Fabrication facile de BiF3 :Ln (Ln = Gd, Yb, Er)@PVP Nanoparticles pour l'imagerie par tomodensitométrie à haute efficacité

Introduction

La tomodensitométrie (TDM) à rayons X peut imager les tissus internes et les organes de manière transversale avec une haute résolution et un prix bas [1, 2]. Ainsi, c'est un moyen important pour diagnostiquer les maladies respiratoires, les maladies digestives et les maladies du système urinaire [3,4,5,6,7,8]. Cependant, la TDM a parfois un faible contraste entre les tissus malades et les tissus normaux. Ainsi, les agents de contraste tels que l'Iohexol sont largement utilisés dans la pratique clinique pour améliorer spécifiquement l'atténuation des rayons X des tissus malades. Cependant, les agents de contraste cliniques sont souvent utilisés à fortes doses en raison de la faible sensibilité des détecteurs CT [9]. De plus, les agents de contraste commerciaux à base d'iode ont un métabolisme extrêmement rapide dans le corps et des effets secondaires graves, notamment des événements cardiaques et une néphrotoxicité; ces problèmes limitent leur utilisation clinique et doivent être résolus de toute urgence [10,11,12,13,14,15].

Les nanomatériaux ont montré de larges perspectives d'application dans l'assainissement de l'environnement, les applications photovoltaïques, les catalyseurs, etc. [16,17,18,19,20,21]. Par exemple, Balati et al. [22] ont synthétisé un photocatalyseur hétérostructuré (HBTiO₂ /RBIHM-MoS₂ ) par ablation laser pulsée en liquide (PLAL) suivie d'une irradiation micro-ondes. Les nanomatériaux ont également été largement utilisés en médecine, notamment en imagerie et en traitement.

L'or (Au), le tantale (Ta), le platine (Pt) et d'autres éléments à forte atténuation des rayons X ont suscité l'intérêt des chercheurs, et les nanomatériaux synthétisés à partir de ces éléments ont fait l'objet de nombreuses recherches en tant qu'agents de contraste potentiels pour l'imagerie CT. 1, 12,13,14,15, 23, 24]. Cependant, leur prix élevé et leur biosécurité incertaine limitent leur utilisation ultérieure. Le bismuth (Bi) est bien connu comme élément biosécurisé à faible coût. Il a été utilisé dans la pratique clinique et joue un rôle essentiel dans la thérapie combinée pour Helicobacter pylori et d'autres maladies, y compris les maladies chroniques du foie ainsi que les ulcères gastriques et duodénaux. Il présente une grande sécurité biologique et une grande tolérance au cours du traitement [7, 25]. De plus, Bi a été utilisé dans la préparation d'agents de contraste à l'échelle nanométrique tels que les NP HA-BiO, Bi₂ S₃ , BION et Bi₂ Te₃ en raison de son numéro atomique élevé (Z = 83) et une excellente capacité d'atténuation des rayons X (5,74 cm ² kg ⁻¹ à 100 keV) [26,27,28,29].

Par exemple, Mohsen Mahvi et al. synthétisé Bi₂ Te₃ nanoflocons via un procédé de polyol assisté par micro-ondes qui a montré un meilleur coefficient d'atténuation des rayons X que l'Iohexol commercial [29]. Ainsi, Bi est un élément prometteur pour la construction d'agents de contraste CT haute performance. Cependant, la préparation d'agents de nanocontraste à base de Bi est compliquée [30, 31].

Ici, nous avons combiné Bi avec des lanthanides (Gd, Yb, Er) via un protocole simple et peu coûteux pour fabriquer BiF₃ :Ln@PVP nanoparticules (NPs). Nous avons ensuite étudié son potentiel de génération de contraste pour l'imagerie CT. Après avoir enduit les échantillons de PVP, BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont montré une bonne stabilité et une faible toxicité biologique. Ces échantillons présentent une meilleure atténuation des rayons X que l'Iohexol commercial in vitro, ont un bon contraste in vivo et offrent une excellente imagerie CT du tractus gastro-intestinal (GI). Fait important, après 48 h d'administration orale de BiF₃ :Ln@PVP, les nanoparticules ont été complètement excrétées du corps, ne montrant aucun dommage évident aux organes vitaux tels que le foie et les reins. Nous pensons que notre travail peut fournir une nouvelle base théorique pour l'utilisation clinique d'agents de contraste CT à l'échelle nanométrique.

