Fluorescent Iron Oxide Nanoparticles for Molecular MR and Optical Imaging

Der Fokus dieser Arbeit liegt im Design und der Herstellung von Eisenoxyd- Nanopartikeln zur Verwendung als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie MRT) sowie die optische Bildgebung (OI). Eisenoxyd Kerne der Größe 5-6 nm, mit niedrigem Polydispersitäts-Index wurden durch Kopräzipitations-Strategien unter wässrigen Reaktionsbedingungen hergestellt. Zunächst wurden lanthanid-dotierte Nanopartikel (Ln-USPIO) getestet, welche scheinbar aufgrund von zu geringen Mengen von, in das Eisenkristallgitter inkorporierten, Lanthaniden nicht fluoreszent waren. Dies lässt sich durch die größenbasierenden Unterschiede zwischen Lanthaniden und Eisenkationen erklären, welche die Dotierungseffizienz entscheidend verringern. Als zweites haben wir eine Fluoreszenzummantelung der Nanopartikel durch Naphthalin-Sulfonsäure und deren modifizierter Analoge verwendet, was allerdings (trotz vorhandener Stabilität) ebenfalls erfolglos blieb, da die Partikel nicht fluoreszent waren. Grund war das Quenchings der Fluoreszenz aufgrund von Elektronenübertragung zwischen den aromatischen Naphthalin-Sulfatringen und den Eisenoxyd-Partikeln. Danach erforschten wir adsoptive Coatingsubstanzen, welche nicht quenchen und relativ stabil sind. Erfolgversprechend erwiesen sich Flavinanaloga (Flavinmononukleotid (FMN) und Flavin Adenin Dinukleotid (FAD)). Dies sind relativ simpel strukturierte, endogene Moleküle, die von Krebs- oder metabolisch aktiven Zellen, über den Flavin Rezeptor (RCP) internalisiert werden. Biokompatible, fluoreszierende und nicht-polymere FMN-und FAD-beschichtete USPIO (FLUSPIO und FAD USPIO) konnten als vielseitiges MR-Kontrastmittel entwickelt.Herstellung stabiler flavin adsorbierter Nanopartikel durch Beschallung der USPIO mit FMN/FAD mit anschließender GMP-Beschichtung unter wässrigen Bedingungen. Der Kerndurchmesser, die Oberflächenmorphologie und die Oberflächenbedeckung der FMN- und FAD-ummantelten USPIO (FLUSPIO; FAD USPIO) wurden mittels TEM,DLS, SEM, AFM, Power XRD, EDX und TGA ermittelt. Die magnetischen Eigenschaften der FLUSPIO und FAD USPIO wurden mit Hilfe von MRT und SQUID untersucht. Die Analyse der Fluoreszenzeigenschaften von FLUSPIO and FAD USPIO erfolgte durch Fluoreszenz -Spektroskopie, Mikroskopie und Bildgebung. Zellvitalität und Biokompatibilität der FLUSPIO und FAD-USPIO wurden durch Trypanblau-, 7-AAD- und TUNEL-Färbung ermittelt. Die in vitro-Evaluierung der Labelingeffizienz sowie der Spezifität bezüglich RCP wurde mittels MRT und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Das pharmakokinetische Verhalten von FAD USPIO wurde in CD1 Nacktmäusen nach intravenöser Injektion durch Fluoreszenzspektroskopie gezeigt. Die in vivo Aufnahme der FAD USPIO Nanopartikel wurde in männlichen, subkutane Prostatakarzinome tragenden CD1 Nacktmäusen ermittelt. Die Aufnahme wurde mit der des klinisch verwendeten SPIO Kontrastmittels Resovist verglichen und weiterhin getestet durch Berliner Blau- sowie immunhistologische Färbungen an Tumorschnitten. Die hohe Relaxivität (r2 und r1), sowie das superparamagnetische Verhalten der FLUSPIO / FAD USPIO wurden mittels MRT und SQUID validiert. Die Biokompatibilität der FLUSPIO und FAD USPIO wurde durch verschiedene Zellvitalitätsassays und Färbungen nachgewiesen. Die hohe Effizienz der FLUSPIO / FAD USPIO in Bezug auf die Markierung von Krebszellen (PC-3, DU-145, LnCaP) sowie aktivierter Endothelzellen (HUVEC) und ihre Spezifität für RCP wurde durch MRT, ICP-MS und Fluoreszenzmikroskopie bestätigt. Die in vivo-Aufnahme der FAD USPIO durch experimentell erzeugte Prostatakarzinome war signifikant höher als die Aufnahme des kommerziellen SPIO-Kontrastmittels Resovist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich in unseren Ansätzen magnetischfluoreszente Eisenoxyd-Nanopartikel mit FAD/FMN Beschichtung als am aussichtsreichsten erwiesen. Diese Partikel zeigten eine starke RCP-vermittelte Aufnahme durch Krebs – und aktivierte Endothel-Zellen sowie eine starke Akkumulation innerhalb der Tumoren, nach intravenöser Injektion. Die Möglichkeit des RCP-Targeting könnte demnach ein neuer vielversprechender Weg sein, um Nanopartikel und Arzneimittel in metabolisch aktive Krebszellen einzuschleusen