LHRH激素结合磁铁矿纳米颗粒可作为乳腺癌造影的MRI造影剂!

   电子分析员        

靶向磁共振成像(MRI)造影剂为包括癌症在内的许多疾病的特异性检测提供了平台。本研究探讨了黄体生成素-释放激素偶联peg包被磁铁矿纳米粒(LHRH-MNPs)增强三阴性乳腺癌(TNBC)检测的适用性。首次进行体外MRI研究,显示MNPs和LHRH-MNPs在t2加权图上均有一致的暗化作用。采用诱导皮下肿瘤小鼠模型,将MNPs和LHRH-MNPs注射到MDA-MB-231异种移植物中。这分别通过瘤内注射和静脉注射进行,使两种纳米颗粒的方向性比较成为可能。瘤内注射LHRH-MNPs的乳腺肿瘤内T2信号维持时间可达2周,显示肿瘤具有长期增强能力,而MNPs在注射后24小时信号开始恢复到注射前肿瘤对比。对于静脉注射,LHRH-MNPs在注射24小时后继续使乳腺肿瘤变暗,而MNPs注射动物的对比度增强不明显。这些结果显示了LHRH-MNPs作为阴性对比剂特异检测TNBC的潜力。


相关论文以题为“Luteinizing Hormone-Releasing Hormone (LHRH) Conjugated Magnetite Nanoparticles as MRI Contrast Agents for Breast Cancer Imaging”发表在《Applied Sciences》上。


LHRH激素结合磁铁矿纳米颗粒可作为乳腺癌造影的MRI造影剂!


研究背景


三阴性乳腺癌(Triple negative breast cancer, TNBC)是一种高风险、高度侵袭性的恶性肿瘤转移类型。TNBC是由于缺乏雌激素受体(ER)、孕激素受体(PR)和人表皮生长因子受体2 (HER2)的表达而得名的。TNBC对已建立的靶向ER, PR或HER2受体的激素治疗和抗HER2治疗无反应。因此,TNBC在手术切除的基础上,通常采用放疗或化疗,或两者联合治疗,均为非靶向治疗,并伴有短期和长期副作用。TNBC由于缺乏肿瘤特异性的预测生物标志物,与其他乳腺癌亚型相比,总体预后和临床结局较差,也与治疗选择有限有关。在乳腺癌的亚型中,TNBC约占所有乳腺癌的15%,但与不成比例的高复发率和死亡率相关。诊断为转移性TNBC的患者的中位生存期约为13个月。此外,目前乳腺癌筛查技术的局限性和误读也导致了TNBC的预后延迟。例如,TNBC可能在超声(美国)成像和乳房x线造影中显示良性形态学特征。另一方面,磁共振成像(MRI)被证明能够发现TNBC肿瘤的可疑特征,而传统的放射成像被解释为良性肿块。因此,在TNBC的诊断筛查和疾病监测中,显然需要改进筛查和影像学方法,以促进治疗效果。


MRI作为乳腺癌管理中广泛使用的成像手段之一,是一种不使用电离辐射的非侵入性医学成像技术。MRI信号与感兴趣区域内(水分子中)质子的激发态和弛豫态磁矩的差异有关。由于人体大部分是由水组成的,当质子处于磁场中时,它们的磁矩最初与外磁场的方向一致。当施加射频电磁场时,它们的磁矩改变了。在去除射频信号后,质子的磁矩逐渐恢复到其初始状态。恢复过程具有两种弛豫机制:自旋-晶格弛豫过程T1(纵向弛豫)和自旋-自旋T2(横向弛豫)。由于质子在不同组织中的弛豫时间(T1和T2)不同,因此可以区分“正常”和“病变”组织的结构。


