Einfache Herstellung von BiF3:Ln (Ln = Gd, Yb, Er)@PVP-Nanopartikel für hocheffiziente Computertomographie-Bildgebung

Einführung

Die Röntgen-Computertomographie (CT) kann innere Gewebe und Organe im Querschnitt mit hoher Auflösung und niedrigem Preis darstellen [1, 2]. Daher ist es ein wichtiges Mittel zur Diagnose von Atemwegserkrankungen, Verdauungserkrankungen und Erkrankungen des Harnsystems [3,4,5,6,7,8]. CT weist jedoch manchmal einen geringen Kontrast zwischen erkranktem Gewebe und normalem Gewebe auf. Daher werden Kontrastmittel wie Iohexol in der klinischen Praxis weit verbreitet verwendet, um die Röntgenabschwächung von erkrankten Geweben spezifisch zu verstärken. Aufgrund der geringen Empfindlichkeit der CT-Detektoren werden die klinischen Kontrastmittel jedoch häufig in hohen Dosen eingesetzt [9]. Darüber hinaus haben handelsübliche Kontrastmittel auf Jodbasis einen extrem schnellen Stoffwechsel im Körper und schwere Nebenwirkungen, einschließlich kardialer Ereignisse und Nephrotoxizität; diese Probleme schränken ihre klinische Anwendung ein und sollten dringend gelöst werden [10,11,12,13,14,15].

Nanomaterialien haben breite Anwendungsperspektiven in der Umweltsanierung, Photovoltaikanwendungen, Katalysatoren usw. gezeigt [16,17,18,19,20,21]. Balati et al. [22] synthetisierten einen heterostrukturierten Photokatalysator (HBTiO₂ /RBIHM-MoS₂ ) unter Verwendung von gepulster Laserablation in Flüssigkeit (PLAL) gefolgt von Mikrowellenbestrahlung. Nanomaterialien sind auch in der Medizin weit verbreitet, einschließlich Bildgebung und Behandlung.

Gold (Au), Tantal (Ta), Platin (Pt) und andere Elemente mit hoher Röntgendämpfung haben das Interesse der Forscher geweckt, und aus diesen Elementen synthetisierte Nanomaterialien wurden als potenzielle Kontrastmittel für die CT-Bildgebung gut erforscht [ 1, 12, 13, 14, 15, 23, 24]. Ihr hoher Preis und die unsichere Biosicherheit schränken jedoch ihre weitere Verwendung ein. Wismut (Bi) ist als biologisch sicheres Element mit geringen Kosten bekannt. Es wurde in der klinischen Praxis eingesetzt und spielt eine entscheidende Rolle in der Kombinationstherapie von Helicobacter pylori und andere Krankheiten, einschließlich chronischer Lebererkrankungen sowie Magen- und Zwölffingerdarmgeschwüren. Es hat eine hohe biologische Sicherheit und Verträglichkeit während der Behandlung [7, 25]. Außerdem wurde Bi bei der Herstellung von nanoskaligen Kontrastmitteln wie HA-BiO-NPs, Bi₂ . verwendet S₃ , BION und Bi₂ Te₃ wegen seiner hohen Ordnungszahl (Z = 83) und ausgezeichnete Röntgendämpfungskapazität (5,74 cm ² kg ⁻¹ bei 100 keV) [26,27,28,29].

Mohsen Mahvi et al. synthetisiertes Bi₂ Te₃ Nanoflocken über einen mikrowellenunterstützten Polyolprozess, der einen besseren Röntgendämpfungskoeffizienten als kommerzielles Iohexol zeigte [29]. Somit ist Bi ein vielversprechendes Element für die Konstruktion leistungsstarker CT-Kontrastmittel. Allerdings ist die Herstellung von Bi-basierten Nanokontrastmitteln kompliziert [30, 31].

