[论文解读] 3D-Imaging and Quantification of Magnetic Nanoparticle Uptake by Living Cells

Hendrik Paysen, Norbert Loewa+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2019

Characterization and Applications of Magnetic NanoparticlesEngineering参考文献 45被引用 17

一句话总结

本研究展示了用于实时、定量追踪活细胞内磁性纳米颗粒（MNP）摄取的三维磁性粒子成像（MPI），通过利用细胞内化过程中MNP动力学的变化实现。该方法在量化时能将游离MNP与细胞结合的MNP区分开来，平均相对差异为23.8%，并通过菲绕瞳胺法验证，提供了一种非侵入性工具，用于研究细胞过程及早期炎症性疾病诊断。

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.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、非电离的成像方法，用于可视化和量化活细胞对磁性纳米颗粒（MNP）的摄取。
• 利用细胞结合和内化过程中MNP动力学的变化作为信号，以在MPI中区分游离MNP与细胞结合的MNP。
• 通过标准菲绕瞳胺法验证基于MPI的细胞结合MNP的定量结果。
• 提供一种具有高空间和时间分辨率的三维成像方法，用于研究基本的细胞过程。
• 探索MPI通过细胞水平监测在炎症性疾病早期诊断中的潜力。

提出的方法

• 利用磁性粒子成像（MPI）获取活细胞中MNP的三维图像，充分利用该技术在生物组织中无背景信号的特性。
• 利用MNP的动态磁性行为——特别是其在细胞结合和内化过程中弛豫动力学的变化——作为区分信号源。
• 重建3D MPI图像，以空间分辨方式解析MNP分布并定量分析体外随时间变化的摄取情况。
• 采用菲绕瞳胺法作为金标准参考方法，验证MPI对细胞结合MNP的定量结果。
• 使用定制的MPI扫描仪获取时间分辨数据，实现对MNP摄取动力学的时序分析。
• 分析MPI数据中信号强度变化与MNP结合状态的相关性，以推断细胞摄取的进展过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 MPI能否基于其动态磁性行为，区分活细胞中游离与细胞结合的磁性纳米颗粒？
• RQ2 与已建立的生化检测方法相比，MPI在时间维度上对细胞摄取MNP量的定量精度如何？
• RQ3 体外MNP摄取的时间演变过程是怎样的，其与MNP磁性动力学变化的相关性如何？
• RQ4 MPI在多大程度上能够实现对细胞内化过程中MNP分布的高分辨率三维可视化？
• RQ5 基于MNP摄取动力学，MPI能否作为监测与炎症相关细胞过程的可行工具？

主要发现

• MPI通过检测其动态磁性行为的变化，成功在三维图像中区分了游离与细胞结合的磁性纳米颗粒。
• MPI定量结果与菲绕瞳胺法相比，细胞结合MNP水平的平均相对差异为23.8%，表明存在中等但可测量的一致性。
• 时间分辨的MPI成像揭示了MNP随时间在细胞中摄取的动力学过程，证明了该方法的时间分辨率能力。
• 该技术实现了高灵敏度和空间分辨率，且无生物组织背景信号，能够清晰可视化MNP的分布。
• MPI中观察到的信号变化与MNP内化过程一致，证实动态磁性特性编码了摄取信息。
• 本研究为将MPI作为非侵入性工具用于研究细胞过程及检测早期病理改变（如炎症）奠定了基础。