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Cancer Research

Superficie-realzado resonancia Raman dispersión Nanoprobe Ratiometry para la detección de cáncer ovárico microscópico a través del Receptor del folato dirigidos a

Published: March 25, 2019 doi: 10.3791/58389

Summary

Cáncer de ovario forma metástasis a lo largo de la cavidad peritoneal. Aquí, presentamos un protocolo y uso ácido fólico-receptor dirigido resonancia superficie-realzada Raman scattering crónicas que revelan estas lesiones con alta especificidad por radiométrica la proyección de imagen. Las crónicas son administrados por vía intraperitoneal a los ratones vivos, y las imágenes derivadas se correlacionan con la histología.

Abstract

Cáncer de ovario representa la neoplasia ginecológica más mortífera. Mayoría de los pacientes actualmente en una fase avanzada (estadio de la FIGO III o IV), cuando ya ha ocurrido metastásica local extendido. Sin embargo, cáncer de ovario tiene un patrón único de diseminación metastásica, implantes de tumor inicialmente están contenidos dentro de la cavidad peritoneal. Esta característica podría permitir, en principio, la resección completa de implantes tumorales con intención curativa. Muchas de estas lesiones metastáticas son microscópicos, haciéndolos difíciles de identificar y tratar. Neutralizar dichas micrometástasis se cree que es una meta importante hacia la eliminación de la repetición del tumor y lograr supervivencia a largo plazo. Con superficie mayor resonancia Raman scattering crónicas la proyección de imagen de Raman puede utilizarse para delinear tumores microscópicos con alta sensibilidad, debido a su brillante y bioorthogonal firmas espectrales. Aquí, describimos la síntesis de dos 'sabores' de estas crónicas: un anticuerpo funcionalizados que se dirige al receptor de folato — overexpressed en muchos cánceres ováricos — y un nanoprobe control no dirigido, con distintos espectros. Las crónicas son conjuntamente administrados por vía intraperitoneal a los modelos de ratón de adenocarcinoma ovárico humano metastático. Todos los estudios en animales fueron aprobados por el cuidado institucional de animales y uso Comité del Memorial Sloan Kettering Cancer Center. La cavidad peritoneal de los animales es quirúrgico expuesta, lavada y analizada con un microphotospectrometer de Raman. Posteriormente, las firmas de Raman de las dos crónicas son desacopladas usando un algoritmo de ajuste de mínimos cuadrados clásicos y sus respectivos puntajes dividieron para suministrar una señal radiométrica de folato orientada sobre las puntas de prueba no focalizados. De esta manera, se visualizan metástasis microscópicas con alta especificidad. La principal ventaja de este enfoque es que la aplicación local en la cavidad peritoneal, que se puede realizar convenientemente durante el procedimiento quirúrgico, puede etiquetar tumores sin someter al paciente a la exposición sistémica de nanopartículas. Falso positivo de señales derivadas de fijación no específica de las crónicas sobre las superficies viscerales pueden eliminarse siguiendo un enfoque radiométrica donde crónicas dirigidas y no dirigidas con distintas firmas de Raman se aplican como una mezcla. El procedimiento es todavía limitado por la falta de un Raman amplio campo comercial de sistema de cámaras, que una vez disponible para la aplicación de esta técnica en el quirófano.

Introduction

Con 'Superficie realzada Raman dispersión' la proyección de imagen de Raman (SERS) nanopartículas han demostrado gran promesa en la delineación de las lesiones en una variedad de configuraciones y para muchos tumor diferentes tipos de1,2,3,4 . La principal ventaja de las nanopartículas SERS es su firma espectral como huellas dactilares, con ellos detección indiscutible que no se confunde por antecedentes biológicos señales5. Además, la intensidad de la señal emitida se amplifica aún más con el uso de moléculas reporter (tintes) con los máximos de absorbancia con el láser de excitación, dando lugar a la 'superficie mayor resonancia Raman dispersión' (SERR) nanopartículas con mayor sensibilidad6,7,8,9,10,11,12.

