Sintesis Cepat Nanopartikel BiF3@Ln (Gd, Yb, Er) Terbalut PVP untuk Citra CT Toksisitas Rendah

Abstrak

Tomografi komputasi X-ray (CT) telah banyak digunakan dalam praktik klinis, dan agen kontras seperti Iohexol sering digunakan untuk meningkatkan kontras citra CT antara jaringan normal dan sakit. Namun, agen kontras seperti ini dapat memiliki beberapa toksisitas. Oleh karena itu, agen kontras CT baru sangat dibutuhkan. Karena nomor atom yang tinggi (Z = 83), biaya rendah, keamanan biologis yang baik, dan properti peredaman X-ray yang hebat (5,74 cm² kg⁻¹ pada 100 keV), bismut telah mendapat perhatian besar dari para peneliti dalam bidang agen kontras CT berukuran nano. Di sini, kami menyintesis nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dengan ukuran partikel rata-rata sekitar 380 nm. Setelah dilapisi dengan polivinilpirrolidon (PVP), nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki stabilitas yang baik dan kompatibilitas biologis yang hebat. Sementara itu, dibandingkan dengan agen kontras klinis Iohexol, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP menunjukkan kontras citra CT in vitro yang superior. Selanjutnya, setelah injeksi in situ dengan nanopartikel BiF₃: Ln@PVP, nilai CT di lokasi tumor setelah injeksi secara signifikan lebih tinggi dari sebelum injeksi (nilai CT sebelum injeksi dan setelah injeksi masing-masing 48,9 HU dan 194,58 HU). Morfologi saluran pencernaan (GI) dapat diamati dengan jelas seiring waktu setelah pemberian oral nanopartikel BiF₃: Ln@PVP. Akhirnya, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP sepenuhnya dikeluarkan dari saluran pencernaan tikus dalam 48 jam setelah pemberian oral tanpa kerusakan yang jelas pada saluran pencernaan. Secara ringkasan, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP yang mudah disintesis kami dapat digunakan sebagai agen kontras klinis potensial dan mungkin memiliki prospek aplikasi yang luas dalam citra CT.

Pendahuluan

Tomografi komputasi X-ray (CT) dapat mencitrakan jaringan dan organ internal secara lintang dengan resolusi tinggi dan harga rendah [1, 2]. Oleh karena itu, ini adalah cara penting untuk mendiagnosis penyakit pernapasan, penyakit pencernaan, dan sistem perairan [3,4,5,6,7,8]. Namun, CT terkadang memiliki kontras yang rendah antara jaringan sakit dan jaringan normal. Oleh karena itu, agen kontras seperti Iohexol banyak digunakan dalam praktik klinis untuk secara spesifik meningkatkan peredaman X-ray jaringan sakit. Namun, agen kontras klinis sering digunakan dalam dosis besar karena sensitivitas rendah detektor CT [9]. Selain itu, agen kontras berbasis yodium komersial memiliki metabolisme yang sangat cepat dalam tubuh dan efek samping yang parah, termasuk peristiwa jantung dan nefrotoksisitas; masalah ini membatasi penggunaan klinisnya dan harus segera diselesaikan [10,11,12,13,14,15].

Nanomaterial telah menunjukkan prospek aplikasi yang luas dalam rehabilitasi lingkungan, aplikasi fotovoltaik, katalis, dll. [16,17,18,19,20,21]. Misalnya, Balati et al. [22] telah menyintesis fotokatalis terstruktur heterogen (HBTiO₂/RBIHM-MoS₂) menggunakan ablasi laser terpadu dalam cairan (PLAL) diikuti dengan iradiasi microwave. Nanomaterial juga telah banyak digunakan dalam kedokteran, termasuk citra dan pengobatan.

Emas (Au), tantalum (Ta), platinum (Pt), dan elemen lain dengan peredaman X-ray tinggi telah mendapat perhatian para peneliti, dan nanomaterial yang disintesis dari elemen ini telah banyak diteliti sebagai agen kontras potensial untuk citra CT [1, 12,13,14,15, 23, 24]. Namun, harga tinggi dan keamanan biologis yang tidak pasti membatasi penggunaan lebih lanjut. Bismut (Bi) dikenal sebagai elemen yang aman biologis dengan biaya rendah. Ini telah digunakan dalam praktik klinis dan memainkan peran penting dalam terapi kombinasi untuk Helicobacter pylori dan penyakit lain, termasuk penyakit hati kronis serta ulkus gastritis dan duodenum. Ini memiliki keamanan biologis dan toleransi yang hebat selama pengobatan [7, 25]. Selain itu, Bi telah digunakan dalam persiapan agen kontras skala nano seperti HA-BiO NPs, Bi₂S₃, BION, dan Bi₂Te₃ karena nomor atomnya yang tinggi (Z = 83) dan kapasitas peredaman X-ray yang luar biasa (5,74 cm² kg⁻¹ pada 100 keV) [26,27,28,29].

