Eenvoudige fabricage van BiF3:Ln (Ln = Gd, Yb, Er)@PVP-nanodeeltjes voor high-efficiency computertomografie-beeldvorming

Abstract

Röntgencomputertomografie (CT) wordt veel gebruikt in de klinische praktijk en contrastmiddelen zoals Iohexol worden vaak gebruikt om het contrast van CT-beeldvorming tussen normaal en ziek weefsel te verbeteren. Dergelijke contrastmiddelen kunnen echter enige toxiciteit hebben. Er zijn dus dringend nieuwe CT-contrastmiddelen nodig. Door het hoge atoomnummer (Z = 83), lage kosten, goede biologische veiligheid en uitstekende röntgenverzwakking (5,74 cm² kg⁻¹ bij 100 keV), heeft bismut grote belangstelling gekregen van onderzoekers op het gebied van CT-contrastmiddelen van nanoformaat. Hier hebben we BiF₃ . gesynthetiseerd :Ln@PVP nanodeeltjes (NP's) met een gemiddelde deeltjesgrootte van ongeveer 380 nm. Nadat ze zijn gecoat met polyvinylpyrrolidon (PVP), wordt de BiF₃ :Ln@PVP NP's bezaten een goede stabiliteit en een grote biocompatibiliteit. Ondertussen, vergeleken met het klinische contrastmiddel Iohexol, BiF₃ :Ln@PVP NP's vertoonden superieur in vitro CT-beeldvormingscontrast. Vervolgens, na in situ injectie met BiF₃ :Ln@PVP NP's, de CT-waarde van de tumorplaats na de injectie was significant hoger dan die vóór de injectie (de CT-waarde van de pre-injectie en post-injectie was respectievelijk 48,9 HU en 194,58 HU). De morfologie van het maagdarmkanaal (GI) kan na orale toediening van BiF₃ in de loop van de tijd duidelijk worden waargenomen. :Ln@PVP NP's. Eindelijk, de BiF₃ :Ln@PVP NP's werden binnen 48 uur na orale toediening volledig uit het maagdarmkanaal van muizen afgevoerd zonder duidelijke schade aan het maagdarmkanaal. Samengevat, onze eenvoudig te synthetiseren BiF₃ :Ln@PVP NP's kunnen worden gebruikt als een potentieel klinisch contrastmiddel en kunnen brede toepassingsmogelijkheden hebben bij CT-beeldvorming.

Inleiding

X-ray computertomografie (CT) kan interne weefsels en organen op een transversale manier in beeld brengen met een hoge resolutie en een lage prijs [1, 2]. Het is dus een belangrijk middel om aandoeningen van de luchtwegen, spijsverteringsaandoeningen en urinewegaandoeningen te diagnosticeren [3,4,5,6,7,8]. CT heeft echter soms een laag contrast tussen zieke weefsels en normale weefsels. Zo worden contrastmiddelen zoals Iohexol veel gebruikt in de klinische praktijk om specifiek de röntgenverzwakking van zieke weefsels te verbeteren. De klinische contrastmiddelen worden echter vaak in grote doses gebruikt vanwege de lage gevoeligheid van CT-detectoren [9]. Bovendien hebben in de handel verkrijgbare contrastmiddelen op jodiumbasis een extreem snel metabolisme in het lichaam en ernstige bijwerkingen, waaronder cardiale gebeurtenissen en nefrotoxiciteit; deze problemen beperken hun klinisch gebruik en moeten dringend worden opgelost [10,11,12,13,14,15].

Nanomaterialen hebben brede toepassingsmogelijkheden getoond in milieusanering, fotovoltaïsche toepassingen, katalysatoren, enz. [16,17,18,19,20,21]. Zo hebben Balati et al. [22] hebben een heterogestructureerde fotokatalysator gesynthetiseerd (HBTiO₂ /RBIHM-MoS₂ ) met behulp van gepulseerde laserablatie in vloeistof (PLAL) gevolgd door microgolfbestraling. Nanomaterialen worden ook veel gebruikt in de geneeskunde, inclusief beeldvorming en behandeling.