Una barrera que debe ser abordado para la adopción de SE(R)RS nanopartículas13 y muchos otras nanopartículas construcciones14,15 para uso clínico son su modo de administración, como inyección intravenosa causa sistémica exposición del agente y exige pruebas extensas para excluir los efectos adversos. En este artículo, presentamos un paradigma diferente basado en la aplicación de nanopartículas localmente en vivo, directamente en la cavidad peritoneal durante la cirugía, seguida por un paso de lavado para eliminar cualquier nanopartículas1. Este enfoque está en consonancia con nuevos enfoques terapéuticos que están actualmente bajo investigación que también hacen uso de la instilación local de agentes en la cavidad peritoneal, llamada quimioterapia intraperitoneal hipertérmica (HIPEC). Así, el principio sí mismo debe ser relativamente fácil de integrar en un flujo de trabajo clínico. Han estudiado la biodistribución de las nanopartículas, después de la aplicación intraperitoneal y no han observado ninguna absorción detectable en la circulación sistémica1. Además, el enfoque de aplicación local evita el secuestro de nanopartículas por el sistema reticuloendotelial, así que el número de nanopartículas requeridas se reduce notablemente. Sin embargo, cuando se aplica tópicamente, nanopartículas funcionalizadas anticuerpos tienden a adherirse en las superficies viscerales incluso en la ausencia de su objetivo. Para minimizar falsas señales positivas debido a la adherencia inespecífica nanopartículas, seguimos un enfoque radiométrica, donde un nanoprobe molecularmente dirigida proporciona la señal específica y un control no dirigido nanoprobe, con diferente espectro de Raman, cuentas de fondo no específica16,17. Hemos demostrado esta metodología de aplicación tópica resonancia mayor superficie espectroscopía de Raman radiométrica recientemente en un modelo murino de cáncer de ovario difuso1.

El objetivo general de este método es desarrollar dos crónicas de SERR, uno blanco y uno no específico, para ser aplicado localmente en modelos de ratón, para la prevalencia de la sobreexpresión de un cáncer de la imagen relacionadas con biomarcadores usando la detección radiométrica de las dos sondas a través de La proyección de imagen de Raman. En este trabajo, el receptor de folato (FR) fue elegido como el destino, ya que es un marcador upregulated en muchos cánceres de ovario18,19. Microfilmes de Raman con nanopartículas de SERS también ha demostrado para el cáncer de la célula identificación20. Se sintetizan dos "sabores" distintos de las nanopartículas de Raman, cada uno derivar su huella digital de un colorante orgánico diferente. Las nanopartículas consisten en un núcleo de oro en forma de estrella, rodeado de un caparazón de sílice y demostrar resonancia de plasmón superficial en aproximadamente 710 nm. El reportero de Raman (tinte orgánico) se deposita al mismo tiempo que la formación de la cáscara de silicona. Finalmente, para las crónicas orientada a FR (αFR-NPs) el caparazón de sílice se conjuga con los anticuerpos, mientras que las crónicas no dirigidos (nt-NPs) son apaciguadas con una monocapa de polietilenglicol (PEG).

Esta técnica fue utilizada con éxito para los tumores microscópicos en un modelo murino de xenoinjerto de cáncer ovárico metastático difuso (SKOV-3), demostrando su aplicabilidad para el uso en vivo. También puede ser extendido para el uso en tejidos suprimidos, para phenotyping de tumor, o la determinación de margen después de la citorreducción como se muestra en un estudio cognado21.

SERR crónicas proporcionan una sólida plataforma para la creación de múltiples etiquetas específicas para biomarcadores, sintetizados con las reacciones químicas directas como se indica esquemáticamente en la figura 1. Aquí, presentamos el protocolo para la síntesis de los dos tipos de SERR crónicas (secciones 1-3), el desarrollo de un modelo de ratón de cáncer de ovario adecuado (sección 4), la administración de crónicas e imágenes (sección 5) y finalmente el análisis de datos y visualización (sección 6).

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Protocol

Todos los estudios en animales fueron aprobados por el cuidado institucional de animales y uso Comité del Memorial Sloan Kettering Cancer Center (# 07/06/11).

1. oro Nanostar núcleo síntesis

Nota: Nanostars de oro se utilizan como núcleos para ambos sabores de SERR Nanosondas utilizado en este experimento.

