Bioimmagini registrato di Nanomateriali per il monitoraggio diagnostico e terapeutico

Riepilogo

Bioimmagini metodi utilizzati per valutare biodistribuzione delle cellule di nanoparticelle sono applicabili per il monitoraggio terapeutico e diagnostico di composti nanoformulated. I metodi descritti nel presente documento sono sensibili e specifici, quando valutati da coregistrazione istologici. Le metodologie di fornire un percorso traslazionale da roditore a applicazioni sull'uomo.

Abstract

Nanomedications può essere trasportato da ematica monociti-macrofagi nel sistema reticolo-endoteliale (RES, milza, fegato, linfonodi) e per finire organi. Questi ultimi includono i polmoni, RES, e il cervello e sono operative durante il virus dell'immunodeficienza umana di tipo uno (HIV-1) infezioni. Ingresso dei macrofagi nei tessuti è notevole in aree di attivi replicazione dell'HIV-1 e siti di infiammazione. Al fine di valutare il potenziale dei macrofagi come nanovettori, superparamagnetiche di ossido di ferro e / o droga particelle cariche rivestite con tensioattivi parenterale sono state iniettate in topi da HIV-1 encefalitiche. Ciò è stato fatto per valutare quantitativamente particelle e biodistribuzione di droga. Risonanza magnetica (MRI) i risultati dei test sono stati convalidati da coregistrazione istologici e di elaborazione delle immagini migliorato. Organo terminale della malattia come caratterizzata da istologia cervello alterato sono stati valutati mediante risonanza magnetica. La dimostrazione della migrazione robusta nanoformulations in aree di encefalite focale fornisce '"proof of concept" per l'utilizzo di avanzate tecniche di bioimmagini di monitorare la migrazione dei macrofagi. È importante sottolineare che le aberrazioni istopatologici nel cervello di correlazione con i parametri di bioimmagini rendendo l'utilità generale della RM negli studi di distribuzione delle cellule nella malattia fattibile. Noi ipotizzare che l'utilizzo di tali metodi in grado di fornire un indice in tempo reale di tutte le malattie e l'efficacia terapeutica con un potenziale traslazionali per l'uomo.

Protocollo

1. Introduzione

La consegna selettivo di farmaci e macromolecole terapeutici (peptidi, proteine ​​e acidi nucleici) per siti cellulari e dei tessuti di malattia attiva e infezioni microbiche in corso miglioreranno le risposte farmaceutico durante la malattia ^1-3. Un sito in particolare è il cellulare dei macrofagi che sia estremamente mobili e coinvolgente immunitario ed è un obiettivo coerente principale per il virus dell'immunodeficienza umana (HIV). ⁴ È importante sottolineare che l'infiammazione dei macrofagi impegnato alla base anche di una vasta gamma di disturbi che comprendono degenerative, infiammatorie, infettive e le malattie tumorali, e la mobilità delle cellule di siti di progressione della malattia alla base di lesioni dei tessuti ^5-9. È importante sottolineare che l'uso dei macrofagi ematica come farmaco, macromolecola, e vettori del segnale ha guadagnato recente attenzione per il suo potenziale traslazionale. Tuttavia, un ostacolo significativo nella realizzazione dei potenziali terapeutici è la barriera emato-encefalica (BBB) ​​tra le barriere di altri tessuti che sono impermeabili ad uno spettro di macromolecole e delle proteine. Questi, barriere, tuttavia, non permettono il passaggio delle cellule. Tutti insieme si prevede che nel corso naturale della malattia periferica macrofagi che le barriere di bypass possono trasportare farmaci formulati, marcatori, e peptidi a siti di infezione o infiammazione. Tuttavia, queste tecnologie rimangono solo nello sviluppo. E 'attraverso le nostre opere che cellulo-mediata di consegna possono essere sviluppati per applicazioni diagnostiche e terapeutiche e applicazioni sono supportate da modelli di laboratorio e su animali di malattie umane ^10-12.

