Magnetic resonance imaging of theranostic drug carriers – from relaxation studies to image contrast assessment

Abstract

Szybkie postępy w dziedzinie nanotechnologii umożliwiają połączenie chemioterapeutyków ze środkami do obrazowania i innymi czynnikami terapeutycznymi, co może prowadzić do znacznego ograniczenia przeszkód w wykrywaniu i leczeniu nowotworów. Połączenie środków diagnostycznych i terapeutycznych w jednym nanonośniku określa się mianem „teranostyki”. Zastosowanie dobrze zaprojektowanych środków teranostycznych pozwala na podawanie środków terapeutycznych i diagnostycznych w pojedynczej dawce, dzięki czemu obserwuje się znaczne ograniczenie niekorzystnych różnic w biodystrybucji i selektywności obu czynników, które występują przy wykorzystaniu standardowej dwuetapowej procedury. Głównym celem teranostycznego podejścia w dostarczaniu substancji terapeutycznych jest zatem osiągnięcie znacznie większej kontroli i precyzji w dostosowaniu dawki do indywidualnych potrzeb pacjenta. Celem pracy była ocena potencjału teranostycznego różnych nanonośników pod kątem ich działania kontrastującego w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. Ze względu na skład i zastosowanie można wyróżnić dwie klasy badanych środków, a mianowicie polielektrolitowe nanokapsułki z wielowarstwowymi otoczkami do dostarczania leków przeciwnowotworowych (paclitaxel lub 5-FU) oraz nanocząsteczki typu rdzeń-powłoka do terapii fototermicznej. W grupie polielektrolitowych nanokapsułek badane były nanonośniki zawierające zarówno standardowe środki kontrastowe skracające czasy relaksacji (środki negatywne i pozytywne), jaki i środki które są wykrywane bezpośrednio poprzez obrazowanie MR na jądrach 19F. W szczególności były to: nanonośniki polielektrolitowe znakowane gadolinem; magnetyczne nanonośniki polikaprolaktonowe z nanocząsteczkami Fe3O4; teranostyczne nanokapsułki z powłoką zawierającą fluorowany polimer (Nafion™), oraz nanokapsułki polielektrolitowe z 5-fluorouracylem, gdzie 5-FU był stosowany zarówno do obrazowania, jak i jako środek terapeutyczny. Natomiast w przypadku nanocząstek typu rdzeń-powłoka Fe3O4@SiO2@Au przetestowano różne warianty kształtu rdzenia i grubości powłoki. W celu wyboru najbardziej optymalnego składu każdego rodzaju analizowanych nanocząsteczek, zbadano skuteczność zsyntetyzowanych nanonośników jako środków kontrastowych do obrazowania MR. W przypadku nanocząstek ze środkami kontrastowymi standardowego typu, opartymi o cząsteczki gadolinu i F3O4, właściwości kontrastowe oceniono za pomocą pomiarów specyficznych relaksywności r1 i r2. Następnie przeprowadzono obrazowanie fantomów żelowych lub wodnych z nanocząsteczkami, aby zaprezentować potencjał kontrastowy badanych nanonośników do obrazowania magnetyczno-rezonansowego i ustalić optymalne parametry sekwencji obrazowania. Dodatkowo, w celu lepszego zrozumienia i wyjaśnienia uzyskanych wyników uwzględniono dane ze spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID. W przypadku nanokapsułek opartych o środki do bezpośredniej detekcji, efekt kontrastowy uzyskano poprzez obrazowanie na jądrach 19F i nałożenie obrazu MR ich rozkładu przestrzennego na standardowy obraz anatomiczny na wykonany na protonach. Skuteczność kontrastowania tych środków (tzw. hot-spot) oceniano na podstawie wartości stosunku sygnału do szumu (SNR) uzyskanego dla obrazów 19F MR. Z tego względu, głównym celem eksperymentów związanych z obrazowaniem na jądrach 19F była optymalizacja warunków obrazowania w celu wiarygodnego określenia lokalizacji środków zawierających 19F. Wykazano, że wszystkie badane teranostyczne nanonośniki wytwarzają wystarczający kontrast do ich wiarygodnego wykrywania za pomocą obrazowania MR. W przypadku relaksacyjnych środków kontrastowych, właściwości kontrastowe oceniano poprzez pomiary specyficznych relaksywności r1 i r2 oraz poprzez ocenę kontrastu bezpośrednio na obrazach MR. Uzyskane wyniki są bardzo obiecujące, ponieważ wartości r1 lub r2 dla prawie wszystkich proponowanych nanonośników były wyższe niż w przypadku zatwierdzonych klinicznie środków kontrastowych. W przypadku środków zawierających fluor kontrast oceniano za pomocą analizy SNR, a uzyskane wyniki sugerują, zwłaszcza w przypadku nanokapsułek z 5-FU, możliwość ich detekcji in vivo w dawce terapeutycznej. Praca składa się z 6 rozdziałów. W pierwszym rozdziale wprowadzającym nakreślono problem badawczy. Rozdział drugi „Podstawy fizyczne i stan wiedzy” przedstawia teoretyczne podstawy przeprowadzonych eksperymentów. Rozpoczyna się on opisem aktualnej wiedzy na temat badanego zagadnienia, prezentując kompleksowy przegląd podobnych badań prowadzonych w tej tematyce. Następnie opisano fizyczne zasady obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, oraz przedstawiono przegląd dostępnych środków kontrastowych MR sklasyfikowanych pod względem mechanizmu ich działania. W rozdziale trzecim „Materiały i metody” przedstawiono opis badanych nanonośników wraz z krótkim opisem składu chemicznego i procesu syntezy. Następnie opisano wykorzystywany sprzęt badawczy oraz zastosowane metody pomiaru i analizy. Rozdział czwarty, „Wyniki eksperymentów”, podzielony jest na trzy części. Pierwsza część poświęcona jest nanonośnikom zawierającym relaksacyjne środki kontrastowe typu superparamagnetycznego. W drugiej części przedstawiono wyniki uzyskane dla nanokapsułek zawierających jony gadolinu, które określane są mianem pozytywnych środków kontrastowych typu relaksacyjnego. W trzeciej części przedstawiono wyniki obrazowania nanonośników zawierających środki kontrastowe do bezpośredniej detekcji oparte na atomach 19F. Rozdział szósty „Dyskusja” zawiera interpretację uzyskanych wyników eksperymentalnych. Składa się z dwóch podrozdziałów: pierwszego, dotyczącego nanonośników opartych na relaksacyjnych środkach kontrastowych; oraz drugiego, dotyczącego obrazowania 19F MR. Rozważania uzupełniono o wyniki spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID oraz informacje o potencjale terapeutycznym badanych materiałów (wyniki testów żywotności komórek). Ostatni rozdział, „Wnioski”, stanowi podsumowanie pracy oraz wskazuje najważniejsze wyniki, a cała rozprawa zakończona jest listą odpowiednich odniesień literaturowych.