  1. Preparar 800 mL de solución de (C6H8O6) de ácido ascórbico de 60 mM en agua desionizada (DI) y 8 mL de 20 mM tetrachloroauric ácido (HAuCl4) una solución en agua desionizada. Enfriar a 4 ° C.
  2. Realizar este paso de reacción a 4 ° C. Colocar en un erlenmeyer que contenga 800 mL de la solución de ácido ascórbico en una placa de agitación magnética e inducir un torbellino constante. Agregar 8 mL de la solución ácido tetrachloroauric rápidamente en el vórtice. Dentro de segundos, se forman nanostars y la solución asume un color azul oscuro. En caso de que el color en cualquier momento se convierte en color rosa o púrpura, lo que significa la formación de nanoesferas, la suspensión se debe desechar y completar la síntesis.
  3. Verter la suspensión nanostar en tubos cónicos de 50 mL y centrifugar durante 20 minutos (4 ° C, 3.220 x g). Aspirar el sobrenadante dejando aproximadamente 200 μL de la solución en cada tubo. Pagar el cuidado de no perturbar el sedimento de las nanopartículas en la parte inferior del tubo.
    Nota: El sobrenadante debe tener un tinte azul por nanostars suspendidos restantes.
  4. Usando una micropipeta, agite la solución para suspender y recoger las nanopartículas de cada tubo. Parte de la pelotilla puede ser compactada en la parte inferior del tubo y no agite con descarte de pipeteo vigoroso esta parte.
  5. Transferir la suspensión de nanopartículas en un casete de diálisis (MWCO 3.5 kDa) y dializarse por lo menos tres días contra 2 L de agua desionizada, cambiando el agua diariamente. Almacene nanostars en diálisis a 4 ° C por hasta un mes con cambios de agua cada 3-4 días.
    Nota: La nanostars se debe mantener en diálisis hasta que se para la reacción silication, como se describe en la sección 2.

2. formación de la cáscara de silicona

Nota: Se sintetizan dos sabores de crónicas de Raman. El procedimiento de síntesis es el mismo para ambos, con la única diferencia es la molécula de reportero de Raman (tinte) utilizada. En este experimento, se utilizan perclorato de IR780 y IR140. La reacción debe realizarse en recipientes de plástico. La síntesis es altamente escalable y se puede ajustar para la cantidad deseada de injectate necesaria. Aquí, se describe una síntesis de medio lote, que se pueden escalar linealmente a volúmenes más bajos o más altos según sea necesario, con las mismas concentraciones y tiempos de reacción. Las reacciones de los dos tipos de SERR nanoprobe se pueden realizar en paralelo. Prestar atención a evitar la contaminación cruzada. Sonicación debe realizarse para la bioelectronic de nanopartículas pellets después de la centrifugación durante pasos de lavado, o después de las nanopartículas fueron almacenadas durante más de una hora. Baño de ultrasonidos debe realizarse hasta que las nanopartículas se suspenden claramente en la solución, típicamente para 1 s.

  1. En tubo (un tubo 50 mL cónico), mezclar 10 mL de isopropanol, 500 μl de TEOS, 200 μL de agua desionizada y 60 μL de colorante (perclorato de IR780 o IR140, 20 mM en DMF (dimetilformamida)).
  2. En el tubo B (tubo cónico de 15 mL), mezclar 3 mL de etanol y 200 μL de hidróxido de amonio. Someter a ultrasonidos la nanostars de paso 1.4 para dispersar cualquier racimos en la solución y añadir 1,2 mL de nanostars al tubo.
    Nota: la solución de hidróxido de amonio es altamente volátil y difícil de pipetear con exactitud. Almacenar a 4 ° C, hasta que se necesite, para facilitar el pipeteo.
  3. Coloque el tubo en un mezclador de tipo vórtex e inducir un torbellino constante. Rápidamente añadir el contenido del tubo B en el vórtice y seguir mezclando durante unos 5 s. transferir inmediatamente a un coctelera y dejar reaccionar durante 15 min agitando a 300 rpm, a temperatura ambiente.
  4. Después de la incubación de 15 minutos, apagar la reacción mediante la adición de etanol para llenar el tubo de 50 mL. Centrifugar 20 min a 3.220 x g a 4 ° C.
  5. Aspirar el sobrenadante, dejando aproximadamente 0,5 mL de solución, teniendo cuidado de no perturbar el sedimento. Añadir 1 mL de etanol y agite con una pipeta para resuspender las nanopartículas. Transferir a un tubo de centrífuga de 1.5 mL y lavar 4 veces con etanol por centrifugación a 11.000 x g durante 4 minutos, aspirar el sobrenadante y resuspender el sedimento por ultrasonidos para aproximadamente 1 s.
    Nota: En esta etapa, las nanopartículas silicatadas pueden ser funcionalizadas, tal como se describe en la sección 3 o resuspendió en agua desionizada con un paso extra de lavado, para el almacenamiento a 4 ° C por hasta una semana.

3. funcionalización superficial

Nota: IR780 SERR crónicas va conjugado con anticuerpos contra receptor de folato vía un crosslinker PEG a forma αFR-NPs; IR140 SERR control crónicas se conjuga con una pasivación monocapa de PEG, para nt-NPs. Ambos sabores se forman por una reacción tiol-maleimida en reacciones separadas pero paralelas.

