Synthèse rapide de nanoparticules BiF₃@Ln (Gd, Yb, Er) enrobées de PVP pour l'imagerie CT avancée à faible toxicité

Résumé

La tomodensitométrie par rayons X (CT) a été largement utilisée dans la pratique clinique, et des agents de contraste tels que l'Iohexol sont souvent utilisés pour améliorer le contraste de l'imagerie CT entre les tissus normaux et malades. Cependant, de tels agents de contraste peuvent avoir une certaine toxicité. Ainsi, de nouveaux agents de contraste CT sont urgemment nécessaires. En raison du numéro atomique élevé (Z = 83), du faible coût, de la bonne sécurité biologique et de l'excellente propriété d'atténuation des rayons X (5,74 cm²/kg à 100 keV), le bismuth a suscité un grand intérêt des chercheurs dans le domaine des agents de contraste CT de taille nanométrique. Ici, nous avons synthétisé des nanoparticules (NP) BiF₃:Ln@PVP avec une taille de particule moyenne d'environ 380 nm. Après les avoir enrobées de polyvinylpyrrolidone (PVP), les NP BiF₃:Ln@PVP possédaient une bonne stabilité et une grande biocompatibilité. Pendant ce temps, comparé à l'agent de contraste clinique Iohexol, les NP BiF₃:Ln@PVP montraient un contraste d'imagerie CT in vitro supérieur. Ensuite, après injection in situ avec des NP BiF₃:Ln@PVP, la valeur CT du site tumoral après l'injection était significativement plus élevée qu'avant l'injection (la valeur CT de la pré-injection et post-injection était de 48,9 HU et 194,58 HU, respectivement). La morphologie du tractus gastro-intestinal (GI) peut être clairement observée au fil du temps après administration orale de NP BiF₃:Ln@PVP. Finalement, les NP BiF₃:Ln@PVP étaient complètement évacuées du tractus GI des souris dans les 48 h suivant l'administration orale sans dommage évident au tractus GI. En résumé, nos NP BiF₃:Ln@PVP facilement synthétisées peuvent être utilisées comme agent de contraste clinique potentiel et peuvent avoir de larges perspectives d'application dans l'imagerie CT.

Introduction

La tomodensitométrie par rayons X (CT) peut imager les tissus et organes internes de manière transversale avec une haute résolution et un faible prix [1, 2]. Ainsi, c'est un moyen important pour diagnostiquer les maladies respiratoires, digestives et du système urinaire [3-8]. Cependant, la CT a parfois un faible contraste entre les tissus malades et normaux. Ainsi, des 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, incluant des événements cardiaques et la néphrotoxicité ; ces problèmes limitent leur utilisation clinique et doivent être résolus d'urgence [10-15].

Les nanomatériaux ont montré de larges perspectives d'application dans la remédiation environnementale, les applications photovoltaïques, les catalyseurs, etc. [16-21]. Par exemple, Balati et al. [22] ont synthétisé un photocatalyseur hétérostructuré (HBTiO₂/RBIHM-MoS₂) en utilisant l'ablation laser pulsée dans le liquide (PLAL) suivie d'une irradiation micro-ondes. Les nanomatériaux ont aussi été largement utilisés en médecine, incluant l'imagerie et le traitement.

L'or (Au), le tantale (Ta), le platine (Pt), et d'autres éléments avec une haute atténuation des rayons X ont suscité l'intérêt des chercheurs, et les nanomatériaux synthétisés à partir de ces éléments ont été bien étudiés comme agents de contraste potentiels pour l'imagerie CT [1, 12-15, 23, 24]. Cependant, leur prix élevé et leur biosécurité incertaine limitent leur utilisation ultérieure. Le bismuth (Bi) est bien connu comme un élément biosûr à faible coût. Il a été utilisé dans la pratique clinique et joue un rôle critique dans la thérapie combinée pour Helicobacter pylori et d'autres maladies, incluant la maladie hépatique chronique ainsi que les ulcères gastriques et duodénaux. Il a une grande sécurité biologique et tolérance pendant le traitement [7, 25]. Aussi, le Bi a été utilisé dans la préparation d'agents de contraste à l'échelle nanométrique tels que HA-BiO NP, Bi₂S₃, BION, et Bi₂Te₃ en raison de son numéro atomique élevé (Z = 83) et de son excellente capacité d'atténuation des rayons X (5,74 cm²/kg à 100 keV) [26-29].

