Schnelle Synthese von BiF₃@Ln (Gd, Yb, Er) PVP-beschichteten Nanopartikeln für fortschrittliche, niedrig-toxische CT-Bildgebung

Zusammenfassung

Röntgen-Computertomographie (CT) wird in der klinischen Praxis weit verbreitet eingesetzt, und Kontrastmittel wie Iohexol werden oft verwendet, um den Kontrast der CT-Bildgebung zwischen normalem und krankem Gewebe zu verbessern. Solche Kontrastmittel können jedoch gewisse Toxizität aufweisen. Daher werden neue CT-Kontrastmittel dringend benötigt. Aufgrund der hohen Ordnungszahl (Z = 83), niedrigen Kosten, guter biologischer Sicherheit und hervorragender Röntgenabsorptionsfähigkeit (5,74 cm² kg⁻¹ bei 100 keV) hat Bismuth großes Interesse von Forschern im Bereich nanoskaliger CT-Kontrastmittel geweckt. Hier synthetisierten wir BiF₃: Ln@PVP-Nanopartikel (NPs) mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 380 nm. Nach der Beschichtung mit Polyvinylpyrrolidon (PVP) besaßen die BiF₃: Ln@PVP NPs gute Stabilität und hervorragende Biokompatibilität. Im Vergleich zum klinischen Kontrastmittel Iohexol zeigten BiF₃: Ln@PVP NPs eine überlegene in vitro CT-Bildgebungskontrast. Nach intratumoraler Injektion mit BiF₃: Ln@PVP NPs war der CT-Wert der Tumorstelle nach der Injektion signifikant höher als vor der Injektion (der CT-Wert vor und nach der Injektion betrug 48,9 HU bzw. 194,58 HU). Die Morphologie des Gastrointestinaltrakts (GI) kann über die Zeit nach oraler Verabreichung von BiF₃: Ln@PVP NPs klar beobachtet werden. Schließlich wurden die BiF₃: Ln@PVP NPs innerhalb von 48 h nach oraler Verabreichung vollständig aus dem GI-Trakt von Mäusen ausgeschieden, ohne offensichtliche Schäden am GI-Trakt. Zusammenfassend können unsere leicht synthetisierbaren BiF₃: Ln@PVP NPs als potenzielles klinisches Kontrastmittel verwendet werden und breite Anwendungsaussichten in der CT-Bildgebung haben.

Einleitung

Röntgen-Computertomographie (CT) kann innere Gewebe und Organe querschnittsweise mit hoher Auflösung und niedrigem Preis abbilden [1, 2]. Daher ist es ein wichtiges Mittel zur Diagnose von Atemwegs-, Verdauungs- und Harnwegserkrankungen [3-8]. Allerdings hat CT manchmal geringen Kontrast zwischen krankem und normalem Gewebe. Daher werden Kontrastmittel wie Iohexol in der klinischen Praxis weit verbreitet eingesetzt, um die Röntgenabsorption kranker Gewebe spezifisch zu erhöhen. Klinische Kontrastmittel werden jedoch oft in großen Dosen verwendet, aufgrund der geringen Empfindlichkeit von CT-Detektoren [9]. Zudem haben kommerzielle jodbasierte Kontrastmittel einen extrem schnellen Stoffwechsel im Körper und schwere Nebenwirkungen, einschließlich Herzereignisse und Nephrotoxizität; diese Probleme begrenzen ihre klinische Anwendung und müssen dringend gelöst werden [10-15].

Nanomaterialien haben breite Anwendungsaussichten in Umweltsanierung, Photovoltaik, Katalysatoren usw. [16-21]. Zum Beispiel synthetisierten Balati et al. [22] einen heterostrukturierten Photokatalysator (HBTiO₂/RBIHM-MoS₂) mittels gepulster Laserablation in Flüssigkeit (PLAL) gefolgt von Mikrowellenbestrahlung. Nanomaterialien wurden auch breit in der Medizin eingesetzt, einschließlich Bildgebung und Behandlung.

