Syntes, karakterisering och tillämpning av superparamagnetiska järnoxid nanosonder för extrapulmonary tuberkulos Upptäckt
Summary
För att förbättra serologiska diagnostiska tester för Mycobacterium tuberkulos antigener, utvecklade vi superparamagnetic järnoxid nanosonder för att upptäcka extrapulmonary tuberkulos.
Abstract
En molekylär bildsond bestående av superparamagnetiska järnoxid (SPIO) nanopartiklar och Mycobacterium tuberkulos ytantikroppar (MtbsAb) var syntetiseras för att förbättra bildåtergivningskänslighet för extrapulmonary tuberkulos (ETB). En SPIO nanosond syntetiserades och konjugerats med MtbsAb. Den renade SPIO-MtbsAb nanosonden kännetecknades med TEM och NMR. För att bestämma sondens inriktningsförmåga inkuberades SPIO-MtbsAb nanosonder med Mtb för in vitro-bildavbildningsanalyser och injicerades i Mtb-inokuerade möss för in vivoundersökning med magnetisk resonans (MR). Kontrastförbättringen minskning på magnetisk resonanstomografi (MRI) av MTB och THP1 celler visade proportionell mot SPIO-MtbsAb nanoprobe koncentration. Efter 30 min intravenös SPIO-MtbsAb nanosond injektion i Mtb-infekterade möss, var signalintensiteten i granulomatous området förbättras med 14-faldigi T2-viktade MR-bilder jämfört med den hos möss som får PBS injektion. MtbsAb nanosonder kan användas som en ny modalitet för ETB upptäckt.
Introduction
Globalt sett utgör extrapulmonary tuberkulos (ETB) en betydande andel av tuberkulos (tbc) fall. Ändå är ETB diagnos ofta missas eller försenas på grund av dess lömska kliniska presentation och dåliga resultat på diagnostiska tester; falska resultat inkluderar sputum utstryk negativt för syra-snabb bacilli, brist på granulomatous vävnad på histopathology, eller underlåtenhet att odla Mycobacterium tuberkulos (Mtb). I förhållande till typiska fall inträffar ETB mindre ofta och innebär lite befrielse av Mtb bacilli. Dessutom är det oftast lokaliseras på svåra att komma åt platser, såsom lymfkörtlar, lungsäcken och osteoartikulära områden1. Invasiva förfaranden för att erhålla adekvata kliniska prover, vilket gör bakteriologisk bekräftelse riskabel och svår, är därför nödvändiga2,3,4.
Kommersiellt tillgängliga antikroppsdetekteringstester för ETB är otillförlitliga för klinisk upptäckt på grund av deras breda känslighetsområde (0,00-1,00) och specificitet (0,59-1,00) för alla extrapulmonary platser tillsammans5. Enzymkopplade immunospot (ELISPOT) analyser för interferon-γ, kulturfiltrate protein (CFP), och tidig sekretorisk antigen mål (ESAT) har använts för att diagnostisera latent och aktiv TB. Resultaten varierar dock mellan olika sjukdomsplatser för diagnos av ETB6,7,8. Dessutom gav huden PPD (renat proteinderivat) och QuantiFERON-TB ofta falska negativa resultat9. QuantiFERON-TB-2G är en hel blod immun reaktivitet analys, som inte kräver ett prov från det drabbade organet och detta kan vara ett alternativt diagnostiskt verktyg6,10,11. Andra diagnostiska metoder som vanligtvis används för tbc hjärnhinneinflammation, såsom polymeras kedjereaktion, är fortfarande alltför okänsliga för att tryggt utesluta klinisk diagnos12,13. Dessa konventionella tester visar otillräcklig diagnostisk information för att upptäcka extrapulmonary infektion webbplats. Således krävs nya diagnostiska metoder kliniskt.
