title: Investigations of SPIO particles: SPIO labeling in vitro, differentiation potential of human mesenchymal stem cells and relaxivity measurements.
title: Untersuchungen zu SPIO-Partikeln: SPIO-Markierung in vitro, Differenzierungspotential humaner mesenchymaler Stammzellen und Relaxivitätsmessungen.
Creators: name: Barkova, Ekaterina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: SPIO particles , superparamagnetic iron oxide particles
SPIO-Partikel , superparamagnetische Eisenoxidpartikel
Stammzelle
nanoparticles , magnetic resonance imaging
7 Tesla , Relaxivität
Sciences
Naturwissenschaften
Kernspintomografie , Kontrastmittel
SPIO-Markierung
Nanopartikel
contrast agents

description: Magnetic nanoparticles are widely used in biomedical sciences as biosensors and as contrast agents in imaging applications. They are also used if the targeted release of a drug is required. In addition, molecular MRI plays an important part in tumor diagnostics. Due to the rapid development of nanotechnology, the increasing number of different nanomaterials which are used because of their special physical properties, and the good biocompatibility of metal and anorganic nanoparticles, a growing number of new nanostructures come into contact with man and environment. Iron oxide based MRI contrast agents include SPIO particles. They are used clinically in liver imaging and absorbed by the mononuclear phagocyte system. Moreover, cells can be labeled with SPIO particles and used as in vivo contrast markers for MR-Imaging. The cell labeling technique should optimize various parameters, such as size, coating and particle dose as well as incubation time. For this reason, the current focus of many studies is on modified and differently coated SPIO particles. For the present thesis, two different SPIO formulations were tested and the uptake of SPIO particles into various cell types – murine macrophages, human leucaemic monocytes and human mesenchymal stem cells – has been studied. Many researchers try to achieve a specific labeling by modified SPIO particles. In this respect, however, there are strong doubts concerning the biosafety of these particles. In this thesis, SPIO formulations that achieved good results without modifications and at a relatively low concentration were used. Phagocytic cells were incubated with 2.79 µg Fe/ml and 27.92 µg Fe/ml. After 12 h, the iron concentration per J774A.1 cell was 13.77 ± 0.5 pg. With THP-1 cells, a lower uptake could be observed; the intracellular iron was 9.84 ± 1.6 pg Fe per cell 24 h after labeling. Due to their outstanding properties, stem cells have great potential in regenerative medicine. Nevertheless, the mechanisms on which the transplantation of stem cells into a target organ is based are not yet understood. After labeling the cells with SPIO particles, cell migration can be observed by means of MRI after transplantation. For this study, human mesenchymal stem cells were labeled with SPIO, but without the aid of a transfection agent. Labeling the stem cells was started with a higher concentration of SPIO particles (25 µg Fe/ml) compared to the labeling of phagocytic cells. Labeling of hMSC was efficient. One of the most important properties of stem cells is their ability to differentiate, which was investigated in this thesis as well. The labeling with SPIO particles did not affect the differentiation potential of hMSC to osteoblasts and adipocytes. To determine if SPIO particles have a T2-intensifying effect, the T1 and T2 values of various contrast agent solution at 7 T were measured and the r2/r1 ratio calculated. Both 1/T1 and 1/T2 increased linearly with the SPIO concentration. For the iron oxide containing contrast agent under analysis, an r2 value of 178 mM-1s-1 in water was determined. The r2/r1 ratio was 66 (measured in water). With an increase of the viscosity, r2 also increased so that an r2 value of 184.6 mM-1s-1 in mouse plasma was determined. The tested SPIO particles showed an r2/r1 ratio of 108.6 at 7 T (in mouse plasma, measured at RT). The higher r2 values expected at 7 T, compared to published reference contrast agent Ferucarbotran values when measure at 4.7 T, were not observed. This may have been due to the different temperatures and a possible field inhomogeneity during the measurements.