Gold (Au), Tantal (Ta), Platin (Pt) und andere Elemente mit hoher Röntgenabsorption haben das Interesse von Forschern geweckt, und aus diesen Elementen synthetisierte Nanomaterialien wurden gut als potenzielle Kontrastmittel für CT-Bildgebung erforscht [1, 12-15, 23, 24]. Ihre hohen Preise und unsichere Biosicherheit begrenzen jedoch ihre weitere Verwendung. Bismuth (Bi) ist als biosicheres Element mit niedrigen Kosten bekannt. Es wurde in der klinischen Praxis eingesetzt und spielt eine kritische Rolle in der Kombinationstherapie gegen Helicobacter pylori und andere Erkrankungen, einschließlich chronischer Lebererkrankungen sowie Magen- und Zwölffingerdarmgeschwüre. Es besitzt große biologische Sicherheit und Verträglichkeit während der Behandlung [7, 25]. Auch wurde Bi in der Herstellung nanoskaliger Kontrastmittel wie HA-BiO NPs, Bi₂S₃, BION und Bi₂Te₃ verwendet, wegen seiner hohen Ordnungszahl (Z = 83) und hervorragenden Röntgenabsorptionskapazität (5,74 cm² kg⁻¹ bei 100 keV) [26-29].

Zum Beispiel synthetisierten Mohsen Mahvi et al. Bi₂Te₃ Nanoflakes über einen mikrowellenunterstützten Polyol-Prozess, der einen besseren Röntgenabsorptionskoeffizienten als kommerzielles Iohexol zeigte [29]. Somit ist Bi ein vielversprechendes Element für den Aufbau hochleistungsfähiger CT-Kontrastmittel. Die Herstellung von Bi-basierten Nano-Kontrastmitteln ist jedoch kompliziert [30, 31].

Hier kombinierten wir Bi mit Lanthaniden (Gd, Yb, Er) über ein einfaches und kostengünstiges Protokoll, um BiF₃: Ln@PVP-Nanopartikel (NPs) herzustellen. Wir untersuchten dann ihr Potenzial zur Kontrastgenerierung für CT-Bildgebung. Nach der Beschichtung der Proben mit PVP zeigten BiF₃: Ln@PVP NPs gute Stabilität und niedrige biologische Toxizität. Diese Proben zeigen bessere Röntgenabsorption als kommerzielles Iohexol in vitro, haben guten in vivo Kontrast und bieten großartige GI-Trakt CT-Bildgebung. Wichtig ist, dass nach 48 h oraler Verabreichung von BiF₃: Ln@PVP die Nanopartikel vollständig aus dem Körper ausgeschieden wurden, ohne offensichtliche Schäden an lebenswichtigen Organen wie Leber und Nieren. Wir glauben, dass unsere Arbeit eine neue theoretische Basis für die klinische Verwendung nanoskaliger CT-Kontrastmittel liefern kann.

Methoden

Alle experimentellen Protokolle einschließlich Tierversuche wurden vom Ethikkomitee der Xiamen-Universität in der Provinz Fujian, China, genehmigt.

Materialien und Reagenzien

Bismutnitratpentahydrat (Bi(NO₃)₃·5H₂O, ≥ 99,99 %), Ammoniumfluorid (NH₄F, ≥ 99,99 %), Ytterbiumnitrathydrat (Yb(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), Erbiumnitrathydrat (Er(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), Gadoliniumnitrathydrat (Gd(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), Polyvinylpyrrolidon (PVP, ≥ 99,0 %) und Iohexol (≥ 99,0 %) wurden von Aladdin Reagents (Shanghai, China) gekauft. Das Live-Dead-Zellfärbeset und das Zellzählkit-8 (CCK-8) wurden von Yeasen (Shanghai, China) gekauft. RPMI-Medium 1640, Penicillin, Streptomycin und fötales Kälberserum (FBS) wurden von Gibco (New York, USA) erworben.

