Artificially Engineered Cubic Iron Oxide Nanoparticle as a High-Performance Magnetic Particle Imaging Tracer for Stem Cell Tracking

干细胞 纳米颗粒 磁粉成像 材料科学 磁性纳米粒子 氧化铁纳米粒子 矫顽力 核磁共振 纳米技术 生物物理学 生物 凝聚态物理 细胞生物学 物理
作者
Qiyue Wang,Xibo Ma,Hongwei Liao,Zeyu Liang,Fangyuan Li,Jie Tian,Daishun Ling
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (2): 2053-2062 被引量:153
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b08660
摘要

Stem cell therapies are increasingly recognized as the future direction of regenerative medicine, but the biological fate of the administrated stem cells remains a major concern for clinical translation, which calls for an approach to efficiently monitoring the stem cell behaviors in vivo. Magnetic particle imaging (MPI) is an emerging technology for cell tracking; however, its utility has been largely restricted due to the lack of optimal magnetic nanoparticle tracers. Herein, by controlled engineering of the size and shape of magnetic nanoparticles tailored to MPI physics theory, a specialized MPI tracer, based on cubic iron oxide nanoparticles with an edge length of 22 nm (CIONs-22), is developed. Due to the inherent lower proportion of disordered surface spins, CIONs-22 exhibit significantly larger saturation magnetization than that of spherical ones, while they possess similar saturation magnetization but smaller coercivity compared to larger-sized CIONs. These magnetic properties of CIONs-22 warrant high sensitivity and resolution of MPI. With their efficient cellular uptake, CIONs-22 exhibit superior MPI performance for stem cell labeling and tracking compared to the commercialized tracer Vivotrax. By virtue of these advantages, CIONs-22 enable real-time and prolonged monitoring of the spatiotemporal trajectory of stem cells transplanted to hindlimb ischemia mice, which demonstrates the great potential of CIONs-22 as MPI tracers to advance stem cell therapies.
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