Hier haben wir Bi mit Lanthaniden (Gd, Yb, Er) über ein einfaches und kostengünstiges Protokoll kombiniert, um BiF₃ . herzustellen :Ln@PVP-Nanopartikel (NPs). Anschließend untersuchten wir sein Potenzial zur Kontrasterzeugung für die CT-Bildgebung. Nach dem Beschichten der Proben mit PVP, BiF₃ :Ln@PVP-NPs zeigten gute Stabilität und geringe biologische Toxizität. Diese Proben zeigen eine bessere Röntgendämpfung als kommerzielles Iohexol in vitro, haben einen guten in vivo-Kontrast und bieten eine hervorragende CT-Bildgebung des Magen-Darm-Trakts (GI). Wichtig ist, dass nach 48 Stunden oraler Verabreichung von BiF₃ :Ln@PVP, die Nanopartikel wurden vollständig aus dem Körper ausgeschieden und zeigten keine offensichtlichen Schäden an lebenswichtigen Organen wie Leber und Nieren. Wir glauben, dass unsere Arbeit eine neue theoretische Grundlage für den klinischen Einsatz von nanoskaligen CT-Kontrastmitteln bieten kann.

Methoden

Alle Versuchsprotokolle, einschließlich Tierversuche, wurden von der Ethikkommission der Xiamen-Universität in der Provinz Fujian, China, genehmigt.

Materialien und Reagenzien

Wismutnitrat-Pentahydrat (Bi(NO₃ .) )₃ ·5H₂ O, ≥ 99,99%), Ammoniumfluorid (NH₄ .) F, ≥ 99,99%), Ytterbiumnitrat-Hexahydrat (Yb(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), Erbiumnitrat-Hexahydrat (Er(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), Gadoliniumnitrat-Hexahydrat (Gd(NO₃ )₃ ·6H₂ O, 99,9%), Polyvinylpyrrolidon (PVP, 99,0%) und Iohexol (≥ 99,0%) wurden von Aladdin Reagents (Shanghai, China) gekauft. Das Färbekit für lebende tote Zellen und das Kit-8 zum Zählen von Zellen (CCK-8) wurden von Yeasen (Shanghai, China) gekauft. Das RPMI-Medium 1640, Penicillin, Streptomycin und fötales Rinderserum (FBS) wurden von Gibco (New York, USA) bezogen.

Herstellung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs

Die BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden über einen hydrothermalen Ansatz synthetisiert. Im Einzelnen:1 mmol Ln(NO₃ )₃ , (Ln = Yb, Er und Gd) und 1 mmol Bi(NO₃ .) )₃ wurden in einer 35-ml-Lösung mit 5 ml entionisiertem Wasser (DI) und 30 ml Ethylenglykol gelöst, um eine transparente Lösung A zu bilden. Diese wurde dann mit 0,5 g PVP (M_W = 10.000) und 10 min bei Raumtemperatur gerührt. NH₄ F (20 mmol) wurde in 10 ml DI gelöst, um Lösung B zu bilden. Lösung B wurde dann in Lösung A gegossen, und nach 20 minütigem Rühren wurde eine weiße Mischungslösung C gebildet. Lösung C wurde dann in einen 50-ml-Autoklaven gegeben und 24 h auf 180 °C erhitzt. Die Temperatur fiel natürlich nach 24 h auf Raumtemperatur. Schließlich wurden die Proben zentrifugiert (8000 U/min, 3 min) und mit DI und Alkohol gespült, um die nicht reagierten Substanzen wegzuwaschen. Die letzten Proben wurden durch Gefriertrocknung gesammelt.

Charakterisierung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs

Die Morphologie von BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford) bei einer Betriebsspannung von 300 kV nachgewiesen. Die Zusammensetzung der Nanopartikel wurde durch energiedispersives Spektrum (EDS) in TEM einschließlich Kartenanalyse analysiert. Zur Unterscheidung der funktionellen Gruppen der Proben wurde die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX Spektrometer, USA) verwendet. Die Kristallstrukturen und das Phasenmerkmal des BiF₃ :Ln@PVP-NPs verwendeten Pulverröntgenbeugung (XRD, D8 Advance) mit Cu Kα-Strahlung unter 40 kV- und 40 mA-Bedingungen. Die Größenverteilung der in DI und PBS dispergierten Nanopartikel (pH 7,4) wurde durch dynamische Lichtstreuung (DLS, Brookhaven Instruments-Omni, USA) untersucht.

Zelllinie und Zellkultur:HepG2-Zellen stammten von der Zellbank der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Shanghai, China). Die Zellen wurden in RPMI-Medium 1640 mit 10 % fötalem Rinderserum (FBS) und 1 % Penicillin-Streptomycin bei 37 °C und 5 % CO₂ . kultiviert Bedingungen. Die Kulturmedien wurden jeden zweiten Tag ausgetauscht.

Zytokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in vitro

Die Zytokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in vitro wurden durch einen Lebend-Tot-Assay und den CCK-8-Assay geschätzt. Im Detail wurden die HepG2-Zellen gesammelt und in konfokale Schalen bei 5,0 × 10 ⁵ . ausgesät . Die Zellen wurden dann über Nacht kultiviert. Die BiF₃ :Als nächstes wurden Ln@PVP NP-Suspensionen in unterschiedlichen Konzentrationen (100, 200 und 400 μg/ml) zu den Zellen gegeben und als experimentelle Gruppen festgelegt. Inzwischen wurde Medium ohne Nanopartikel zugegeben und als Kontrollgruppe eingesetzt. Anschließend wurden sowohl die experimentellen Gruppen als auch die Kontrollgruppe für 24 h kultiviert. Nach 24 h haben wir das Originalmedium vorsichtig entfernt und der Live-Dead-Assay wurde dann gemäß dem vom Hersteller bereitgestellten Protokoll durchgeführt. Kurz gesagt wurden die lebenden Zellen über Calcein-AM markiert, während die toten Zellen mit Propidiumiodid (PI) gefärbt wurden; Zellen wurden dann unter einem konfokalen Mikroskop (Nikon, Japan) beobachtet.

Ein CCK-8-Assay wurde durchgeführt, um die Zytotoxizität von BiF₃ . weiter zu bestimmen :Ln@PVP-NPs in vitro. Im Detail wurden die HepG2-Zellen gesammelt und in einer 96-Well-Platte mit 3000 Zellen pro Well ausgesät und über Nacht in einem Inkubator kultiviert. Verschiedene Konzentrationen von BiF₃ :Ln@PVP NP (0, 25, 50, 100, 200 und 400 μg/ml) wurden mit den Zellen vermischt und 24 h kultiviert. Das CCK-8-Reagenz (10 μL) wurde in jede Vertiefung gegeben und 2 h bei 37 °C inkubiert. Später wurden die OD-Werte jeder Vertiefung bei 450 nm mit einem SPECTRA max Microplate Reader (Modell 680, Bio-Rad, Tokio, Japan) gemessen und die Zelllebensfähigkeit jeder Konzentration wurde gemäß der vom Hersteller bereitgestellten Formel berechnet. Diese Experimente wurden dreimal wiederholt.

Tiere

Weibliche BALB/c-Nacktmäuse (4 bis 6 Wochen alt) wurden vom Labortierzentrum der Universität Xiamen (Xiamen, China) erhalten. Die Mäuse wurden in einer sterilen Umgebung aufgezogen und für einen 12-stündigen Hell/Dunkel-Zyklus gehalten. Den Tieren wurden HepG2-Zellen (1,0 × 10 ⁷ /ml) subkutan, um die Tumorbildung zu induzieren. Alle Tierversuche in dieser Arbeit wurden gemäß dem vom Animal Care and Use Committee der Xiamen University genehmigten Protokoll durchgeführt.

Biokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in Vivo

Die histologische Analyse wurde verwendet, um die Biokompatibilität von BiF₃ . zu beobachten :Ln@PVP-NPs in vivo. Den Mäusen der Versuchsgruppe wurde ein BiF₃ . injiziert :Ln@PVP NP-Suspension mit 200 mg/kg durch die Schwanzvene; Kontrollmäusen wurde das gleiche Volumen an PBS intravenös injiziert. Nach 24 Stunden wurden die wichtigsten Organe, einschließlich Herz, Leber, Milz, Lunge, Nieren und Gehirn, sofort nach der Tötung der Mäuse entfernt. Alle Organe wurden 12 h lang mit 4%igem Paraformaldehyd-Fixiermittel fixiert und dann in Paraffin eingebettet und in Scheiben geschnitten. Schließlich wurde eine Hämatoxylin-Eosin (H&E)-Färbung durchgeführt. Die Morphologie der Organe wurde ausgewertet und mit einem aufrechten Fluoreszenzmikroskop (Leica DM2700 P, Deutschland) erfasst.

