG, כדורי תא גלול של EoL-1 וOE21 PBS ב 100,000 תאים / מיליליטר כל אחת (10 מיליליטר סה"כ).
    1. הכן יחסים משתנים של EoL-1: OE21 1: 0 (2 מיליליטר EoL-1), 3: 1 (1.5 מיליליטר EoL-1, 0.5 מיליליטר OE21), 1: 1 (1 מיליליטר כל אחד מEoL-1 וOE21), 1: 3 (0.5 מיליליטר EoL-1, 1.5 מיליליטר OE21), 0: 1 (2 מיליליטר OE21).
  2. חסום את התאים (השעיות טהורות ומעורבות) על כוונת של חלקיקים עם 2 מיליליטר של BSA 5% כדי למזער הלא ספציפי מחייב.
  3. הוסף 1 מיליליטר (1 מ"ג / מיליליטר) חלקיקים לתאי דגירה עבור שעה 1. לD10 BSG, דגירה תאים עם MnPB-A488, MnPB-A488-ABC (נוגדן שליטה), או MnPB-A488-ANG2). לתערובות של EoL-1 וOE21, דגירה התערובות עם סכום קבוע של GdPB-A488-Eot3.
  4. יש לשטוף את התאים חופשיים של חלקיקים מאוגד על ידי ספינינג את הדגימות ב 1000 × גרם במשך 5 דקות לפחות 3 × להסיר חלקיקים מאוגד. Resuspend תאי 1 מיליליטר PBS ולתקן עם פורמלדהיד 10% ב- PBS. תאי כתם על ידי דוגרים עם 10 מיקרוגרם / מיליליטר7-Aminoactinomytcin D בPBS על קרח למשך 30 דקות. לשטוף עם PBS, ולאחר מכן לנתח 10,000 תאים מגודר מכל מדגם באמצעות cytometer זרימה.

8. ניגודיות יצירת MRI על תאים ממוקדים באמצעות החלקיקים

חלקיקים (PB הצירופים ו, GdPB, וMnPB) יכולים לשמש כדי ליצור ניגוד MRI (בשני 1 T - וT 2-משוקלל רצפים) באוכלוסייה של תאים ממוקדים באופן הבא:

