Radiolabeled magnetic nanoparticles for dual-modality disease imaging

Abstract

Dual modality contrast agents (DMCAs), such as radiolabeled magnetic nanoparticles (MNPs), are promising candidates for a number of diagnostic applications, since they combine the advantages of two different imaging modalities, namely single photon emission computed tomography (SPECT) or positron emission tomography (PET) with magnetic resonance imaging (MRI). The benefit of such a combination relates to the interpretation of the obtained imaging information in a more efficient and accurate way so that underlying diseases are reliably diagnosed at early stages. This aim is feasible since the proposed DMCA combines the advantages of each imaging technique, i.e. high sensitivity for SPECT/PET together with high spatial resolution for MRI. The development of such imaging tools bearing optimized imaging characteristics can lead to effective diagnosis and thus improved management and quality of life of the patient. Consequently, the aim of this PhD Thesis focuses on the development of two DMCAs, namely of a SPECT/MRI and of a PET/MRI DMCA and on their subsequent evaluation through in vivo experiments in animal models and in vitro ones with human blood cells. The specific DMCAs refer to MNPs (magnetite Fe3O4), surface-functionalized with the ligand 2,3-dicarboxypropane-1,1-diphosphonic acid (noted as DPD) and radiolabeled with the radionuclides 68Ga and 99mTc, noted as [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 and [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4, respectively.To this effect we initially synthesized the parent (non-radiolabeled) DPD-Fe3O4, which by means of radiolabeling ultimately provided the [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 and the [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4 DMCAs. Due to the obvious safety issues associated with these processes, they are conducted under special radioprotective precautions to reduce the risk of harm. Once the DMCAs are produced, we studied in detail their physical properties (crystallographic, morphological, magnetic and radioactive) by means of various experimental techniques. Specifically, we employ X-ray diffraction, dynamic light scattering, ζ-potential, optical microscopy (OM), atomic force microscopy (AFM), superconducting quantum interference device magnetometer, radioactivity counters and hematology analyzer (HA). To evaluate the in vivo potential of both [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 and [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4 DMCAs, we performed biodistribution studies in normal and immunodeficient mice models. Also, PET/SPECT and MRI experiments were conducted on normal mice in order to further evaluate the biodistribution of these DMCAs, as well as their imaging efficacy on a comparative basis to that of the parent non-radiolabeled CA, DPD-Fe3O4. Given that the ultimate goal of our research is the in vivo PET/SPECT and MRI applications of these DMCAs in humans, here we have evaluated the [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 DMCA in in vitro experiments with donated human blood cells, namely red blood cells, white blood cells and platelets. To this end, conventional OM and advanced AFM imaging techniques were employed to access quantitative and qualitative information from the micrometer down to the nanometer scale.The results presented in this Thesis prove that both [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 and [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4 DMCAs are promising candidates for future research in clinical trials.