Par exemple, Mohsen Mahvi et al. ont synthétisé des nanofeuilles Bi₂Te₃ via un procédé polyol assisté par micro-ondes qui a montré un meilleur coefficient d'atténuation des rayons X que l'Iohexol commercial [29]. Ainsi, le Bi est un élément prometteur pour construire des agents de contraste CT à haute performance. Cependant, la préparation d'agents de contraste nano à base de Bi est compliquée [30, 31].

Ici, nous avons combiné le Bi avec les lanthanides (Gd, Yb, Er) via un protocole facile et peu coûteux pour fabriquer des nanoparticules (NP) BiF₃:Ln@PVP. Nous avons ensuite étudié son potentiel pour générer du contraste pour l'imagerie CT. Après enrobage des échantillons avec PVP, les NP BiF₃:Ln@PVP montraient 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). Important, après 48 h d'administration orale de BiF₃:Ln@PVP, les nanoparticules étaient complètement excrétées du corps sans dommage évident aux organes vitaux tels que le foie et les reins. Nous croyons 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 incluant les expériences sur animaux ont été approuvés par le comité d'éthique de l'Université de Xiamen dans la province du Fujian, Chine.

Matériaux et réactifs

Nitrate de bismuth pentahydraté (Bi(NO₃)₃·5H₂O, ≥ 99,99 %), fluorure d'ammonium (NH₄F, ≥ 99,99 %), nitrate d'ytterbium hexahydraté (Yb(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), nitrate d'erbium hexahydraté (Er(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), nitrate de gadolinium hexahydraté (Gd(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9 %), polyvinylpyrrolidone (PVP, ≥ 99,0 %), et Iohexol (≥ 99,0 %) ont été achetés chez Aladdin Reagents (Shanghai, Chine). Le kit de coloration vivant-mort et le kit de comptage cellulaire-8 (CCK-8) ont été achetés chez Yeasen (Shanghai, Chine). Le milieu RPMI 1640, la pénicilline, la streptomycine, et le sérum fœtal bovin (FBS) ont été achetés chez Gibco (New York, USA).

Fabrication des NP BiF₃:Ln@PVP

Les NP BiF₃: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 incluant 5 mL d'eau déionisée (DI) et 30 mL d'éthylène glycol pour former une solution transparente A. Celle-ci a ensuite été mélangée avec 0,5 g PVP (M_W = 10 000) et agitée à température ambiante pendant 10 min. NH₄F (20 mmol) a été dissous dans 10 mL DI pour former la solution B. La solution B a ensuite été versée dans la solution A, et un mélange blanc solution C a été formé après agitation pendant 20 min. La solution C a ensuite été mise dans un autoclave de 50 mL et chauffée à 180 °C pendant 24 h. La température a naturellement baissé à température ambiante après 24 h. Finalement, les échantillons ont été centrifugés (8000 tr/min, 3 min) et rincés par DI et alcool pour laver les substances non réagi. Les derniers échantillons ont été recueillis par lyophilisation.

Caractérisation des NP BiF₃:Ln@PVP

La morphologie des NP BiF₃:Ln@PVP a été détectée 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 spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) dans le TEM incluant l'analyse de cartographie. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX spectrometer, USA) a été utilisée pour distinguer les groupes fonctionnels des échantillons. Les structures cristallines et les caractéristiques de phase des NP BiF₃:Ln@PVP ont utilisé la diffraction des rayons X sur poudre (XRD, D8 Advance) avec rayonnement Cu Kα sous 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).