Misalnya, Mohsen Mahvi et al. menyintesis nanoflakes Bi₂Te₃ melalui proses polyol yang dibantu microwave yang menunjukkan koefisien peredaman X-ray yang lebih baik dari Iohexol komersial [29]. Oleh karena itu, Bi adalah elemen yang menjanjikan untuk konstruksi agen kontras CT berkinerja tinggi. Namun, persiapan agen kontras nano berbasis Bi rumit [30, 31].

Di sini, kami menggabungkan Bi dengan lantanida (Gd, Yb, Er) melalui protokol yang mudah dan biaya rendah untuk memproduksi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP (NPs). Kami kemudian menyelidiki potensinya untuk menghasilkan kontras untuk citra CT. Setelah melapisi sampel dengan PVP, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP menunjukkan stabilitas yang baik dan toksisitas biologis rendah. Sampel ini menunjukkan peredaman X-ray yang lebih baik dari Iohexol komersial in vitro, memiliki kontras in vivo yang baik, dan menawarkan citra CT saluran pencernaan (GI) yang hebat. Pentingnya, setelah 48 jam pemberian oral BiF₃: Ln@PVP, nanopartikel sepenuhnya diekskresi dari tubuh tanpa kerusakan yang jelas pada organ vital seperti hati dan ginjal. Kami percaya bahwa karya kami dapat memberikan dasar teoretis baru untuk penggunaan klinis agen kontras CT skala nano.

Metode

Semua protokol eksperimen termasuk eksperimen hewan telah disetujui oleh komite etika Universitas Xiamen di Provinsi Fujian, China.

Bahan dan Reagen

Nitrat bismut pentahidrat (Bi(NO₃)₃·5H₂O, ≥ 99,99%), fluorida ammonium (NH₄F, ≥ 99,99%), nitrat ytterbium heksahidrat (Yb(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9%), nitrat erbium heksahidrat (Er(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9%), nitrat gadolinium heksahidrat (Gd(NO₃)₃·6H₂O, ≥ 99,9%), polivinilpirrolidon (PVP, ≥ 99,0%), dan Iohexol (≥ 99,0%) dibeli dari Aladdin Reagents (Shanghai, China). Kit staining sel hidup-mati dan kit penghitungan sel-8 (CCK-8) dibeli dari Yeasen (Shanghai, China). Medium RPMI 1640, penicilin, streptomycin, dan serum sapi fetal (FBS) dibeli dari Gibco (New York, USA).

Pembuatan Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP

Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP disintesis melalui pendekatan hidrotermal. Secara rinci, 1 mmol Ln(NO₃)₃, (Ln = Yb, Er dan Gd), dan 1 mmol Bi(NO₃)₃ dilarutkan dalam larutan 35-mL yang terdiri dari 5-mL air deionisasi (DI) dan 30-mL etilena glikol untuk membentuk larutan A yang transparan. Ini kemudian dicampur dengan 0,5 g PVP (M_W = 10,000) dan diaduk pada suhu kamar selama 10 menit. NH₄F (20 mmol) dilarutkan dalam 10-mL DI untuk membentuk larutan B. Larutan B kemudian dituangkan ke dalam larutan A, dan larutan campuran C berwarna putih terbentuk setelah diaduk selama 20 menit. Larutan C kemudian dimasukkan ke dalam autoklaf 50-mL dan dipanaskan ke 180 °C selama 24 jam. Suhu secara alami menurun ke suhu kamar setelah 24 jam. Akhirnya, sampel diusap (8000 rpm, 3 menit) dan dicuci dengan DI dan alkohol untuk mencuci zat yang tidak bereaksi. Sampel terakhir dikumpulkan dengan pengeringan beku.