  1. פנטום הכנה
    1. לגדל תאים (D10 BSG למשל) בצלוחיות T75 עד ~ מפגש 80%. השתמש במדיום גידול מתאים ותנאים. לD10 BSG, לגדול התאים בDMEM + 10% FBS + 1 × פן-דלקת על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2.
    2. יש לשטוף את התאים ללא בינוני עם 5 מיליליטר PBS ולחסום את התאים עם BSA 5 מיליליטר 1% בPBS עבור שעה 1 כדי למזער הלא ספציפי מחייב. הוסף 5 מיליליטר (0.5 מ"ג / מיליליטר) חלקיקים לתאים. לD10 BSG, דגירה התאים עם MnPB-A488, MnPB-A488-ABC (נוגדן שליטה), וMNPB-A488-ANG2 עבור שעה 1.
    3. יש לשטוף את תאים 3 × 5 מיליליטר עם PBS להסיר חלקיקים מאוגד. Trypsinize התאים על ידי דוגרים התאים עם 2 מיליליטר פתרון 0.25% טריפסין EDTA 1 × במשך 5 דקות על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2 לנתק אותם מהבקבוק להכנת פנטום. הוסף 8 מיליליטר של DMEM כדי להרוות את trypsinization של תאים.
    4. לאסוף את התאים על ידי צנטריפוגה ב× גרם 1,000 למשך 5 דקות; לשאוב את supernatant. Resuspend תאי 1 מיליליטר PBS ולהוסיף פורמלדהיד 1 מיליליטר של 10% ב- PBS לתקן את התאים. הוספה של כל דגימה 100 μl ולנפרד של צלחת 96-היטב.
    5. הוספה של 1% פתרון agarose מותך במי DI 100 μl היטב לתוך כל אחד ומערבבים היטב על ידי pipetting מעלה ומטה. לאפשר ג'ל לבסס על 4 מעלות צלזיוס במשך שעה 12.
      הערה: זה מניב פנטום המכיל תאים עם חלקיקים מצורפים בagarose הקרושה.
    6. הנח את הפנטום במגנט קליני T אופקי 3 בסמוך לגוש מוצק של אגר 2% (150 סנטימטרים 11.
  2. 1 T - וT 2 רצפים משוקללים
    השתמש בהגדרות הבאות לרכישת הרצפים במגנט MRI הקליני:
    1. לרכוש תמונות T1W MR באמצעות הרצף הבא ספין הד: הד הרכבת (ET) = 1, זמן החזרה (TR) = 650 אלפיות שנייה, זמן הד (TE) = 11 אלפיות שניות, גודל מטריקס = 320 x 256, שדה ראייה (FOV) = 10 x 10 סנטימטר 2.
    2. לרכוש תמונות T2W MR באמצעות רצף FRFSE הבא: ET = 28; TR = 3000 אלפיות שניים; TE = 101 אלפיות שני; מטריקס גודל = 384 x 288; FOV = 10 x 10 סנטימטר 2.
  3. עיבוד פוסט-רכישה
    1. לקריאה קלה יותר, להמיר תמונות הגוניות האפורות המקוריות לתמונת סולם צבעים באמצעות ImageJ: תמונה> סוג> 8-Bit בחר, כדי להמיר את התמונה לאפור בקנה מידה.
    2. לחשב את עוצמת המנורמלת עבור כל דגימה לאחר הפחתת תרומת האות מפתרון agarose.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שימוש בערכת הסינתזה בסיר אחד, חלקיקים של PB צירופים ו( ממוצעי ננומטר 78.8 קוטר, מדד polydispersity (PDI) = 0.230; מחושבים על ידי מכשיר פיזור אור דינאמי), GdPB (כלומר קוטר 164.2 nm, PDI = 0.102), או MnPB ( אומר קוטר 122.4 nm, PDI = 0.124), כי הם monodisperse (כפי שנמדד על ידי DLS) יכול להיות מסונתז באופן עקבי (איור 2 א). פוטנציאלי zeta נמדדים של חלקיקים מסונתזים הם פחות מ -30 mV (איור 2), שמעיד על יציבות מתונה של החלקיקים המבוססים על חיובי פני השטח שלהם. חלקיקים מסונתזים להפגין יציבות זמנית נאותה על פני תקופה של 5 ימים כפי שצוין על ידי הגדלים שלהם עולים בקנה אחד (בקטרים ​​הידרודינמית; איור 2 ג).

כאשר שיתוף הודגרו עם תאים, חלקיקים (PB צירופים ו, GdPB, וMnPB) תערוכת cytotoxicity זניחה לתאים מתחת ריכוזי סף מסוימים (איור 3). סטו Cytotoxicityמת מהצירופים וPB על תאי Neuro2a מצביע cytotoxicity זניחה כאשר משותף הודגרו עם Neuro2a בריכוזים נמוכים יותר מאשר 0.67 × 10 -6 mg / תא (איור 3 א). מחקרים שנערכו על ידי Cytotoxicity שיתוף דגירה של GdPB עם תאי EoL-1 וOE21 מצביעים cytotoxicity זניחה של GdPB משני סוגי התאים בריכוזים נמוכים יותר מאשר 0.25 × 10 -6 mg / תא (איור 3). דומה, מחקרים מצביעים על cytotoxicity cytotoxicity זניחה של MnPB כאשר שיתוף הודגרו עם D10 BSG בריכוזים נמוכים יותר מאשר 0.25 × 10 -6 mg / תא (איור 3 ג). Cytotoxicity נוספת של MnPB וGdPB ניתן לייחס לנוכחות של יונים נוספים (Mn 2 + לMnPB והקב"ה 3+ לGdPB) בתוך ליבת ננו-החלקיקים.

