Article de méthode

Synthèse entraînée par micro-ondes de l'oxyde de fer Nanoparticules pour la détection rapide de l'athérosclérose

DOI :

10.3791/53472

⸱

22 mars 2016

 ,  , 
1Advanced Imaging Unit, Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares Carlos III and CIBER de Enfermedades Respiratorias, 2Universidad Complutense de Madrid

Dans cet article

Résumé

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La technologie des micro-ondes permet la synthèse extrêmement rapide de nanoparticules d'oxyde de fer pour la plaque d'athérosclérose caractérisation. L'utilisation d'un aminobisphosphonate sur le côté extérieur de la nanoparticule présente une accumulation rapide dans la zone d'athérome.

Résumé

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Un protocole entraîné par micro-ondes rapide et reproductible a été mis au point pour la synthèse de nanoparticules fonctionnalisées néridronate. A partir de la synthèse de nanoparticules hydrophobes, notre méthode est basée sur une adaptation de la méthode de décomposition thermique pour la synthèse par micro-ondes entraîné. La nouvelle méthode produit une diminution du temps de réaction par rapport aux méthodes traditionnelles. En outre, l'utilisation de la technologie des micro-ondes augmente la reproductibilité des réactions, quelque chose importante du point de vue des applications cliniques. La nouveauté de cette nanoparticule d'oxyde de fer est la fixation de néridronate. L'utilisation de cette molécule un fragment conduit bisphosphonate vers l'extérieur de la nanoparticule qui fournit Ca2 + propriétés in vitro et de l' accumulation sélective de liaison in vivo dans la plaque d'athérome. Le protocole permet la synthèse et la détection de la plaque dans environ 3 heures depuis la première synthèse de organic précurseurs. Leur accumulation dans la zone d'athérome en moins de 1 heure fournit un agent de contraste particulièrement approprié pour des applications cliniques.

Introduction

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L'athérosclérose est une maladie inflammatoire chronique multifactorielle de la paroi artérielle résultant d'un métabolisme lipidique dérégulée et une réponse inflammatoire défectueuse. En raison de la prévalence et les coûts économiques et sociaux de ce problème et des maladies cardio - vasculaires , il y a un intérêt croissant dans la lutte contre la pathologie avec de nouveaux outils, dont la nanotechnologie est l' un des plus prometteurs. 1-3 Cependant il y a très peu d' exemples de jeûne la production et la caractérisation des sondes qui est la base pour la traduction à la clinique 4 dans ce protocole , on utilise une synthèse par micro - ondes d'oxyde de fer nanoparticulaire pour une fonctionnalisation ultérieure avec un biphosphonate et dans la détection in vivo de l' athérosclérose chez ApoE - /.. - les souris 1 heure 5 des nanoparticules d'oxyde de fer (IONP) sont un nanomatériau bien connu et son utilisation comme agent de contraste pour imagerie par résonance magnétique (IRM) a été établie pour la détection de différentes maladiess dans les dernières années. 6-8

Synthèse micro - ondes (MWS), permet la synthèse de nanoparticules dans des temps extrêmement courts avec une reproductibilité élevée et des rendements améliorés. 9,10 Dans notre protocole , nous obtenons IONP avec plaque capacités de ciblage en trois étapes. La finale est une pièce jointe d'un aminobisphosphonate, néridronate, qui est la clé de notre stratégie en raison de ses propriétés de fixation du calcium. En raison de leur nature Pyrophosphate analogique (ppi), néridronate a été utilisé dans le traitement de l' ostéogenèse imparfaite (OI) et la maladie osseuse de Paget (APB) pour leur affinité élevée envers minérale osseuse. 13/11

Les trois étapes du protocole sont résumées dans le schéma 1. Les étapes un et deux sont réalisées en utilisant la technologie des micro-ondes. La première étape de fournir des nanoparticules d' oxyde de fer enrobées d'acide oléique (OA-IONP) par une modification des méthodes publiées. 14 Le protocole est une adaptation à la synthèse par micro - ondes TRADITSynthèse ional de décomposition thermique. Un mélange contenant 15,16 Fe (acac) 3, l' acide oléique, l' oléylamine et le dodécanediol-1,2 est dissous dans l' alcool benzylique et soumis à deux procédés de chauffage. La purification est réalisée lavage avec EtOH et collecter les particules avec un aimant Nd-Fe-B pour éliminer l'excès d'agents tensio-actifs dans le surnageant. Ensuite, OA-IONP sont stabilisés dans CHCl 3. Comme on s'y attendait, en raison de l'échauffement très rapide, les résultats attendus ont montré que les nanoparticules synthétisées par des micro-ondes sont plus petits en termes de noyau (3,7 ± 0,8 nm) et la taille hydrodynamique (7,5 nm) par rapport à la décomposition thermique classique; Cependant, les nanoparticules présentent toujours une excellente cristallinité.