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

Cytocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP in vitro

La cytocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP in vitro a été estimée par un test vivant-mort et le test CCK-8. En détail, les cellules HepG2 ont été collectées et semées dans des plats de confocal à 5,0 × 10⁵. Les cellules ont ensuite été cultivées pendant la nuit. Les suspensions de NP BiF₃:Ln@PVP ont ensuite été ajoutées aux cellules à différentes concentrations (100, 200 et 400 μg/mL) et définies comme groupes expérimentaux. Pendant ce temps, le milieu sans nanoparticules a été ajouté et défini comme groupe témoin. Ensuite, les groupes expérimentaux et le groupe témoin ont été cultivés pendant 24 h. Après 24 h, nous avons doucement retiré le milieu original et le test vivant-mort a été effectué selon le protocole fourni par le fabricant. Brièvement, les cellules vivantes étaient marquées via Calcein-AM, tandis que les cellules mortes étaient colorées par l'iodure de propidium (PI) ; les cellules étaient ensuite observées sous un microscope confocal (Nikon, Japon).

Un test CCK-8 a été effectué pour déterminer davantage la cytotoxicité des NP BiF₃:Ln@PVP in vitro. En détail, les cellules HepG2 ont été collectées et semées dans une plaque à 96 puits avec 3000 cellules par puits et cultivées dans un incubateur pendant la nuit. Différentes concentrations de NP BiF₃:Ln@PVP (0, 25, 50, 100, 200 et 400 μg/mL) ont été mélangées avec les cellules et cultivées 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 OD 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 femelles BALB/c nues (4 à 6 semaines) ont été obtenues du Centre des animaux de laboratoire de l'Université de Xiamen (Xiamen, Chine). Les souris étaient élevées dans un environnement stérile et maintenues pour un cycle lumière/obscurité de 12 h. Les animaux ont été injectés avec des cellules HepG2 (1,0 × 10⁷/mL) sous-cutanément pour induire la formation de tumeurs. Toutes les expériences sur animaux dans ce travail ont été conduites selon le protocole approuvé par le Comité de soins et d'utilisation des animaux de l'Université de Xiamen.

Biocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP in vivo

L'analyse histologique a été utilisée pour observer la biocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP in vivo. Les souris du groupe expérimental ont été injectées avec une suspension de NP BiF₃:Ln@PVP à 200 mg/kg par la veine caudale ; les souris témoins ont été injectées par voie intraveineuse avec le même volume de PBS. Après 24 h, les organes majeurs incluant cœurs, foies, rates, poumons, reins et cerveaux ont été immédiatement retirés après que les souris ont été sacrifiées. Tous les organes ont été fixés avec du formol à 4 % pendant 12 h puis inclus dans la paraffine et coupés. Finalement, la coloration hématoxyline-éosine (H&E) a été effectuée. La morphologie des organes a été évaluée et capturée par un microscope à fluorescence vertical (Leica DM2700 P, Allemagne).

Performance CT des NP BiF₃:Ln@PVP in vitro et in vivo

Pour étudier l'application des NP BiF₃:Ln@PVP dans l'imagerie CT in vitro, des suspensions de NP BiF₃:Ln@PVP et d'Iohexol ont été préparées et diluées à 0, 0,625, 1,25, 2,5, 5,0, 10,0 et 20,0 mg/mL et mises dans des tubes Eppendorf de 0,3 mL. Les images CT et les valeurs CT correspondantes des suspensions de NP BiF₃:Ln@PVP et d'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 des NP BiF₃:Ln@PVP in vivo a été étudiée ; La suspension de NP BiF₃:Ln@PVP a été injectée intratumoralement dans des souris nues porteuses de tumeurs à 200 mg/kg (100 μL). Ensuite, les souris ont été anesthésiées et la machine CT à rayons X (Siemens, 80 kV, 88 μA) a été utilisée pour capturer des images CT avant et après l'administration de BiF₃:Ln@PVP.

Performance CT des NP BiF₃:Ln@PVP dans le tractus GI et analyse histologique

Pour explorer davantage la valeur des NP BiF₃:Ln@PVP dans l'imagerie CT, les souris ont été mises à jeun pendant la nuit et administrées par voie orale une suspension de NP BiF₃:Ln@PVP (300 μL, 20 mg/mL) par une sonde gastrique. Les souris ont ensuite été anesthésiées par injection intrapéritonéale d'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. Finalement, des modèles 3D des souris ont été reconstruits via la machine CT. Les souris ont ensuite été sacrifiées et les estomacs, intestins grêles et gros intestins ont été retirés et fixés avec du formol à 4 % pendant 12 h. Ils ont ensuite été inclus dans la paraffine et sectionnés avant la coloration H&E pour évaluer la toxicité gastro-intestinale des NP BiF₃:Ln@PVP.

