Поверхность расширение резонанс комбинационного рассеяния Nanoprobe Ratiometry для обнаружения микроскопического рака яичников через рецептор фолиевой кислоты ориентации
Summary
Рак яичников образует метастазы всей брюшной полости. Здесь мы представляем протокол сделать и использования фолиевой кислоты рецептор целевой поверхности расширение резонанс комбинационного рассеяния nanoprobes, которые показывают эти поражения с высокой специфичности через ratiometric изображений. Nanoprobes находятся в ведении внутрибрюшинно жизни мышей, и производные изображения хорошо коррелируют с гистологии.
Abstract
Рак яичников представляет смертоносных гинекологических злокачественных новообразований. Большинство пациентов представляют на продвинутой стадии (FIGO стадии III или IV), когда местное метастатического распространения уже произошло. Однако рак яичников имеет уникальный узор метастатическим распространения, в том, что опухоль имплантатов изначально содержащиеся в брюшной полости. Эта функция может включить, в принципе, полной резекции опухоли имплантатов с лечебной целью. Многие из этих метастатического поражения являются микроскопические, что делает их трудно выявлять и лечить. Нейтрализации таких микрометастазы считается одной из основных целей на ликвидацию рецидива опухоли и достижение долгосрочного выживания. Раман изображений с поверхности расширенной резонанс комбинационного рассеяния nanoprobes может использоваться для разграничения микроскопические опухоли с высокой чувствительностью, из-за их яркие и bioorthogonal спектральные характеристики. Здесь мы описываем синтез двух «вкусов» такой nanoprobes: антитела функционализированных один, использующий рецепторов фолиевой кислоты — оверэкспрессировали в многих яичников — и не являющихся объектом управления nanoprobe, с различных спектров. Nanoprobes совместно управляемых внутрибрюшинно по модели мыши метастатическим человеческого аденокарциномы яичника. Все исследования на животных были утверждены институциональный уход животных и использование Комитета из Мемориал Слоун Kettering Рак центр. Брюшной полости животных хирургически воздействию, промывают и отсканированных с microphotospectrometer Раман. Впоследствии Раман подписи двух nanoprobes несвязанной с использованием алгоритма установку классических наименьших квадратов, и их соответствующие результаты разделены предоставлять сигнал ratiometric фолиевой кислоты ориентированных над нецелевого зондов. Таким образом микроскопические метастазы визуализируются с высокой точностью. Основное преимущество этого подхода является то, что местные приложение в брюшной полости — что может быть сделано удобно во время хирургической процедуры — можно пометить опухоли без подвергать системных наночастиц облучения пациента. Ложного срабатывания сигналов вытекающих из привязки неспецифические nanoprobes на внутренних поверхностях могут быть устранены путем после ratiometric подход, где целевые и нецелевые nanoprobes с различных Раман подписи применяются как смесь. Процедура в настоящее время по-прежнему ограничивается отсутствием коммерческих Раман поля изображений камеры системы, которая однажды доступны позволит для применения этой техники в эксплуатации театре.
Introduction
Раман изображений с «Поверхности расширенной комбинационного рассеяния» наночастиц (Серов) показал большие перспективы в определении поражений в различных настроек и для многих опухоли различных типов1,2,3,4 . Основным преимуществом наночастицы SERS является их отпечатков пальцев как спектральные подписи, предоставляя им несомненные обнаружения, которая не посрамлены биологических фона сигналов5. Кроме того, далее усиливается интенсивность излучаемого сигнала с использованием репортер молекул (красители) с максимумами поглощения соответствует лазерного возбуждения, рождая «поверхности расширенной резонанс комбинационного рассеяния» (SERRS) наночастицы с еще большей чувствительности6,,78,9,10,11,12.