The rapid advances in the nanotechnology field allow chemotherapeutics to be combined with biomedical imaging agents and other treatment modalities to solve the obstacles of cancer detection and therapy. The concept of integrating diagnosis and therapy in a single nanocarrier is referred to as "theranostics". The use of well-designed theranostic agents allows for the simultaneous administration of therapeutic and imaging agents in a single dosage, potentially overcoming the unfavourable disparities in biodistribution and selectivity that occur when utilizing the traditional two-step technique. In this sense, the main goal of the theranostic approach in drug delivery is to achieve the treatment dose adjustments with much greater control and precision. The thesis aimed to assess the theranostic potential of various theranostic nanocarriers in terms of their contrasting efficiency for magnetic resonance imaging. Two classes of examined formulations may be distinguished based on their composition and application, namely polyelectrolyte nanocapsules with multilayer shells for anticancer (paclitaxel, or 5-FU) drug delivery, and core-shell nanoparticles for photothermal therapy. In the group of polyelectrolyte nanocapsules, nanosystem with contrast agents of either relaxation or direct-detection type were investigated, specifically: gadolinium-labelled polyelectrolyte nanocarriers with encapsulated Paclitaxel; magnetically responsive polycaprolactone nanocarriers with Fe3O4 nanoparticles; Nafion™-based theranostic nanocapsules with Paclitaxel for x-nuclei MRI detection; and polyelectrolyte nanocapsules with 5-fluorouracil, where 5-FU was used as both therapeutic and imaging agent. In the case of Fe3O4@SiO2@Au core-shell nanoparticles, different variations of core shape and shell thickness were tested. The contrasting efficiency of synthesized nanocarriers was investigated to find the most optimal composition of each NP type. For nanoparticles with relaxation contrast agents based on Gadolinium and F3O4 particles, the contrasting properties were evaluated through MR relaxivity measurements. Following that, an imaging study of gel- or water-based phantoms with nanoparticles was conducted to visualize their MRI contrasting potential and establish optimal imaging sequence parameters. The Mössbauer spectroscopy and SQUID magnetometry data were taken into account to better understand and explain the obtained results. In the case of nanocapsules based on direct-detection agents, a contrasting effect was achieved by imaging on 19F nuclei and imposing the MR image of their spatial distribution over the standard anatomical image on protons. For that reason, the contrasting efficiency of those so-called hot-spot agents was evaluated based on values of the signal-to-noise ratio in 19F MR images. Therefore, the main objective in 19F imaging experiments was to optimize the imaging conditions to reliably determine the location of 19F-containing agents. It was shown that all investigated theranostic nanocarriers produce sufficient contrast for their detection via MR imaging. In the case of relaxation contrast agents, contrasting properties were evaluated by the measurements of the specific relaxivities, r1 and r2, and the contrast assessment in MR images. The obtained results are very promising, as the r1 or r2 values for almost all proposed compositions were higher than those of clinically approved CAs. For fluorine-containing probes, the contrast was assessed by the SNR analysis, and the obtained results suggest, especially for 5-FU NCs, the potential for in-vivo detection at the therapeutic dose. The thesis consists of 6 chapters. In the first introductory chapter, the research problem is outlined. Chapter two, “Fundamentals and state of the art”, presents the theoretical background of conducted experiments. It starts with a description of the current knowledge about the studied matter, providing a comprehensive overview of what has been done in the field. Next, the physical principles of magnetic resonance imaging are described, followed by an overview of available contrast agents classified by the mechanism of their action. In the third chapter, “Materials, and Methods”, the description of the investigated theranostic nanosystem is provided, including a short description of the chemical composition and the synthesis process. Subsequently, the experimental equipment and applied measurement and analysis methods are described. Chapter four, “Experimental results”, is divided into three parts. The first section is devoted to the nanosystems containing relaxation contrast agents of the superparamagnetic type. The second part displays results obtained for nanocapsules containing gadolinium ions, which are positive relaxation contrast agents. Finally, in the third part, results of imaging of nanocarriers containing direct detection contrast agents based on 19F atoms are presented. Chapter six, “Discussion”, provides the interpretation of the obtained experimental results. It consists of two subsections, one concerning nanocarriers based on relaxation contrast agents, and the other about 19F MR imaging of direct detection contrast agents. Considerations are supplemented with results of Mössbauer spectroscopy and SQUID magnetometry, as well as information on the therapeutic potential of investigated materials based on cell viability tests. The last chapter, “Conclusions”, points out the most important outcomes of the thesis and is followed by a list of relevant references.