[論文レビュー] 3D-Imaging and Quantification of Magnetic Nanoparticle Uptake by Living Cells

Hendrik Paysen, Norbert Loewa+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Characterization and Applications of Magnetic NanoparticlesEngineering参考文献 45被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、細胞内への磁性ナノ粒子（MNP）の取り込みに伴うMNPの動的挙動の変化を活用して、生きた細胞におけるMNPの取り込みをリアルタイムで定量的かつ非侵襲的に追跡可能な3次元磁気粒子画像法（MPI）を実証した。この手法は、遊離MNPと細胞に結合したMNPを区別でき、定量的測定における平均相対差は23.8%であった。これはフェナントロリン法による検証を経ており、細胞内プロセスの研究や早期の炎症性疾患の診断に向けた非侵襲的ツールを提供する。

ABSTRACT

Magnetic particle imaging (MPI) is a non-invasive, non-ionizing imaging technique for the visualization and quantification of magnetic nanoparticles (MNPs). The technique is especially suitable for cell imaging as it offers zero background contribution from the surrounding tissue, high sensitivity, and good spatial and temporal resolutions. Previous studies have demonstrated that the dynamic magnetic behaviour of MNPs changes during cellular binding and internalization. In this study, we demonstrate how this information is encoded in the MPI imaging signal. Through MPI imaging we are able to discriminate between free and cell-bound MNPs in reconstructed images. This technique was used to image and quantify the changes that occur in-vitro when free MNPs come into contact with cells and undergo cellularuptake over time. The quantitative MPI results were verified by a phenanthroline assay. The results showed a mean relative difference of 23.8% for the quantification of cell-bound MNPs. The insights gained from such observations provide a new window into fundamental biological processes and associated pathological changes occurring at a cellular level. This technique could therefore offer new opportunities for the early diagnosis of inflammatory diseases.

研究の動機と目的

• 生きた細胞における磁性ナノ粒子（MNP）の取り込みを可視化および定量する非侵襲的かつ非イオン化の手法を開発すること。
• 細胞への結合および内因性化に伴うMNPの動的磁気的挙動の変化を信号源として利用し、MPIにおいて遊離MNPと細胞に結合したMNPを区別する方法を確立すること。
• MPIを用いた細胞に結合したMNPの定量的測定を、標準的なフェナントロリン法と照合して検証すること。
• 細胞の基本的プロセスを研究するための高空間・高時間分解能を有する3次元イメージング手法を提供すること。
• 細胞レベルでのモニタリングを通じて、MPIが炎症性疾患の早期診断に応用可能である可能性を検討すること。

提案手法

• 生物学的組織からのゼロバックグラウンド信号を活用し、生きた細胞内におけるMNPの3次元画像を磁気粒子画像法（MPI）で取得した。
• 細胞への結合および内因性化に伴うMNPの動的磁気的挙動、特にその緩和ダイナミクスの変化を、区別信号として活用した。
• 3次元MPI画像を再構成し、in vitroで時間経過に伴うMNP分布の空間的分布と取り込み量の定量的評価を実施した。
• MPIによる細胞に結合したMNPの定量的測定を、基準法としてのフェナントロリン法を用いて検証した。
• 時間分解能を有するデータ取得を可能にするために、独自開発のMPIスキャナを用い、MNP取り込みダイナミクスのキネティクス解析を実施した。
• MNPの結合状態に応じたMPIデータにおける信号強度の変化を分析し、細胞内取り込みの進行状況を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPIは、MNPの動的磁気的挙動の違いに基づいて、生きた細胞内における遊離MNPと細胞に結合したMNPを区別できるか？
• RQ2 MPIによるMNP取り込み量の時間的推移の定量的測定は、既存の生化学的測定法と比較してどの程度の正確性を示すか？
• RQ3 in vitroにおけるMNP取り込みの時間的進行はどのようなものか？また、MNPの磁気的ダイナミクスの変化とどのように相関するか？
• RQ4 MPIは、細胞内因性化過程におけるMNP分布をどの程度の高分解能で3次元的に可視化できるか？
• RQ5 MNP取り込みキネティクスに基づいて、MPIが炎症関連の細胞内プロセスをモニタリングする有効なツールとして機能できるか？

主な発見

• MPIは、MNPの動的磁気的挙動の変化を検出することで、3次元画像において遊離MNPと細胞に結合したMNPを成功裏に区別した。
• MPIによる定量的測定とフェナントロリン法の結果との間の平均相対差は23.8%であった。これは中程度の一致を示しており、測定可能な整合性があることを裏付けた。
• 時間分解能を有するMPIイメージングにより、MNPの細胞内取り込みのキネティクス的進行が時間経過とともに明らかになった。これは本手法の時間分解能の優位性を示している。
• 本手法は高い感度と空間分解能を達成しており、生物学的組織からのバックグラウンド信号がゼロであるため、MNP分布の明確な可視化が可能であった。
• MPIにおける観察された信号変化はMNPの内因性化と一致しており、動的磁気的性質が取り込み状態を符号化していることを確認した。
• 本研究は、非侵襲的ツールとしてMPIを用いて細胞内プロセスを研究し、炎症などの病理的変化の早期検出を可能にする基盤を確立した。