Гелатиназо-реагирующие наночастицы усиливают МРТ таргетинг рака полости рта с Omniscan

Аннотация

Мы спроектировали гелатиназо-реагирующие наночастицы (NP), загруженные клинически одобренным МРТ контрастным агентом Omniscan (Omn) через двойную эмульсионную технику. Полученные Omn-NP демонстрировали равномерный размер (~120 нм), высокую эффективность инкапсуляции (~45%) и оставались стабильными минимум шесть дней. In vitro коллагеназа IV запускала быструю дезасamble NP и высвобождение Omn. В ксеномодели человеческого плоскоклеточного рака полости рта (OSCC), Omn-NP дали соотношение опухоль-фон (TBR) 2,23 ± 0,10 через 30 мин, превосходя свободный Omn (1,48 ± 0,01 через 5 мин) и продлевая контраст до 180 мин. Эти результаты демонстрируют, что Omn-NP предлагают высокую специфичность и пролонгированную циркуляцию, подчеркивая их потенциал как поколения следующего, опухоль-таргетированных МРТ контрастных агентов.

Введение

Плоскоклеточный рак полости рта (OSCC) — наиболее распространенная злокачественность орально-челюстной области. Ранняя, точная визуализация критична для индивидуального хирургического планирования и улучшения прогноза. МРТ, свободная от ионизирующего излучения, обеспечивает высокое разрешение мягкотканного контраста и является модальностью выбора для головно-шейных раков. Однако текущие гадолиниева (Gd) хелаты лишены опухоль-специфичности; их малый размер приводит к быстром почечному клиренсу и ограниченной удерживаемости в опухоли.

Нанопartikelные (NP) платформы — особенно на базе ФДА-одобренных полимеров, таких как метокси-поли(этилен гликол) (mPEG) и поли(ε-капролактон) (PCL) — появились как перспективные носители для образцовых агентов. Их гидрофильная оболочка пролонгирует циркуляцию через эффект усиленного проникновения и удержания (EPR), в то время как биодеградируемые ядра минимизируют долгосрочную токсичность. В предыдущей работе мы включили гелатиназо-кливируемый пептид (PVGLIG) между mPEG и PCL, обеспечивая опухоль-специфическое высвобождение полезной нагрузки в присутствии матриксных металлопротеиназ (MMP-2/9). Здесь мы расширяем эту стратегию на загрузку Omn, создавая опухоль-таргетированную МРТ контрастную систему, использующую как EPR, так и энзиматическую активацию.

Материалы и методы

Материалы

mPEG-NHS (Mn 5000), PVGLIG пептид, Omniscan и коллагеназа IV приобретены у коммерческих поставщиков. Все реактивы использовались как получены.

Синтез Omn-загруженных гелатиназо-реагирующих NP

mPEG-Pep-PCL кополимеры подготовили кольцевой открывающей кополимеризацией. Omn-NP фарбиковали двойной эмульсией (w/o/w) растворительно-испаряющим методом: 10 мг кополимера растворили в 1 мл дихлорметана; 0,1–0,3 мл Omn добавили, за чем следовала соникация в 3 мл 3% PVA для формирования первичной эмульсии, затем вторичной эмульсии в 5 мл 0,5% PVA. Испарение растворителя и фильтрация дали конечный продукт. Пустые NP и некливируемые Con-Omn-NP (mPEG-PCL) готовились идентично без пептида или Omn соответственно.

Характеризация

Динамическое световое рассеяние (DLS) оценивало размер и полидисперсионность (PDI) за 6 дней. Трансляционная электронная микроскопия (TEM) изучала морфологию. Загрузка препарата и эффективность инкапсуляции kvantифицировали ICP-AES после азотнокислотного переваривания. Стабильность мониторили при комнатной температуре.

Энзиматический отклик

Omn-NP и Con-Omn-NP инкубировали с решением Hank с 0,34 мг мл⁻¹ коллагеназы IV при 37 °C 24 ч. Макроскопическая прозрачность и TEM визуализация оценивали дезасamble NP.

In vitro клеточный аптайк

HSC3 OSCC клетки инкубировали с кумарин-6 загруженными mPEG-Pep-PCL NP (12,5 мкг мл⁻¹). Через 0,5 и 1 ч клетки фиксировали, вымывали и визуализировали конфокальной микроскопией для оценки внутренлизации NP.

Животные исследования

Все процедуры соответствовали NIH руководствам и одобрены Этическим комитетом Нанкинской стоматологической больницы. Самки BALB/c голые мыши (5–6 недель) инокулировали подкожно 1 × 10⁶ HSC3 клеток. Опухоли достигли ~0,4–0,5 см перед визуализацией.

