Ultrakleine Biomimetische Nanopartikel für die zielgerichtete molekulare und zelluläre MR-Bildgebung
Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziele des Projektes waren die Modifikation der Oberflächeneigenschaften von VSOP für die MRT durch Variation der Säure-stabilisierten Oberflächenbeschichtung bereits während der Synthese und deren Screening hinsichtlich ihrer Affinität zu vulnerablen Gefäßplaques in einem Atherosklerose-Mausmodell. Dadurch sollte ermittelt werden, ob sich die MRT-Bildgebung von atherosklerotischen Plaques mit VSOP noch weiter verbessern lässt. Innerhalb dieses Projektes konnten aus allen getesteten Synthese-Versuchen vier neue Nanopartikel etabliert werden, die für die in vivo-Anwendung gute Eigenschaften (geringe Größe, enge Größenverteilung, gute Langzeit-Suspensionsstabiität) aufwiesen. Diese wurden auf ihre Anreicherung in atherosklerotischen Plaques im ApoE-/--Modell untersucht und mit den Zitronensäure stabilisierten VSOP verglichen. Dazu wurde zunächst eine semi-quantitative, ex vivo-MRT-basierte Vergleichsmethode etabliert. Dafür wurden 3 h nach i.v. Application nach Fixierung die Aortenbögen mit Abgängen explantiert und in Agarose eingebettet. Diese wurden dann mittels hochauflösender T2*-gewichteter MRT untersucht. Die Ergebnisse ergaben eine etwa dreifach stärkere Signalverminderung (T2*-Effekt) durch die VSOP im Vergleich zu Etidronic-, Äpfelsäure- und Weinsäure-beschichteten Partikeln. In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-technischen Bundesanstalt (PTB, TP-09) konnten wir erstmals mittels „Magnetic particle spectroscopy“ (MPS) die Anreicherung von superparamagnetischen Nanopartikeln in sehr kleinen Messobjekten wie den Aortenbögen von ApoE-/--Mäusen quantitativ bestimmen. Die Ergebnisse haben die semi-quantitativen MRT-Ergebnisse bestätigt. Somit haben sich die VSOP für die Plaque-Bildgebung als besser geeignet erwiesen, als die neu synthetisierten Nanopartikel. Durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) von nicht-kontrastierten histologischen Dünnschnitten konnten wir die Hauptzielstrukturen der getesteten Säure-stabilisierten Nanopartikel inklusive der VSOP im atherosklerotischen Plaquegewebe bestimmen. Neben wenigen extrazellulär liegenden Nanopartikeln waren alle synthetisierten Nanopartikel in Phagolysosomen sowohl von Gefäßendothelzellen als auch von Makrophagen der Plaque-Gewebe zu finden. Als primäres Target der Nanopartikel konnten somit die Endothelzellen über atherosklerotisch veränderten Gefäßabschnitten gesehen werden. Wolfram Poller et al. hat dann unter Nutzung der von uns gesammelten Erfahrungen bzgl. der Detektion von VSOP mittels TEM und ex vivo-MRT Zeitverläufe untersucht und gezeigt, dass die Aufnahme der VSOP in atherosklerotischen Plaques durch Dynamin-abhängige Transzytose durch Endothelzellen vermittelt wird und schon 10 min nach i.v.-Injektion von VSOP zu beobachten ist (26). Zur Bestimmung der Bluthalbwertszeiten haben wir auf der Basis einer Ultrashort-TE-Sequenz (UTE) eine relaxometrische MRT- Methode entwickelt, die es erlaubt, auch bei den Eisenoxidnanopartikeln echte Substanzhalbwertszeiten zu bestimmen. Aus den Untersuchungen über die Anreicherung der synthetisierten Eisenoxid-Nanopartikel in atherosklerotischen Plaques hat sich ergeben, dass die meist verwendete Berliner-Blau-Eisenfärbung für den Nachweis der Partikel in den Plaques erschwert ist, da in diesen schon sehr viel endogenes Eisen vorhanden sein kann. Daher haben wir in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) basierend auf der Kombination von Europium dotierten Eisenoxidnanopartikeln mit der Laser- Ablation-induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) eine Methode entwickelt, mit der wir die Partikel hoch sensitiv und hoch selektiv histologisch darstellen und quantifizieren konnten.