La deuxième étape consiste en une modification chimique directe de la double liaison, présente dans l'acide oléique, en utilisant un oxydant puissant comme KMnO 4, la méthodologie originale développée dans notre groupe a été modifié pour des conditions MW.17 Une première étape forme les complexes entre MnO 4 - et la double liaison. Ensuite, une seconde étape dans des conditions acides, le produit de clivage de la molécule d'acide oléique, l'acide azélaïque donnant-IONP. Après ces deux étapes de 9 minutes à chaque fois , l'échantillon est purifié, d' abord un lavage avec NaHSO 3 1% pour réduire l'excès de MnO 4 - de MnO 2 et ensuite avec du NaOH à 1% pour neutraliser l'acide.

Après l'étape de purification, azélaïque-IONP sont stabilisés dans 10 mM de tampon phosphate pH = 7,2. Ce tampon est le meilleur environnement pour la stabilité colloïdale des particules de manière similaire à ce qui est arrivé dans la réaction thermique d' origine. 18 L'utilisation de micro - ondes pour l'oxydation directe de la double liaison contenue dans OA-IONP est un très bon exemple des avantages l'utilisation de cette technologie pour la synthèse de nanoparticules. Avec le procédé classique, la réaction est de 24 heures, l'utilisation de micro-ondes diminue la Reactile temps de 18 min. En outre, le protocole conduit micro-ondes présente une excellente reproductibilité donnant des nanoparticules avec 30 ± 5 nm de taille hydrodynamique après 4 répétitions. En dehors de la variation de la taille hydrodynamique, le potentiel zêta est un bon paramètre pour vérifier rapidement la réussite de la réaction. En raison de la présence des nouveaux groupes carboxyliques dans azélaïque-IONP, la valeur du potentiel zêta est d'environ -44 mV, très semblable à la valeur obtenue par l'approche thermique.

Pour la fixation de néridronate à Azelaic-IONP, la conjugaison traditionnelle ECD / sulfo-NHS est utilisé. 19 Cette approche synthétique est bien établie depuis l' emploi d' un carboxylate activé avec le sulfo-NHS assure la stabilité colloïdale lors de la réaction. Après l'élimination du tampon phosphate de la réaction avec néridronate est réalisée dans le tampon 1 mM de HEPES (pH ~ 7). La réaction rend néridronate-IONP avec une taille hydrodynamique de 40 ± 4 nm dans une taille distr étroiteibution et -24,1 mV du potentiel zêta.

La procédure est décrite pour la synthèse rapide de IONP pour la visualisation in vivo de la plaque athéroscléreuse , bien que la faisabilité de la méthode permet la fixation d'un peptide / anticorps avec des amines libres, en utilisant les mêmes conditions, à des fins différentes au sein T 2 Agent weighted de contraste pour IRM champ.

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Protocole

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1. Préparation des réactifs

  1. Préparer 1 mM de tampon HEPES dissolvant 23,8 mg d'HEPES dans 100 ml d'eau distillée. Ajuster le pH à 7.
  2. Préparez 10% de NaHSO 3 dissolvant 10 g de NaHSO 3 dans 100 ml d'eau distillée. On agite le mélange pendant 15 min.
  3. Préparer une solution de NaOH à dissoudre 1 g de NaOH dans 100 ml d'eau. Agiter pendant 10 min.
  4. Préparer tampon phosphate 10 mM dissolvant 600 mg de NaH 2 PO 4 dans 1 litre d'eau. Ajouter soigneusement 0,34 ml d'acide phosphorique et Agiter pendant 30 min. Ajuster le pH à 2,9 (intervalle d'acceptation 2,7-3,0).
  5. Préparer tampon phosphate 10 mM dissolvant 269 mg de NaH 2 PO 4 et 1,09 g de Na 2 HPO 4 à l' eau distillée pour obtenir un volume de 1 L. Ajuster le pH à 7,2.

