Síntese de nanopartículas de núcleo dopado com óxido de ferro Ga 68para tomografia por emissão de pósitrons Dual/imagem latente de ressonância magnética de (T1)
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para obter68Ga núcleo dopado com óxido de ferro nanopartículas através de rápido orientado para o microondas síntese. A metodologia processa PET/nanopartículas de MRI (T1) com eficiência superior a 90% e a pureza radioquímica de 99% em uma síntese de 20 min de radioativos.
Abstract
Aqui, descrevemos uma síntese de microondas para obter nanopartículas de óxido de ferro, núcleo-dopado com 68ga. microondas tecnologia permite rápido e reprodutíveis procedimentos sintéticos. Neste caso, a partir de FeCl3 e citrato trissódico sal, nanopartículas de óxido de ferro revestidas com ácido cítrico são obtidas em 10 min no microondas. Essas nanopartículas apresentam um pequeno núcleo de 4,2 ± 1,1 nm e um tamanho hidrodinâmico de 7,5 ± 2,1 nm. Além disso, eles têm um valor de alta relaxivity longitudinal (r1) de 11,9 mM-1·s-1 e um valor modesto relaxivity transversal (r2) de 22,9 mM-1·s-1, resulta em um baixo r2 /r1 proporção de 1,9. Estes valores permitem geração de contraste positivo na ressonância magnética (RM) em vez de contraste negativo, geralmente usado com nanopartículas de óxido de ferro. Além disso, se uma eluição 68GaCl3 de um 68Ge /68gerador de Ga é adicionado para as matérias-primas, um nano-radiotracer dopado com 68Ga é obtido. O produto é obtido com um radiolabeling de alto rendimento (> 90%), independentemente da atividade inicial utilizada. Além disso, uma etapa de purificação único processa o nano-radiomaterial pronto para ser usado na vivo.
Introduction
A combinação de técnicas de imagem para fins médicos provocou a busca de métodos diferentes sintetizar multimodal sondas1,2,3. Devido a sensibilidade dos scanners de tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a resolução espacial de MRI, combinações de PET/RM parecem ser uma das possibilidades mais atraentes, fornecendo informações anatômicas e funcionais no mesmo tempo4. No MRI, T2-sequências ponderadas podem ser usados, escurecimento dos tecidos em que se acumulam. T1-sequências ponderadas também podem ser utilizadas, produzindo a iluminação do local específico de acumulação5. Entre eles, o contraste positivo é, muitas vezes, a opção mais adequada, como contraste negativo torna muito mais difícil de diferenciar o sinal de áreas hypointense endógenos, incluindo aqueles com frequência são apresentados por órgãos como os pulmões,6. Tradicionalmente, baseado em Gd sondas moleculares têm sido empregadas para obter contraste positivo. No entanto, agentes de contraste baseados em Gd apresentam uma grande desvantagem, ou seja, sua toxicidade, que é crítica em pacientes com problemas renais7,8,9. Isto tem motivada pesquisas na síntese de materiais biocompatíveis para a sua utilização como agentes de contraste de1 T. Uma abordagem interessante é a utilização de nanopartículas de óxido de ferro (IONPs), com um tamanho extremamente pequeno núcleo, que fornecem contraste positivo10. Devido a este núcleo extremamente pequeno (~ 2 nm), a maioria de Fe3 + íons estão na superfície, com 5 elétrons unpaired cada. Isto aumenta o tempo de relaxamento longitudinal (r1) valores e rendimentos muito inferior longitudinal/transversal (r2/r1) proporções em relação ao tradicionais IONPs, produzindo o desejado positivo contraste,11.
Para combinar IONPs com um emissor de pósitrons para animal de estimação, há duas questões fundamentais a ter em conta: eleição de radioisótopos e nanopartículas radioativos. Quanto à primeira questão, 68Ga é uma opção atraente. Tem uma meia-vida relativamente curta (67,8 min). Sua meia-vida é adequado para a rotulagem de peptídeo desde que combina com tempos de biodistribuição peptídeo comum. Além disso, 68Ga é produzido em um gerador, permitindo a síntese em módulos de banco e evitando a necessidade de um ciclotron nas proximidades de12,13,14. A fim de radiolabel as nanopartículas, incorporação de radioisótopos de superfície-rotulagem é a estratégia predominante. Isso pode ser feito usando um ligante que quelatos 68Ga ou aproveitando-se da afinidade do radiometal em direção a superfície da nanopartículas. A maioria dos exemplos na literatura relativa IONPs usar um quelante. Há exemplos do uso de ligantes heterocíclicos como 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA)15, 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic ácido (NOTA)16,17e 1,4,7- triazacyclononane, 1-glutárico ácido-4,7 ácido acético (NODAGA)18e o uso de ácido 2,3-dicarboxypropane-1,1-comerciais (DPD), um ligante de tetradentate 19. Madru et al 20 desenvolveu um quelante livre estratégia em 2014 a etiqueta IONPs usando um método livre de quelante usado por outro grupo, posteriormente,21.
