Markierung primärer humaner Hepatozyten mit Eisenoxidpartikel zur Darstellung mittels klinischer Magnetresonanztomographie

Abstract

Hintergrund: Die Leberzelltransplantation wird bei verschiedenen Lebererkrankungen als alternatives Therapieverfahren zur Lebertransplantation erwogen und in ersten klinischen Studien untersucht. Derzeit existiert jedoch keine geeignete Methode, um Leberzellen während und nach der Applikation mittels bildgebender Verfahren darzustellen. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht die Lokalisierung von superparamagnetischen Eisenoxidpartikel. Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Markierung primärer humaner Hepatozyten mit Eisenoxidpartikel zu entwickeln und die Effekte der Markierung sowie die Bereitstellung der markierten Zellen für eine Zelltransplantation in vitro zu untersuchen. Methoden: Primäre humane Hepatozyten wurden mittels eines Kollagenase- Perfusionsverfahrens aus Leberteilresektaten von 19 Zellspendern isoliert und für die Markierungsversuche in Adhäsion kultiviert. Als intrazelluläres Kontrastmittel wurden superparamagnetische, Tat-Peptid modifizierte „MagForce“-Partikel (100nm) sowie „Micron-sized polymer encapsulated iron oxide particles“ (MPIOs; 1,6μm) evaluiert. Zellproben wurden nach Fixierung in Agarose mittels eines klinischen MRT bei einer Feldstärke von 3,0 Tesla untersucht. Die Partikelaufnahme wurde mit Licht-, Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie nachgewiesen. MPIO-markierte Hepatozyten wurden enzymatisch resuspendiert und während einer Rekulturphase von 5 Tagen anhand verschiedener Parameter charakterisiert und mit Kontrollgruppen verglichen (Partikelgehalt, AST- und LDH-Freisetzung, Harnstoff- und Albuminsynthese, mitochondriale Aktivität, Gesamtprotein). Ergebnisse: Kultivierte primäre humane Hepatozyten konnten mit modifizierten „MagForce“-Partikel nach einstündiger Inkubation markiert und mittels klinischer MRT dargestellt werden. Zur Lokalisierung auf Einzelzellniveau war jedoch eine Markierung mit MPIOs erforderlich. Eine ausreichende Partikelinkorporation von 18 Partikel/Zelle konnte nach vier Stunden bei einer Inkubationskonzentration von 30 Partikel/Zelle erzielt und mikroskopisch nachgewiesen werden. MPIO-markierte Hepatozyten wurden erfolgreich resuspendiert und rekultiviert. Die Markierung mit MPIOs blieb während des gesamten Versuchszeitraumes stabil. Sowohl die Markierung als auch die Resuspendierung übten keinen negativen Effekt auf die Zellintegrität und die metabolische Aktivität der kultivierten primären humanen Hepatozyten aus.

Background: Liver cell transplantation is considered as alternative to liver transplantation for treatment of certain liver diseases. However, methods for non-invasive visualization of liver cells during and following transplantation are currently not available. Magnetic resonance imaging (MRI) enables localization of superparamagentic iron oxide particles. The aim of this study was to develop a protocol for labeling of primary human hepatocytes with iron oxide particles and to evaluate the effects of labeling and preparation for transplantation. Methods: Primary human hepatocytes were isolated using a collagenase isolation procedure from liver tissue of 19 patients and cultivated in adhesion. Superparamagnetic, Tat-peptide modified MagForce- particles (100µm) and micron-sized polymer-encapsulated iron oxide particles (MPIOs; 1,6µm) were used for cell labeling. Cell samples were investigated in vitro using a clinical 3.0 Tesla MR scanner. Particle uptake was evaluated using light-, fluorescence-, and electron microscopy. MPIO-labeled hepatocytes were enzymatically resuspended and characterized over a 5 days re-culture period and compared with control groups (particle content, AST- and LDH- leakage, urea- and albumin synthesis, mitochondrial activity, total protein). Results: Primary human hepatocytes were successfully labeled with modified MagForce-particles and visualized by clinical MRI. However, MPIO-labeling was necessary for detection of labeled cells on a single-cell level. MPIO-uptake of 18 particles/cell could be achieved after 4 hours incubation at an incubation concentration of 30 particles/cell. MPIO-labeled hepatocytes were successfully resuspended and re-cultivated. Labeling with MPIO was stable throughout the observation period. Labeling and resuspension had no adverse effect on cellular integrity and metabolic activity of cultivated primary human hepatocytes.