CT-Leistung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs In Vitro und In Vivo

Um die Anwendung von BiF₃ zu studieren :Ln@PVP-NPs in vitro CT-Bildgebung, BiF₃ :Ln@PVP NP- und Iohexol-Suspensionen wurden hergestellt und auf 0, 0,625, 1,25, 2,5, 5,0, 10,0 und 20,0 mg/ml verdünnt und in 0,3-ml-Eppendorf-Röhrchen abgefüllt. Die CT-Bilder und die entsprechenden CT-Werte von BiF₃ :Ln@PVP NP- und Iohexol-Suspensionen wurden erhalten und mit einem Röntgen-CT-Gerät (Siemens) mit einer Betriebsspannung von 50 kV bzw. 80 kV aufgezeichnet. Als nächstes die CT-Bildgebungsfähigkeit von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in vivo wurden untersucht; Die BiF₃ :Ln@PVP NP-Suspension wurde den tumortragenden Nacktmäusen mit 200 mg/kg (100 μL) intratumoral injiziert. Anschließend wurden die Mäuse anästhesiert und mit dem Röntgen-CT-Gerät (Siemens, 80 kV, 88 μA) wurden CT-Bilder vor und nach der Verabreichung von BiF₃ . aufgenommen :Ln@PVP.

CT-Leistung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in der GI-Trakt- und histologischen Analyse

Um den Wert von BiF₃ weiter zu erforschen :Ln@PVP-NPs in der CT-Bildgebung, die Mäuse wurden über Nacht nüchtern gelassen und erhielten oral ein BiF₃ :Ln@PVP NP-Suspension (300 μl, 20 mg/ml) durch eine Magensonde. Die Mäuse wurden dann mit Chloralhydrat intraperitoneal anästhesiert. Als nächstes wurden GI-Bilder in verschiedenen Intervallen (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 h, 12 h, 24 h und 48 h) bei 80 kV aufgenommen. Schließlich wurden 3D-Modelle der Mäuse über das CT-Gerät rekonstruiert. Die Mäuse wurden dann getötet und die Mägen, Dünndarm und Dickdarm wurden entfernt und mit 4% Paraformaldehyd für 12 h fixiert. Sie wurden dann in Paraffin eingebettet und vor der H&E-Färbung geschnitten, um die gastrointestinale Toxizität von BiF₃ . zu bewerten :Ln@PVP-NPs.

Statistische Analyse

Die Daten wurden unter Verwendung einer Einweg-ANOVA analysiert; ein P Wert < 0,05 wurde in allen Analysen als statistisch signifikant angesehen (95 % Konfidenzniveau).

Ergebnisse und Diskussion

Herstellung und physikalisch-chemische Eigenschaften des BiF₃ :Ln@PVP-NPs

Zuerst die BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden durch eine hydrothermale Reaktion hergestellt (Schema 1). Abbildung 1A zeigt die Morphologie von BiF₃ :Ln@PVP-NPs von TEM. Die BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine einheitliche und kugelförmige Struktur. Die durchschnittliche Größe des BiF₃ :Ln@PVP-NPs sind etwa 380 nm groß und gleichmäßig verteilt. Die Einschubfigur zeigt, dass die Nanopartikel eine relativ enge Partikelgrößenverteilung aufweisen (rechts unten). Die Zusammensetzung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden durch EDS analysiert, nachdem die Morphologie des BiF₃ . bewertet wurde :Ln@PVP-NPs. Abbildung 1B–F zeigt ein Dunkelfeldbild von BiF₃ :Ln@PVP-NPs vor der Elementaranalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Nanopartikel hauptsächlich aus Gd-, Yb-, Er- und Bi-Elementen bestehen, was darauf hindeutet, dass das BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden erfolgreich synthetisiert.

Schematische Darstellung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs-Syntheseprozess und seine Anwendungen

Morphologie und Partikelgröße des BiF_3: Ln@PVP-NPs. A TEM-Bilder des BiF_3: Ln@PVP-NPs und ihre Partikelgrößenverteilungen (unten rechts). B –F Dunkelfeld-TEM des Bildes von BiF_3: Ln@PVP-NPs und entsprechende TEM-Elementarkarten von Gd, Yb, Bi und Er