2. Nanomateriale preparativi

Preparazione dei nanomateriali per la consegna di droga e studi di biodistribuzione è il tema di un manoscritto parallelo in questo numero (parallelo manoscritto di riferimento). Tutte le procedure per la produzione di nanoparticelle cristalline sono svolte in una cappa a flusso laminare. Tutte le superfici vengono disinfettate prima dell'uso con il 70% di alcol. Questo include superficie di lavoro, l'esterno di guanti e di eventuali sversamenti. Tutti sono coperti con una soluzione di alcool al 70% replicare immediatamente con salviette. I guanti sono gettati dopo l'uso e non sono indossati quando si entra in qualsiasi altra area di laboratorio. Eccipiente, droga, con acqua sterile / contenenti reagenti qualsiasi / tutti per la produzione di droga particelle cariche sono solo messo in aree di lavoro in caso di necessità per le procedure. Pipette sterili avvolto sono usati solo ed eliminati dopo l'uso in un contenitore per rifiuti biologici. L'apparato bagnato disposti viene disinfettata con alcol prima e dopo l'uso. Area di lavoro viene pulito immediatamente prima e dopo con il 70% di alcol. Soluzione di nanoparticelle è testato per pirogeni in conformità con le linee guida della FDA per valutare l'assenza di endotossine batteriche nelle soluzioni di particelle farmaco usato per gli animali. In breve,

1. Nanoformulations candidato per uso in-vivo vengono replicati sostituendo il nucleo di droga o gocce con una particella di dimensioni identiche o un pezzo ricavato dal superparamagnetiche ossido di ferro (SPIO) prima del rivestimento con il tensioattivo appropriato.
2. Questa è seguita da misure di grandezza, carica, forma, e la citotossicità per determinare se il sistema modello SPIO ha le stesse proprietà del farmaco candidato nanoformulated.
3. Infine, i test di carico delle cellule vengono eseguite mediante incubazione con il candidato nanoformultation modello SPIO al fine di determinare la relassività all'interno delle cellule utilizzando fantasmi composto di cellule etichettate sospese in gel di agar. Fantasmi è redatto in triplice copia e sono preparati ad una serie di concentrazioni, al fine di quantificare il relassività dovuto alla captazione SPIO nelle cellule. Ciò fornisce un indice di sensibilità e determina se l'nanoformulations possono influenzare lo stato di ossidazione, e quindi la visibilità del SPIO a risonanza magnetica (MRI).

3. Metodi e procedure: Preparazione degli animali

1. Iniezioni / cateteri. A seconda del tempo di interesse, le iniezioni possono richiedere l'utilizzo di un catetere per iniettare l'animale all'interno della risonanza magnetica. Cateteri sono preparati con un non-ago magnetico e una estensione tubi con diametro minimo di minimizzare lo spazio morto nella linea di iniezione. Il catetere dovrebbe essere pre-riempite con soluzione contenente sia il nanomateriale da iniettare o soluzione salina, a seconda dello spazio morto e il volume totale accettabile di iniezione. Se possibile, l'iniezione può essere seguita con un filo fisiologica salina. Se i tempi acuta non sono di estrema importanza, un pre-scan può essere eseguita, e l'iniezione può essere effettuata al di fuori del magnete in un tempo predeterminato prima del follow-up scansioni per le misure di biodistribuzione. Cateteri sono tipicamente inseriti nella vena della coda per la IV iniezioni.
2. Anestesia e di monitoraggio. Prima della scansione, l'animale viene posto in una camera per indurre l'anestesia. Questa camera è preriempita con il 1,5% isoflurano nel 70% nossido itrous e ossigeno 30% al fine di accelerare l'insorgenza di anestesia degli animali e minimizzare la quantità di tempo necessario per garantire che l'animale non si sveglia dopo l'estrazione dalla camera. Una volta che l'animale è completamente anestetizzato, l'animale viene rimossa dalla camera e viene inserito nel supporto stereotassica attrezzato per monitorare la frequenza respiratoria e la temperatura degli animali, pur continuando a fornire isoflurano durante la configurazione e la scansione.
3. I titolari degli animali e considerazioni di regolazione: Set-up include lubrificante occhio per la protezione contro le ulcere corneali. L'animale è leggermente avvolto con una garza e la garza è registrata in atto per minimizzare la perdita di calore durante la scansione e per fornire una pressione positiva contro il monitor respirazione. Detentori degli animali sono dotati di barre dente regolabile, consentendo l'allineamento verticale e orizzontale della testa. Ciò è particolarmente importante per il campo di alta risonanza magnetica, l'angolazione della testa in direzione rostrale-caudale causerà ulteriori difficoltà con la disomogeneità del campo magnetico a causa della suscettibilità magnetica. Disomogeneità di campo magnetico è deleterio per la qualità alta T ₂ * MRI e ¹ spettroscopia di risonanza magnetica H ⁽¹ H MRS) e la risonanza magnetica imaging del tensore di diffusione (DTI). Oltre al corretto posizionamento dell'angolo di testa nella direzione rostrale-caudale, rotazioni della testa deve essere evitata nella misura in cui è fattibile. Consentendo la rotazione del titolare animale nel magnete risarcire rotazioni minori, che può avvenire da animale ad animale. Questo può essere ulteriormente ridotta collocazione accurata della testa e l'attenzione al angolazione prima di inserire l'animale nel sistema di risonanza magnetica.
4. Calibrazione e spessoramento: Una volta che l'animale è nel supporto e la bobina di superficie è posizionato correttamente sulla testa, la posizione iniziale l'animale è determinato da un tempo reale unidimensionale lettura in direzione rostrale-caudale. Segnale è limitata alla zona intorno alla bobina di superficie utilizzata per la ricezione, limitando la necessità di interpretazione delle forme d'onda osservate. Una volta che la posizione iniziale è determinato, un 3-piano dell'immagine localizzatore viene preso per determinare con precisione la posizione dell'animale nello scanner e per consentire il movimento per la posizione precisa necessario per la scansione (s) di interesse. Questa è seguita da regolazione della omogeneità del campo magnetico o "spessorare" il magnete. Questo viene fatto la mappatura della distribuzione di campo e calculation di una correzione determinata con precisione spaziale in base alle risposte misura di una serie di elettromagneti o "bobine shim" all'interno del sistema concepito per regolare l'omogeneità di campo. Spessoramento è realizzato utilizzando un multi-gradiente sequenza eco e software di mappatura sviluppato dal Dr. Hetherington ^13. Regioni di omogeneità sono abbinati alla regione esaminata da ogni metodo diagnostico. Una volta spessoramento è completa, siamo in grado di acquisire la scansione (s) di interesse da parte dell'animale.

