[논문 리뷰] Hyperpolarized Long-T1 Silicon Nanoparticles for Magnetic Resonance Imaging

Jacob W. Aptekar, Maja C. Cassidy외 15명|arXiv (Cornell University)|2009. 02. 02.

Advanced NMR Techniques and Applications인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 초고온화된 실리콘 나노입자가 매우 긴 핵 스핀 회복 시간(T₁ = 10²–10⁴ s)을 가지며, 이로 인해 장기간에 걸쳐 실시간 생체 내 MRI를 구현할 수 있음을 보여준다. 저자들은 아민 및 PEG로 표면 기능화를 통해 생체 적합성과 목표 향상 기능을 갖춘 영상 진단제를 개발하여 장수명 신호와 표적 진단 가능성을 확보하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고온화 MRI에 활용하기 위해 다양한 크기와 합성 방법에 따른 실리콘 나노입자의 핵 회복 시간(T₁)을 평가하기 위해.
• 기존의 MRI 대조제, 예를 들어 초고온화된 ¹³C 화합물과 희귀 기체의 짧은 수명에 기인한 한계를 해결하기 위해.
• 실리콘 나노입자의 표면 기능화 전략을 개발하여 생체 적합성, 콜로이드 안정성 및 생물학적 표적화를 가능하게 하기 위해.
• 실리콘 나노입자가 생체 내 추적에 적합한 장수명의 초고온화 MRI 대조제로서 실현 가능하다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 크기 분離를 위해 원심분리법을 사용하여 볼 밀링, 습식 합성, 플라즈마 합성 및 전기 폭발 방법을 통해 실리콘 나노입자를 합성하였다.
• 희석된 에탄올 분산액에서 NMR 회복 실험을 통해 2.9 T에서 핵 스핀 회복 시간(T₁)을 측정하였다.
• 추후 공유 결합을 위한 아민 기능기를 도입하기 위해 (3-아미노프로필)트라이에톡시실란(APTES) 및 기타 실란을 사용하여 나노입자 표면을 기능화하였다.
• 표면 아민화를 확인하기 위해 플루오레스카민을 사용한 형광 스펙트로스코피와 제타 전위 측정을 실시하여 기능화 후 양전하 표면을 확인하였다.
• 생리적 조건에서의 콜로이드 안정성과 생체 적합성을 향상시키기 위해 아민 기능화된 입자 표면에 PEG(mPEG-SMB 또는 MAL-PEG-NHS)를 코ating 하였다.
• 동적 광산란(DLS) 및 PBS에서 48시간 동안의 침강 현상 관찰을 통해 콜로이드 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 크기와 합성 방법에 따른 실리콘 나노입자의 T₁ 회복 시간은 무엇이며, 이는 장기적인 MRI를 가능하게 하는가?
• RQ2 실리콘 나노입자는 아민 기능기를 효과적으로 표면 기능화하여 이후 표적화를 위한 생물 공유 결합을 가능하게 하는가?
• RQ3 기능화된 실리콘 나노입자의 PEG 코팅이 생리적 염용액에서 안정성을 향상시키는가?
• RQ4 아민 기능화를 통해 실리콘 나노입자의 표면 전하가 음성에서 양성으로 변화하는가, 그리고 이 변화는 정량적으로 측정 가능한가?
• RQ5 장수명 T₁, 표면 기능성 및 콜로이드 안정성의 복합적 특성이 실리콘 나노입자가 초고온화된 표적 MRI에 실현 가능한가?

주요 결과

• 실리콘 나노입자는 실온에서 10²~10⁴초의 매우 긴 T₁ 회복 시간을 나타내어 수분에서 수시간 동안 실시간 생체 내 영상이 가능하다.
• T₁ 값은 입자 크기와 관련이 있으며, 코어-쉘 확산 모델과 일치하며, 더 큰 입자는 더 긴 회복 시간을 보였다.
• APTES를 이용한 표면 아민화는 제타 전위가 음성에서 양성으로 변화하는 측정 가능한 이동을 보이며, 성공적인 기능화를 확인하였다.
• 플루오레스카민 레이블링을 통한 형광 스펙트로스코피는 공유 결합된 아민 기능기를 확인하였으며, 강한 신호 강도는 표면에 접근 가능한 아민 기능기를 나타내었다.
• mPEG-SMB 및 MAL-PEG-NHS를 이용한 PEG 코팅은 PBS에서 최소 48시간 동안 나노입자의 안정성을 유지하였으며, 수소 동역학 반지름에 유의미한 변화가 없었다.
• 반응성이 없는 mPEG-아민으로 처리한 대조군은 빠르게 응집되어 반응성 PEG가 입자에 대한 공간적 안정성을 확보하는 데 필수적임을 확인하였다.