Registrierte Bioimaging von Nanomaterialien für Diagnostische und Therapeutische Überwachung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Verteilung und therapeutische Wirksamkeit magnetisch markierter oder arzneimittelhaltiger Nanopartikel abzubilden und zu bewerten. Dies wird erreicht, indem zunächst die Partikel hergestellt und deren biologische Eigenschaften hinsichtlich der Zellaufnahme in Labormodellsystemen getestet werden. Anschließend werden die mit Zellen beladenen Formulierungen injiziert und ihre Gewebeverteilung mittels Bioimaging untersucht. Die betroffenen Hirnregionen wurden vor und nach der Injektion von virusinfizierten, monocytenabgeleiteten Makrophagen visualisiert.

Der zweite Schritt des Verfahrens besteht darin, Hirnsubregionen abzubilden, die Zellen mit magnetisch markierten oder therapeutischen Nanopartikeln enthalten. Dies erfolgt zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Injektion von Zellen, die magnetisch markierte Nanopartikel oder nanoformulierte Arzneimittel enthalten. Der dritte Schritt des Verfahrens ist die histologische Endpunktanalyse von Nanopartikeln, Biodistribution und zellulären Veränderungen.

Die Ko-Registrierung der bildgebenden Ergebnisse erfolgt mit der Histologie. Der letzte Schritt des Verfahrens besteht darin, die Bioverteilung der Nanopartikel zu quantifizieren und darzustellen, spektroskopische Auffälligkeiten zu bestimmen und Diffusions-Tensor-Auffälligkeiten als Funktion der Zeit nach der Zellinjektion zu bewerten. Letztendlich können Ergebnisse erzielt werden, die die Biodistribution sowie die Auswirkungen auf die Gehirnchemie und die Zellmorphologie zeigen, die als Folge einer therapeutischen und diagnostischen Behandlung mit Nanomaterialien mittels kernspintomographischer Bildgebung und Spektroskopie auftreten, die mit histologischen Analysen ko-registriert sind.

Hallo, ich bin Dr. Michael Bosca, Leiter des Bioimaging-Programms am University of Nebraska Medical Center. Diese Arbeit ist Teil einer laufenden Zusammenarbeit zwischen meinem Labor und dem Labor von Dr. Howard Gendelman. Der Hauptvorteil der nicht-invasiven Bildgebung gegenüber gängigen Methoden wie der konfokalen Mikroskopie oder fluoreszierenden Nanopartikeln besteht darin, dass das gesamte Gehirn in einer einzigen Untersuchung erfasst werden kann und Längsschnittstudien am selben Tier möglich sind.

Dies verringert die biologische Variabilität, erfordert weniger Versuchstiere und kann in vielen Fällen auf die Anwendung am Menschen übertragen werden. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen bezüglich neu entwickelter Nanopartikel zu beantworten, einschließlich ihrer Biodistributions- und pharmakokinetischen Profile sowie ihrer therapeutischen Wirksamkeit. Die Kombination robuster Bildgebungsverfahren mit histologischer Ko-Registrierung ist einzigartig und notwendig, um zeitlich aufgelöste Studien zur Bioverteilung und Arzneimittelwirksamkeit in komplexen tierischen Krankheitsmodellen durchzuführen. Die Demonstration dieser Verfahren erfolgt durch die Technikerinnen in meinem Labor, Lindsey und Melissa, sowie durch die Postdoktorandin Dr. P. Sie ist verantwortlich für die Gewinnung von Bildgebungsdaten aus den Versuchstieren im Labor.

Aaron und Mariano sind für die Bildverarbeitung verantwortlich, einschließlich der Diffusions-Tensor-Bildgebung und der histologischen Ko-Registrierung. Hallo, mein Name ist Dr. Howard Delman und ich bin Leiter des Carol-Schwartz-Forschungslabors für neurowissenschaftliche Erkrankungen am University of Nebraska Medical Center. Diese interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Dr. Basca und seinem Labor hat weitreichende Auswirkungen für die Therapie und Diagnose einer Reihe neurodegenerativer Erkrankungen.