Herstellung von BiF₃: Ln@PVP NPs

Die BiF₃: Ln@PVP NPs wurden über einen hydrothermalen Ansatz synthetisiert. Im Detail wurden 1 mmol Ln(NO₃)₃ (Ln = Yb, Er und Gd) und 1 mmol Bi(NO₃)₃ in eine 35-mL-Lösung aufgelöst, die 5 mL deionisiertes Wasser (DI) und 30 mL Ethylenglykol enthielt, um eine transparente Lösung A zu bilden. Diese wurde dann mit 0,5 g PVP (M_W = 10.000) gemischt und 10 min bei Raumtemperatur gerührt. NH₄F (20 mmol) wurde in 10 mL DI gelöst, um Lösung B zu bilden. Lösung B wurde dann in Lösung A gegossen, und nach 20 min Rühren bildete sich eine weiße Mischlösung C. Lösung C wurde dann in einen 50-mL-Autoklaven gegeben und auf 180 °C für 24 h erhitzt. Die Temperatur sank nach 24 h natürlich auf Raumtemperatur ab. Schließlich wurden die Proben zentrifugiert (8000 rpm, 3 min) und mit DI und Alkohol gewaschen, um unreaktierte Substanzen zu entfernen. Die endgültigen Proben wurden durch Gefriertrocknung gesammelt.

Charakterisierung von BiF₃: Ln@PVP NPs

Die Morphologie der BiF₃: Ln@PVP NPs wurde mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford) bei einer Betriebsspannung von 300 kV detektiert. Die Zusammensetzung der Nanopartikel wurde durch energiedispersive Spektroskopie (EDS) im TEM einschließlich Mapping-Analyse analysiert. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX Spektrometer, USA) wurde verwendet, um die Funktionsgruppen der Proben zu unterscheiden. Die Kristallstrukturen und Phaseneigenschaften der BiF₃: Ln@PVP NPs wurden mit Pulver-Röntgenbeugung (XRD, D8 Advance) mit Cu Kα-Strahlung unter 40 kV und 40 mA Bedingungen untersucht. Die Größenverteilung der in DI und PBS (pH 7,4) dispergierten Nanopartikel 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). Zellen wurden in RPMI-Medium 1640 mit 10 % fötalem Kälberserum (FBS) und 1 % Penicillin-Streptomycin unter 37 °C und 5 % CO₂ Bedingungen kultiviert. Das Kultivierungsmedium wurde jeden zweiten Tag gewechselt.

Zytokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs In Vitro

Die Zytokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs in vitro wurde durch einen Live-Dead-Assay und den CCK-8-Assay geschätzt. Im Detail wurden die HepG2-Zellen gesammelt und in Konfokal-Schalen bei 5,0 × 10⁵ ausgesät. Die Zellen wurden dann über Nacht kultiviert. Die BiF₃: Ln@PVP NP-Suspensionen wurden anschließend den Zellen in verschiedenen Konzentrationen (100, 200 und 400 μg/mL) zugesetzt und als Experimentiergruppen festgelegt. Gleichzeitig wurde Medium ohne Nanopartikel zugesetzt und als Kontrollgruppe festgelegt. Anschließend wurden sowohl die Experimentiergruppen als auch die Kontrollgruppe 24 h kultiviert. Nach 24 h entfernten wir vorsichtig das ursprüngliche Medium und der Live-Dead-Assay wurde gemäß dem Protokoll des Herstellers durchgeführt. Kurz gesagt, lebende Zellen wurden über Calcein-AM markiert, während tote Zellen durch Propidiumiodid (PI) gefärbt wurden; die Zellen wurden dann unter einem Konfokalmikroskop (Nikon, Japan) beobachtet.

Ein CCK-8-Assay wurde durchgeführt, um die Zytotoxizität von BiF₃: Ln@PVP NPs in vitro weiter zu bestimmen. 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 gemischt und 24 h kultiviert. Das CCK-8-Reagenz (10 μL) wurde in jedes Well gegeben und 2 h bei 37 °C inkubiert. Später wurden die OD-Werte jedes Wells bei 450 nm mit einem SPECTRA max Microplate Reader (Modell 680, Bio-Rad, Tokyo, 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-wöchig) wurden vom Xiamen University Laboratory Animal Center (Xiamen, China) bezogen. Die Mäuse wurden in einer sterilen Umgebung gehalten und an einem 12-h Licht/Dunkel-Zyklus gehalten. Die Tiere wurden subkutan mit HepG2-Zellen (1,0 × 10⁷/mL) injiziert, um Tumorwachstum zu induzieren. Alle Tierversuche in dieser Arbeit wurden gemäß dem vom Animal Care and Use Committee der Xiamen-Universität genehmigten Protokoll durchgeführt.

Biokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs In Vivo

Histologische Analyse wurde verwendet, um die Biokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs in vivo zu beobachten. Die Mäuse der Experimentiergruppe wurden mit einer BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension bei 200 mg/kg über die Schwanzvene injiziert; Kontrollmäuse erhielten intravenös das gleiche Volumen PBS. Nach 24 h wurden die Hauptorgane einschließlich Herz, Leber, Milz, Lunge, Niere und Gehirn sofort nach der Opferung der Mäuse entnommen. Alle Organe wurden 12 h mit 4 % Paraformaldehyd fixiert und dann in Paraffin eingebettet und geschnitten. Schließlich wurde Hämatoxylin-Eosin (H&E) Färbung durchgeführt. Die Morphologie der Organe wurde mit einem aufrechten Fluoreszenzmikroskop (Leica DM2700 P, Deutschland) bewertet und aufgenommen.

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

Um die Anwendung von BiF₃: Ln@PVP NPs in der in vitro CT-Bildgebung zu untersuchen, wurden BiF₃: Ln@PVP NP- und Iohexol-Suspensionen 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 gefüllt. Die CT-Bilder und die entsprechenden CT-Werte von BiF₃: Ln@PVP NP- und Iohexol-Suspensionen wurden mit einem Röntgen-CT-Gerät (Siemens) bei Betriebsspannungen von 50 kV und 80 kV aufgenommen und aufgezeichnet. Anschließend wurde die CT-Bildgebungsfähigkeit von BiF₃: Ln@PVP NPs in vivo untersucht; Die BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension wurde intratumoral in die tumorbelasteten Nacktmäuse bei 200 mg/kg (100 μL) injiziert. Anschließend wurden die Mäuse betäubt und das Röntgen-CT-Gerät (Siemens, 80 kV, 88 μA) verwendet, um CT-Bilder vor und nach der Verabreichung von BiF₃: Ln@PVP aufzunehmen.

CT-Leistung von BiF₃: Ln@PVP NPs im GI-Trakt und Histologische Analyse

Um den Wert von BiF₃: Ln@PVP NPs in der CT-Bildgebung weiter zu erforschen, wurden die Mäuse über Nacht gefastet und oral über einen Magenschlauch mit einer BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension (300 μL, 20 mg/mL) verabreicht. Die Mäuse wurden dann intraperitoneale mit Chloralhydrat betäubt. Anschließend wurden GI-Bilder zu 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 geopfert und Mägen, Dünndärme und Dickdärme entfernt und 12 h mit 4 % Paraformaldehyd fixiert. Sie wurden dann in Paraffin eingebettet und geschnitten, bevor H&E-Färbung durchgeführt wurde, um die gastrointestinale Toxizität von BiF₃: Ln@PVP NPs zu bewerten.

Statistische Analyse

Daten wurden mit einseitiger ANOVA analysiert; ein P-Wert < 0,05 wurde in allen Analysen als statistisch signifikant betrachtet (95 % Konfidenzniveau).

Ergebnisse und Diskussion

Herstellung und Physikochemische Eigenschaften der BiF₃: Ln@PVP NPs

Zunächst wurden die BiF₃: Ln@PVP NPs durch eine hydrothermale Reaktion hergestellt (Schema 1). Abbildung 1A zeigt die Morphologie der BiF₃: Ln@PVP NPs per TEM. Die BiF₃: Ln@PVP NPs haben eine einheitliche und kugelförmige Struktur. Die mittlere Größe der BiF₃: Ln@PVP NPs beträgt etwa 380 nm und ist gleichmäßig dispergiert. Das eingeblendete Bild zeigt, dass die Nanopartikel eine relativ schmale Partikelgrößenverteilung haben (unten rechts). Die Zusammensetzung der BiF₃: Ln@PVP NPs wurde durch EDS nach Bewertung der Morphologie analysiert. Abbildung 1B–F zeigt ein Dunkelfeldbild der BiF₃: Ln@PVP NPs vor der Elementanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Nanopartikel hauptsächlich aus Gd, Yb, Er und Bi-Elementen bestehen, was bestätigt, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs erfolgreich synthetisiert wurden.

