Synthese verschiedener elektrostatisch stabilisierter Eisenoxid-Nanopartikel und Vergleich der Eignung für die zielgerichtete MR-Bildgebung von atherosklerotischen Plaques

Abstract

Die Entwicklung neuer Kontrastmittel wie z. B. Eisenoxid-Nanopartikel ist für die Diagnose von Erkrankungen von großer Relevanz. Sterisch stabilisierte Eisenoxid-Nanopartikel werden bereits in der Klinik für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Zukünftig könnte die Früherkennung atherosklerotischer Läsionen mittels nichtinvasiver MRT klinische Komplikationen wie Herzinfarkt und Schlaganfall verhindern bzw. nach erfolgter Diagnose zur Therapieüberwachung genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Auswahl an elektrostatisch stabilisierten Eisenoxid-Nanopartikeln mit abweichenden Oberflächeneigenschaften durch Beschichtung mit verschiedenen monomeren Säuren synthetisiert. Neben den etablierten very small iron oxide nanoparticles (VSOP), über eine negativ geladene Hülle aus Citronensäure stabilisierte Partikel, konnten aus 8 potentiellen monomeren Säuren 4 weitere elektrostatisch stabilisierte Eisenoxid-Nanopartikel mit Äpfelsäure, DMSA, Etidronsäure und Weinsäure synthetisiert werden. Bei den Untersuchungen zum Nachweis der Anreicherung der Eisenoxid-Nanopartikel stellte sich die in der Literatur diesbezüglich etablierte Berliner-Blau-Färbung aufgrund der Detektion von endogenem Eisen innerhalb der atherosklerotischen Plaques als unzureichend heraus. Infolgedessen wurden alternative Methoden zum eindeutigen Nachweis sowie eine Quantifizierung in atherosklerotischen Läsionen erarbeitet. Über ex-vivo-MRT-Untersuchungen und durch Etablierung der relativ neu entwickelten Magnetische-Partikel-Spektrometrie (MPS) konnte eine mehr als dreifach so starke Anreicherung von VSOP im Vergleich zu Äpfelsäure-, Weinsäure- und Etidronsäure-Partikeln gezeigt werden, während DMSA- Nanopartikel sich nicht in atherosklerotischen Plaques anreicherten. Histologisch wurden VSOP mittels TEM in Endothelzellen und Makrophagen sowie vereinzelt azellulär lokalisiert. Weiterhin konnte eine sehr sensitive Methode zum eindeutigen histologischen Nachweis von Eisenoxid-Nanopartikeln über eine Europium-Dotierung von VSOP und dem Einsatz von LA-ICP-MS etabliert werden. Basierend auf den quantitativen Ergebnissen konnte abschließend VSOP als bester Kandidat mittels MRT in vivo in atherosklerotischen Läsionen der ApoE-/--Maus in sehr guter Qualtität dargestellt werden, was das Potential für eine klinische Anwendung unterstreicht. Alle vier Partikel zeigten im Vergleich zu sterisch stabilisierten Eisenoxid-Nanopartikeln kürzere Halbwertszeiten von unter einer Stunde, was eine T1-gewichtete MR-Angiographie und anschließend eine T2*-gewichtete Bildgebung der atherosklerotischen Läsionen in nur einer Bildgebungssitzung erlauben würde – für eine klinische Anwendung ein wesentlicher Vorteil.

The development of new contrast agents such as iron oxide nanoparticles is very important for diagnostic imaging. Iron oxide nanoparticles are an important class of imaging probes. Sterically stabilized iron oxide nanoparticles are already used in different clinical applications of magnetic resonance imaging (MRI). In the future, the early diagnosis of atherosclerotic lesions using MRI and iron oxide nanoparticles could prevent clinical complications such as myocardial infarction and stroke and serve to monitor the response to treatment. In this work several electrostatically stabilized iron oxide nanoparticles with different surface properties were synthesized by using different monomeric acids for coating. In addition to very small iron oxide nanoparticles (VSOP), which are stabilized by a negatively charged shell of citric acid, 4 further electrostatically stabilized nanoparticles could be synthesized out of 8 potential monomeric substances. Coatings with dimercaptosuccinic acid (DMSA), etidronic acid, malic acid, and tartaric acid resulted in stable nanoparticles. Verification of iron oxide nanoparticles using the Prussian blue staining method established in the literature failed in apoE-/--mice due to the presence of endogenous iron within the atherosclerotic plaques. Hence, alternative methods were identified and developed to prove and quantify iron oxide nanoparticles in plaques. Using ex vivo MRI and the recently established technique of magnetic particle spectroscopy (MPS), a three-fold higher accumulation was found for VSOP compared with etidronic acid-, malic acid-, and tartaric acid-stabilized nanoparticles, while DMSA-coated nanoparticles did not target atherosclerotic plaques. Histologically, VSOP were mostly identified in endothelial cells and macrophages and occasionally outside cells using transmission electron microscopy (TEM). Furthermore, a very sensitive method based on Europium doping and the use of laser ablation inductively coupled plasma mass spectroscopy (LA-ICP-MS) was established for definitive histologic identification of iron oxide nanoparticles. Based on quantitative results, VSOP as the best nanoparticle, was demonstrated within atheroslerotic plaques of apoE-/--mice in vivo. Imaging quality was very good, underlining the potential of VSOP for clinical use. In comparison to sterically stabilized iron oxide nanoparticles, all 4 particles had shorter blood half-lifes of less than one hour. This is an essential advantage for clinical use because it would allow use of the particles for T1-weighted MR angiography and subsequent T2*-weighted imaging in a single session.