2. Synthèse de l'acide oléique Coated Nanoparticules (OA-IONP)

  1. Dans un four à micro - flacon adapté ajouter 0,5 g de Fe (acac) 3, 1,4 ml de oleiacide c, 0,6 ml d'oléylamine et 1,19 g de 1,2-hexadodecanediol. Ajouter 10 ml d'éther phénylique soigneusement à travers la paroi du flacon à l'aide d'une pipette graduée.
  2. Introduire le flacon dans le réacteur à micro-ondes et lancer le protocole de micro-ondes.
    REMARQUE: Le logiciel de micro-ondes permet de choisir la grandeur de différents paramètres tels que la température, la pression, la vitesse d'agitation, la puissance et le temps de réaction. En outre, il a la possibilité de charger des trois étapes différentes dans le même protocole de synthèse permettant accordable. Une fois le protocole de synthèse chargé démarre, micro-ondes chauffe l'échantillon le plus rapidement possible (processus rampe) et la maintient pendant le temps de réaction choisie (processus en cours d'exécution). Election du pouvoir détermine le temps de montée en puissance.
  3. Chargez une étude dynamique dans le micro-ondes. Le protocole comporte trois étapes:
    1. Etape 1: régler la température à 60 ° C, 2 min, une pression de 250 psi et 150 W de puissance. vitesse de Stir doit être en position haute et la puissance max dans le.
    2. Cerfe 2: régler la température à 200 ° C, le temps de 20 min, la pression de 250 psi et 300 W de puissance. vitesse de Stir doit être en position haute et la puissance max dans le.
    3. Etape 3: régler la température à 250 ° C, le temps de 10 min, la pression de 250 psi et 300 W de puissance. vitesse de Stir doit être en position haute et la puissance max dans le.
  4. Après la fin du protocole, laisser refroidir le ballon à la température ambiante.
    NOTE: Le refroidissement processus peut être fait avec ou sans flux de gaz. Les deux cas fournissent des mêmes résultats. Agrégats apparaissent dans la barre d'agitation et dans la paroi du flacon, le laver avec de l'EtOH et le mettre sur le Erlenmeyer.
  5. Transférer le mélange réactionnel à l'aide d'un Erlenmeyer d'une pipette de verre et ajouter 10 ml de EtOH à 98%. Mettez un aimant Nd-Nb-B ci-dessous le flacon, attendre 5 min et retirer le surnageant avec une pipette en verre.
  6. Ajouter 10 ml d'EtOH, soniquer l'échantillon à température ambiante pendant 2 min et 40 kHz, placer l'échantillon sur l'aimant et éliminer le surnageant. Répétez cette étape au least trois fois.
  7. Disperser les nanoparticules oléique dans 30 ml de CHCl 3 et de traitement par ultrasons à 40 kHz pendant 5 min à température ambiante. Vérifiez la taille hydrodynamique dans le zetasizer selon les instructions du fabricant. Mettre 0,5 ml de OA-IONP dans la cuvette de verre et ajouter 0,5 ml de CHCl 3. plage d'acceptation 7-10 nm exprimée en taille de moyenne Z en intensité.
    REMARQUE: OA-IONP peut être bien dispersé dans de l'hexane.

3. Synthèse de Azelaic Acid Nanoparticules (Azelaic Acid-IONP)

  1. Dissoudre 44,3 mg de KMnO 4 et 150,4 mg de BTACl dans un mélange de H 2 O: CHCl3 (3: 2 ml). Ajouter la solution résultante à une aliquote de 5 ml de OA-IONP au micro-ondes adapté flacon.
  2. Démarrez le protocole de micro-ondes pour Azelaic acide IONP. Réglez la température à 105 ° C, le temps 9 min, une pression de 250 psi et la puissance à 300 W. Mettez 10 ml de tampon phosphate pH = 2,9 dans le flacon et répéter le protocole de micro-ondes. Après l'étape de refroidissement, récupérer les nanoparticulesà l'aide d'un aimant et d'éliminer le surnageant.
  3. Ajouter 5 ml de 10% de NaHSO 3 à un Erlenmeyer de traitement par ultrasons à 40 kHz pendant 2 min à 25 ° C, de collecter les particules à l' aide d' un aimant et d' éliminer le surnageant. (L'étape est répétée 2 fois). On lave les nanoparticules trois fois avec du NaOH à 1% et enfin re-disperser dans 5 ml de tampon phosphate pH = 7,2.
  4. Vérifiez la taille hydrodynamique et du potentiel zêta. Mettre 0,7 ml de Azelaic-IONP dans la cellule capillaire plié jetable et insérez-la sur le zetasizer.
    NOTE: La plage d'acceptation pour la taille 25-35 nm exprimée en taille de moyenne Z en intensité. plage d'acceptation pour Z-potentiel -45 ± 5 mV. Grandes nanoparticules (~ 70 nm) peuvent être obtenus avec un tampon phosphate pH> 7 à la place pH = 2,9 (ref Chem Eur J 2008).

