Evaluierung eines Silizium basierten Eisenoxidpartikels als intrazelluläres Magnetresonanzkontrastmittel für die Leberzelltransplantation

Abstract

Einleitung: Die Einschätzung des Behandlungserfolges einer therapeutischen Leberzelltransplantation, welche anhand von laborchemischen Parametern nicht vollständig zu erfassen ist, macht eine nicht invasive Visualisierung der transplantierten Zellen notwendig. Mikrometerskalige Eisenoxidpartikel können im Gegensatz zu kleineren nanometerskaligen Eisenoxidpartikeln einen starken Kontrast in der Magnetresonanztomographie (MRT) generieren und sind daher als intrazelluläres Kontrastmittel zur Zelldetektion unter klinischen Bedingungen sehr gut geeignet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Silizium basierter mikrometerskaliger Eisenoxidpartikel (sMPIO) für die intrazelluläre Markierung von Leberzellen in vitro evaluiert. Material und Methoden: Die Partikel wurden mit einem Magnetitgehalt von > 40 % mittels eines Sol- Gel Prozesses gefertigt. Die Oberfläche wurde mit Carboxygruppen (COOH) beschichtet, an welche kovalent Fluoreszin, Poly- L- Lysine (PLL) und Streptavidin (SA) gebunden wurden. Die monodispersen Partikel haben eine mittlere Größe von 1,18 µm und einen Eisengehalt von 1,0 pg Eisen/ Partikel. Die zelluläre Partikelaufnahme, die Bildgebung und die Effekte der Markierung auf die Zellen wurden an adhärenten Zellkulturen mit Huh7 Zellen, primären Rattenhepatozyten und primären humanen Hepatozyten untersucht. Ergebnisse: Die zelluläre Aufnahme der Partikel erfolgte innerhalb einer Inkubationszeit von vier Stunden. Die PLL- modifizierten Partikel zeigten die größte intrazelluläre Aufnahme. In T2* gewichteten Bildern eines 3,0 Tesla MRT waren 1.000 markierte Zellen und in einer T1 gewichteten LAVA Sequenz 10.000 markierte Zellen nötig, um einen suffizienten Kontrast im MRT zu generieren. Die Markierung war über die Kultivierungsperiode stabil und zeigte keine schädigenden Einflüsse auf die markierten Zellen. Diskussion: Silizium ist ein biokompatibles Material welches bereits für den klinischen Gebrauch zugelassen wurde. Die sMPIO sind nicht toxisch, sie ermöglichen eine rasche zelluläre Markierung und generieren einen suffizienten MR Kontrast. Daher sind sie besonders für eine klinische Applikationen und zur Generierung eines starken MR Kontrastes bei der zellulären Bildgebung geeignet. Die Oberfläche der sMPIO bietet die Möglichkeit zu einer variablen Partikelmodifikation und Entwicklung multifunktionaler theranostischer Partikel für die diagnostische Bildgebung und gezielte pharmazeutische Substratlieferung.

Introduction: Cellular therapies require methods for noninvasive visualization of transplanted cells. Micron-sized iron oxide particles (MPIO) generate a strong contrast in magnetic resonance imaging (MRI) and are therefore ideally suited as an intracellular contrast agent to image cells under clinical conditions. However, MPIO were previously not applicable for clinical use. Here, we present the development and evaluation of silica-based micron-sized iron oxide particles (sMPIO) with a functionalizable particle surface. Materials and Methods: Particles with magnetite content of > 40 % were composed using the sol- gel process. The particle surfaces were covered with COOH groups. Fluorescein, poly- L- lysine (PLL), and streptavidin (SA) were covalently attached. Monodisperse sMPIO had an average size of 1.18 µm and an iron content of about 1.0 pg iron/ particle. Particle uptake, toxicity, and imaging studies were performed using HuH7 cells and human and rat hepatocytes. Results: sMPIO enabled rapid cellular labeling within 4 h of incubation; PLL- modified particles had the highest uptake. In T2*- weighted 3.0 Tesla MRI, the detection threshold in agarose was 1000 labeled cells, whereas in T1-weighted LAVA sequences, at least 10000 cells were necessary to induce sufficient contrast. Labeling was stable and had no adverse effects on labeled cells. Conclusion: Silica is a biocompatible material that has been approved for clinical use. sMPIO could therefore be suitable for future clinical applications in cellular MRI, especially in settings that require strong cellular contrast. Moreover, the particle surface provides the opportunity to create multifunctional particles for targeted delivery and diagnostics.