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

Kai Wang, Lina Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Erythrocyte Function and Pathophysiology被引用 4

一句话总结

本研究开发了Fe3O4@黄芪多糖核壳纳米颗粒（Fe3O4@APS NPs），可同时治疗缺铁性贫血（IDA）并实现活体磁共振成像（MRI）。纳米颗粒以富含铁的磁性铁氧化石为核心，外层包裹生物相容性黄芪多糖壳，通过双重铁补充和造血刺激实现高效贫血治疗，同时具备超顺磁性MRI对比性能，在大鼠模型中表现出优异的生物相容性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种具有成像能力的多功能纳米诊疗剂，用于缺铁性贫血（IDA）治疗。
• 利用黄芪多糖（APS）的天然生物活性，增强造血细胞的生成。
• 制备具有高水溶性、胶体稳定性和低细胞毒性的Fe3O4@APS NPs，以适用于活体应用。
• 评估纳米颗粒在大鼠IDA模型中的联合治疗效果与MRI诊断性能。

提出的方法

• 通过水热法合成Fe3O4 NPs，以实现高单分散性。
• 通过酯化反应将黄芪多糖（APS）接枝到Fe3O4 NPs表面，形成核壳结构纳米颗粒。
• 利用透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表征，以确认APS涂层的存在与结构完整性。
• 通过动态光散射（DLS）测定流体动力学尺寸和ζ电位，通过SQUID磁力仪测定磁性性能。
• 在HeLa细胞上进行体外细胞毒性测试，并在小鼠中进行体内病理学评估，以评估生物相容性。
• 在铁缺乏大鼠模型中评估纳米颗粒的治疗效果与MRI能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe3O4@APS NPs是否能在体内有效治疗缺铁性贫血的同时提供诊断性MRI对比？
• RQ2 黄芪多糖壳是否能通过促进造血细胞生成，使治疗效果优于单纯铁补充？
• RQ3 Fe3O4@APS NPs在体外和体内的生物相容性与胶体稳定性如何？
• RQ4 这些纳米颗粒在多大程度上改善了IDA大鼠的铁稳态与血红蛋白水平？
• RQ5 超顺磁性的Fe3O4核心是否能在活体中作为有效的T2加权MRI对比剂？

主要发现

• TEM和FTIR光谱分析证实，Fe3O4@APS NPs具有高单分散性和均匀的核壳结构。
• 纳米颗粒表现出优异的水溶性和胶体稳定性，其流体动力学直径和ζ电位通过DLS测定。
• HeLa细胞的细胞毒性实验及小鼠的病理学分析均证实其低毒性与良好的生物相容性。
• 在铁缺乏大鼠中，Fe3O4@APS NPs显著提高了血红蛋白水平和红细胞计数，表明其具有有效的贫血治疗作用。
• 纳米颗粒表现出强烈的超顺磁性，可在活体中实现清晰的T2加权MRI对比。
• 治疗效果源于协同作用：Fe3O4释放铁，同时APS刺激造血活性。