מחקרי relaxivity MRI נערכו באמצעות רוחות רפאים מורכבים מריכוזים שונים של PB צירופים ו, ​​GdPB, וMnPB. המחקרים מצביעים על התועלת של nanoparticles כסוכנים בניגוד MRI בשני רצפי T2W (איור 4) T1W ו. זה בא לידי הביטוי בhyperintensities המוגבר (בניגוד חיובי) בT 1 משוקלל רצפים וhypointensities מוגברים (לעומת שלילי) בT 2-משוקלל רצפים עם ריכוז גדל והולך של שני GdPB (איור 4 א) וMnPB (איור 4). בהתבסס על מדידות relaxivity, MnPB הוא סוכן T 1 מתון וT 2 סוכן חזק תוך GdPB הוא סוכן T 1 חזק וT 2 סוכן מתון (איור 4C). Relaxivities נמדד של GdPB וMnPB להשוות לטובה עם אלה של סוכנים אושרו קליני ניגוד 10, 11.

הצירופים וPB biofunctionalized יכולים לתייג fluorescently אוכלוסייה של תאים ממוקדים במבחנה (איור 5). כאשר biofunctionalized עם שתי avidin הניאון (A488) והדואר אנטי אנושי biotinylatedotaxin-3 נוגדן (Eot3), GdPB יכול fluorescently יעד אוכלוסייה של EoL-1 תאים (איור 5). חלקיקי הבקרה GdPB בלי תערוכת Eot3 (איור 5 א) מחייבים זניחים באופן דומה, כאשר GdPB הוא biofunctionalized עם שתי avidin הניאון (A488) וbiotinylated אנטי-עצבי גליה אנטיגן-2 (ANG2), חלקיקים יכולים fluorescently קהלי יעד של D10 BSG וneurospheres SUDIPG1 (5D דמויות וF), ואילו חלקיקי שליטה ללא נוגדני המיקוד אינם מסוגלים תווית fluorescently התאים (5C דמויות ו- E). לפיכך, מיקוד יעיל ותיוג ניאון דורשים הנוכחות של שתי avidin הניאון ויגנד מיקוד biotinylated.

היכולת של חלקיקי biofunctionalized לתייג fluorescently אוכלוסייה של תאים, כמו לכמת ידי זרימת cytometry, מאשר את הצורך בשני avidin וביוטין הניאוןylated מיקוד יגנד לתיוג אפקטיבי ניאון (איור 6). תאי D10 BSG פנו עם MnPB המכיל את שני A488 וANG2 (MnPB-A488-ANG2) הקרינה מוגברת תערוכה (איור 6 א) ואחוז תאי fluorescently שכותרתו (איור 6) בהשוואה לשליטה חלקיקי ניאון עם נוגדן שליטה (MnPB-A488 -AbC) וללא נוגדנים (MnPB-A488). חלקיקי biofunctionalized מסוגלים למקד fluorescently תת-אוכלוסיות ספציפיות של תאים בתוך תערובת תא (איור 6 ג). זו באה לידי הביטוי בסכומים קבועים של EoL-1-מיקוד, GdPB הניאון (GdPB-A488-Eot3) הם פנו עם תאים ממוקדים (EOL-1) ותאי ביקורת (OE21). עליות הקרינה כפרופורציות של EoL-1 גדלו (בעוצמה מוגברת Alexa פלואוריד 488 אות; איור 6 ג) בתוך התערובת. זה מצביע על הספציפיות של חלקיקים למשנה אוכלוסייה זו של תאים בתוך ceתערובת ll.

הצירופים וPB biofunctionalized להגביר את הניגודיות MRI באוכלוסייה של תאים ממוקדים (איור 7). כאשר תאי D10 BSG הם פנו עם ריכוזים מקבילים של ניסוי (MnPB-A488-ANG2) ובקרה (MnPB-A488-ABC וMnPB-A488) חלקיקים, רוחות רפאים תערוכה מוגברת היפראינטנסיות לתאים יצרו קשר עם MnPB-A488-ANG2 השוואה לקבוצת ביקורת ב רצפי T1W, וhypointensity המוגבר לתאים יצרו קשר עם MnPB-A488-ANG2 השוואה לקבוצת ביקורת ברצפי T2W (איור 7 א). ניתוח תמונה של ROIs בתוך הפנטום לאשר מגמה זו שבו תאים יצרו קשר עם חלקיקים ניסיוניים יפגינו גדלו באופן משמעותי בהשוואה לעוצמת בקרות ברצפי T1W וירדו באופן משמעותי ביחס לעוצמת בקרות ברצפי T2W (איור 7).

