Bioimmagini registrato di Nanomateriali per il monitoraggio diagnostico e terapeutico

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di ottenere immagini della distribuzione e valutare l'efficacia terapeutica di nanoparticelle marcate magneticamente o formulate con farmaci. Questo viene realizzato innanzitutto producendo le particelle, testandone le proprietà biologiche per l'assorbimento cellulare in sistemi modello di laboratorio, quindi iniettando le formulazioni cariche di cellule e valutando la loro distribuzione nei tessuti mediante bioimmagini. Le regioni cerebrali interessate sono state visualizzate prima e dopo l'iniezione di macrofagi derivati da monociti infettati dal virus.

Il secondo passaggio della procedura consiste nell'effettuare l'immagine di sottoregioni cerebrali contenenti cellule cariche, nanoparticelle marcate magneticamente o nanoparticelle terapeutiche. Questo viene eseguito in diversi momenti successivi all'iniezione di cellule contenenti nanoparticelle marcate magneticamente o farmaci nanoformulati. Il terzo passaggio della procedura prevede l'analisi istologica finale della distribuzione delle nanoparticelle, della biodistribuzione e delle alterazioni cellulari.

La co-registrazione dei risultati di imaging viene eseguita con l'analisi istologica. L'ultimo passaggio della procedura consiste nel quantificare e visualizzare la biodistribuzione delle nanoparticelle, determinare le anomalie spettroscopiche e valutare le anomalie del tensore di diffusione in funzione del tempo successivo all'iniezione cellulare. In definitiva, è possibile ottenere risultati che mostrano la biodistribuzione e gli effetti sulla chimica cerebrale e sulla morfologia cellulare derivanti dal trattamento con nanomateriali terapeutici e diagnostici, mediante risonanza magnetica e spettroscopia, coregistrate con analisi istologiche.

Ciao, sono il dottor Michael Bosca, direttore del programma di bioimmagine presso il centro medico dell'Università del Nebraska. Questo lavoro fa parte di una collaborazione in corso tra il mio laboratorio e quello del dottor Howard Gendelman. Il principale vantaggio dell'immagine non invasiva rispetto ai metodi comunemente utilizzati, come la microscopia confocale e le nanoparticelle fluorescenti, è che l'intero cervello può essere esaminato in un singolo esame, e studi longitudinali sono possibili sullo stesso animale.

Questo riduce la variabilità biologica, richiede un numero minore di animali e, in molti casi, può essere tradotto nell'uso umano. Questo metodo può aiutare a rispondere a questioni fondamentali riguardanti nanoparticelle appena ottenute, inclusi i profili farmacocinetici di biodistribuzione e l'efficacia terapeutica. La combinazione di procedure di imaging robuste associate alla co-registrazione istologica è unica ed essenziale per condurre studi sulla biodistribuzione risolta nel tempo e sull'efficacia farmacologica in modelli animali complessi di malattia. A dimostrare queste procedure saranno le tecnici del mio laboratorio, Lindsey e Melissa, e il ricercatore post-dottorato Dott.ssa P. Lei è responsabile dell'acquisizione dei dati di imaging provenienti dagli animali in laboratorio.

Aaron e Mariano sono responsabili dell'elaborazione delle immagini, inclusa la risonanza magnetica a tensore di diffusione e la co-registrazione istologica. Salve, mi chiamo dottor Howard Delman e sono il responsabile del Laboratorio di Neuroscienze Emergenti Carol Schwartz presso l'Università del Centro Medico del Nebraska. Questa collaborazione interdisciplinare con il dottor Basca e il suo laboratorio ha ampie implicazioni per la terapia e la diagnosi di un'ampia gamma di malattie neurodegenerative.

Le anomalie nella spettroscopia di risonanza magnetica e nella risonanza magnetica a tensore di diffusione vengono utilizzate per monitorare i danni ai neuroni e ai processi neurologici durante l'evoluzione della malattia. Per il presente progetto, i metodi forniscono informazioni sull'efficacia della biodistribuzione di farmaci nanostrutturati, come la distribuzione sistemica del farmaco e l'efficacia terapeutica a livello del sistema nervoso. Sono in corso lo sviluppo di diverse tecniche di produzione di particelle che potrebbero migliorare il rilevamento della distribuzione cellulare durante la malattia, inclusa la modifica della dimensione, del rivestimento e della carica delle particelle.