No entanto, grandes desvantagens desta abordagem incluem um alto risco de transmetalação na vivo , baixos rendimentos radioativos e longos protocolos impróprios para isótopos de curta duração22,23,24. Por esta razão, Wong et al . 25 desenvolveu o primeiro exemplo de nanopartículas de núcleo-dopado, gerenciando a incorporar 64Cu no núcleo dos IONPs em uma síntese de 5-min usando a tecnologia de microondas.
Aqui, descrevemos um procedimento rápido e eficiente para incorporar o radionuclídeo para o núcleo da nanopartículas, iludindo muitos dos inconvenientes apresentados pelos métodos tradicionais. Para tal, propomos a utilização de uma síntese orientada por microondas (MWS), que reduz consideravelmente os tempos de reação, aumenta o rendimento e aumenta a reprodutibilidade, parâmetros criticamente importantes na síntese IONP. O desempenho refinado do MWS é devido ao aquecimento dieléctrico: amostra rápida aquecimento como dipolos moleculares tentam alinhar com o campo elétrico alternado, sendo mais eficiente para este tipo de síntese de reagentes e solventes polares. Além disso, o uso de ácido cítrico como tensoativo, juntamente com a tecnologia de microondas, resulta em nanopartículas extremamente pequenas, produzindo um duplo T1-ponderado sinal de26 MRI/PET, aqui denotado como 68núcleo Ga-dopado com óxido de ferro nanopartículas (68Ga-C-IONP).
O protocolo combina o uso da tecnologia de microondas, 68GaCl3 como emissor de pósitrons, citrato de sódio, cloreto de ferro e hidrato de hidrazina, resultando em duplo T1-ponderada material nanoparticulares de MRI/PET em quase 20 min. Além disso, que produz resultados consistentes em uma faixa de 68atividades Ga (37 MBq, 111 MBq, 370 MBq e 1110 MBq) sem efeitos significativos sobre as principais propriedades físico-químicas das nanopartículas. A reprodutibilidade do método usando alta 68Ga atividades estende o campo de aplicações possíveis, incluindo modelos animais grandes ou estudos em seres humanos. Além disso, há uma etapa de purificação única incluída no método. No processo, qualquer excesso de enciclopédia gálio, hidrato de hidrazina, citrato de sódio e cloreto de ferro são removidos por filtração em gel. Eliminação total de isótopo livre e a pureza da amostra não garantir nenhuma toxicidade e aumentar a resolução de imagem. No passado, já demonstrámos a utilidade desta abordagem no alvo molecular da imagem latente de27,28.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanopartículas de óxido de ferro são um agente de contraste bem estabelecida para T2-weighted MRI. No entanto, devido as desvantagens deste tipo de contraste para o diagnóstico de determinadas patologias, T1-ponderada ou brilhante contraste é muitas vezes preferido. As nanopartículas aqui apresentadas não só superar essas limitações, oferecendo o contraste positivo no MRI, mas também oferecem um sinal em uma técnica de imagem funcional, tais como PET, através de 68in…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi suportado por uma concessão do Ministério espanhol de economia e competitividade (MEyC) (número de concessão: SAF2016-79593-P) e do Instituto de pesquisa de saúde Carlos III (número de concessão: 00059/DTS16). A CNIC é suportado pelo Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades) e a Fundação Pro CNIC e é um Severo Ochoa centro de excelência (prêmio MEIC SEV-2015-0505).
Materials
| Iron (III) chloride hexahydrate | POCH | 2317294 | |
| Citric acid, trisodium salt dihydrate 99% | Acros organics | 227130010 | |
| Hydrazine hydrate | Aldrich | 225819 | |
| Hydrochloric acid 37% | Fisher Scientific | 10000180 | |
| Sodium dihydrogen phosphate monohydrate | Aldrich | S9638 | |
| Disodium phosphate dibasic | Aldrich | S7907 | |
| Sodium chloride | Aldrich | 746398 | |
| Sodium Azide | Aldrich | S2002 | |
| Sodium dihydrogen phosphate anhydrous | POCH | 799200119 | |
| 68Ga Chloride | ITG Isotope Technologies Garching GmbH, Germany | 68Ge/68Ga generator system | |
| Microwave | Anton Paar | Monowave 300 | |
| Centrifuge | Hettich | Universal 320 | |
| Size Exclusion columns | GE Healthcare | PD-10 |
Referências
- Jennings, L. E., Long, N. J. ‘Two is better than one’–probes for dual-modality molecular imaging. Chemical Communications. (24), 3511-3524 (2009).
- Lee, S., Chen, X. Dual-modality probes for in vivo molecular imaging. Molecular Imaging. 8 (2), 87-100 (2009).
- Louie, A. Multimodality Imaging Probes: Design and Challenges. Chemical Reviews. 110 (5), 3146-3195 (2010).
- Judenhofer, M. S., et al. Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging. Nature Medicine. 14 (4), 459-465 (2008).
- Burtea, C., Laurent, S., Vander Elst, L., Muller, R. N. Contrast agents: magnetic resonance. Handbook of Experimental Pharmacology. (185 Pt 1), 135-165 (2008).
