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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-99747
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9974/


Labeling Stem Cells and Macrophages with Gold and Iron Oxide Nanoparticles for Tracking Applications

Beschriftung von Stammzellen und Makrophagen mit Gold - und Eisenoxid-Nanopartikeln für die Rückverfolgung

Sun, Xing

Originalveröffentlichung: (2019) Applied Materials Today. 15(2019)267–279.
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Nanomedizin , Zellen
Freie Schlagwörter (Englisch): Stem cell , nanoparticles , Tracking
Basisklassifikation: 42.15 , 42.12 , 35.40 , 35.10
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hansen, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 08.08.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 19.09.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Diese kumulative Dissertation zielt darauf ab, die optimalen Markierungsbedingungen für mesenchymale Stammzellen (humane Stammzellen, Hundestammzellen und Pferdestammzellen) sowie für alveolare Mausmakrophagen mit einer Bibliothek aus Gold- und Eisenoxid-Nanopartikeln zu bestimmen. Diese Zellen verfügen über die intrinsische Tumor-Homing-Fähigkeit, wodurch sie gute Voraussetzungen für den Einsatz in der Krebsdiagnose und -therapie bieten. Deshalb wurden in dieser Doktorarbeit die Bedingungen zur Markierung mit verschieden großen und unterschiedlich geformten Gold- (AuNPs) und Eisenoxidnanopartikeln (IONPs) detailliert diskutiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Zellmerkmale Zelltyp, Zelloberfläche, Wachstumsrate und der entsprechende Exozytose-Effekt gründlich untersucht. Um ihr Potenzial für die In-vivo-Verfolgung zu untersuchen, wurden die markierten Zellen mittels Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRI) nachgewiesen, welche gute Kontraste in In-vitro-Studien zeigten. Um diese Ziele zu erreichen, wurden in dieser Studie mehrere Verfahren angewendet:
Zunächst wurden verschiedene Arten von AuNPs und IONPs synthetisiert, nämlich 5 nm AuNPs, 25 nm AuNPs, 50 nm AuNPs, 100 nm AuNPs, 40 nm AuNRs, 100 nm AuNRs, 4 nm IONPs bzw. 8 nm IONPs,. Dann wurden verwandte Oberflächenmodifikationen wie PEGylation und PMA-Polymerbeschichtung durchgeführt, um die kolloidale Stabilität und Biokompatibilität für die anschließenden Anwendungen zu verbessern. Auf diese Weise wurden alle NP mit derselben Oberflächenchemie modifiziert.
Als zweites wurde der Einfluss der oben genannten Nanopartikel auf die Zellviabilität der verschiedenen MSCs (humane Stammzellen (humane MSCs), Hundestammzellen (dog MSCs), Pferde-Stammzellen (horse MSCs) und murine Alveolarmakrophagen (MHS)) anhand eines Resazurin-basierten Zelllebensfähigkeitstests und einem EdU-basierten Zellproliferationsassay untersucht. Darauf basierend wurden die kompatiblen Dosen für die Zellmarkierung bestimmt.
Drittens wurden Zellaufnahmestudien an verschiedenen Zelltypen mit allen oben erwähnten Nanopartikeln durchgeführt, um zu bestätigen, welche NPs unter welchen Bedingungen am stärksten innerhalb der Zellen akkumulierten oder die optimalen Markierungsbedingungen aufweisen. Darüber hinaus wurden Einflussfaktoren wie Zelltyp, Zelloberfläche, Wachstumsrate, Sedimentationseffekte der Nanopartikel, Zellviabilität und auch die Exozytose gemeinsam mit den Daten der Aufnahmestudien diskutiert. Infolgedessen wurden die dominierenden Kennzeichnungsfaktoren vollständig bestimmt.
Schließlich wurden die Zellen, die später für die CT- und MRI-Bildgebung verwendet wurden, unter optimalen Bedingungen mit AuNPs und IONPs markiert. Gleichzeitig wurden die Vorhersagewerte basierend auf der NPs-Standardkurve und den Aufnahmewerten der Zellen erstellt. Diese beiden Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmungen, worduch die Möglichkeit für den Einsatz von AuNPs und IONPs in Zellmarkierungsanwendungen erhöht wird.