Analyse statistique

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

Résultats et discussion

Fabrication et propriétés physicochimiques des NP BiF₃:Ln@PVP

Premièrement, les NP BiF₃:Ln@PVP ont été préparées par une réaction hydrothermale (Schéma 1). La Figure 1A montre la morphologie des NP BiF₃:Ln@PVP par TEM. Les NP BiF₃:Ln@PVP ont une structure sphérique uniforme. La taille moyenne des NP BiF₃:Ln@PVP est d'environ 380 nm et est uniformément dispersée. La figure en insertion montre que les nanoparticules ont une distribution de taille de particule relativement étroite (en bas à droite). La composition des NP BiF₃:Ln@PVP a été analysée par EDS après avoir évalué la morphologie des NP BiF₃:Ln@PVP. La Figure 1B-F montre une image en champ sombre des NP BiF₃:Ln@PVP prise avant l'analyse élémentaire. Les résultats montrent que nos nanoparticules sont principalement composées d'éléments Gd, Yb, Er et Bi, indiquant que les NP BiF₃:Ln@PVP ont été synthétisées avec succès.

Le PVP est un stabilisateur efficace pour améliorer la biocompatibilité et la stabilité des nanomatériaux [32]. Par conséquent, nous avons modifié nos nanoparticules avec PVP comme rapporté précédemment [33]. Les spectres FTIR ont été utilisés pour déterminer si le PVP a été enrobé avec succès sur la surface des nanoparticules (Fig. 2). Il y avait des pics d'absorption forts du groupe C=O et des pics du groupe C-N à 1658 et 1293 cm⁻¹, respectivement. Ceux-ci provenaient du PVP indiquant que l'enrobage de PVP sur la surface des nanoparticules était complet [34]. Le motif XRD des NP BiF₃:Ln@PVP est montré dans la Fig. 3. La Figure 3A montre que tous les pics sont bien adaptés avec les données de la carte standard BiF₃:Ln (PDF 74-0144) démontrant davantage que les NP BiF₃:Ln@PVP ont été préparées avec succès. Les paramètres atomiques de la structure BiF₃ peuvent être utilisés 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. La structure cristalline BiF₃ vue de l'axe C a des couches empilées dans la direction perpendiculaire à l'axe A (Fig. 4B), et la vue d'une structure unique de l'axe A montre que Bi est au centre de l'atome (Fig. 4C). Ces résultats indiquent que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une bonne structure cristalline, et l'enrobage de surface n'influence que légèrement la structure cristalline des NP BiF₃:Ln@PVP.

Stabilité et cytocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP

Puisque 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 les NP BiF₃:Ln@PVP ont une distribution relativement étroite dans DI et PBS (pH = 7,4), indiquant que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une bonne stabilité dans différentes solutions. Ainsi, elles sont appropriées pour les applications biologiques.

La cytotoxicité des NP BiF₃:Ln@PVP a été étudiée après avoir prouvé que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une bonne stabilité dans différentes solutions. L'expérience vivant-mort a évalué la cytotoxicité des NP BiF₃:Ln@PVP. Aucune fluorescence rouge évidente n'a été observée lorsque la concentration de suspension de NP BiF₃:Ln@PVP atteignait 400 µg/mL et était cultivée avec des cellules HepG2 pendant 24 h (comparé au groupe témoin ; Fig. 4C). Cela indique qu'il n'y avait pas de mort cellulaire significative dans le groupe expérimental. Ensuite, un test CCK-8 a été effectué pour étudier davantage la cytotoxicité des NP BiF₃:Ln@PVP. La Figure 4D montre la viabilité cellulaire des cellules HepG2 incubées avec diverses concentrations de suspensions de NP BiF₃:Ln@PVP pendant 24 h, les groupes expérimentaux de cellules HepG2 avaient tous des viabilités cellulaires relativement élevées. De plus, la viabilité cellulaire était aussi élevée que 85,96 % lorsque la concentration de la suspension de NP BiF₃:Ln@PVP atteignait 400 μg/mL. Ces résultats ont démontré que les NP BiF₃:Ln@PVP possédaient une biocompatibilité favorable in vitro, ce qui peut être attribué à l'enrobage de PVP sur la surface des NP BiF₃:Ln@PVP.