PVP ist ein effektiver Stabilisator zur Verbesserung der Biokompatibilität und Stabilität von Nanomaterialien [32]. Daher modifizierten wir unsere Nanopartikel mit PVP wie zuvor berichtet [33]. FTIR-Spektren wurden verwendet, um zu bestimmen, ob PVP erfolgreich auf der Oberfläche der Nanopartikel beschichtet wurde (Abb. 2). Es gab starke Absorptionspeaks der C=O-Gruppe und C–N-Gruppenpeaks bei 1658 und 1293 cm⁻¹. Diese stammten von PVP und zeigten an, dass die Beschichtung von PVP auf der Oberfläche der Nanopartikel vollständig war [34]. Das XRD-Muster der BiF₃: Ln@PVP NPs ist in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3A zeigt, dass alle Peaks gut mit der Standardkarte BiF₃: Ln-Daten (PDF 74-0144) übereinstimmen, was weiter demonstriert, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs erfolgreich hergestellt wurden. Die atomaren Parameter der BiF₃-Struktur können als Anfangsparameter 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) Å³ und Dichte (c) = 8,755. Die BiF₃-Kristallstruktur von der C-Achse betrachtet hat Schichten, die in Richtung senkrecht zur A-Achse gestapelt sind (Abb. 4B), und die Ansicht einer einzelnen Struktur von der A-Achse zeigt Bi im Zentrum des Atoms (Abb. 4C). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BiF₃: Ln@PVP NPs eine gute Kristallstruktur haben, und die Oberflächenbeschichtung beeinflusst die Kristallstruktur von BiF₃: Ln@PVP NPs nur geringfügig.

Stabilität und Zytokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs

Da die Disperionsgröße von Nanopartikeln die Interaktion mit biologischen Systemen beeinflussen kann, ist es notwendig, die Disperionsgröße von Nanopartikeln in verschiedenen Lösungen zu untersuchen [33]. Abbildung 4A, B zeigt, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs in DI und PBS (pH = 7,4) eine relativ schmale Verteilung haben, was darauf hinweist, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs in verschiedenen Lösungen gute Stabilität besitzen. Somit sind sie für biologische Anwendungen geeignet.

Die Zytotoxizität von BiF₃: Ln@PVP NPs wurde untersucht, nachdem bewiesen wurde, dass BiF₃: Ln@PVP NPs in verschiedenen Lösungen gute Stabilität haben. Der Live-Dead-Test bewertete die Zytotoxizität von BiF₃: Ln@PVP NPs. Keine offensichtliche rote Fluoreszenz wurde beobachtet, als die Konzentration der BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension 400 µg/mL erreichte und 24 h mit HepG2-Zellen kultiviert wurde (verglichen mit der Kontrollgruppe; Abb. 4C). Dies deutet darauf hin, dass es keinen signifikanten Zelltod in der Experimentiergruppe gab. Anschließend wurde ein CCK-8-Assay durchgeführt, um die Zytotoxizität von BiF₃: Ln@PVP NPs weiter zu untersuchen. Abbildung 4D zeigt die Zelllebensfähigkeit von HepG2-Zellen, die mit verschiedenen Konzentrationen von BiF₃: Ln@PVP NP-Suspensionen für 24 h inkubiert wurden; die Experimentiergruppen von HepG2-Zellen hatten alle relativ hohe Zelllebensfähigkeiten. Darüber hinaus war die Zelllebensfähigkeit so hoch wie 85,96 %, als die Konzentration der BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension 400 μg/mL erreichte. Diese Ergebnisse demonstrierten, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs in vitro günstige Biokompatibilität besaßen, was auf die PVP-Beschichtung auf der Oberfläche der BiF₃: Ln@PVP NPs zurückzuführen sein kann.

Biokompatibilität von BiF₃: Ln@PVP NPs In Vivo

Zusätzlich zur niedrigen Zytotoxizität ist gute in vivo Biokompatibilität eine weitere notwendige Bedingung für die klinische Verwendung von Kontrastmitteln [35]. Daher wurde die BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension hergestellt und den Mäusen bei 200 mg/kg (100 μL) über die Schwanzvene injiziert. Das gleiche Volumen PBS-Lösung wurde injiziert und als Kontrollgruppe festgelegt. Nach 24 h wurden die Mäuse geopfert, und die Hauptorgane wurden während der Nekropsie entnommen. Die H&E-Färbung wurde durchgeführt, um die systemische Toxizität zu bewerten. Abbildung 5 zeigt keine offensichtlichen pathologischen Anomalien nach Verabreichung von BiF₃: Ln@PVP NPs für 24 h. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BiF₃: Ln@PVP NPs gute Biokompatibilität haben, was mit der oben gezeigten niedrigen Zytotoxizität konsistent ist.

