Summary

Overflade-forstærket resonans Raman spredning Nanoprobe Ratiometry til påvisning af mikroskopiske æggestokkræft via folat Receptor målretning

Published: March 25, 2019
doi:

Summary

Kræft i æggestokkene danner metastaser i hele bughulen. Her præsenterer vi en protokol til at foretage og brug folat-receptor målrettet overflade-forstærket resonans Raman spredning nanoprobes, der afslører disse læsioner med høj specificitet via ratiometric imaging. Nanoprobes er blevet administreret intraperitoneal til levende mus, og de afledte billeder korrelere godt med histologi.

Abstract

Kræft i æggestokkene repræsenterer den dødeligste gynækologisk malignitet. De fleste patienter til stede på et fremskredent stadium (FIGO stadie III eller IV), når lokale metastatisk sprede allerede er indtruffet. Kræft i æggestokkene har imidlertid et entydigt mønster af metastatisk spredning, idet tumor implantater er oprindeligt indeholdt i bughulen. Denne funktion kunne aktivere, i princippet, det komplette resektion af tumor implantater med helbredende hensigt. Mange af disse metastatisk læsioner er mikroskopiske, hvilket gør dem svære at identificere og behandle. Neutralisere sådanne micrometastases menes at være et vigtigt mål mod at fjerne tumor recidiv og opnå langsigtet overlevelse. Raman imaging med overflade forbedret resonans Raman spredning nanoprobes kan bruges til at afgrænse mikroskopiske tumorer med høj følsomhed, på grund af deres lyse og bioorthogonal spektrale signaturer. Her, vi beskrive syntesen af to varianter af sådanne nanoprobes: et antistof-functionalized, der henvender sig til folat receptor — overexpressed i mange ovariecancer — og en ikke-målrettet kontrol nanoprobe, med forskellige spektre. Nanoprobes er co-administreret intraperitoneal til musemodeller af metastatisk menneskelige æggestokkene adenocarcinom. Alle dyreforsøg blev godkendt af institutionelle Animal Care og brug Udvalget af Memorial Sloan Kettering Cancer Center. Bughulen i dyr er kirurgisk udsat, vasket og scannet med en Raman microphotospectrometer. Efterfølgende Raman underskrifter fra de to nanoprobes er afkoblet, ved hjælp af en klassisk mindste kvadraters montering algoritme, og deres respektive scores opdelt til at give et ratiometric signal af folat-målrettet over ikke-målrettede sonder. På denne måde, er mikroskopiske metastaser visualiseret med høj specificitet. Den største fordel ved denne tilgang er, at den lokale ansøgning ind i bughulen — som kan gøres praktisk under den kirurgiske procedure – kan mærke tumorer uden at udsætte patienten for systemisk nanopartikel eksponering. Falsk positive signaler, som stammer fra ikke-specifik binding af nanoprobes på visceral overflader kan elimineres ved at følge en ratiometric tilgang, hvor målrettet og ikke-målrettet nanoprobes med særskilte Raman signaturer er anvendt som en blanding. Proceduren, der er i øjeblikket stadig begrænset af manglen på en kommerciel wide-felt Raman imaging kamerasystem, som engang tilgængelige vil give mulighed for anvendelse af denne teknik i teatret drift.

Introduction

Raman imaging med overflade forbedret Raman spredning (SERS) nanopartikler har vist lovende i skildrer læsioner i en række indstillinger og for mange forskellige tumor typer1,2,3,4 . Den største fordel ved SERS nanopartikler er deres fingeraftryk-lignende spektrale signatur, giver dem ubestridelige registrering, der ikke er forvirret af biologiske baggrund signaler5. Derudover intensiteten af det udsendte signal forstærkes yderligere med brug af reporter molekyler (farvestoffer) med absorbans maxima i overensstemmelse med excitation laser, giver anledning til overflade forbedret resonans Raman spredning (SERRS) nanopartikler med endnu større følsomhed6,7,8,9,10,11,12.