Karakterisasi Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP

Morfologi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP terdeteksi dengan mikroskop transmisi elektron (TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford) dengan tegangan operasi 300 kV. Komposisi nanopartikel dianalisis dengan spektrum energi dispersif (EDS) dalam TEM termasuk analisis peta. Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX spectrometer, USA) digunakan untuk membedakan grup fungsi sampel. Struktur kristal dan fitur fase nanopartikel BiF₃: Ln@PVP digunakan difraksi X-ray bubuk (XRD, D8 Advance) dengan radiasi Cu Kα dalam kondisi 40 kV dan 40 mA. Distribusi ukuran nanopartikel yang terdiseminasi dalam DI dan PBS (pH 7,4) diselidiki dengan pencaran cahaya dinamis (DLS, Brookhaven Instruments-Omni, USA).

Baris Sel dan Kulture Sel: Sel HepG2 dari Bank Sel Akademi Sains China (Shanghai, China). Sel dikultur dalam medium RPMI 1640 yang mengandung 10% serum sapi fetal (FBS) dan 1% penicilin-streptomycin dalam kondisi 37 °C dan 5% CO₂. Media kultur diganti setiap hari sekali.

Komitibilitas Sel Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP In Vitro

Komitibilitas sel nanopartikel BiF₃: Ln@PVP in vitro diestimasi dengan assay hidup-mati dan assay CCK-8. Secara rinci, sel HepG2 dikumpulkan dan ditanam dalam piring konfokal pada 5,0 × 10⁵. Sel kemudian dikultur selama semalam. Suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP kemudian ditambahkan ke sel pada konsentrasi berbeda (100, 200, dan 400 μg/mL) dan ditetapkan sebagai kelompok eksperimen. Sementara itu, medium tanpa nanopartikel ditambahkan dan ditetapkan sebagai kelompok kontrol. Selanjutnya, baik kelompok eksperimen maupun kontrol dikultur selama 24 jam. Setelah 24 jam, kami dengan lembut menghapus medium asli dan assay hidup-mati dilakukan sesuai protokol yang disediakan oleh produsen. Singkatnya, sel hidup diberi label melalui Calcein-AM, sementara sel mati diwarnai oleh iodida propidium (PI); sel kemudian diamati di bawah mikroskop konfokal (Nikon, Jepang).

Assay CCK-8 dilakukan untuk menentukan toksisitas sel nanopartikel BiF₃: Ln@PVP in vitro lebih lanjut. Secara rinci, sel HepG2 dikumpulkan dan ditanam dalam plate 96-lubang dengan 3000 sel per lubang dan dikultur dalam inkubator selama semalam. Konsentrasi berbeda nanopartikel BiF₃: Ln@PVP (0, 25, 50, 100, 200, dan 400 μg/mL) dicampur dengan sel dan dikultur selama 24 jam. Reagen CCK-8 (10 μL) ditambahkan ke setiap lubang dan diinkubasi selama 2 jam dalam kondisi 37 °C. Nanti, nilai OD setiap lubang diukur pada 450 nm oleh pembaca microplate SPECTRA max (model 680, Bio-Rad, Tokyo, Jepang), dan kelayakan sel setiap konsentrasi dihitung sesuai rumus yang disediakan oleh produsen. Eksperimen ini diulang tiga kali.

Hewan

Tikus nude BALB/c betina (4- hingga 6 minggu) diperoleh dari Pusat Laboratorium Hewan Universitas Xiamen (Xiamen, China). Tikus dipejaga dalam lingkungan steril dan dipertahankan untuk siklus terang/gelap 12 jam. Hewan diinjeksi dengan sel HepG2 (1,0 × 10⁷/mL) subkutan untuk menginduksi pembentukan tumor. Semua eksperimen hewan dalam karya ini dilakukan sesuai protokol yang disetujui oleh Komite Perawatan dan Penggunaan Hewan Universitas Xiamen.

Kompatibilitas Biologis Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP In Vivo

Analisis histology digunakan untuk mengamati kompatibilitas biologis nanopartikel BiF₃: Ln@PVP in vivo. Tikus kelompok eksperimen diinjeksi dengan suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP sebesar 200 mg/kg melalui vena ekor; tikus kontrol diinjeksi intravena dengan volume yang sama PBS. Setelah 24 jam, organ utama termasuk hati, hati, limpa, paru-paru, ginjal, dan otak segera diangkat setelah tikus disembelih. Semua organ dipecahkan dengan formalin 4% selama 12 jam dan kemudian diselap parafin dan diiris. Akhirnya, staining hematoxylin–eosin (H&E) dilakukan. Morfologi organ dievaluasi dan ditangkap dengan mikroskop fluorensia tegak (Leica DM2700 P, Jerman).

