Synthese, karakterisering en toepassing van superparamagnetische ijzeroxide nanosondes voor detectie van extrapulmonale tuberculose
Summary
Om de serologische diagnostische tests voor Mycobacterium tuberculoseantigenen te verbeteren, ontwikkelden we superparamagnetische ijzeroxide nanoprobes om extrapulmonale tuberculose op te sporen.
Abstract
Een moleculaire imaging sonde bestaande uit superparamagnetische ijzeroxide (SPIO) nanodeeltjes en Mycobacterium tuberculose oppervlak antilichaam (MtbsAb) werd gesynthetiseerd om de beeldgevoeligheid voor extrapulmonale tuberculose (ETB) te verbeteren. Een SPIO nanoprobe werd gesynthetiseerd en geconjugeerd met MtbsAb. De gezuiverde SPIO-MtbsAb nanoprobe werd gekenmerkt met BEHULP VAN TEM en NMR. Om het targetingvermogen van de sonde te bepalen, werden SPIO-MtbsAb nanosondes geïncubeerd met Mtb voor in vitro imaging tests en geïnjecteerd in Mtb-ingeënte muizen voor in vivo onderzoek met magnetische resonantie (MR). De contrastverbeteringsreductie op magnetic resonance imaging (MRI) van Mtb- en THP1-cellen toonde evenredig aan de SPIO-MtbsAb nanosondeconcentratie. Na 30 min van intraveneuze SPIO-MtbsAb nanoprobe injectie in Mtb-geïnfecteerde muizen, werd de signaalintensiteit van de granulomatous site verbeterd met 14-voudige in de T2-gewogen MR-beelden in vergelijking met die bij muizen die PBS-injectie kregen. De MtbsAb nanoprobes kunnen worden gebruikt als een nieuwe modaliteit voor ETB detectie.
Introduction
Wereldwijd vertegenwoordigt extrapulmonale tuberculose (ETB) een aanzienlijk deel van de tuberculosegevallen (tbc). Niettemin wordt de ETB-diagnose vaak gemist of vertraagd vanwege de verraderlijke klinische presentatie en slechte prestaties op diagnostische tests; valse resultaten omvatten sputum uitstrijkjes negatief voor zuur-snelle bacillen, gebrek aan granulomatous weefsel op histopathologie, of het niet kweken van Mycobacterium tuberculose (Mtb). In vergelijking met typische gevallen komt ETB minder vaak voor en gaat het om weinig bevrijding van de Mtb bacilli. Bovendien is het meestal gelokaliseerd op moeilijk toegankelijke locaties, zoals lymfeklieren, pleura en osteoarticulaire gebieden1. Invasieve procedures voor het verkrijgen van adequate klinische specimens, waardoor bacteriologische bevestiging riskant en moeilijk is, zijn dus essentieel2,3,4.
Commercieel beschikbare antilichaamdetectietests voor ETB zijn onbetrouwbaar voor klinische detectie vanwege hun brede gevoeligheidsbereik (0,00-1,00) en specificiteit (0,59-1,00) voor alle extrapulmonale locaties gecombineerd5. Enzymgebonden immunospot (ELISPOT) testen voor interferon-γ, kweekfiltraateiwit (GVB) en vroege secretoire antigene target (ESAT) zijn gebruikt voor het diagnosticeren van latente en actieve tbc. De resultaten variëren echter tussen de verschillende ziekteplaatsen voor de diagnose van ETB6,7,8. Bovendien leverden de PPD van de huid (gezuiverd eiwitderivaat) en QuantiFERON-TB vaak valse negatieve resultaten9. QuantiFERON-TB-2G is een heel bloed immuun reactiviteit test, die geen monster van het getroffen orgaan vereist en dit kan een alternatief diagnostisch instrument6,10,11. Andere diagnostische methoden die doorgaans worden gebruikt voor meningitis bij tbc, zoals polymerasekettingreactie, zijn nog steeds te ongevoelig om klinische diagnose 12,13met vertrouwen uit tesluiten. Deze conventionele tests tonen onvoldoende diagnostische informatie om de extrapulmonale infectie site te ontdekken. Zo zijn nieuwe diagnostische modaliteiten klinisch vereist.
Moleculaire beeldvorming is gericht op het ontwerpen van nieuwe tools die specifieke moleculaire doelen van ziekteprocessen in vivo14,15direct kunnen screenen. Superparamagnetische ijzeroxide (SPIO), een T2-gewogen NMR contrastmiddel, kan de specificiteit en gevoeligheid van magnetische resonantie (MR) beeldvorming (MRI)16,17aanzienlijk verbeteren. Deze nieuwe functionele beeldvormingmodaliteit kan weefselveranderingen op moleculair niveau nauwkeurig schetsen door middel van ligandreceptorinteracties. In deze studie werd een nieuwe moleculaire beeldsonde, bestaande uit SPIO nanodeeltjes, gesynthetiseerd om te conjuging met Mtb oppervlakteantilichaam (MtbsAb) voor ETB diagnose. SPIO nanoprobes zijn minimaal invasief voor weefsels en lichamen in onderzoek18,19. Bovendien kunnen deze nanosondes nauwkeurige MR-beelden aantonen bij lage concentraties vanwege hun paramagnetische eigenschappen. Bovendien lijken SPIO-nanosondes de minste allergische reacties uit te lokken omdat de aanwezigheid van ijzerionen deel uitmaakt van de normale fysiologie. Hier werden de gevoeligheid en specificiteit van de SPIO-MtbsAb nanoprobes gericht op ETB geëvalueerd in zowel cel- als diermodellen. De resultaten toonden aan dat de nanosondes toepasbaar waren als ultragevoelige beeldvormingsmiddelen voor etb-diagnose.
Protocol
Representative Results
Discussion
Net als bij relevante studies toonden onze bevindingen met betrekking tot SPIO-MtbsAb nanoprobes een significante specificiteit aan voor Mtb27,28. De onderhuidse Mtb granuloma werd gevonden 1 maand na tb injectie in de muis modellen. De typische tbc granulomatous histologie bevindingen opgenomen lymfocyten infiltratie, aanwezigheid van epithelioïde macrofagen, en neovascularisatie. Zuursnelle bacillen werden verspreid in de tb laesies, die de mtbsAb immunohistoc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar voor de financiële steun van het Ministerie van Economie Taiwan (subsidies NSC-101-2120-M-038-001, MOST 104-2622-B-038 -007, MOST 105-2622-B-038-004) om dit onderzoek uit te voeren. Dit manuscript is bewerkt door 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. Medicine. 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. Chemistry. 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).