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

Elemente mit hohen Ordnungszahlen haben üblicherweise hohe Kontrasteffekte aufgrund ihrer großen Röntgenabsorption. Zum Beispiel haben Kontrastmittel, die aus Edelmetallen mit hoher Ordnungszahl (Au [36], Ag [37] usw.) hergestellt wurden, hervorragende CT-Bildgebungseffekte wie zuvor berichtet. Daher kann ein vielversprechender Typ von Kontrastmittel in Betracht gezogen werden. Ihre hohen Kosten begrenzen jedoch ihre weitere klinische Anwendung. Bismuth hat gute biologische Sicherheit und niedrige Kosten mit großer Röntgenabsorptionsfähigkeit [38-41]. Hier bewerteten wir den Kontrastmitteleffekt von BiF₃: Ln@PVP NPs, indem wir die Röntgenabsorptionsfähigkeit von BiF₃: Ln@PVP NPs mit der kommerziellen Kontrastmittel-Iohexol-Lösung in vitro verglichen. Abbildung 6A, B zeigt die entsprechenden CT-Bilder von BiF₃: Ln@PVP und Iohexol unter verschiedenen Betriebsspannungen (50 kV und 80 kV). Abbildung 6A, B zeigt, dass der Grauwert des Bildes allmählich von dunklem Schatten zu hellem Schatten wechselt, wenn die Konzentration der Suspensionen zunimmt. Bei gleicher Konzentration hat BiF₃: Ln@PVP jedoch einen helleren Schatten als Iohexol, da der Röntgenabsorptionskoeffizient von Bi höher ist als der von I (Bi ist 5,74 cm² kg⁻¹ und I ist 1,94 cm² kg⁻¹ bei 100 keV) [42].

Abbildung 6C zeigt, dass der CT-Wert (Hounsfield-Einheit, HU) linear mit steigender BiF₃: Ln@PVP NPs- und Iohexol-Konzentration zunimmt (beide R² > 0,99), unabhängig von der Betriebsspannung. Der CT-Wert der Einheitsmassenkonzentration von BiF₃: Ln@PVP NPs ist viel höher als der von Iohexol (1,5- und 1,7-fach höher bei 50 kV und 80 kV). Diese Ergebnisse zeigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs bei gleicher Dosis bessere Kontrasteffekte als kommerzielles Iohexol bieten können; diese Daten bestätigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs gute in vitro CT-Bildgebungsfähigkeiten haben, was von großer Bedeutung ist, da es die Menge an Kontrastmittel reduzieren kann, während gute Bildgebungseffekte gewährleistet werden. Dies kann 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 tumorbelasteten Mäuse (200 mg/kg, 100 µL) injiziert, um den Kontrasteffekt von BiF₃: Ln@PVP NPs in der in vivo CT-Bildgebung zu bewerten. Eine starke Signalintensitätsänderung wird im selben Tumorareal nach 1 h Verabreichung der BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension gegenüber der Basislinie detektiert (Abb. 7A). Gleichzeitig zeigt Abb. 7B, dass der CT-Wert nach Injektion (184,58 HU) viel höher ist als vor Injektion (48,9 HU). Dies ist auf die Erhöhung des Röntgenabsorptionskoeffizienten des Tumorgewebes zurückzuführen, nachdem sich BiF₃: Ln@PVP NPs im Tumorgewebe verteilt haben. Die Ergebnisse zeigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs große in vivo CT-Bildgebungsfähigkeit haben.

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

Ermutigt durch die vielversprechenden Ergebnisse oben waren wir motiviert, das potenzielle Anwendungspotenzial von BiF₃: Ln@PVP NPs in der CT-Bildgebung weiter zu bewerten. Als gängige nicht-invasive Bildgebungsmethode spielt CT eine wichtige Rolle bei der Diagnose von GI-Erkrankungen und der Formulierung von Behandlungsplänen aufgrund ihrer bequemen Bildverarbeitung, keiner Gewebeschädigung und Schmerzlosigkeit für Patienten [43, 44]. Das häufig verwendete Bariumsulfat-Kontrastmittel wird normalerweise zusammen mit gasbildendem Pulver verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Dichten der beiden Substanzen kann der GI-Trakt nicht immer klar dargestellt werden, was zu Fehldiagnosen führt, was seine klinische Verwendung einschränkt [45]. Daher ist es von großer Bedeutung, hocheffiziente GI-Kontrastmittel zu erforschen, die keine zusätzliche Unterstützung erfordern. In dieser Arbeit untersuchten wir den Effekt von BiF₃: Ln@PVP NPs auf den GI-Trakt in Nacktmäusen.