איור 1 איור 1: עיצוב ליבה-הקליפה של הצירופים וPB. הליבה מורכבת מסריג PB, שמורכב מligands ציאניד ליניארי בFe II - CN -. הצמדת Fe III קשרים אלה מאפשרים צירופים וPB לשלב קטיונים ברשת תלת-ממדית שלה כאמצעי לאיזון חיובים 5. יכולת זו מחייבת קטיון כחול פרוסים מנוצלת כדי לטעון גדוליניום ויונים מנגן בתוך הסריג, המספק ניגוד MRI. הליבה מצופה במעטפת biofunctional המורכבת מavidin ניאון כדי לאפשר הדמיה הקרינה וligands biotinylated כדי לאפשר מיקוד מולקולרי.

איור 2
איור 2:. גודל, אחראי, ויציבות של הצירופים וPB () הפצות גודל של PB (כחול), GdPB (אדום) וMnPB (שחור) חלקיקים שנמדדו על ידי DLS. (B ng>) פוטנציאלי Zeta של PB צירופים ו, ​​GdPB, וMnPB. (ג) יציבות זמנית של PB (כחול), GdPB (אדום) וMnPB (שחור) חלקיקים במים (מוצק) וDMEM (מקווקו) לחמישה ימים לאחר הסינתזה שלהם, שנמדד על ידי DLS.

איור 3
איור 3:. Cytotoxicity של הצירופים וPB מחקרי Cytotoxicity שימוש בריכוזים שונים של (A) PB צירופים והוסיפו למספר קבוע של תאי Neuro2a (B) GdPB הוסיף לסכום קבוע של EoL-1 וOE-21 תאים, בהתאמה ו( C) MnPB הוסיף למספר קבוע של תאי D10 BSG. שיעור הישרדות תא חושבו ב 24 ו- 48 שעות. לשכפל באישור מ -11 Ref, זכויות יוצרים 2,014 האגודה האמריקנית לכימיה; נ"צ 10 באישור דאב לחץ בע"מ; וRef 21 באישור האגודה המלכותית לכימיה.

בעמודים = "תמיד"> איור 4
איור 4: תמונות MR וrelaxivities של GdPB וMnPB ב -3 T. היפראינטנסיות בT 1 משוקלל רצפים וhypointensity בT 2-משוקלל רצפים של (A) GdPB ו( B) MnPB כפונקציה של ריכוז של חלקיקים. (C) לווח של relaxitivies של PB צירופים ו, GdPB, וMnPB נמדד ב 3 ט לשכפל באישור מ -11 Ref 2014 האגודה הכימית אמריקנית זכויות יוצרים.