研究目的


已有研究表明,超过50%的TNBC表达黄体生成素释放激素受体(LHRH), LHRH可用于特异性靶向TNBC表面受体。在设计针对TNBC的lhrh特异性靶点方面,已经有研究将lhrh偶联的磁性纳米颗粒设计为MRI造影剂,目的是特异性增强病灶信号,以便早期发现TNBC。孟等人先前的研究表明,在体外t2加权磁共振成像中,lhrh偶联的裸超顺磁氧化铁纳米颗粒能使切除的乳腺肿瘤变亮。然而,没有保护性表面涂层的裸磁铁矿纳米颗粒容易聚集,并容易被网状内皮系统(RES)从体内快速清除。因此,为了实现纳米颗粒的单分散性,延长纳米颗粒在体内的循环时间,制备了聚乙二醇(PEG)包覆磁石纳米颗粒(MNPs)和LHRH偶联MNPs (LHRH-MNPs)。在体外条件下,LHRH-MNPs和TNBC细胞之间的特异性粘附和增强细胞摄取也已得到证实。然而,包被LHRH-MNPs在体内的应用尚未被证明在皮下异种移植瘤模型的MRI增强。这样的证明是重要的,因为惰性涂层的使用可以显著提高或降低纳米颗粒的磁化率。


因此,本研究通过体外和体内实验,探讨MNPs和LHRH-MNPs作为MRI造影剂对TNBC特异性成像的有效性。为了研究LHRH在体内靶向的特异性,研究人员分别在瘤内和静脉注射MNPs或LHRH-MNPs前后获得MDA-MB-231异种移植瘤小鼠的MRI图像。本文讨论了LHRH-MNPs在TNBC检测和治疗中的应用意义。


LHRH-MNP接合


在其表面获得了约180个自由胺基的水分散MNPs,允许进一步修饰和功能化。LHRH肽通过戊二醛交联化学偶联到MNPs表面,遵循研究人员之前研究建立的协议(图1A)。用FTIR表征了LHRH偶联前后纳米粒子表面化学性质的相关变化。戊二醛活化MNP和LHRH偶联MNP的红外光谱如图1B所示。所有光谱均在590 cm−1处出现峰值,这是Fe3O4中Fe-O的特征。红外光谱还显示了氨基末端PEG的特征,其亚甲基特征峰分别为2916 cm−1和2864 cm−1,用于C-H的不对称拉伸和对称拉伸。在1010 cm−1和1107 cm−1处的附加峰与PEG涂层中的C-O拉伸有关。戊二醛活化MNPs中,由于MNP表面的胺基与戊二醛反应,羰基在1724 cm−1 (C=O拉伸)处被引入。此外,在1643 cm−1处的峰归因于MNPs的胺与戊二醛之间形成的亚胺基团的C=N伸缩。当将LHRH引入戊二醛活性MNPs时,LHRH多肽中的胺基与戊二醛中剩余的羰基发生反应。结果,戊二醛活化MNPs中的羰基消失在LHRH-MNPs的光谱中,说明成功共轭。


LHRH激素结合磁铁矿纳米颗粒可作为乳腺癌造影的MRI造影剂!


图1.(A)LHRH-MNPs偶联过程。通过戊二醛交联反应将LHRH肽偶联到MNPs表面生成LHRH-MNPs。(B) MNPs、戊二醛活化MNPs和LHRH-MNPs的傅立叶变换红外光谱(FTIR)光谱显示成功共轭。(C) MNPs和LHRH-MNPs的水动力直径分布,通过动态光扫描(DLS)测量。(D) MNPs和LHRH-MNPs的透射电镜显微图。规模的酒吧100µm。


纳米颗粒的结构和尺寸分布


测量了肽偶联前后磁铁矿纳米粒子的尺寸分布。这是通过透射电子显微镜(TEM)图像计算岩心直径得到的,以及通过动态光散射(DLS)得到的流体动力直径(图1C,D)。透射电镜显示,MNPs和LHRH-MNPs均呈球形,平均核径约为球形。30 nm (MNPs为31.9±2.4 nm, LHRH-MNPs为32.1±2.1 nm)(图1D)。使用粒度分析仪测量的MNPs的平均水动力直径为58.1±0.3 nm, LHRH-MNPs的平均水动力直径为59.3±0.6 nm(图1C)。由于水动力直径测量的是纳米粒子核与周围溶剂分子的结合尺寸,所以水动力直径略大于测量的核直径。此外,有机涂层(即PEG)在透射电镜下对电子束是透明的,导致纳米颗粒的核尺寸与流体动力直径的差异。亲水聚乙二醇涂层有利于MNPs和LHRH-MNPs在水溶液中的分散。MNPs和LHRH-MNPs的多分散性指数(PDI)分别为0.07±0.01和0.09±0.01,说明纳米颗粒分散均匀,如图1C、D所示。这些结果表明,MNPs和LHRH-MNPs在水中单分散,在LHRH偶联过程中没有聚集或聚集现象。MNPs的zeta电位为2.9±0.3 mV, LHRH-MNPs的zeta电位为4.9±0.6 mV。


