Mikroovn-drevet Syntese af jernoxid nanopartikler til Fast Påvisning af atherosklerose
Summary
Microwave teknologi gør det muligt ekstremt hurtig syntese af jernoxid nanopartikler for åreforkalkning plak karakterisering. Anvendelsen af en aminobisphosphonate i den ydre side af nanopartikel giver en hurtig ophobning i aterosklerotiske område.
Abstract
En hurtig og reproducerbar mikrobølge-drevet protokol er blevet udviklet til syntese af neridronat-funktionaliserede nanopartikler. Startende fra syntesen af hydrofobe nanopartikler, er vores metode baseret på en tilpasning fra termisk nedbrydning metode til mikrobølge drevet syntese. Den nye metode giver et fald i reaktionstiden sammenlignet med traditionelle procedurer. Endvidere er anvendelsen af mikrobølger øger reproducerbarheden af reaktionerne, noget vigtigt fra et synspunkt af kliniske anvendelser. Det nye ved denne jernoxid nanopartikler er fastgørelse af neridronat. Anvendelsen af dette molekyle fører et bisphosphonat-del mod ydersiden af nanopartiklen, der giver Ca2 + bindende egenskaber in vitro og selektiv akkumulering in vivo i aterom plak. Protokollen tillader syntesen og plak påvisning i ca. 3 timer siden den oprindelige syntese ud fra organic forstadier. Deres akkumulering i den atherosklerotiske område på mindre end 1 time tilvejebringer et kontrastmiddel særlig egnet til kliniske anvendelser.
Introduction
Aterosklerose er en multifaktoriel kronisk inflammatorisk sygdom i arterievæggen som følge af en dereguleret lipidmetabolisme og et defekt inflammatorisk respons. På grund af prævalens og de økonomiske og sociale omkostninger ved dette og beslægtede kardiovaskulære sygdomme er der en voksende interesse i håndteringen af patologi med nye værktøjer, hvoraf nanoteknologi er en af de mest lovende. 1-3 Men der er meget få eksempler på hurtigt produktion og karakterisering af sonder, som er grundlæggende for oversættelse til klinikken 4 i denne protokol bruger vi en mikrobølgeovn syntese af jernoxid nanopartikler til yderligere funktionalisering med et bisphosphonat og in vivo detektion af åreforkalkning i ApoE -. / -. mus i 1 time 5 Jern oxid nanopartikler (IONP) er en velkendt nanomateriale og dets anvendelse som et kontrastmiddel til magnetisk resonans (MRI) er blevet etableret til påvisning af forskellige sygdommes i de seneste år. 6-8
Microwave syntese (MWS), gør det muligt at syntetisere nanopartikler i ekstremt kort tid med høj reproducerbarhed og forbedrede udbytter. 9,10 I vores protokol vi får IONP med plaque målretning i tre trin. Den sidste er fastgørelsen af en aminobisphosphonate, neridronat, som er nøglen i vores strategi på grund af dets calcium-bindende egenskaber. På grund af deres naturlige analoge pyrophosphat (PPi), har neridronat blevet anvendt i behandlingen af osteogenesis imperfecta (OI) og Pagets sygdom (PDB) for deres høje affinitet til knoglemineraler. 11-13
De tre trin i protokollen er opsummeret i skema 1. trin et og to er udført ved anvendelse af mikrobølgeteknologi. Første skridt giver oliesyre-belagt jernoxid nanopartikler (OA-IONP) ved en modifikation af offentliggjorte metoder. 14 Protokollen er en tilpasning til mikrobølge syntese af traditional termisk nedbrydning syntese. 15,16 En blanding indeholdende Fe (acac) 3, oliesyre, oleylamin og 1,2-dodecandiol opløses i benzylalkohol og udsat på to opvarmnings- processer. Oprensning udføres vask med EtOH og opsamling af partikler med en Nd-Fe-B magnet for at fjerne overskuddet af overfladeaktive stoffer i supernatanten. Derefter OA-IONP stabiliseret i CHCI3. Som forventet på grund af den meget hurtig opvarmning, forventede resultater viste, at nanopartiklerne syntetiseret ved mikrobølge er mindre i forhold til kernen (3,7 ± 0,8 nm) og hydrodynamisk størrelse (7,5 nm) i sammenligning med traditionel termisk nedbrydning; dog nanopartikler stadig præsentere en fremragende krystallinitet.