Goud (Au), tantaal (Ta), platina (Pt) en andere elementen met een hoge röntgenstralingsverzwakking hebben de interesse gewekt van onderzoekers, en nanomaterialen die uit deze elementen zijn gesynthetiseerd, zijn goed onderzocht als potentiële contrastmiddelen voor CT-beeldvorming [ 1, 12,13,14,15, 23, 24]. Hun hoge prijs en onzekere bioveiligheid beperken hun verdere gebruik echter. Bismut (Bi) staat bekend als een biologisch veilig element tegen lage kosten. Het is in de klinische praktijk gebruikt en speelt een cruciale rol in combinatietherapie voor Helicobacter pylori en andere ziekten, waaronder chronische leverziekte en maag- en darmzweren. Het heeft een grote biologische veiligheid en tolerantie tijdens de behandeling [7, 25]. Bi is ook gebruikt bij de bereiding van contrastmiddelen op nanoschaal, zoals HA-BiO NP's, Bi₂ S₃ , BION en Bi₂ Te₃ vanwege het hoge atoomnummer (Z = 83) en uitstekende röntgenverzwakkingscapaciteit (5,74 cm² kg⁻¹ bij 100 keV) [26,27,28,29].

Bijvoorbeeld Mohsen Mahvi et al. gesynthetiseerde Bi₂ Te₃ nanovlokken via een microgolf-geassisteerd polyolproces dat een betere röntgenverzwakkingscoëfficiënt vertoonde dan commercieel Iohexol [29]. Bi is dus een veelbelovend element voor het construeren van hoogwaardige CT-contrastmiddelen. De bereiding van op Bi-gebaseerde nanocontrastmiddelen is echter gecompliceerd [30, 31].

Hier hebben we Bi gecombineerd met lanthaniden (Gd, Yb, Er) via een eenvoudig en goedkoop protocol om BiF₃ te fabriceren. :Ln@PVP nanodeeltjes (NP's). Vervolgens hebben we het potentieel ervan onderzocht voor het genereren van contrast voor CT-beeldvorming. Na het coaten van de monsters met PVP, BiF₃ :Ln@PVP NP's vertoonden een goede stabiliteit en een lage biologische toxiciteit. Deze monsters vertonen in vitro een betere röntgenstralingsverzwakking dan commercieel Iohexol, hebben een goed in vivo contrast en bieden geweldige CT-beeldvorming van het maagdarmkanaal (GI). Belangrijk is dat na 48 uur orale toediening van BiF₃ :Ln@PVP, de nanodeeltjes werden volledig uit het lichaam uitgescheiden en vertoonden geen duidelijke schade aan vitale organen zoals de lever en de nieren. Wij zijn van mening dat ons werk een nieuwe theoretische basis kan bieden voor het klinische gebruik van CT-contrastmiddelen op nanoschaal.

Methoden

Alle experimentele protocollen, inclusief dierproeven, zijn goedgekeurd door de ethische commissie van de Universiteit van Xiamen in de provincie Fujian, China.

Materialen en reagentia

Bismutnitraatpentahydraat (Bi(NO₃ .) )₃ ·5H₂ O, ≥ 99,99%), ammoniumfluoride (NH₄ F, ≥ 99,99%), ytterbiumnitraathexahydraat (Yb(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), erbiumnitraathexahydraat (Er(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), gadoliniumnitraathexahydraat (Gd(NO₃ )₃ ·6H₂ O, 99,9%), polyvinylpyrrolidon (PVP, ≥ 99,0%) en Iohexol (≥ 99,0%) werden gekocht bij Aladdin Reagents (Shanghai, China). De kit voor het kleuren van levende dode cellen en kit-8 voor het tellen van cellen (CCK-8) werden gekocht bij Yeasen (Shanghai, China). Het RPMI-medium 1640, penicilline, streptomycine en foetaal runderserum (FBS) werden gekocht bij Gibco (New York, VS).