  1. Nanopartículas de lavado dos veces por centrifugación a 11.000 x g durante 4 minutos, aspirar el sobrenadante y resuspender el pellet en 1 mL de etanol por ultrasonidos. Repita el paso de lavado una vez más, pero redisperse en 1 mL de etanol al 85%, 10% 3-MPTMS (3-mercaptopropyltrimethoxysilane) y 5% agua desionizada. Incubar a temperatura ambiente durante 1-2 h introducir tioles sobre la superficie de la partícula.
  2. Lavar las nanopartículas funcionalizadas tiol por centrifugación a 11.000 x g durante 4 minutos, aspirar el sobrenadante y resuspender el sedimento por ultrasonidos, dos veces en etanol, dos veces en DI y finalmente en HEPES (4-(2-hidroxietil) -1- -1-ácido ácido) buffer (10 mM, pH 7.1) y ponga a un lado.
    Nota: MES (2-(N- morfolino) (n-2-hidroxietilpiperazina-N'-2-ácido ácido) se recomienda tampón o HEPES. Buffers con mayor salinidad, tales como PBS (tampón fosfato salino), pueden inducir agregación de nanopartículas.
  3. Lo anticuerpos funcionalizados αFR-NPs, 200 μg de anticuerpos (anti-folato vinculante proteínas anticuerpo clon [LK26]) reaccionan con exceso molar décuplo de PEG crosslinker (éter poly(ethylene glycol) (N-hydroxysuccinimide 5-Pentanoato) N′-(3- aminoethane de maleimidopropionyl) (CAS: 851040-94-3), en dimetil sulfóxido (DMSO)) en 500 μl de tampón MES (10 mM, pH 7,1) durante 30 minutos.
  4. Quitar exceso crosslinker y anticuerpo se concentran por centrifugación de la solución de anticuerpo-PEG en un filtro de centrífuga (MWCO 100 kDa). Para los filtros centrífugos utilizados en este estudio, realizar la centrifugación de 10 minutos a 14.000 x g y 23 ° C. Recuperar los anticuerpos conjugados en un fresco tubo de invertir el filtro y centrifugación a 1.000 x g durante 2 minutos.
  5. Pipetear las nanopartículas de IR780 de paso 3.2 en el tubo con los anticuerpos y talle con la pipeta para mezclar. Incubar la mezcla por al menos 30 min a temperatura ambiente, o, alternativamente a 4 ° C durante la noche para formar el αFR-NPs.
  6. Para formar nt-NPs, añadir 1% w/v terminó methoxy (m) PEG5000-maleimida (CAS: 99126-64-4) disuelto en DMSO a las nanopartículas de SERR IR140 de paso 3.2 y dejar que reaccione en 500 μl MES de tampón (10 mM, pH 7,1) por al menos 30 min a temperatura ambiente, o, en su defecto a 4 ° C toda la noche.
  7. Para la administración a ratones (sección 5), giro de ambos sabores nanoprobe en 11.000 x g durante 4 minutos, aspirar el sobrenadante para retirar la solución con anticuerpos libre/PEG y redisperse cada sabor en tampón MES (10 mM, pH 7,1) en concentración de pM 600 . Cuando resuspender las nanopartículas, minimizar la exposición innecesaria a la ecografía, para evitar la desnaturalización del anticuerpo.

4. ratón modelo desarrollo

  1. Establecer una cultura constante de línea celular de adenocarcinoma de ovario humano (SKOV-3). Para activar la monitorización mediante bioluminiscencia de la fluorescencia, utilizar transfected las células Luc SKOV-3+/GFP+ . Células de cultivos en Medio RPMI (Roswell Park Memorial Institute) con 10% de suero fetal de becerro y paso dos veces a la semana. Para la inyección, incubar las células con 0,25% trypsin/0.05% EDTA durante 3 minutos para desconectar y posteriormente lavar y resuspender en PBS en 2 x 106 células/100 μl.
  2. Para establecer el modelo de micrometástasis ovárico, inyectar 200 μL de suspensión SKOV-3 células por vía intraperitoneal athymic femeninos ratones (FOXn1nu/FOXn1nu, 6-8 semanas de edad). Diseminación peritoneal diseminada ocurrirá en aproximadamente 4 semanas. Utilizando células Luc SKOV-3+ , el crecimiento del tumor puede controlarse con bioluminiscencia administrando 2 mg de luciferin escarabajo en 50 μl PBS mediante inyección retroorbital.