Kinerja CT Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP In Vitro dan In Vivo

Untuk mempelajari aplikasi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam citra CT in vitro, suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dan Iohexol disiapkan dan dicairkan hingga 0, 0,625, 1,25, 2,5, 5,0, 10,0, dan 20,0 mg/mL dan dipindahkan ke tabung Eppendorf 0,3-mL. Citra CT dan nilai CT yang sesuai dari suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dan Iohexol diperoleh dan dicatat oleh instrumen CT X-ray (Siemens) dengan tegangan operasi 50 kV dan 80 kV, masing-masing. Selanjutnya, kemampuan citra CT nanopartikel BiF₃: Ln@PVP in vivo dipelajari; Suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP diinjeksi intratumoral ke tikus nude yang membawa tumor pada 200 mg/kg (100 μL). Selanjutnya, tikus dianestesikan dan mesin CT X-ray (Siemens, 80 kV, 88 μA) digunakan untuk menangkap citra CT sebelum dan setelah pemberian nanopartikel BiF₃: Ln@PVP.

Kinerja CT Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP di Saluran Pencernaan dan Analisis Histologi

Untuk mengeksplorasi lebih lanjut nilai nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam citra CT, tikus dipuasa selama semalam dan diberi oral suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP (300 μL, 20 mg/mL) melalui tabung gastris. Tikus kemudian dianestesikan intraperitoneal dengan hidrat kloral. Selanjutnya, citra GI pada interval yang berbeda (0, 15 menit, 30 menit, 120 menit, 6 jam, 12 jam, 24 jam, dan 48 jam) ditangkap pada 80 kV. Akhirnya, model 3D tikus direkonstruksi melalui mesin CT. Tikus kemudian disembelih dan lambung, usus halus, dan usus besar diangkat dan dipecahkan dengan formalin 4% selama 12 jam. Mereka kemudian diselap parafin dan diiris sebelum staining H&E untuk mengevaluasi toksisitas saluran pencernaan nanopartikel BiF₃: Ln@PVP.

Analisis Statistik

Data dianalisis menggunakan ANOVA satu arah; nilai P < 0,05 dianggap signifikan secara statistik dalam semua analisis (tingkat kepercayaan 95%).

Hasil dan Pembahasan

Pembuatan dan Properti Fisikokimia Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP

Pertama, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP disiapkan melalui reaksi hidrotermal (Scheme 1). Gambar 1A menunjukkan morfologi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP oleh TEM. Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki struktur seragam dan bulat. Ukuran rata-rata nanopartikel BiF₃: Ln@PVP sekitar 380 nm dan terdistribusi merata. Gambar insert menunjukkan bahwa nanopartikel memiliki distribusi ukuran partikel yang cukup sempit (kanan bawah). Komposisi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dianalisis oleh EDS setelah mengevaluasi morfologi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP. Gambar 1B–F menunjukkan gambar dark-field nanopartikel BiF₃: Ln@PVP sebelum analisis elemen. Hasil menunjukkan bahwa nanopartikel kami terutama terdiri dari elemen Gd, Yb, Er, dan Bi, menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP berhasil disintesis.

PVP adalah stabilizer yang efektif untuk meningkatkan kompatibilitas biologis dan stabilitas nanomaterial [32]. Oleh karena itu, kami memodifikasi nanopartikel kami dengan PVP seperti yang dilaporkan sebelumnya [33]. Spektra FTIR digunakan untuk menentukan apakah PVP berhasil dilapisi pada permukaan nanopartikel (Gambar 2). Ada puncak penyerapan kuat grup C=O dan puncak grup C–N pada 1658 dan 1293 cm⁻¹, masing-masing. Ini berasal dari PVP yang menunjukkan bahwa pelapisan PVP pada permukaan nanopartikel sudah lengkap [34]. Pola XRD nanopartikel BiF₃: Ln@PVP ditunjukkan dalam Gambar 3. Gambar 3A menunjukkan bahwa semua puncak sesuai dengan data kartu standar BiF_3: Ln (PDF 74-0144) yang menunjukkan lebih lanjut bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP berhasil disiapkan. Parameter atom struktur BiF₃ dapat digunakan sebagai parameter awal dalam kartu cif standar melalui perangkat lunak Diamond. Struktur standar menghasilkan PDF 74-0144, a = b = c = 5,865 Å, V = 201,75(3) Å, dan densitas (c) = 8,755. Struktur kristal BiF₃ dilihat dari sumbu C memiliki lapisan yang bertumpuk dalam arah tegak lurus sumbu A (Gambar 4B), dan pandangan struktur tunggal dari sumbu A menunjukkan Bi berada di pusat atom (Gambar 4C). Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki struktur kristal yang baik, dan pelapisan permukaan hanya sedikit mempengaruhi struktur kristal nanopartikel BiF₃: Ln@PVP.