Vervaardiging van BiF₃ :Ln@PVP NP's

De BiF₃ :Ln@PVP NP's werden gesynthetiseerd via een hydrothermische benadering. In detail, 1 mmol Ln(NO₃ )₃ , (Ln = Yb, Er en Gd), en 1 mmol Bi(NO₃ )₃ werden opgelost in een oplossing van 35 ml inclusief 5 ml gedeïoniseerd water (DI) en 30 ml ethyleenglycol om een transparante oplossing A te vormen. Dit werd vervolgens gemengd met 0,5 g PVP (M_W = 10.000) en gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur geroerd. NH₄ F (20 mmol) werd opgelost in 10 ml DI om oplossing B te vormen. Oplossing B werd vervolgens in oplossing A gegoten en na 20 minuten roeren werd een wit mengsel van oplossing C gevormd. Oplossing C werd vervolgens in een autoclaaf van 50 ml gedaan en 24 uur verwarmd tot 180 ° C. De temperatuur zakte natuurlijk na 24 uur tot kamertemperatuur. Ten slotte werden de monsters gecentrifugeerd (8000 tpm, 3 min) en gespoeld met DI en alcohol om de niet-gereageerde stoffen weg te wassen. De laatste monsters zijn verzameld door middel van vriesdrogen.

Karakterisering van BiF₃ :Ln@PVP NP's

De morfologie van BiF₃ :Ln@PVP NP's werden gedetecteerd door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford) met een bedrijfsspanning van 300 kV. De samenstelling van de nanodeeltjes werd geanalyseerd met behulp van energiedispersief spectrum (EDS) in TEM, inclusief kaartanalyse. De Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX-spectrometer, VS) werd gebruikt om de functionele groepen van de monsters te onderscheiden. De kristalstructuren en fasekenmerken van de BiF₃ :Ln@PVP NP's gebruikten poederröntgendiffractie (XRD, D8 Advance) met Cu Kα-straling onder 40 kV en 40 mA-omstandigheden. De grootteverdeling van de nanodeeltjes gedispergeerd in DI en PBS (pH 7,4) werd onderzocht door dynamische lichtverstrooiing (DLS, Brookhaven Instruments-Omni, VS).

Cellijn en celcultuur:HepG2-cellen waren afkomstig van de celbank van de Chinese Academie van Wetenschappen (Shanghai, China). Cellen werden gekweekt in RPMI-medium 1640 dat 10% foetaal runderserum (FBS) en 1% penicilline-streptomycine bevat bij 37 °C en 5% CO₂ conditie. De kweekmedia werden om de dag vervangen.

Cytocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vitro

De cytocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vitro werden geschat met een levend-dood-assay en de CCK-8-assay. In detail werden de HepG2-cellen verzameld en gezaaid in confocale schalen bij 5.0 × 10⁵ . De cellen werden vervolgens overnacht gekweekt. De BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensies werden vervolgens in verschillende concentraties (100, 200 en 400 μg / ml) aan de cellen toegevoegd en ingesteld als de experimentele groepen. Ondertussen werd medium zonder nanodeeltjes toegevoegd en ingesteld als de controlegroep. Vervolgens werden zowel de experimentele groepen als de controlegroep 24 uur gekweekt. Na 24 uur hebben we het originele medium voorzichtig verwijderd en de live-dood-assay werd vervolgens uitgevoerd volgens het protocol van de fabrikant. In het kort werden de levende cellen gelabeld via Calcein-AM, terwijl de dode cellen werden gekleurd met propidiumjodide (PI); cellen werden vervolgens waargenomen onder een confocale microscoop (Nikon, Japan).

Er werd een CCK-8-assay uitgevoerd om de cytotoxiciteit van BiF₃ . verder te bepalen :Ln@PVP NP's in vitro. In detail werden de HepG2-cellen verzameld en gezaaid in een plaat met 96 putjes met 3000 cellen per putje en een nacht in een incubator gekweekt. Verschillende concentraties BiF₃ :Ln@PVP NP (0, 25, 50, 100, 200 en 400 g/ml) werden gemengd met de cellen en 24 uur gekweekt. Het CCK-8-reagens (10 L) werd aan elk putje toegevoegd en 2 uur bij 37 ° C geïncubeerd. Later werden de OD-waarden van elk putje gemeten bij 450 nm door een SPECTRA max Microplate Reader (model 680, Bio-Rad, Tokyo, Japan), en de cellevensvatbaarheid van elke concentratie werd berekend volgens de formule van de fabrikant. Deze experimenten werden drie keer herhaald.

Dieren

Vrouwelijke BALB / c naakte muizen (4 tot 6 weken oud) werden verkregen van Xiamen University Laboratory Animal Center (Xiamen, China). De muizen werden in een steriele omgeving gefokt en gedurende een licht/donkercyclus van 12 uur gehouden. De dieren werden geïnjecteerd met HepG2-cellen (1.0 × 10⁷ /mL) subcutaan om tumorvorming te induceren. Alle dierproeven in dit werk zijn uitgevoerd volgens het protocol dat is goedgekeurd door de Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Xiamen.

Biocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vivo

Histologische analyse werd gebruikt om de biocompatibiliteit van BiF₃ . te observeren :Ln@PVP NP's in vivo. De muizen van de experimentele groep werden geïnjecteerd met een BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensie met 200 mg/kg via de staartader; controlemuizen werden intraveneus geïnjecteerd met hetzelfde volume PBS. Na 24 uur werden de belangrijkste organen, waaronder harten, levers, milten, longen, nieren en hersenen, onmiddellijk verwijderd nadat de muizen waren opgeofferd. Alle organen werden 12 uur gefixeerd met 4% paraformaldehyde-fixeermiddel en vervolgens ingebed in paraffine en in plakjes gesneden. Ten slotte werd hematoxyline-eosine (H &E) kleuring uitgevoerd. De morfologie van de organen werd geëvalueerd en vastgelegd door een rechtopstaande fluorescentiemicroscoop (Leica DM2700 P, Duitsland).

CT-prestaties van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vitro en in vivo

De toepassing van BiF₃ . bestuderen :Ln@PVP NP's in vitro CT-beeldvorming, BiF₃ :Ln@PVP NP en Iohexol-suspensies werden bereid en verdund tot 0, 0,625, 1,25, 2,5, 5,0, 10,0 en 20,0 mg/ml en verwijderd in 0,3 ml Eppendorf-buisjes. De CT-beelden en de bijbehorende CT-waarden van BiF₃ :Ln@PVP NP- en Iohexol-suspensies werden verkregen en geregistreerd met een röntgen-CT-instrument (Siemens) met een bedrijfsspanning van respectievelijk 50 kV en 80 kV. Vervolgens het CT-beeldvormingsvermogen van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vivo werden bestudeerd; De BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensie werd intratumoraal geïnjecteerd in de tumordragende naakte muizen met 200 mg/kg (100 L). Vervolgens werden de muizen verdoofd en werd de röntgen-CT-machine (Siemens, 80 kV, 88 μA) gebruikt om CT-beelden vast te leggen voor en na toediening van BiF₃ :Ln@PVP.

CT-prestaties van BiF₃ :Ln@PVP NP's in het maagdarmkanaal en histologische analyse

Om de waarde van BiF₃ verder te onderzoeken :Ln@PVP NP's in CT-beeldvorming, de muizen werden 's nachts gevast en oraal een BiF₃ toegediend :Ln@PVP NP-suspensie (300 μL, 20 mg/ml) via een maagsonde. De muizen werden vervolgens intraperitoneaal verdoofd met chloraalhydraat. Vervolgens werden GI-beelden met verschillende tussenpozen (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 uur, 12 uur, 24 uur en 48 uur) vastgelegd bij 80 kV. Ten slotte werden via de CT-machine 3D-modellen van de muizen gereconstrueerd. De muizen werden vervolgens opgeofferd en de magen, dunne darm en dikke darm werden verwijderd en gedurende 12 uur gefixeerd met 4% paraformaldehyde. Ze werden vervolgens ingebed in paraffine en gesneden voor H&E-kleuring om de gastro-intestinale toxiciteit van BiF₃ te evalueren :Ln@PVP NP's.

Statistische analyse

Datum werd geanalyseerd met behulp van one-way ANOVA; een P waarde < 0,05 werd in alle analyses als statistisch significant beschouwd (95% betrouwbaarheidsniveau).

Resultaten en discussie

Vervaardiging en fysisch-chemische eigenschappen van de BiF₃ :Ln@PVP NP's

Ten eerste, de BiF₃ :Ln@PVP NP's werden bereid door een hydrothermische reactie (schema 1). Afbeelding 1A toont de morfologie van de BiF₃ :Ln@PVP NP's door TEM. De BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een uniforme en bolvormige structuur. De gemiddelde grootte van de BiF₃ :Ln@PVP NPs is ongeveer 380 nm en is gelijkmatig verspreid. De bijgevoegde figuur laat zien dat de nanodeeltjes een relatief smalle deeltjesgrootteverdeling hebben (rechtsonder). De samenstelling van BiF₃ :Ln@PVP NP's werden geanalyseerd door EDS na evaluatie van de morfologie van de BiF₃ :Ln@PVP NP's. Afbeelding 1B–F toont een donkerveldbeeld van BiF₃ :Ln@PVP NP's genomen vóór elementaire analyse. De resultaten laten zien dat onze nanodeeltjes voornamelijk zijn samengesteld uit Gd-, Yb-, Er- en Bi-elementen, wat aangeeft dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's zijn succesvol gesynthetiseerd.

