ראמאן תהודה משופרת השטח פיזור Nanoprobe Ratiometry לגילוי סרטן השחלות מיקרוסקופיים באמצעות חומצה פולית קולטן מיקוד
Summary
סרטן השחלות טפסים גרורות לאורך כל חלל הצפק. כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי להפוך, שימוש חומצה פולית-קולטן ממוקד תהודה משופרת משטח nanoprobes פיזור ראמאן לגלות נגעים עם ירידה לפרטים גבוהה באמצעות הדמיה רציומטרי. Nanoprobes מנוהלים intraperitoneally חי לעכברים, הדימויים נגזר לתאם עם היסטולוגיה.
Abstract
סרטן השחלות מייצג הגידול גניקולוגיות הקטלני ביותר. רוב החולים להציג בשלב מתקדם (פיגו שלב III או IV), כאשר מקומית גרורתי מורחים כבר התרחשה. עם זאת, סרטן השחלות יש תבנית ייחודית של התפשטות גרורתית, כי שתלים גידול נכללות בתחילה חלל הצפק. תכונה זו עלולה לאפשר, עקרונית, על כריתה מלאה של הגידול שתלים עם כוונת המרפא. רבים נגעים גרורתי הם מיקרוסקופיים, שהופך אותם קשה לזהות ולטפל. נטרול micrometastases כזה הוא האמין להיות יעד מרכזי לקראת חיסול הישנות הגידול ולהשיג ההישרדות לטווח ארוך. ראמאן הדמיה עם משטח תהודה משופרת nanoprobes פיזור ראמאן ניתן להתוות מיקרוסקופיים גידולים עם רגישות גבוהה, בשל שלהם בהיר, חתימות ספקטרליות bioorthogonal. כאן, אנו מתארים את הסינתזה של שני ‘טעמים’ של nanoprobes כזה: סטריאוטיפ functionalized-נוגדן שמכוונת את הקולטן חומצה פולית – overexpressed בסרטן השחלות רבים — ואת nanoprobe של שליטה שאינן ממוקדות, עם ספקטרה ברורים. Nanoprobes הם שיתוף בניהול intraperitoneally את העכבר דגמי גרורתי אדנוקרצינומה השחלות אנושי. מחקרים שנעשו בבעלי חיים כל אושרו על ידי טיפול בעלי חיים מוסדיים ועל שימוש הוועדה של ממוריאל סלואן קטרינג במרכז לחקר הסרטן. חלל הצפק החיות בניתוח חשוף, שטף, סריקה עם microphotospectrometer ראמאן. לאחר מכן, החתימות ראמאן של nanoprobes שני decoupled שימוש באלגוריתם התאמת הריבועים הפחותים קלאסית, ציוני הקבלה שלהם בהתאמה לחלק לספק אות רציומטרי של חומצה פולית, ממוקדות על הגששים untargeted. בדרך זו, גרורות מיקרוסקופיות הם דמיינו עם ירידה לפרטים גבוה. היתרון העיקרי של גישה זו הוא כי יישום מקומי לתוך חלל הצפק — אשר יכול להיעשות באופן נוח במהלך הליך כירורגי — ניתן לתייג גידולים בלי החולה לחשיפה nanoparticle מערכתית. חיובי כוזב אותות הנובעות שאינם ספציפיים עקידת nanoprobes על גבי משטחים הקרביים ניתן לסלק על-ידי ביצוע בגישה רציומטרי שבו מוחלות nanoprobes לסריקה והתיקיות שאינן ממוקדות עם חתימות ראמאן ברורים כמו תערובת. ההליך כיום עדיין מוגבל על ידי חוסר ראמאן רחב-שדה מסחרי מערכת המצלמה, שיאפשר פעם זמין עבור היישום של טכניקה זו בתיאטרון ההפעלה הדמיה.
Introduction
ראמאן הדמיה עם ‘פיזור ראמאן משופרת משטח’ חלקיקים (SERS) הראו הבטחה גדולה ב בהתוויית נגעים במגוון של הגדרות וסוגי לגידול שונים רבים1,2,3,4 . היתרון העיקרי של חלקיקים SERS היא חתימה ספקטרלי שלהם, כמו טביעות אצבע, מנקר אותם unquestionable זיהוי זה הוא לא מבולבל על ידי הרקע הביולוגי אותות5. בנוסף, עוצמת האות הנפלט עוד יותר מוגבר עם השימוש של מולקולות כתב (צבעים) עם ספיגת maxima בקנה אחד עם הלייזר עירור, והוליד “פיזור משופר משטח תהודה ראמאן” (SERRS) חלקיקים עם אפילו יותר רגישות6,7,8,9,10,11,12.
