Engineered Nanoparticles with Recombinant Thrombolytic Agents for Targeted Drug Delivery in Ischemic Stroke with Magnetic Particle Imaging (MPI) and the Development and Characterization of optimized MPI Tracers

Abstract

Magnetic Particle Imaging (MPI), introduced in 2005, is a novel, radiation-free imaging modality with high sensitivity and the ability to provide quantitative tracer signals without interference from tissues or bones. MPI's unique features, including its capability for magnetic navigation and functional imaging, make it a promising tool for various medical applications. This thesis explores the potential of MPI in accelerating and improving the diagnosis and treatment of ischemic stroke, by immobilizing magnetic nanoparticles with thrombolytic agents, enabling precise delivery to the infarct core. Further, the research investigates the development of tailored MPI tracers to enhance imaging potential. The production and characterization of recombinant thrombolytic proteins, SBP-Amediplase and avi-Amediplase, using the HEK-293-6E cell expression system was successfully achieved. Amediplase and Actilyse® were effectively conjugated to magnetic nanoparticles via ED- Carbodiimide crosslinking, resulting in significantly enhanced binding capacity and thrombolytic activity. In vitro studies showed that Amediplase-conjugated nanoparticles exhibited 75% accelerated clot lysis under a magnetic field, indicating the potential of magnetically targeted thrombolysis in MPI. Seven genetically engineered variants of magnetosomes, biogenic nanoparticles synthesized by magnetotactic bacteria, with different morphological and magnetic properties, were evaluated as promising MPI tracers. The results categorize magnetosomes into promising and non-promising candidates based on their magnetic particle spectrometer (MPS) signal responses. ∆feoAB1, ∆feoAB12, and ∆Fe4, exhibit high signal amplitudes. Notably, ∆feoAB1 shows the strongest signal, with a 2.99-fold increase over Perimag®, and the stability and concentration-dependent signal, with significant magnetic moments, essential for MPI high-resolution. Additionally, the study explores the 3D system matrix for MPI imaging, which resulted in a higher signal-noise-to-ratio of ∆feoAB1 compared to Perimag®, indicating its superior potential for MPI image reconstruction. In conclusion, this research demonstrates the feasibility and effectiveness of MPI for targeted stroke therapy and highlights the importance of developing specialized tracers and thrombolytic agents for enhanced imaging and treatment outcomes.

Magnetpartikel-Bildgebung (MPI), eingeführt im Jahr 2005, ist eine neuartige, strahlungsfreie Bildgebungsmethode mit hoher Empfindlichkeit und der Fähigkeit, quantitative Tracersignale ohne Interferenzen durch Gewebe oder Knochen zu liefern. Die einzigartigen Eigenschaften von MPI, einschließlich der Fähigkeit zur magnetischen Navigation und funktionellen Bildgebung, machen es zu einem vielversprechenden Werkzeug für verschiedene medizinische Anwendungen. Diese Dissertation untersucht das Potenzial der MPI, die Diagnose und Behandlung ischämischer Schlaganfälle zu beschleunigen und zu verbessern. Dies erfolgt durch die Immobilisierung von mit Thrombolytika konjugierten magnetischen Nanopartikeln, wodurch eine präzise Abgabe an den Infarktkern ermöglicht wird. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit die Entwicklung maßgeschneiderter MPI-Tracer untersucht, um das Bildgebungspotenzial zu verbessern. Die Produktion und Charakterisierung der rekombinanten thrombolytischen Proteine SBP-Amediplase und Avi-Amediplase wurde unter Verwendung des HEK-293- 6E-Zell-Expressionssystems erfolgreich durchgeführt. Amediplase und Actilyse® wurden über ED-Carbodiimid-Kupplung effektiv an magnetische Nanopartikel konjugiert, was zu einer signifikant verbesserten Bindungskapazität und thrombolytischen Aktivität führte. In-vitro- Studien zeigten, dass Amediplase- konjugierte Nanopartikel unter einem Magnetfeld eine um 75 % beschleunigte Gerinnselauflösung aufwiesen, was auf das Potenzial der magnetisch gezielten Thrombolyse der MPI hinweist. Sieben gentechnisch veränderte Varianten von Magnetosomen - biogenen Nanopartikeln, die von magnetotaktischen Bakterien synthetisiert werden - wurden als vielversprechende MPI-Tracer mit unterschiedlichen morphologischen und magnetischen Eigenschaften evaluiert. Die Ergebnisse kategorisierten Magnetosomen in vielversprechende und weniger vielversprechende Kandidaten, basierend auf ihren Signalantworten im Magnetpartikelspektrometer (MPS). ∆feoAB1, ∆feoAB12 und ∆Fe4 zeigten hohe Signalamplituden. Es ist besonders hervorzuheben, dass ∆feoAB1 das stärkste Signal mit einer 2,99-fachen Erhöhung gegenüber Perimag® zeigte. Dieses konzentrationsabhängige Signal von ∆feoAB1 war stabil mit signifikanten magnetischen Momenten, die für eine hochauflösende MPI erforderlich sind. Darüber hinaus untersuchte die Studie die 3D-Systemmatrix für die MPI- Bildgebung, die zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis von ∆feoAB1 im Vergleich zu Perimag® führte, und damit größeres Potenzial für die MPI- Bildrekonstruktion hat. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Umsetzbarkeit und Wirksamkeit von MPI für die gezielte Schlaganfalltherapie und unterstreicht die Bedeutung der Entwicklung spezialisierter Tracer und Thrombolytika für verbesserte Bildgebungs- und Behandlungsergebnisse.