Mittels magnetresonanzspektroskopischer und diffusions-tensorbildgebender Abnormalitäten wird die Überwachung von neuronalen und neuroprozessualen Schäden während einer Erkrankung durchgeführt. Für das vorliegende Projekt liefern die Methoden Einblicke in die Biodistributionswirksamkeit von Nanomedikamenten, wie beispielsweise die Verteilung von Wirkstoffen im gesamten Körper und die therapeutische Wirksamkeit für das Nervensystem. Es werden verschiedene Partikelherstellungsverfahren entwickelt, die die Detektion der Zellverteilung während einer Erkrankung verbessern könnten und Modifikationen der Partikelgröße, Beschichtung und Ladung umfassen.

Dies alles wird weiterhin aktive Forschungsbereiche in unseren Laboren darstellen. Zunächst sollten Nanomaterialien für die Arzneimittelfreisetzung und Biodistribution hergestellt werden, was Gegenstand einer parallelen Veröffentlichung in dieser Ausgabe ist. Ersetzen Sie zunächst den Wirkstoffkern oder Tropfen in vielversprechenden Nanoformulierungen durch ein partikelförmiges oder gemahlenes Stück von superparamagnetischem Eisenoxid gleicher Größe, bevor Sie diese mit dem geeigneten Tensid beschichten.

Danach Größe, Ladung, Form und Zytotoxizität messen, um festzustellen, ob das SPIO-Modellsystem die gleichen Eigenschaften wie der kandidatenmäßige nanoformulierte Wirkstoff aufweist. Abschließend Zellbeladungsassays durch Inkubation mit der kandidatenmäßigen SPIO-Modell-Nanoformulierung durchführen, um die Aktivität innerhalb der Zellen zu bestimmen; dazu sollten Phantome aus markierten Zellen, die in Agar-Gel-Phantomen suspendiert sind, in einer Reihe von Konzentrationen im Dreifachansatz hergestellt werden, um die durch die SPIO-Aufnahme in Zellen verursachte Aktivität zu quantifizieren. Dies liefert einen Empfindlichkeitsindex und zeigt, ob die Nanoformulierungen den Oxidationszustand und damit die Sichtbarkeit der SPIO in Magnetresonanztomographie-Scans beeinflussen können.

Bevor Sie scannen, legen Sie das Tier in eine Anästhesiekammer, die vorab mit dem Anästhetikum-Gas gefüllt wurde. Dies beschleunigt das Einsetzen der Anästhesie und minimiert die Zeit, die erforderlich ist, um sicherzustellen, dass das Tier nach der Entnahme aus der Kammer nicht aufwacht. Sobald das Tier vollständig anästhesiert ist, nehmen Sie es aus der Kammer und platzieren es in der stereotaktischen Halterung, die zur Überwachung von Atemfrequenz und Temperatur ausgestattet ist.

Bringen Sie den Kopf des Tieres in der Kopfhalterung unter, sichern Sie die Ohrstifte und verbinden Sie den Körper mit Mullbinde. Die Tierhalterung sollte mit einem verstellbaren Zahnhalter ausgestattet sein, der eine vertikale und horizontale Ausrichtung des Kopfes ermöglicht. Stellen Sie sicher, dass der Kopf korrekt in kaudaler kranialer Richtung positioniert ist und dass der Kopf nicht verdreht ist. Überprüfen Sie, ob die Oberflächenspule korrekt auf dem Kopf platziert ist, wobei eine Drehung der Tierhalterung möglich sein muss.

Wenn sich im Magnetfeld befindlich, bietet dies Ausgleich für geringfügige Drehungen, die von Tier zu Tier auftreten können. Sobald das Tier sicher im Halter befestigt ist, platzieren Sie den Halter in den MRT-Scanner. Bewegen Sie nun den Halter mit der Oberflächenspule in die Mitte des Scanners.