מכשול אחד צריך לטפל עבור האימוץ של חלקיקים SE(R)RS13 ו רבים אחרים nanoparticle בונה14,15 לשימוש קליני הוא שלהם במצב של הממשל, כפי לעירוי הזרקה גורמת מערכתית חשיפת הסוכן, ולא מחייבת בדיקות מקיפות כדי לא לכלול תופעות לוואי אפשריות. במאמר זה, אנו מציגים פרדיגמה שונה המבוססת על היישום של חלקיקים באופן מקומי ויוו, ישירות לתוך חלל הצפק במהלך הניתוח, ואחריו צעד כביסה כדי להסיר את כל חלקיקי לא מאוגדת1. גישה זו עולה בקנה אחד עם רומן גישות טיפוליות הנמצאות תחת חקירה גם שימוש מקומי החדרה של סוכנים לתוך חלל הצפק, נקרא כימותרפיה מחוממת בקרום הבטן (HIPEC). לכן, העיקרון עצמו צריך להיות קל יחסית לשלב לתוך זרימת עבודה קלינית. חקרו את biodistribution של חלקיקים לאחר היישום בקרום הבטן, ואנו לא מקיימות בכל ספיגתו מחזור מערכתי1לזיהוי. בנוסף, הגישה יישום מקומי עוקף את פחמיות של חלקיקים על ידי מערכת reticuloendothelial, כך המספרים של חלקיקים נדרש מופחתים בצורה ניכרת. עם זאת, כאשר למריחה על העור, חלקיקים functionalized-נוגדן נוטים לדבוק על כל אחד מהמשטחים הקרביים אפילו בהיעדר המטרה שלהם. על מנת למזער את אותות חיובי כוזב עקב הידבקות nanoparticle שאינם ספציפיים, אנחנו רודפים אחרי בגישה רציומטרי, איפה nanoprobe מולקולרי יישוב מספק את האות ספציפי, nanoprobe של שליטה שאינן ממוקדות, עם ספקטרום ראמאן שונה, חשבונות שאינם ספציפיים רקע16,17. הראו מתודולוגיה זו של תהודה משופרת משטח למריחה ספקטרוסקופיית ראמאן רציומטרי לאחרונה במודל של עכברים של סרטן השחלות ‘ מאטום לשקוף ‘1.
המטרה הכוללת של שיטה זו היא לפתח שני nanoprobes SERRS, אחד ממוקד, אחד שאינם ספציפיים, להיות מיושם באופן מקומי במודלים של העכבר, על מנת תמונה של ביטוי/השכיחות של סרטן הקשורים סמן באמצעות זיהוי רציומטרי של שני רגשים ויה ראמאן הדמיה. בעבודה זאת, הקולטן חומצה פולית (FR) נבחרה כיעד, כמו זה upregulated סמן סרטן השחלות רבים18,19. Microimaging ראמאן עם חלקיקים מבוססי SERS הוכח גם עבור סרטן תאים זיהוי20. שלושה ייחודי “טעמים” של ראמאן חלקיקים הם מסונתז, אחד הנובעות טביעות האצבע שלה צבע אורגניים שונים. חלקיקים מורכב בצורת כוכב זהב גרעין מוקף פגז סיליקה ומדגימים פלזמון משטח תהודה כ 710 ננומטר. הכתב ראמאן (צבען אורגני) הוא להפקיד במקביל להיווצרות מעטפת סיליקה. לבסוף, עבור nanoprobes, ממוקדות FR (αFR-NPs) הפגז סיליקה הוא מצומדת עם נוגדנים, ואילו nanoprobes שאינן ממוקדות (nt-NPs) הן passivated עם טפט של פוליאתילן גליקול (PEG).
טכניקה זו שימש בהצלחה למפות מיקרוסקופיים גידולים במודל xenograft של העכבר של ‘ מאטום לשקוף ‘ סרטן שחלה גרורתי (SKOV-3), הממחיש את תחולתן לשימוש ויוו. ניתן להאריך אותו גם עבור שימוש ברקמות נכרת, גידול phenotyping, או קביעת שוליים לאחר debulking כפי שמוצג המחקר cognate21.
SERRS nanoprobes מספקים פלטפורמה חזקה להקמת יישוב תגיות מרובות עבור סמנים ביולוגיים, מסונתז עם תגובות כימיות פשוטה כפי שתואר סכמטי באיור1. כאן, אנו מציגים את פרוטוקול הסינתזה של שני סוגים של SERRS nanoprobes (סעיפים 1-3), הפיתוח של מודל העכבר מתאים סרטן השחלות (סעיף 4), הממשל של nanoprobes והדמיה (סעיף 5), ולבסוף ניתוח הנתונים, ויזואליזציה (סעיף 6).