Biocompatibilité des NP BiF₃:Ln@PVP in vivo

En plus de la faible cytotoxicité, une bonne biocompatibilité in vivo est une autre condition nécessaire pour l'utilisation clinique des agents de contraste [35]. Ainsi, la suspension de NP BiF₃:Ln@PVP a été préparée et injectée dans les 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 organes majeurs ont été excisés pendant la nécropsie. La coloration H&E a été effectuée pour évaluer la toxicité systémique. La Figure 5 montre aucune anomalie pathologique évidente après l'administration de NP BiF₃:Ln@PVP pendant 24 h. Ces résultats indiquent que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une bonne biocompatibilité, ce qui est cohérent avec la faible cytotoxicité montrée ci-dessus.

Capacité des NP BiF₃:Ln@PVP en 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 rapporté précédemment. Par conséquent, un type prometteur d'agent de contraste peut être considéré. 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 [38-41]. Ici, pour évaluer l'effet d'agent de contraste des NP BiF₃:Ln@PVP, nous avons comparé la capacité d'atténuation des rayons X des NP BiF₃:Ln@PVP avec la solution d'agent de contraste commercial 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 change progressivement de l'ombre noire à l'ombre blanche 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 que I (Bi est 5,74 cm²/kg et I est 1,94 cm²/kg à 100 keV) [42].

La Figure 6C montre que la valeur CT (Unité Hounsfield, HU) augmente linéairement avec l'augmentation de la concentration des NP BiF₃:Ln@PVP et d'Iohexol (tous deux R² > 0,99) indépendamment de la tension de fonctionnement. La valeur CT de la concentration massique unitaire des NP BiF₃:Ln@PVP est beaucoup plus élevée que celle d'Iohexol (1,5 et 1,7 fois plus élevée qu'à 50 kV et 80 kV, respectivement). Ces résultats indiquent que les NP BiF₃:Ln@PVP peuvent fournir un meilleur effet de contraste aux mêmes doses versus l'Iohexol commercial ; ces données confirment que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une bonne capacité d'imagerie CT in vitro, ce qui est d'une grande importance car cela peut réduire la quantité d'agent de contraste tout en assurant de bons effets d'imagerie. Cela peut réduire significativement la toxicité et les effets secondaires.

Effet de contraste des NP BiF₃:Ln@PVP en imagerie CT in vivo

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

Performance d'imagerie CT du tractus GI des NP BiF₃:Ln@PVP et sa toxicité GI

Encouragés par les résultats prometteurs ci-dessus, nous avons été motivés à évaluer davantage l'application potentielle des NP BiF₃:Ln@PVP dans l'imagerie CT. En tant que méthode d'imagerie non invasive courante, la CT joue un rôle vital dans le diagnostic des maladies GI et la formulation de plans de traitement en raison de son traitement d'image commode, sans dommage tissulaire, et sans douleur pour les patients [43, 44]. L'agent de contraste couramment utilisé, le sulfate de baryum, est généralement utilisé avec de la poudre aérigène. En raison des différentes densités produites par les deux substances, le tractus GI ne peut pas toujours être clairement affiché, résultant en des diagnostics manqués, ce qui limite son utilisation clinique [45]. Ainsi, il est d'une grande importance d'explorer des agents de contraste GI à haute efficacité qui ne nécessitent pas d'assistance supplémentaire. Dans ce travail, nous avons exploré l'effet des NP BiF₃:Ln@PVP sur le tractus GI chez les souris nues.

