Name: Bioimagen registradas de Nanomateriales para el Monitoreo de Diagnóstico y Terapéutica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-12-09T17:00:00.000+00:00
Duration: 17 min 16 s
Description: Aprende métodos de bioimagen para evaluar la biodistribución de nanopartículas en modelos de roedores. Esta técnica permite monitorear la eficacia terapéutica y diagnosticar enfermedades neurodegenerativas de forma no invasiva.

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El trabajo fue apoyado por becas 1K25MH089851, 1P01DA028555-01A1, 2R01 NS034239, 2R37 NS36126, P01 NS31492, P20RR 15635, P01MH64570 y P01 NS43985 de los Institutos Nacionales de Salud. Los autores agradecen a la Sra. Robin Taylor para la lectura crítica del manuscrito y el excelente gráfica y literaria. Los autores también desean agradecer a Erin McIntyre, Melissa Mellon, y el arroz Lindsay por su apoyo técnico.

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<li>Suzuki, Y., Cunningham, C. H., Noguchi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+serial+evaluation+of+superparamagnetic+iron-oxide+labeled+stem+cells+by+off-resonance+positive+contrast%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">In vivo serial evaluation of superparamagnetic iron-oxide labeled stem cells by off-resonance positive contrast.</a> Magn Reson Med. 60, 1269-1275 (2008).</li>
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<li>Zhou, R., Idiyatullin, D., Moeller, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SWIFT+detection+of+SPIO-labeled+stem+cells+grafted+in+the+myocardium%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">SWIFT detection of SPIO-labeled stem cells grafted in the myocardium.</a> Magn Reson Med. 63, 1154-1161 Forthcoming.</li>
</ol>

El registro exacto de la histología con resultados de las imágenes en vivo es un paso crítico en el desarrollo de biomarcadores de imagen para la detección y estadificación de la enfermedad neuronal. Algunos parámetros de imagen es probable que se correlaciona con graves cambios morfológicos que incluyen cambios en las propiedades de relajación magnética de los tejidos utilizados para detectar la presencia de la enfermedad de la materia blanca y el cáncer. Otros métodos más sutiles, como la DTI, son propensos a detectar cambios celulares tempranos que pueden no ser detectables, como los cambios histológicos causados ​​por la enfermedad no aparecen hasta después de las etapas de la enfermedad. Sin embargo, otros marcadores, como los marcadores de espectroscopia, pueden ser indicadores de los cambios precoces y reversibles, que precede incluso la más sutil de las alteraciones celulares. Biodistribución se puede determinar de forma no invasiva utilizando una variedad de métodos. Los principales métodos no invasivos son la tomografía por emisión de positrones (PET), emisión de fotón único (SPECT), formación de imágenes ópticas y de resonancia magnética. Medicina nuclear basado en imagen (PET y SPECT) han sido utilizados durante los años de biodistribución muchos, pero estos métodos están limitados por la vida de la mitad de los radiotrazadores utilizados para el etiquetado de los compuestos o los nanomateriales, especialmente para los trazadores de PET. Imágenes ópticas se pueden utilizar para pequeños roedores, pero no puede ser traducido para el uso humano, excepto para las regiones de fácil acceso, como los tumores de la superficie debido a la absorción de la luz y la dispersión de la luz. Además, es difícil cuantificar las señales ópticas por las mismas razones. MRI utiliza etiquetas persistentes, tales como SPIO que pueden ser rastreados en el cuerpo durante un período de semanas. Esto, también, se debe utilizar con precaución, ya que la etiqueta se pueden transferir a las diferentes células o ser reabsorbido por el cuerpo. Especificidad de la detección de SPIO en la RM pueden ser proporcionados por una variedad de métodos. Los métodos de detección, que proporcionan señales positivas como negativas, se utilizan para mejorar la especificidad de la RM para detectar la presencia de SPIO en el tejido. El método de sustracción utilizado en este trabajo ha sido utilizado por otros, así 28. Otros enfoques incluyen la detección de la resonancia 29-31, la fase de imágenes sensibles que produce un patrón en particular cerca de los huecos SPIO 32, y cero en tiempo de eco de imagen que utiliza ponderación T1 para producir una intensidad de señal positiva en la región de SPIO 33. El avance de estos métodos para mejorar la cuantificación de la etiqueta, la sensibilidad y la especificidad es un área de investigación activa en la actualidad.

