Σύνθεση φεριττών κοβαλτίου ως έξυπνα μαγνητικά νανοσωματίδια κατάλληλα ως σκιαγραφικά μέσα στη μαγνητική απεικονιστική τομογραφία, ιχνηθέτες φθορισμού και μεταφορείς φαρμάκων

Abstract

The targeted synthesis of cobalt ferrite magnetic nanoparticles (CoFe2O4 MNPs) is presented along with the ability to control through synthetic variations crucial factors for their biological application like the size, the morphology, the magnetic properties and the surface coating of the resulting MNPs. The synthetic procedures that were followed enabled the preparation of MNPs as T2 contrast agents, as fluorescent probes (sulforhodamine B acid chloride (SRB)), as carriers of carboxylate anti-inflammatory drugs (naproxen (NAP), ibuprofen (IBU)) and as fluorescent probes/carriers of labeled biomolecules (isothiocyanate fluorescein bovine serum albumin, FITC-BSA). In total, seventeen samples were examined, while solvothermal synthesis proved a simple enviromentally friendly and a reproducible method for the isolation of CoFe2O4 MNPs. The investigated synthetic parameters were: the surfactant (oleylamine (OAm) and octadecylamine (ODA)), the presence/absence of solvent, the ratio and charge of metal precursors (acetylacetonate complexes of iron and cobalt). The size, the morphology, and the magnetic and surface properties of the resulting MNPs were characterized by transmission (ΤΕΜ) and scanning (SEM) electron microscopy, X ray diffraction, vibrating sample magnetometry (VSM), with a superconducting quantum interference device (SQUID), by Infrared, Raman, electron paramagnetic resonance (EPR) and nuclear paramagnetic resonance (NMR) spectroscopies, thermogravimetric analysis (TGA), etc. The as prepared CoFe2O4 MNPs ranged between 3-26 nm, while besides the generic formula, iron or cobalt rich MNPs were isolated. The magnetization values (41-89 emu/g) depend on the size and composition of the MNPs. The functionalization of the MNPs was facilitated through different methods: a) with the attachment of FITC-BSA on the double bond of OAm through “click” chemistry, b) with the addition of a negatively charged coating, sodium dodecyl sulfate (SDS) or positively charged cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), c) by ligand exchange of OAm or ODA by meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA), d) with stabilization in polymeric micelles of amphiphilic copolymers (HMWSP), e) by forming sulfonamide bond (coupling of SRB) or amide bond (coupling of carboxylate anti-inflammatory drugs (NAP, IBU) through the ΝΗ2 groups of ODA, f) through PEG-ylation (PEG-8000) of MNPs and loading of NAP, g) coating with branched polyethyleneimine (PEI ~1,800 Da) and coupling of NAP through and h) radiolabeling with 99mTc. The water dispersions of MNPs were studied as T2 contrast agents for magnetic resonance imaging. The MNPs/fluorescent probes (MNPs@FITC-BSA) were studied in vitro with confocal microscopy, while their cytotoxicity was assessed after interaction with four different human cell lines. The MNPs-NAP carriers were evaluated in terms of sustainable drug release and the biodistribution profiles in inflamed animal model were evaluated after radiolabeling MNPs-NAP carriers in terms of target selectivity.