En barriere, der skal løses for vedtagelse af SE(R)RS nanopartikler13 og mange andre nanopartikel konstruktioner14,15 til klinisk brug er deres tilstand af administration, som intravenøs injektion forårsager systemisk eksponering af agent, og nødvendiggør omfattende test for at udelukke potentielle skadevirkninger. I denne artikel, vi præsenterer en anden paradigme baseret på anvendelsen af nanopartikler lokalt i vivo, direkte ind i bughulen under operationen, efterfulgt af en vask skridt til at fjerne enhver ubundne nanopartikler1. Denne tilgang er i overensstemmelse med roman terapeutiske tilgange, der er i øjeblikket under efterforskning, der også gør brug af lokale instillation af agenter ind i bughulen, kaldet hyperthermic intraperitoneal kemoterapi (HIPEC). Derfor, selve princippet bør være relativt let at integrere i en klinisk arbejdsproces. Vi har studeret biodistribution af nanopartikler efter intraperitoneal ansøgningen, og har ikke observeret nogen påviselig absorption i systemisk cirkulation1. Derudover omgår lokale ansøgning tilgang binding af nanopartikler af Retikuloendoteliale system, så antallet af nanopartikler kræves reduceres markant. Men, når det påføres topisk, antistof-functionalized nanopartikler tendens til at holde sig på de viscerale overflader selv i mangel af deres mål. For at minimere falske positive signaler på grund af ikke-specifik nanopartikel vedhæftning, forfølger vi en ratiometric tilgang, hvor et molekylært målrettet nanoprobe giver den specifikke signal og en ikke-målrettet kontrol nanoprobe, med forskellige Raman spektrum, regnskaber for ikke-specifikke baggrund16,17. Vi har vist denne metode af topikalt overflade forbedret resonans Raman ratiometric spektroskopi for nylig i en musemodel af diffuse æggestokkræft1.

Det overordnede mål med denne metode er at udvikle to SERRS nanoprobes, en målrettet og en ikke-specifik, skal anvendes lokalt i musemodeller, for at billede prævalens/overekspression af en cancer-relaterede biomarkør ved hjælp af ratiometric påvisning af de to sonder via Raman imaging. I dette arbejde, blev folat receptor (FR) valgt som mål, da dette er en markør upregulated i mange ovariecancer18,19. Raman microimaging med SERS-baserede nanopartikler er også blevet påvist for kræft celle identifikation20. To forskellige “varianter” af Raman nanopartikler er syntetiseret, hver der følger sit fingeraftryk fra en forskellige økologiske farvestof. Nanopartikler består af en stjerne-formet guld kerne omgivet af en silica shell og demonstrere overflade plasmon resonans på ca 710 nm. Raman reporter (økologisk farvestof) deponeres samtidig med dannelsen af silica shell. Endelig til den FR-målrettet nanoprobes (αFR-NPs) er silica shell konjugeret med antistoffer, der henviser til, at de ikke-målrettet nanoprobes (nt-NPs) er passivated med en éncellelag af polyethylenglycol (PEG).

Denne teknik var med held bruges til at knytte mikroskopiske tumorer i mus xenograft model af diffuse metastatisk kræft i æggestokkene (SKOV-3), viser sin anvendelighed til in vivo brug. Det kan også udvides til anvendelse i skåret væv, tumor fænotyper eller margin bestemmelse efter debulking som vist i en beslægtet undersøgelse21.

SERRS nanoprobes skabe en robust platform for oprettelsen af flere målrettede tags for biomarkører, syntetiseret med enkle kemiske reaktioner som skitseret skematisk i figur 1. Vi præsenterer her, protokol for syntesen af de to typer af SERRS nanoprobes (afsnit 1-3), udviklingen af en passende æggestokkræft musemodel (afsnit 4), administration af nanoprobes og billeddannelse (afsnit 5), og endelig dataanalyse og visualisering (afsnit 6).