In vivo МРТ

Мыши получали единичную внутривенную инъекцию Omn-NP или свободного Omn (0,025 ммоль кг⁻¹ Gd³⁺). Bruker 7,0 T сканер получал T1-взвешенные изображения в базовой линии и 5–180 мин после инъекции. Соотношения опухоль-фон kvantифицировали из линейных сканирований интенсивности сигнала.

ИГХ для MMP-2/9

После визуализации опухоль и основные органы тканей фиксировали, парафинизировали, сечении и окрашивали для MMP-2 и MMP-9. Полуколичественная оценка (−, +, ++) оценивала ферментную экспрессию.

Статистический анализ

Данные представлены как mean ± SD. Стьюдентов t-тест определял значимость (p < 0,05).

Результаты и обсуждение

Характеризация NP

DLS выявил Omn-NP со средним диаметром 118 ± 8 нм и низким PDI (0,12 ± 0,03), указывающим на узкое распределение размеров. Пустые NP были больше (~145 нм) и показывали более высокий PDI. TEM изображения подтвердили сферическую морфологию и внутренние темные ядра, соответствующие инкапсулированному Omn.

Загрузка препарата

Эффективность инкапсуляции пиковала при 45% с 0,1 мл Omn, в то время как 0,3 мл давало более высокую загрузку (~60%) но меньшую эффективность (~30%). 0,1 мл формулировку выбрали для in vivo исследований для баланса загрузки и эффективности.

Энзиматическая дезасamble

В присутствии коллагеназы IV Omn-NP становились мутными и TEM показывала фрагментацию, подтверждая кливировку пептида и дезасamble NP. Con-Omn-NP оставались целыми, подчеркивая специфичность гелатиназо-реагирующего дизайна.

Клеточный аптайк

Конфокальные изображения показывали сильную зеленую флуоресценцию внутри цитоплазмы HSC3 через 1 ч, указывая на эффективную NP внутренлизацию через эндоцитоз.

In vivo МРТ производительность

Omn-NP дали максимальный TBR 2,23 ± 0,10 через 30 мин, тогда как свободный Omn пиковал 1,48 ± 0,01 через 5 мин. Контраст сохранялся 180 мин с Omn-NP по сравнению с 30 мин для свободного Omn, отражая пролонгированное удерживание в опухоли и сниженный почечный клиренс. Статистический анализ подтвердил значительные улучшения (p < 0,05).

MMP-2/9 экспрессия

ИГХ продемонстрировала сильную (++), внеклеточной матрицей-связанную окраску MMP-2/9 в опухолевой ткани, в то время как нормальные органы показывали пренебрежимую экспрессию (−). Это валидирует опухоль-специфический энзиматический триггер.

Заключение

Мы успешно фарбиковали гелатиназо-реагирующие, Omniscan-загруженные NP, усиливающие МРТ опухоль контраст в OSCC моделях. Система предлагает превосходный опухоль-фон контраст, расширенное удерживание и минимальное off-target накопление. Ее состав из биосовместимого PEG, биодеградируемого PCL и клинически одобренного Omn позиционирует ее для быстрого трансляционного потенциала. Будущая работа сфокусируется на оптимизации эффективности загрузки и изучении ко-доставки терапевтических полезных нагрузок.

Доступность данных и материалов

Данные, поддерживающие эти находки, доступны у соответствующего автора по запросу.

Аббревиатуры

NPs

Наночастицы

Omn

Omniscan

OSCC

Плоскоклеточный рак полости рта

MMP

Матриксная металлопротеиназа

Gd

Гадолиний

mPEG

Метокси-поли(этилен гликол)

PCL

Поли(ε-капролактон)

Pep

Пептид

Omn-NPs

Omniscan-загруженные mPEG-Pep-PCL NP

Con-Omn-NPs

Omniscan-загруженные mPEG-PCL NP

MRI

Магнитное резонансное томографирование

EPR

Усиленное проникновение и удержание

DCM

Дихлорметан

PVA

Поливиниловый спирт

DLS

Динамическое световое рассеяние

PDI

Полидисперсионность

TEM

Трансляционная электронная микроскопия

ICP-AES

Индуктивно связанная плазма-атомная эмиссионная спектрометрия

DMEM

Модифицированное среднее Эйгла Дюльбекко

FBS

Фетальная телячья сыворотка

IHC

Иммуногистохимия

PBS

Фосфатно-буферизованный раствор