Méthodes

Tous les protocoles expérimentaux, y compris les expérimentations animales, ont été approuvés par le comité d'éthique de l'Université de Xiamen dans la province du Fujian, en Chine.

Matériaux et réactifs

Nitrate de bismuth pentahydraté (Bi(NO₃ )₃ ·5H₂ O, ≥ 99,99%), fluorure d'ammonium (NH₄ F, ≥ 99,99%), nitrate d'ytterbium hexahydraté (Yb(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), nitrate d'erbium hexahydraté (Er(NO₃ )₃ ·6H₂ O, ≥ 99,9%), hexahydrate de nitrate de gadolinium (Gd(NO₃ )₃ ·6H₂ O, 99,9 %), la polyvinylpyrrolidone (PVP, 99,0 %) et l'Iohexol (≥  99,0 %) ont été achetés auprès d'Aladdin Reagents (Shanghai, Chine). Le kit de coloration de cellules mortes et le kit de comptage de cellules-8 (CCK-8) ont été achetés auprès de Yeasen (Shanghai, Chine). Le milieu RPMI 1640, la pénicilline, la streptomycine et le sérum bovin fœtal (FBS) ont été achetés auprès de Gibco (New York, USA).

Fabrication de BiF₃ :Ln@PVP NPs

Le BiF₃ :Les NP de Ln@PVP ont été synthétisées via une approche hydrothermale. En détail, 1 mmol Ln(NO₃ )₃ , (Ln = Yb, Er et Gd), et 1 mmol Bi(NO₃ )₃ ont été dissous dans une solution de 35 ml comprenant 5 ml d'eau déminéralisée (DI) et 30 ml d'éthylène glycol pour former une solution transparente A. Celle-ci a ensuite été mélangée avec 0,5 g de PVP (M_W =10 000) et agité à température ambiante pendant 10 min. NH₄ F (20 mmol) a été dissous dans 10 ml de DI pour former la solution B. La solution B a ensuite été versée dans la solution A et une solution de mélange blanc C s'est formée après agitation pendant 20 min. La solution C a ensuite été placée dans un autoclave de 50 ml et chauffée à 180 °C pendant 24 h. La température est naturellement descendue à la température ambiante après 24 h. Enfin, les échantillons ont été centrifugés (8 000 tr/min, 3 min) et rincés au DI et à l'alcool pour éliminer les substances n'ayant pas réagi. Les derniers échantillons ont été recueillis par lyophilisation.

Caractérisation de BiF₃ :Ln@PVP NPs

La morphologie de BiF₃ :Ln@PVP NPs a été détecté par microscopie électronique à transmission (TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford) avec une tension de fonctionnement de 300 kV. La composition des nanoparticules a été analysée par spectre de dispersion d'énergie (EDS) en MET, y compris l'analyse cartographique. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR, spectromètre Thermo Scientific Nicolet iN10 MX, USA) a été utilisée pour distinguer les groupes fonctionnels des échantillons. Les structures cristallines et la caractéristique de phase du BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont utilisé la diffraction des rayons X sur poudre (XRD, D8 Advance) avec un rayonnement Cu Kα dans des conditions de 40 kV et 40 mA. La distribution de taille des nanoparticules dispersées dans DI et PBS (pH 7,4) a été étudiée par diffusion dynamique de la lumière (DLS, Brookhaven Instruments-Omni, USA).

Lignée cellulaire et culture cellulaire :les cellules HepG2 provenaient de la banque de cellules de l'Académie chinoise des sciences (Shanghai, Chine). Les cellules ont été cultivées dans du milieu RPMI 1640 contenant 10 % de sérum bovin foetal (FBS) et 1 % de pénicilline-streptomycine sous 37 °C et 5 % de CO₂ conditions. Le milieu de culture était remplacé tous les deux jours.

Cytocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs In Vitro

La cytocompatibilité de BiF₃ :Les NPs Ln@PVP in vitro ont été estimées par un test live-dead et le test CCK-8. Dans le détail, les cellules HepG2 ont été collectées et ensemencées dans des boîtes confocales à 5,0 × 10 ⁵ . Les cellules ont ensuite été cultivées pendant une nuit. Le BiF₃ :Des suspensions de Ln@PVP NP ont ensuite été ajoutées aux cellules à différentes concentrations (100, 200 et 400 μg/mL) et définies comme groupes expérimentaux. Pendant ce temps, un milieu sans nanoparticules a été ajouté et défini comme groupe témoin. Par la suite, les groupes expérimentaux et le groupe témoin ont été cultivés pendant 24 h. Après 24 h, nous avons délicatement retiré le milieu d'origine et le test des morts-vivants a ensuite été effectué selon le protocole fourni par le fabricant. Brièvement, les cellules vivantes ont été marquées via Calcein-AM, tandis que les cellules mortes ont été colorées par l'iodure de propidium (PI); les cellules ont ensuite été observées au microscope confocal (Nikon, Japon).

Un test CCK-8 a été effectué pour déterminer davantage la cytotoxicité de BiF₃ :NPs Ln@PVP in vitro. Dans le détail, les cellules HepG2 ont été collectées et ensemencées dans une plaque 96 puits avec 3000 cellules par puits et cultivées dans un incubateur pendant une nuit. Différentes concentrations de BiF₃ :Ln@PVP NP (0, 25, 50, 100, 200 et 400 μg/mL) ont été mélangés aux cellules et cultivés pendant 24 h. Le réactif CCK-8 (10 μL) a été ajouté dans chaque puits et incubé pendant 2 h à 37 °C. Plus tard, les valeurs de DO de chaque puits ont été mesurées à 450 nm par un lecteur de microplaques SPECTRA max (modèle 680, Bio-Rad, Tokyo, Japon), et la viabilité cellulaire de chaque concentration a été calculée selon la formule fournie par le fabricant. Ces expériences ont été répétées trois fois.

Animaux

Des souris nudes femelles BALB/c (âgées de 4 à 6 semaines) ont été obtenues auprès du Xiamen University Laboratory Animal Center (Xiamen, Chine). Les souris ont été élevées dans un environnement stérile et maintenues pendant un cycle lumière/obscurité de 12 h. Les animaux ont reçu une injection de cellules HepG2 (1,0 × 10 ⁷ /mL) par voie sous-cutanée pour induire la formation de tumeurs. Toutes les expérimentations animales dans ce travail ont été menées selon le protocole approuvé par le Comité de protection et d'utilisation des animaux de l'Université de Xiamen.

Biocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs In Vivo

L'analyse histologique a été utilisée pour observer la biocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs in vivo. Les souris du groupe expérimental ont reçu une injection de BiF₃ :Ln@PVP NP suspension à 200 mg/kg par la veine caudale ; des souris témoins ont reçu une injection intraveineuse du même volume de PBS. Après 24 h, les principaux organes, notamment le cœur, le foie, la rate, les poumons, les reins et le cerveau, ont été immédiatement prélevés après le sacrifice des souris. Tous les organes ont été fixés avec un fixateur de paraformaldéhyde à 4 % pendant 12 h, puis inclus dans de la paraffine et tranchés. Enfin, une coloration à l'hématoxyline-éosine (H&E) a été réalisée. La morphologie des organes a été évaluée et capturée par un microscope à fluorescence droit (Leica DM2700 P, Allemagne).

