Syntesen av 68Ga Core-dopade järnoxid nanopartiklar för dubbla positronemissionstomografi / (T1) Magnetic Resonance Imaging
Summary
Här presenterar vi ett protokoll att erhålla68Ga core-dopade järnoxid nanopartiklar via snabbt mikrovågsugn-driven syntes. Metoden gör PET / (T1) MRI nanopartiklar med radiolabeling effektivitet högre än 90% och radiokemisk renhet av 99% i en 20-minuters syntes.
Abstract
Här beskriver vi en mikrovågsugn syntes för att erhålla järnoxid nanopartiklar core-dopade med 68-Ga. mikrovågsugn tekniken gör snabba och reproducerbara syntetiska förfaranden. I det här fallet, start från FeCl3 och citrat trinatrium salt, järnoxid nanopartiklar belagd med citronsyra erhålls i 10 min i mikron. Dessa nanopartiklar presenterar en liten kärna storlek 4.2 ± 1,1 nm och en hydrodynamisk storlek 7,5 ± 2,1 Nm. Dessutom har de en hög längsgående relaxiviteten (r1) 11,9 mM-1·s-1 och en blygsam tvärgående relaxiviteten värdet (r2) 22.9 mM-1·s-1, vilket resulterar i en låg r2 /r1 förhållandet mellan 1,9. Dessa värden att positiv kontrast generationen i magnetisk resonanstomografi (MRT) istället för negativ kontrast, vanligen används med järnoxid nanopartiklar. Dessutom, om en 68GaCl3 eluering från en 68Ge /68Ga generator läggs till utgångsmaterial, en nano-radiotracer dopade med 68Ga erhålls. Produkten erhålls med en hög radiolabeling avkastning (> 90%), oavsett den ursprungliga aktiviteten används. Dessutom en enda reningssteg återger den nano-radiomaterial redo att vara används i vivo.
Introduction
Kombinationen av avbildningstekniker för medicinska ändamål har utlöst strävan efter olika metoder att syntetisera multimodala sonder1,2,3. På grund av känsligheten i positronemissionstomografi (PET) skannrar och den rumsliga upplösningen i MRI verkar PET/Mr kombinationer vara en av de mest attraktiva möjligheter, anatomisk och funktionell information på samma tid4. I MRI, T2-viktade sekvenser kan användas, mörknande vävnader där de ackumuleras. T1-viktade sekvenser kan också användas, producerar den ljusnande av specifika ackumulering läge5. Bland dem är positiv kontrast ofta det mest lämpliga alternativet, eftersom negativ kontrast gör det mycket svårare att skilja signal från endogena hypointensiva områden, inklusive de ofta presenteras av organ såsom lungor6. Gd-baserade molekylär sonder har traditionellt varit anställd att få positiv kontrast. Gd-baserade kontrastmedel presenterar dock en stor nackdel, nämligen deras toxicitet, vilket är avgörande i patienter med njur problem7,8,9. Detta har motiverad forskning i syntesen av biokompatibla material för deras användning som T1 kontrastmedel. En intressant strategi är användningen av järnoxid nanopartiklar (IONPs), med en extremt liten kärna storlek, som ger positiv kontrast10. På grund av detta extremt liten kärna (~ 2 nm), de flesta av Fe3 + joner är på ytan, med 5 oparade elektroner varje. Detta ökar längsgående avkoppling tid (r1) värden och avkastning mycket lägre transversala/längsgående (r2/r1) nyckeltal jämfört med traditionella IONPs, producerar de önska positiva kontrast11.
För att kombinera IONPs med en positron sändare för husdjur, det finns två viktiga frågor att beakta: radioisotop val och nanopartiklar radiolabeling. Angående den första frågan är 68Ga en lockande val. Den har en relativt kort halveringstid (67,8 min). Dess halveringstid är lämplig för peptid märkning eftersom det matchar vanliga peptid biodistribution gånger. Dessutom produceras 68Ga i en generator, aktivera syntesen i bänk moduler och undvika behovet av en cyklotron i närheten12,13,14. För att radiomärkas nanopartikelportföljen, är surface-märkning radioisotop införlivandet förhärskande strategin. Detta kan göras med hjälp av en ligand som kelater 68Ga eller utnyttja frändskapet av radiometal mot ytan av nanopartikelportföljen. De flesta exemplen i litteraturen om IONPs använder en kelator. Det finns exempel på användning av heterocykliska ligander som 1,4,7,10-tetraazacyklododekan-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA)15, 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid (NOTA)16,17och 1,4,7- triazacyclononane, 1-glutaric acid-4,7-ättiksyra (NODAGA)18och användningen av 2,3-dicarboxypropane-1,1-diphosphonic syra (DPD), en tetradentate ligand 19. Madru et al. 20 utvecklat en kelator-gratis strategi under 2014 till etikett IONPs med en kelator-fri metod används av en annan grupp posteriort21.