Wie diese Studie zeigt, die Größe oder das Molekulargewicht der Nanopartikel als auch der Zelltyp spielen eine dominierende Rolle bei der Aufnahme in Zellen. Genauer gesagt, akkumulieren größere NPs (d. H. 100 nm AuNPs) in den Zellen mehr als kleinere NPs (d. H. 5 nm AuNPs) unter den gleichen experimentellen Bedingungen. Gleichzeitig neigen Zellen mit großer Zelloberfläche, langsamerem Zellwachstum und Exozytoserate zu einer höheren Anhäufung von NPs.Schließlich lassen sich sowohl mit AuNPs als auch mit IONPs markierte Stammzellen und Makrophagen mittels CT und MRI gut nachweisen, was einen Beweis dafür liefert, dass sie als vielversprechende Vektoren in biologische Anwendungen dienen können.
Kurzfassung auf Englisch: This cumulative dissertation aims to establish the optimal labeling condition for mesenchymal stem cells (human stem cells, dog stem cells, and horse stem cells), as well as murine alveolar macrophages with a library of gold and iron oxide nanoparticles (AuNPs and IONPs). These cells were reported with intrinsic tumor-homing ability, which offers them a good opportunity in cancer diagnosis and therapy. Therefore, in this Ph.D. study their labeling condition with different sized and shaped AuNPs and IONPs were discussed in detail. Furthermore, the influence of the cell characteristics such as cell types, cell surface area, cell growth rates, and corresponding exocytosis effects was investigated thoroughly. Meanwhile, to explore the potential of NPs for in vivo tracking, the labeled cells were detected by means of computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI), which showed good contrasts in in vitro trials. To achieve these goals, several procedures were performed in this study:
Firstly, several different types of AuNPs and IONPs, namely 5 nm AuNPs, 25 nm AuNPs, 50 nm AuNPs, 100 nm AuNPs, 40 nm AuNRs, 100 nm AuNRs, 4 nm IONPs, and 8 nm IONPs, were synthesized respectively. Then, the surface modifications such as PEGylation and PMA polymer coating were conducted to improve their colloidal stability and biocompatibility for the following applications. In this way, all of NPs were modified with the same surface chemistry.
Secondly, the influence of the above-mentioned NPs on the cell viability of human stem cells (human MSCs), dog stem cells (dog MSCs), horse stem cells (horse MSCs), and murine alveolar macrophages (MHS) were evaluated by resazurin-based cell viability assay and EdU-based cell proliferation assay. Based on this, the compatible doses for cell labeling were obtained.
Thirdly, in order to evaluate the optimal conditions to label the cells with NPs, cellular uptake studies were performed in different cells types, different NPs at different exposure conditions. Furthermore, the influence factors, such as cell type, cell surface area, cell growth rate, NP sedimentation effects, cell viability and also exocytosis, were discussed together with the uptake data. As a result, the dominating labeling factors were fully discussed.
Finally, the cells were then labeled with AuNPs and IONPs at the optimal conditions, which were later used for CT and MRI imaging. At the same time, the predicted imaging values were made based on the NPs standard curve and the cellular uptake values. These two sets of results exhibit good agreements with each other, which suggest the possible use of AuNPs and IONPs for cell labeling applications both in vitro and in vivo.
Herein, this study shows that the size of the NPs and the type of cells have an important role on the cellular uptake. Indeed, at the same experimental conditions (same Au concentration), bigger and dense NPs (i.e.100 nm AuNPs),which contain more gold elements in one NP, are enable to accumulate into the cells with higher amount of elements than the smaller NPs (i.e. 5 nm AuNPs). Meanwhile, cells with big cell surface area, slower cell growth and exocytosis rate tend to retain or accumulate more gold. Finally, both AuNPs and IONPs labeled stem cells and macrophages can be detected well by means of CT and MRI, which offers good evidence that they could act as promising materials for cell tracking applications.


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