Die Atherosklerose und ihre Folgen führen die weltweiten Todesursachenstatistiken an, woraus sich eine hohe gesundheitsökonomische Belastung ableiten lässt. Um eine Risikostratifizierung von atherosklerotischen Plaques zu ermöglichen ist es wichtig, Plaques mittels Bildgebung hochauflösend darzustellen und Rückschlüsse auf deren Zusammensetzung zu erhalten. Während bereits bekannt ist, dass very small iron oxide nanoparticles (VSOP) als mögliches MRT-Kontrastmittel von einer Vielzahl verschiedener Zelltypen aufgenommen werden und auch eine Anreicherung in atherosklerotischen Plaques zeigen, waren die verantwortlichen Aufnahmemechanismen bisher nicht identifiziert worden. Daher kombinierten wir transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen, physikalisch-technische Messmethoden wie die Magnetpartikelspektroskopie (MPS) sowie magnetresonanztomographische Bildgebung in in-vitro und in-vivo Versuchen, um weitere Rückschlüsse auf den Aufnahmemechanismus von VSOP zu erhalten. Ein besonderer Fokus lag hierbei auf einer möglicherweise veränderten Aufnahme innerhalb verschiedener Makrophagenphänotypen, was eine Charakterisierung vulnerabler, rupturgefährdeter Plaques ermöglichen könnte. Durch MPS-Messungen, die eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften von VSOP unmittelbar nach Zellkontakt zeigten, konnte auf eine zügige Interaktion der Nanopartikel mit Oberflächenstrukturen der Zellen geschlussfolgert werden. Nach intravenöser Gabe von VSOP ließ sich MR-morphologisch in LDL-Rezeptor defizienten (LDLR-/-) Mäusen eine Anreicherung in atherosklerotischen Plaques an typischen Prädilektionsstellen wie der kleinen Kurvatur des Arcus aortae und dem Truncus brachiocephalicus als negativer Kontrast 30 Minuten nach Partikelinjektion nachweisen. Zusätzlich konnte eine Aufnahme der Nanopartikel in mononukleäre Zellen des peripheren Blutes (PBMC) im selben Zeitraum mittels elektronenmikroskopischer Aufnahmen festgestellt werden. Die postulierte Annahme einer unterschiedlichen Eisenaufnahme innerhalb verschiedener Makrophagenphänotypen konnte nicht bestätigt werden. Durch die sehr schnelle Aufnahme von VSOP in atherosklerotische Plaques konnte eine Migration von zirkulierenden, VSOP-beladenen PBMC über neovaskularisierte Plaquebereiche als Hauptaufnahmemechanismus ausgeschlossen werden. Da sich VSOP in PBMC teilweise noch 7 Tage nach Injektion nachweisen lassen, ist eine geringe VSOP-Aufnahme in Plaques über diesen Mechanismus jedoch möglich. Eine passive Aufnahme von VSOP konnte ebenfalls ausgeschlossen werden, nachdem Erythrozyten als kernlose Zellen, die einer Endozytose unfähig sind, keine Aufnahme von VSOP in elektronenmikroskopischen Untersuchungen zeigten. Durch Kombination der Beobachtungen mit bereits veröffentlichten Daten konnte der für die VSOP-Aufnahme mutmaßlich verantwortliche Hauptmechanismus als Glykosaminoglykan-abhängige Transzytose identifiziert werden.
Atherosclerosis and its impacts are the leading cause of death worldwide implicating an equally big economic burden on health systems. In order to stratify risks of individual plaques it is of utmost importance to be able to depict plaques with high resolution and to gain information on their composition. While it has already been shown that very small iron oxide nanoparticles (VSOP) as a possible contrast agent in MRI diagnostics are being ingested by a variety of different cell types and an enrichment in atherosclerotic plaques has been described, the mechanism of intake remained unknown. Therefore we combined transmission electron microscopy (TEM), magnet particle spectroscopy (MPS) and magnet resonance imaging (MRI) in in-vitro and in-vivo experiments in order to gain further insights into the uptake mechanism of VSOP. Particular focus was placed on possible differences in VSOP-uptake between macrophage phenotypes, which would facilitate identification of vulnerable rupture-prone plaques. From observations in MPS-measurements, which showed a change of magnetic behavior immediately after contact of VSOP with living cells, a rapid interaction of VSOP with cell surface structures could be derived. After intravenous application of VSOP in LDL-receptor deficient (LDLR-/-) mice an accumulation of VSOP was detectable with MRI at typical predilection sites such as the small curvature of the aortic arch and the brachiocephalic trunk as soon as 30 minutes after application. After the same period, a rapid uptake into Peripheral Blood Mononuclear Cells (PBMC) was detected via transmission electron microscopy. Prior postulated differences in VSOP-uptake among macrophage phenotypes regarding iron quantities were not confirmed. Due to the rapid intake of VSOP into plaque areas, the migration of VSOP-loaden PBMC through neovascularisations or fusion with the cell membrane as the main uptake mechanism could be excluded. As VSOP can still be detected in PBMCs 7 days after injection, uptake of VSOP into plaques by this mechanism still appears to be possible to a small extent. A passive uptake of VSOP could be eliminated after erythrocytes, as coreless cells incapable of endocytosis, did not show any intake of nanoparticles in analyses using transmission electron microscopy. By combining the observations of the experiments with already existing data the main mechanism involved in VSOP-uptake was identified as glycosaminoglycan-dependent transcytosis.