description: Magnetische Nanopartikel finden eine breite biomedizinische Anwendung als Biosensoren und als KM in der Bildgebung, ferner werden sie eingesetzt, wenn eine gezielte Wirkstoffabgabe erreicht werden soll. Außerdem spielt die molekulare MRT eine wichtige Rolle bei der Tumordiagnostik. Die schnelle Entwicklung der Nanotechnologie und die zunehmende Anzahl unterschiedlicher Nanomaterialien, die aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften und der guten Biokompatibilität metallischer und anorganischer Nanopartikel zum Einsatz kommen, führen dazu, dass immer mehr neue Nanostrukturen in Kontakt mit Mensch und Umwelt kommen. Eisenoxidbasierte MRT-Kontrastmittel umfassen SPIO-Partikel. Sie werden klinisch bei der Leberbildgebung eingesetzt und vom mononukleären Phagocytensystem aufgenommen. Außerdem können Zellen mit SPIO-Partikeln markiert und als In-vivo-Kontrastmarker für die MRT-Bildgebung verwendet werden. Bei der Zellmarkierungstechnik sollen unterschiedliche Parameter optimiert werden, z. B. Größe, Beschichtung und Dosis der Partikel sowie die Inkubationszeit. Derzeit liegt deshalb der Fokus vieler Studien auf modifizierten und unterschiedlich beschichteten SPIO-Partikeln. In der vorliegenden Arbeit wurden 2 verschiedene SPIO-Formulierungen getestet und es wurde die Aufnahme der SPIO-Partikel in unterschiedliche Zelltypen – murine Makrophagen, humane leukämische Monocyten sowie humane mesenchymale Stammzellen – untersucht. Viele Forscher versuchen eine spezifische Markierung durch modifizierte SPIO-Partikel zu erreichen. Hierbei gibt es allerdings starke Bedenken, was die Biosicherheit solcher Partikel angeht. In dieser Arbeit wurden SPIO-Formulierungen verwendet, die ohne Modifizierungen und bei einer relativ niedrigen Konzentration gute Ergebnisse erzielten. Phagocytierende Zellen wurden mit 2,79 µg Fe/ml und 27,92 µg Fe/ml inkubiert. Nach 12 h lag der Eisengehalt pro J774A.1-Zelle bei 13,77 ± 0,5 pg. Bei THP-1-Zellen konnte eine geringere Aufnahme beobachtet werden, das intrazelluläre Eisen betrug 24 h nach der Markierung 9,84 ± 1,6 pg Fe pro Zelle. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften besitzen Stammzellen ein großes Potential in der regenerativen Medizin. Die Mechanismen, die der Transplantation von Stammzellen in ein Target-Organ zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht verstanden. Nach einer Markierung der Zellen mit SPIO-Partikeln kann die Migration der Zellen nach der Transplantation mittels MRT beobachtet werden. In dieser Arbeit wurden humane mesenchymale Stammzellen mit SPIO, aber ohne die Hilfe eines Transfektionsagens markiert. Bei der Markierung der Stammzellen wurde mit einer höheren Konzentration von SPIO-Partikeln (25 µg Fe/ml) im Vergleich zur Markierung phagocytierender Zellen begonnen. Die Markierung von hMSC war effizient. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Stammzellen ist ihre Differenzierungsfähigkeit, die in dieser Arbeit ebenfalls untersucht wurde. Die Markierung mit SPIO-Partikeln beeinflusste das Differenzierungspotential von hMSC zu Osteoblasten und Adipocyten nicht. Um herauszufinden, ob SPIO-Partikel einen T2-verstärkenden Effekt haben, wurden die T1- und T2-Werte unterschiedlicher KM-Lösungen bei 7 T gemessen und das r2/r1-Verhältnis berechnet. Sowohl 1/T1 als auch 1/T2 nahmen linear mit der SPIO-Konzentration zu. Für das untersuchte eisenoxidhaltige KM wurde ein r2-Wert von 178 mM-1s-1 in Wasser ermittelt. Das Verhältnis r2/r1 lag bei 66 (gemessen in Wasser). Mit Erhöhung der Viskosität nahm auch r2 zu, sodass in Mausplasma ein r2-Wert von 184,6 mM-1s-1 bestimmt wurde. Die getesteten SPIO-Partikel wiesen ein Verhältnis r2/r1 von 108,6 bei 7 T auf (in Mausplasma, gemessen bei RT). Die bei 7 T zu erwartenden höheren r2-Werte im Vergleich zu einem aus der Literatur bekannten Wert von Ferucarbotran (diente als Referenz-KM), gemessen bei 4,7 T, konnten nicht beobachtet werden, was an den unterschiedlichen Temperaturen und einer möglichen Feldinhomogenität bei den Messungen liegen könnte.