איור 5
איור 5: תיוג פלורסנט של תאים ממוקדים באמצעות הצירופים וPB biofunctionalized, כפי שנמדד על ידי מיקרוסקופ confocal סריקת לייזר תמונות של EoL-1 תאים שטופלו עם שליטה (א) (GdPB-A488) ו- (B) ניסוי (GdPB-A488-Eot3. חלקיקים).תמונות של neurospheres BSG טופלה בשליטה (C) (MnPB-A488) ו- (ד) חלקיקים ניסיוניים (MnPB-A488-ANG2). תמונות של neurospheres SUDIPG1 טופלה בשליטה (E) (MnPB-A488) וחלקיקים (F) ניסוי (MnPB-A488-ANG2). לשכפל באישור מ -11 Ref, זכויות יוצרים 2,014 האגודה האמריקנית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: תיוג פלורסנט של תאים ממוקדים באמצעות הצירופים וPB biofunctionalized, כפי שנמדד על ידי cytometry זרימה (א) Cytometry זרימת היסטוגרמות של תאי D10 BSG טופלו ב( MnPB-A488-ABC הניסיוני (MnPB-A488-ANG2) ושליטה וMnPB. -A488) חלקיקים. (ב) Percentage של תאי D10 BSG מפנל () כי הם ניאון (% מAlexa-פלואוריד חיובי) על טיפול בניסוי (MnPB-A488-ANG2) ובקרה (MnPB-A488-ABC וMnPB-A488) חלקיקים, ** p <0.05. (C) Cytometry זרימת מגרשי פיזור של תערובת תא המכילה פרופורציות משתנות של EoL-1 (תאים ממוקדים) וOE21 (תאי שליטה) על כוונת של חלקיקים (GdPB-A488-Eot3). לשכפל באישור מ -11 Ref 2014 האגודה הכימית אמריקנית וזכויות יוצרים מRef 10 באישור דאב לחץ בע"מ אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7:. לעומת זאת MRI הגדלת בתאים ממוקדים באמצעות הצירופים וPB biofunctionalized () T 1-משוקלל וT <sub> 2-משוקלל שיפור לעומת ברוחות רפאים מורכבים ממספר קבוע של תאי D10 BSG טופלו בניסוי (MnPB-A488-ANG2) ובקרה (MnPB-A488-ABC וMnPB-A488) חלקיקים. עוצמת אות מנורמלת לתאי BSG D10 טופלו בניסוי (MnPB-A488-ANG2) ובקרה (MnPB-A488-ABC וMnPB-A488) חלקיקים (B), ** p <0.05. לשכפל מRef 10 באישור דאב לחץ בע"מ

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מאמר זה הציג שיטות לסינתזה של כיתת רומן של סוכני multimodal, מולקולריים הדמיה המבוססים על ננו-חלקיקים הכחולים הפרוסים biofunctionalized. שיטות ההדמיה מולקולריות שולבו בחלקיקי הקרינה הדמיה ו- MRI המולקולרי, בשל התכונות המשלימות שלהם. יש לי חלקיקים הכחולים הפרוסים biofunctionalized עיצוב ליבת פגז. השלבים העיקריים בסינתזה של ננו-חלקיקים אלו הם: 1) בסיר אחד סינתזה אשר מניבה ליבות שמורכבות מחלקיקים כחולים פרוסים (NPS PB), חלקיקים כחולים פרוסים המכיל גדוליניום (GdPB), או כחולה פרוסים המכיל מנגן חלקיקים (MnPB), 2) biofunctionalization של חלקיקים באמצעות avidin ניאון על ידי הרכבה העצמית של חשמל סטטי, ו- 3) התקשרות של ligands biotinylated (נוגדנים) לחלקיקים באמצעות אינטראקציות avidin ביוטין חזקות. שני avidin הניאון וligands biotinylated מהווים biofפגז unctional של חלקיקים.

הסינתזה בסיר אחד מניבה PB צירופים ו, GdPB, או MnPB המתפקדים גם כT 1 ו- T 2 סוכנים בניגוד לMRI. סכומי יוני פאראמגנטיים (גדוליניום או מנגן) נטענים לתוך ליבת ננו-החלקיקים ניתן לשנות (להגדיל או להקטין) על ידי שינוי הכמויות של מלחים המכיל יון פאראמגנטיים (גדוליניום (III) חנקת ומנגן (II) כלוריד) ב סינתזה בסיר אחד (שלב 1.2). כתוצאה מכך שינה (עלה או ירד) עוצמות אות MRI. עם זאת, שינויים אלה לתכנית הסינתזה עלולים לגרום לחלקיקים לא יציבים, מצטברים. כדי למתן את חששות הקשורים לצבירה, הסינתזה בסיר אחד יכולה להיות שונה כדי לשלב גודל שליטה מכסת סוכנים כגון ציטראט במהלך הסינתזה 20.

Biofunctionalization של ליבות ננו-החלקיקים מושגת על ידי הרכבה עצמית אלקטרוסטטית עם avidin הניאון, שenabהדמיה הקרינה les. הרכבה העצמית של חשמל סטטי דורשת חיובים מול על פני השטח של חלקיקים וציפוי הפולימרים (במאמר זה, avidin ניאון). כדי לשנות את הפונקציונליות של חלקיקי המשטח, avidin עשוי להיות מוחלף על ידי פולימרים טעונים חיובי (למשל polylysine או אמין-קבוצה המכילה פוליאתילן גליקול) בסינתזה. עם זאת הפרופורציות היחסית של חלקיקים ופולימר ציפוי תצטרך להיות מותאמות כדי לשמור על גודל ננו-חלקיקים ויציבות ולמניעת צבירה.