Schematisch diagram van BiF₃ :Ln@PVP NPs-syntheseproces en zijn toepassingen

Morfologie en deeltjesgrootte van de BiF_3: Ln@PVP NP's. A TEM-afbeeldingen van de BiF_3: Ln@PVP NP's en de deeltjesgrootteverdelingen (rechtsonder). B –F Donkerveld TEM van afbeelding van BiF_3: Ln@PVP NP's en bijbehorende TEM-elementaire kaarten van Gd, Yb, Bi en Er

PVP is een effectieve stabilisator om de biocompatibiliteit en stabiliteit van nanomaterialen te verbeteren [32]. Daarom hebben we onze nanodeeltjes aangepast met PVP zoals eerder gerapporteerd [33]. FTIR-spectra werden gebruikt om te bepalen of de PVP met succes op het oppervlak van de nanodeeltjes was gecoat (figuur 2). Er waren sterke absorptiepieken in de C=O-groep en pieken in de C–N-groep bij 1658 en 1293 cm⁻¹ , respectievelijk. Deze waren van PVP, wat aangeeft dat de coating van PVP op het oppervlak van de nanodeeltjes compleet was [34]. Het XRD-patroon van de BiF₃ :Ln@PVP NP's worden getoond in Fig. 3. Figuur 3A laat zien dat alle pieken goed overeenkomen met de standaardkaart BiF_3: Ln-gegevens (PDF 74-0144) die verder aantonen dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's zijn met succes voorbereid. De atomaire parameters van de BiF₃ structuur kan worden gebruikt als de initiële parameters in de standaard cif-kaart via Diamond-software. De standaardstructuur leverde PDF 74-0144 op, a = b = c = 5.865 Å, V = 201.75(3) Å, en dichtheid (c ) = 8.755. De BiF₃ kristalstructuur gezien vanaf de C-as heeft lagen gestapeld in de richting loodrecht op de A-as (Fig. 4B), en het aanzicht van een enkele structuur vanaf de A-as laat zien dat Bi zich in het midden van het atoom bevindt (Fig. 4C). Deze resultaten geven aan dat BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een goede kristalstructuur en de oppervlaktecoating heeft slechts een geringe invloed op de kristalstructuur van BiF₃ :Ln@PVP NP's.

FTIR-spectra van BiF_3: Ln@PVP NP's. De blauwe lijn vertegenwoordigt de initiële absorptiepiek van de BiF₃ :Ln. De rode lijn geeft de absorptiepiek weer na het aanpassen van PVP aan het oppervlak van nanodeeltjes

XRD-patroon van BiF₃ :Ln@PVP NP's. A Alle toppen van de BiF₃ :Ln komt goed overeen met de standaardkaart BiF₃ :Ln-gegevens (PDF 74-0144). B De weergave van atomaire distributie vanaf de C-as en C toon de coördinatie langs de A-as

Stabiliteit en cytocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's. A De hydrodynamische diameter van BiF₃ :Ln@PVP NP's in DI en B PBS (pH 7,4). C Levend-dood-assay en D CCK-8-assay van de HepG2-cellen behandeld met verschillende concentraties van de BiF₃ :Ln@PVP NP's gedurende 24 uur

Stabiliteit en cytocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's

Omdat de dispersiegrootte van nanodeeltjes de interactie met biologische systemen kan beïnvloeden, is het noodzakelijk om de dispersiegrootte van nanodeeltjes in verschillende oplossingen te bestuderen [33]. Afbeelding 4A, B laat zien dat de BiF_3: Ln@PVP NP's hebben een relatief smalle verdeling in DI en PBS (pH = 7.4), wat aangeeft dat de BiF_3: Ln@PVP NP's hebben een goede stabiliteit in verschillende oplossingen. Ze zijn dus geschikt voor biologische toepassingen.

De cytotoxiciteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's werden bestudeerd nadat bewezen was dat BiF_3: Ln@PVP NP's hebben een goede stabiliteit in verschillende oplossingen. Het levend-dood experiment evalueerde de cytotoxiciteit van BiF_3: Ln@PVP NP's. Er werd geen duidelijke rode fluorescentie waargenomen wanneer de concentratie van BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensie bereikte 400 µg/ml en werd 24 uur gekweekt met HepG2-cellen (vergeleken met de controlegroep; Fig. 4C). Dit geeft aan dat er geen significante celdood was in de experimentele groep. Vervolgens werd een CCK-8-assay uitgevoerd om de cytotoxiciteit van BiF₃ verder te bestuderen. :Ln@PVP NP's. Afbeelding 4D toont de levensvatbaarheid van de cellen van HepG2-cellen die zijn geïncubeerd met verschillende concentraties BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensies gedurende 24 uur, de experimentele groepen van HepG2-cellen hadden allemaal een relatief hoge levensvatbaarheid van de cellen. Bovendien was de levensvatbaarheid van de cellen zo hoog als 85,96% wanneer de concentratie van de BiF_3: Ln@PVP NP-suspensie bereikte 400 μg/ml. Deze resultaten toonden aan dat de BiF_3: Ln@PVP NP's hadden in vitro een gunstige biocompatibiliteit, wat kan worden toegeschreven aan de coating van PVP op het oppervlak van de BiF₃ :Ln@PVP NP's.

Biocompatibiliteit van BiF₃ :Ln@PVP NP's in vivo

Naast een lage cytotoxiciteit is een goede in vivo biocompatibiliteit een andere noodzakelijke voorwaarde voor het klinische gebruik van contrastmiddelen [35]. Dus de BiF_3: Ln@PVP NP-suspensie werd bereid en in de muizen geïnjecteerd met 200 mg / kg (100 μL) via de staartader. Hetzelfde volume PBS-oplossing werd geïnjecteerd en ingesteld als de controlegroep. Na 24 uur werden de muizen opgeofferd en werden de belangrijkste organen uitgesneden tijdens necropsie. De H&E-kleuring werd uitgevoerd om de systeemtoxiciteit te evalueren. Afbeelding 5 toont geen duidelijke pathologische afwijkingen na BiF₃ :Ln@PVP NP's administratie gedurende 24 uur. Deze resultaten geven aan dat BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een goede biocompatibiliteit, wat consistent is met de hierboven getoonde lage cytotoxiciteit.

H&E-kleuring van afbeeldingen van belangrijke organen voor en na BiF₃ :Ln@PVP NP's administratie (schaalbalk 200 µm)

Het vermogen van BiF₃ :Ln@PVP NP's In vitro CT-beeldvorming

Elementen met hoge atoomnummers hebben meestal hoge contrasteffecten vanwege hun grote röntgenstralingsverzwakking. Contrastmiddelen bereid uit edele metalen met een hoog atoomnummer (Au [36], Ag [37], enz.) hebben bijvoorbeeld uitstekende CT-beeldvormingseffecten zoals eerder gemeld. Daarom kan een veelbelovend type contrastmiddel worden overwogen. Hun hoge kosten beperken echter hun verdere klinische toepassing. Bismut heeft een goede biologische veiligheid en lage kosten, met een groot röntgenverzwakkingsvermogen [38,39,40,41]. Hierin, om het contrastmiddeleffect van BiF₃ . te evalueren :Ln@PVP NP's, we vergeleken het röntgenverzwakkingsvermogen van BiF₃ :Ln@PVP NP's met de commerciële contrastmiddel Iohexol-oplossing in vitro. Afbeelding 6A, B toont de bijbehorende CT-beelden van BiF₃ :Ln@PVP en Iohexol onder verschillende bedrijfsspanningen (respectievelijk 50 kV en 80 kV). Afbeelding 6A, B geeft aan dat het grijsniveau van het beeld geleidelijk verandert van zwarte tint naar witte tint naarmate de concentratie van de suspensies toenam. Bij dezelfde concentratie echter, BiF₃ :Ln@PVP heeft een helderdere tint dan Iohexol omdat de röntgenverzwakkingscoëfficiënt van Bi hoger is I (Bi is 5,74 cm² kg⁻¹ en ik ben 1,94 cm² kg⁻¹ bij 100 keV) [42].