PVP ist ein wirksamer Stabilisator zur Verbesserung der Biokompatibilität und Stabilität von Nanomaterialien [32]. Daher haben wir unsere Nanopartikel mit PVP modifiziert, wie bereits berichtet [33]. FTIR-Spektren wurden verwendet, um zu bestimmen, ob das PVP erfolgreich auf die Oberfläche der Nanopartikel aufgetragen wurde (Abb. 2). Es gab starke Absorptionspeaks der C=O-Gruppe und Peaks der C-N-Gruppe bei 1658 und 1293 cm ⁻¹ , bzw. Diese stammten von PVP, was darauf hinweist, dass die Beschichtung der Oberfläche der Nanopartikel mit PVP abgeschlossen war [34]. Das XRD-Muster des BiF₃ :Ln@PVP-NPs sind in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3A zeigt, dass alle Peaks gut mit Standardkarten-BiF_{3 übereinstimmen:} Ln-Daten (PDF 74-0144), die weiter belegen, dass die BiF₃ :Ln@PVP NPs wurden erfolgreich vorbereitet. Die atomaren Parameter des BiF₃ Struktur kann als Ausgangsparameter in der Standard-CIF-Karte über die Diamond-Software verwendet werden. Die Standardstruktur ergab PDF 74-0144, a = b = c = 5,865 Å, V = 201,75(3) Å und Dichte (c ) = 8,755. Die BiF₃ Die Kristallstruktur von der C-Achse aus gesehen hat Schichten, die senkrecht zur A-Achse gestapelt sind (Abb. 4B), und die Ansicht einer einzelnen Struktur von der A-Achse zeigt, dass sich Bi im Zentrum des Atoms befindet (Abb. 4C). Diese Ergebnisse zeigen, dass BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine gute Kristallstruktur und die Oberflächenbeschichtung beeinflusst die Kristallstruktur von BiF₃ . nur geringfügig :Ln@PVP-NPs.

FTIR-Spektren von BiF_3: Ln@PVP-NPs. Die blaue Linie stellt den anfänglichen Absorptionspeak von BiF₃ . dar :Ln. Die rote Linie stellt den Absorptionspeak dar, nachdem PVP an der Oberfläche von Nanopartikeln modifiziert wurde

XRD-Muster von BiF₃ :Ln@PVP-NPs. A Alle Peaks des BiF₃ :Ln passen gut zu Standardkarte BiF₃ :Ln-Daten (PDF 74-0144). B Die Ansicht der Atomverteilung von der C-Achse und C zeige die Koordination entlang der A-Achse

Stabilität und Zytokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs. A Der hydrodynamische Durchmesser von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in DI und B PBS (pH 7,4). C Lebend-Tot-Assay und D CCK-8-Assay der HepG2-Zellen, die mit verschiedenen Konzentrationen des BiF₃ . behandelt wurden :Ln@PVP-NPs für 24 Stunden

Stabilität und Zytokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs

Da die Dispersionsgröße von Nanopartikeln die Wechselwirkung mit biologischen Systemen beeinflussen kann, ist es notwendig, die Dispersionsgröße von Nanopartikeln in verschiedenen Lösungen zu untersuchen [33]. Abbildung 4A, B zeigt, dass die BiF_3: Ln@PVP-NPs haben eine relativ enge Verteilung in DI und PBS (pH = 7.4), was darauf hindeutet, dass BiF_3: Ln@PVP-NPs weisen in verschiedenen Lösungen eine gute Stabilität auf. Somit sind sie für biologische Anwendungen geeignet.

Die Zytotoxizität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden untersucht, nachdem nachgewiesen wurde, dass BiF_3: Ln@PVP-NPs weisen in verschiedenen Lösungen eine gute Stabilität auf. Das Experiment mit lebenden Toten untersuchte die Zytotoxizität von BiF_3: Ln@PVP-NPs. Keine offensichtliche rote Fluoreszenz wurde beobachtet, wenn die Konzentration von BiF₃ :Die Ln@PVP NP-Suspension erreichte 400 µg/ml und wurde 24 h mit HepG2-Zellen kultiviert (im Vergleich zur Kontrollgruppe; Abb. 4C). Dies weist darauf hin, dass es in der experimentellen Gruppe keinen signifikanten Zelltod gab. Anschließend wurde ein CCK-8-Assay durchgeführt, um die Zytotoxizität von BiF₃ . weiter zu untersuchen :Ln@PVP-NPs. Abbildung 4D zeigt die Zelllebensfähigkeit von HepG2-Zellen, die mit verschiedenen Konzentrationen von BiF₃ . inkubiert wurden :Ln@PVP NP-Suspensionen für 24 h, die experimentellen Gruppen von HepG2-Zellen hatten alle eine relativ hohe Zelllebensfähigkeit. Darüber hinaus betrug die Zelllebensfähigkeit 85,96 %, wenn die Konzentration von BiF_3: Die Ln@PVP NP-Suspension erreichte 400 μg/ml. Diese Ergebnisse zeigten, dass die BiF_3: Ln@PVP-NPs besaßen in vitro eine günstige Biokompatibilität, was auf die Beschichtung von PVP auf der Oberfläche des BiF₃ . zurückgeführt werden kann :Ln@PVP-NPs.

