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Bibliographic Metadata

Title
Synthesis of a novel iron oxide contrast agent as a platform for multimodal molecular imaging / submitted by Robert Borny
Additional Titles
Synthesis of a novel iron oxide contrast agent as a platform for multimodal molecular imaging
AuthorBorny, Robert
CensorFunovics, Martin
Published2014
DescriptionXIV, 98 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2014
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Eisenoxid / Nanopartikel / Kontrastmittel / MRT / Molekulare Bildgebung
Keywords (EN)Iron oxide / nanoparticles / contrast agent / MRI / molecular imaging
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-5411 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Synthesis of a novel iron oxide contrast agent as a platform for multimodal molecular imaging [9.5 mb]
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Abstract (German)

Das Ziel dieser Arbeit war es multimodale, funktionalisierbare Eisenoxidnanopartikel zu erstellen, zu charakterisieren, mit bisher verfügbaren Produkten zu vergleichen und in rote Blutkörperchen einzuschleusen um die Zirkulationszeit in vivo zu erhöhen. Bisher nicht verfügbare Eigenschaften erforderten ein neues Syntheseprotokoll. Ein neues Syntheseprotokol wurde erstellt um die biologischen und physiochemischen Eigenschaften zu optimieren. Eine Größe von 40 nm war erforderlich um die retikuloendotheliale Aufnahme zu reduzieren sowie nicht der renalen Clearance zu unterliegen. Stabilitätsanforderungen machten eine kovalente Vernetzung der Dextranschicht notwendig. Für Funktionalisierung wurden Amingruppen geschaffen. Die Partikel wurden im monodispersen 10 kD Dextran durch Fällung aus Fe2+ und Fe3+ (im Verhältnis 2:1) synthetisiert. Die Dextranoberfläche wurde mit Epichlorhydrin vernetzt und mit NH3 aminiert. Anschließend wurde die Lösung mittels Ultrafiltration und Dialyse gereinigt. Die Nanopartikel und drei Produkte (Endorem, Guerbet; Resovist, Schering; Rienso, Takeda) wurden der Größenbestimmung (TEM, Elektronentomographie, Laserlichtstreuung), Aminogruppenbestimmung (Inkubation mit Fluorescein Isothiocyanat), Relaxationszeitmessung (1.5T 20C), Fe2+/Fe3+ Messung (Mössbauerspektroskopie) und Stabilitätsevaluation (Zetapotential, UV-Bestrahlung bis 9 Joule, DLS zwischen 20C und 80C) unterzogen. Die Biokompatibilität wurde mit Resazurin und LDH-Assays in LLC-PK1-Zellkulturen getestet. Die Internalisierung wurde in drei menschlichen Zelllinien (HAEC, HASMC, HELA) dargestellt.

Wir haben biokompatible, funktionalisierbare und stabile Nanopartikel mit potentiell längerer Plasmahalbwertszeit synthetisiert. Die Relaxationszeiten waren mit kommerziellen Produkten vergleichbar und die Partikel mit MRT als auch mit Fluoreszenz- und TEM in nanomolaren Konzentrationen darstellbar. Der bereits in Theorie postulierte "hairy layer " wurde mittels Elektronentomographie visualisiert und lieferte ergänzende Informationen über die Architektur der Partikel. Die verfügbaren Bindungsstellen ermöglichen eine weitere Funktionalisierung mit Liganden für multivalente Wechselwirkungen mit biologischen Zielen.

Die Nanopartikel werden zu einer Plattform für multimodale molekulare Bildgebung sowie für zellspezifische Strahlentherapieverstärkung weiterentwickelt.

Abstract (English)

The purpose of this thesis was to create and characterize a functionalizable multimodal iron oxide nanoparticle, compare it with previously available designs and to create red blood cell carriers to increase the circulation time in vivo. The optimization of biological and physicochemical properties of the particles required the introduction of a new synthesis protocol: to reduce the reticuloendothelial uptake as well as to avoid extensive renal clearance, the overall hydrodynamic size was adjusted to 40 nm. The improvement of the chemical stability necessitated cross-linking of the dextran cage. Amine groups were created on the surface to enable particle functionalization.

The synthesized nanoparticles (xIONaerosole) were precipitated from Fe2+ and Fe3+ (ratio 2:1) in the presence of monodispersed 10 kD dextran. The surface was cross-linked with epichlorohydrin and nucleophilized with ammonia. Ultrafiltration and dialysis was used for purification. The synthesized xIONaerosole particles were compared with available products (Endorem®, Guerbet; Resovist®, Schering; Rienso®, Takeda). The hydrodynamic diameter and the core size were determined by transmission electron microscopy, electron tomography, laser light scattering and electron tomography. The amine groups were accessed by incubation with fluorescin isothiocyanate and the Fe2+/Fe3+ ratio by Mössbauer spectroscopy. The relaxivity was measured at 1.5T and 20C. The physicochemical stability was assessed by Zeta potential, UV light irradiation till 9 Joule as well as laser light scattering during thermal cycling between 20 and 80C. Three human cell lines (HAEC, HASMC, HELA) were used to evaluate the cellular uptake.

The synthesized particles are stable at a broad pH range, biocompatible and have a potentially longer plasma half-life. Moreover, the relaxivity is comparable with commercial products and the particles are detectable at nanomolar concentrations. The theoretically postulated "hairy layer" was visualized by electron tomography and provided additional information about the architecture of iron oxide particles. Biological targets can be easily addressed by further functionalization of the available attachment sites. In future, the particles will be adapted to serve as a platform for multimodal molecular imaging and targeted radiation therapy.

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