超常磁性鉄酸化物ナノプローブの合成、特性解析、応用による肺外結核検出
Summary
結核菌抗原の血清学的診断試験を改善するために、肺外結核を検出する超常磁性鉄ナノプローブを開発しました。
Abstract
超常磁性鉄酸化物(SPIO)ナノ粒子と結核菌表面抗体(MtbsAb)を含む分子イメージングプローブを合成し、肺外結核(ETB)のイメージング感度を高めた。SPIOナノプローブを合成し、MtbsAbと共役した。精製されたスピオ・ムトブアブナノプローブをTEMおよびNMRを用いて特徴付けた。プローブの標的化能を決定するために、SPIO-MtbsAbナノプローブをインキュベートしたインビトロイメージングアッセイ用に、Mtb接種マウスに注入し、磁気共鳴(MR)を用いたインビボ検査を行った。Mtb細胞およびTHP1細胞の磁気共鳴画像(MRI)のコントラスト増強減少は、SPIO-MtbsAbナノプローブ濃度に比例することを示した。Mtb感染マウスへの静脈内SPIO-MtbsAbナノプローブ注射の30分後、肉芽腫部位のシグナル強度は、PBS注射を受けたマウスと比較してT2加重MR画像で14倍増加した。MtbsAbナノプローブは、ETB検出のための新しいモダリティとして使用することができます。
Introduction
世界的に、肺外結核(ETB)は結核(TB)のかなりの割合を表す。それにもかかわらず、ETB診断は、その陰湿な臨床プレゼンテーションと診断テストのパフォーマンスの低下のためにしばしば見逃されたり遅れたりします。偽りの結果は、酸速いバチルに対する痰の塗抹標本、組織病理学上の肉芽腫組織の欠如、または培養性結核(Mtb)の欠乏を含む。典型的な症例に比べて、ETBは頻繁に起こりにくく、Mtbバチルの解放をほとんど伴う。さらに、通常は、リンパ節、胸膜、および骨関節領域1などのアクセスが困難な部位で局在化している。従って、細菌学的確認を危険で困難にする適切な臨床検体を得るための侵襲的な手順は、2、3、4に必須である。
ETBの市販の抗体検出テストは、その広い範囲の感度(0.00-1.00)と特異性(0.59-1.00)を組み合わせたすべての肺外部位に対して、臨床検出にとって信頼性が低い。インターフェロンγ、培養濾液タンパク質(CFP)、および初期分泌抗原標的(ESAT)の酵素結合免疫スポット(ELISPOT)アッセイは、潜在的および活性な結核を診断するために使用されている。しかし、結果はETB6、7、8を診断するための異なる疾患部位間で異なる。また、皮膚PPD(精製タンパク質誘導体)およびクワンティフェロン-TBは、偽陰性結果9をしばしば提供した。量子フェロン-TB-2Gは全血免疫反応性アッセイであり、これは、罹患した臓器からの検体を必要とせず、これを代替診断ツール6、10、11とすることができる。ポリメラーゼ連鎖反応のような結核髄膜炎に典型的に使用される他の診断方法は、臨床診断12、13を自信を持って排除するには依然として無神経である。これらの従来のテストは、肺外感染部位を発見するための不十分な診断情報を示す。したがって、新しい診断モダリティが臨床的に必要とされる。
分子イメージングは、生体内で疾患プロセスの特定の分子標的を直接スクリーニングできる新しいツールを設計することを目的としている14,15.超常磁性鉄酸化物(SPIO)は、T2重み付けされたNMR造影剤であり、磁気共鳴(MR)画像化(MRI)16、17の特異性および感度を有意に高めることができる。この新しい機能イメージングモダリティは、リガンド受容体相互作用を通じて分子レベルで組織変化を正確にスケッチすることができます。本研究では、新しい分子イメージングプローブを、SPIOナノ粒子を含み、ETB診断のためにMtb表面抗体(MtbsAb)と共役するために合成した。SPIOナノプローブは、検査18、19の下で組織および身体に対して最小限の侵襲性を示す。さらに、これらのナノプローブは、その常磁性特性のために低濃度で正確なMR画像を示すことができます。さらに、SPIOナノプローブは、鉄イオンの存在が正常な生理学の一部であるため、アレルギー反応を最も少なからず引き出します。ここで、ETBを標的とするSPIO-MtbsAbナノプローブの感度および特異性を、細胞モデルおよび動物モデルの両方で評価した。その結果、ナノプローブがETB診断用の超高感度イメージング剤として適用可能であることを実証した。
Protocol
Representative Results
Discussion
関連する研究と同様に、SPIO-MtbsAbナノプローブに関する我々の知見は、Mtb27,28に対して有意な特異性を示した。皮下Mtb肉芽腫は、マウスモデルにおいて結核注射の1ヶ月後に発見された。典型的な結核肉芽腫性の細胞学の所見は、リンパ球浸潤、上皮性マクロファージの存在、および新血管新生を含んでいた。酸速いバチル菌を結核病変に散乱し、Mtb…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、台湾経済省(NSC-101-2120-M-038-001、MOST 104-2622-B-038 -007、MOST 105-2622-B-038-004)からの資金援助に感謝しています。この原稿はウォレス・アカデミック・エディット編集編集によって編集されました。
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).