5. Nanoprobe inyección y proyección de imagen

  1. Preparar crónicas (αFR-NPs y nt-NPs) como se describe en las secciones 1-3 y mezclar en proporción 1:1, para una concentración final de 300 pM de cada tipo en tampón MES (10 mM, pH 7,1). Opcionalmente, elaborar normas de referencia de 30 pM de cada uno de los sabores nanoprobe en tubos cónicos de pequeño (100 μL).
  2. Inyectar por vía intraperitoneal de 1 mL de la suspensión de nanopartículas en cada ratón y masaje suavemente el vientre para distribuir las nanopartículas dentro de la cavidad peritoneal. Volver el ratón a su vivienda. Después de 25 o más minutos, eutanasia el ratón mediante asfixia de CO2 .
  3. Apriete el ratón en una plataforma quirúrgica, en la posición supina (para abdomen todo la proyección de imagen, el plataforma debe ser montable sobre la platina del microscopio vertical).
    1. Con dentado fórceps y tijeras de disección, retirar la piel para exponer el peritoneo y realizar una gran incisión sagital (entre 2 y 3 cm de longitud) para exponer el abdomen entero. Instale las aletas peritoneales en la plataforma. Lave el interior de la cavidad peritoneal con al menos 60 mL de PBS con un frasco rociador plástico.
      Nota: Para permitir sin obstáculos la proyección de imagen del abdomen entero, los intestinos deben ser movilizados o suprimido. Para la supresión, resecar con una ligadura de los vasos mesentéricos para reducir la hemorragia en la cavidad abdominal.
    2. Por otra parte, a imagen de órganos específicos, suprimir después del lavado PBS y colocarlos en un portaobjetos de microscopio.
  4. Transferencia de la plataforma o diapositiva a un microspectrophotometer Raman con configuración óptica vertical y un motor para la proyección de imagen; utilizar un sistema comercial con 300 mW 785 nm diodo láser, con una reja de 1.200 surcos por milímetro, centrado en 1.115 cm-1.
    1. Se centran en el área de interés utilizando óptica luz blanca, parfocal con el láser Raman. Seleccione la zona a ser reflejada y la resolución deseada; en este informe se utilizó un modo de adquisición de alta velocidad (espectros adquiridos bajo iluminación láser continua con la platina del microscopio en constante movimiento, con eficaz resolución espacial 14.2 μm por 200 μm; con 5 aumentos, potencia de 100 mW en el objetivo, y < 100 ms exposición por punto).
      Nota: Los tubos con las crónicas de referencia de paso 5.1 pueden colocarse dentro del área de imagen si lo desea, para proporcionar normas internas de referencia para el posterior análisis. Asegúrese de que no fuentes de luz extrañas que no sea el laser alcanzan el objetivo.
  5. Opcionalmente, preparar la muestra para el procesamiento histológico y validación por fijación en paraformaldehído al 4% en PBS durante la noche a 4 ° C. Lavar con PBS a 4 ° C durante 15 min por lo menos dos veces. Mantener la muestra en etanol al 70% en agua hasta el procesamiento histológico estándar y la inclusión en parafina. Validación histológica de los tumores, las secciones (5 μm de espesor) de diferentes profundidades del bloque de parafina pueden ser teñidas con hematoxilina y eosina (H & E).

6. procesamiento de datos y visualización

Nota: Todo tratamiento de datos se realizó con una interfaz gráfica de usuario desarrollado internamente, usando software comercial. Todas las funciones tienen equivalentes genéricos disponibles en otros entornos informáticos.

  1. Obtener espectros de referencia de los dos sabores, interrogando a suspensiones puras de cada uno. Los espectros de referencia pueden ser derivados de punto de análisis de las crónicas, proyección de imagen de las Nanosondas en placas de pocillos, o mediante la inclusión de referencias internas en el análisis experimentales en los tubos de referencia (véase el paso 5.1).
  2. Preprocesar los espectros de la referencia, mediante el uso de sustracción de la línea de base (filtro de Whittaker, λ = 200), normalización mediante el área bajo la curva y derivado filtro de Savitzky-Golay (ajuste de polinomio de segundo grado, primer orden derivado, anchura = 15 pasos). Estos espectros preprocesados servirán como referencias para el modelo de mínimos cuadrados clásicos (CLS).
  3. Preprocesar los datos de la muestra de la imagen de la misma manera como los espectros de referencia. Obtener puntuaciones CLS para cada punto de muestreo mediante un algoritmo de CLS disponible. Las puntuaciones directas de CLS (DCLS) son simplemente las coordenadas de la proyección de un espectro de la muestra en el espacio lineal definido por la matriz inversa generalizada (inversa de Moore-Penrose) de los espectros de referencia. Otra guarnición algoritmos pueden ser utilizado (no negativos mínimos cuadrados, mínimos cuadrados parciales u otros).
    Nota: Algunos algoritmos de ajuste pueden dar lugar a puntuaciones negativas, que en este contexto no son físicos. Si este es el caso, podría establecer un umbral para excluir resultados negativos, o ser un algoritmo restringido no negativos mínimos cuadrados empleados en su lugar.
  4. Calcular el cociente de pointwise de las puntuaciones en la referencia de las nanopartículas específicas (cuentasαFR) sobre las calificaciones en la referencia de las nanopartículas no dirigidos (cuentasnt). Si los resultados son no negativos, la relación puede ser expresada en forma logarítmica:
    R = log10(puntajeαFR/ntlas puntuaciones).
    La relación R se visualiza mejor en una escala de colores divergentes centrada en cero, para expresar la abundancia relativa de las sondas en órdenes de magnitud. La imagen resultante puede ser overlaid en la imagen de luz blanca de la muestra, para revelar áreas de sobreexpresión de receptores de folato.

