[논문 리뷰] 3D-Imaging and Quantification of Magnetic Nanoparticle Uptake by Living Cells

Hendrik Paysen, Norbert Loewa외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 03.

Characterization and Applications of Magnetic NanoparticlesEngineering참고 문헌 45인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 살아있는 세포 내에서 자기나노입자(MNP)의 흡수를 실시간으로 정량적으로 추적하기 위한 3D 자기입자영상(MPI)을 입증한다. 세포 내부화 과정 중 MNP의 동적 특성 변화를 활용하여 자유형과 세포 결합형 MNP를 구분하며, 페나란트로린 검사에 의해 검증된 바, 정량화에서 평균 상대차이가 23.8%로 나타나 비침습적 도구로서 세포 과정 연구 및 초기 염증성 질환 진단에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 살아있는 세포 내에서 자기나노입자(MNP)의 흡수를 시각화하고 정량화하기 위한 비침습적이고 비선형 방사선 기반의 방법을 개발하는 것.
• 세포 부착 및 내부화 과정 중 MNP의 동적 특성 변화를 신호로 활용하여 MPI에서 자유형과 세포 결합형 MNP를 구분하는 것.
• 표준 페나란트로린 검사와 비교하여 MPI 기반의 세포 결합형 MNP 정량화를 검증하는 것.
• 기본 세포 과정을 연구하기 위한 고공간 해상도 및 고시간 해상도를 갖춘 3D 영상 접근법을 제공하는 것.
• 세포 수준의 모니터링을 통해 MPI가 염증성 질환의 조기 진단 잠재력을 갖추고 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 생체조직에서 배경 신호가 없는 특성 덕분에, MPI 기술을 활용하여 살아있는 세포 내 MNP의 3D 영상을 확보하였다.
• 세포 부착 및 내부화 과정 중 MNP의 리커일링 동적 특성 변화를 신호원으로 활용하여 구분 가능한 특성으로 활용하였다.
• 3D MPI 영상을 재구성하여 세포 내 MNP 분포를 공간적으로 해상하고, 시간에 따른 흡수 정량화를 수행하였다.
• MPI로 유도된 세포 결합형 MNP 정량화의 정확성을 검증하기 위해 페나란트로린 검사를 금-standard 기준으로 적용하였다.
• 시간 해상도 데이터 확보를 위해 특수 제작된 MPI 스캐너를 사용하여 MNP 흡수 동역학의 동역학적 분석을 수행하였다.
• MPI 데이터의 신호 강도 변화를 MNP 결합 상태와 연관지어 세포 흡수 진행 상황을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MPI는 자유형과 세포 결합형 자기나노입자를 그들의 동적 자기 특성에 기반해 살아있는 세포 내에서 구분할 수 있는가?
• RQ2 기존 생화학적 검사와 비교해 MPI는 세포 내 MNP 흡수량을 시간에 따라 얼마나 정확하게 정량화할 수 있는가?
• RQ3 in vitro에서 MNP 흡수의 시간적 변화는 어떻게 진행되며, MNP 자기 동적 특성 변화와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 MPI는 세포 내부화 과정 중 MNP 분포를 얼마나 높은 해상도로 3D로 시각화할 수 있는가?
• RQ5 MNP 흡수 동역학을 기반으로 MPI는 염증과 관련된 세포 과정을 모니터링하는 데 실용적인 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• MPI는 MNP의 동적 자기 특성 변화를 감지함으로써 3D 영상에서 자유형과 세포 결합형 자기나노입자를 성공적으로 구분하였다.
• 세포 결합형 MNP 농도에 대해 MPI 정량화와 페나란트로린 검사 결과 간 평균 상대차이는 23.8%로 나타나 중간 정도의 일치를 보이며 측정 가능한 일致성을 확인하였다.
• 시간 해상도를 갖춘 MPI 영상은 세포에 의한 MNP 흡수의 동적 진행 상황을 명확히 드러내었으며, 이는 방법의 시간 해상도를 입증한다.
• 이 기술은 고감도와 고공간 해상도를 확보하였고, 생체조직에서 배경 신호가 없어 MNP 분포를 명확히 시각화할 수 있었다.
• MPI에서 관찰된 신호 변화는 MNP의 내부화와 관련이 있었으며, 동적 자기 특성이 흡수 정보를 인코딩하고 있음을 확인하였다.
• 본 연구는 MPI를 세포 과정 연구 및 염증과 같은 초기 병리적 변화 탐지에 비침습적으로 활용할 수 있는 기초를 마련하였다.