Performance CT de BiF₃ :Ln@PVP NPs In Vitro et In Vivo

Pour étudier l'application de BiF₃ :Ln@PVP NPs Imagerie CT in vitro, BiF₃ :Les suspensions Ln@PVP NP et Iohexol ont été préparées et diluées à 0, 0,625, 1,25, 2,5, 5,0, 10,0 et 20,0 mg/mL et prélevées dans des tubes Eppendorf de 0,3 mL. Les images CT et les valeurs CT correspondantes de BiF₃ :Les suspensions Ln@PVP NP et Iohexol ont été obtenues et enregistrées par un instrument CT à rayons X (Siemens) avec une tension de fonctionnement de 50 kV et 80 kV, respectivement. Ensuite, la capacité d'imagerie CT de BiF₃ :Les NPs Ln@PVP in vivo ont été étudiées; Le BiF₃ :La suspension Ln@PVP NP a été injectée par voie intratumorale aux souris nudes porteuses de tumeurs à 200 mg/kg (100 L). Par la suite, les souris ont été anesthésiées et l'appareil de tomodensitométrie à rayons X (Siemens, 80 kV, 88 μA) a été utilisé pour capturer des images CT avant et après l'administration de BiF₃ :Ln@PVP.

Performance CT de BiF₃ :Ln@PVP NPs dans le tractus gastro-intestinal et l'analyse histologique

Pour explorer davantage la valeur de BiF₃ :NPs Ln@PVP en imagerie CT, les souris ont été à jeun pendant la nuit et ont reçu par voie orale un BiF₃ :suspension Ln@PVP NP (300 μL, 20 mg/mL) par sonde gastrique. Les souris ont ensuite été anesthésiées par voie intrapéritonéale avec de l'hydrate de chloral. Ensuite, des images GI à différents intervalles (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 h, 12 h, 24 h et 48 h) ont été capturées à 80 kV. Enfin, des modèles 3D des souris ont été reconstruits via la machine CT. Les souris ont ensuite été sacrifiées et les estomacs, l'intestin grêle et le gros intestin ont été prélevés et fixés avec du paraformaldéhyde à 4 % pendant 12 h. Ils ont ensuite été inclus dans de la paraffine et sectionnés avant coloration H&E pour évaluer la toxicité gastro-intestinale du BiF₃ :Ln@PVP NPs.

Analyse statistique

Les dates ont été analysées à l'aide de l'ANOVA à un facteur ; un P value < 0,05 a été considérée comme statistiquement significative dans toutes les analyses (niveau de confiance de 95 %).

Résultats et discussion

Fabrication et propriétés physicochimiques du BiF₃ :Ln@PVP NPs

Tout d'abord, le BiF₃ :Ln@PVP NPs ont été préparés par une réaction hydrothermale (Schéma 1). La figure 1A montre la morphologie du BiF₃ :Ln@PVP NPs par TEM. Le BiF₃ :Les NP de Ln@PVP ont une structure uniforme et sphérique. La taille moyenne du BiF₃ :Ln@PVP NPs est d'environ 380 nm et est uniformément dispersé. La figure de l'insert montre que les nanoparticules ont une distribution granulométrique relativement étroite (en bas à droite). La composition de BiF₃ :Les NP de Ln@PVP ont été analysées par EDS après évaluation de la morphologie du BiF₃ :Ln@PVP NPs. La figure 1B–F montre une image en fond noir de BiF₃ :Ln@PVP NPs prises avant analyse élémentaire. Les résultats montrent que nos nanoparticules sont principalement composées d'éléments Gd, Yb, Er et Bi, indiquant que le BiF₃ :Ln@PVP NPs ont été synthétisés avec succès.

Schéma de principe de BiF₃ :Processus de synthèse des NPs Ln@PVP et ses applications

Morphologie et granulométrie du BiF_3 : Ln@PVP NPs. Un Images TEM du BiF_3 : Ln@PVP NPs et ses distributions granulométriques (en bas à droite). B –F TEM à fond noir de l'image de BiF_3 : Ln@PVP NPs et cartes élémentaires TEM correspondantes de Gd, Yb, Bi et Er