4. Synthèse de néridronate Nanoparticules (néridronate-IONP)

  1. Ajouter 12 mg d'EDC et 15 mg de Sulfo-NHS dans une centrifugeuse avec 2 ml aliquote de Azelaic-IONP. Mettrele mélange dans un vortex à température ambiante pendant 35 min.
  2. Placer un aimant au-dessous de la centrifugeuse pour déstabiliser les nanoparticules, aspirer le surnageant et laver les particules avec 1,5 ml de HEPES à pH = 7 tampon 1 mM. (Répétez cette étape deux fois.) Ensuite, ajoutez 5 mg de néridronate et agiter le mélange dans un tourbillon pendant 2 heures.
  3. nanoparticules séparées avec un aimant et lavage (3 x 2 ml) avec HEPES pH = 7 tampon 1. Enfin, la dispersion néridronate-IONP dans 2 ml de 1 mM de HEPES pH = 7 tampon.
  4. Vérifiez la taille hydrodynamique et du potentiel zêta. Mettre 0,7 ml de néridronate-IONP dans la cellule capillaire plié jetable et insérez-la sur le zetasizer (voir la configuration de l'équipement).
    NOTE: La plage d'acceptation pour la taille de 40-45 nm exprimée en taille de moyenne Z en intensité. plage d'acceptation pour Z-Potentiel -20 ± 5 mV.

5. In Vivo Détection de athérome Plaque en ApoE - / - Souris par IRM

  1. Préparation pour l'acquisition IRM
    NOTE: Plusieurs exsystèmes tra pour l'expérimentation animale sont nécessaires. Ainsi, il faudra:
    1. Utiliser un équipement approprié pour anesthésier les animaux.
    2. Obtenir un système d'eau en circuit fermé à circulation chaude avec un air chaud extérieur pour maintenir la température de l'étable des animaux.
      NOTE: Dans ce cas, le système de surveillance et de déclenchement compatible IRM enregistre la température de l'animal à l'intérieur de l'aimant IRM.
    3. Surveiller la température extérieure autour de l'animal, la température corporelle (thermomètre rectal) de l'animal, le capteur de respiration situé sous le corps de l'animal à proximité du thorax à l'aide d'une interface intégrée dans la console IRM.
  2. Expérience IRM
    1. Anesthésier les animaux avec de l'isoflurane vaporisée (2% pour l'induction pendant deux ou trois minutes et de 1 à 1,5% pour l'entretien au cours de l'expérience d'IRM) avec une conduite d'oxygène à 100%.
    2. Placer l'animal dans le centre de l'aimant à l'aide d'une acquisition de profil.
    3. Après l'étape 5.2.2, régler la bobine RF à 300 MHz (7 T) fréquence de résonance et correspondent à l'impédance caractéristique de la bobine à 50 Ohm pour la réception optimale du signal.
      REMARQUE: Faites attention au câblage externe et des connexions allant au système de mesure par l'intermédiaire de l'adaptateur / répartiteur à chaque partie de la bobine émettrice individuellement (dans notre cas, il a été une bobine en quadrature).
    4. Après avoir accordé et avec les bobines, branchez les bobines dans le scanner.
    5. Pour impulsion RF calibration (forme et la longueur) et le réglage de la fréquence centrale effectuer à la fois le calibrage d'impulsions et le centre de fréquence manuellement. Effectuer les réglages d'étalonnage d'impulsion de 90 °, dsépaisseur grossier (voir ci-dessous), la fréquence centrale et de gain de récepteur manuellement.
    6. Effectuer la position exacte à l'aide d'un écho de gradient (FLASH ou GRE) scan radiophare (3 plan d'acquisition de scout: axial, coronal et sagittal, également appelé TriPilot.
    7. Effectuer le calage de l'aimant pour optimiser l'homogénéité du champ magnétique dans le center de l'aimant. Effectuez cette étape manuellement (voir 5.2.3) en utilisant une séquence FID une ou impulsion unique et ajuster les première et deuxième commandes cales ou toute séquence de calage automatique inclus dans le système
      NOTE: Un champ magnétique bien calée est facilement reconnu et mesuré par le T2 * (en plus le meilleur) ou étroite FWHM des spectres.
  3. IRM d' acquisition de données de la plaque 5
    1. Injecter 100 pi (1 mg [Fe] ml -1) de nanoparticules de néridronate par voie intraveineuse dans la veine caudale et acquérir des images post - injection 1 h. Charger les paramètres d'acquisition IRM de la plaque d'athérome regardant l'aorte abdominale (bifurcation rénale).
    2. Mettez multi-coupes, de 10 à 20 tranches en mode entrelacé pour réduire au minimum les artefacts.
    3. Acquire haute résolution écho de spin rapide pondérée en T1 IRM coronale ou axiale avec les paramètres suivants: FOV 60 x 30 mm (coronal), 30 x 30 mm (axial), tranche d'épaisseur de 0,8 mm (avec le petit gradient co bobinenfiguration cela peut être réduit à 0,6 mm), 400 msec TR, 8 msec TE, 256 x 256 d'acquisition et de la matrice de reconstruction des données, 6 (grand gradient) à la moyenne 8 () de signal petit gradient de 5-8 min moyenne des temps d'acquisition.
      NOTE: TE est particulièrement critique et la présence de signal de sang et de débit et les artefacts de déplacement chimique qui peut limiter les applications. Dans ces cas, l'écoulement insensible écho de spin rapide T2-IR peut aider à réduire les artefacts et l'acquisition de données complémentaires dans le même emplacement exact peut aider à caractériser la plaque. En outre, une impulsion de pré-saturation peut être utilisée pour réduire le tissu adipeux qui entoure la paroi artérielle pour une meilleure délimitation de la limite externe de la réduction des artefacts mur et le déplacement chimique.
    4. Transférer les images en utilisant un format standard tels que Dicom et vue dans le logiciel approprié (par exemple Osirix Imaging Software ou AMIDE: imagerie médicale Data Examiner) 5. Quantifier l'effet de contraste délimitant manuellement les Veszone sel, épaisseur de paroi, surface de la lumière et de la charge de la plaque 5.

