[論文レビュー] Hyperpolarized Long-T1 Silicon Nanoparticles for Magnetic Resonance Imaging

Jacob W. Aptekar, Maja C. Cassidy+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2009

Advanced NMR Techniques and Applications被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、超極性化シリコンナノ粒子が非常に長い核スピン緩和時間（T₁ = 10²–10⁴ s）を示すことを示しており、長時間にわたる実用的なin vivo MRIを可能にしている。著者らはアミンおよびPEGによる表面機能化により生体適合性で標的化可能なイメージング剤を実現し、長寿命のシグナルと標的化診断の可能性を有している。

ABSTRACT

Silicon nanoparticles are experimentally investigated as a potential hyperpolarized, targetable MRI imaging agent. Nuclear T_1 times at room temperature for a variety of Si nanoparticles are found to be remarkably long (10^2 to 10^4 s) - roughly consistent with predictions of a core-shell diffusion model - allowing them to be transported, administered and imaged on practical time scales without significant loss of polarization. We also report surface functionalization of Si nanoparticles, comparable to approaches used in other biologically targeted nanoparticle systems.

研究の動機と目的

• 超極性化MRIに用いるために、サイズや合成法の異なるシリコンナノ粒子の核緩和時間（T₁）を評価すること。
• 既存のMRI対比剤（例えば、超極性化¹³C化合物や希ガス）に見られる短命な超極性化の制限を克服すること。
• シリコンナノ粒子の表面機能化戦略を確立し、生体適合性、コロイド的安定性、生物学的標的化を実現すること。
• シリコンナノ粒子が、in vivo トラッキングに適した、長寿命で超極性化可能なMRI対比剤として実用的であることを実証すること。

提案手法

• ボールミリング、湿式合成、プラズマ合成、電気爆発法を用いてシリコンナノ粒子を合成し、遠心分離により粒子サイズを分離した。
• 希釈エタノール懸濁液を用いたNMR緩和実験により、2.9 Tで核スピン緩和時間（T₁）を測定した。
• アミン基を導入するため、(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン（APTES）および他のシランを用いてナノ粒子表面を機能化した。
• 蛍光スペクトロスコピー（ fluorescamine）とζ電位測定を用いて表面アミノ化を確認し、機能化後の正の表面電荷を裏付けた。
• コロイド的安定性と生理的条件下での生体適合性を向上させるために、アミノ化粒子をPEG（mPEG-SMBまたはMAL-PEG-NHS）で被覆した。
• 動的光散乱（DLS）およびPBS中での48時間にわたる沈降の可視観察により、コロイド的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるサイズおよび合成法を用いたシリコンナノ粒子のT₁緩和時間は何か？ そして、長時間MRIに適しているか？
• RQ2 アミン基を効果的に表面機能化させることで、標的化に必要な後続のバイオコンジュゲーションが可能になるか？
• RQ3 機能化されたシリコンナノ粒子にPEGを付加することで、生理的バッファー中での安定性が向上するか？
• RQ4 アミノ基の機能化によって、シリコンナノ粒子の表面電荷が負から正に変化するか？ そして、その変化は定量的に測定可能か？
• RQ5 長寿命のT₁、表面機能性、コロイド的安定性という特性の組み合わせにより、シリコンナノ粒子が超極性化・標的化MRIに実用的であるか？

主な発見

• シリコンナノ粒子は室温で10²～10⁴秒の非常に長いT₁緩和時間を示し、数分から数時間にわたる実用的なin vivoイメージングを可能にしている。
• T₁値は粒子サイズと相関しており、コアシェル拡散モデルと整合的である。粒子が大きいほど緩和時間が長くなる。
• APTESによる表面アミノ化により、負から正へのζ電位の変化が明確に観察され、機能化の成功が裏付けられた。
• 蛍光スペクトロスコピーによる fluorescamine ラベル化で、アミン基の共有結合が確認され、強いシグナル強度から表面にアクセス可能なアミンが存在することが示された。
• mPEG-SMBおよびMAL-PEG-NHSによるPEG化により、PBS中で少なくとも48時間にわたってナノ粒子が安定しており、効水動的半径の著しい変化は認められなかった。
• 非反応性mPEG-アミンで処理した対照粒子は急速に凝集したため、立体障害安定化には反応性PEGの必要性が確認された。