Gadolinium-Labeled Ferritin Nanoparticles as T1 Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging of Tumors

纳米颗粒 磁共振造影剂 磁共振成像 铁蛋白 核磁共振 化学 材料科学 医学 纳米技术 物理 放射科 生物化学 有机化学
作者
Yong Cai,Yuqing Wang,Tongwei Zhang,Yongxin Pan
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (9): 8771-8783 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsanm.0c01563
摘要

Recombinant human heavy chain (H-chain) ferritin (HFn) with gadolinium labeling (HFn-Gd) was designed as a targeted T1 contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI) to enhance MRI efficiency in diagnosing tumors at a low dosage. The HFn-Gd nanoparticle shows a larger hydrodynamic diameter (13.6 nm) as compared to HFn (12.5 nm), and a decreased ζ potential value (−14.3 mv) as compared to HFn (−6.2 mv). Fourier transform infrared spectroscopy characterization and X-ray photoelectron spectroscopy analysis indicate the conjugation of Gd on HFn nanoparticles. Compared with Gd-DTPA (DTPA, diethylenetriaminepentaacetic acid), the HFn-Gd nanoparticle has a high r1 value of 4.78 mM–1 s–1, showing good biocompatibility, stability, and active targeting ability to TfR1-positive cancer cells as revealed by cell viability tests, arsenazo III colorimetric assays, and laser scanning confocal microscopy examinations. The MRI of CFPAC-1 tumors using HFn-Gd nanoparticles (dose = 0.016 mmol Gd/kg body weight) shows an enhanced signal up to 30 min postinjection, which is significantly longer than that of Gd-DTPA (approximately 10 min). At such a low dose, the MRI of microscopic MDA-MB-231 tumors, with HFn-Gd nanoparticles, shows a significant signal change up to 60 min, while almost no detectable signal change occurs with Gd-DTPA. Furthermore, MRI reveals that HFn-Gd nanoparticles are mostly cleared through the renal system. Our results demonstrate that the HFn protein-based contrast agent integrates T1 signal enhancing, precise tumor targeting, and systematic clearance capabilities. It is an effective T1 contrast agent for MR imaging of tumors with a single low-dose injection.

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