動脈硬化性プラークのイメージングのための標的分子酸化鉄造影剤

Targeted Molecular Iron Oxide Contrast Agents for Imaging Atherosclerotic Plaque.

• Rhiannon J Evans
• Begoña Lavin
• Alkystis Phinikaridou
• Kok Yean Chooi
• Zahra Mohri
• Eunice Wong
• Joseph J Boyle
• Rob Krams
• René Botnar
• Nicholas J Long

抄録

心血管疾患は依然として世界的な死因の第一位であり、脆弱なプラーク破裂は多くの心臓発作や脳卒中の根本原因となっている。多くの研究は、安定したプラークと脆弱なプラークを区別するためのイメージングバイオマーカーを特定することに焦点を当てています。磁気共鳴画像法（MRI）は、軟部組織のコントラストに優れた非電離性・非侵襲性の画像診断法である。しかし、MRIは核イメージング技術に比べて造影剤検出の感度（マイクロモル）が比較的低い。また、関連する全身毒性および沈着に対する懸念が増大しているため、ガドリニウムキレートをベースとしないＭＲＩプローブの開発に重点が置かれるようになってきている。ガドリニウムの感度と安全性の懸念に対処するために、本プロジェクトでは、MRIによる動脈硬化性プラークのイメージングのための超常磁性酸化鉄ナノ粒子をベースとした高リラックスプローブの開発に焦点を当てました。開発により、安定したプラークと脆弱なプラークの鑑別が容易になる可能性がある。 超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPIONs）をベースとした一連のMRI造影剤を開発し、進行したアテローム性動脈硬化症のマウスモデルで試験する。 4種類のコアサイズのナノ粒子を熱分解法で合成し、ポリマレインヒドリド-アルト-1-オクタデセン（PMAO）、ポリエチレンイミン（PEI）またはアレンドロネートでコーティングした後、コアサイズ、流体力学的サイズ、表面電位、弛緩性の特性を評価した。これらの結果に基づいて、1つの候補は、さらなる研究のために選択されました。10nmのPMAOコーティングSPIONsを使用して研究は、西洋の食事を供給し、左頸動脈上の血管周囲カフでインスツルメンテーションされたマウスで実施されました。コントロールマウスは、通常のチャウ食を与えられ、インストゥルメントされていませんでした。マウスは3T MRスキャナー（Philips Achieva）で、新しいSPION造影剤と、プラーク負荷の可視化を可能にすることが以前に示されていたエラスチンを標的としたガドリニウム剤を用いてスキャンした。組織学的解析を行い、マクロファージ、CX3CL1、エラスチン、トロポエラスチン、鉄の染色によりイメージング所見を確認した。 リードSPION剤は、poly(maleicanhydride-alt-1-octadecene)、（-36.21 mV、r 18.806 mmol/s）と10 nmの酸化鉄コアで構成されていました。酸化鉄コアの不規則なファセットは高い緩和性をもたらし、PMAOは表面の-COOH基の更なる官能化のための基盤を提供しました。試験の結果、SPIONは無毒性であることが確認された。結果は、プラークに蓄積するエラスチンを標的としたガドリニウム系造影剤（Gd-ESMA）と同様の血管領域に蓄積することを示している。疾患マウスでは、インスツルメントを施した血管と対側の非インスツルメント血管の間でSPIONシグナルに有意な差があり（p＝0.0411、学生のt検定）、インスツルメントを施した疾患血管と対照血管の間では（p＝0.0043、0.0022、学生のt検定）、インスツルメントを施した疾患血管と対照血管の間では（p＝0.0043、0.0022、学生のt検定）、SPIONシグナルに有意な差がありました。安定プラークと脆弱プラークの間では、いずれの造影剤の取り込みにも有意差はなかった（p = 0.3225、学生のt検定）。プラークの同定には組織学的検証を用い、脆弱性プラーク内のナノ粒子沈着物の存在とマクロファージとの共局在化をベルリンブルー染色で確認した。 この作品は、挙動のための有望な特性を示し、まだ循環している限られた肝臓への取り込みと注射後24時間であり、マウスプラークモデルで良好な蓄積を示している、未踏の表面リガンドを使用して動脈硬化症のための新しいMRI造影剤を提示します。

Cardiovascular disease remains a leading cause of death worldwide, with vulnerable plaque rupture the underlying cause of many heart attacks and strokes. Much research is focused on identifying an imaging biomarker to differentiate stable and vulnerable plaque. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-ionising and non-invasive imaging modality with excellent soft tissue contrast. However, MRI has relatively low sensitivity (micromolar) for contrast agent detection compared to nuclear imaging techniques. There is also an increasing emphasis on developing MRI probes that are not based on gadolinium chelates because of increasing concerns over associated systemic toxicity and deposits. To address the sensitivity and safety concerns of gadolinium this project focused on the development of a high relaxivity probe based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles for the imaging of atherosclerotic plaque with MRI. With development, this may facilitate differentiating stable and vulnerable plaque To develop a range of MRI contrast agents based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), and test them in a murine model of advanced atherosclerosis. Nanoparticles of four core sizes were synthesised by thermal decomposition and coated with poly(maleicanhydride-alt-1-octadecene) (PMAO), poly(ethyleneimine) (PEI) or alendronate, then characterised for core size, hydrodynamic size, surface potential and relaxivity. On the basis of these results, one candidate was selected for further studies. studies using 10 nm PMAO-coated SPIONs were performed in mice fed a western diet and instrumented with a perivascular cuff on the left carotid artery. Control mice were fed a normal chow diet and were not instrumented. Mice were scanned on a 3T MR scanner (Philips Achieva) with the novel SPION contrast agent, and an elastin-targeted gadolinium agent that was shown previously to enable visualisation of plaque burden. Histological analysis was undertaken to confirm imaging findings through staining for macrophages, CX3CL1, elastin, tropoelastin, and iron. The lead SPION agent consisted of a 10 nm iron oxide core with poly(maleicanhydride-alt-1-octadecene), (-36.21 mV, r 18.806 mmol/s). The irregular faceting of the iron oxide core resulted in high relaxivity and the PMAO provided a foundation for further functionalisation on surface -COOH groups. The properties of the contrast agent, including the negative surface charge and hydrodynamic size, were designed to maximise circulation time and evade rapid clearance through the renal system or phagocytosis. testing showed that the SPION agent was non-toxic. results show that the novel contrast agent accumulates in similar vascular regions to a gadolinium-based contrast agent (Gd-ESMA) targeted to elastin, which accumulates in plaque. There was a significant difference in SPION signal between the instrumented and the contralateral non-instrumented vessels in diseased mice (p = 0.0411, student's t-test), and between the instrumented diseased vessel and control vessels (p = 0.0043, 0.0022, student's t-test). There was no significant difference between the uptake of either contrast agent between stable and vulnerable plaques (p = 0.3225, student's t-test). Histological verification was used to identify plaques, and Berlin Blue staining confirmed the presence of nanoparticle deposits within vulnerable plaques and co-localisation with macrophages. This work presents a new MRI contrast agent for atherosclerosis which uses an under-explored surface ligand, demonstrating promising properties for behaviour, is still in circulation 24 hours post-injection with limited liver uptake, and shows good accumulation in a murine plaque model.

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