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要約

Targeted cell delivery is useful in a variety of biomedical applications. The goal of this protocol is to use superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) to label cells and thereby enable magnetic cell targeting approaches for a high degree of control over cell delivery and localization.

要約

細胞および治療剤の標的化送達は、オフターゲット部位への悪影響を最小限に抑えながら、標的部位で治療効果を集中することにより、生物医学的用途の広い範囲に利益をもたらします。磁気細胞標的化は、効率的で、安全で、簡単な配信技術です。超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）は、生体適合性、生分解性であり、および磁界に応答してレンダリングするために細胞内に取り込ませることができます。合成プロセスは、マグネタイト鉄（Fe 3 O 4）を作成することを含む、ポリ（乳酸-コ-グリコール酸）（PLGA）コーティングを形成するために、高速乳化続いナノ粒子。 PLGA-マグネタイトSPIONsは約10 nmの直径のマグネタイトコアを含む直径約120nmです。培養培地中に置かれたとき、SPIONsは、天然細胞によってエンドサイトーシスおよび細胞質エンドソーム内の小さなクラスターとして記憶されます。これらの粒子は、細胞に十分な磁気質量を与え磁場内にターゲットを可能にします。多数の細胞選別とターゲットアプリケーションは、磁場に反応する様々な細胞型をレンダリングすることで有効になっています。 SPIONsは、同様に、腫瘍の治療または組織はんだ付けのための医療用イメージング造影剤として使用する、標的薬物や遺伝子デリバリー、診断アッセイ、およびローカル温熱療法の生成を含む他の生物医学的用途の多様性を持っています。

概要

Targeted delivery and capture of cells to specific sites within the body is desirable for a variety of biomedical applications. Delivery of neural stem cells to the brain by MRI-guided focused ultrasound has been proposed as a possible treatment option for neurodegenerative disease, traumatic brain injury, and stroke1. Mesenchymal stem cells are being studied for their ability to deliver anti-cancer drugs to tumors due to their natural tumor-tropic properties2,3. Cardiac stem cells have been delivered to the heart as a possible treatment for myocardial infarction4,5. Vascular stents have been developed with CD34 antibodies to capture circulating progenitor cells6. While promising, these cell targeting approaches present drawbacks including lack of cell specificity, inconsistent cell retention, and off-target cell delivery.

The overall goal of the current method is to enable magnetically directed targeting of cells for a variety of cell delivery and sorting applications. Magnetic targeting allows for controlled delivery of specific cells to a specific target site with minimal off-target effects7. The magnetic fields can be generated by implanted or external devices to safely direct the movement of magnetically-labeled cells within the body8. Numerous research efforts have focused on magnetically directed targeting of stem cells to injured tissues such as the heart9-14, retina15, lung16, skin17, spinal cord18,19, bone20, liver21, and muscle22,23 in order to improve regeneration outcomes.

Magnetic targeting of cells has also been studied extensively as a means to endothelialize implantable cardiovascular devices. A uniform and complete endothelium provides a barrier between the device and circulating blood elements to mitigate thrombosis and inflammation. Endothelial cells can be delivered to the device either prior to implantation or via the vascular system following implantation. In both cases, magnetic fields are used to capture cells to the surface of the device and retain the cells when subjected to the shear stress generated by circulating blood. Magnetic vascular stents24-27 and vascular grafts28 have both been fabricated and tested for this purpose.

Magnetic cell targeting requires a strategy for labeling cells with magnetic carrier particles. These particles can be bound to the surface of cells via antibodies or ligand/receptor pairs or they can be endocytosed into the cells. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are biodegradable, biocompatible, and readily endocytosed by a variety of cell types29. These particles effectively render a cell responsive to magnetic fields and are naturally degraded over time. SPIONs provide a straightforward and safe means of magnetically labeling cells in culture for a variety of magnetic targeting and sorting applications. A method for synthesizing SPIONs with a magnetite (Fe3O4) core and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) shell is provided. In addition, a method for labeling cells in culture with SPIONs is provided.