Tutte queste rimarranno aree attive di ricerca all'interno dei nostri laboratori. In primo luogo, è necessario preparare nanomateriali per il rilascio di farmaci e la biodistribuzione, argomento di un manoscritto parallelo pubblicato in questo numero. Per prima cosa, riprodurre le formulazioni nano candidate per l'uso in vivo sostituendo il nucleo farmacologico o la goccia con una particella di dimensioni identiche o con una polvere ottenuta per macinazione di ossido di ferro superparamagnetico, prima del rivestimento con il tensioattivo appropriato.

Quindi misurare dimensioni, carica, forma e citotossicità per determinare se il sistema modello di SPIO possiede le stesse proprietà del farmaco nano formulato in esame. Infine, eseguire saggi di caricamento cellulare mediante incubazione con la nano formulazione modello di SPIO in esame per determinare l'attività all'interno delle cellule; dovrebbero essere preparati in triplice copia fantocci composti da cellule marcate sospese in gel di agar a una serie di concentrazioni al fine di quantificare l'attività derivante dall'assorbimento di SPIO da parte delle cellule. Ciò fornisce un indice di sensibilità e determina se le nano formulazioni possano influenzare lo stato di ossidazione, e quindi la visibilità delle SPIO nelle scansioni di risonanza magnetica.

Prima della scansione, posizionare l'animale in una camera per anestesia precedentemente riempita con i gas anestetici. Questo accelererà l'insorgenza dell'anestesia e ridurrà al minimo il tempo necessario per garantire che l'animale non si risvegli al momento della rimozione dalla camera. Una volta completamente anestetizzato, rimuovere l'animale dalla camera e posizionarlo nel supporto stereotassico dotato di monitoraggio della frequenza respiratoria e della temperatura.

Posizionare la testa dell'animale nel supporto per la testa, fissare le barre auricolari e immobilizzare il corpo con garza. Il supporto per l'animale deve essere dotato di una barra dentale regolabile, che permetta l'allineamento verticale e orizzontale della testa; assicurarsi che la testa sia correttamente posizionata in direzione rostro-cordale e che non sia ruotata. Verificare che la bobina superficiale sia correttamente posizionata sulla testa, consentendo la rotazione del supporto per l'animale.

Quando si trova all'interno del magnete, verrà garantita una compensazione per piccole rotazioni, che possono verificarsi da animale ad animale. Una volta che l'animale è fissato stabilmente nel supporto, posizionare il supporto all'interno dello scanner MRI. A questo punto, spostare il supporto con la bobina di superficie al centro dello scanner.

Un risonatore attivamente disaccoppiato da 72 millimetri viene utilizzato per trasmettere l'energia a radiofrequenza al fine di generare il segnale, mentre la bobina per la testa viene impiegata per la ricezione del segnale. Determinare ora la posizione iniziale utilizzando un'acquisizione unidimensionale in tempo reale nella direzione cordale rostrale. L'uso della ricezione mediante bobina superficiale limita il segnale alla zona circostante la bobina superficiale, riducendo così la necessità di interpretare le forme d'onda osservate.

Quindi acquisire un localizzatore a tre piani per determinare la posizione precisa dell'animale all'interno dello scanner. Successivamente, è necessario effettuare un shim o regolazione dell'omogeneità del campo magnetico. A tale scopo, utilizziamo una sequenza multi-eco a gradiente e un software di mappatura sviluppato dal Dott. Hobie Heatherington, che associa le regioni di omogeneità alla zona esaminata da ciascun metodo di imaging.

Una volta completato lo shimming, è possibile acquisire le scansioni di interesse. La biodistribuzione delle nanoparticelle contenenti SPIO può essere rilevata come aree di perdita di segnale in immagini MRI pesate in T2* ad alta risoluzione. Prima di iniettare l'animale, determinare dalla scansione LOCALIZER la regione del cervello da acquisire. Successivamente, impostare una sequenza eco-gradientuale 3D ad alta risoluzione con risoluzione isotropica di 150 micron.

Acquisire una scansione di base, quindi iniettare l'animale e acquisire nuovamente la stessa sequenza. Studi paralleli per determinare l'efficacia terapeutica di farmaci nanostrutturati possono essere eseguiti utilizzando l'imaging a tensore di diffusione e esami di spettroscopia a risonanza magnetica dell'idrogeno. Acquisire innanzitutto immagini S scout e shimare la regione da scansionare.

