Die Entwicklung von Nanopartikeln, die in der Lage sind, Krebszellen zu erkennen, gezielt zu zielen und zu zerstören, ist sowohl für Physiker als auch für biomedizinische Forscher von großem Interesse. Die Entstehung der Nanomedizin führte zur Entwicklung mehrerer Nanopartikel, z. B. solcher, die mit Zielliganden und/oder Chemotherapeutika1,2,3konjugiert wurden. Die zusätzlichen Eigenschaften von Nanopartikeln ermöglichen ihre Interaktion mit dem biologischen System, die Erfassung und Überwachung biologischer Ereignisse mit hoher Effizienz und Genauigkeit zusammen mit therapeutischen Anwendungen. Gold- und Eisenoxid-Nanopartikel werden hauptsächlich in DerComputertomographie bzw. Magnetresonanztomographie eingesetzt. Während die enzymatischen Aktivitäten von Gold- und Eisenoxid-Nanopartikeln den Nachweis von Krebszellen durch farbmetrische Assays ermöglichen, eignen sich fluoreszierende Nanopartikel gut für in vivo-Bildgebungsanwendungen4. Unter ihnen sind ultrahelle fluoreszierende Nanopartikel besonders vorteilhaft, da sie Krebs früh mit weniger Partikeln und reduzierter Toxizität erkennen können5.
Trotz dieser Vorteile müssen Nanopartikel mit in vivo Tiermodellen zur Auswahl geeigneter Nanomaterialien und zur Optimierung des Syntheseprozesses experimentiert werden. Darüber hinaus verlassen sich Nanopartikel, genau wie Medikamente, auf Tiermodelle für präklinische Tests, um ihre Wirksamkeit und Toxizität zu bestimmen. Das am weitesten verbreitete präklinische Modell ist die Maus, ein Säugetier, dessen Unterhalt relativ teuer ist. Für Krebsstudien werden in der Regel gentechnisch veränderte Mäuse oder xenografierte Mäuse in der Regel6,7verwendet. Die Dauer dieser Experimente erstreckt sich oft von Wochen bis Monaten. Insbesondere für Krebsmetastasenstudien werden Krebszellen direkt in das Kreislaufsystem der Mäuse an Orten wie Schwanzvenen und Milz8,,9,10injiziert. Diese Modelle stellen nur die Endstadien der Metastasierung dar, wenn Tumorzellen entfernte Organe extravasieren und besiedeln. Darüber hinaus ist es aufgrund von Sichtbarkeitsproblemen besonders schwierig, die Tumorzellmigration und das Nanopartikel-Targeting von Tumorzellen bei Mäusen zu überwachen.
Der Zebrafisch (Danio rerio) hat sich zu einem leistungsfähigen Wirbeltiersystem für die Krebsforschung aufgrund seiner hohen Fruchtbarkeit, niedrigen Kosten, schnelle Entwicklung, optische Transparenz und genetische Konservierung11,12. Ein weiterer Vorteil des Zebrafisches gegenüber dem Mausmodell ist die Befruchtung der Fischeier ex utero, wodurch die Embryonen während ihrer entwicklung überwacht werden können. Die embryonale Entwicklung ist bei Zebrafischen schnell, und innerhalb von 24 Stunden nach der Befruchtung (hpf) hat sich die Wirbeltierkörperebene bereits13gebildet. Bei 72 hpf werden die Eier aus dem Chorgezelt geschlüpft und gehen vom embryonalen zum Bratenstadium über. Die Transparenz des Zebrafisches, insbesondere des Casper-Stamms 14, bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Migration von Krebszellen und deren Erkennung und Ausrichtung durch Nanopartikel bei einem lebenden Tier zu visualisieren. Schließlich entwickeln Zebrafische ihr angeborenes Immunsystem um 48 hpf, wobei das adaptive Immunsystem hinterherhinkt und erst nach 28 Tagen nach der Befruchtung15funktionsfähig wird. Diese Zeitlücke ist ideal für die Transplantation verschiedener Arten menschlicher Krebszellen in Zebrafischembryonen ohne Immunabstoßung.
Hier wird eine Methode beschrieben, die die Transparenz und schnelle Entwicklung von Zebrafischen nutzt, um die Erkennung und Ausrichtung menschlicher Krebszellen durch fluoreszierende Nanopartikel in vivo zu demonstrieren. In diesem Test wurden menschliche Gebärmutterhalskrebszellen (HeLa-Zellen), die gentechnisch verändert wurden, um ein rotes fluoreszierendes Protein auszudrücken, in den vaskularisierten Bereich in der Perivitellinehöhle von 48-hpf-Embryonen injiziert. Nach 20-24 h hatten sich die HeLa-Zellen bereits über das Fischkreislaufsystem in den Embryonen ausgebreitet. Embryonen mit scheinbarer Metastasierung wurden mit 0,5 nL einer Nanopartikellösung direkt hinter dem Auge mikroinjiziert, wo sich das reichhaltige Kapillarbett befindet. Mit dieser Technik können die ultrahellen fluoreszierenden Kieselsäure-Nanopartikel bis nach der Injektion von 20-30 min auf HeLa-Zellen abzielen. Aufgrund seiner Einfachheit und Wirksamkeit stellt der Zebrafisch ein robustes In-vivo-Modell dar, um eine Vielzahl von Nanopartikeln auf ihre Fähigkeit zu testen, bestimmte Krebszellen anzusprechen.