Biokompatibilität von BiF₃ :Ln@PVP-NPs in Vivo

Neben einer geringen Zytotoxizität ist eine gute in-vivo-Biokompatibilität eine weitere notwendige Voraussetzung für den klinischen Einsatz von Kontrastmitteln [35]. Somit ist die BiF_3: Ln@PVP NP-Suspension wurde hergestellt und den Mäusen mit 200 mg/kg (100 μl) durch die Schwanzvene injiziert. Das gleiche Volumen an PBS-Lösung wurde injiziert und als Kontrollgruppe eingesetzt. Nach 24 h wurden die Mäuse getötet und die wichtigsten Organe wurden während der Autopsie herausgeschnitten. Die H&E-Färbung wurde durchgeführt, um die Systemtoxizität zu bewerten. Abbildung 5 zeigt keine offensichtlichen pathologischen Anomalien nach BiF₃ :Ln@PVP NPs-Verwaltung für 24 Stunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine gute Biokompatibilität, was mit der oben gezeigten geringen Zytotoxizität übereinstimmt.

H&E-Färbungsbilder wichtiger Organe vor und nach BiF₃ :Ln@PVP-NPs-Verwaltung (Skalenbalken 200 µm)

Die Fähigkeit von BiF₃ :Ln@PVP-NPs In-vitro-CT-Bildgebung

Elemente mit hohen Ordnungszahlen haben aufgrund ihrer großen Röntgendämpfung in der Regel hohe Kontrastwirkungen. Zum Beispiel haben Kontrastmittel, die aus Edelmetallen mit einer hohen Ordnungszahl (Au [36], Ag [37] usw.) hergestellt wurden, ausgezeichnete CT-Bildgebungseffekte, wie bereits berichtet. Daher kann ein vielversprechender Kontrastmitteltyp in Betracht gezogen werden. Ihre hohen Kosten schränken jedoch ihre weitere klinische Anwendung ein. Wismut hat eine gute biologische Sicherheit und geringe Kosten mit einer großen Fähigkeit zur Abschwächung von Röntgenstrahlen [38,39,40,41]. Hierin, um die Kontrastmittelwirkung von BiF₃ . zu bewerten :Ln@PVP NPs, verglichen wir die Röntgendämpfungsfähigkeit von BiF₃ :Ln@PVP-NPs mit dem handelsüblichen Kontrastmittel Iohexol-Lösung in vitro. Abbildung 6A, B zeigt die entsprechenden CT-Bilder von BiF₃ :Ln@PVP und Iohexol bei unterschiedlicher Betriebsspannung (50 kV bzw. 80 kV). Abbildung 6A, B zeigt, dass sich die Graustufe des Bilds mit zunehmender Konzentration der Suspensionen allmählich von Schwarz zu Weiß ändert. Bei gleicher Konzentration ist jedoch BiF₃ :Ln@PVP hat einen helleren Farbton als Iohexol, da der Röntgendämpfungskoeffizient von Bi höher ist I (Bi ist 5,74 cm ² kg ⁻¹ und ich ist 1,94 cm ² kg ⁻¹ bei 100 keV) [42].

Vergleich der Wirkung der In-vitro-CT-Bildgebung zwischen BiF_3: Ln@PVP-NPs und Iohexol. A , B In-vitro-CT-Bildgebung unter verschiedenen Betriebsspannungen (50 bzw. 80 kV) von BiF_3: Ln@PVP-NPs und Iohexol. C Die entsprechenden CT-Werte von BiF_3: Ln@PVP-NPs und Iohexol unter 50 bzw. 80 kV

Abbildung 6C zeigt, dass der CT-Wert (Hounsfield-Einheit, HU) mit steigendem BiF₃ . linear ansteigt :Ln@PVP-NPs und Iohexol-Konzentration (beide R ² > 0,99) unabhängig von der Betriebsspannung. Der CT-Wert der Einheitsmassenkonzentration von BiF₃ :Ln@PVP NPs ist viel höher als die von Iohexol (1,5- bzw. 1,7-mal höher als bei 50 kV bzw. 80 kV). Diese Ergebnisse zeigen, dass die BiF₃ :Ln@PVP-NPs können bei gleichen Dosen im Vergleich zu kommerziellem Iohexol eine bessere Kontrastwirkung bieten; diese Daten bestätigen, dass die BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine gute in-vitro-CT-Bildgebungsfähigkeit, was von großer Bedeutung ist, da sie die Kontrastmittelmenge reduzieren und gleichzeitig gute Bildgebungseffekte gewährleisten kann. Dies kann die Toxizität und Nebenwirkungen erheblich reduzieren.