プロトコル

マグネタイトゲルの合成1。

  1. エチルアルコールが続く脱イオン水、続いて濃塩酸を使用して、すべてのガラス器具を洗ってください。好ましくは乾燥炉中で、O / Nを乾燥することができます。
    注意！塩酸は危険です - ドラフト内で個人用保護具や作業を着用。エチルアルコールは有害である - 個人用保護具を着用します。
  2. 脱ガス、脱イオンH 2 Oを 500ミリリットルを静かに30分間N 2ガ ​​スをバブリングすることによりDreschelボトルを使用してください。
  3. セットアップマグネタイト合成装置を化学ヒュームフード内。
    1. isomantleヒーター内500mlの三口丸底フラスコを置き、クランプを使用して、中央の口を確保し、スタンド。
    2. 丸底フラスコの側面口の1つ、残りの側の首にゴム隔壁を還流冷却器にゴム隔膜を取り付けます。連続還流冷却器を通して冷たい水を実行します。
    3. パンク番目N 2ガ ​​スラインに接続された針を用いて電子丸底フラスコのゴム隔壁とガス流出を可視化するためにバブラー（水とのすなわち、フラスコ）に実行されているガスラインに接続された針で還流冷却器のゴム隔膜を穿刺。
    4. パドルアダプタを介して丸底フラスコの中央の口にブレードパドルを取り付けます。スタンドに取り付けられたオーバーヘッドスターラーをブレードパドルのシャフトを取り付けます。
  4. N 2ガ ​​スを用いた丸底フラスコをパージし、低いが検出速度で流れるN 2ガ ​​スを残します。
  5. 丸底フラスコから還流冷却器を取り外し、塩化鉄（III）、鉄の0.6125グラム（II）塩化物水和物の1.000グラムを追加し、脱気H 2 Oの50ミリリットル
    注意！塩化鉄（III）および塩化鉄（II）四水和物は、有害である - 個人用保護具を着用します。
  6. 50に加熱しながら還流冷却器を取り付け、1000rpmで攪拌°C。これらの条件下で攪拌すると、10 nmの直径のマグネタイトナノ粒子を生成します。
  7. 一旦、50℃で、さらに攪拌しながら丸底フラスコにゴム隔膜を介して注入することにより、28％水酸化アンモニウム溶液10mlを加えます。
    注意！水酸化アンモニウムは有害である - 個人用保護具を着用します。
    注：水酸化アンモニウム溶液は、マグネタイトを沈殿させるために使用され、溶液が黒くなるべきです。
  8. まだ攪拌しながらアンモニアガスを沸騰する90℃に丸底フラスコと熱からゴム隔壁および N 2ガ ​​スラインを外します。
    注：これは、還流冷却器のゴム隔壁を穿刺することにより、丸底フラスコに、N 2の流れを維持するために、任意である、しかし、マグヘマイトへの磁鉄鉱 ​​の酸化は、このステップの間に無視できるものです。
  9. いったん90℃でまだ攪拌しながら、丸底フラスコにオレイン酸の1ミリリットルを追加します。オレイン酸は、マグネタイトNA被覆するために使用されていますマグネタイトのゲルを形成するnoparticles。
    注意！オレイン酸は有害である - 個人用保護具を着用します。
  10. 丸底フラスコにゴム隔壁および N 2ガ ​​スラインを交換し、還流冷却器を取り外します。
  11. 熱をオフにして、2時間、500rpmで攪拌​​します。
  12. isomantleヒーターからの丸底フラスコを取り外し、マグネタイトゲルを保持するために、フラスコの底に対して保持強力な磁石を使用している間、残りの液体をデカント。
    注意！損傷または傷害を避けるために、細心の注意を持つ強力な磁石を処理します。
  13. 空気乾燥O / N（オプション）にマグネタイトゲルを許可します。

マグネタイトゲルの2精製

  1. マグネタイトゲルを溶解させた丸底フラスコに、ヘキサン40 mlを加え
    注意！ヘキサンは有害である - ドラフト内で個人用保護具と仕事を着用してください。
  2. 残留H 2 Oあちこち除去するために、脱気の H 2 O 40mLで分液漏斗を使用してくださいマグネタイト溶液メートル。
    1. ゆっくりと分液漏斗内のH 2 Oにマグネタイト液を注ぎ、軽く5分間二相液体を旋回。
    2. 外排出し、下部の水部分を破棄します。
    3. ゆっくりマグネタイトソリューションの下に、それが落ち着くように、分液漏斗に脱気したH 2 Oの40ミリリットルを加え、穏やかに旋回し、以前のようにドレイン。
    4. 三度目の洗浄するために繰り返します。
  3. 、三角フラスコにマグネタイト液を移し、無水硫酸ナトリウムの価値はいくつかへらを追加し、マグネタイト溶液から、残りの残留H 2 Oを除去するための渦。
  4. 硫酸ナトリウム及び残留H 2 Oを除去するための濾過漏斗で1ミクロンの濾紙マグネタイト溶液を濾過
    注：真空支援が推奨されます。
  5. 50ミリリットル蒸発フラスコにマグネタイト液を移し、ヘキサンを蒸発させるために、ロータリーエバポレーターを使用以下の条件で2時間：中程度の回転速度、真空度は50℃の水浴でフラスコを蒸発させ、塗布し、24℃の水が凝縮器を循環します。
    注：必要に応じて、PLGAでコーティングする前にマグネタイトゲルを保存します。