Le PVP est un stabilisant efficace pour améliorer la biocompatibilité et la stabilité des nanomatériaux [32]. Par conséquent, nous avons modifié nos nanoparticules avec PVP comme indiqué précédemment [33]. Les spectres FTIR ont été utilisés pour déterminer si le PVP a été appliqué avec succès sur la surface des nanoparticules (Fig. 2). Il y avait de forts pics d'absorption du groupe C=O et des pics du groupe C–N à 1658 et 1293 cm ⁻¹ , respectivement. Ceux-ci provenaient de PVP indiquant que le revêtement de PVP sur la surface des nanoparticules était complet [34]. Le modèle XRD du BiF₃  : Les NP Ln@PVP sont illustrées à la figure 3. La figure 3A montre que tous les pics correspondent bien à la carte standard BiF_3 : Ln data (PDF 74-0144) démontrant en outre que le BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont été préparées avec succès. Les paramètres atomiques du BiF₃ La structure peut être utilisée comme paramètres initiaux dans la carte CIF standard via le logiciel Diamond. La structure standard a donné PDF 74-0144, a = b = c = 5.865 Å, V = 201.75(3) Å, et densité (c ) = 8,755. Le BiF₃ la structure cristalline vue depuis l'axe C a des couches empilées dans la direction perpendiculaire à l'axe A (Fig. 4B), et la vue d'une structure unique depuis l'axe A montre que Bi est au centre de l'atome (Fig. 4C). Ces résultats indiquent que BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont une bonne structure cristalline, et le revêtement de surface n'influence que légèrement la structure cristalline de BiF₃ :Ln@PVP NPs.

Spectres FTIR de BiF_3 : Ln@PVP NPs. La ligne bleue représente le pic d'absorption initial du BiF₃ :Ln. La ligne rouge représente le pic d'absorption après modification du PVP à la surface des nanoparticules

Modèle XRD de BiF₃ :Ln@PVP NPs. Un Tous les sommets du BiF₃ :Ln sont bien assortis avec la carte standard BiF₃ :données Ln (PDF 74-0144). B La vue de la distribution atomique depuis l'axe C et C montrer la coordination le long de l'axe A

Stabilité et cytocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs. Un Le diamètre hydrodynamique de BiF₃ :Ln@PVP NPs en DI et B PBS (pH 7,4). C Test des morts-vivants et D Dosage CCK-8 des cellules HepG2 traitées avec différentes concentrations du BiF₃  :Ln@PVP NPs pendant 24 h

Stabilité et cytocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs

Étant donné que la taille de dispersion des nanoparticules peut affecter l'interaction avec les systèmes biologiques, il est nécessaire d'étudier la taille de dispersion des nanoparticules dans différentes solutions [33]. La figure 4A, B montre que le BiF_3 : Les NP Ln@PVP ont une distribution relativement étroite dans DI et PBS (pH = 7.4), indiquant que le BiF_3 : Les NPs Ln@PVP ont une bonne stabilité dans différentes solutions. Ainsi, ils conviennent aux applications biologiques.

La cytotoxicité du BiF₃ :Les NP de Ln@PVP ont été étudiées après avoir prouvé que BiF_3 : Les NPs Ln@PVP ont une bonne stabilité dans différentes solutions. L'expérience des morts-vivants a évalué la cytotoxicité de BiF_3 : Ln@PVP NPs. Aucune fluorescence rouge évidente n'a été observée lorsque la concentration de BiF₃ :La suspension Ln@PVP NP a atteint 400 µg/mL et a été cultivée avec des cellules HepG2 pendant 24 h (par rapport au groupe témoin ; Fig. 4C). Ceci indique qu'il n'y a pas eu de mort cellulaire significative dans le groupe expérimental. Par la suite, un test CCK-8 a été effectué pour étudier plus avant la cytotoxicité de BiF₃ :Ln@PVP NPs. La figure 4D montre la viabilité cellulaire des cellules HepG2 incubées avec diverses concentrations de BiF₃ :Ln@PVP NP suspensions pendant 24 h, les groupes expérimentaux de cellules HepG2 avaient tous des viabilités cellulaires relativement élevées. De plus, la viabilité cellulaire atteignait 85,96 % lorsque la concentration de BiF_3 : La suspension Ln@PVP NP a atteint 400 μg/mL. Ces résultats ont démontré que le BiF_3 : Les NP Ln@PVP possédaient une biocompatibilité favorable in vitro, qui peut être attribuée au revêtement de PVP sur la surface du BiF₃ :Ln@PVP NPs.

Biocompatibilité de BiF₃ :Ln@PVP NPs In Vivo

En plus d'une faible cytotoxicité, une bonne biocompatibilité in vivo est une autre condition nécessaire à l'utilisation clinique des agents de contraste [35]. Ainsi, le BiF_3 : La suspension Ln@PVP NP a été préparée et injectée aux souris à 200 mg/kg (100 μL) par la veine caudale. Le même volume de solution PBS a été injecté et défini comme groupe témoin. Après 24 h, les souris ont été sacrifiées et les principaux organes ont été excisés lors de l'autopsie. La coloration H&E a été réalisée pour évaluer la toxicité du système. La figure 5 ne montre aucune anomalie pathologique évidente après BiF₃ :Ln@PVP NPs administration pendant 24 h. Ces résultats indiquent que BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont une bonne biocompatibilité, ce qui est cohérent avec la faible cytotoxicité indiquée ci-dessus.

Images de coloration H&E des principaux organes avant et après BiF₃ :Administration Ln@PVP NPs (barre d'échelle 200 µm)

La capacité de BiF₃ :Ln@PVP NPs Imagerie CT In Vitro

Les éléments avec des numéros atomiques élevés ont généralement des effets de contraste élevés en raison de leur grande atténuation des rayons X. Par exemple, les agents de contraste préparés à partir de métaux précieux avec un numéro atomique élevé (Au [36], Ag [37], etc.) ont d'excellents effets d'imagerie CT comme indiqué précédemment. Par conséquent, un type prometteur d'agent de contraste peut être envisagé. Cependant, leur coût élevé limite leur application clinique ultérieure. Le bismuth a une bonne sécurité biologique et un faible coût, avec une grande capacité d'atténuation des rayons X [38,39,40,41]. Ici, pour évaluer l'effet de l'agent de contraste de BiF₃ :Ln@PVP NPs, nous avons comparé la capacité d'atténuation des rayons X de BiF₃ :Ln@PVP NPs avec la solution commerciale d'agent de contraste Iohexol in vitro. La figure 6A, B montre les images CT correspondantes de BiF₃ :Ln@PVP et Iohexol sous différentes tensions de fonctionnement (50 kV et 80 kV, respectivement). La figure 6A, B indique que le niveau de gris de l'image passe progressivement du noir au blanc à mesure que la concentration des suspensions augmente. Cependant, à la même concentration, BiF₃ :Ln@PVP a une teinte plus brillante que Iohexol car le coefficient d'atténuation des rayons X de Bi est plus élevé I (Bi est de 5,74 cm ² kg ⁻¹ et je mesure 1,94 cm ² kg ⁻¹ à 100 keV) [42].

Comparaison de l'effet de l'imagerie CT in vitro entre BiF_3 : Ln@PVP NPs et Iohexol. Un , B Imagerie CT in vitro sous différentes tensions de fonctionnement (50 et 80 kV, respectivement) de BiF_3 : Ln@PVP NPs et Iohexol. C Les valeurs CT correspondantes de BiF_3 : Ln@PVP NPs et Iohexol sous 50 et 80 kV, respectivement

La figure 6C montre que la valeur CT (unité Hounsfield, HU) augmente linéairement avec l'augmentation de BiF₃ :Ln@PVP NPs et concentration en Iohexol (tous deux R ² > 0.99) quelle que soit la tension de fonctionnement. La valeur CT de la concentration massique unitaire de BiF₃ :Ln@PVP NPs est beaucoup plus élevé que celui de l'Iohexol (1,5 et 1,7 fois plus élevé qu'à 50 kV et 80 kV, respectivement). Ces résultats indiquent que le BiF₃ :Les NPs Ln@PVP peuvent fournir un meilleur effet de contraste aux mêmes doses par rapport à l'Iohexol commercial; ces données confirment que le BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont une bonne capacité d'imagerie CT in vitro, ce qui est d'une grande importance car elle peut réduire la quantité d'agent de contraste tout en assurant de bons effets d'imagerie. Cela peut réduire considérablement la toxicité et les effets secondaires.

