Inflammation-induced brain endothelial activation leads to uptake of electrostatically stabilized iron oxide nanoparticles via sulfated glycosaminoglycans

Abstract

Based on our previous data on the presence of very small superparamagnetic iron oxide nanoparticles (VSOP) on brain endothelial structures during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), we investigated the mechanisms of VSOP binding on inflamed brain endothelial cells in vivo and in vitro. After intravenous application, VSOP were detected in brain endothelial cells of EAE animals at peak disease and prior to clinical onset. In vitro, inflammatory stimuli increased VSOP uptake by brain endothelial bEnd.3 cells, which we confirmed in primary endothelial cells and in bEnd.3 cells cultured under shear stress. Transmission electron microscopy and blocking experiments revealed that during inflammation VSOP were endocytosed by bEnd.3. Modified sulfated glycosaminoglycans (GAG) on inflamed brain endothelial cells were the primary binding site for VSOP, as GAG degradation and inhibition of GAG sulfation reduced VSOP uptake. Thus, VSOP-based MRI is sensitive to visualize early neuroinflammatory processes such as GAG modifications on brain endothelial cells.

Basierend auf unseren früheren Arbeiten über das Auftreten von Eisenoxid-Nanopartikeln (Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles VSOP) auf zentralnervösen Endothelstrukturen im Rahmen einer Experimentellen Autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) bei Mäusen untersuchen wir in dieser Arbeit die Mechanismen der VSOP-Bindung auf entzündeten Hirnendothelzellen in vivo als auch in vitro. Nach intravenöser Verabreichung konnten VSOP in Hirnendothelzellen von EAE-Mäusen zum Krankheitsmaximum als auch vor dem Auftreten von klinischen Symptomen nachgewiesen werden. In vitro erhöhten entzündliche Stimuli die VSOP-Aufnahme in der murinen bEnd.3-Hirnendothelzelllinie, was wir bei Primärzellen und auch bei bEnd.3-Zellen unter Flussbedingungen bestätigen konnten. Transmissionselektronenmikroskopie und die Blockade von molekularen Oberflächenstrukturen zeigten ferner, dass VSOP unter entzündlichen Bedingungen von den bEnd.3-Zellen mittels Endozytose aufgenommen werden. Modifizierte sulfatierte Glykosaminoglykane (GAG) waren dabei die vorrangige Bindungsstelle für die Nanopartikel, da die VSOP-Aufnahme nach GAGDegradation und Unterdrückung der Sulfatierung abnahm. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass VSOP-basierte Magnetresonanztomographie helfen kann, frühe neuroinflammatorische Veränderungen wie zum Beispiel GAG-Modifikationen auf Hirnendothelzellen darzustellen.