Stabilitas dan Komitibilitas Sel Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP

Karena ukuran diseminasi nanopartikel dapat mempengaruhi interaksi dengan sistem biologis, perlu untuk mempelajari ukuran diseminasi nanopartikel dalam berbagai larutan [33]. Gambar 4A, B menunjukkan bahwa nanopartikel BiF_3: Ln@PVP memiliki distribusi yang cukup sempit dalam DI dan PBS (pH = 7,4), menunjukkan bahwa nanopartikel BiF_3: Ln@PVP memiliki stabilitas yang baik dalam berbagai larutan. Oleh karena itu, mereka cocok untuk aplikasi biologis.

Toksisitas sel nanopartikel BiF₃: Ln@PVP diteliti setelah terbukti bahwa nanopartikel BiF_3: Ln@PVP memiliki stabilitas yang baik dalam berbagai larutan. Eksperimen hidup-mati mengevaluasi toksisitas sel nanopartikel BiF_3: Ln@PVP. Tidak ada fluoresensi merah yang jelas diamati ketika konsentrasi suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP mencapai 400 µg/mL dan dikultur dengan sel HepG2 selama 24 jam (dibandingkan dengan kelompok kontrol; Gambar 4C). Ini menunjukkan bahwa tidak ada kematian sel yang signifikan dalam kelompok eksperimen. Selanjutnya, assay CCK-8 dilakukan untuk meneliti lebih lanjut toksisitas sel nanopartikel BiF₃: Ln@PVP. Gambar 4D menunjukkan kelayakan sel HepG2 yang diinkubasi dengan berbagai konsentrasi suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP selama 24 jam, kelompok eksperimen sel HepG2 semuanya memiliki kelayakan sel yang cukup tinggi. Selain itu, kelayakan sel mencapai 85,96% ketika konsentrasi suspensi nanopartikel BiF_3: Ln@PVP mencapai 400 μg/mL. Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF_3: Ln@PVP memiliki kompatibilitas biologis in vitro yang baik, yang mungkin dapat dikaitkan dengan pelapisan PVP pada permukaan nanopartikel BiF₃: Ln@PVP.

Kompatibilitas Biologis Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP In Vivo

Selain toksisitas sel rendah, kompatibilitas biologis in vivo yang baik adalah kondisi lain yang diperlukan untuk penggunaan klinis agen kontras [35]. Oleh karena itu, suspensi nanopartikel BiF_3: Ln@PVP disiapkan dan diinjeksi ke tikus pada 200 mg/kg (100 μL) melalui vena ekor. Volume yang sama larutan PBS diinjeksi dan ditetapkan sebagai kelompok kontrol. Setelah 24 jam, tikus disembelih, dan organ utama diangkat selama nekrepsi. Staining H&E dilakukan untuk mengevaluasi toksisitas sistem. Gambar 5 tidak menunjukkan kelainan patologis yang jelas setelah pemberian nanopartikel BiF₃: Ln@PVP selama 24 jam. Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki kompatibilitas biologis yang baik, yang sesuai dengan toksisitas sel rendah yang ditunjukkan di atas.