<table><tbody><tr><td>Isóflurano</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oxígeno médico</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vaporizador de isóflurano</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Máscara de anestesia gaseosa para roedores</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sujeción estereotáxica para cabeza compatible con MRI</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Jeringa</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tubo catéter de polietileno</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aguja no magnética</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lubricante ocular</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gasa</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cinta adhesiva</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Medio de perfusión</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Compuesto OCT para inclusión de tejidos</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sistema de MRI</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cámara digital</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Criostato para seccionado de tejidos</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

bioimagen registradas de nanomateriales para el monitoreo de diagnóstico y terapéutica

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring 

Nanomedications puede ser transportado por la sangre a cargo de monocitos-macrófagos en el sistema retículo endotelial (RES, el bazo, el hígado, los ganglios linfáticos) y poner fin a los órganos. Estos últimos incluyen el pulmón, RES, y en el cerebro y funcionan durante el virus de inmunodeficiencia humana uno (VIH-1) la infección. Entrada de macrófagos en los tejidos es notable en las áreas de la replicación del VIH-1 de replicación y los sitios de inflamación. Con el fin de evaluar el potencial de los macrófagos como nanotransportadores, superparamagnéticas de óxido de hierro y / o drogas partículas cargadas recubiertos con tensoactivos fueron inyectados por vía parenteral en el VIH-1 ratones encefalitis. Esto se hizo para evaluar cuantitativamente las partículas y biodistribución de drogas. La resonancia magnética (MRI) los resultados de la prueba fueron validados por corregistro histológico y procesamiento de imagen mejorado. Final de la enfermedad de órganos como lo ejemplifica la histología cerebral alterada fueron evaluados por resonancia magnética. La demostración de la migración robusta de nanoformulations en las áreas de la encefalitis focal proporciona &quot;prueba de concepto&quot; para el uso de técnicas avanzadas de bioimagen para controlar la migración de macrófagos. Es importante destacar que las aberraciones histopatológicos en el cerebro se correlaciona con los parámetros de la toma bioimagen la utilidad general de la RM en el estudio de la distribución de células viables en la enfermedad. Postulamos que el uso de estos métodos puede proporcionar un índice de tiempo real de carga de la enfermedad y la eficacia terapéutica con el potencial traslación a los seres humanos.

Los métodos utilizados para evaluar Bioimagen biodistribución de células de las nanopartículas son aplicables para el seguimiento terapéutico y de diagnóstico de los compuestos nanoformulated. Los métodos descritos en este documento son sensibles y específicos cuando se evaluó por corregistro histológico. Las metodologías de proporcionar una vía de traslación de los roedores a aplicaciones humanas.

Bioimagen registradas de Nanomateriales para el Monitoreo de Diagnóstico y Terapéutica

Los nanomedicamentos pueden ser transportados por monocitos-macrófagos transportados por la sangre hacia el sistema reticuloendotelial (SRE; bazo, hígado, ganglios linfáticos) y hacia los extremos...

