David Paramelle ACS Nano: 生物相容性肽涂層超小型超順磁性氧化鐵納米顆粒用于體內對比增強磁共振成像

【引言】

基于納米顆粒的造影劑的開發及其向臨床應用的轉變，安全且高性能的用于醫學成像，提供了顯著改進各種疾病（例如癌癥和神經病理學）的診斷和治療。目前最成功的基于納米材料的造影劑是超順磁性氧化鐵納米粒子（SPIONs），用于人體磁共振成像（MRI）。最為重要的是，超小型超順磁性氧化鐵納米粒子（USPIONs）已被提議作為基于釓的造影劑（GBCA）的替代品，特別是對于具有腎源性系統性纖維化風險的慢性腎病患者。雖然FDA批準用于人類的缺乏治療劑或MRI造影劑的SPION配方種類越來越多，但是在大多數情況下，強的副作用和療效的風險性導致其很快就退出市場。因此，進一步提高SPION的生物相容性和性能，基于納米顆粒的MRI造影劑（例如超小型超順磁性氧化鐵納米顆粒（USPION））的表面涂層的品質對于確保生物環境中的高膠體穩定性，改善磁性能以及在循環流體和組織中的分散性，使其轉化為臨床應用至關重要。

【成果簡介】

近日，新加坡科技研究局的David Paramelle教授（通訊作者）等報道了21種多肽和配體的設計，并在USPIONs表面表現出高度穩定的自組裝單層膜。按照嚴格的標準制備和篩選了總共有86種不同的肽涂覆的USPIONs表面，例如在生理條件下對電解質誘導的聚集的穩定性，防止與細胞的非特異性結合，以及沒有細胞毒性和對比增強的體內MRI。其中2PG-S^* VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs顯示最高的生物相容性和性能，對活細胞沒有可檢測的毒性和粘附性。 2PG-S^*VVVT-PEG4-ol涂層的USPIONs顯示出增強的磁共振特性。此外，實驗證明2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs作為T2造影劑用于體內MRI應用的良好效果，實現了肝臟的高對比度增強以及肝臟腫瘤的檢測，顯著改善了腫瘤與肝臟的對比度。報道的肽包被的USPIONs具有允許腫瘤特異性靶向性和MRI早期檢測癌癥的潛力。研究成果以題為“Biocompatible Peptide-Coated Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles for In Vivo Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一、制備和選擇高效多肽包被USPIONs的 MRI造影劑的方法?

圖二、油酸涂覆和水溶性TMAOH涂覆的USPIONs的表征?

（a） 100個油酸涂覆的USPIONs的尺寸分布；

（b） 100個TMAOH涂覆的USPIONs的尺寸分布；

（c）油酸涂覆的USPIONs的X射線粉末衍射；

（d）TMAOH涂覆的USPIONs的X射線粉末衍射;

（e） 油酸涂層USPIONs具有單結晶度和晶格條紋的高分辨TEM圖；

（f）TMAOH涂覆的USPION的DLS圖。

圖三、多肽包被的USPIONs對電解質誘導聚集的穩定性?

（a-c）單肽包被的USPIONs的標準化聚集參數值；

（d）不同的肽和配體（PO₃H₂）-SC16-OH形成的混合多肽包被的USPIONs 的標準化聚集參數值；

（e） 不同的配體和2PG-S^*VVVT-ol形成的混合多肽包被USPIONs 的標準化聚集參數值；

（f）不同的配體和不同摩爾比的2PG-S^*VVVT-ol形成的混合多肽包被USPIONs 的標準化聚集參數值。

圖四、多肽包被的USPIONs的體外評估?

（a） PLC / PRF5細胞選擇的2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs的細胞存活率測定；

（b） PLC / PRF5細胞選擇2PG-S^*VVVT-ol:(PO₃H₂)-S-C11-EG3-OH（7:3）包被的USPIONs的細胞存活率測定；

（c） 在沒有USPIONs的情況下孵育的PLC / PRF5細胞；

（d） TMAOH包被的USPIONs的情況下孵育的PLC / PRF5細胞；

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

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

圖五、2PG-S ^* VVVT-PEG4-ol涂覆的USPIONs造影劑進行體內MRI?

（a） 靜脈注射2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，NCr裸鼠冠狀（頂部）和橫向（底部）平面的體內MR圖像；

（b） 1.0 mg Fe / kg的劑量在NCr裸鼠中累積多肽包被的USPIONs后收集的肝臟對比度的定量；

（c） 靜脈注射2PG-S^*VVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，原位異種移植肝腫瘤模型的冠狀（頂部）和橫向（底部）平面中的體內MR圖像；

（d） 2.0 mg Fe / kg的劑量累積2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，定量腫瘤與肝臟對比的CNR；

（e-f）靜脈注射2.0 mg Fe / kg 的2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs后，小鼠肝臟的組織病理學分析。

【小結】

設計研究了一系列多肽和配體，能夠在USPIONs表面形成高度穩定的SAMs。雙磷酸化的肽和配體優于其其它同源物，其通常用于包裹氧化鐵納米顆粒。研究發現2PG-S^*VVVTPEG4-ol包被的USPIONs在生理條件下表現出了對電解質誘導聚集的長期穩定性、沒有可檢測的與活細胞的非特異性結合和高濃度下沒有細胞毒性的優點。而且，2PG-S^*VVVT-PEG4-ol包被的USPIONs在體內肝臟和腫瘤肝臟處展現出強烈且持久的對比強度。用生物標記物功能化精心設計的多肽包被的USPIONs將能夠跟蹤特定組織(例如乳腺癌)，并通過體內高分辨率對比增強MRI用于早期癌癥診斷的靶向造影劑。

文獻鏈接：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組小胖紙編譯。

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