Molekylär avbildning syftar till att utforma nya verktyg som direkt kan skärmspecifika molekylära mål för sjukdomsprocesser in vivo14,15. Superparamagnetisk järnoxid (SPIO), en T2-viktad NMR kontrastmedel, kan avsevärt öka specificitet och känslighet magnetisk resonans (MR) imaging (MRI)16,17. Denna nya funktionella bildframställning modalitet kan exakt skissvävnad förändringar på molekylär nivå genom ligand-receptor interaktioner. I denna studie, en ny molekylär bildbehandling sond, bestående av SPIO nanopartiklar, var syntetiserad att konjuca med Mtb yta antikroppar (MtbsAb) för ETB diagnos. SPIO nanosonder är minimalt invasiva till vävnader och organ under undersökning18,19. Dessutom kan dessa nanosonder visa exakta MR-bilder vid låga koncentrationer på grund av deras paramagnetiska egenskaper. Dessutom uppträder SPIO-nanosonder framkalla minst allergiska reaktioner eftersom förekomsten av järnjoner är en del av normal fysiologi. Här utvärderades känsligheten och specificiteten hos SPIO-MtbsAb-nanosonderna som riktade sig mot ETB i både cell- och djurmodeller. Resultaten visade att nanosonderna var tillämpliga som ultrakänsliga bildmedel för ETB-diagnos.
Protocol
Representative Results
Discussion
I likhet med relevanta studier visade våra resultat avseende SPIO-MtbsAb nanosonder en betydande specificitet för Mtb27,28. Den subkutana Mtb granulom hittades 1 månad efter TB injektion i musmodellerna. Den typiska TB granulomatous histologi resultaten ingår lymfocyter infiltration, förekomst av epithelioid makrofager, och karvaskulärisering. Syrasnabb bacilli var utspridda i TB skador, bekräftar MTBsAb immunohistochemistry resultaten. Detta indikerade en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma för det ekonomiska stödet från ekonomiministeriet Taiwan (beviljar NSC-101-2120-M-038-001, DE FLESTA 104-2622-B-038 -007, MOST 105-2622-B-038-004) för att utföra detta forskningsarbete. Detta manuskript redigerades av Wallace Academic Editing.
Materials
| (benzotriazol-1-yloxy) tripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate | Sigma-Aldrich | ||
| 1-hydroxybenzotriazole | Sigma-Aldrich | ||
| dextran(T-40) | GE Healthcare Bio-sciences AB | ||
| epichlorohydrin, 2,2'-(ethylenedioxy)bis(ethylamine) | Sigma-Aldrich | ||
| ferric chloride hexahydrate | Fluka | ||
| ferrous chloride tetrahydrate | Fluka | ||
| Human monocytic THP-1 | |||
| M. bovis BCG | Pasteur Mérieux | Connaught strain; ImmuCyst Aventis | |
| MRI | GE medical Systems | 3.0-T, Signa | |
| NH4OH | Fluka | ||
| NMR relaxometer | Bruker | NMS-120 Minispec | |
| Sephacryl S-300 | GE Healthcare Bio-sciences AB | ||
| Sephadex G-25 | GE Healthcare Bio-sciences AB | ||
| SPECTRUM molecular porous membrane tubing, 12,000 -14,000 MW cut off | Spectrum Laboratories Inc | ||
| TB surface antibody- Polyclonal Antibody to Mtb | Acris Antibodies GmbH | BP2027 | |
| transmission electron microscope | JEOL | JEM-2000 EX II |
References
- Small, P. M., et al. Treatment of tuberculosis in patients with advanced human immunodeficiency virus infection. New England Journal of Medicine. 324, 289-294 (1991).
- Alvarez, S., McCabe, W. R. Extrapulmonary tuberculosis revisited: a review of experience at Boston City and other hospitals. 의학. 63, 25-55 (1984).
- Ozbay, B., Uzun, K. Extrapulmonary tuberculosis in high prevalence of tuberculosis and low prevalence of HIV. Clinics in Chest Medicine. 23, 351-354 (2002).
- Ebdrup, L., Storgaard, M., Jensen-Fangel, S., Obel, N. Ten years of extrapulmonary tuberculosis in a Danish university clinic. Scandinavian Journal of Infectious Diseases. 35, 244-246 (2003).
- Steingart, K. R., et al. A systematic review of commercial serological antibody detection tests for the diagnosis of extrapulmonary tuberculosis. Postgraduate Medical Journal. 83, 705-712 (2007).
- Liao, C. H., et al. Diagnostic performance of an enzyme-linked immunospot assay for interferon-gamma in extrapulmonary tuberculosis varies between different sites of disease. Journal of Infection. 59, 402-408 (2009).
- Kim, S. H., et al. Diagnostic usefulness of a T-cell based assay for extrapulmonary tuberculosis. Archives of Internal Medicine. 167, 2255-2259 (2007).
- Kim, S. H., et al. Diagnostic usefulness of a T-cell-based assay for extrapulmonary tuberculosis in immunocompromised patients. The American Journal of Medicine. 122, 189-195 (2009).