El objetivo general de este procedimiento es obtener imágenes de la distribución y evaluar la eficacia terapéutica de nanopartículas marcadas magnéticamente o formuladas con fármacos. Esto se logra primero fabricando las partículas, probando sus propiedades biológicas para la absorción celular en sistemas modelo de laboratorio, luego inyectando las formulaciones cargadas con células y evaluando su distribución tisular mediante bioimagen. Las regiones cerebrales afectadas se han visualizado antes y después de la inyección de macrófagos derivados de monocitos infectados con virus.El segundo paso del procedimiento consiste en obtener imágenes de subregiones cerebrales que contienen células cargadas con nanopartículas marcadas magnéticamente o nanopartículas terapéuticas. Esto se realiza en diversos momentos tras las inyecciones de células que contienen nanopartículas marcadas magnéticamente o fármacos formulados a nanoescala. El tercer paso del procedimiento es realizar un análisis histológico final para evaluar la biodistribución de las nanopartículas y las alteraciones celulares.La co-registración de los resultados de imagen se realiza con histología. El paso final del procedimiento consiste en cuantificar y mostrar la biodistribución de las nanopartículas, determinar las anomalías espectroscópicas y evaluar las anomalías del tensor de difusión en función del tiempo tras la administración de la inyección celular. En última instancia, se pueden obtener resultados que muestren la biodistribución y los efectos sobre la química cerebral y la morfología celular que ocurren como consecuencia del tratamiento con nanomateriales terapéuticos y diagnósticos mediante resonancia magnética e imagen espectroscópica, coregistradas con análisis histológicos.Hola, soy el Dr. Michael Bosca, director del Programa de Bioimagen en el Centro Médico de la Universidad de Nebraska. Este trabajo forma parte de una colaboración continua entre mi laboratorio y el laboratorio del Dr. Howard Gendelman. La principal ventaja de la imagen no invasiva frente a métodos comúnmente utilizados como la microscopía confocal y las nanopartículas fluorescentes es que se puede cubrir todo el cerebro en un solo examen, y es posible realizar estudios longitudinales en el mismo animal.Esto reduce la variabilidad biológica, requiere menos animales y, en muchos casos, puede traducirse al uso humano. Este método puede ayudar a responder cuestiones clave sobre nanopartículas recién desarrolladas, incluyendo perfiles farmacocinéticos de biodistribución y eficacia terapéutica. La combinación de procedimientos de imagen robustos junto con la co-registración histológica es única y necesaria para realizar estudios de biodistribución y eficacia del fármaco resueltos en el tiempo en modelos animales complejos de enfermedad. Estos procedimientos serán demostrados por las técnicas de mi laboratorio, Lindsey y Melissa, y la investigadora posdoctoral Dra. P. Ella es responsable de adquirir los datos de imagen de los animales en el laboratorio.Aaron y Mariano son responsables del procesamiento de imágenes, incluyendo la imagen de tensor de difusión y la co-registración histológica. Hola, mi nombre es el doctor Howard Delman y soy el jefe del Laboratorio de Neurociencia Emergente Carol Schwartz en el Centro Médico de la Universidad de Nebraska. Esta colaboración interdisciplinaria con el doctor Basca y su laboratorio tiene amplias implicaciones para la terapia y el diagnóstico de una variedad de enfermedades neurodegenerativas.Las anomalías en la espectroscopía de resonancia magnética y la imagen de tensores de difusión se utilizan para monitorear lesiones neuronales y del proceso neuro durante la enfermedad. Para el proyecto actual, los métodos ofrecen información sobre la eficacia de la biodistribución de medicamentos nano, como la distribución del fármaco en todo el cuerpo y la eficacia terapéutica para el sistema nervioso. Se están desarrollando una serie de técnicas de fabricación de partículas que podrían mejorar la detección de la distribución celular durante la enfermedad e incluyen alteraciones en el recubrimiento, el tamaño y la carga de las partículas.Estas seguirán siendo áreas activas de investigación dentro de nuestros laboratorios. En primer lugar, deben prepararse nanomateriales para la administración de fármacos y biodistribución, un tema tratado en un manuscrito paralelo de este número. Primero, replique formulaciones nano candidatas para uso in vivo sustituyendo el núcleo del fármaco o la gota por una partícula de tamaño idéntico o un fragmento molido de óxido de hierro superparamagnético antes del recubrimiento con el tensioactivo apropiado.Luego, mida el tamaño, la forma de la carga y la citotoxicidad para determinar si el sistema modelo de SPIO posee las mismas propiedades que el fármaco nanoformulado candidato. Finalmente, realice ensayos de carga celular mediante incubación con la nanoformulación modelo candidata de SPIO para determinar la actividad dentro de las células; se deben preparar fántomas compuestos por células marcadas suspendidas en geles de agar a una serie de concentraciones en triplicado con el fin de cuantificar la actividad debida a la absorción de SPIO por las células. Esto proporciona un índice de sensibilidad y determina si las nanoformulaciones podrían afectar el estado de oxidación, y por ende, la visibilidad del SPIO en las imágenes de resonancia magnética.Antes de la exploración, coloque el animal en una cámara de anestesia previamente llenada con gases anestésicos. Esto acelerará el inicio de la anestesia y minimizará el tiempo necesario para asegurar que el animal no despierte al ser retirado de la