Dock stora nackdelar med denna metod inkluderar en hög risk för i vivo transmetalation, låg radiolabeling avkastning och långa protokoll olämpliga för kortlivade isotoper22,23,24. Av denna anledning, Wong et al. 25 utvecklat det första exemplet på core-dopade nanopartiklar, hantera att införliva 64Cu i kärnan av IONPs i en 5-min syntes använder mikrovågsteknik.
Här beskriver vi ett snabbt och effektivt förfarande för att införliva radionukliden i kärnan av nanopartikelportföljen, undkommer många av nackdelarna presenteras av traditionella metoder. För detta ändamål föreslår vi användning av en mikrovågsugn-driven syntes (MWS), som minskar reaktionstider avsevärt ökar avkastningen och förbättrar reproducerbarhet, kritiskt viktiga parametrar i IONP syntes. MWS raffinerad prestanda beror på dielektrisk uppvärmning: snabb prov värme som molekylär dipoler försöker justera med alternerande elektriska fältet är polära lösningsmedel och reagenser effektivare för denna typ av syntes. Dessutom, användning av citronsyra som en tensid, tillsammans med mikrovågsteknik, resulterar i extremt små nanopartiklar, producerar en dual T1-vägda MRI och husdjur26 signal, häri betecknas som 68Ga Core-dopade järnoxid nanopartiklar (68Ga-C-IONP).
Protokollet kombinerar användandet av mikrovågsteknik, 68GaCl3 som positron emitter, järn natriumklorid, natriumcitrat och hydrazin hydrat, vilket resulterar i dubbla T1-vägt MRI/PET nanoparticulate material i knappt 20 min. Dessutom ger det konsekventa resultat över en rad 68Ga aktiviteter (37 MBq, 111 MBq, 370 MBq och 1110 MBq) med inga signifikanta effekter på de viktigaste fysikalisk-kemiska egenskaperna hos nanopartiklarna. Reproducerbarheten för metoden som använder hög 68Ga aktiviteter utökar området för möjliga tillämpningar, inklusive stora djurmodeller eller studier på människa. Dessutom finns det en enda reningssteg som ingår i metoden. I processen, något överskott av fri gallium, järn natriumklorid, natriumcitrat och hydrazin hydrat avlägsnas genom gelfiltrering. Totala gratis isotopen eliminering och renheten i provet säkerställa ingen toxicitet och förbättra imaging upplösning. Tidigare har vi redan visat nyttan av detta tillvägagångssätt i riktade molekylär imaging27,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Järnoxid nanopartiklar är en väletablerad kontrastmedel för T2-vägt MRI. På grund av nackdelarna med denna typ av kontrast för diagnos av vissa sjukdomar, T1-vägda eller ljusa kontrast är många gånger att föredra. De nanopartiklar som presenteras här inte bara övervinna dessa begränsningar genom att erbjuda positiv kontrast i MRI men erbjuder också en signal i en funktionell imaging teknik, såsom PET, via 68Ga inkorporering i sin kärna. Mikrovågsugn-tekniken f?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av ett bidrag från det spanska ministeriet för ekonomi och konkurrenskraft (MEyC) (bevilja nummer: SAF2016-79593-P) och från Carlos III Health Research Institute (bevilja nummer: DTS16/00059). CNIC stöds av den Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades) och stiftelsen CNIC Pro och är en Severo Ochoa Centre of Excellence (MEIC award SEV-2015-0505).
Materials
| Iron (III) chloride hexahydrate | POCH | 2317294 | |
| Citric acid, trisodium salt dihydrate 99% | Acros organics | 227130010 | |
| Hydrazine hydrate | Aldrich | 225819 | |
| Hydrochloric acid 37% | Fisher Scientific | 10000180 | |
| Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | Aldrich | S9638 | |
| Disodium phosphate dibasic | Aldrich | S7907 | |
| Sodium chloride | Aldrich | 746398 | |
| Sodium Azide | Aldrich | S2002 | |
| Sodium dihydrogen phosphate anhydrous | POCH | 799200119 | |
| 68Ga Chloride | ITG Isotope Technologies Garching GmbH, Germany | 68Ge/68Ga generator system | |
| Microwave | Anton Paar | Monowave 300 | |
| Centrifuge | Hettich | Universal 320 | |
| Size Exclusion columns | GE Healthcare | PD-10 |
References
- Jennings, L. E., Long, N. J. ‘Two is better than one’–probes for dual-modality molecular imaging. Chemical Communications. (24), 3511-3524 (2009).
- Lee, S., Chen, X. Dual-modality probes for in vivo molecular imaging. Molecular Imaging. 8 (2), 87-100 (2009).
- Louie, A. Multimodality Imaging Probes: Design and Challenges. Chemical Reviews. 110 (5), 3146-3195 (2010).
- Judenhofer, M. S., et al. Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging. Nature Medicine. 14 (4), 459-465 (2008).
- Burtea, C., Laurent, S., Vander Elst, L., Muller, R. N. Contrast agents: magnetic resonance. Handbook of Experimental Pharmacology. (185 Pt 1), 135-165 (2008).