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המתואר כאן מספק הדרכה עבור הסינתזה של שני “טעמים” של SERRS nanoprobes, ותעסוקה שלהם בעכברים ראמאן הדמיה של השחלות גידול overexpressing הקולטן חומצה פולית, שימוש באלגוריתם רציומטרי. היתרון העיקרי של ראמאן הדמיה על טכניקות דימות אופטי אחרות (כגון קרינה פלואורסצנטית) הוא יחודיות גבוהה של האות nanopr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מקורות המימון (ל M.F.K.) הם הכירו: NIH R01 EB017748, R01 CA222836, K08 CA16396; דיימון ראניון-Rachleff חדשנות פרס DRR-29-14, כיכר פרשינג זון פרס על ידי כיכר פרשינג זון סרטן מחקר הברית, והן MSKCC מרכז הדמיה מולקולרית & ננוטכנולוגיה (CMINT) ופיתוח טכנולוגיה מעניקה. התודות הם גם להרחיב את התמיכה מימון גרנט המסופקים על ידי מענק הליבה-NIH MSKCC (P30-CA008748).
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
- 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).
- Andreou, C., et al. Imaging of Liver Tumors Using Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoparticles. ACS Nano. 10 (5), 5015-5026 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Harmsen, S., et al. Rational design of a chalcogenopyrylium-based surface-enhanced resonance Raman scattering nanoprobe with attomolar sensitivity. Nature Communications. 6, 6570 (2015).
- Harmsen, S., et al. Surface-enhanced resonance Raman scattering nanostars for high-precision cancer imaging. Science Translational Medicine. 7 (271), 271ra277 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spaliviero, M., et al. Detection of Lymph Node Metastases with SERRS Nanoparticles. Molecular Imaging and Biology. 18 (5), 677-685 (2016).
- Nayak, T. R., et al. Tissue factor-specific ultra-bright SERRS nanostars for Raman detection of pulmonary micrometastases. Nanoscale. 9 (3), 1110-1119 (2017).
- Thakor, A. S., et al. The fate and toxicity of Raman-active silica-gold nanoparticles in mice. Science Translational Medicine. 3 (79), 79ra33 (2011).
- 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).
- Wu, N., et al. The biocompatibility studies of polymer dots on pregnant mice and fetuses. Nanotheranostics. 1 (3), 261-271 (2017).
- 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).
- Wang, Y. W., et al. Rapid ratiometric biomarker detection with topically applied SERS nanoparticles. Technology (Singap World Sci). 2 (2), 118-132 (2014).
- Lengyel, E. Ovarian cancer development and metastasis. American Journal of Pathology. 177 (3), 1053-1064 (2010).
- 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).
- Fasolato, C., et al. Folate-based single cell screening using surface enhanced Raman microimaging. Nanoscale. 8 (39), 17304-17313 (2016).
- 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).
- 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).
- Chitgupi, U., Qin, Y., Lovell, J. F. Targeted Nanomaterials for Phototherapy. Nanotheranostics. 1 (1), 38-58 (2017).
- Choi, D., et al. Iodinated Echogenic Glycol Chitosan Nanoparticles for X-ray CT/US Dual Imaging of Tumor. Nanotheranostics. 2 (2), 117-127 (2018).
- 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).
- Gupta, M. K., et al. Recent strategies to design vascular theranostic nanoparticles. Nanotheranostics. 1 (2), 166-177 (2017).
- Huang, Y. J., Hsu, S. H. TRAIL-functionalized gold nanoparticles selectively trigger apoptosis in polarized macrophages. Nanotheranostics. 1 (3), 326-337 (2017).
- Pal, S., Harmsen, S., Oseledchyk, A., Hsu, H. T., Kircher, M. F. MUC1 Aptamer Targeted SERS Nanoprobes. Advanced Functional Materials. 27 (32), (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Roberts, S., et al. Sonophore-enhanced nanoemulsions for optoacoustic imaging of cancer. Chemical Science (Royal Society of Chemistry: 2010). 9 (25), 5646-5657 (2018).
- 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).
- 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).
- Sneider, A., VanDyke, D., Paliwal, S., Rai, P. Remotely Triggered Nano-Theranostics For Cancer Applications. Nanotheranostics. 1 (1), 1-22 (2017).
- 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).
- Sonali, , et al. Nanotheranostics: Emerging Strategies for Early Diagnosis and Therapy of Brain Cancer. Nanotheranostics. 2 (1), 70-86 (2018).
