Surface-förbättrade resonans Raman spridning Nanoprobe Ratiometry för att upptäcka mikroskopisk äggstockscancer via folat Receptor inriktning
Summary
Äggstockscancer bildar metastaser i hela i bukhålan. Här presenterar vi ett protokoll att göra och använda folat-receptor riktade ytan-förbättrade resonans Raman scattering nanoprober som avslöjar dessa lesioner med hög specificitet via proportionerlig imaging. Nanoprober administreras intraperitonealt till levande möss, och de härledda bilderna korrelerar väl med histologi.
Abstract
Äggstockscancer representerar den dödligaste gynekologiska malignitet. De flesta patienter närvarande i ett avancerat stadium (FIGO Stadium III eller IV), när lokala metastatisk spridning redan har skett. Äggstockscancer har dock ett unikt mönster av metastasering, däri tumör implantat finns initialt inom i bukhålan. Den här funktionen kan, i princip, den komplett resektion av tumör implantat med kurativ intention. Många av dessa metastatiska lesioner är mikroskopiska, vilket gör dem svåra att identifiera och behandla. Neutralisera sådan micrometastases tros vara ett viktigt mål mot att eliminera tumören återkommer och att uppnå långsiktiga överlevnad. Raman imaging med surface förbättrade resonans Raman scattering nanoprober kan användas för att avgränsa mikroskopiska tumörer med hög känslighet, på grund av sin ljusa och bioorthogonal spektrala signaturer. Här, vi beskriver syntesen av två ‘smaker’ av sådana nanoprober: en antikropp-functionalized som mål den folat receptorn — i ökad utsträckning hos många äggstockscancer — och en icke-riktad kontroll nanoprobe, med distinkta spectra. Nanoprober administreras intraperitonealt till musmodeller av metastaserande mänskliga äggstockscancer adenokarcinom. Alla djurstudier godkändes av institutionella djur vård och användning kommittén av Memorial Sloan Kettering Cancer Center. I bukhålan av djuren är kirurgiskt utsatt, tvättas och skannas med en Raman-microphotospectrometer. Därefter Raman signaturer av de två nanoprober är frikopplade med en klassisk minstakvadratmetoden montering algoritm, och deras respektive poäng fördelat på ger en proportionerlig signal av folat-riktade över oriktade sonder. På detta sätt visualiseras mikroskopiska metastaser med hög specificitet. Den största fördelen med denna metod är att den lokala tillämpningen in i bukhålan — som kan göras bekvämt under det kirurgiska ingreppet — kan tagga tumörer utan att utsätta patienten för systemisk nanopartiklar exponering. Falskt positiva signaler som härrör från icke-specifik bindning av nanoprober på visceral ytor kan elimineras genom att följa en proportionerlig strategi var riktade och icke öronmärkt nanoprober med distinkta Raman signaturer tillämpas som en blandning. Förfarandet begränsas fortfarande av avsaknaden av en kommersiell wide-fältet Raman imaging kamerasystem, vilken en gång tillgänglig kommer att möjliggöra tillämpningen av denna teknik i drift theater.
Introduction
Raman imaging med ‘Yta förbättrade Raman spridning’ (SERS) nanopartiklar har visat mycket lovande i avgränsar lesioner i en mängd olika inställningar och för många olika tumör typer1,2,3,4 . Den största fördelen med SERS nanopartiklar är deras fingeravtryck-liknande spektrala signatur, ge dem obestridliga identifiering som inte försvåras av biologiska bakgrunden signaler5. Intensiteten i den utsända signalen förstärks dessutom ytterligare med hjälp av reporter molekyler (färgämnen) med absorbansen maxima i linje med excitation laser, ger upphov till ‘yta förbättrade resonans Raman spridning’ (SERRS) nanopartiklar med ännu större känslighet6,7,8,9,10,11,12.
