Gelatinase-responsieve nanodeeltjes versterken MRI targeting van orale plaveiselcelcarcinoom met Omniscan

Samenvatting

We hebben gelatinase-responsieve nanodeeltjes (NPs) geladen met de klinisch goedgekeurde MRI contraststof Omniscan (Omn) via een dubbele-emulsie techniek. De resulterende Omn-NPs vertoonden een uniforme grootte (~120 nm), hoge encapsulatie-efficiëntie (~45%), en bleven stabiel voor ten minste zes dagen. In vitro triggde collagenaas IV snelle NP-ontbinding en vrijgave van Omn. In een humaan oraal plaveiselcelcarcinoom (OSCC) xenotransplantatiemodel produceerden Omn-NPs een tumor-tot-achtergrond ratio (TBR) van 2,23 ± 0,10 op 30 min, wat vrije Omn (1,48 ± 0,01 op 5 min) overstijgt en contrastpersistentie verlengde tot 180 min. Deze resultaten tonen aan dat Omn-NPs superieure specificiteit en verlengde circulatie bieden, wat hun potentieel benadrukt als next-generatie, tumor-getargete MRI contraststoffen.

Inleiding

Oraal plaveiselcelcarcinoom (OSCC) is de meest voorkomende maligniteit van de orale en maxillofaciale regio. Vroegtijdige, accurate imaging is cruciaal voor geïndividualiseerde chirurgische planning en verbeterde prognose. MRI, vrij van ioniserende straling, biedt hoge-resolutie zachte-weefselcontrast en is de imaging modaliteit van keuze voor hoofd-hals kankers. Echter, huidige gadolinium (Gd) chelaten hebben geen tumorspecificiteit; hun kleine grootte leidt tot snelle nierclearance en beperkte tumorretentie.

Nanodeeltje (NP) platforms - met name die gebaseerd op FDA-goedgekeurde polymeren zoals methoxy-poly(ethyleenglycol) (mPEG) en poly(ε-caprolacton) (PCL) - zijn veelbelovende dragers voor imaging agenten. Hun hydrofiele schil verlengt circulatie via het verbeterde permeabiliteits- en retentie-effect (EPR), terwijl afbreekbare kernen lange-termijn toxiciteit minimaliseren. In eerdere werk incorporeren we een gelatinase-scheidebaar peptide (PVGLIG) tussen mPEG en PCL, wat tumor-specifieke vrijgave van lading in de aanwezigheid van matrix metalloproteïnen (MMP-2/9) mogelijk maakte. Hier breiden we deze strategie uit om Omn te laden, wat een tumor-getarget MRI contrast systeem creëert dat zowel EPR als enzymatische activatie benut.

Materialen en methoden

Materialen

mPEG-NHS (Mn 5000), PVGLIG peptide, Omniscan, en collagenaas IV werden verkregen van commerciële leveranciers. Alle reagentia werden zoals ontvangen gebruikt.

Synthese van Omn-geladen gelatinase-responsieve NPs

mPEG-Pep-PCL copolymeren werden bereid door ring-openings copolymeerisatie. Omn-NPs werden gefabriceerd door een dubbele-emulsie (w/o/w) oplosmiddel-verdampingsmethode: 10 mg copolymeer werd opgelost in 1 mL dichloormethaan; 0,1-0,3 mL Omn werd toegevoegd, gevolgd door sonicatie in 3 mL 3% PVA om de primaire emulsie te vormen, daarna een secundaire emulsie in 5 mL 0,5% PVA. Oplosmiddelverdamping en filtratie leverden het eindproduct. Lege-NPs en niet-scheidebare Con-Omn-NPs (mPEG-PCL) werden identiek bereid zonder peptide of Omn, respectievelijk.

Karakterisatie

Dynamische lichtverstrooiing (DLS) beoordeelde grootte en polydispersiteitsindex (PDI) over 6 dagen. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) onderzocht morfologie. Lading en encapsulatie-efficiëntie werden gekwantificeerd door ICP-AES na azijnzuur-ontbinding. Stabiliteit werd gemonitord bij kamertemperatuur.

Enzymatische respons

Omn-NPs en Con-Omn-NPs werden geïncubeerd met Hank's oplossing bevattende 0,34 mg mL⁻¹ collagenaas IV bij 37 °C gedurende 24 u. Macroscopische transparantie en TEM imaging evalueerden NP-ontbinding.

In vitro cellulaire opname

HSC3 OSCC cellen werden geïncubeerd met coumarine-6-geladen mPEG-Pep-PCL NPs (12,5 µg mL⁻¹). Na 0,5 en 1 u werden cellen gefixeerd, gewassen, en gebeeld door confocale microscopie om NP-internalisatie te beoordelen.