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Representative Results

Para fines de control de calidad, las nanopartículas pueden caracterizarse mediante una variedad de métodos durante el proceso de síntesis, incluyendo TEM, DLS, nanopartículas seguimiento análisis y espectroscopia de absorción UV/Vis, como se muestra en la figura 2.

De esta forma, el tamaño de la base de oro nanostar (descrito en la sección 1), la formación de la cáscara de silicona (sección 2) y funcionalización de superficies posteriores (sección 3) pueden ser verificado (figura 2). Por lo general, el tamaño (diámetro hidrodinámico) de la base de oro nanostar se espera que alrededor de 80 nm y la cáscara de silicona es alrededor de 20 nm de espesor, haciendo que el tamaño de la nanopartícula silicated total alrededor de 120 nm y alrededor de 140 nm después de la conjugación con los anticuerpos αFR. Absorbancia de UV/Vis puede utilizarse también para verificar la morfología de las nanopartículas. Nanostar corazones en agua tienen un máximo de absorbancia a 670 nm, mientras que después de silication el máximo cambia de puesto a alrededor de 710 nm. Máxima absorbancia a longitudes de onda más bajas es un signo de morfología esférica o de agregación. Rendimientos de reacción típica y concentraciones aparecen en la tabla 1 y dependen fuertemente de la técnica de pipeteo durante los pasos de lavado.

Cada punto obtenido del análisis Raman contiene un espectro para una ubicación interrogado. Estos espectros son una superposición linear de SERR señal las Nanosondas y cualquier fluorescencia de fondo. Los espectros pueden ser procesados para eliminar la fluorescencia y normalizados a área unidad para compensar la intensidad de la señal, antes de aplicar el modelo CLS (descrito en la sección 6), como se muestra en la figura 3. Imágenes representativas de los puntajes de cada uno de los espectros de referencia nanoprobe y su cociente del pointwise se muestran en la figura 4. Aunque cada puntuación individual proporciona localización específica de los tumores, la relación revela la presencia de diseminación microscópica diseminada.

Paso Volumen inicial Concentración inicial Volumen final Concentración final
1. Nanostar base 8 mL HAuCl4 20 mM HAuCl4 5 mL 1.3 nM
2. Silication 1,2 mL 1.3 nM 1,2 mL 0,5 nM
3.1. Thiolation 1 mL 0,5 nM 1 mL 0,43 nM
3.5. verbal 1 mL 0,43 nM 1 mL 0.39 nM

Tabla 1: producción de nanopartículas después de cada paso de la reacción. Las concentraciones son aproximadas. El rendimiento se determinó mediante nanopartículas seguimiento de análisis, de síntesis independiente dos y 5 mediciones independientes de cada uno.