Vergelijking van het effect van in vitro CT-beeldvorming tussen BiF_3: Ln@PVP NP's en Iohexol. A , B In vitro CT-beeldvorming onder verschillende bedrijfsspanningen (respectievelijk 50 en 80 kV) van BiF_3: Ln@PVP NP's en Iohexol. C De corresponderende CT-waarden van BiF_3: Ln@PVP NP's en Iohexol onder respectievelijk 50 en 80 kV

Afbeelding 6C laat zien dat de CT-waarde (Hounsfield Unit, HU) lineair toeneemt met toenemende BiF₃ :Ln@PVP NP's en Iohexol-concentratie (beide R ² > 0,99), ongeacht de bedrijfsspanning. De CT-waarde van de eenheidsmassaconcentratie van BiF₃ :Ln@PVP NP's zijn veel hoger dan die van Iohexol (1,5- en 1,7-voudig hoger dan die bij respectievelijk 50 kV en 80 kV). Deze resultaten geven aan dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's kunnen een beter contrasteffect geven bij dezelfde doses vergeleken met commercieel Iohexol; deze gegevens bevestigen dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een goed in vitro CT-beeldvormingsvermogen, wat van groot belang is omdat het de hoeveelheid contrastmiddel kan verminderen en tegelijkertijd goede beeldvormingseffecten kan garanderen. Dit kan de toxiciteit en bijwerkingen aanzienlijk verminderen.

Contrasteffect van BiF₃ :Ln@PVP NP's In vivo CT-beeldvorming

De BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensie werd vervolgens intratumoraal geïnjecteerd in de tumordragende muizen (200 mg/kg, 100 µL) om het contrasteffect van BiF₃ te evalueren :Ln@PVP NP's in vivo CT-beeldvorming. Na 1 uur toediening van BiF₃ wordt een sterke verandering in signaalintensiteit gedetecteerd versus baseline in hetzelfde tumorgebied. :Ln@PVP NP-suspensie (Fig. 7A). Ondertussen laat figuur 7B zien dat de CT-waarde van post-injectie (184,58 HU) veel hoger is dan pre-injectie (48,9 HU). Dit komt door de toename van de röntgenverzwakkingscoëfficiënt van tumorweefsel na BiF₃ :Ln@PVP NP's worden verspreid in tumorweefsel. De resultaten geven aan dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een groot vermogen tot in vivo CT-beeldvorming.

BiF_3: Ln@PVP NP's in vivo CT-beeldvormingseffect. A CT-beelden voor en na BiF_3: Ln@PVP NP's injectie en B de bijbehorende CT-waarde. De rode cirkel geeft tumorweefsel aan

GI Tract CT-beeldvormingsprestaties van BiF₃ :Ln@PVP NP's en zijn GI-toxiciteit

Aangemoedigd door de veelbelovende resultaten hierboven, waren we gemotiveerd om de mogelijke toepassing van BiF₃ . verder te evalueren :Ln@PVP NP's in CT-beeldvorming. Als een gebruikelijke niet-invasieve beeldvormingsmethode speelt CT een vitale rol bij de diagnose van GI-ziekten en de formulering van behandelplannen vanwege de gemakkelijke beeldverwerking, geen weefselbeschadiging en pijnloosheid van patiënten [43, 44]. Het veelgebruikte contrastmiddel bariumsulfaat wordt meestal samen met aerogeen poeder gebruikt. Vanwege de verschillende dichtheden die door de twee stoffen worden geproduceerd, kan het maagdarmkanaal niet altijd duidelijk worden weergegeven, wat resulteert in gemiste diagnoses, wat het klinische gebruik ervan beperkt [45]. Het is dus van groot belang om hoogrenderende GI-contrastmiddelen te onderzoeken die geen aanvullende hulp nodig hebben. In dit werk hebben we het effect van BiF₃ . onderzocht :Ln@PVP NP's op het maagdarmkanaal bij naakte muizen.

