Signalverhalten von Gold- und Eisen-Nanopartikel-Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie und der Computertomografie

Abstract

Nanopartikel sind Mikropartikel mit einem Durchmesser zwischen 1 nm bis 100 nm (Mansoori, 2007). Diese können aus metallischen Werkstoffen, wie Gold, Silber oder Kobalt, aus Halbleitermaterialien, wie Cadmiumsulfid, Galliumarsenid oder Indiumphosphid und aus Isolatoren, wie Eisenoxid oder Titanoxid synthetisiert werden (Olshavsky et al., 1990, Murray et al., 1993, Guzelian et al., 1996, Brown and Hutchison, 1999, Quaroni and Chumanov, 1999, Trentler et al., 1999, Ershov et al., 2000, Hyeon et al., 2001). Durch Endozytose werden Nanopartikel in die Zellen aufgenommen und mittels Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben (Parak et al., 2002, Nazarenus et al., 2014). Nanopartikel sind sehr vielfältig. Sie können nicht nur zur Markierung von Zellen eingesetzt werden, sondern auch zur Behandlung von Tumoren, zur Arzneimittelfreisetzung im Körper und als Biosensoren (Johannsen et al., 2005, Giljohann et al., 2010, Yallapu et al., 2010, Maier-Hauff et al., 2011).In der vorliegenden Arbeit werden sieben verschiedene Nanopartikel und drei weitere verschiedene Kontrastmittel in den Schnittbildverfahren Computertomografie und der Magnetresonanztomografie untersucht. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die niedrigen Konzentrationen der Nanopartikel gelegt, über die bisher keine Berichte vorliegen. Die Ergebnisse der computertomografischen Untersuchung zeigen die Möglichkeit der Darstellung von Goldnanopartikeln (AuNPs) mit einer niedrigen Goldkonzentrationen im Bereich von mg Au/ml (nM). Aufgrund ihres Signalverhaltens sind die AuNPs 25 nm (p < 0,0001), AuNPs 100 nm (p < 0,0001) und AuNRs 100 nm (p < 0,0001) bzw. die Kontrastmittel HAuCl4 (p < 0,0001), Iohexol 300 (p < 0,0001) und BaSO4 (p < 0,0001) laut den vorliegenden Messungen für die computertomografische Untersuchung geeignet und die Ergebnisse sind hoch signifikant.Die magnetresonanztomografische Untersuchung im 1 Tesla MRT belegt die Darstellbarkeit der AuNPs 45 nm (p < 0,0001), der Fe3SO4 NPs 4 nm (p < 0,0001) und des Kontrastmittel HAuCl4 (p < 0,0001). Die Konzentration der HAuCl4 beträgt in unserer Studie g Au/ml und die Konzentration der Fe3SO4 NPs 4 nm ng Fe/L (nM). Vom Untersucher wurden subjektiv die einzelnen Sequenzen mit Hilfe einer standardisierten region of interest (ROI) ausgewertet. Für die Verfolgung der Goldnanopartikel im 1 Tesla MRT eignet sich die T1 TSE Sequenz, die T2 3D FFE Sequenz, die PD TSE Sequenz und die T2 TSE Sequenz. Die T1 TSE Sequenz weist die höchsten Signalintensitätswert gefolgt von der T2 3D FFE Sequenz auf. Die HAuCl4 kann zuverlässig mit der T1 TSE Sequenz und die T2 FFE Sequenz mit 60 Schichten detektiert werden. Für die Verfolgung der Eisenoxidnanopartikel können alle Sequenzen, die in unserer Studie Anwendung finden, genutzt werden. Jedoch lassen sich die Eisenoxidnanopartikel in den T2-gewichteten Sequenzen deutlich besser detektieren.Unsere Untersuchungen im 3 Tesla MRT ergeben, dass die HAuCl4 (p < 0,0001) und die Fe3SO4 NPs 4 nm (p < 0,0001) für dieses Schnittbildverfahren hochsignifikant sind. Der Nachweis der HAuCl4 kann mit Hilfe der T1 Sequenz, der T2 TSE 384 Sequenz mit einer oder zwei Mittelungen und der T2 TSE 320 Sequenz erfolgen. Die Verfolgung der Fe3SO4 NPs 4 nm wird durch die T1 Sequenz, die T2 TSE 384 Sequenz mit einer oder zwei Mittelungen und die T2 TSE 320 Sequenz gewährleistet. Wie bereits in der Untersuchung im 1 Tesla MRT beschrieben, lassen sich die Eisenoxidnanopartikel am besten in den T2-gewichteten Sequenzen detektieren.Mit unserer Studie konnte gezeigt werden, dass auch geringe Konzentrationen an Gold (mg Au/ml (nM)) und Eisen (ng Fe/L (nM)), im Vergleich zu kommerziellen Kontrastmitteln, zufriedenstellende Signalintensitäten in den jeweiligen Schnittbildverfahren, wie der Computertomografie und der