4. Acquisizione Dati

1. Ad alta risoluzione T ₂ * RM pesata. Biodistribuzione di nanoparticelle contenenti SPIO può essere determinata rilevando le regioni di perdita di segnale in alta risoluzione 3D T ₂ * RM pesata. La regione del cervello è determinata dalle scansioni localizzatore e prescritto nelle scansioni localizzatore o scansioni aggiuntive, se necessario. A ₂ * scansione RM pesata con una risoluzione di 150 micron isotropo viene poi acquisita. Un alto gradiente di risoluzione 3D ricordato eco risonanza magnetica della testa del mouse viene eseguita utilizzando una gabbia bobina 25 mm Volume con i parametri di acquisizione di tempo di eco = 5 ms, tempo di ripetizione = 50 ms, il 30% eco, angolo di capovolgere = 35 gradi, medie = 2, campo di vista = 20 x 20 x 20 mm con una risoluzione di 128 x 128 x 128 (voxel size = 150 x 150 x 150 micron ^3), tempo di acquisizione totale = 30 min.
2. Imaging del tensore di diffusione (DTI): le immagini del tensore di diffusione sono misure quantitative della direzione e della grandezza di diffusione di acqua all'interno delle cellule del tessuto. Di conseguenza, la fase del segnale è estremamente sensibile al movimento, come le scansioni sono sensibilizzati o "pesata" per moto d'acqua microscopiche. Come risultato, le acquisizioni solo colpo sono desiderati per evitare sfasamenti tra le acquisizioni di provocare sbavature segnale di misura e gating respiratorio è necessario per impedire il movimento lordi durante l'acquisizione del segnale. Pertanto, una delle vie respiratorie gated spin-echo diffusione ponderato Echo Planar Imaging (EPI) sequenza MR è impiegato. Ancora una volta, spessoramento la regione delle scansioni è molto importante, come off-risonanza effetti durante l'evoluzione del segnale cause mancato registro della frequenza del segnale, e quindi la posizione, sul piano dell'immagine. EPI parametri di acquisizione incluso 14 fette, 200 di larghezza di banda KHz, 96 x 96 nell'acquisizione piano zero pieno a 256 x 256, e una fetta di spessore 0,5 mm. La codifica utilizzata era una diffusione equilibrata, schema di polarità rotazione-invariante e si alternano icosaedrica (12 direzionezioni) ^14,15. Lo schema di codifica è stato progettato per ridurre background-diffusione gradiente giunti ^16. Ponderazione del fattore di diffusione b = 800 s mm ^-2, δ = 4 ms, Δ = 15 ms, Gdmax = 40 G / cm, 200 aumento ms di tempo, 7 medie per b = 0 acquisizione, 3 medie per ogni b = 800 codifica direzione, per un tempo totale di acquisizione di 20-40 minuti, a seconda della frequenza respiratoria.
3. Localizzato ¹ H spettroscopia di risonanza magnetica ⁽¹ H MRS): ¹ H MRS può essere ottenuto da regioni cerebrali prescritto sulle immagini acquisite durante la stessa sessione di imaging. Sedi anatomiche si trovano sulle immagini per prescrivere la regione di interesse per l'acquisizione di spettri. Una volta che la regione è identificata, spessoramento è effettuato in una regione corrispondente al volume di acquisizione, controllato utilizzando uno spettro localizzato acqua. Poi, il potere di impulsi di soppressione dell'acqua sono ottimizzati, l'acqua viene misurata la frequenza di assicurare in risonanza segnale acqua, e uno spettro breve test è acquisito per fornire il controllo di qualità. Se spettri sono di qualità insufficiente, le impostazioni di sistema, tra cui radiofrequenza (RF) di potenza e le impostazioni di spessore, vengono controllati. Infine, se la qualità è ancora insufficiente, un secondo aereo 3-localizzatore viene eseguito per garantire che l'animale non si è spostata dalla scansione iniziale. Nella nostra esperienza, questo fornisce un elevato grado di riproducibilità e accuratezza per le acquisizioni spettroscopiche. Infine, gli spettri vengono acquisiti in blocchi brevi con il ripristino della frequenza di sistema tra le acquisizioni per eliminare gli effetti di deriva campo magnetico e di garantire la riproducibilità e la qualità delle scansioni finale. Al termine dell'acquisizione, un unico spettro di acqua impulso ad un guadagno del preamplificatore predefinito viene utilizzato come riferimento quantitativo ampiezza del segnale.
4. Istologia ed Imaging Blockface: Dopo l'ultima sessione di scansione MRI nella serie temporale di esperimenti, il mouse è perfuso, il cervello viene rimosso e incorporato in un blocco di ottobre, composto che è stato oscurato con una goccia di inchiostro di china. Il blocco viene inserito in un criostato per affettare e analisi istologica. Blockface immagini vengono acquisite utilizzando una macchina fotografica digitale (Canon EOS 300D Digital Rebel con una Canon EFS ultrasuoni 60 millimetri f/2.8 Macro USM) montato sulla parte anteriore del criostato con un supporto personalizzato e innescato da un interruttore a distanza. Le immagini digitali vengono acquisite ogni 50 micrometri attraverso il volume intero cervello. Fette sono numerati per consentire la registrazione all'interno del volume dopo l'elaborazione istologica e colorazione. Fette blockface individuali sono stati allineati per ricostruire il volume 3D utilizzando il blocco delinea per tenere conto di jitter nella posizione della testa del criostato. Il volume del cervello è quindi automaticamente utilizzando l'algoritmo segmentato regione seme cresce in base Analizza pacchetto software (AnalyzeDirect, Lexena, KS).