Det andet trin består i en direkte kemisk modifikation af dobbeltbindingen, til stede i oliesyre, anvendelse af en stærk oxidant som KMnO 4, den oprindelige metode udviklet i vores gruppe blev modificeret for MW betingelser.17 En første etape danner komplekser mellem MnO 4 – og dobbeltbindingen. Derefter blev en anden fase under sure betingelser, producerer spaltning af oliesyre molekyle giver Azelainsyre-IONP. Efter disse to faser af 9 min hver prøven oprenset, først vask med NaHSO3 1% for at reducere overskud af MnO 4 – til MnO2 og derefter med NaOH 1% for at neutralisere syren.
Efter oprensningen trin bliver Azelaic-IONP stabiliseret i 10 mM phosphatbuffer pH = 7,2. Denne buffer er det bedste miljø for den kolloide stabilitet af partiklerne i lighed med hvad der skete i den oprindelige, termiske reaktion. 18. Anvendelsen af mikrobølgeenergi til direkte oxidation af dobbeltbindingen indeholdt i OA-IONP er et meget godt eksempel på de fordele, for at anvende denne teknologi i syntesen af nanopartikler. Med den klassiske metode reaktionen tager 24 timer, udnyttelsen af mikrobølge mindske reactitil tiden til 18 min. Desuden mikrobølge-drevne protokol viser en fremragende reproducerbarhed giver nanopartikler med 30 ± 5 nm af hydrodynamisk størrelse efter 4 gentagelser. Ud af ændringen i den hydrodynamiske størrelse, zetapotentialet er en god parameter for hurtigt at kontrollere succesfulde af reaktionen. Som følge af tilstedeværelsen af de nye carboxylgrupper i Azelaic-IONP, værdien for zetapotentialet er omkring -44 mV, meget lig værdien opnået ved den termiske fremgangsmåde.
Til fastgørelse af neridronat til Azelaic-IONP, anvendes traditionelle EDC / sulfo-NHS konjugering. 19 Denne syntetiske fremgangsmåde er veletableret siden anvendelse af et aktiveret carboxylat med sulfo-NHS sikrer kolloid stabilitet under reaktionen. Efter fjernelse af phosphatbuffer reaktionen med neridronat udføres i 1 mM HEPES-buffer (pH ~ 7). Reaktionen gør neridronat-IONP med en hydrodynamisk størrelse på 40 ± 4 nm i en smal størrelse distribution og -24,1 mV af zeta-potentiale.
Proceduren er beskrevet for hurtig syntese af IONP til in vivo visualisering af aterosklerotisk plak, selv om det er muligt for fremgangsmåden muliggør fastgørelsen af enhver peptid / antistof med frie aminer, ved anvendelse af de samme betingelser, til forskellige formål inden for T2-vægtede MR-kontrastmiddel felt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Jernoxid nanopartikler (IONP) er en af de vigtigste nanomaterialer og det har været anvendt til forskellige applikationer fra længe siden. Anvendelsen af disse materialer som kontrastmiddel til magnetisk resonans billeddannelse (MRI) er en veletableret felt. Men ruter af syntese ofte tager flere gang og indstillingen er kompliceret. På grund af dramatisk reducere reaktionstider og forbedrer reproducerbarheden anvendelse af mikrobølge-drevet syntese synes at være et godt alternativ til produktion af høj…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study is supported by a grant from Comunidad de Madrid (S2010/BMD-2326, Inmunothercan-CM), by Fundacio La Marato de TV3 (70/C/2012) and by and by Spanish Economy Ministry (MAT2013-47303 P).