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Résultats

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Dans ce protocole, la synthèse de trois IONP différente est décrite. A partir de OA-hydrophobe IONP, des nanoparticules aqueuses stables sont obtenues à l'aide de la synthèse entraînée par micro-ondes. Toutes les nanoparticules présenté ultra-petite taille hydrodynamique (Dh <50 nm) dans une distribution de taille très étroite (figure 1c). L'utilisation de la technologie des micro-ondes rend ultra-petites nanoparticules en termes de tailles de base. Depuis micro-ondes...

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Discussion

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nanoparticules d'oxyde de fer (IONP) sont l'un des nanomatériaux les plus importants et il a été utilisé pour des applications différentes d'il y a longtemps. L'utilisation de ces matériaux comme agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un domaine bien établi. Cependant, les voies de synthèse prennent souvent plusieurs fois et le cadre est compliqué. En raison de réduire considérablement les temps de réaction et améliore la reproductibilité de l'utilisation de la synt...

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Déclarations de divulgation

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Aucune divulgation

Remerciements

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Cette étude est financée par une subvention de la Comunidad de Madrid (S2010/BMD-2326, Inmunothercan-CM), de la Fundacio La Marato de TV3 (70/C/2012) et de et par le Ministère espagnol de l’Économie (MAT2013-47303 P).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Microwave Explorer/Discover Hybrid-12CEM Corporation, USAN’importe quel micro-ondes pour la synthèse chimique peut être utilisé
Colonnes de dessalage jetables-10  ;GE Healthcare life sciences17-0851-01N’importe quelle colonne d’exclusion de taille fonctionnera
Amicon® ; Ultra-0,5 ml  ;Merck Millipore Ltd
PH-mètre étalonné  ;Analyse SI285105127
Aimant néodyme  ;Aiman GzND010B
Vortex Genius 3  ;IKA3340000
ZetaSizer Nano ZS  ;Malvern Instruments
Cellule standard (macro) Verre optique  ;Labbox11718
Zetasizer nanoseries cellules capillaires pliées disponsable DTS1070Malvern
Bruker Minispec mq60Bruker

Références

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Mots-clés

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