MNPs和LHRH-MNPs的磁性能


用振动样品磁强计(VSM)检测了磁性纳米粒子的磁性能。图2给出了MNPs和LHRH-MNPs的典型力矩-磁场(M-H)曲线,显示了在±5 kOe的外加磁场下,在300 K时测量到的磁滞回线。MNPs和LHRH-MNPs的饱和磁化强度分别为40∙g−1和13∙g−1。与Fe3O4体块的值(92 emu∙g−1)相比,这两个值都很小。饱和磁化率的降低可能是由于PEG涂层的存在,降低了磁性组分的相对质量比。PEG涂层对Fe3O4的表面性能也有影响。


随着LHRH的加入,饱和磁化强度进一步降低,这可能与肽的存在有关。正如观察到的,MNPs和LHRH-MNPs在室温(25°C)下表现出不可忽视的矫磁场,表明该体系不表现出超顺磁特性。由于存在的矫顽力(大约45 Oe纳米粒子)和剩磁(11.0 emu∙克−1和基于LHRH-MNPs和2.3 emu∙克−1)切除后的磁场(图2 b),基于和LHRH-MNPs都显示室温铁磁性,表明它们可以被外部磁场。因此,MNPs和LHRH-MNPs可以作为潜在的肿瘤成像的MRI造影剂。


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图2.(A)全视图的MNPs和LHRH-MNPs的磁滞曲线,应用场范围从-5 kOe到5 kOe。(B)施加±0.2 kOe的滞后曲线变焦,显示纳米颗粒的矫顽力。


随着LHRH的加入,饱和磁化强度进一步降低,这可能与肽的存在有关。正如观察到的,MNPs和LHRH-MNPs在室温(25°C)下表现出不可忽视的矫磁场,表明该体系不表现出超顺磁特性。由于存在的矫顽力(大约45 Oe纳米粒子)和剩磁(11.0 emu∙克−1和基于LHRH-MNPs和2.3 emu∙克−1)切除后的磁场(图2 b),基于和LHRH-MNPs都显示室温铁磁性,表明它们可以被外部磁场。因此,MNPs和LHRH-MNPs可以作为潜在的肿瘤成像的MRI造影剂。


纳米颗粒浓度表征


为了分析MNPs或LHRH-MNPs中的铁含量,在纳米颗粒溶液中加入硫氰酸根离子(SCN−),以使三价铁离子(Fe3+)的存在可见。Fe3+ + SCN→FeSCN2+反应形成血红色络合物,其颜色强度可与一系列标准溶液中已知的铁浓度相关联。图3给出了已知浓度MNPs的标准吸光度-浓度曲线。标定曲线由480 nm波长的吸光度与已知的铁浓度绘制而成。用比色表征来确定用于MRI实验的纳米颗粒溶液中Fe的浓度。


LHRH激素结合磁铁矿纳米颗粒可作为乳腺癌造影的MRI造影剂!


图3.(A) MNPs在不同浓度下的紫外-可见吸收光谱,峰值在480 nm左右。(B) MNPs的吸光度-浓度校准曲线,相关系数(r2)为0.99。


结论


在这项工作中,研究人员提出了LHRH-MNPs,并证明了它们在体内肿瘤特异性成像对比度增强的能力。LHRH-MNPs在体内和体外均可作为T2对比剂。与非靶向MNPs相比,LHRH肽段显著促进LHRH-MNPs特异性摄取到肿瘤部位并增强衰减,突出了LHRH-MNPs在长期MRI监测过表达LHRH受体的TNBC肿瘤中的潜力。因此,研究人员认为LHRH-MNPs可以作为靶向造影剂用于TNBC肿瘤的诊断和检测。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5175/htm



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