Quindi acquisire l'IMD utilizzando una sequenza di imaging eco-planare pesata per diffusione a eco di spin sincronizzata con la respirazione nelle nostre scansioni. La codifica per diffusione impiegata era uno schema ISO cathodrale bilanciato, rotazionalmente invariante e con polarità alternata su 12 direzioni, progettato per ridurre l'accoppiamento dei gradienti di diffusione di fondo. Il tempo totale di acquisizione è stato compreso tra 20 e 40 minuti, a seconda della frequenza respiratoria.

Successivamente, acquisire Mr.Spectroscopy. Individuare la regione di interesse sulle immagini precedentemente acquisite, eseguire il shimming sulla regione selezionata, quindi ottimizzare la potenza degli impulsi di soppressione dell'acqua. Misurare la frequenza dell'acqua per assicurare un segnale in risonanza e acquisire uno spettro di prova breve per effettuare un controllo di qualità qualora gli spettri non siano di qualità sufficiente.

Verificare le impostazioni del sistema, inclusi la frequenza radio, la potenza e le impostazioni di shim. Infine, acquisire gli spettri in brevi blocchi con il ripristino della frequenza del sistema tra un'acquisizione e l'altra per eliminare gli effetti alla deriva del campo magnetico. Alla fine dell'acquisizione.

Utilizzare uno spettro dell'acqua a impulso singolo come guadagno predefinito del preamplificatore come riferimento per l'ampiezza del segnale quantitativo. Dopo l'ultima scansione MRI della serie, eseguire la perfusione del topo, rimuovere il cervello e incorporarlo in un blocco di composto OCT, scurito aggiungendo una goccia di inchiostro di India. Successivamente, posizionare questo blocco in un criostato per la sezionatura e l'analisi istologica.

Acquisire immagini della superficie del blocco mediante una fotocamera digitale montata sulla parte anteriore del criostato. Le immagini devono essere acquisite ogni 50 micrometri lungo l'intero volume cerebrale, in corrispondenza delle sezioni, per consentire la registrazione all'interno del volume. Dopo il trattamento istologico e la colorazione, allineare le singole sezioni della superficie del blocco per ricostruire il volume 3D.

Utilizzando i contorni del blocco per compensare le oscillazioni nella posizione della testa del criostato, segmentare automaticamente il volume cerebrale mediante un algoritmo di crescita regionale basato su un punto iniziale nel pacchetto software Analyze. L'ossido di ferro superparamagnetico provoca una perdita di segnale nella risonanza magnetica pesata in T2*, e pertanto il vuoto di segnale in risonanza magnetica rappresenta un marcatore sensibile ma non specifico della sua presenza. Per fornire sia sensibilità che specificità alla rilevazione di SPIO nel cervello.

Per il nostro studio, è necessario creare immagini di sottrazione a partire dalle scansioni 3D di risonanza magnetica pre e post-iniezione. Le scansioni sono state sottoposte a sottrazione d'immagine mediante un metodo di livello set vincolato sviluppato nel nostro laboratorio. I volumi cerebrali sottoposti a sottrazione d'immagine sono stati quindi co-registrati, normalizzati per intensità del segnale ed è stato eseguito il calcolo della differenza volumetrica al fine di rilevare le regioni del cervello con perdita di segnale, escludendo quelle localizzate ai margini per eliminare segnali positivi indotti da eventuali errori di registrazione sub-pixel.

Successivamente, la co-registrazione tra istologia e risonanza magnetica viene effettuata utilizzando l'immagine della superficie del blocco come riferimento comune. Una corretta colocalizzazione di questi due segnali fornisce un indice dell'accuratezza della co-registrazione e della deformazione dell'istologia per riportarla alle forme originali delle sezioni. Le scansioni DTI possono essere analizzate selezionando innanzitutto una regione anatomica di interesse per determinare le proprietà medie di diffusione del tessuto in una particolare sottoregione anatomica.

Nelle nostre ricerche, le analisi dei dati pesati per diffusione vengono quindi effettuate utilizzando programmi personalizzati scritti in linguaggio interattivo per l'elaborazione di dati forniti dal Dott. Cada Hassan. Tali analisi producono mappe della diffusività tensoriale, della diffusività media e dell'atrofia frazionaria. Una volta costruite le mappe, è inoltre possibile ottenere le componenti trasversale e longitudinale del tensore di diffusione.