Protocol

Alle dyreforsøg blev godkendt af institutionelle Animal Care og brug Udvalget af Memorial Sloan Kettering Cancer Center (#06-07-011). 1. guld Nanostar kerne syntese Bemærk: Guld nanostars bruges som kerner til begge varianter af SERRS nanoprobes anvendes i dette eksperiment. Forberede 800 mL af 60 mM ascorbinsyre (C6H8O6) løsning i ionbyttet (DI) vand og 8 mL af 20 mM tetrachloroauric syre (HAuCl4</…

Representative Results

For kvalitetskontrollen, kan at nanopartikler karakteriseres ved hjælp af en række metoder under syntese processen, herunder TEM, DLS, nanopartikel tracking analyse og UV/Vis absorbans spektroskopi, som vist i figur 2. På denne måde, størrelsen af guld nanostar core (beskrevet i afsnit 1), dannelsen af silica shell (afsnit 2) og efterfølgende overflade functionalization (afsnit 3) kan være ko…

Discussion

Protokollen beskrevet her giver instruktion for syntesen af to “varianter” af SERRS nanoprobes, og deres beskæftigelse i mus for Raman imaging af æggestokkene tumor overekspression folat Receptor, bruger en ratiometric algoritme. Den største fordel af Raman imaging over andre optiske billeddannelse teknikker (såsom fluorescens) er det nanoprobe signal, som ikke kan blive forvirret med alle signaler af biologisk oprindelse høj specificitet. I dette legemliggørelse af Raman imaging, er nanopartikler ikke administrere…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De følgende finansieringskilder (til M.F.K.) anerkendes: NIH R01 EB017748, R01 CA222836 og K08 CA16396; Damon Runyon-Rachleff Innovation Award DRR-29-14, Pershing Square Sohn præmie ved Pershing Square Sohn Cancer Research Alliance og MSKCC Center for molekylær billeddannelse & nanoteknologi (CMINT) og den teknologiske udvikling giver. Bekræftelser er også udvidet til MSKCC NIH Core Grant (P30-CA008748) tilskud støtte.

Materials

Name of Reagent
Ascorbic acid Sigma-Aldrich A5960
3-MPTMS Sigma-Aldrich 175617
Ammonium hydroxide (28%) Sigma-Aldrich 338818
Anti-Folate Receptor antibody [LK26]  AbCam ab3361
Dimethyl sulfoxide Sigma-Aldrich 276855
Dimethyl sulfoxide (anhydrous) Sigma-Aldrich 276855
Ethanol Sigma-Aldrich 792780
IR140 Sigma-Aldrich 260932
IR780 perchlorate* Sigma-Aldrich 576409 Discontinued*
Isopropanol Sigma-Aldrich 650447
N.N.Dimethylformamide Sigma-Aldrich 227056
PEG crosslinker Sigma-Aldrich 757853
PEG-maleimide Sigma-Aldrich 900339
Tetrachloroauric Acid Sigma-Aldrich 244597
Tetraethyl Orthosilicate Sigma-Aldrich 86578
*IR792 Sigma-Aldrich 425982 *Alternative
Name of Equipment
Dialysis cassette (3,500 MWCO) ThermoFIsher 87724
Centrifugal filters Millipore UFC510096
inVia confocal Raman microscope Renishaw
MATLAB (v2014b) Mathworks
PLS Toolbox (v8.0) Eigenvector research

