Introduction: Cell based therapies - like the human hepatocyte transplantation - are a promising therapeutic option for various diseases and might present a future alternative to whole organ transplantation. However, several obstacles have to be overcome in order to improve those therapies. A major hurdle improving the hepatocyte transplantation is the mostly unclear fate of transplanted cells in the recipient’s body after transplantation. Cell-labelling using silica-based micrometre-sized iron oxide particles (sMPIO) enables cell tracking through magnetic resonance imaging (MRI) and might help explaining the mechanisms of cell transplantation. Even though cell labelling with iron oxide particles is a widely used method in research, until now it is mostly unclear if iron oxide particles can provoke harmful side effects and cell damage under the influence of magnetic fields of MRI systems.
Methods: In order to investigate dose dependent effects HuH7 cells were incubated with increasing concentrations of sMPIO (40-160 particles/cell) and underwent MRI stimulation in a clinical 3.0 Tesla MRI with T1- and T2-weighted sequences immediately after incubation. As control, groups of labelled and native cells were kept at room temperature without exposure to a magnetic field. Viability was assessed 24 and 48 hours after MRI. Freshly isolated primary human hepatocytes were incubated with 100 particles/cell and underwent MRI as well. We assessed cell viability, formation of reactive oxygen species (ROS), aspartate and alanine aminotransferase leakage and urea and albumin synthesis for a culture period of 5 days. Light microscopy (Axiovert 40CFL; Zeiss, Oberkochen, Germany) was performed to analyse particle uptake and cell morphology before and after MRI.
Results: The dose finding study showed no adverse effects of sMPIO on labelled HuH7 cells independent from particle load or magnetic field. MRI showed no adverse effects on cell morphology on both, HUH7 and primary human hepatocytes. Furthermore, the magnetic field nor the sMPIO alone affected cell viability, formation of ROS, aspartate and alanine aminotransferase leakage and urea and albumin synthesis of primary human hepatocytes.
Conclusion: In this study we could show that sMPIO do not induce adverse effect on labelled cells, neither alone nor under the influence of magnetic field of clinical used MRI systems. These results show that MRI-based cell tracking using sMPIO can be used to investigate the mechanism of cell transplantation and can contribute to the optimization of cell-based therapies.
Einleitung: Zell-basierte Therapien, wie beispielsweise die Transplantation humaner Hepatozyten, stellen vielversprechende Therapieoptionen für eine Vielzahl von Erkrankungen dar. Während die Transplantation von Hepatozyten vor allem als Überbrückung zur Lebertransplantation bei Neugeborenen mit schweren Stoffwechseldefekten der Leber eingesetzt wird, könnte sie künftig auch die Transplantation ganzer Organe ersetzen. Um Zell-basierte Therapien weiter zu verbessern ist, jedoch ein besseres Verständnis über das Schicksal der Zellen im menschlichen Körper nach der Transplantation notwendig. Die Markierung der Zellen mit superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln (sMPIO) ermöglicht es, die Hepatozyten auch nach Transplantation mittels Magnetresonanztomographie (MRT) im Körper des Empfängers nachzuverfolgen. Obwohl die Zellmarkierung mit sMPIO eine in der Forschung weit verbreitete Methode darstellt, ist bislang weitestgehend unklar, ob Eisenoxidpartikel im Magnetfeld eines klinischen MRT zelltoxische Effekte entwickeln.
Methoden: Um dosisabhängige Effekte zu studieren wurden Zellen einer HuH7-Zellreihe mit aufsteigenden Konzentration (40-160 Partikel/Zelle) inkubiert und anschließend dem Magnetfeld eines 3,0-Tesla MRT mit T1- und T2-gewichteten Sequenzen ausgesetzt. Die Zellviabilität wurde 24 und 48 Stunden danach bestimmt. Primäre humane Hepatozyten wurden mit einer Konzentration von 100 Partikeln pro Zell inkubiert und ebenfalls einer MRT-Untersuchung unterzogen. Über einen Zeitraum von 5 Tagen wurden Zellviabilität, reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), Aspartat- und Alaninaminotransferase und Urea- und Albuminsynthese gemessen. Als Kontrollen dienten in beiden Versuchsreihen sowohl native Zellen, die eine MRT-Untersuchung unterliefen, als auch native sowie Partikel-markierte, die ohne MRT-Untersuchung kultiviert wurden. Lichtmikroskopie wurde vor und nach der MRT-Untersuchung durchgeführt, um Partikelaufnahme und Zellmorphologie zu untersuchen.
Ergebnisse: Unabhängig von der Partikel-Konzentration ließen sich in den Versuchen mit HuH7-Zellen keine negativen Auswirkungen auf die Zellviabilität feststellen. Ebenso ließen sich keine Veränderungen der Zellmorphologie, sowohl bei den Versuchen mit der HuH7-Zellreihe, als auch mit primären humanen Hepatozyten nachweisen. Im Versuch mit primären humanen Hepatozyten fanden wir keine Veränderung der Sekretion von Aspartat- und Alaninaminotransferase, weder durch die Markierung mit sMPIO allein, noch durch sMPIO-Markierung und der Einwirkung des Magnetfelds des MRT. Gleichermaßen wurden auch die Bildung von ROS, die Albumin- und Harnstoffsynthese und die Zellviabilität, im Vergleich zu nativen primären Hepatozyten, nicht beeinträchtigt.
Schlussfolgerung: In dieser Studie konnten wir zeigen, dass die Zellmarkierung mit sMPIO keine negativen Effekte auf die Zellen ausübt, weder durch die Partikel alleine noch in Kombination mit dem Magnetfeld eines klinischen 3-Tesla MRT. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich sMPIO zur Markierung von Zellen und deren Nachverfolgung nach einer Zelltransplantation mithilfe einer MRT-Bildgebung, eignen. Diese Methode kann in Zukunft helfen, die bislang zu großen Teilen unbekannten Mechanismen der Zelltransplantion im Körper des Empfängers zu entschlüsseln.