תוספת של נוגדני biotinylated על חלקיקי avidin המצופים מקנה יכולות מיקוד מולקולריות לחלקיקים מבוססי PB. צעד זה מבוסס על האינטראקציה החזקה בין avidin וביוטין (דיסוציאציה שיווי המשקל קבועה, K D ~ 10 -15). כמו בשלבים קודמים, את הפרופורציות היחסית של חלקיקים מצופים avidin וligands biotinylated צריכה להיות optimized כדי למנוע יגנד biotinylated מבו זמנית מחייב שני חלקיקי avidin מצופים וכתוצאה מצבירת ננו-חלקיקים. למיקוד מולקולרי, הנוגדנים עשויים להיות מוחלפים על ידי ligands האחר מיקוד כגון שברי נוגדנים (Fab), בר משתנה אחד-שרשרת (scFv), פפטידים, או aptamers.

היתרונות העיקריים של שיטה זו לסינתזת ננו-חלקיקי biofunctionalized כmultimodal, סוכני הדמיה מולקולריים הם: 1) סינתזה קלילה בסיר אחד (1-צעד) של ליבות ננו-החלקיקים, ו- 2) צעדי יצירת קשר עם רציפה (הרכבה עצמית אלקטרוסטטי וavidin- אינטראקציות ביוטין) לציפוי ננו-חלקיקי הליבה עם קליפת biofunctional. יתרונות אחרים של חלקיקים כוללים את העובדה כי כחול פרוסים (נמכר כRadiogardase) הוא שכבר אושר על-ידי ה- FDA לשימוש בבני אדם וכי חלקיקים הנובע מערכת הסינתזה בסיר אחד יכולים לשמש כחומר ניגוד MRI הן בT 1 ( חיובי) ו- T 2 </ Sub> רצפים (שליליים) משוקללים, שאינו בקלות להשיג באמצעות סוכנים בניגוד אחרים או פלטפורמות ננו-חלקיקים ללא תוכניות מסובכות סינתזה או כימיקלים מיוחדים עבור סינתזה של חומרי הניגוד. מגבלה של השיטה היא שהסינתזה יכולה להוביל לחלקיקי polydisperse עם אגרגטים אם הפרופורציות היחסית של המגיבים בצעדי שניהם סינתזת ליבת ננו-החלקיקים וציפוי פגז biofunctional אינן מותאמות בקפדנות למגיבים המשמשים בשלבים מסוימים אלה. לדוגמא, את הפרופורציות ביחס לציפוי ליבות חלקיקים עם avidin לא ניתן להרחיב לציפוי חלקיקים עם polylysine ללא מחקרי אופטימיזציה מוקדמים.