Magnetresonanztomografie, liefern. Durch die niedrigen Konzentrationen kann angenommen werden, dass die Zellvitalität der Stammzellen nicht oder nur in engen Grenzen beeinflusst wird. Dies wäre die Basis für eine gesunde Stammzellmarkierung. Nanoparticles are microparticles with a diameter of 1 nm up to 100 nm (Mansoori, 2007). These can be synthesized from metallic materials such as gold, silver or cobalt, from semiconductor materials such as cadmium sulfide, gallium arsenide or indium phosphide and from insulators such as iron oxide or titanium oxide (Olshavsky et al., 1990, Murray et al., 1993, Guzelian et al., 1996, Brown and Hutchison, 1999, Quaroni and Chumanov, 1999, Trentler et al., 1999, Ershov et al., 2000, Hyeon et al., 2001). Nanoparticles are taken up into the cells via endocytosis and passed on to the daughter cells by means of cell division (Parak et al., 2002, Nazarenus et al., 2014). Nanoparticles are very diverse. They can be used not only for cell labeling, but also for the treatment of neoplastic processes, for drug release in the body and as biosensors (Johannsen et al., 2005, Giljohann et al., 2010, Yallapu et al., 2010, Maier-Hauff et al., 2011).In the present study, seven different nanoparticles and three other different contrast agents are investigated with the cross sectional imaging methods computed tomography and magnetic resonance tomography. Special attention is paid to the low concentrations of nanoparticles, for which no reports are available so far. The results of the computed tomography study show the possibility of detecting gold nanoparticles (AuNPs) with a low gold concentration in the range of mg Au/ml (nM). According to the present measurements, the AuNPs are 25 nm (p < 0,0001), AuNPs 100 nm (p < 0,0001) and AuNRs 100 nm (p < 0,0001) and the contrast agents HAuCl4 (p < 0,0001), Iohexol 300 (p < 0,0001) and BaSO4 (p < 0,0001) are suitable for computed tomography due to their signal behavior. The results are highly significant.The depiction of the particles via Magnetic Resonance Imaging was demonstrated with 1 Tesla for AuNPs 45 nm (p < 0,0001), Fe3SO4 NPs 4 nm (p < 0,0001), and the contrast agent HAuCl4 (p < 0,0001). The concentration of HAuCl4 in the present study is g Au/ml and the concentration of Fe3SO4 NPs 4 nm is ng Fe/L (nM). Subjectively, the investigator evaluated the individual sequences using a standardized region of interest (ROI). For gold nanoparticle tracking with 1 Tesla MRI, the T1 TSE sequence, the T2 3D FFE sequence, the PD TSE sequence and the T2 TSE sequence are suitable. The T1 TSE sequence shows the highest signal intensity followed by the T2 3D FFE sequence. The HAuCl4 can be detected reliably with the T1 TSE sequence and the T2 FFE sequence with 60 slices. For the tracking of iron oxide nanoparticles, all sequences used in our study are suitable. However, the signal for iron oxide nanoparticles is much more prominent in the T2-weighted sequences.Our investigations using the 3 Tesla MRI scanner revealed that HAuCl4 (p < 0,0001) and Fe3SO4 NPs 4 nm (p < 0,0001) show highly significant signals. The detection of HAuCl4 can be carried out using the T1 sequence, the T2 TSE 384 sequence with one or two averages and the T2 TSE 320 sequence. The tracking of the Fe3SO4 NPs 4 nm is ensured by the T1 sequence, the T2 TSE 384 sequence with one or two averages, and the T2 TSE 320 sequence. As previously described in the 1 Tesla MRI study, the iron oxide nanoparticles show the most reliable signal in the T2-weighted sequences.Our study has shown that even low concentrations of gold (mg Au/ml (nM)) and iron (ng Fe/L (nM)), compared to commercial contrast media, provide satisfactory signal intensities in the respective cross-sectional imaging techniques, such as computed tomography and magnetic resonance imaging. Due to the low concentrations an significant influence on the cell vitality of the stem cells is unlikely. This would be the basis for a healthy stem cell marker.