Figuur 8A laat zien dat de vorm van de maag en dunne darm zichtbaar werd na orale toediening van BiF₃ :Ln@PVP NP-suspensie (20 mg/ml, 300 μL) gedurende 15 min. Na 30 min, de BiF₃ :Ln@PVP NP's werden gemetaboliseerd met de peristaltiek van de maag. De maagmorfologie werd zwakker. Na 120 min, het grootste deel van de BiF₃ :Ln@PVP NP's werden gemetaboliseerd vanuit de maag en alleen de resterende maagomtrek was zichtbaar. De BiF₃ :Ln@PVP NP's begonnen om 6 uur in de contouren van de dikke darm te verschijnen, wat aangeeft dat de nanodeeltjes in de dikke darm verrijkt begonnen te raken; de morfologie van de dikke darm was om 12 uur duidelijk zichtbaar. De meeste van de BiF₃ :Ln@PVP NP's werden uitgescheiden en slechts een klein deel blijft na 24 uur over. We konden de GI-morfologie niet waarnemen met een interval van 48 uur, wat aangeeft dat alle BiF₃ :Ln@PVP NP's werden uitgescheiden uit het maagdarmkanaal. Nadat de nanodeeltjes volledig uit het maagdarmkanaal waren uitgescheiden, werden de muizen opgeofferd en werden de maag, dunne darm en dikke darm verwijderd voor een H&E-assay om de GI-toxiciteit van de BiF₃ te evalueren. :Ln@PVP NP's. Afbeelding 8B toont geen duidelijke histologische veranderingen in de maag, dunne darm of dikke darm na 48 uur orale toediening van BiF₃ :Ln@PVP NP's die aantonen dat de BiF3:Ln@PVP NP's geen significante toxiciteit voor het maagdarmkanaal hebben. Deze resultaten geven aan dat BiF₃ :Ln@PVP NP's kunnen worden gebruikt als een potentieel CT-contrastmiddel voor het maagdarmkanaal om de CT-beeldvormingsprestaties van het maagdarmkanaal te verbeteren, zonder duidelijke toxiciteit voor het maagdarmkanaal.

A CT-beelden van het maagdarmkanaal na orale toediening van BiF_3: Ln@PVP NP's met verschillende tussenpozen (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 uur, 12 uur, 24 uur en 48 uur). B H &E-kleuring van afbeeldingen van maag, dunne darm en dikke darm voor en na orale toediening van BiF3:Ln@PVP NP's (schaalbalk, 200 m). "S", "SI" en "LI" vertegenwoordigen respectievelijk maag, dunne darm en dikke darm

Deze resultaten geven aan dat BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben potentieel als klinische CT-contrastmiddelen voor tumor- en gastro-intestinale beeldvorming. Vanwege de beperking van de deeltjesgrootte is BiF₃ :Ln@PVP NP's kunnen geen goed verbeterde permeabiliteit en retentie (EPR) effect bereiken [46]. De biologische veiligheid op lange termijn van BiF₃ :Ln@PVP NP's en het metabolische proces in vivo vereisen verder onderzoek.

Conclusie

Hierin hebben we een nieuw CT-contrastmiddel gesynthetiseerd via een hydrothermisch proces. Uit de TEM-gegevens blijkt dat BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een uniforme bolvormige structuur met een gemiddelde grootte van ongeveer 380 nm. De FTIR-spectra laten zien dat de PVP met succes op het oppervlak van de nanodeeltjes is gewikkeld om de biologische veiligheid van de nanodeeltjes te verbeteren. Vervolgens vergeleken we het in vitro CT-beeldvormingseffect met Iohexol onder verschillende bedrijfsspanningen. De resultaten geven aan dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben een beter röntgenverzwakkingsvermogen dan Iohexol. Biocompatibiliteitsstudies tonen aan dat de BiF₃ :Ln@PVP NP's hebben in vivo geen duidelijke toxiciteit voor belangrijke organen. Ten slotte maakt het goede röntgenverzwakkingsvermogen BiF₃ . mogelijk :Ln@PVP NP's om in vivo goede contrastbeeldvormingseffecten te hebben om het maagdarmkanaal met succes in detail te visualiseren zonder schade aan het maagdarmkanaal te veroorzaken. Daarom biedt ons werk een zeer efficiënt CT-contrastmiddel met een goede in water oplosbare stabiliteit, goede bioveiligheid en een hoog rendement. Deze eigenschappen maken het een potentiële kandidaat voor klinische contrastmiddelen.