References

  1. Oseledchyk, A., Andreou, C., Wall, M. A., Kircher, M. F. Folate-Targeted Surface-Enhanced Resonance Raman Scattering Nanoprobe Ratiometry for Detection of Microscopic Ovarian Cancer. ACS Nano. 11 (2), 1488-1497 (2017).
  2. Andreou, C., et al. Imaging of Liver Tumors Using Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoparticles. ACS Nano. 10 (5), 5015-5026 (2016).
  3. Karabeber, H., et al. Guiding brain tumor resection using surface-enhanced Raman scattering nanoparticles and a hand-held Raman scanner. ACS Nano. 8 (10), 9755-9766 (2014).
  4. Kircher, M. F., et al. A brain tumor molecular imaging strategy using a new triple-modality MRI-photoacoustic-Raman nanoparticle. Nature Medicine. 18 (5), 829-834 (2012).
  5. Andreou, C., Kishore, S. A., Kircher, M. F. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy: A New Modality for Cancer Imaging. Journal of Nuclear Medicine. 56 (9), 1295-1299 (2015).
  6. Harmsen, S., et al. Rational design of a chalcogenopyrylium-based surface-enhanced resonance Raman scattering nanoprobe with attomolar sensitivity. Nature Communications. 6, 6570 (2015).
  7. Harmsen, S., et al. Surface-enhanced resonance Raman scattering nanostars for high-precision cancer imaging. Science Translational Medicine. 7 (271), 271ra277 (2015).
  8. Harmsen, S., Wall, M. A., Huang, R., Kircher, M. F. Cancer imaging using surface-enhanced resonance Raman scattering nanoparticles. Nature Protocols. 12 (7), 1400-1414 (2017).
  9. Huang, R., et al. High Precision Imaging of Microscopic Spread of Glioblastoma with a Targeted Ultrasensitive SERRS Molecular Imaging Probe. Theranostics. 6 (8), 1075-1084 (2016).
  10. Iacono, P., Karabeber, H., Kircher, M. F. A "schizophotonic" all-in-one nanoparticle coating for multiplexed SE(R)RS biomedical imaging. Angewandte Chemie, International Edition in English. 53 (44), 11756-11761 (2014).
  11. Spaliviero, M., et al. Detection of Lymph Node Metastases with SERRS Nanoparticles. Molecular Imaging and Biology. 18 (5), 677-685 (2016).
  12. Nayak, T. R., et al. Tissue factor-specific ultra-bright SERRS nanostars for Raman detection of pulmonary micrometastases. Nanoscale. 9 (3), 1110-1119 (2017).
  13. Thakor, A. S., et al. The fate and toxicity of Raman-active silica-gold nanoparticles in mice. Science Translational Medicine. 3 (79), 79ra33 (2011).
  14. Liu, J., et al. Effects of Cd-based Quantum Dot Exposure on the Reproduction and Offspring of Kunming Mice over Multiple Generations. Nanotheranostics. 1 (1), 23-37 (2017).
  15. Wu, N., et al. The biocompatibility studies of polymer dots on pregnant mice and fetuses. Nanotheranostics. 1 (3), 261-271 (2017).
  16. Garai, E., et al. High-sensitivity real-time, ratiometric imaging of surface-enhanced Raman scattering nanoparticles with a clinically translatable Raman endoscope device. Journal of Biomedical Optics. 18 (9), 096008 (2013).
  17. Wang, Y. W., et al. Rapid ratiometric biomarker detection with topically applied SERS nanoparticles. Technology (Singap World Sci). 2 (2), 118-132 (2014).
  18. Lengyel, E. Ovarian cancer development and metastasis. American Journal of Pathology. 177 (3), 1053-1064 (2010).
  19. Vergote, I. B., Marth, C., Coleman, R. L. Role of the folate receptor in ovarian cancer treatment: evidence, mechanism, and clinical implications. Cancer and Metastasis Reviews. 34 (1), 41-52 (2015).
  20. Fasolato, C., et al. Folate-based single cell screening using surface enhanced Raman microimaging. Nanoscale. 8 (39), 17304-17313 (2016).