- Zhao, X., Zhao, H., Chen, Z., Lan, M. Ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging contrast agent. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 14 (1), 210-220 (2014).
- Cheng, W., et al. Complementary Strategies for Developing Gd-Free High-Field T 1 MRI Contrast Agents Based on Mn III Porphyrins. Journal of Medicinal Chemistry. 57 (2), 516-520 (2014).
- Kim, H. -. K., et al. Gd-complexes of macrocyclic DTPA conjugates of 1,1′-bis(amino)ferrocenes as high relaxivity MRI blood-pool contrast agents (BPCAs). Chemical Communications. 46 (44), 8442 (2010).
- Sanyal, S., Marckmann, P., Scherer, S., Abraham, J. L. Multiorgan gadolinium (Gd) deposition and fibrosis in a patient with nephrogenic systemic fibrosis–an autopsy-based review. Nephrology, Dialysis, Transplantation: Official Publication of the European Dialysis and Transplant Association – European Renal Association. 26 (11), 3616-3626 (2011).
- Hu, F., Jia, Q., Li, Y., Gao, M. Facile synthesis of ultrasmall PEGylated iron oxide nanoparticles for dual-contrast T1- and T2-weighted magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 22, 245604 (2011).
- Kim, B. H., et al. Large-Scale Synthesis of Uniform and Extremely Small-Sized Iron Oxide Nanoparticles for High-Resolution T 1 Magnetic Resonance Imaging Contrast Agents. Journal of the American Chemical Society. 133 (32), 12624-12631 (2011).
- Banerjee, S. R., Pomper, M. G. Clinical applications of Gallium-68. Applied Radiation and Isotopes. 76, 2-13 (2013).
- Breeman, W. A. P., et al. 68Ga-labeled DOTA-Peptides and 68Ga-labeled Radiopharmaceuticals for Positron Emission Tomography: Current Status of Research, Clinical Applications, and Future Perspectives. Seminars in Nuclear Medicine. 41 (4), 314-321 (2011).
- Morgat, C., Hindié, E., Mishra, A. K., Allard, M., Fernandez, P. Gallium-68: chemistry and radiolabeled peptides exploring different oncogenic pathways. Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals. 28 (2), 85-97 (2013).
- Moon, S. -. H., et al. Development of a complementary PET/MR dual-modal imaging probe for targeting prostate-specific membrane antigen (PSMA). Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 12 (4), 871-879 (2016).
- Kim, S. M., et al. Hybrid PET/MR imaging of tumors using an oleanolic acid-conjugated nanoparticle. Biomaterials. 34 (33), 8114-8121 (2013).
- Yang, B. Y., et al. Development of a multimodal imaging probe by encapsulating iron oxide nanoparticles with functionalized amphiphiles for lymph node imaging. Nanomedicine. 10 (12), 1899-1910 (2015).
- Comes Franchini, M., et al. Biocompatible nanocomposite for PET/MRI hybrid imaging. International Journal of Nanomedicine. 7, 6021 (2012).
- Karageorgou, M., et al. Gallium-68 Labeled Iron Oxide Nanoparticles Coated with 2,3-Dicarboxypropane-1,1-diphosphonic Acid as a Potential PET/MR Imaging Agent: A Proof-of-Concept Study. Contrast Media & Molecular Imaging. 2017, 1-13 (2017).
- Madru, R., et al. (68)Ga-labeled superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) for multi-modality PET/MR/Cherenkov luminescence imaging of sentinel lymph nodes. American Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 4 (1), 60-69 (2013).
- Lahooti, A., et al. PEGylated superparamagnetic iron oxide nanoparticles labeled with 68Ga as a PET/MRI contrast agent: a biodistribution study. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 311 (1), 769-774 (2017).
- Lee, H. -. Y., et al. PET/MRI dual-modality tumor imaging using arginine-glycine-aspartic (RGD)-conjugated radiolabeled iron oxide nanoparticles. Journal of Nuclear Medicine. 49 (8), 1371-1379 (2008).
- Patel, D., et al. The cell labeling efficacy, cytotoxicity and relaxivity of copper-activated MRI/PET imaging contrast agents. Biomaterials. 32 (4), 1167-1176 (2011).
- Choi, J., et al. A Hybrid Nanoparticle Probe for Dual-Modality Positron Emission Tomography and Magnetic Resonance Imaging. Angewandte Chemie International Edition. 47 (33), 6259-6262 (2008).
- Wong, R. M., et al. Rapid size-controlled synthesis of dextran-coated, 64Cu-doped iron oxide nanoparticles. ACS Nano. 6 (4), 3461-3467 (2012).
- Osborne, E. A., et al. Rapid microwave-assisted synthesis of dextran-coated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 23 (21), 215602 (2012).
- Pellico, J., et al. Fast synthesis and bioconjugation of 68 Ga core-doped extremely small iron oxide nanoparticles for PET/MR imaging. Contrast Media & Molecular Imaging. 11 (3), 203-210 (2016).
- Pellico, J., et al. In vivo imaging of lung inflammation with neutrophil-specific 68Ga nano-radiotracer. Scientific Reports. 7 (1), 13242 (2017).
