[논문 리뷰] Fe3O4@astragalus polysaccharide core-shell nanoparticles for iron deficiency anemia therapy and magnetic resonance imaging in vivo

Kai Wang, Lina Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 28.

Erythrocyte Function and Pathophysiology인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 철결핍성 빈혈(IDA)을 동시에 치료하고 체내 자기공명영상(MRI)을 가능하게 하는 Fe3O4@황기다당체 코어-쉘 나노입자를 개발한다. 나노입자는 철이 풍부한 마그네틱사이트 코어와 생체적합성 있는 황기다당체 쉘을 조합하여, 이중 철 보충 및 혈구생성 촉진을 통한 효과적인 빈혈 치료와 함께 초자성 MRI 대비 기능을 보이며, 땅소리 모델에서 뛰어난 생체적합성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 철결핍성 빈혈(IDA) 치료에 영상 기능을 갖춘 다기능 나노치료진단제를 개발하기 위해.
• 황기다당체(APS)의 천연 생물활성을 활용하여 혈구생성세포 생성을 향상시키기 위해.
• 수용성, 콜로이드 안정성, 세포독성 저감을 확보한 Fe3O4@APS 나노입자를 개발하여 체내 적용에 적합하게 하기 위해.
• 땅소리 IDA 모델에서 나노입자의 병합된 치료 및 MRI 진단 기능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 고온고압법을 이용한 Fe3O4 나노입자 합성으로 높은 단일분산성을 확보하기 위해.
• 에스터화 반응을 통해 Fe3O4 나노입자 표면에 황기다당체(APS)를 기능화하여 코어-쉘 나노형태를 형성하기 위해.
• 전자현미경(TEM)과 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 이용한 특성 분석으로 APS 코팅 및 구조적 안정성을 확인하기 위해.
• 동적광산산도 분석(DLS)을 통한 수소동역학적 크기 및 제타포텐셜 측정, SQUID 자화도 측정법을 통한 자성 특성 평가하기 위해.
• in vitro에서 헬라 세포에 대한 세포독성 시험과 in vivo에서 마우스의 병리학적 평가를 통해 생체적합성 평가하기 위해.
• 철결핍 땅소리 모델에서 치료 효과 및 MRI 기능 평가 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe3O4@APS 나노입자는 체내에서 철결핍성 빈혈을 효과적으로 치료하면서 동시에 진단용 MRI 대비 기능을 제공할 수 있는가?
• RQ2 황기다당체 쉘은 철 보충만으로는 부족한 혈구생성세포 생성을 향상시키는가?
• RQ3 Fe3O4@APS 나노입자의 in vitro 및 in vivo 생체적합성과 콜로이드 안정성 프ofile은 어떠한가?
• RQ4 나노입자는 IDA 땅소리 모델에서 철 균형 및 헤모글로빈 농도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 초자성 Fe3O4 코어는 살아있는 생물체에서 효과적인 T2 가중 MRI 대비제로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• TEM 및 FTIR 분석을 통한 확인 결과, Fe3O4@APS 나노입자는 높은 단일분산성과 균일한 코어-쉘 구조를 보였다.
• 수용성과 콜로이드 안정성이 뛰어난 나노입자는 DLS를 통해 측정된 수소동역학적 크기 및 제타포텐셜로 확인되었다.
• 헬라 세포에 대한 세포독성 시험과 마우스의 병리학적 분석을 통해 낮은 독성과 양호한 생체적합성이 확인되었다.
• 철결핍 땅소리에서 Fe3O4@APS 나노입자는 헤모글로빈 농도와 적혈구 수를 유의미하게 향상시켜 효과적인 빈혈 치료를 나타내었다.
• 나노입자는 강력한 초자성 거동를 보이며, 체내에서 명확한 T2 가중 MRI 대비를 제공하였다.
• 치료 효과는 Fe3O4에서 철이 방출되고 APS가 혈구생성 활성을 자극하는 상호작용에 기인한 것이다.