לאחר השליטה בטכניקה לסינתזת ננו-חלקיקים הכחולים הפרוסים biofunctionalized המתוארים כאן, עיצוב רב-תכליתי זה יכול להיות שונה עבור בדיקות הדמיה מולקולריות in vivo. זה ידרוש PEGylation של חלקיקים לimmun נמוךogenicity וזמני מחזור ארוכים יותר in vivo. בדומה לעיצוב שתואר כאן, הצירופים וPB ניתן biofunctionalized עם נוגדנים לפני in vivo ממשל. מחקרים אחרים כוללים שימוש בצירופים וPB biofunctionalized לtheranostic (טיפול בו זמנית + אבחון) יישומי in vivo. מחקרים חוקרים את השימוש של חלקיקים כחולים פרוסים לטיפול photothermal (המבוסס על מאפייני הספיגה שלהם באורכי גל אינפרא אדומים קרובים) כרגע בעיצומו 21.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Potassium hexacyanoferrate (II) trihydrate (K4Fe(CN)6·3H2O) Sigma-Aldrich P9387
Manganese (II) chloride tetrahydrate (MnCl2·4H2O) Sigma-Aldrich 221279
Gadolinium (III) nitrate hexahydrate (Gd(NO3)3·6H2O) Sigma-Aldrich 211591
Iron (III) chloride hexahydrate (FeCl3·6H2O) Sigma-Aldrich 236489
Sodium chloride (NaCl) Sigma-Aldrich S9888
Anti-NG2 Chondroitin Sulfate Proteoglycan, Biotin Conjugate Antibody Millipore AB5320
Biotinylated Anti-Human Eotaxin-3 Peprotech 500-P156GBT
Neuro-2a Cell Line ATCC CCL-131
BSG D10 Cell Line Lab stock ---
OE21 Cell Line Sigma-Aldrich 96062201
SUDIPG1 Neurospheres Lab stock ---
Eol-1 Cell Line Sigma-Aldrich 94042252
Poly(L-lysine) hydrobromide Sigma-Aldrich P1399
Formaldehyde Sigma-Aldrich F8775
Bovine serum albumin Sigma-Aldrich A2153
Aminoactinomycin D Sigma-Aldrich A9400
Triton X-100 Sigma-Aldrich X100
CellTrace Calcein Red-Orange, AM Life Technologies C34851
Avidin-Alexa Fluor 488 Life Technologies A21370
Centrifuge Eppendorf 5424
Peristaltic Pump Instech P270
Zetasizer Nano ZS Malvern ZEN3600
Sonicator QSonica Q125
Hot Plate/Magnetic Stirrer VWR 97042-642
Ultra Clean Aluminum Foil VWR 89107-732
Vortex Mixer VWR 58816-121
1.7 ml conical microcentrifuge tubes VWR 87003-295
15 ml conical centrifuge tubes VWR 21008-918
Tube holders VWR 82024-342
Disposable plastic cuvettes VWR 7000-590 (/586)
Zetasizer capillary cell VWR DTS1070
Centrifugal Filters, 0.2 micrometer spin column VWR 82031-356
96-well cell culture tray VWR 29442-056
Trypsin EDTA 0.25% solution 1x JR Scientific 82702
Cell Culture Grade PBS (1x) Life Technologies 10010023
XTT Cell Proliferation Assay Kit Trevigen 4891-025-K
T75 Flask 89092-700 VWR
Dulbecco's Modified Eagle's Medium Biowhitaker 12-604Q
Fetal Bovine Serum Life Technologies 10437-010
Pen-Strep 1x Life Technologies 15070063
Fluoview FV1200 Confocal Laser Scanning Microscope Olympus FV1200
Chambered Microscope Slides Thermo Scientific 154534
Micro Cover Glasses, Square, No. 1.5 VWR 48366-227
Microscope Slides VWR 16004-368
RPMI Sigma-Aldrich R8758 
Agarose Sigma-Aldrich A9539 
FACSCalibur Flow Cytometer BD Biosciences
3 T Clinical MRI Magnet GE Healthcare
100 ml round-bottom flask