Ein aktiv entkoppelter 72-Millimeter-Resonator wird verwendet, um HF-Energie zu übertragen und so das Signal zu erzeugen, während die Kopfspule zur Signalerfassung dient. Bestimmen Sie nun die Anfangsposition mithilfe einer Echtzeit-Eindimensional-Auslese in kordal-rostraler Richtung. Die Verwendung der Oberflächenspule zur Signalerfassung beschränkt das Signal auf den Bereich um die Oberflächenspule, wodurch die Notwendigkeit zur Interpretation der beobachteten Wellenformen verringert wird.

Danach wird ein dreidimensionaler Lokalizer erfasst, um die genaue Position des Tieres im Scanner zu bestimmen. Anschließend ist eine Abstimmung oder Justierung der Homogenität des Magnetfelds erforderlich. Dazu verwenden wir eine Multi-Gradientenecho-Sequenz und eine Abbildungssoftware, die von Dr. Hobie Heatherington entwickelt wurde und Bereiche der Homogenität dem durch jedes einzelne Bildgebungsverfahren untersuchten Bereich zuordnet.

Nach Abschluss des Shimmings können die gewünschten Aufnahmen durchgeführt werden. Die Verteilung von SPIO-haltigen Nanopartikeln im Körper kann als Bereiche mit Signalverlust in hochauflösenden, dreidimensionalen, T2*-gewichteten MRT-Aufnahmen detektiert werden. Zunächst, vor der Injektion des Tieres, anhand der LOCALIZER-Aufnahmen den zu untersuchenden Bereich des Gehirns bestimmen. Anschließend eine hochauflösende 3D-Gradienten-Echo-Sequenz mit einer isotropen Auflösung von 150 Mikrometer vorschreiben.

Erfassen Sie eine Basisaufnahme, injizieren Sie dann das Tier und führen Sie die gleiche Sequenz erneut durch. Parallele Studien zur Bestimmung der therapeutischen Wirksamkeit von Nano-Medikamenten können mithilfe der Diffusions-Tensor-Bildgebung und der Wasserstoff-Magnetresonanzspektroskopie durchgeführt werden. Erstellen Sie zunächst S-Scout-Bilder und shimmen Sie den zu untersuchenden Bereich.

Danach DTI mittels einer atemgesteuerten Spin-Echo-Diffusionssequenz mit gewichteter Echo-Planar-Bildgebung in unseren Scans erfassen. Als Diffusionskodierung kam ein ausgewogenes, rotationsinvariantes und polaritätsalternierendes ISO-Kathedral-Schema mit 12 Richtungen zum Einsatz, das so konzipiert war, dass Hintergrundkopplungen der Diffusionsgradienten verringert werden. Die gesamte Aufnahmezeit betrug je nach Atemfrequenz 20 bis 40 Minuten.

Als Nächstes erwerben Sie Mr.Spectroscopy. Lokalisieren Sie den interessierenden Bereich auf zuvor gewonnenen Bildern, führen Sie das Shimming im ausgewählten Bereich durch und optimieren Sie anschließend die Leistung der Wasserunterdrückungspulse. Messen Sie die Wasserfrequenz, um ein resonantes Wassersignal sicherzustellen, und nehmen Sie ein kurzes Testspektrum auf, um eine Qualitätskontrolle durchzuführen, falls die Spektren von unzureichender Qualität sind.

Überprüfen Sie die Systemeinstellungen, einschließlich Hochfrequenz, Leistung und Shimeinstellungen. Erwerben Sie abschließend die Spektren in kurzen Blöcken mit Neuausrichtung der Systemfrequenz zwischen den Einzelaufnahmen, um Effekte durch magnetische Felddrift auszuschließen. Am Ende der Aufnahme.

