Magnetische Nanopartikel für die Bildgebung der Atherosklerose: Wechselwirkung mit Strukturen der Zelloberfläche

Abstract

Einleitung Die Entwicklung einer effektiven nicht-invasiven Bildgebung der Atherosklerose ist von Bedeutung für die Diagnostik und Prävention von akuten kardio- und zerebrovaskulären Komplikationen wie Herzinfarkt und Schlaganfall. Die Magnetpartikelbildgebung (Magnetic Particle Imaging: MPI) ist eine präklinische, quantitative Bildgebungsmethode, die auf der spezifischen Detektion magnetischer Nanopartikel (MNP) basiert. Eine gezielte Anreicherung von bioverträglichen und zellaffinen MNP in atherosklerotischen Läsionen könnte die Detektion von vulnerablen Plaques mittels MPI ermöglichen. MPI ist dabei abhängig von der Signalintensität der MNP, deren magnetische Eigenschaften durch Wechselwirkung mit Zellstrukturen wie der Glykokalyx (GCX) verändert werden können. Mittels Magnet-Partikel-Spektrometrie (MPS) kann das magnetische Signal der MNP erfasst und bezüglich ihrer Eignung charakterisiert werden. Im Rahmen der vorliegenden experimentellen Arbeit wurden vorrangig Citrat-beschichtete MNP (VSOP und fluidMAG-CT50) hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften, Wechselwirkung mit der GCX und biologischen Verträglichkeit für die MPI untersucht. Methodik Die Visualisierung der GCX erfolgte mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) in humanen in-vitro-Zellmodellen. Um dabei die Zellstrukturen optimal zu erhalten und so die Interaktion von VSOP und der GCX von nichtadhärenten THP-1 Monozyten zu visualisieren, kamen unterschiedliche Fixiertechniken zur Anwendung. Die funktionelle Veränderung der magnetischen Eigenschaften nach Zellkontakt von Citrat-beschichteten MNP sowie sterisch-stabilisierten fluidMAG-Partikeln wurde mittels MPS untersucht. Des Weiteren wurde die Darstellung und Quantifizierung von fluidMAG-CT50 markierten Monozyten mittels MPI getestet. Die Verwendung einer Flusskammer ermöglichte die Aufnahme verschiedener MNP in primäre humane Nabelschnurvenenendothelzellen (HUVEC) in Abhängigkeit unterschiedlicher Kultivierungsmethoden (Statisch (S) vs. Laminarer Fluss (LF)) zu untersuchen. DCF- und MTT-Assays sowie Westernblot kamen zur Anwendung, um die Auswirkung von MNP auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die Zellviabilität und die Ferritin-Synthese im in-vitro-Zellmodell (EA.hy926, HUVEC) zu evaluieren. Ergebnisse Citrat-beschichtete VSOP waren nach kürzester Zeit mit der GCX von THP-1 Monozyten assoziiert. Dieser Prozess zeigte sich unmittelbar in der funktionellen Veränderung der magnetischen Eigenschaften von VSOP sowie für fluidMAG-CT50 nach Zellkontakt. FluidMAG-CT50 wurde signifikant höher in S-HUVEC (5,8 ± 2,0 %) als in LF-HUVEC (1,4 ± 0,4 %) aufgenommen. Oberhalb des Detektionslimits von 15.461 Zellen konnten fluidMAG-CT50 markierte Monozyten mittels MPI visualisiert und genau quantifiziert werden. Nach Inkubation mit Citrat-beschichteten MNP konnten eine transiente Erhöhung der ROS-Bildung, eine gesteigerte Ferritin-Synthese und kein signifikanter Einfluss auf die Zellviabilität in HUVEC beobachtet werden. Schlussfolgerung Sowohl die hohe Zellaffinität und Bioverträglichkeit als auch die Darstellung und Quantifizierung von markierten Monozyten mittels MPI indizierten die Anwendbarkeit von Citrat-beschichteten MNP für die Darstellung von atherosklerotischen Plaques und zeigten neue Möglichkeiten für eine funktionelle Bildgebung auf.

Introduction The development of an effective non-invasive imaging of atherosclerosis is important for diagnosis and prevention of acute cardiovascular and cerebrovascular complications such as heart attack and stroke. Magnetic particle imaging (MPI) is a preclinical, quantitative imaging method based on the specific detection of magnetic nanoparticles (MNP). A targeted accumulation of biocompatible and cell affine MNP in atherosclerotic lesions could enable the detection of vulnerable plaques using MPI. MPI is dependent on the signal intensity and magnetic properties of MNP. The magnetic characteristics of MNP are altered upon interaction with cell structures like the glycocalyx (GCX). Using magnetic particle spectrometry (MPS), the magnetic signal of MNP can be detected and characterized for its suitability. In context of the current experimental work, primarily citrate-coated MNP (VSOP and fluidMAG-CT50) were tested with regard to their magnetic properties, interaction with the GCX and biological compatibility for MPI.

Methods The GCX was visualized using transmission electron microscopy in human in-vitro-cell-models. To best maintain cell structures and visualize the interaction of VSOP and the GCX of THP-1 monocytes, different fixation techniques were used. The functional change in magnetic properties after cell contact of citrate-coated MNP was measured using MPS. The visualization and quantification of fluidMAG-CT50 labeled monocytes were tested using MPI. A flow chamber was used to investigate the uptake of various MNP in primary human endothelial cells (HUVEC) depending on different cultivation methods (static (S) vs. laminar flow (LF)). Western Blot, DCF and MTT assays were used to evaluate the effect of MNP on ferritin synthesis, formation of reactive oxygen species (ROS) and cell viability in EA.hy926 and HUVEC. Results Citrate-coated VSOP were rapidly associated with the GCX of THP-1 monocytes. This process was immediately apparent in the functional change of the magnetic properties of VSOP and fluidMAG-CT50 after cell contact. The uptake of fluidMAG-CT50 was significantly higher in S-HUVEC (5,8 ± 2,0 %) compared to LF-HUVEC (1,4 ± 0,4 %). Above the detection limit of 15,461 cells, fluidMAG-CT50 labeled monocytes could be visualized and precisely quantified using MPI. After incubation with citrate-coated MNP, a transient increase in formation of ROS, an increased ferritin synthesis and no significant influence on cell viability in HUVEC were observed. Conclusion The high cell affinity and biocompatibility as well as the visualization and quantification of labeled monocytes using MPI indicated the applicability of citrate-coated MNP for the detection of atherosclerotic plaques and revealed new opportunities for functional imaging.