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Massoud, T. F., Gambhir, S. S. Molecular imaging in living subjects: seeing fundamental biological processes in a new light. Genes Dev. 17, 545-580 (2003).
  2. Mankoff, D. A. A Definition of Molecular Imaging. J Nucl Med. 48 (6), 18N-21N (2007).
  3. James, M. L., Gambhir, S. S. A Molecular Imaging Primer: Modalities, Imaging Agents, and Applications. Phys Rev. 92, 897-965 (2012).
  4. Cao, W., Chen, X. Multimodality Molecular Imaging of Tumor Angiogenesis. J Nucl Med. 49 (2), 113S-129S (2008).
  5. Heinrich, J. L., Berseth, P. A., Long, J. R. Molecular Prussian Blue analogues: synthesis and structure of cubic Cr4Co4(CN)12 and Co8(CN)12 clusters. Chem Commun. 11, 1231-1232 (1998).
  6. Molecular Imaging and Contrast Agent Database (MICAD). , National Center for Biotechnology Information. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK5330 (2004).
  7. Zhu, D., Liu, F., Ma, L., Liu, D., Wang, Z. Nanoparticle-Based Systems for T1-Weighted Magnetic Resonance Imaging Contrast Agents. Int J Mol Sci. 14 (5), 10607-1010 (2013).
  8. Bartolini, M. E., et al. An investigation of the toxicity of gadolinium based MRI contrast agents using neutron activation analysis. Magn. Reson. Imaging. 21 (5), 541-544 (2003).
  9. Adel, B., et al. Histological validation of iron-oxide and gadolinium based MRI contrast agents in experimental atherosclerosis: The do's and don't's. Atherosclerosis. 225 (2), 274-280 (2012).
  10. Dumont, M. F., Yadavilli, S., Sze, R. W., Nazarian, J., Fernandes, R. Manganese-containing Prussian blue nanoparticles for imaging of pediatric brain tumors. Int J Nanomedicine. 9, 2581-2595 (2014).
  11. Dumont, M. F., et al. Biofunctionalized gadolinium-containing prussian blue nanoparticles as multimodal molecular imaging agents. Bioconjug Chem. 25 (1), 129-137 (2014).
  12. Yang, L., et al. Nephrogenic Systemic Fibrosis and Class Labeling of Gadolinium-based Contrast Agents by the Food and Drug Administration. Radiology. 265 (1), 248-253 (2012).
  13. Information on Gadolinium-Based Contrast Agents. , U.S. Food and Drug Administration. Available from: http://www.fda.gov/Drugs/DrugSafety/PostmarketDrugSafetyInformationforPatientsandProviders/ucm142882.htm (2013).
  14. Mendonca-Dias, M. H., Gaggelli, E., Lauterbur, P. C. Paramagnetic contrast agents in nuclear magnetic resonance medical imaging. Sem in Nuc Med. 13 (4), 364-376 (1983).
  15. Izrailev, S., Stepaniants, S., Balsera, M., Oono, Y., Schulten, K. Molecular Dynamics Study of Unbinding of the Avidin-Biotin Complex. Biophys. 72 (4), 1568-1581 (1997).
  16. Chen, Z. Y., et al. Advance of Molecular Imaging Technology and Targeted Imaging Agent in Imaging and Therapy. Biomed Res Int. 2014, 1-12 (2014).
  17. Weissleder, R., Pittet, M. J. Imaging in the era of molecular oncology. Nature. 452 (7187), 580-589 (2008).
  18. Jaiswal, J. K., Mattoussi, H., Mauro, J. M., Simon, S. M. Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates. Nature Biotech. 21 (1), 47-51 (2002).
  19. Mangrum, W., Christianson, K., Duncan, S., Hoang, P., Song, A., Merkle, E. Duke Review of MRI Principles. 304, Mosby. Philadelphia, PA. 304 (2012).
  20. Shokouhimehr, M., Soehnlen, E. S., Hao, J., Griswold, M., Flask, C., Fan, X., Basilion, J. P., Basu, S., Huang, S. D. Dual purpose prussian blue nanoparticles for cellular imaging and drug delivery: a new generation of T1-weighted MRI contrast and small molecule delivery agents. J. Mater. Chem. 20, 5251-5259 (2010).
  21. Hoffman, H. A., Chakrabarti, L., Dumont, M. F., Sandler, A. D., Fernandes, R. Prussian blue nanoparticles for laser-induced photothermal therapy of tumors. RSC Adv. 4 (56), 29729-29734 (2014).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 98 כחול פרוסים חלקיקים ההדמיה multimodal הדמיה מולקולרית הקרינה תהודה מגנטית גדוליניום מנגן
Biofunctionalized הכחול פרוסים חלקיקים ליישומי הדמיה מולקולריים Multimodal
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vojtech, J. M., Cano-Mejia, J.,… More

Vojtech, J. M., Cano-Mejia, J., Dumont, M. F., Sze, R. W., Fernandes, R. Biofunctionalized Prussian Blue Nanoparticles for Multimodal Molecular Imaging Applications. J. Vis. Exp. (98), e52621, doi:10.3791/52621 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter