Multifunctional nanoparticles for MR and fluorescence imaging

Abstract

In the past few years a new generation of multifunctional nanoparticles (NPs) has been proposed for biomedical applications, whose structure is more complex than the structure of their predecessor monofunctional counterparts. The development of these novel NPs aims at enabling or improving the performance in imaging, diagnosis and therapeutic applications. The structure of such NPs comprises several components exhibiting various functionalities that enable the nanoparticles to perform multiple tasks simultaneously, such as active targeting of certain cells or compartmentalization, imaging and delivery of active drugs. This thesis presents two types of bimodal bio-imaging probes and describes their physical and chemical properties, namely their texture, structure, and 1H dynamics and relaxometry, in order to evaluate their potential as MRI contrast agents. The photoluminescence properties of these probes are studied, aiming at assessing their interest as optical contrast agents. These materials combine the properties of the trivalent lanthanide (Ln3+) complexes and nanoparticles, offering an excellent solution for bimodal imaging. The designed T1- type contrast agent are SiO2@APS/DTPA:Gd:Ln or SiO2@APS/PMN:Gd:Ln (Ln= Eu or Tb) systems, bearing the active magnetic center (Gd3+) and the optically-active ions (Eu3+ and Tb3+) on the surface of silica NPs. Concerning the relaxometry properties, moderate r1 increases and significant r2 increases are observed in the NPs presence, especially at high magnetic fields, due to susceptibility effects on r2. The Eu3+ ions reside in a single low-symmetry site, and the photoluminescence emission is not influenced by the simultaneous presence of Gd3+ and Eu3+. The presence of Tb3+, rather than Eu3+ ion, further increases r1 but decreases r2. The uptake of these NPs by living cells is fast and results in an intensity increase in the T1-weighted MRI images. The optical features of the NPs in cellular pellets are also studied and confirm the potential of these new nanoprobes as bimodal imaging agents. This thesis further reports on a T2 contrast agent consisting of core-shell NPs with a silica shell surrounding an iron oxide core. The thickness of this silica shell has a significant impact on the r2 and r2* relaxivities, and a tentative model is proposed to explain this finding. The cell viability and the mitochondrial dehydrogenase expression given by the microglial cells are also evaluated.

Nos últimos anos, surgiu uma nova geração de nanopartículas (NPs) multifuncionais destinada a aplicações biomédicas, mais concretamente para uso em técnicas de diagnóstico, reconstrução celular e em diversas aplicações terapêuticas. Em relação às suas antecessoras, estas novas nanopartículas apresentam uma estrutura mais elaborada, integrando vários componentes ativos com diferentes funcionalidades que, em princípio, permitem realizar diversas tarefas em simultâneo (como o direcionamento ativo para determinadas células ou compartimentos celulares, imagem e libertação de fármacos). Estas nanopartículas são designadas, por isso, de nanopartículas multifuncionais. A presente dissertação relata o desenvolvimento de dois tipos de sondas bimodais e as propriedades físico-químicas destas, nomeadamente a sua textura, estrutura e relaxometria e dinâmica de 1H , com o objectivo de avaliar o seu potencial como agentes de contraste para Imagem por Ressonância Magnética Nuclear (IRM). São, também, apresentados estudos de fotoluminescência que permitem avaliar o potencial daquelas sondas para serem usadas como agentes de contraste óptico. Estes materiais combinam as propriedades dos complexos de lantanídeos trivalentes (Ln3+) e das NPs funcionando, assim, como agentes bimodais. Foram desenvolvidos os seguintes sistemas fotoluminescentes e com contraste T1 em IRM em que os iões Ln3+ magnetica (Gd3+) e opticamente (Eu3+, Tb3+) activos se encontram à superfície das NPs de sílica: SiO2@APS/DTPA:Gd:Ln e SiO2@APS/Pyd-DTPA:Gd:Ln (Ln = Eu ou Tb). No que respeita às propriedades de relaxometria, na presença destas NPs observa-se um aumento moderado de r1 e considerável de r2, especialmente a campos magnéticos altos (devido aos efeitos de susceptibilidade para r2). Os iões Eu3+ apresentam um único ambiente local de baixa simetria, sendo que a emissão de fotoluminescência não é influenciada pela presença simultânea de Gd3+ e Eu3+. Verificou-se que a presença de Tb3+ (em lugar do ião Eu3+) aumenta ainda mais o valor r1, diminuindo r2. A internalização das NPs em células vivas é rápida e resulta num aumento de intensidade nas imagens ponderadas em T1. Foram estudadas as características ópticas de pastilhas de células (“cellular pellets”) contendo NPs, tendo-se confirmado o interesse das novas sondas propostas enquanto agentes para imagem bimodal. Esta dissertação relata, ainda, agentes com contraste em T2 para IRM, que consistem em um sistema núcleo-coroa (“core-shell”) em que é ajustável a espessura da coroa de sílica envolvendo o núcleo de óxido de ferro. A espessura do revestimento de sílica tem um efeito significativo sobre a relaxividade r2 e r2* , sendo aqui proposto um modelo para explicar este comportamento. A viabilidade celular e a expressão da desidrogenase mitocondrial das células da microglia foram também avaliadas.