PLGAシェルを使用したマグネタイトナノ粒子の3コーティング

  1. 1.5％（M / V）のソリューションを作成するために、酢酸エチル240mlの中のPLGAの3.60グラム（75/25ブレンド）を溶解します。注意：酢酸エチルは有害である - ドラフト内で個人用保護具と仕事を着用してください。
  2. 5.0％（M / V）溶液を作成するために、磁気スターラーを用いて脱気H 2 O 500ml中のPluronic F-127の25.00グラムを溶解します。
    注：プルロニックF-127は、生体適合性界面活性剤として作用する非イオン性両親媒性ブロック共重合体です。なお、ステップ3.3.2で水中油型エマルジョンを安定化するのに役立ちます。
  3. ミクロを使用して、重み付けされたガラスバイアル内で6 0.040グラムのアリコートにマグネタイトゲルを収集します。 PERF各アリコートについては、以下のコーティング及び洗浄工程をORM。
    注：一定分量は、ステップ4で劣化する前に凍結乾燥を最小限に抑えながら、純度と収率を最大れる、効率的な処理および磁気デカンテーションを確保するために必要です。
    1. 10分間超音波洗浄器で0.040グラムのマグネタイトゲルのアリコートおよびプラスチックビーカー超音波処理にPLGA溶液の40ミリリットルを追加します。
    2. プラスチックビーカーのプルロニック溶液80 mlを加え、すぐに水中油型エマルジョンとしてマグネタイトナノ粒子上のPLGAコーティングを形成するために7分間最高設定で実験室用ミキサーで乳化します。
    3. すぐに酢酸エチルを蒸発させ、化学換気フード中で1時間脱イオンH 2 O及び超音波処理を1 LにSPION溶液を希釈します。
    4. SPION溶液に次の強力な磁石を置き、静かに磁石で茶色がかっSPIONsを収集するためにかき混ぜます。
      注：これは、断続的に、数時間攪拌する必要があるかもしれません溶液前SはSPIONsのほとんどが収集されたことを示す白っぽくなります。
    5. 磁石をビーカーにSPIONsを維持しながら水溶液をデカント。
    6. 次のようにSPIONsを3回洗浄します。
      1. 脱イオンH 2 O 1LにSPIONsサスペンド
      2. 20分間SPION液を超音波処理。
      3. SPION溶液に次の強力な磁石を置き、静かに磁石で茶色がかっSPIONsを収集するためにかき混ぜます。これは、溶液がSPIONsの大部分が回収されたことを示す明確なターン前に断続的に数時間撹拌することが必要であり得ます。
      4. 磁石をビーカーにSPIONsを維持しながら水溶液をデカント。
  4. 水性懸濁液のような単一の加重ガラス瓶に6マグネタイトゲルアリコートのそれぞれから合成SPIONsを収集します。必要に応じて、必要に応じて磁気的に余分な水分をデカント。

4.フリーズSPIONsの-drying

  1. SPIONソリューションをフリーズします。
  2. 凍結乾燥した凍結乾燥機でSPION液O / Nに。
  3. 凍結乾燥SPIONsを計量。細胞標識に使用するまで凍結乾燥SPIONsを-20℃で保存することができます。
    注：-20°C劇的での保存は、分解速度を減少させ、貯蔵寿命を向上させます。

SPIONsによる細胞の5ラベリング

  1. 40 mg / mlの濃度でリン酸緩衝生理食塩水（PBS）中SPIONsのアリコートを一時停止し、30分間超音波処理します。
  2. 細胞培養培地を5μl/ mlの濃度で細胞のほぼコンフルエントなフラスコにSPION溶液を加えます。静かにフラスコを揺動することにより均一な分布を確認してください。
  3. 37℃で16時間細胞をインキュベートします。
  4. 穏やかに培地を吸引し、PBSで細胞を2回洗浄します。
  5. 磁気標識細胞を収集し、実験に使用します。
  6. 未使用SPION溶液は​​4℃で保存することができ、米国でなければなりません数ヶ月以内にエド。各使用前に30分間超音波処理。

結果

マグネタイトナノ粒子は、50℃、1000回転（図1）での鉄（III）、塩化鉄（II）塩化物水和物の水溶液を攪拌した結果、直径が約10nmです。これらの結果は、マグネタイトナノ粒子の合成に成功を実証します。これは、最初に合成しようとすると、バッチの少量の試料から採取したマグネタイトナノ粒子のサイズおよび形状を確認することが重要です。透過型電子顕微鏡（TEM）は、こ?...