- Pai, M., Zwerling, A., Menzies, D. Systematic review: T-cell-based assays for the diagnosis of latent tuberculosis infection: an update. Annals of Internal Medicine. 149, 177-184 (2008).
- Kobashi, Y., et al. Clinical utility of a T cell-based assay in the diagnosis of extrapulmonary tuberculosis. Respirology. 14, 276-281 (2009).
- Paluch-Oles, J., Magrys, A., Kot, E., Koziol-Montewka, M. Rapid identification of tuberculosis epididymo-orchitis by INNO-LiPA Rif TB and QuantiFERON-TB Gold In Tube tests: case report. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. 66, 314-317 (2010).
- Kaneko, K., Onodera, O., Miyatake, T., Tsuji, S. Rapid diagnosis of tuberculous meningitis by polymerase chain reaction (PCR). Neurology. 40, 1617 (1990).
- Bhigjee, A. I., et al. Diagnosis of tuberculous meningitis: clinical and laboratory parameters. International Journal of Infectious Diseases. 11, 348-354 (2007).
- Miyawaki, A., Sawano, A., Kogure, T. Lighting up cells: labelling proteins with fluorophores. Nature Cell Biology. , 1-7 (2003).
- Weissleder, R., Mahmood, U. Molecular imaging. Radiology. 219, 316-333 (2001).
- Gupta, A. K., Gupta, M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials. 26, 3995-4021 (2005).
- Talelli, M., et al. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles encapsulated in biodegradable thermosensitive polymeric micelles: toward a targeted nanomedicine suitable for image-guided drug delivery. Langmuir. 25, 2060-2067 (2009).
- Cho, W. S., et al. Pulmonary toxicity and kinetic study of Cy5.5-conjugated superparamagnetic iron oxide nanoparticles by optical imaging. Toxicology and Applied Pharmacology. , 106-115 (2009).
- Mahmoudi, M., Simchi, A., Milani, A. S., Stroeve, P. Cell toxicity of superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Journal of Colloid and Interface Science. 336, 510-518 (2009).
- Chen, T. J., et al. Targeted folic acid-PEG nanoparticles for noninvasive imaging of folate receptor by MRI. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 87, 165-175 (2008).
- Chen, T. J., et al. Targeted Herceptin-dextran iron oxide nanoparticles for noninvasive imaging of HER2/neu receptors using MRI. Journal of Biological Inorganic Chemistry. 14, 253-260 (2009).
- Weissleder, R., et al. Ultrasmall superparamagnetic iron oxide: an intravenous contrast agent for assessing lymph nodes with MR imaging. Radiology. 175, 494-498 (1990).
- Wang, J., Wakeham, J., Harkness, R., Xing, Z. Macrophages are a significant source of type 1 cytokines during mycobacterial infection. Journal of Clinical Investigation. 103, 1023-1029 (1999).
- Angra, P., Ridderhof, J., Smithwick, R. Comparison of two different strengths of carbol fuchsin in Ziehl-Neelsen staining for detecting acid-fast bacilli. Journal of Clinical Microbiology. 41, 3459 (2003).
- Woods, A. E., Ellis, R. . Laboratory Histopathology- A Complete Reference. 1st edn. , 6-11 (1994).
- Lee, C. N., et al. Super-paramagnetic iron oxide nanoparticles for use in extrapulmonary tuberculosis diagnosis. Clinical Microbiology and Infection. 18, 149-157 (2012).
- Lee, H., Yoon, T. J., Weissleder, R. Ultrasensitive detection of bacteria using core-shell nanoparticles and an NMR-filter system. Angewandte Chemie International Edition. 48, 5657-5660 (2009).
- Fan, Z., et al. Popcorn-shaped magnetic core-plasmonic shell multifunctional nanoparticles for the targeted magnetic separation and enrichment, label-free SERS imaging, and photothermal destruction of multidrug-resistant bacteria. 화학. 19, 2839-2847 (2013).
- Nishie, A., et al. In vitro imaging of human monocytic cellular activity using superparamagnetic iron oxide. Computerized Medical Imaging and Graphics. 31, 638-642 (2007).
- von Zur Muhlen, C., et al. Superparamagnetic iron oxide binding and uptake as imaged by magnetic resonance is mediated by the integrin receptor Mac-1 (CD11b/CD18): implications on imaging of atherosclerotic plaques. Atherosclerosis. 193, 102-111 (2007).