Kontrasteffekt von BiF₃ :Ln@PVP-NPs In-vivo-CT-Bildgebung

Die BiF₃ :Ln@PVP NP-Suspension wurde als nächstes intratumoral in die tumortragenden Mäuse (200 mg/kg, 100 µL) injiziert, um die Kontrastwirkung von BiF₃ . zu bewerten :Ln@PVP-NPs in vivo CT-Bildgebung. Nach 1 h Verabreichung von BiF₃ . wird im gleichen Tumorbereich eine starke Änderung der Signalintensität gegenüber dem Ausgangswert festgestellt :Ln@PVP NP-Suspension (Abb. 7A). Unterdessen zeigt Abb. 7B, dass der CT-Wert der Nacheinspritzung (184,58 HE) viel höher ist als der der Voreinspritzung (48,9 HE). Dies ist auf den Anstieg des Röntgenabschwächungskoeffizienten von Tumorgewebe nach BiF₃ . zurückzuführen :Ln@PVP-NPs werden im Tumorgewebe verteilt. Die Ergebnisse zeigen, dass die BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine hervorragende In-vivo-CT-Bildgebungsfähigkeit.

BiF_3: In-vivo-CT-Bildgebungswirkung von Ln@PVP-NPs. A CT-Bilder vor und nach BiF_3: Injektion von Ln@PVP-NPs und B den entsprechenden CT-Wert. Der rote Kreis zeigt Tumorgewebe an

GI-Trakt CT-Bildgebungsleistung von BiF₃ :Ln@PVP-NPs und ihre GI-Toxizität

Ermutigt durch die vielversprechenden Ergebnisse oben waren wir motiviert, die potenzielle Anwendung von BiF₃ . weiter zu bewerten :Ln@PVP-NPs in der CT-Bildgebung. Als gängiges nichtinvasives bildgebendes Verfahren spielt die CT aufgrund der komfortablen Bildverarbeitung, der keinen Gewebeschädigung und der Schmerzfreiheit der Patienten eine entscheidende Rolle bei der Diagnose von gastrointestinalen Erkrankungen und der Formulierung von Behandlungsplänen [43, 44]. Das üblicherweise verwendete Bariumsulfat-Kontrastmittel wird normalerweise zusammen mit aerogen Pulvern verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte der beiden Substanzen kann der Magen-Darm-Trakt nicht immer eindeutig dargestellt werden, was zu Fehldiagnosen führt, was den klinischen Einsatz einschränkt [45]. Daher ist es von großer Bedeutung, hochwirksame gastrointestinale Kontrastmittel zu erforschen, die keine zusätzliche Unterstützung erfordern. In dieser Arbeit haben wir die Wirkung von BiF₃ . untersucht :Ln@PVP-NPs im GI-Trakt bei Nacktmäusen.

Abbildung 8A zeigt, dass die Form des Magens und des Dünndarms nach der oralen Verabreichung von BiF₃ . sichtbar wurde :Ln@PVP NP-Suspension (20 mg/ml, 300 μL) für 15 min. Nach 30 Minuten ist die BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden mit der Peristaltik des Magens metabolisiert. Die Magenmorphologie wurde schwächer. Bei 120 Minuten die meisten BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden aus dem Magen metabolisiert, und nur der verbleibende Magenumriss war sichtbar. Die BiF₃ :Ln@PVP-NPs begannen nach 6 h in der Kontur des Dickdarms zu erscheinen, was darauf hindeutet, dass sich die Nanopartikel im Dickdarm anreicherten; die Morphologie des Dickdarms war um 12 Uhr deutlich sichtbar. Die meisten BiF₃ :Ln@PVP NPs wurden ausgeschieden und nur ein kleiner Teil bleibt nach 24 h zurück. Wir konnten die GI-Morphologie im 48 Stunden-Intervall nicht beobachten, was darauf hindeutet, dass alle BiF₃ :Ln@PVP-NPs wurden aus dem GI-Trakt ausgeschieden. Nachdem die Nanopartikel vollständig aus dem Magen-Darm-Trakt ausgeschieden waren, wurden die Mäuse getötet und Magen, Dünndarm und Dickdarm für einen H&E-Test entnommen, um die GI-Toxizität von BiF₃ . zu bewerten :Ln@PVP-NPs. Abbildung 8B zeigt nach 48 Stunden oraler Verabreichung von BiF₃ . keine offensichtlichen histologischen Veränderungen im Magen, Dünndarm oder Dickdarm :Ln@PVP-NPs, die zeigen, dass die BiF3:Ln@PVP-NPs keine signifikante Toxizität für den GI-Trakt aufweisen. Diese Ergebnisse zeigen, dass BiF₃ :Ln@PVP-NPs können als potenzielles CT-Kontrastmittel für den GI-Trakt verwendet werden, um die CT-Bildgebungsleistung des GI-Trakts zu verbessern, ohne dass eine offensichtliche Toxizität für den GI-Trakt vorliegt.