cámara. Una vez completamente anestesiado, retire al animal de la cámara y colóquelo en el soporte estereotáctico equipado para monitorear la frecuencia respiratoria y la temperatura.Coloque la cabeza del animal en el soporte para la cabeza, asegure las barras para las orejas y sujete el cuerpo con gasa. El soporte del animal debe estar equipado con una barra dental ajustable que permita la alineación vertical y horizontal de la cabeza; asegúrese de que la cabeza esté correctamente posicionada en la dirección craneal-rostral y de que no esté girada. Verifique que la bobina superficial esté colocada adecuadamente sobre la cabeza, permitiendo la rotación del soporte del animal.Cuando esté dentro del imán, se proporcionará compensación para rotaciones menores, que pueden ocurrir de un animal a otro. Una vez que el animal esté seguro en el soporte, coloque el soporte en el escáner de RM. A continuación, mueva el soporte con la bobina de superficie hacia el centro del escáner.Se utiliza un resonador activamente desacoplado de 72 milímetros para transmitir energía de radiofrecuencia y generar la señal, mientras que la bobina de cabeza se emplea para la recepción de la señal. Ahora determine la posición inicial utilizando una lectura en tiempo real unidimensional en la dirección crural rostral. El uso de la recepción con bobina superficial restringe la señal a la zona alrededor de la bobina superficial, limitando así la necesidad de interpretar las formas de onda observadas.Luego, adquiera un localizador de tres planos para determinar la posición precisa del animal en el escáner. A continuación, es necesario realizar el shim o ajuste de la homogeneidad del campo magnético. Para ello, utilizamos una secuencia de eco de gradiente múltiple y un software de mapeo desarrollado por el Dr. Hobie Heatherington, que iguala las regiones de homogeneidad con la región examinada por cada método de imagen individual.Una vez completado el ajuste de campos, se pueden adquirir las exploraciones de interés. La biodistribución de nanopartículas que contienen SPIO puede detectarse como regiones de pérdida de señal en imágenes de resonancia magnética ponderadas en tres DT dos estrellas de alta resolución, primero, antes de inyectar al animal, determine la región del cerebro que se va a explorar a partir de las exploraciones LOCALIZADOR. Luego, prescriba una secuencia de eco de gradiente tridimensional de alta resolución, con una resolución isotrópica de 150 micrones.Adquiera una exploración de referencia, luego inyecte al animal y vuelva a adquirir la misma secuencia. Se pueden realizar estudios paralelos para determinar la eficacia terapéutica de medicamentos nano utilizando imágenes de tensor de difusión y exámenes de espectroscopía de resonancia magnética de hidrógeno. Primero, adquiera imágenes S de reconocimiento y ajuste el campo magnético en la región a escanear.Luego, adquiera imágenes de DTI utilizando una secuencia de eco de espín con ponderación por difusión y eco planar con compuerta respiratoria en nuestros escaneos. La codificación por difusión empleada fue un esquema ISO catedral equilibrado, rotacionalmente invariante y con polaridad alternante en 12 direcciones, y el esquema de codificación fue diseñado para reducir los acoplamientos de gradiente de difusión de fondo. El tiempo total de adquisición fue de 20 a 40 minutos, dependiendo de la frecuencia respiratoria.A continuación, adquiera Mr.Spectroscopy. Localice la región de interés en las imágenes previamente adquiridas, realice el ajuste de shim en la región seleccionada y luego optimice la potencia de los pulsos de supresión de agua. Mida la frecuencia del agua para asegurar la señal de resonancia del agua y adquiera un espectro de prueba corto para realizar un control de calidad si los espectros presentan una calidad insuficiente.Verifique la configuración del sistema, incluidos la frecuencia de radio, la potencia y los ajustes de shim. Finalmente, adquiera los espectros en bloques cortos con reinicio de la frecuencia del sistema entre adquisiciones para eliminar los efectos de la deriva del campo magnético. Al final de la adquisición.Utilice un espectro de agua de pulso único como ganancia predefinida del preamplificador como referencia cuantitativa de la amplitud de la señal. Después de la última exploración de MRI en la serie, perfunda el ratón, retire el cerebro y embeba este en un bloque de compuesto OCT, que se ha oscurecido mediante una gota de tinta china. Luego coloque este bloque en un criostato para su corte y análisis histológico.Adquiera imágenes de la superficie del bloque utilizando una cámara digital montada en la parte frontal del criostato. Las imágenes deben tomarse cada 50 micrómetros a lo largo de todo el volumen cerebral, con el fin de permitir el registro dentro del volumen. Después del procesamiento histológico y la tinción, alinee cortes individuales de la superficie del bloque para reconstruir el volumen tridimensional.Utilizando los contornos del bloque para compensar la fluctuación en la posición de la cabeza del criostato, luego segmente automáticamente el volumen cerebral mediante un algoritmo de crecimiento de región basado en semillas en el paquete de software analyze. El óxido de hierro superparamagnético provoca pérdida de señal en la resonancia magnética ponderada en T2 estrella, y por lo tanto, el vacío de señal en la resonancia magnética es un marcador sensible pero no específico de su presencia. Para proporcionar tanto sensibilidad como especificidad respecto a la presencia de SPIO en el cerebro.Deben crearse imágenes de sustracción a partir de las resonancias magnéticas 3D previas y posteriores a la