Οι σκιαγραφικοί παράγοντες διπλής απεικονιστικής ικανότητας (dual modality contrast agents-DMCAs), όπως είναι τα ραδιοεπισημασμένα μαγνητικά νανοσωματίδια, είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για μεγάλο αριθμό διαγνωστικών εφαρμογών, καθώς συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα δύο διαφορετικών απεικονιστικών τεχνικών, της Υπολογιστικής Τομογραφίας Μονοφωτονικής Εκπομπής (Single Photon Emission Computed Tomography-SPECT) ή της Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίου (Positron Emission Tomography-ΡΕΤ) με αυτή της Τομογραφίας Μαγνητικού Συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging-MRI). Το όφελος αυτού του συνδυασμού σχετίζεται με την ερμηνεία των ληφθέντων πληροφοριών απεικόνισης με πιο αποδοτικό και ακριβή τρόπο, έτσι ώστε οι υποκείμενες ασθένειες να διαγνωστούν αξιόπιστα σε πρώιμα στάδια. Αυτός ο στόχος είναι εφικτός αφού ο προτεινόμενος DMCA συνδυάζει τα πλεονεκτήματα κάθε απεικονιστικής τεχνικής, για παράδειγμα την υψηλή ευαισθησία των SPECT/PET με την υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα του MRI. H ανάπτυξη εργαλείων απεικόνισης που έχουν εξειδικευμένα απεικονιστικά χαρακτηριστικά μπορεί να οδηγήσει σε αποτελεσματική διάγνωση και, συνεπώς, στη καλύτερη διαχείρηση και ποιότητα ζωής του ασθενούς.O στόχος της διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη δύο DMCAs, δηλαδή ενός SPECT/MRI και ενός PET/MRI DMCA και στην επακόλουθη αξιολόγησή τους μέσω in vivo πειραμάτων σε μύες και in vitro πειραμάτων με κύτταρα ανθρώπινου αίματος. Οι συγκεκριμένοι DMCAs αποτελούνται από μαγνητικά νανοσωματίδια (μαγνητίτης, Fe3O4), επιφανειακώς επικαλυμμένα με 2,3-δικαρβοξυπροπανο-1,1-διφωσφονικό οξύ (αναφέρεται εν συντομία ώς DPD) και ραδιοεπισημασμένα με γάλλιο-68 (68Ga) και τεχνήτιο-99m (99mTc) και αναφέρονται ώς [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 και [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4, αντίστοιχα.Για το σκοπό αυτό, αρχικά συνθέσαμε τον μητρικό (μη ραδιοσημασμένο) σκιαγραφικό παράγοντα, DPD-Fe3O4, ο οποίος μέσω διαδικασιών ραδιοεπισήμανσης παρείχε τους [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 και [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4 DMCAs. Εξαιτίας των προφανών θεμάτων ασφάλειας που σχετίζονται με αυτές τις διαδικασίες, τα πειράματα διεξάγονται υπό ειδικές ραδιοπροστατευτικές προφυλάξεις για τη μείωση του κινδύνου τραυματισμών. Μετά την ανάπτυξη των DMCAs μελετήσαμε λεπτομερώς τις φυσικές τους ιδιότητες (κρυσταλλογραφικές, μορφολογικές, μαγνητικές και ραδιενεργές) μέσω διαφόρων πειραματικών τεχνικών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήσαμε περίθλαση ακτίνων-Χ, δυναμική σκέδαση φωτός, ζ-δυναμικό, οπτική μικροσκοπία (ΟΜ), μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM), μαγνητόμετρο υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής, εξοπλισμό μέτρησης ραδιενέργειας και κλινικό αιματολογικό αναλυτή.Για να αξιολογήσουμε την in vivo αποτελεσματικότητα των [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 και [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4 DMCAs, πραγματοποιήσαμε μελέτες βιοκατανομής σε φυσιολογικούς και σε ανοσοκατεσταλμένους μύες. Επίσης, πραγματοποιήσαμε πειράματα απεικόνισης PET/SPECT και MRI σε φυσιολογικούς μύες, προκειμένου να αξιολογηθεί περαιτέρω η βιοκατανομή αυτών των DMCAs, καθώς επίσης και η απεικονιστική τους ικανότητα σε σύγκριση με αυτή του μητρικού μη ραδιοσημασμένου σκιαγραφικού παράγοντα, DPD-Fe3O4. Δεδομένου λοιπόν ότι ο απώτερος στόχος της έρευνάς μας είναι οι in vivo εφαρμογές PET/SPECT και MRI αυτών των DMCAs σε ανθρώπους, αξιολογήσαμε την βιοσυμβατότητα του [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 DMCA μέσω in vitro πειραμάτων με τα έμμορφα στοιχεία του περιφερικού ανθρώπινου αίματος, συγκεκριμένα με τα ερυθρά αιμοσφαίρια, με τα λευκά αιμοσφαίρια και με τα αιμοπετάλια. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε μια συμβατική (ΟΜ) και μια προηγμένη (AFM) τεχνική μικροσκοπίας, για την απόκτηση ποσοτικής και ποιοτικής πληροφορίας σε μικροσκοπικό (10-6 m) και νανοσκοπικό (10-9 m) επίπεδο.Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή αποδεικνύουν ότι οι συγκεκριμένοι DMCAs, [68Ga]Ga-DPD-Fe3O4 και [99mTc]Tc-DPD-Fe3O4, είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για μελλοντική έρευνα σε κλινικές δοκιμές.