5. Analisi dei dati

1. Rilevamento SPIO utilizzando la risonanza magnetica: SPIO provoca la perdita di segnale in T ₂ * RM pesata, marker e, come tale, il vuoto segnale RM è un sensibile ma non specifico per la presenza SPIO nei tessuti. La sensibilità dipende dalla risoluzione spaziale della risonanza magnetica e la dimensione della particella SPIO, con una particella singola micron di dimensioni rilevata con risoluzione di 100 micron isotropo. In queste opere, una risoluzione di 150 micron isotropo con 200 particelle di dimensioni nanometriche SPIO vengono utilizzati. Per fornire sia la sensibilità e specificità per la presenza di SPIO nel cervello, i topi sono stati esaminati prima dell'iniezione delle cellule SPIO etichettati per consentire la sottrazione delle immagini da utilizzare per l'identificazione positiva delle cellule del cervello in momenti successivi. 3D risonanza magnetica sono stati costretti subimaged utilizzando il metodo di livello sviluppato nel nostro laboratorio come descritto in precedenza ^17. Il volume del cervello Subimaged sono stati poi coregistered, intensità del segnale normalizzato, ed i volumi sottratti per rilevare le regioni all'interno del volume cerebrale con perdita di segnale (presenza di SPIO), che non è stato lungo i bordi per eliminare un falso segnale positivo da errori di registrazione ogni subpixel.
2. Coregistrazione di Istologia ed MRI: coregistrazione tra istologia e la risonanza magnetica è stato realizzato utilizzando l'immagine blockface come riferimento comune. Questo approccio riduce la complessità del problema principale di correggere il restringimento asimmetrico di fette di tessuto durante la preparazione e colorazione di un problema a due dimensioni, come descritto nei nostri precedenti lavori ^18,19. Qui, risonanza magnetica e la rilevazione istologia di macrofagi contenenti SPIO nel cervello hanno mostrato un'eccellente correlazione spaziale, con una sovrastima del volume atteso dalla perdita di segnale RM e una maggiore sensibilità alle poche cellule istologia dimostra ^12. Preciso co-localizzazione di questi due segnali fornisce una misura della precisione di coregistrazione e alterare istologia indietro le forme originarie delle fette.
3. Regione di interesse (ROI) Le analisi di DTI: scansioni DTI sono tipicamente analizzati dalla selezione di un ROI anatomico per determine la proprietà di diffusione media del tessuto in una sottostruttura anatomica particolare.
   Analisi della diffusione ponderato dati vengono eseguite utilizzando programmi personalizzati scritti in IDL (Interactive Data Language, ITT Visual Information Solutions, Boulder, CO), come descritto in precedenza ^15,20. Analisi produrre mappe del tensore di diffusività (λ _1, λ _2, λ _3), diffusività media (D _av) dove: D _av = (λ ₁ + λ ₂ + λ ₃₎ / ₃ e anisotropia frazionaria (FA), dove:
   
   Trasversale (λ _⊥ = (λ ₂ + λ ₃₎ / 2) e longitudinale (λ = λ _{ll 1)} componenti del tensore di diffusione sono state ottenute come descritto altrove ^21. Una volta che le mappe sono costruite, ROI sono disegnati su T ₂ sovrapposti RM pesata con colori codificati λ ₁ mappe direzionalità. Esempi di regioni selezionate per l'analisi nel modello murino HIV sono mostrate nella Figura 1.
4. Analisi spettroscopiche: quantificazione dei composti metabolici che contribuiscono ai picchi di cervello ¹ H MRS è effettuata in uno dei diversi metodi di montaggio di curva. Una varietà di tecniche di montaggio di curva sono stati sviluppati. Nel nostro laboratorio, ci impiegano un metodo di dominio tempo opportuno (QUEST) ^{22 23} nel pacchetto di elaborazione del segnale jMRUI che è una combinazione lineare di singoli spettri metabolita che contribuiscono allo spettro finale. Noi usiamo una base di quanto stabilito del 22 singoli metaboliti come potenziali fattori che contribuiscono. Gli spettri base sono simulate e verificata con spettri di soluzioni di metaboliti individuali. Un esempio di risultato curva adatta da un singolo spettro è mostrato nella Figura 2.