Disegnare regioni di interesse sulla risonanza magnetica pesata in T2 sovrapposta a mappe codificate a colori per la direzionalità. Di seguito sono mostrati esempi delle regioni scelte nei nostri esperimenti per l'analisi nel modello murino di HIV. I dati di ciascuna regione di interesse vengono scaricati come file di testo da inserire successivamente in un database.

Un esempio di risultato dell'adattamento della curva MRS ottenuto da uno spettro singolo è mostrato qui nel nostro laboratorio. Utilizziamo un metodo di adattamento nel dominio del tempo chiamato Quest nel pacchetto di elaborazione del segnale J-M-R-U-I.

Quest analizza gli spettri utilizzando una combinazione lineare di spettri di singoli metaboliti per eseguire una minimizzazione ai minimi quadrati tra lo spettro stimolato e quello effettivo. Utilizziamo un insieme di base composto da 22 singoli metaboliti come fattori potenzialmente contribuenti. Gli spettri di base sono simulati e convalidati mediante spettri di soluzioni di singoli metaboliti.

Esempi della distribuzione biologica di macrofagi marcati con SPIO ottenuti mediante questi metodi sono mostrati qui con una sovrapposizione della localizzazione delle cellule marcate rilevate con risonanza magnetica in rosso, della localizzazione delle cellule marcate mediante istologia coregistrata in blu e della sovrapposizione in giallo. Al topo erano stati iniettati macrofagi derivati da monociti marcati nella vena della coda. Cinque giorni dopo, è stata acquisita e processata un'immagine di risonanza magnetica pesata in T2* come descritto.

Il topo è stato preparato mediante iniezione nel cervello di macrofagi umani infettati da HIV, che appare come una linea di macrofagi derivati da monociti murini rilevati. Ulteriori esempi sia del rilevamento di cellule marcate sia della co-registrazione con l'istologia sono disponibili nelle nostre pubblicazioni precedenti. Il produttore delle particelle e il test delle loro proprietà biologiche riguardo al loro assorbimento cellulare in sistemi modello di laboratorio sono richiesti e devono essere eseguiti secondo procedure sterili per l'uso in questi studi sugli animali.

Le iniezioni delle formulazioni cariche di cellule devono essere eseguite senza compromettere l'accesso venoso, poiché ciò influirebbe sulla visualizzazione dell'integrazione del biologico cellulare con tecniche di bioimmagine in regioni cerebrali e di altri tessuti, e l'intensa collaborazione interdisciplinare si è rivelata fondamentale per il successo dell'intero progetto. Una volta acquisite, le procedure possono essere completate in due ore, a seconda della disponibilità di personale qualificato per posizionare e calibrare i sistemi durante l'esecuzione della procedura. È importante ricordare di mantenere la sterilità, in modo che i topi fragili e immunocompromessi rimangano vitali per tutta la durata degli studi seriali, alcuni dei quali possono protrarsi per mesi.

Questi metodi hanno gettato le basi per il modo in cui i ricercatori possono esplorare la relazione tra le alterazioni cellulari visualizzate mediante istologia e le anomalie morfologiche, fisiologiche e biochimiche rilevate. L'uso di metodi di neuroimmagine per la co-registrazione dell'istologia nel cervello è complesso e finora è stato realizzato da pochi gruppi. Dopo aver visto questo video.

È necessario comprendere come vengono eseguiti gli esperimenti di imaging cerebrale e coregistrati con l'istologia in un modello murino di malattia. Questo approccio può essere utilizzato per misurare la biodistribuzione di particelle di ossido di ferro superparamagnetico. In alternativa, la risonanza magnetica (MRI) e la spettroscopia localizzata mediante risonanza magnetica possono essere impiegate per monitorare la neurodegenerazione osservata durante i processi patologici.

Gli effetti terapeutici per migliorare i danni cerebrali possono quindi essere valutati in modo sequenziale. L'imaging può essere utilizzato insieme all'istologia per convalidare i risultati sperimentali. Nel complesso, questi metodi forniranno un insieme dinamico e preciso di misure per la nanoparticella, la biodistribuzione e l'efficacia terapeutica.