inyección para nuestro estudio. Las escanografías fueron subimagenadas utilizando un método de nivel conjunto restringido desarrollado en nuestro laboratorio. Los volúmenes cerebrales subimagenados luego fueron coregistrados, normalizados por intensidad de señal y restados para detectar regiones dentro del cerebro con pérdida de señal, que no estuvieran a lo largo de los bordes, con el fin de eliminar señales positivas artificiales debidas a errores de coregistro subpíxel.A continuación, se logra la co-registración entre histología y RM mediante el uso de la imagen de la cara del bloque como referencia común. La colocalización precisa de estas dos señales proporciona una medida de la exactitud de la co-registración y de la deformación de la histología de vuelta a las formas originales de los cortes. Los escaneos de DTI pueden analizarse seleccionando primero una región anatómica de interés para determinar las propiedades medias de difusión del tejido en una subestructura anatómica particular.En nuestros estudios, los análisis de los datos ponderados por difusión se realizan luego mediante programas personalizados escritos en lenguaje de datos interactivos proporcionados por el Dr. Cada Hassan. Los análisis generan mapas de la difusividad del tensor, difusividad promedio y anisotropía fraccional. Las componentes transversal y longitudinal del tensor de difusión también pueden obtenerse una vez construidos los mapas.Dibuje regiones de interés sobre la resonancia magnética ponderada en T2 superpuesta con mapas de direccionalidad codificados por colores. Aquí se muestran ejemplos de las regiones seleccionadas en nuestros experimentos para el análisis en el modelo de ratón con VIH. Los datos de cada región de interés se descargan como un archivo de texto para ser introducidos en una base de datos en un momento posterior.Se muestra aquí un ejemplo del resultado del ajuste de una curva MRS a partir de un solo espectro obtenido en nuestro laboratorio. Empleamos un método de ajuste en el dominio del tiempo denominado Quest, en el paquete de procesamiento de señales J-M-R-U-I.Quest ajusta los espectros utilizando una combinación lineal de espectros individuales de metabolitos para realizar una minimización de mínimos cuadrados entre el espectro estimulado y el espectro real. Utilizamos un conjunto base de 22 metabolitos individuales como factores potencialmente contribuyentes. Los espectros base se simulan y validan utilizando espectros de soluciones de metabolitos individuales.Los ejemplos de la distribución biológica de macrófagos marcados con SPIO utilizando estos métodos se observan aquí con una superposición de la ubicación de las células marcadas detectadas mediante resonancia magnética en rojo, la ubicación de las células marcadas mediante histología coregistrada en azul y la superposición en amarillo. Al ratón se le inyectaron macrófagos derivados de monocitos marcados en la vena caudal. Cinco días después, se adquirió y procesó una resonancia magnética ponderada en T2* según lo descrito.El ratón fue preparado mediante la inyección de macrófagos humanos infectados con VIH en el cerebro, lo que se observa como una línea de macrófagos derivados de monocitos del ratón detectados. Se pueden encontrar más ejemplos tanto de la detección de células marcadas como del co-registro con histología en nuestras publicaciones anteriores. Es necesario el fabricante de las partículas y la evaluación de sus propiedades biológicas respecto a la captación celular en sistemas modelo de laboratorio, y debe realizarse bajo procedimientos estériles para su uso en estas investigaciones con animales.Las inyecciones de las formulaciones cargadas con células deben realizarse sin comprometer el acceso a la vena, ya que esto afectaría al cerebro y a otras regiones de tejido visualizadas, así como a la integración del biológico celular con técnicas de bioimagen; además, el fuerte escenario de colaboración cruzada demostró ser fundamental para el éxito del proyecto en su conjunto. Una vez dominados, los procedimientos pueden completarse en dos horas, dependiendo de la disponibilidad de personal capacitado para configurar la posición y calibrar los sistemas durante la realización del procedimiento. Es importante recordar mantener la esterilidad para que los ratones frágiles e inmunodeprimidos permanezcan viables durante el curso temporal de los estudios seriados, algunos de los cuales pueden durar varios meses.Estos métodos han sentado las bases para que los investigadores exploren la relación entre las alteraciones celulares visualizadas mediante histología y las anormalidades morfológicas, fisiológicas y bioquímicas detectadas. El uso de métodos de neuroimagen en la co-registración de histología cerebral es un desafío y solo ha sido logrado por unos pocos grupos. Después de ver este video.Debe comprender cómo se realizan los experimentos de imágenes cerebrales y se coregistran con histología en un modelo roedor de enfermedad. Esto puede utilizarse para medir la biodistribución de partículas de óxido de hierro superparamagnéticas. Alternativamente, la resonancia magnética y la espectroscopía por resonancia magnética localizada pueden usarse para rastrear la neurodegeneración observada durante los procesos de la enfermedad.Pueden evaluarse entonces de forma seriada los efectos terapéuticos para mejorar el daño cerebral. La imagenología puede utilizarse junto con la histología para validar los hallazgos experimentales. En conjunto, estos métodos proporcionarán un conjunto dinámico y preciso de medidas para la nanopartícula, la biodistribución y la eficacia terapéutica.

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