Verwenden Sie ein einzelnes Puls-Wasserspektrum als vordefinierten Vorverstärkergewinn als quantitative Referenz für die Signalamplitude. Nach dem letzten MRT-Scan der Serie perfundieren Sie die Maus, entnehmen das Gehirn und betten es in einen Block aus OCT-Verbindung ein, der mit einem Tropfen Tusche dunkel gefärbt wurde. Anschließend bringen Sie diesen Block zur Schnittführung und histologischen Analyse in einen Kryostaten.

Blockflächenbilder mit einer digitalen Kamera, die an der Vorderseite des Kryostaten montiert ist, aufnehmen. Die Bilder sollten im Abstand von jeweils 50 Mikrometern über das gesamte Gehirnvolumen hinweg aufgenommen werden, um die Schnitte innerhalb des Volumens registrieren zu können. Nach der histologischen Aufarbeitung und Färbung einzelne Blockflächenschnitte ausrichten, um das 3D-Volumen zu rekonstruieren.

Unter Verwendung der Blockumrisse, um Jitter in der Position des Kryostat-Kopfes auszugleichen, dann automatisch das Gehirnvolumen mit einem auf Samen basierenden Region-Growing-Algorithmus im Analyse-Softwarepaket segmentieren. Superparamagnetisches Eisenoxid verursacht Signalverlust in T2*-gewichteter MRT, weshalb das MRT-Signalvolumen ein empfindlicher, aber nicht spezifischer Marker für dessen Vorhandensein ist. Um sowohl Empfindlichkeit als auch Spezifität für das Vorhandensein von SPIO im Gehirn zu gewährleisten.

Subtraktionsbilder sollten für unsere Studie aus den 3D-MRT-Aufnahmen vor und nach der Injektion erstellt werden. Die Aufnahmen wurden mittels einer in unserem Labor entwickelten beschränkten Level-Set-Methode subimaged. Anschließend wurden die subimagierten Hirnvolumina ko-registriert, die Signalintensität normalisiert und die Volumina subtrahiert, um Regionen im Gehirn mit Signalverlust zu detektieren, wobei Bereiche entlang der Kanten ausgeschlossen wurden, um falsch positive Signale aufgrund von Subpixel-Registrierungsfehlern auszuschließen.

Anschließend wird die Ko-Registrierung zwischen Histologie und MRT unter Verwendung des Blockflächenbildes als gemeinsame Referenz durchgeführt. Eine genaue räumliche Übereinstimmung dieser beiden Signale liefert ein Maß für die Genauigkeit der Ko-Registrierung und der Verzerrungskorrektur der Histologie zurück zu den ursprünglichen Formen der Schnitte. DTI-Aufnahmen können analysiert werden, indem zunächst ein anatomischer Bereich von Interesse ausgewählt wird, um die durchschnittlichen Diffusionseigenschaften des Gewebes in einer bestimmten anatomischen Unterstruktur zu bestimmen.

In unseren Studien werden anschließend Analysen der diffusionsgewichteten Daten mithilfe benutzerdefinierter Programme durchgeführt, die in der interaktiven Daten-Sprache von Dr. Cada Hassan bereitgestellt wurden. Diese Analysen erzeugen Karten der Tensor-Diffusivität, der mittleren Diffusivität und der fraktionalen Anisotropie. Transversale und longitudinale Komponenten des Diffusionstensors können ebenfalls ermittelt werden, sobald die Karten erstellt sind.

Zeichnen Sie interessierende Bereiche auf die T2-gewichtete MRT, überlagert mit farbkodierten Richtungskarten. Beispiele der in unseren Experimenten für die Analyse im HIV-Mausmodell ausgewählten Bereiche werden hier dargestellt. Die Daten aus jedem interessierenden Bereich werden als Textdatei heruntergeladen, um später in eine Datenbank eingegeben zu werden.

Ein Beispiel für eine MRS-Kurvenanpassung aus einem einzelnen Spektrum wird hier in unserem Labor gezeigt. Wir verwenden eine Zeitbereichsanpassungsmethode namens Quest im J-M-R-U-I-Signalverarbeitungspaket.