Dierstudies

Alle procedures voldeden aan NIH-richtlijnen en werden goedgekeurd door de Ethiekcommissie van het Nanjing Stomatologisch Ziekenhuis. Vrouwelijke BALB/c naakte muizen (5-6 weken) werden subcutaan geïnculeerd met 1 × 10⁶ HSC3 cellen. Tumorzen bereikten ~0,4-0,5 cm voor imaging.

In vivo MRI

Muizen kregen een enkele staartvieninjectie van Omn-NPs of vrije Omn (0,025 mmol kg⁻¹ Gd³⁺). Een Bruker 7,0 T scanner verkreeg T1-gewogen beelden bij baseline en 5-180 min post-injectie. Tumor-tot-achtergrond ratios werden gekwantificeerd vanuit signaalintensiteits lijnscans.

IHC voor MMP-2/9

Na imaging werden tumor- en hoofdoorweefsels gefixeerd, in paraffine ingebed, gesneden, en gekleurd voor MMP-2 en MMP-9. Semi-kwantitatieve scoring (−, +, ++) evalueerde enzymexpressie.

Statistische analyse

Data worden gepresenteerd als mean ± SD. Student's t-test bepaalde significantie (p < 0,05).

Resultaten en discussie

NP Karakterisatie

DLS onthulde dat Omn-NPs een gemiddelde diameter van 118 ± 8 nm en een lage PDI (0,12 ± 0,03) hadden, wat smalle groottedistributie aangeeft. Lege-NPs waren groter (≈145 nm) en vertoonden hogere PDI. TEM beelden bevestigden spherische morfologie en interne donkere kernen corresponderend met geencapsuleerde Omn.

Lading

Encapsulatie-efficiëntie piekte bij 45% met 0,1 mL Omn, terwijl 0,3 mL hogere lading (~60%) maar lagere efficiëntie (~30%) opleverde. De 0,1 mL formulering werd gekozen voor in vivo studies om lading en efficiëntie te balanceren.

Enzymatische ontbinding

In aanwezigheid van collagenaas IV werden Omn-NPs troebel en TEM toonde fragmentatie, wat peptide-scheiding en NP-ontbinding bevestigt. Con-Omn-NPs bleven intact, wat de specificiteit van het gelatinase-responsieve ontwerp benadrukt.

Cellulaire opname

Confocale beelden toonden sterk groen fluorescentie in HSC3 cytoplasma na 1 u, wat efficiënte NP-internalisatie via endocytose aangeeft.

In vivo MRI prestaties

Omn-NPs produceerden een maximum TBR van 2,23 ± 0,10 op 30 min, terwijl vrije Omn piekte bij 1,48 ± 0,01 op 5 min. Het contrast duurde 180 min met Omn-NPs vergeleken met 30 min voor vrije Omn, wat verlengde tumorretentie en verminderde nierclearance weerspiegelt. Statistische analyse bevestigde significante verbeteringen (p < 0,05).

MMP-2/9 expressie

IHC toonde sterke (++), extracellulaire matrix-gebonden kleuring van MMP-2/9 in tumorweefsel, terwijl normale organen verwaarloosbare expressie (−) vertoonden. Dit valideert de tumor-specifieke enzymatische trigger.

Conclusies

We hebben met succes gelatinase-responsieve, Omniscan-geladen NPs gefabriceerd die MRI tumorcontrast in OSCC modellen verbeteren. Het systeem biedt superieure tumor-tot-achtergrond contrast, verlengde retentie, en minimale off-target accumulatie. De samenstelling van biocompatibele PEG, afbreekbare PCL, en klinisch goedgekeurde Omn positioneert het voor snelle translationele potentieel. Toekomstig werk zal zich richten op het optimaliseren van ladingsefficiëntie en het verkennen van therapeutische lading co-delivery.

Beschikbaarheid van data en materialen

Data die deze bevindingen ondersteunen zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op verzoek.

Afkortingen

NPs

Nanodeeltjes

Omn

Omniscan

OSCC

Oraal plaveiselcelcarcinoom

MMP

Matrix metalloproteïne

Gd

Gadolinium

mPEG

Methoxy-poly(ethyleenglycol)

PCL

Poly(ε-caprolacton)

Pep

Peptide

Omn-NPs

Omniscan-geladen mPEG-Pep-PCL NPs

Con-Omn-NPs

Omniscan-geladen mPEG-PCL NPs

MRI

Magnetische resonantie imaging

EPR

Verbeterde permeabiliteit en retentie

DCM

Dichloormethaan

PVA

Polyvinylalcohol

DLS

Dynamische lichtverstrooiing

PDI

Polydispersiteitsindex

TEM

Transmissie-elektronenmicroscoop

ICP-AES

Geïnductief gekoppeld plasma-atoomemissiespectrometrie

DMEM

Dulbecco's modified Eagle's medium

FBS

Fetale boviene serum

IHC

Immunohistochemie

PBS

Fosfaat-gebufferde zoutoplossing