Kemampuan Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam Citra CT In Vitro

Elemen dengan nomor atom yang tinggi biasanya memiliki efek kontras yang tinggi karena kemampuan peredaman X-ray yang hebat. Misalnya, agen kontras yang disiapkan dari logam berharga dengan nomor atom yang tinggi (Au [36], Ag [37], dll.) memiliki efek citra CT yang luar biasa seperti yang dilaporkan sebelumnya. Oleh karena itu, jenis agen kontras yang menjanjikan dapat dipertimbangkan. Namun, biaya tinggi mereka membatasi aplikasi klinis lebih lanjut. Bismut memiliki keamanan biologis yang baik dan biaya rendah, dengan kemampuan peredaman X-ray yang hebat [38,39,40,41]. Di sini, untuk mengevaluasi efek agen kontras nanopartikel BiF₃: Ln@PVP, kami membandingkan kemampuan peredaman X-ray nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dengan larutan agen kontras komersial Iohexol in vitro. Gambar 6A, B menunjukkan citra CT yang sesuai dari BiF₃: Ln@PVP dan Iohexol pada berbagai tegangan operasi (50 kV dan 80 kV, masing-masing). Gambar 6A, B menunjukkan bahwa tingkat kelabu citra secara bertahap berubah dari bayangan hitam ke bayangan putih seiring meningkatnya konsentrasi suspensi. Namun, pada konsentrasi yang sama, BiF₃: Ln@PVP memiliki bayangan yang lebih terang daripada Iohexol karena koefisien peredaman X-ray Bi lebih tinggi dari I (Bi adalah 5,74 cm² kg⁻¹ dan I adalah 1,94 cm² kg⁻¹ pada 100 keV) [42].

Gambar 6C menunjukkan bahwa nilai CT (Unit Hounsfield, HU) meningkat linier seiring meningkatnya konsentrasi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dan Iohexol (keduanya R² > 0,99) terlepas dari tegangan operasi. Nilai CT konsentrasi satuan massa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP jauh lebih tinggi dari Iohexol (1,5- dan 1,7 kali lebih tinggi pada 50 kV dan 80 kV, masing-masing). Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dapat memberikan efek kontras yang lebih baik pada dosis yang sama dibandingkan Iohexol komersial; data ini mengonfirmasi bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki kemampuan citra CT in vitro yang baik, yang sangat penting karena dapat mengurangi jumlah agen kontras sambil memastikan efek citra yang baik. Ini dapat secara signifikan mengurangi toksisitas dan efek samping.

Efek Kontras Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam Citra CT In Vivo

Selanjutnya, suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP diinjeksi intratumoral ke tikus yang membawa tumor (200 mg/kg, 100 µL) untuk mengevaluasi efek kontras nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam citra CT in vivo. Perubahan intensitas sinyal yang kuat terdeteksi dibandingkan baseline di daerah tumor yang sama setelah 1 jam pemberian suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP (Gambar 7A). Sementara itu, Gambar 7B menunjukkan bahwa nilai CT setelah injeksi (184,58 HU) jauh lebih tinggi dari sebelum injeksi (48,9 HU). Ini disebabkan oleh peningkatan koefisien peredaman X-ray jaringan tumor setelah nanopartikel BiF₃: Ln@PVP didistribusikan dalam jaringan tumor. Hasil menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki kemampuan citra CT in vivo yang hebat.

Kinerja Citra CT Saluran Pencernaan Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dan Toksisitas Saluran Pencernaan

Diendorasi oleh hasil yang menjanjikan di atas, kami termotivasi untuk mengevaluasi lebih lanjut potensi aplikasi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dalam citra CT. Sebagai metode citra non-invasif yang umum, CT memainkan peran penting dalam diagnosis penyakit saluran pencernaan dan formulasi rencana pengobatan karena pemrosesan citra yang nyaman, tidak ada kerusakan jaringan, dan keaktian pasien [43, 44]. Agen kontras sulfat barium yang umum digunakan biasanya digunakan bersama dengan bubuk aerogen. Karena densitas yang berbeda yang dihasilkan oleh dua zat ini, saluran pencernaan tidak selalu dapat ditampilkan dengan jelas yang mengakibatkan diagnosis yang terlewat, yang membatasi penggunaan klinisnya [45]. Oleh karena itu, sangat penting untuk menjelajahi agen kontras saluran pencernaan yang efisien yang tidak memerlukan bantuan tambahan. Dalam karya ini, kami menjelajahi efek nanopartikel BiF₃: Ln@PVP pada saluran pencernaan tikus nude.