Quest passt Spektren mithilfe einer linearen Kombination einzelner Metabolitspektren an, um eine Kleinste-Quadrate-Minimierung zwischen dem simulierten und dem tatsächlichen Spektrum durchzuführen. Wir verwenden einen Basissatz aus 22 einzelnen Metaboliten als mögliche Beitragsfaktoren. Die Basisspektren werden anhand der Spektren von Lösungen einzelner Metaboliten simuliert und validiert.

Beispiele für die Biodistribution von mit SPIO markierten Makrophagen unter Verwendung dieser Methoden sind hier dargestellt, wobei die Lokalisation der markierten Zellen, detektiert mittels MRT, in Rot, die Lokalisation der markierten Zellen mittels coregistrierter Histologie in Blau und die Überlappung in Gelb dargestellt ist. Der Maus wurden markierte, monozytenstammende Makrophagen in die Schwanzvene injiziert. Fünf Tage später wurde ein T2*-gewichtetes MRT aufgenommen und wie beschrieben verarbeitet.

Die Maus wurde durch Injektion von mit HIV infizierten humanen Makrophagen in das Gehirn präpariert, was als Linie detektierter, von Maus-Monocyten stammender Makrophagen sichtbar ist. Weitere Beispiele sowohl für die Detektion markierter Zellen als auch für die Koregistrierung mit der Histologie finden sich in unseren früheren Veröffentlichungen. Der Hersteller der Partikel sowie die Prüfung ihrer biologischen Eigenschaften hinsichtlich der Zellaufnahme in Labormodellsystemen sind erforderlich und müssen unter sterilen Bedingungen für die Anwendung in diesen tierexperimentellen Untersuchungen durchgeführt werden.

Die Injektionen der zellbeladenen Formulierungen müssen durchgeführt werden, ohne den Zugang zur Vene zu beeinträchtigen, da dies die Visualisierung der Integration der zellulären Biologie mit bioanalytischen Bildgebungsverfahren im Gehirn und anderen Geweberegionen beeinflussen würde; zudem erwies sich die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit als entscheidend für den Erfolg des Gesamtprojekts. Sobald die Methoden beherrscht sind, können die Verfahren innerhalb von zwei Stunden abgeschlossen werden, vorausgesetzt, geschultes Personal steht zur Verfügung, um die Positionierung vorzunehmen und die Systeme während der Durchführung zu kalibrieren. Es ist wichtig, die Sterilität aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass die empfindlichen immungeschwächten Mäuse über den Zeitraum der seriellen Studien, von denen einige mehrere Monate andauern können, lebensfähig bleiben.

Diese Methoden haben die Grundlage dafür geschaffen, wie Forscher die Beziehung zwischen zellulären Veränderungen, die mithilfe der Histologie sichtbar gemacht werden, und den erfassten morphologischen, physiologischen und biochemischen Auffälligkeiten untersuchen können. Die Verwendung von Neurobildgebungsverfahren zur Ko-Registrierung von Histologie im Gehirn ist herausfordernd und wurde bisher nur von wenigen Arbeitsgruppen erfolgreich durchgeführt. Nachdem Sie dieses Video angesehen haben.

Sie sollten verstehen, wie Gehirnbildgebungsexperimente an einem Nagetiermodell einer Krankheit durchgeführt und mit der Histologie coregistriert werden. Dies kann zur Messung der Biodistribution von superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln verwendet werden. Alternativ können MRT und lokalisierte MRSpektroskopie eingesetzt werden, um die während des Krankheitsverlaufs auftretende Neurodegeneration zu verfolgen.

Die therapeutischen Wirkungen zur Verbesserung von Hirnschäden können anschließend seriell bewertet werden. Die Bildgebung kann zusammen mit der Histologie verwendet werden, um experimentelle Befunde zu validieren. Insgesamt werden diese Methoden ein dynamisches und präzises Maß zur Beurteilung von Nanopartikeln, deren Biodistribution und therapeutischer Wirksamkeit bereitstellen.