Effet de contraste de BiF₃ :Ln@PVP NPs In Vivo CT Imaging

Le BiF₃ :La suspension Ln@PVP NP a ensuite été injectée par voie intratumorale dans les souris porteuses de tumeurs (200 mg/kg, 100 µL) pour évaluer l'effet de contraste de BiF₃ :Ln@PVP NPs en imagerie CT in vivo. Un fort changement d'intensité du signal est détecté par rapport à la ligne de base dans la même zone tumorale après 1 h d'administration de BiF₃ :suspension Ln@PVP NP (Fig. 7A). Pendant ce temps, la figure 7B montre que la valeur CT de la post-injection (184,58 HU) est beaucoup plus élevée que la pré-injection (48,9 HU). Cela est dû à l'augmentation du coefficient d'atténuation des rayons X du tissu tumoral après BiF₃ :Les NP Ln@PVP sont distribuées dans le tissu tumoral. Les résultats indiquent que le BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont une grande capacité d'imagerie CT in vivo.

BiF_3 : Effet d'imagerie CT Ln@PVP NPs in vivo. Un Images CT avant et après BiF_3 : Injection de Ln@PVP NPs et B la valeur CT correspondante. Le cercle rouge indique le tissu tumoral

Performances d'imagerie CT du tractus GI de BiF₃ :Ln@PVP NPs et sa toxicité gastro-intestinale

Encouragés par les résultats prometteurs ci-dessus, nous étions motivés pour évaluer davantage l'application potentielle de BiF₃ :Ln@PVP NPs en imagerie CT. En tant que méthode d'imagerie non invasive courante, la tomodensitométrie joue un rôle essentiel dans le diagnostic des maladies gastro-intestinales et la formulation de plans de traitement en raison de son traitement d'image pratique, de l'absence de lésions tissulaires et de l'indolence des patients [43, 44]. L'agent de contraste de sulfate de baryum couramment utilisé est généralement utilisé avec une poudre aérogène. En raison des différentes densités produites par les deux substances, le tractus gastro-intestinal ne peut pas toujours être clairement affiché, ce qui entraîne des diagnostics manqués, ce qui limite son utilisation clinique [45]. Ainsi, il est d'une grande importance d'explorer des agents de contraste gastro-intestinaux à haute efficacité qui ne nécessitent pas d'assistance supplémentaire. Dans ce travail, nous avons exploré l'effet de BiF₃ :Ln@PVP NPs sur le tractus gastro-intestinal chez la souris nude.

La figure 8A montre que la forme de l'estomac et de l'intestin grêle est devenue visible après l'administration orale de BiF₃ :Ln@PVP NP suspension (20 mg/mL, 300 μL) pendant 15 min. A 30 min, le BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont été métabolisées avec le péristaltisme de l'estomac. La morphologie de l'estomac s'affaiblit. A 120 min, la plupart des BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont été métabolisées à partir de l'estomac, et seul le contour restant de l'estomac était visible. Le BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont commencé à apparaître dans le contour du gros intestin à 6 h, indiquant que les nanoparticules ont commencé à s'enrichir dans le gros intestin ; la morphologie du gros intestin était clairement visible à 12 h. La plupart des BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont été excrétées et il ne reste qu'une petite partie à 24 h. Nous n'avons pas pu observer la morphologie GI à 48 h d'intervalle, ce qui indique que tous les BiF₃ :Ln@PVP NPs ont été excrétés du tractus gastro-intestinal. Une fois que les nanoparticules ont été complètement excrétées du tractus gastro-intestinal, les souris ont été sacrifiées et l'estomac, l'intestin grêle et le gros intestin ont été prélevés pour un test H&E afin d'évaluer la toxicité gastro-intestinale du BiF₃ :Ln@PVP NPs. La figure 8B ne montre aucun changement histologique évident dans l'estomac, l'intestin grêle ou le gros intestin après 48 h d'administration orale de BiF₃ :NPs Ln@PVP démontrant que les NPs BiF3:Ln@PVP n'ont pas de toxicité significative pour le tractus gastro-intestinal. Ces résultats indiquent que BiF₃ :Ln@PVP NPs peut être utilisé comme agent de contraste CT potentiel pour le tractus gastro-intestinal afin d'améliorer les performances d'imagerie CT du tractus gastro-intestinal, tout en n'ayant aucune toxicité évidente pour le tractus gastro-intestinal.