Materials
| Microwave Explorer/Discover Hybrid-12 | CEM Corporation, USA | Any microwave for chemical synthesis can be used | |
| Disposable PD-10 desalting columns | GE Healthcare life sciences | 17-0851-01 | Any size exclusion column will work |
| Amicon®Ultra-0.5 ml | Merck Millipore Ltd | ||
| Calibrated pH meter | SI analytics | 285105127 | |
| Neodymium magnet | Aiman Gz | ND010B | |
| Vortex Genius 3 | IKA | 3340000 | |
| ZetaSizer Nano ZS | Malvern Instruments | ||
| Standard (macro) cell Optical glass | Labbox | 11718 | |
| Zetasizer nanoseries disponsable folded capillary cells DTS1070 | Malvern | ||
| Bruker Minispec mq60 | Bruker |
References
- Patel, D. N., Bailey, S. R. Nanotechnology in cardiovascular medicine. Catheter. Cardiovasc. Interv. Off. J. Soc. Card. Angiogr. Interv. 69, 643-654 (2007).
- Zhao, X., Zhao, H., Chen, Z., Lan, M. Ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging contrast agent. J. Nanosci. Nanotechnol. 14, 210-220 (2014).
- Lee, D. E., et al. Multifunctional nanoparticles for multimodal imaging and theragnosis. Chem. Soc. Rev. 41, 2656 (2012).
- Osborne, E. A., et al. Rapid microwave-assisted synthesis of dextran-coated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 23, (2012).
- Pellico, J., et al. Microwave-driven synthesis of bisphosphonate nanoparticles allows in vivo visualisation of atherosclerotic plaque. RSC Adv. 5, 1661-1665 (2015).
- Lin, M. M., Kim, D. K., El Haj, A. J., Dobson, J. Development of superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONS) for translation to clinical applications. IEEE Trans. Nanobioscience. 7, 298-305 (2008).
- Gupta, A. K., Gupta, M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials. 26, 3995-4021 (2005).
- Liu, F., Laurent, S., Fattahi, H., Vander Elst, L., Muller, R. N. Superparamagnetic nanosystems based on iron oxide nanoparticles for biomedical imaging. Nanomed. 6, 519-528 (2011).
- Carenza, E., et al. Rapid synthesis of water-dispersible superparamagnetic iron oxide nanoparticles by a microwave-assisted route for safe labeling of endothelial progenitor cells. Acta Biomater. 10, 3775-3785 (2014).
- Osborne, E. A., et al. Rapid microwave-assisted synthesis of dextran-coated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging. Nanotechnology. 23, 215602 (2012).
- Gatti, D., Rossini, M., Viapiana, O., Idolazzi, L., Adami, S. Clinical development of neridronate: potential for new applications. Ther. Clin. Risk Manag. 9, 139-147 (2013).
- Drake, M. T., Clarke, B. L., Khosla, S. Bisphosphonates: mechanism of action and role in clinical practice. Mayo Clin Proc. 83, 1032-1045 (2008).
- Devogelaer, J. P. Treatment of bone diseases with bisphosphonates, excluding osteoporosis. Curr. Opin. Rheumatol. 12, 331-335 (2000).
- Pascu, O., et al. Surface Reactivity of Iron Oxide Nanoparticles by Microwave-Assisted Synthesis; Comparison with the Thermal Decomposition Route. J. Phys. Chem. C. 116, 15108-15116 (2012).
- Sun, S., Zeng, H. Size-Controlled Synthesis of Magnetite Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 124, 8204-8205 (2002).
- Hyeon, T., Lee, S. S., Park, J., Chung, Y., Na, H. B. Synthesis of highly crystalline and monodisperse maghemite nanocrystallites without a size-selection process. J. Am. Chem. Soc. 123, 12798-12801 (2001).
- Herranz, F., Morales, M. P., Roca, A. G., Vilar, R., Ruiz-Cabello, J. A new method for the aqueous functionalization of superparamagnetic Fe 2 O 3 nanoparticles. Contrast Media Mol. Imaging. 3, 215-222 (2008).
- Herranz, F., Morales, M. P., Roca, A. G., Desco, M., Ruiz-Cabello, J. A new method for the rapid synthesis of water stable superparamagnetic nanoparticles. Chem. Weinh. Bergstr. Ger. 14, 9126-9130 (2008).
- Herranz, F., et al. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles conjugated to a grass pollen allergen and an optical probe. Contrast Media Mol. Imaging. 7, 435-439 (2012).