Παρουσιάζεται η στοχευμένη σύνθεση μαγνητικών νανοσωματιδίων φερρίτη κοβαλτίου (CoFe2O4 MNPs) και η δυνατότητα ελέγχου μέσω αυτής, των ιδιοτήτων των MNPs όπως το μέγεθος, η μορφολογία, οι μαγνητικές ιδιότητες και η οργανική επικάλυψη, στοιχεία απαραίτητα για τη βιολογική τους εφαρμογή. Οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν επέτρεψαν τη μετατροπή των MNPs σε παράγοντες αντίθεσης Τ2, ιχνηθέτες φθορισμού με σουλφοροδαμίνη Β χλωριούχου οξέος (SRB) και σε μεταφορείς των καρβοξυλικών αντιφλεγμονωδών φαρμάκων ναπροξένης (NAP), ιβουπροβαίνης (IBU) καθώς και του φθορίζοντος βιομορίου αλβουμίνης βόειου ορού επισημασμένης με ισοθειοκυανική φλουορεσκεΐνη (FITC-BSA), ανάλογα με τις ιδιότητες των MNPs που προέκυψαν. Πραγματοποιήθηκε η μελέτη συνολικά δεκαεφτά δειγμάτων ενώ η διαλυτοθερμική σύνθεση που ακολουθήθηκε για την απομόνωση των CoFe2O4 MNPs είναι φιλική προς το περιβάλλον, επαναλήψιμη και με υψηλή απόδοση. Μελετήθηκαν οι εξής συνθετικοί παράγοντες: η επίδραση του επιφανειοδραστικού (ολεϋλαμίνη (OAm) και οκταδεκυλαμίνη (ODA)), η παρουσία/απουσία διαλύτη και η αναλογία και το σθένος των πρόδρομων μεταλλικών ενώσεων (ακετυλακετονικά σύμπλοκα σιδήρου και κοβαλτίου). Τα MNPs που προέκυψαν χαρακτηρίστηκαν ως προς τη δομή, τη μορφολογία, τις μαγνητικές και επιφανειακές τους ιδιότητες με ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ) και σάρωσης (SEM), με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (VSM), μαγνητόμετρο υπεραγώγιμης διάταξης κβαντικής αλληλεπίδρασης (SQUID), τις φασματοσκοπίες Raman, ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR), πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), υπερύθρου (FT-IR), με θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) κ.ά. Τελικά απομονώθηκαν CoFe2O4 MNPs διαφόρων μεγεθών (3-26 nm), με ποικίλη σύσταση (στοιχειομετρικοί φερρίτες ή πλούσιοι σε σίδηρο ή πλούσιοι σε κοβάλτιο). Η τιμή της μαγνήτισης (41-89 emu/g) εξαρτάται από το μέγεθος και τη σύσταση των MNPs. Η βιολειτουργική τροποποίηση των MNPs πραγματοποιήθηκε μέσω: α) δέσμευσης του FITC-BSA στο διπλό δεσμό της OAm με ανόρθωση του διπλού δεσμού με θειόλενο αντίδραση προσθήκης (“click”), β) επικάλυψης με το κατιονικό βρωμιούχο κετυλοτριμεθυλαμμώνιο (CTAB) ή το ανιονικό δωδεκυλοθειικό νάτριο (SDS), γ) ανταλλαγής του αρχικού ligand (OAm ή ODA) με το meso-2,3-διμερκαπτοηλεκτρικό οξύ (DMSA), δ) σταθεροποίησης σε πολυμερικά μικκύλια αμφίφιλων συμπολυμερών, ε) ανάπτυξης σουλφοναμιδικών (σύζευξη του φθορίζοντος μορίου SRB) ή αμιδικών δεσμών, (σύζευξη των NAP ή IBU), ζ) προσθήκη μορίων πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG-υλίωση με PEG-8000) των MNPs και φόρτωση της NAP, η) επικάλυψης με πολυαιθυλενιμίνη (PEI ~1,800 Da) και σύζευξη με NAP και θ) ραδιοεπισήμανσης με 99mTc. Οι υδατικές διασπορές των MNPs μελετήθηκαν ως σκιαγραφικά μέσα στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού. Τα MNPs/ιχνηθέτες φθορισμού με FITC-BSA μελετήθηκαν in vitro με συνεστιακή μικροσκοπία και εκτιμήθηκε η κυτταροτοξικότητα τους μέσω αλληλεπίδρασης με τέσσερις ανθρώπινες κυτταρικές σειρές. Οι MNPs-NAP/φορείς μελετήθηκαν ως προς την ελεγχόμενη αποδέσμευση της NAP και μετά από ραδιοεπισήμανση μελετήθηκε η βιοκατανομή των MNPs σε ποντίκια με φλεγμονή.