La Figure 8A montre que la forme de l'estomac et de l'intestin grêle est devenue visible après administration orale de suspension de NP BiF₃:Ln@PVP (20 mg/mL, 300 μL) pendant 15 min. À 30 min, les NP BiF₃:Ln@PVP étaient métabolisées avec le péristaltisme de l'estomac. La morphologie de l'estomac devenait faible. À 120 min, la plupart des NP BiF₃:Ln@PVP étaient métabolisées de l'estomac, et seulement le contour restant de l'estomac était visible. Les NP BiF₃:Ln@PVP ont commencé à apparaître dans le contour du gros intestin à 6 h, indiquant que les nanoparticules commençaient à s'enrichir dans le gros intestin ; la morphologie du gros intestin était clairement visible à 12 h. La plupart des NP BiF₃:Ln@PVP étaient excrétées et seulement une petite partie restait à 24 h. Nous ne pouvions pas observer la morphologie GI à l'intervalle de 48 h, indiquant que toutes les NP BiF₃:Ln@PVP étaient excrétées du tractus GI. Après que les nanoparticules ont été complètement excrétées du tractus GI, les souris ont été sacrifiées et l'estomac, l'intestin grêle et le gros intestin ont été retirés pour un test H&E pour évaluer la toxicité GI des NP BiF₃:Ln@PVP. La Figure 8B montre aucun changement histologique évident dans l'estomac, l'intestin grêle, ou le gros intestin après 48 h d'administration orale de NP BiF₃:Ln@PVP démontrant que les NP BiF₃:Ln@PVP n'ont pas de toxicité significative pour le tractus GI. Ces résultats indiquent que les NP BiF₃:Ln@PVP peuvent être utilisées comme agent de contraste CT potentiel pour le tractus GI pour améliorer la performance d'imagerie CT du tractus GI, tout en n'ayant pas de toxicité évidente pour le tractus GI.

Ces résultats indiquent que les NP BiF₃:Ln@PVP ont un potentiel comme agents de contraste CT cliniques pour l'imagerie tumorale et gastro-intestinale. Cependant, en raison de la limitation de la taille des particules, les NP BiF₃:Ln@PVP ne peuvent pas atteindre un bon effet de perméabilité et de rétention accrue (EPR) [46]. La sécurité biologique à long terme des NP BiF₃: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 procédé hydrothermal. Les données TEM montrent que les NP BiF₃:Ln@PVP ont une structure sphérique uniforme avec une taille moyenne d'environ 380 nm. Les spectres FTIR montrent que le PVP a été enveloppé avec succès sur 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 les NP BiF₃:Ln@PVP ont une meilleure capacité d'atténuation des rayons X qu'Iohexol. Les études de biocompatibilité montrent que les NP BiF₃:Ln@PVP n'ont pas de toxicité évidente pour les organes majeurs in vivo. Finalement, la bonne capacité d'atténuation des rayons X permet aux NP BiF₃:Ln@PVP d'avoir de bons effets d'imagerie de contraste in vivo pour visualiser avec succès le tractus GI en détail sans causer de dommages au tractus GI. Par conséquent, notre travail offre un agent de contraste CT à haute efficacité avec une bonne stabilité hydrosoluble, une bonne biosécurité et une haute efficacité. Ces caractéristiques en font un candidat potentiel pour les agents de contraste cliniques.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés pendant l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

CT :

Tomodensitométrie

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

GI :

Gastro-intestinal

PLAL :

Ablation laser pulsée dans le liquide

Bi :

Bismuth

Gd :

Gadolinium

Yb :

Ytterbium

Er :

Erbium

Au :

Or

Ta :

Tantale

Pt :

Platine

I :

Iode

NP :

Nanoparticule

CCK-8 :

Kit de comptage cellulaire-8

RPMI :

Roswell Park Memorial Institute

FBS :

Sérum fœtal bovin

Ln :

Lanthanides

DI :

Eau déionisée

TEM :

Microscopie électronique à transmission

EDS :

Spectroscopie à dispersion d'énergie

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre

DLS :

Diffusion dynamique de la lumière

PI :

Iodure de propidium

H&E :

Hématoxyline-éosine

HU :

Unité Hounsfield

EPR :

Perméabilité et rétention accrues