Abbildung 8A zeigt, dass die Form von Magen und Dünndarm nach oraler Verabreichung der BiF₃: Ln@PVP NP-Suspension (20 mg/mL, 300 μL) für 15 min sichtbar wurde. Nach 30 min wurden die BiF₃: Ln@PVP NPs mit der Peristaltik des Magens metabolisiert. Die Magenmorphologie wurde schwächer. Nach 120 min wurden die meisten BiF₃: Ln@PVP NPs aus dem Magen metabolisiert, und nur der verbleibende Magenumriss war sichtbar. Die BiF₃: Ln@PVP NPs begannen nach 6 h im Umriss des Dickdarms aufzutauchen, was darauf hindeutet, dass die Nanopartikel begannen, sich im Dickdarm anzureichern; die Morphologie des Dickdarms war nach 12 h klar sichtbar. Die meisten BiF₃: Ln@PVP NPs wurden ausgeschieden und nur ein kleiner Teil blieb nach 24 h. Wir konnten die GI-Morphologie nach 48 h nicht beobachten, was darauf hindeutet, dass alle BiF₃: Ln@PVP NPs aus dem GI-Trakt ausgeschieden waren. Nachdem die Nanopartikel vollständig aus dem GI-Trakt ausgeschieden waren, wurden die Mäuse geopfert und Magen, Dünndarm und Dickdarm für einen H&E-Assay entfernt, um die GI-Toxizität der BiF₃: Ln@PVP NPs zu bewerten. Abbildung 8B zeigt keine offensichtlichen histologischen Veränderungen in Magen, Dünndarm oder Dickdarm nach 48 h oraler Verabreichung von BiF₃: Ln@PVP NPs, was demonstriert, dass die BiF₃: Ln@PVP NPs keine signifikante Toxizität für den GI-Trakt haben. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BiF₃: Ln@PVP NPs als potenzielles CT-Kontrastmittel für den GI-Trakt verwendet werden können, um die CT-Bildgebungsleistung des GI-Trakts zu verbessern, während sie keine offensichtliche Toxizität für den GI-Trakt haben.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass BiF₃: Ln@PVP NPs Potenzial als klinische CT-Kontrastmittel für Tumor- und gastrointestinale Bildgebung haben. Aufgrund der Partikelgrößenbegrenzung können BiF₃: Ln@PVP NPs jedoch keinen guten Enhanced Permeability and Retention (EPR) Effekt erzielen [46]. Die langfristige biologische Sicherheit von BiF₃: Ln@PVP NPs und der Stoffwechselprozess in vivo erfordern weitere Untersuchungen.

Fazit

Hierin synthetisierten wir ein neuartiges CT-Kontrastmittel über einen hydrothermalen Prozess. Die TEM-Daten zeigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs eine einheitliche kugelförmige Struktur mit einer mittleren Größe von etwa 380 nm haben. Die FTIR-Spektren zeigen, dass PVP erfolgreich auf der Oberfläche der Nanopartikel umhüllt wurde, um die biologische Sicherheit der Nanopartikel zu verbessern. Wir verglichen dann den in vitro CT-Bildgebungseffekt mit Iohexol unter verschiedenen Betriebsspannungen. Die Ergebnisse zeigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs eine bessere Röntgenabsorptionsfähigkeit als Iohexol haben. Biokompatibilitätsstudien zeigen, dass BiF₃: Ln@PVP NPs in vivo keine offensichtliche Toxizität für Hauptorgane haben. Schließlich ermöglicht die gute Röntgenabsorptionsfähigkeit BiF₃: Ln@PVP NPs, gute Kontrastbildgebungseffekte in vivo zu haben, um den GI-Trakt detailliert zu visualisieren, ohne Schäden am GI-Trakt zu verursachen. 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.