A CT-Bilder des GI-Trakts nach oraler Gabe von BiF_3: Ln@PVP-NPs in verschiedenen Intervallen (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 h, 12 h, 24 h und 48 h). B H&E-Färbungsbilder von Magen, Dünndarm und Dickdarm vor und nach oraler Verabreichung von BiF3:Ln@PVP NPs (Maßstab, 200 µm). „S“, „SI“ und „LI“ stehen für Magen, Dünndarm bzw. Dickdarm

Diese Ergebnisse zeigen, dass BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben das Potenzial als klinische CT-Kontrastmittel für die Tumor- und Magen-Darm-Bildgebung. Aufgrund der Beschränkung der Partikelgröße ist BiF₃ . jedoch :Ln@PVP-NPs können keine gute verbesserte Permeabilitäts- und Retentionswirkung (EPR) erzielen [46]. Die langfristige biologische Sicherheit von BiF₃ :Ln@PVP-NPs und der Stoffwechselprozess in vivo erfordern weitere Untersuchungen.

Schlussfolgerung

Hier haben wir ein neuartiges CT-Kontrastmittel über einen hydrothermalen Prozess synthetisiert. Die TEM-Daten zeigen, dass BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine einheitliche sphärische Struktur mit einer mittleren Größe von etwa 380 nm. Die FTIR-Spektren zeigen, dass das PVP erfolgreich auf die Oberfläche der Nanopartikel gewickelt wurde, um die biologische Sicherheit der Nanopartikel zu verbessern. Anschließend verglichen wir den In-vitro-CT-Bildgebungseffekt mit Iohexol unter verschiedenen Betriebsspannungen. Die Ergebnisse zeigen, dass die BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben eine bessere Röntgendämpfungsfähigkeit als Iohexol. Biokompatibilitätsstudien zeigen, dass das BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben in vivo keine offensichtliche Toxizität für wichtige Organe. Schließlich ermöglicht die gute Röntgendämpfungsfähigkeit BiF₃ :Ln@PVP-NPs haben in vivo gute Kontrastmitteleffekte, um den GI-Trakt im Detail erfolgreich zu visualisieren, ohne den GI-Trakt zu schädigen. Daher bietet unsere Arbeit ein hocheffizientes CT-Kontrastmittel mit guter wasserlöslicher Stabilität, guter Biosicherheit und hoher Effizienz. Diese Eigenschaften machen es zu einem potenziellen Kandidaten für klinische Kontrastmittel.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

CT:

Computertomographie

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

GI:

Gastrointestinal

PLAL:

Pulsed laser ablation in liquid

Bi:

Bismuth

Gd:

Gadoliniumnitrate

Yb:

Ytterbium

Er:

Erbium

Au:

Gold

Ta:

Tantal

Pt:

Platin

I:

Iodine

NP:

Nanopartikel

CCK-8:

Zellzähl-Kit-8

RPMI:

Roswell Park Memorial Institute

FBS:

Fötales Rinderserum

Ln:

Lanthanides

DI:

Deionized water

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

EDS:

Energy dispersive spectrum

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

XRD:

Powder X-ray diffraction

DLS:

Dynamische Lichtstreuung

PI:

Propidium iodide

H&E:

Hämatoxylin-Eosin

HU:

Hounsfield unit

EPR:

Enhanced permeability and retention