En barriär som måste tas upp för antagande av SE(R)RS nanopartiklar13 och många andra nanopartiklar konstruktioner14,15 för klinisk användning är deras administreringssätt, som intravenös injektion orsakar systemisk exponering av agent, och kräver omfattande tester för att utesluta eventuella biverkningar. I denna artikel presenterar vi ett annat paradigm baserat på tillämpningen av nanopartiklar lokalt i vivo, direkt in i bukhålan under operation, följt av en tvätt steg ta bort någon obundna nanopartiklar1. Detta tillvägagångssätt är i linje med nya terapeutiska metoder som för närvarande under utredning som också gör användning av lokala instillation av agenter i peritoneal hålighet, kallas hyperthermic intraperitoneal cytostatika (HIPEC). Således bör principen vara relativt lätt att integrera i en kliniska arbetsflödet. Vi har studerat biodistribution av nanopartiklar efter intraperitoneal applicering, och har inte observerat någon detekterbar absorption in i systemcirkulationen1. Dessutom kringgår den lokala tillämpning metoden beslagtagande av nanopartiklar av Retikuloendoteliala systemet, så numrerar av nanopartiklar krävs reduceras markant. Men när de appliceras lokalt, tenderar antikropp-functionalized nanopartiklar att följa på visceral ytor även i avsaknad av sina mål. För att minimera falska positiva signaler på grund av icke-specifika nanopartiklar vidhäftning, bedriva vi en proportionerlig strategi, där ett molekylärt riktade nanoprobe ger specifika signalen, och en icke-riktad kontroll nanoprobe, med olika Raman spektrum, konton för icke-specifik bakgrund16,17. Vi har visat denna metod av lokalt applicerad yta förbättrade resonans Ramanspektroskopi proportionerlig nyligen i en musmodell av diffusa äggstockscancer1.
Det övergripande målet med denna metod är att utveckla två SERRS nanoprober, en riktad och en icke-specifik, tillämpas lokalt i musmodeller, för bild på prevalens/överuttryck av en cancer relaterade biomarkör med proportionerlig identifiering av de två sonderna via Raman imaging. I detta arbete valdes folat receptorn (FR) som mål, eftersom detta är en markör uppreglerad i många äggstockscancer18,19. Raman microimaging med SERS-baserade nanopartiklar har också visats för cancer cell identifiering20. Två distinkta ”varianter” av Raman nanopartiklar syntetiseras, var och en som följer sitt fingeravtryck från ett annat organiskt färgämne. Nanopartiklarna består av en stjärnformad guld kärna omgiven av en kiseldioxid skal och demonstrera ytan plasmon resonans på cirka 710 nm. Raman reportern (organiskt färgämne) sätts parallellt med bildandet av kiseldioxid skal. Slutligen, för det FR-riktade nanoprober (αFR-NPs) kiseldioxid skal är konjugerat med antikroppar, medan de icke-riktade nanoprober (nt-NPs) är passiviseras med en enskiktslager av polyetylenglykol (PEG).
Denna teknik användes framgångsrikt att mappa mikroskopiska tumörer i en musmodell xenograft av diffusa metastaserad äggstockscancer (SKOV-3), visar dess tillämplighet för Invivo användning. Det kan också förlängas för användning i exciderad vävnad, för tumör fenotypning eller marginal bestämning efter möjligt som visas i en cognate studie21.
SERRS nanoprober ger en robust plattform för skapandet av flera riktade Taggar för biomarkörer, syntetiseras med enkla kemiska reaktioner som beskrivs schematiskt i figur 1. Här presenterar vi protokollet för syntes av de två typerna av SERRS nanoprober (avsnitt 1-3), utveckling av en lämplig äggstockscancer musmodell (avsnitt 4), administrationen av nanoprober och imaging (avsnitt 5) och slutligen dataanalys och visualisering (avsnitt 6).
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet beskrivs här ger instruktion för syntesen av två ”varianter” av SERRS nanoprober, och deras anställning hos möss för Raman imaging av cystor tumör överuttryck av folat Receptor, med en proportionerlig algoritm. Den största fördelen med Raman imaging över andra optisk imaging tekniker (såsom fluorescens) är hög specificitet för den nanoprobe signal som inte kan blandas ihop med några signaler av biologiskt ursprung. I detta förkroppsligande av Raman imaging, administreras nanopartiklarna i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De följande finansieringskällorna (till MFK) erkänns: NIH R01 EB017748, R01 CA222836 och K08 CA16396; Damon Runyon-Rachleff Innovation Award KVR-29-14, Pershing Square Sohn priset av Pershing Square Sohn Cancer forskningsallians och MSKCC Center för molekylär Imaging & nanoteknik (CMINT) och teknikutveckling beviljar. Bekräftelser är även utvidgas till bidragsfinansiering stödet från MSKCC NIH Core bidraget (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).