- Zhao, X., Zhao, H., Chen, Z., Lan, M. Ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging contrast agent. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 14 (1), 210-220 (2014).
- Cheng, W., et al. Complementary Strategies for Developing Gd-Free High-Field T 1 MRI Contrast Agents Based on Mn III Porphyrins. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (2), 516-520 (2014).
- Kim, H. -. K., et al. Gd-complexes of macrocyclic DTPA conjugates of 1,1′-bis(amino)ferrocenes as high relaxivity MRI blood-pool contrast agents (BPCAs). Chemical Communications. 46 (44), 8442 (2010).
- Sanyal, S., Marckmann, P., Scherer, S., Abraham, J. L. Multiorgan gadolinium (Gd) deposition and fibrosis in a patient with nephrogenic systemic fibrosis–an autopsy-based review. Nephrology, Dialysis, Transplantation: Official Publication of the European Dialysis and Transplant Association – European Renal Association. 26 (11), 3616-3626 (2011).
- Hu, F., Jia, Q., Li, Y., Gao, M. Facile synthesis of ultrasmall PEGylated iron oxide nanoparticles for dual-contrast T1- and T2-weighted magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 22, 245604 (2011).
- Kim, B. H., et al. Large-Scale Synthesis of Uniform and Extremely Small-Sized Iron Oxide Nanoparticles for High-Resolution T 1 Magnetic Resonance Imaging Contrast Agents. Journal of the American Chemical Society. 133 (32), 12624-12631 (2011).
- Banerjee, S. R., Pomper, M. G. Clinical applications of Gallium-68. Applied Radiation and Isotopes. 76, 2-13 (2013).
- Breeman, W. A. P., et al. 68Ga-labeled DOTA-Peptides and 68Ga-labeled Radiopharmaceuticals for Positron Emission Tomography: Current Status of Research, Clinical Applications, and Future Perspectives. Seminars in Nuclear Medicine. 41 (4), 314-321 (2011).
- Morgat, C., Hindié, E., Mishra, A. K., Allard, M., Fernandez, P. Gallium-68: chemistry and radiolabeled peptides exploring different oncogenic pathways. Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals. 28 (2), 85-97 (2013).
- Moon, S. -. H., et al. Development of a complementary PET/MR dual-modal imaging probe for targeting prostate-specific membrane antigen (PSMA). Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 12 (4), 871-879 (2016).
- Kim, S. M., et al. Hybrid PET/MR imaging of tumors using an oleanolic acid-conjugated nanoparticle. Biomaterials. 34 (33), 8114-8121 (2013).
- Yang, B. Y., et al. Development of a multimodal imaging probe by encapsulating iron oxide nanoparticles with functionalized amphiphiles for lymph node imaging. Nanomedicine. 10 (12), 1899-1910 (2015).
- Comes Franchini, M., et al. Biocompatible nanocomposite for PET/MRI hybrid imaging. International Journal of Nanomedicine. 7, 6021 (2012).
- Karageorgou, M., et al. Gallium-68 Labeled Iron Oxide Nanoparticles Coated with 2,3-Dicarboxypropane-1,1-diphosphonic Acid as a Potential PET/MR Imaging Agent: A Proof-of-Concept Study. Contrast Media & Molecular Imaging. 2017, 1-13 (2017).
- Madru, R., et al. (68)Ga-labeled superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for multi-modality PET/MR/Cherenkov luminescence imaging of sentinel lymph nodes. American Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 4 (1), 60-69 (2013).
- Lahooti, A., et al. PEGylated superparamagnetic iron oxide nanoparticles labeled with 68Ga as a PET/MRI contrast agent: a biodistribution study. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 311 (1), 769-774 (2017).
- Lee, H. -. Y., et al. PET/MRI dual-modality tumor imaging using arginine-glycine-aspartic (RGD)-conjugated radiolabeled iron oxide nanoparticles. Journal of Nuclear Medicine. 49 (8), 1371-1379 (2008).
- Patel, D., et al. The cell labeling efficacy, cytotoxicity and relaxivity of copper-activated MRI/PET imaging contrast agents. Biomaterials. 32 (4), 1167-1176 (2011).
- Choi, J., et al. A Hybrid Nanoparticle Probe for Dual-Modality Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging. Angewandte Chemie International Edition. 47 (33), 6259-6262 (2008).
- Wong, R. M., et al. Rapid size-controlled synthesis of dextran-coated, 64Cu-doped iron oxide nanoparticles. ACS Nano. 6 (4), 3461-3467 (2012).
- Osborne, E. A., et al. Rapid microwave-assisted synthesis of dextran-coated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 23 (21), 215602 (2012).
- Pellico, J., et al. Fast synthesis and bioconjugation of 68 Ga core-doped extremely small iron oxide nanoparticles for PET/MR imaging. Contrast Media & Molecular Imaging. 11 (3), 203-210 (2016).
- Pellico, J., et al. In vivo imaging of lung inflammation with neutrophil-specific 68Ga nano-radiotracer. Scientific Reports. 7 (1), 13242 (2017).