6. Rappresentante Risultati

Esempi di DTI e 1HMRS sono mostrati nelle figure 1 e 2. Ulteriori esempi di 1H MRS ^24-26 e DTI ²⁷ risultati possono essere visti nelle nostre pubblicazioni precedenti. Esempi di preinjection T ₂ * risonanza magnetica pesata con una sovrapposizione della localizzazione delle cellule marcate in giallo è mostrata in Figura 3. Il topo aveva etichettato monociti macrofagi derivati ​​iniettato nella vena della coda. Cinque giorni dopo, T ₂ * RM pesata è stata acquisita e trattati come descritto sopra. Il mouse è stato preparato da iniezione di macrofagi infettati da HIV umano nel cervello, che è visto come una linea di monociti del mouse rilevato macrofagi derivati. Ulteriori esempi di rilevazione sia delle cellule etichettati e coregistrazione con istologia può essere visto nelle nostre pubblicazioni precedenti ^10,12.

Figura 1. Rappresentazione di regioni analizzate per le metriche DTI.

Figura 2. Montaggio spettroscopiche utilizzando QUEST nella suite di elaborazione del segnale jMRUI.

Figura 3. Rilevamento di cellule SPIO etichettati migrazione dal sangue periferico in una regione del cervello con encefalite focale. Posizioni delle cellule (giallo) fette sovrapposizione rappresentante di un T ₂ * acquisizione RM pesata come descritto nel testo.

Discussione

La registrazione accurata di istologia in vivo con risultati di imaging è un passo fondamentale nello sviluppo di biomarcatori di imaging per il rilevamento e la stadiazione della malattia neuronale. Alcuni parametri di imaging possono essere correlati con i cambiamenti morfologici lordi compresi i cambiamenti nelle proprietà magnetiche rilassamento dei tessuti utilizzati per rilevare la presenza di malattie della sostanza bianca e tumori. Altri metodi più sottili, come DTI, sono suscettibili di individuare precocemente cambiamenti cellulari che possono non essere rilevabili come i cambiamenti istologici causati dalla malattia non compaiono più tardi le fasi della malattia. Marcatori ancora altri, come marker spettroscopici, possono essere indicatori di cambiamenti precoci e reversibili, che precedono anche le più sottili alterazioni cellulari.

Biodistribuzione può essere determinata in modo non invasivo utilizzando una varietà di metodi. Il primario metodi non invasivi sono la tomografia ad emissione di positroni (PET), emissione di singolo fotone SPECT (tomografia computerizzata), imaging ottico, e la risonanza magnetica. Medicina nucleare a base di imaging (PET e SPECT) sono stati utilizzati nel corso degli anni per la biodistribuzione molti, ma questi metodi sono limitati dalla vita della metà dei radiotraccianti utilizzati per l'etichettatura dei composti o nanomateriali, soprattutto per i traccianti PET. L'imaging ottico può essere usato per piccoli roditori, ma non può essere tradotto per l'uso nell'uomo, tranne per le regioni facilmente accessibili, come i tumori superficiali a causa di assorbimento della luce e la dispersione della luce. Inoltre, è difficile quantificare i segnali ottici per queste stesse ragioni. La RM utilizza tag persistenti come SPIO che possono essere rintracciati nel corpo per un periodo di settimane. Anche questo deve essere usato con cautela, in quanto l'etichetta può essere trasferito alle cellule diverse o essere riassorbito dal corpo.

Specificità di rilevamento per SPIO a risonanza magnetica può essere fornito da una varietà di metodi. Metodi di rilevamento, che forniscono segnali positivi e negativi, sono utilizzati per migliorare la specificità della risonanza magnetica per rilevare la presenza di SPIO nei tessuti. Il metodo di sottrazione utilizzato in questo lavoro è stato utilizzato da altri, oltre ^28. Altri approcci sono fuori rilevamento risonanza ^29-31, fase di imaging sensibile che produce un particolare modello vicino vuoti SPIO ^32, immagine e zero tempo di eco ponderazione T1 che utilizza per produrre un positivo segnale di intensità nella regione di SPIO ^33. L'avanzamento di questi metodi per migliorare la quantificazione di etichetta, la sensibilità e la specificità è un'area di ricerca attiva oggi.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Isoflurane
Medical Oxygen
Isoflurane vaporizer
Rodent gas anesthesia mask
MRI compatible Stereotactic head holder
Syringe
Polyethylene catheter tubing
Non-magnetic needle
Eye lubricant
Gauze
Tape
Perfusion media
OCT compound for embedding tissue
MRI system
Digital Camera
Tissue Sectioning Cryostat