Figure 1
Figura 1 : Esquema de síntesis y aplicación de la proyección de imagen nanoprobe SERR de radiométrica. (1) nanostars oro se sintetizan como se describe en la sección 1. (2) un caparazón de sílice se forma alrededor de los núcleos de oro nanostar y reportero de Raman moléculas (perclorato de tintes infrarrojo IR-780 y IR-140) se utilizan para crear dos nanopartículas distintos sabores, como se describe en la sección 2. (3) la superficie de las nanopartículas es cubierta con tioles, como se describe en la sección 3.1, para permitir más funcionalización de superficies. Las nanopartículas de sabor 780 IR se conjugan con un anticuerpo anti-folato de Receptor, mientras que la IR-140 unos son apaciguados con una capa de PEG - 5 k como se describe en las secciones 3.3 a 3.6. (4) un modelo de ratón de diseminación metastásica ovárica intraperitoneal difusa se desarrolla como se describe en la sección 4, y cuando esté listo, las crónicas de SERR son administrados por vía intraperitoneal. (5) los ratones son sacrificados, y el abdomen quirúrgicamente expuesto permitan Raman imaging como se describe en sección 5. (6) los espectros de Raman se analizan pointwise para determinar la abundancia relativa de las dos sondas y generar un mapa de radiométrica de sobreexpresión del receptor del folato como se describe en sección 6. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Caracterización física de SERR Nanosondas. Las nanopartículas pueden someterse a control de calidad después de cada parte de la síntesis. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) revela la forma de la base del oro y la exitosa formación de la cáscara de silicona sin agregación de nanopartículas; Barra de escala = 100 nm. Dispersión ligera dinámica (DLS) puede medir el tamaño y el potencial ζ de las nanopartículas para verificar funcionamiento y éxito silication. Absorbancia de UV/Vis se puede utilizar para confirmar la presencia de un pico plasmónica alrededor 670 nm para el nanostars, pasando a 710 nm después de silication. Mediciones de Raman revelan la presencia de los únicos espectros de cada sabor a través de la síntesis. La intensidad del espectro nanostar, no picos característicos, fue amplificada por 100 x para el énfasis. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Procesamiento de espectros Raman. Espectros de materia prima consisten en firma de SERR las Nanosondas, superpuesta sobre una banda amplia de la fluorescencia. Con la resta de la base se retira la banda de fluorescencia, y los picos Raman se vuelven prominentes. Con el fin de detectar la firma espectral de las nanopartículas independientemente de su intensidad, cada espectro (referencias y muestras por igual) se normaliza a la unidad de área. Finalmente, se aplica un filtro de suavizado-derivado para impulsar los picos Raman, mientras reduce el ruido. Los espectros de referencia procesados se utilizan para desarrollar un modelo CLS, para clasificar los espectros de la muestra procesada basados en la razón R. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 : La proyección de imagen radiométrica de micrometástasis del cáncer de ovario en el abdomen. Raman la proyección de imagen del abdomen expuesto de un ratón, con extensas metástasis ováricas como revelador por proyección de imagen de bioluminiscencia. Cada punto de la exploración ofrece un espectro, que es procesada (sección 6, figura 3) y anotó basado en un modelo CLS, para obtener los puntajes de las dos referencias: αFR-NP se muestra en rojo y nt-NP en azul. Las partituras se dividen entonces pointwise, para revelar la abundancia relativa de las dos sondas como una relación. Opcionalmente, por la relación del umbral, las áreas "positivas" pueden ser superpuestas en una imagen óptica del abdomen permitir la resección u otro enfocado tratamientos. Figura 4 es una versión adaptada de la referencia1, con el permiso de la revista. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El protocolo descrito aquí proporciona la instrucción para la síntesis de dos "sabores" de SERR crónicas y su empleo en ratones para Raman imaging de ovario tumor overexpressing el Receptor de folato, usando un algoritmo radiométrica. La principal ventaja de Raman imaging sobre otras técnicas de imagen ópticas (tales como de fluorescencia) es la alta especificidad de la señal nanoprobe que no puede confundirse con las señales de origen biológico. En esta encarnación de la proyección de imagen de Raman, las nanopartículas no son administradas por vía intravenosa, pero localmente, a través de una inyección intraperitoneal, seguida por un paso de lavado solo. Esta metodología, una vez traducida en el ámbito clínico, representaría una solución elegante para permitir que cirujanos visualizar y resecar, por tanto, todos los implantes de cáncer de ovario, incluso aquellos que son demasiado pequeños para detectar a simple vista, y que no puede ser objeto con un agente de imagen sistémicamente a inyectadas debido a su falta de vasos de alimentación conectado a la circulación sistémica. Al mismo tiempo, como nuestras SERR las nanopartículas no son reabsorbidas a la circulación sistémica, preocupaciones potenciales de efectos secundarios se reducen al mínimo. Nuestro estudio es un ejemplo de la creciente evidencia que cuidadosamente diseñado nanoconstructs puede ofrecer ventajas únicas sobre la proyección de imagen convencional y terapia tecnologías22,23,24,25, 26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38.

