[論文レビュー] Fe3O4@astragalus polysaccharide core-shell nanoparticles for iron deficiency anemia therapy and magnetic resonance imaging in vivo

Kai Wang, Lina Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Erythrocyte Function and Pathophysiology被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、鉄欠乏性貧血（IDA）の同時治療と体内磁気共鳴画像法（MRI）を可能にするFe3O4@アストラガラス多糖類コアシェルナノ粒子（Fe3O4@APS NPs）を開発した。ナノ粒子は鉄を豊富に含むマグネタイトコアと生体適合性の高いアストラガラス多糖類シェルを組み合わせており、ラットモデルにおいて、二重の鉄補給と造血細胞刺激による効果的な貧血治療、およびスーパー磁性体としてのMRI対比効果を示し、優れた生体適合性を確認した。

ABSTRACT

Fe3O4@astragalus polysaccharide core-shell nanoparticles (Fe3O4@APS NPs) were demonstrated to be an efficient therapeutic drug for treating iron deficiency anemia (IDA) in vivo. The Fe3O4@APS NPs have been synthesized using a two steps approach involving hydrothermal synthesis and subsequent esterification. Transmission electron microscopy (TEM) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy studies show that APS are attached on the surfaces of the highly monodisperse Fe3O4 NPs. Dynamic light scatting (DLS) and magnetic characterizations reveal that the Fe3O4@APS NPs have outstanding water solubility and stability. Cytotoxicity assessment using Hela cells and pathological tests in mice demonstrate their good biocompatibility and low toxicity. The IDA treatment in rats shows that they have efficient therapeutic effect, which is contributed to both the iron element supplement from Fe3O4 and the APS-stimulated hematopoietic cell generation. Moreover, the Fe3O4@APS NPs are superparamagnetic and thus able to be used for magnetic resonance imaging (MRI). This study has demonstrated the potential of nanocomposites involving purified natural products from Chinese herb medicine for biomedical applications.

研究の動機と目的

• 鉄欠乏性貧血（IDA）治療に画像診断能力を併せ持つ多機能ナノセラノステイック剤の開発を目的とする。
• アストラガラス多糖類（APS）の天然の生物学的活性を活用し、造血細胞の生成を促進することを目的とする。
• 水中での高い溶解性、コロイド的安定性、低細胞毒性を有するFe3O4@APS NPsの作成を目的とする。
• ラットIDAモデルにおけるナノ粒子の統合的治療効果とMRI診断能の評価を目的とする。

提案手法

• 高均一性を達成するため、水熱法を用いてFe3O4 NPsの合成を行う。
• エステル化反応を介してFe3O4 NPsの表面をアストラガラス多糖類（APS）で修飾し、コアシェル構造を形成する。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）およびフーリエ変換赤外分光法（FTIR）を用いてAPS被膜の付着と構造的完全性を確認する。
• 動的光散乱（DLS）による水素的径およびゼータ電位の評価、およびSQUID磁化計測法による磁気的性質の評価。
• ヘラ細胞を用いたin vitro細胞毒性試験およびマウスにおけるin vivo病理学的評価を通じて、生体適合性を評価する。
• 鉄欠乏ラットモデルにおける治療効果およびMRI能力のin vivo評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe3O4@APS NPsは、体内で鉄欠乏性貧血を効果的に治療すると同時に、診断的MRI対比効果を提供できるか？
• RQ2 アストラガラス多糖類シェルは、鉄補給のみに比べて造血細胞の生成を促進するか？
• RQ3 Fe3O4@APS NPsのin vitroおよびin vivoにおける生体適合性およびコロイド的安定性プロファイルはいかなるものか？
• RQ4 ナノ粒子は、IDAラットにおける鉄ホメオスタシスおよびヘモグロビンレベルの改善にどの程度寄与するか？
• RQ5 スーパー磁性体としてのFe3O4コアは、生体において効果的なT2加重MRI対比剤として機能できるか？

主な発見

• TEMおよびFTIR分光法により、Fe3O4@APS NPsは高均一性と均一なコアシェル構造を示したことが確認された。
• ナノ粒子は優れた水中溶解性およびコロイド的安定性を示し、DLSによる水素的径およびゼータ電位の測定がなされた。
• ヘラ細胞を用いた細胞毒性試験およびマウスにおける病理学的解析により、低毒性および良好な生体適合性が確認された。
• 鉄欠乏ラットにおいて、Fe3O4@APS NPsはヘモグロビン濃度および赤血球数を顕著に上昇させ、効果的な貧血治療が実現した。
• ナノ粒子は強力なスーパー磁性体行動を示し、体内で明確なT2加重MRI対比効果を発揮した。
• 治療効果は、Fe3O4からの鉄放出とAPSによる造血活動の刺激という相乗作用に起因した。