Один барьер, который необходимо решить для принятия SE(R)RS наночастиц13 и многих других наночастиц конструкции14,15 для клинического применения является их режим администрации, как внутривенные инъекции вызывает системные воздействия агента и тщательное тестирование, чтобы исключить возможные побочные эффекты. В этой статье, мы представляем различные парадигмы, на основе применения наночастиц локально в естественных условиях, непосредственно в брюшной полости во время операции, следуют Стиральная шаг, чтобы удалить любые свободные наночастиц1. Этот подход соответствует роман терапевтических подходов, которые в настоящее время находятся под следствием, которые также делают использование местных инстилляции агентов в брюшной полости, под названием гипертермические внутрибрюшинной химиотерапии (многосторонних). Таким образом сам принцип должна быть относительно легко интегрировать в клинической рабочего процесса. Мы изучили накопление наночастиц после внутрибрюшинного приложения и не наблюдается любых обнаруживаемых поглощение в кровообращения1. Кроме того местного применения подхода обходит поглощение наночастиц ретикулоэндотелиальной системы, поэтому количество наночастиц требуется заметно снижаются. Однако когда применяется местно, антитела функционализированных наночастиц, как правило, придерживаются висцеральная поверхность даже в отсутствие их цели. Для того, чтобы свести к минимуму ложных положительных сигналов за счет адгезии неспецифической наночастиц, мы преследуем ratiometric подход, где молекулярно целевых nanoprobe обеспечивает характерный сигнал и не ориентированные управления nanoprobe, с различными спектр Раман, счета для неспецифической фон16,17. Мы продемонстрировали эту методологию злободневно прикладной поверхности расширенной резонансная рамановская спектроскопия ratiometric недавно в мышиной модели диффузных рака яичников1.
Общая цель этого метода заключается в разработке два SERRS nanoprobes, один целевой и один-неспецифический, чтобы быть применен локально в моделях мыши, чтобы изображение распространенности/гиперэкспрессия рака связанных биомаркеров, используя ratiometric обнаружение двух зондов через Раман изображений. В этой работе фолиевая кислота рецепторов (FR) был выбран в качестве цели, как это маркер upregulated в многих яичников18,19. Также было продемонстрировано Раман microimaging с SERS-на основе наночастиц для идентификации клеток рака20. Два отдельных «ароматизаторы» наночастиц Раман синтезируются, каждый вытекающих его отпечаток из различных органических красителей. Наночастицы состоят из звездных золото ядра, окруженный оболочке кремнезема и продемонстрировать поверхностного плазмон резонанс на приблизительно 710 Нм. Раман репортер (органический краситель) наносится параллельно с формирование кремнезема оболочки. Наконец для FR-ориентированных nanoprobes (αFR-NPs) оболочке кремнезема конъюгированных с антителами, тогда как нецелевые nanoprobes (nt-NPs) пассивируется с монослоя полиэтиленгликоля (PEG).
Этот метод был успешно используется для сопоставления микроскопические опухоли в мышиной модели ксенотрансплантата диффузных метастатического рака яичников (SKOV-3), демонстрируя свою применимость в естественных условиях использования. Она также может быть продлен для использования в подакцизным тканей, опухоли фенотипа, или определение разницы после debulking как показано в родственных исследование21.
SERRS nanoprobes обеспечивают надежную платформу для создания нескольких целевых теги для биомаркеров, синтезируются с простой химических реакций, схематически изложенные на рисунке 1. Здесь мы представляем протокол для синтеза двух типов SERRS nanoprobes (разделы 1-3), разработка модели мыши подходящий рак яичников (раздел 4), администрация nanoprobes и изображений (раздел 5) и, наконец, анализ данных и Визуализация (раздел 6).
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол, описанные здесь предоставляет инструкции для синтеза двух «вкусами» SERRS nanoprobes и их занятость в мышей Раман изображений опухолей яичников, экспрессирующих рецепторов фолиевой кислоты, с помощью алгоритма ratiometric. Основным преимуществом комбинационного изображений над другим?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Следующие источники финансирования (для МФК) признаются: низ R01 EB017748, R01 CA222836 и K08 CA16396; Дэймон Раньон Rachleff инновации премии УОБ-29-14, Першинг Сквер Sohn приз Першинг Сквер Sohn рак исследований Альянса, и центр MSKCC Молекулярное воображение и нанотехнологий (CMINT) и гранты для развития техники. Благодарности распространяются также на грантовое финансирование поддержки, оказываемой MSKCC гранта NIH Core (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).