  21. Wang, Y. W., et al. Raman-Encoded Molecular Imaging with Topically Applied SERS Nanoparticles for Intraoperative Guidance of Lumpectomy. Cancer Research. 77 (16), 4506-4516 (2017).
  22. Andreou, C., Pal, S., Rotter, L., Yang, J., Kircher, M. F. Molecular Imaging in Nanotechnology and Theranostics. Molecular Imaging and Biology. 19 (3), 363-372 (2017).
  23. Chitgupi, U., Qin, Y., Lovell, J. F. Targeted Nanomaterials for Phototherapy. Nanotheranostics. 1 (1), 38-58 (2017).
  24. Choi, D., et al. Iodinated Echogenic Glycol Chitosan Nanoparticles for X-ray CT/US Dual Imaging of Tumor. Nanotheranostics. 2 (2), 117-127 (2018).
  25. Dubey, R. D., et al. Novel Hyaluronic Acid Conjugates for Dual Nuclear Imaging and Therapy in CD44-Expressing Tumors in Mice In Vivo. Nanotheranostics. 1 (1), 59-79 (2017).
  26. Gupta, M. K., et al. Recent strategies to design vascular theranostic nanoparticles. Nanotheranostics. 1 (2), 166-177 (2017).
  27. Huang, Y. J., Hsu, S. H. TRAIL-functionalized gold nanoparticles selectively trigger apoptosis in polarized macrophages. Nanotheranostics. 1 (3), 326-337 (2017).
  28. Pal, S., Harmsen, S., Oseledchyk, A., Hsu, H. T., Kircher, M. F. MUC1 Aptamer Targeted SERS Nanoprobes. Advanced Functional Materials. 27 (32), (2017).
  29. Zanganeh, S., et al. Iron oxide nanoparticles inhibit tumour growth by inducing pro-inflammatory macrophage polarization in tumour tissues. Nat Nanotechnol. 11 (11), 986-994 (2016).
  30. Lee, J., Lee, Y. M., Kim, J., Kim, W. J. Doxorubicin/Ce6-Loaded Nanoparticle Coated with Polymer via Singlet Oxygen-Sensitive Linker for Photodynamically Assisted Chemotherapy. Nanotheranostics. 1 (2), 196-207 (2017).
  31. Li, R., Zheng, K., Yuan, C., Chen, Z., Huang, M. Be Active or Not: the Relative Contribution of Active and Passive Tumor Targeting of Nanomaterials. Nanotheranostics. 1 (4), 346-357 (2017).
  32. Lin, S. Y., Huang, R. Y., Liao, W. C., Chuang, C. C., Chang, C. W. Multifunctional PEGylated Albumin/IR780/Iron Oxide Nanocomplexes for Cancer Photothermal Therapy and MR Imaging. Nanotheranostics. 2 (2), 106-116 (2018).
  33. Roberts, S., et al. Sonophore-enhanced nanoemulsions for optoacoustic imaging of cancer. Chemical Science (Royal Society of Chemistry: 2010). 9 (25), 5646-5657 (2018).
  34. Liu, L., Ruan, Z., Yuan, P., Li, T., Yan, L. Oxygen Self-Sufficient Amphiphilic Polypeptide Nanoparticles Encapsulating BODIPY for Potential Near Infrared Imaging-guided Photodynamic Therapy at Low Energy. Nanotheranostics. 2 (1), 59-69 (2018).
  35. Liu, R., Tang, J., Xu, Y., Zhou, Y., Dai, Z. Nano-sized Indocyanine Green J-aggregate as a One-component Theranostic Agent. Nanotheranostics. 1 (4), 430-439 (2017).
  36. Sneider, A., VanDyke, D., Paliwal, S., Rai, P. Remotely Triggered Nano-Theranostics For Cancer Applications. Nanotheranostics. 1 (1), 1-22 (2017).
  37. Wall, M. A., et al. Surfactant-Free Shape Control of Gold Nanoparticles Enabled by Unified Theoretical Framework of Nanocrystal Synthesis. Advanced Materials. 29 (21), (2017).
  38. Sonali, , et al. Nanotheranostics: Emerging Strategies for Early Diagnosis and Therapy of Brain Cancer. Nanotheranostics. 2 (1), 70-86 (2018).

Play Video

Cite This Article
Andreou, C., Oseledchyk, A., Nicolson, F., Berisha, N., Pal, S., Kircher, M. F. Surface-enhanced Resonance Raman Scattering Nanoprobe Ratiometry for Detecting Microscopic Ovarian Cancer via Folate Receptor Targeting. J. Vis. Exp. (145), e58389, doi:10.3791/58389 (2019).

View Video