ディスカッション

任意のナノ粒子合成プロトコルと同様に、反応物質の化学物質の純度は、最小限の細胞毒性効果を持つことになり、高品質のSPIONsを達成するために重要です。これは、オレイン酸（≥99％）、塩化鉄（II）四水和物（≥99.99％）、塩化鉄（III）（≥99.99％）、酢酸エチルなどの非常に純粋な試薬を購入することが重要である（HPLCグレード、≥99.9％ ）、ヘキサン（HPLCグレード、≥97.0％）、水酸...

開示事項

The authors declare that they have no competing financial interests.

謝辞

The authors wish to acknowledge funding from the European Regional Development Fund – FNUSA-ICRC (no. CZ.1.05/ 1.1.00/ 02.0123), the American Heart Association Scientist Development Grant (AHA #06-35185N), and the National Institutes of Health (NIH #T32HL007111).

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Ammonium Hydroxide solution, 28% NH3 in H2O, ≥99.99% trace metal basisSigma-Aldrich338818-100ML Harmful reagent - wear personal protective equipment
Dreschel bottle, 500 mlAce Glass5516-16
Ethyl Acetate, CHROMASOLVR Plus, for HPLC, 99.9% Sigma-Aldrich650528-1LHarmful reagent - wear personal protective equipment & work in fume hood
Ethyl alcoholSigma-AldrichE7023Harmful reagent - wear personal protective equipment
Evaporating flask, 50 ml, 24/40 jointSigma-AldrichZ515558For use with rotoevaporator
Filter paper, 3 cm dia, grade 1Fisher09-805PFor use with glass filter funnel
Glass beakers, 1 LFisherFB-101-1000For washing SPIONs
Glass filter funnel, vacuum hose adapter, fits 24/40, 30 mLFisherK954100-0344 
Glass vial capsFisher03-391-46For use with glass vials
Glass vials, 2 mlFisher03-391-44For collecting magnetite gel & SPIONs
Hexane, CHROMASOLVR, for HPLC, ≥97.0% (GC)Sigma-Aldrich34859-1L Harmful reagent - wear personal protective equipment & work in fume hood
Hydrochloric acidSigma-AldrichH1758Harmful reagent - wear personal protective equipment & work in fume hood
Iron(II) chloride tetrahydrate, ≥99.99% trace metals basis Sigma-Aldrich380024-5GHarmful reagent - wear personal protective equipment
Iron(III) chloride anhydrous, powder, ≥99.99% trace metals basisSigma-Aldrich451649-1GHarmful reagent - wear personal protective equipment
Isomantle heater, 500 mLVoight GlobalEM0500/CEX1
Laboratory mixerSilversonL5M-A
LyophilizerLabconco7670520
MicrospatulasFisher21-401-25AFor transfering magnetite gel
NdFeB magnet, 1 in x 1 in x 1 inAmazing MagnetsC1000H-MVery strong magnet, handle with care
Oleic acid, ≥99% (GC)Sigma-AldrichO1008-5G Store in freezer; Harmful reagent - wear personal protective equipment
Overhead stirrerIKA2572201
Overhead stirrer clampIKA2664000For use with overhead stirrer
Overhead stirrer H-standIKA1412000For use with overhead stirrer
Phosphate buffered salineLife Technologies10010-023
Plastic beakers, 250 mlFisher02-591-28
PLGA PURASORB PDLG (75/25 blend)PuracPDLG 7502PDLG 7502A may be used as well; Store in freezer
Pluronic F-127 powder, BioReagent, suitable for cell cultureSigma-AldrichP2443-250G 
PTFE expandable blade paddle, 8 mm diaSciQuipSP4018
PTFE vessel adapter, fits 24/40, 8 mm dia paddleMonmouth ScientificPTFE Vessel Adaptor A480For use with PTFE expandable blade paddle
Recirculating chillerClarkson696613For use with rotoevaporator
Reflux condenser, fits 24/40, 250 mmAce Glass5997-133
RotoevaporatorClarkson216949
Rubber septa, fits 24/40Ace Glass9096-56
Separatory funnel with stopper, 250 mlFisher10-438E
Sodium sulfate ACS reagent, ≥99.0%, anhydrous, granularSigma-Aldrich239313-500G 
Three neck round bottom flask, angled, 24/40 joints, 500 mlAce Glass6948-16
Ultrasonic cleaner perforated panFisher15-335-20AFor use with ultrasonic cleaner
Ultrasonic cleaner, 2.8 LFisher15-335-20
Vacuum controllerClarkson216639For use with rotoevaporator (optional)
Vacuum pumpClarkson219959For use with rotoevaporator

参考文献

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104 SPION PLGA 3 O 4

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