Un Images CT du tractus gastro-intestinal après administration orale de BiF_3 : Ln@PVP NPs à différents intervalles (0, 15 min, 30 min, 120 min, 6 h, 12 h, 24 h et 48 h). B Images de coloration H&E de l'estomac, de l'intestin grêle et du gros intestin avant et après l'administration orale de BiF3 :Ln@PVP NPs (barre d'échelle, 200 µm). "S", "SI" et "LI" représentent respectivement l'estomac, l'intestin grêle et le gros intestin

Ces résultats indiquent que BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont un potentiel en tant qu'agents de contraste clinique CT pour l'imagerie tumorale et gastro-intestinale. Cependant, en raison de la limitation de la taille des particules, BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ne peuvent pas obtenir un bon effet de perméabilité et de rétention améliorées (EPR) [46]. La sécurité biologique à long terme de BiF₃ :Les NP Ln@PVP et le processus métabolique in vivo nécessitent une étude plus approfondie.

Conclusion

Ici, nous avons synthétisé un nouvel agent de contraste CT via un processus hydrothermal. Les données TEM montrent que BiF₃ :Les NP Ln@PVP ont une structure sphérique uniforme avec une taille moyenne d'environ 380 nm. Les spectres FTIR montrent que le PVP a été enroulé avec succès à la surface des nanoparticules pour améliorer la sécurité biologique des nanoparticules. Nous avons ensuite comparé l'effet d'imagerie CT in vitro avec Iohexol sous différentes tensions de fonctionnement. Les résultats indiquent que le BiF₃ :Les NPs Ln@PVP ont une meilleure capacité d'atténuation des rayons X que l'Iohexol. Des études de biocompatibilité montrent que le BiF₃ :Les NPs Ln@PVP n'ont pas de toxicité évidente pour les organes majeurs in vivo. Enfin, la bonne capacité d'atténuation des rayons X permet à BiF₃ :Ln@PVP NPs pour avoir de bons effets d'imagerie de contraste in vivo pour visualiser avec succès le tractus gastro-intestinal en détail sans endommager le tractus gastro-intestinal. Par conséquent, notre travail propose un agent de contraste CT à haute efficacité avec une bonne stabilité hydrosoluble, une bonne biosécurité et une efficacité élevée. Ces caractéristiques en font un candidat potentiel pour les agents de contraste cliniques.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

CT :

Tomodensitométrie

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

IG :

Gastro-intestinal

PLAL :

Ablation laser pulsée en liquide

Bi :

Bismuth

Dieu :

Nitrate de gadolinium

Yb :

Ytterbium

Euh :

Erbium

Au :

Or

Ta :

Tantale

Pt :

Platine

Je :

Iode

NP :

Nanoparticule

CCK-8 :

Kit de comptage cellulaire-8

RPMI :

Institut commémoratif de Roswell Park

FBS :

Sérum fœtal bovin

Ln :

Lanthanides

DI :

Eau déminéralisée

TEM :

Microscopie électronique à transmission

EDS :

Spectre de dispersion d'énergie

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre

DLS :

Diffusion dynamique de la lumière

IP :

Iodure de propidium

H&E :

Hématoxyline–éosine

HU :

Unité Hounsfield

EPR :

Perméabilité et rétention améliorées