Las crónicas de SERR descritos aquí son biológicamente inertes y han sido empleados para la delimitación del tumor en modelos de ratón de varios tipos de cáncer. La reacción para la formación de la cáscara de silicona (concurrente con la encapsulación de tinte de reportero) es una versión mejorada de nuestra síntesis previamente divulgados1,7,8, que es menos propenso a la agregación de nanopartículas y la formación de las nanopartículas "sílice libre" (sin oro de la base). La reacción se puede utilizar con una variedad de colorantes orgánicos infrarrojo disponibles en el mercado, además de los que presentamos aquí, para producir una gran colección de sabores de Raman. La intensidad de la señal resultante, sin embargo, depende de la afinidad del tinte oro, y otros factores. Además, la cantidad de colorante añadido a la reacción debe determinarse sobre una base por el tinte, ya que ciertas moléculas y sus counterions causan agregación de la nanostars oro más que otros. En el caso de agregación de nanopartículas severa, debe reducirse la cantidad de colorante utilizado. Agregación de los corazones de oro no es deseable, ya que puede causar severa variabilidad en el Raman intensidad de la señal y complicar los datos adquiridos. La formación de sílice libre es en su mayor parte inocua, ya que proporciona no hay señal de Raman. Sin embargo, durante el funcionamiento los anticuerpos se adhieren a las nanopartículas de sílice, disminuyendo la eficacia dirigida a global del método. El espesor de la cáscara de silicona depende del tiempo de reacción, temperatura y la cantidad de agua agregada (punto 2.1). Si la cáscara de silicio resultante se considera demasiado delgadas (figura 1, arriba a la derecha), uno o más de estos parámetros pueden aumentar apropiadamente.

Con respecto a la adquisición de datos, su calidad depende mucho la luminosidad de las crónicas. Esto se convierte particularmente evidente cuando se realiza la adquisición rápida de Raman, como se describe en la sección 5. Para asegurarse de que los datos son suficientemente discernibles del ruido, los espectros deben ser inspeccionados, y verifica la presencia de los picos Raman representativas de las sondas. Si la señal es demasiado débil, puede aumentarse el tiempo de exposición por cada punto. Sin embargo, este enfoque puede conducir a análisis prohibitivamente largos o muy baja resolución espacial. Para garantizar la reproducibilidad y consistencia, calibración del escáner Raman debe realizarse según las recomendaciones del fabricante y normalmente se hace usando un estándar común (por ejemplo,, un silicio obleas).

Una de las principales fortalezas de este método es su versatilidad. Tipos de tumores diferentes pueden ser reflejados mediante el uso de anticuerpos específicos dirigidos a diferentes marcadores moleculares. Además, las crónicas se describe aquí pueden ser administrado a modelos animales, por vía intraperitoneal o por vía intravenosa, pero también, utilizando las mismas técnicas, pueden ser utilizados para teñir los tejidos, ya sea fijo o recién suprimido.

Aunque la técnica radiométrica proporciona especificidad para la detección de tumores microscópicos, la distribución de las sondas individuales no es específica a las áreas de tumor. Esto significa que teranosis técnicas como la terapia fototérmica/fotodinámica o carga de droga no sería lo ideales, como la terapia sería entregada a áreas sanas. Una aplicación terapéutica potencial de esta técnica sería la ablación automatizada de microtumors después de la detección radiométrica.

Esperamos que este local, enfoque radiométrica de la proyección de imagen de Raman puede allanar el camino para usar SERR crónicas, después de los ensayos clínicos necesarios, como un agente de imagen molecular en los pacientes. Este método fue desarrollado para ser compatible con posibles aplicaciones futuras en los seres humanos, como las nanopartículas podrían ser administradas a y quitadas de la cavidad abdominal mediante dispositivos que ya están en uso clínico para la HIPEC.

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Disclosures

• M.F.K. figura como inventor en varias emitidas o solicitudes de patentes pendientes relacionadas con este trabajo. M.F.K. es co-fundador de RIO Imaging, Inc., que tiene como objetivo traducir SERR nanopartículas en las clínicas.

Los autores declaran que no tienen otros intereses financieros que compiten.

Acknowledgments

Se reconocen las siguientes fuentes de financiación (a M.F.K.): NIH R01 EB017748 y R01 CA222836 K08 CA16396; Convocatoria de Damon Runyon-Rachleff innovación Premio RRD-29-14, Plaza Pershing Sohn premio por la Plaza Pershing Sohn cáncer investigación Alianza y MSKCC centro de imagen Molecular y nanotecnología (CMINT) y desarrollo de la tecnología. Agradecimientos se extienden también a la ayuda de donaciones de fondos proporcionada por la concesión de núcleo de NIH de MSKCC (P30-CA008748).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Investigación de cáncer número 145 Raman SERS nanopartículas imagen molecular cáncer de ovario receptor de folato ratiometry
Superficie-realzado resonancia Raman dispersión Nanoprobe Ratiometry para la detección de cáncer ovárico microscópico a través del Receptor del folato dirigidos a
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Andreou, C., Oseledchyk, A.,More

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).

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