Gambar 8A menunjukkan bahwa bentuk lambung dan usus halus menjadi terlihat setelah pemberian oral suspensi nanopartikel BiF₃: Ln@PVP (20 mg/mL, 300 μL) selama 15 menit. Pada 30 menit, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dimetabolisme dengan peristalsis lambung. Morfologi lambung menjadi lemah. Pada 120 menit, sebagian besar nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dimetabolisme dari lambung, dan hanya garis lambung yang tersisa yang terlihat. Nanopartikel BiF₃: Ln@PVP mulai muncul dalam kontur usus besar pada 6 jam, menunjukkan bahwa nanopartikel mulai terkumpul di usus besar; morfologi usus besar terlihat jelas pada 12 jam. Sebagian besar nanopartikel BiF₃: Ln@PVP diekskresi dan hanya sebagian kecil tersisa pada 24 jam. Kami tidak dapat mengamati morfologi GI pada interval 48 jam, menunjukkan bahwa semua nanopartikel BiF₃: Ln@PVP diekskresi dari saluran pencernaan. Setelah nanopartikel sepenuhnya diekskresi dari saluran pencernaan, tikus disembelih dan lambung, usus halus, dan usus besar diangkat untuk assay H&E untuk mengevaluasi toksisitas saluran pencernaan nanopartikel BiF₃: Ln@PVP. Gambar 8B tidak menunjukkan perubahan histology yang jelas pada lambung, usus halus, atau usus besar setelah 48 jam pemberian oral nanopartikel BiF₃: Ln@PVP yang menunjukkan bahwa nanopartikel BiF3: Ln@PVP tidak memiliki toksisitas yang signifikan pada saluran pencernaan. Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dapat digunakan sebagai agen kontras CT potensial untuk saluran pencernaan untuk meningkatkan kinerja citra CT saluran pencernaan, sambil tidak memiliki toksisitas yang jelas pada saluran pencernaan.

Hasil ini menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki potensi sebagai agen kontras CT klinis untuk citra tumor dan saluran pencernaan. Namun, karena keterbatasan ukuran partikel, nanopartikel BiF₃: Ln@PVP tidak dapat mencapai efek penetrasi dan retensi yang ditingkatkan (EPR) yang baik [46]. Keamanan biologis jangka panjang nanopartikel BiF₃: Ln@PVP dan proses metabolisme in vivo memerlukan penelitian lebih lanjut.

Kesimpulan

Di sini, kami menyintesis agen kontras CT baru melalui proses hidrotermal. Data TEM menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki struktur bulat seragam dengan ukuran rata-rata sekitar 380 nm. Spektra FTIR menunjukkan bahwa PVP berhasil dibungkus pada permukaan nanopartikel untuk meningkatkan keamanan biologis nanopartikel. Kami kemudian membandingkan efek citra CT in vitro dengan Iohexol pada berbagai tegangan operasi. Hasil menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki kemampuan peredaman X-ray yang lebih baik dari Iohexol. Studi kompatibilitas biologis menunjukkan bahwa nanopartikel BiF₃: Ln@PVP tidak memiliki toksisitas yang jelas pada organ utama in vivo. Akhirnya, kemampuan peredaman X-ray yang baik memungkinkan nanopartikel BiF₃: Ln@PVP memiliki efek citra kontras in vivo yang baik untuk berhasil memvisualisasikan saluran pencernaan secara rinci tanpa menyebabkan kerusakan pada saluran pencernaan. Oleh karena itu, karya kami menawarkan agen kontras CT yang efisien dengan stabilitas larutan air yang baik, keamanan biologis yang baik, dan efisiensi tinggi. Fitur-fitur ini menjadikannya kandidat potensial untuk agen kontras klinis.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis tanggung jawab atas permintaan yang wajar.

Singkatan

CT:

Tomografi komputasi

PVP:

Polivinilpirrolidon

GI:

Saluran pencernaan

PLAL:

Ablasi laser terpadu dalam cairan

Bi:

Bismut

Gd:

Gadoliniumnitrat

Yb:

Ytterbium

Er:

Erbium

Au:

Emas

Ta:

Tantalum

Pt:

Platinum

I:

Yodium

NP:

Nanopartikel

CCK-8:

Kit penghitungan sel-8

RPMI:

Roswell Park Memorial Institute

FBS:

Serum sapi fetal

Ln:

Lantanida

DI:

Air deionisasi

TEM:

Mikroskop transmisi elektron

EDS:

Spektrum energi dispersif

FTIR:

Spektroskopi inframerah transformasi Fourier

XRD:

Difraksi X-ray bubuk

DLS:

Pencaran cahaya dinamis

PI:

Iodida propidium

H&E:

Hematoxylin–eosin

HU:

Unit Hounsfield

EPR:

Penetrasi dan retensi yang ditingkatkan