David Paramelle ACS Nano: 生物相容性肽涂层超小型超顺磁性氧化铁纳米颗粒用于体内对比增强磁共振成像

【引言】

基于纳米颗粒的造影剂的开发及其向临床应用的转变，安全且高性能的用于医学成像，提供了显着改进各种疾病（例如癌症和神经病理学）的诊断和治疗。目前最成功的基于纳米材料的造影剂是超顺磁性氧化铁纳米粒子（SPIONs），用于人体磁共振成像（MRI）。最为重要的是，超小型超顺磁性氧化铁纳米粒子（USPIONs）已被提议作为基于钆的造影剂（GBCA）的替代品，特别是对于具有肾源性系统性纤维化风险的慢性肾病患者。虽然FDA批准用于人类的缺乏治疗剂或MRI造影剂的SPION配方种类越来越多，但是在大多数情况下，强的副作用和疗效的风险性导致其很快就退出市场。因此，进一步提高SPION的生物相容性和性能，基于纳米颗粒的MRI造影剂（例如超小型超顺磁性氧化铁纳米颗粒（USPION））的表面涂层的品质对于确保生物环境中的高胶体稳定性，改善磁性能以及在循环流体和组织中的分散性，使其转化为临床应用至关重要。

【成果简介】

近日，新加坡科技研究局的David Paramelle教授（通讯作者）等报道了21种多肽和配体的设计，并在USPIONs表面表现出高度稳定的自组装单层膜。按照严格的标准制备和筛选了总共有86种不同的肽涂覆的USPIONs表面，例如在生理条件下对电解质诱导的聚集的稳定性，防止与细胞的非特异性结合，以及没有细胞毒性和对比增强的体内MRI。其中2PG-S^* VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs显示最高的生物相容性和性能，对活细胞没有可检测的毒性和粘附性。 2PG-S^*VVVT-PEG4-ol涂层的USPIONs显示出增强的磁共振特性。此外，实验证明2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs作为T2造影剂用于体内MRI应用的良好效果，实现了肝脏的高对比度增强以及肝脏肿瘤的检测，显着改善了肿瘤与肝脏的对比度。报道的肽包被的USPIONs具有允许肿瘤特异性靶向性和MRI早期检测癌症的潜力。研究成果以题为“Biocompatible Peptide-Coated Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles for In Vivo Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging”发表在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图一、制备和选择高效多肽包被USPIONs的 MRI造影剂的方法 

图二、油酸涂覆和水溶性TMAOH涂覆的USPIONs的表征 

（a） 100个油酸涂覆的USPIONs的尺寸分布；

（b） 100个TMAOH涂覆的USPIONs的尺寸分布；

（c）油酸涂覆的USPIONs的X射线粉末衍射；

（d）TMAOH涂覆的USPIONs的X射线粉末衍射;

（e） 油酸涂层USPIONs具有单结晶度和晶格条纹的高分辨TEM图；

（f）TMAOH涂覆的USPION的DLS图。

图三、多肽包被的USPIONs对电解质诱导聚集的稳定性 

（a-c）单肽包被的USPIONs的标准化聚集参数值；

（d）不同的肽和配体（PO₃H₂）-SC16-OH形成的混合多肽包被的USPIONs 的标准化聚集参数值；

（e） 不同的配体和2PG-S^*VVVT-ol形成的混合多肽包被USPIONs 的标准化聚集参数值；

（f）不同的配体和不同摩尔比的2PG-S^*VVVT-ol形成的混合多肽包被USPIONs 的标准化聚集参数值。

图四、多肽包被的USPIONs的体外评估 

（a） PLC / PRF5细胞选择的2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs的细胞存活率测定；

（b） PLC / PRF5细胞选择2PG-S^*VVVT-ol:(PO₃H₂)-S-C11-EG3-OH（7:3）包被的USPIONs的细胞存活率测定；

（c） 在没有USPIONs的情况下孵育的PLC / PRF5细胞；

（d） TMAOH包被的USPIONs的情况下孵育的PLC / PRF5细胞；

（e-f）2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs的情况下孵育的PLC / PRF5细胞；

（g-h）2PG-S^*VVVT-ol:(PO₃H₂)-S-C11-EG3-OH(7:3)包被的USPIONs的情况下孵育的PLC / PRF5细胞。

图五、2PG-S ^* VVVT-PEG4-ol涂覆的USPIONs造影剂进行体内MRI 

（a） 静脉注射2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，NCr裸鼠冠状（顶部）和横向（底部）平面的体内MR图像；

（b） 1.0 mg Fe / kg的剂量在NCr裸鼠中累积多肽包被的USPIONs后收集的肝脏对比度的定量；

（c） 静脉注射2PG-S^*VVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，原位异种移植肝肿瘤模型的冠状（顶部）和横向（底部）平面中的体内MR图像；

（d） 2.0 mg Fe / kg的剂量累积2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，定量肿瘤与肝脏对比的CNR；

（e-f）静脉注射2.0 mg Fe / kg 的2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，小鼠肝脏的组织病理学分析。

【小结】

设计研究了一系列多肽和配体，能够在USPIONs表面形成高度稳定的SAMs。双磷酸化的肽和配体优于其其它同源物，其通常用于包裹氧化铁纳米颗粒。研究发现2PG-S^*VVVTPEG4-ol包被的USPIONs在生理条件下表现出了对电解质诱导聚集的长期稳定性、没有可检测的与活细胞的非特异性结合和高浓度下没有细胞毒性的优点。而且，2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs在体内肝脏和肿瘤肝脏处展现出强烈且持久的对比强度。用生物标记物功能化精心设计的多肽包被的USPIONs将能够跟踪特定组织(例如乳腺癌)，并通过体内高分辨率对比增强MRI用于早期癌症诊断的靶向造影剂。

文献链接：Biocompatible Peptide-Coated Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles for In Vivo Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07572）

本文由材料人生物材料组小胖纸编译。

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