Untersuchungen zur Markierung von mesenchymalen Stammzellen mit unterschiedlichen superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln und Nachweisbarkeit in der MRT bei 3T

Zusammenfassung

Ziel: In-vitro-Untersuchungen zur Markierungseffizienz von humanen mesenchymalen Stammzellen mit superparamagnetischen Eisenoxidpartikeln sowie Nachweisbarkeit und Quantifizierung in der MRT bei 3T. Material und Methoden: hMSC wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen von Resovist®, Endorem®, zitratumhüllten Magnetoferrit- (3, 7 nm) und Kobaltferrit-Partikeln (12 nm) inkubiert. Partikelaufnahme, intrazelluläre Verweildauer sowie Visualisierung und Quantifizierung der markierten hMSC wurden bis 5 Wochen nach Inkubation in der MRT bei 3T erfasst, zytologisch korreliert und atomabsorptionsspektrometrisch (AAS) quantifiziert. Ergebnisse: hMSC konnten effektiv mit Resovist® sowie zitratumhüllten USPIOs (CMF7, CMF3) markiert werden (mittlerer intrazellulärer Eisengehalt: 5,1/1,8, 1,9/1,4 und 1,5/1,0 pg/Zelle [Resovist®, CMF7, CMF3] vs. 0,58/0,34 und 0,43/0,30 pg/Zelle [Endorem®- und Kobaltferrit-Partikel], Inkubationskonzentrationen 1 : 30/1 : 300). Die Partikelaufnahme korreliert mit der Konzentration von (U)SPIO im Inkubationsmedium. Eine MR-Detektion von 5 × 10⁴ Fe-markierten hMSC/ml war bis zu 5 (Resovist®, CMF7 and CMF3) bzw. 3 - 4 Wochen (Endorem, Kobaltferrit) in einem klinischem MR-Tomographen möglich. Eine quantitative Bestimmung des intrazellulären Eisengehaltes kann mittels MR-Relaxometrie erfolgen. Schlussfolgerung: Die Effizienz einer magnetischen Markierung von hMSCs hängt von der Kombination aus Größe, Hüllen- und Kernbeschaffenheit der verwendeten Partikel ab. Mittelgroße, klinisch erprobte Carboxydextran- (˜ 50 nm) und ultrakleine, experimentelle zitratumhüllte Partikel (< 10 nm) führen zu einer effektiven Zellmarkierung. Die lange Partikelpersistenz ermöglicht prinzipiell ein langes diagnostisches Zeitfenster zum Stammzelltracking.

Abstract

Purpose: In vitro evaluation of labeling efficiency of human mesenchymal stem cells (hMSCs) with different types of superparamagnetic iron oxide nanoparticles as well as detection and quantification by MRI at 3T. Material and Methods: hMSCs were incubated for 24 hours with 5 ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxide (USPIO) contrast agents (1 : 30 - 1 : 30,000) of different size, coating and core compound: Endorem®, Resovist®, citric acid coated magnetite cores of 3 nm (CMF3), 7 nm (CMF7) and 12 nm (CoF, core: cobalt ferrite). Iron uptake, intracellular retention, detection and quantification were evaluated with MRI up to 5 weeks after incubation by cytological analysis (Prussian blue), atomic absorption spectrometry and MR relaxometry measurements. Results: An effective labeling of hMSCs was achieved using Resovist®, CMF3 and CMF7 with mean iron concentrations of 5.1/1.8, 1.9/1.4 and 1.5/1.0 pg/cell (dilutions 1:30 [933, 2100, 2800 µg Fe/ml]/1 : 300 [93, 210, 280 µg Fe/ml]) compared with 0.58/0.34 and 0.43/0.30 pg/cell (Endorem®, CoF, dilution 1 : 30 [400, 4200 µg Fe/ml]/1 : 300 [40, 420 µg Fe/ml] unlabelled control cells: 0.01 pg/cell). Particle uptake correlated with the concentration of USPIO in the incubation medium. Detection of 5 × 10⁴ labelled cells/ml with MRI was possible up to 5 weeks after incubation (Resovist®, CMF7 and CMF3). MR relaxometry measurements showed a strong correlation between cellular iron load and R2* (1/T2*), r > 0.78. No changes in cell viability or toxic effects were found. Conclusion: Efficiency of labeling hMSCs with USPIOs depends on coating, size and core compound of used particles. Carboxydextran-coated, clinically approved SPIO (Resovist®, 50 nm) or ultrasmall citrate-coated particles (< 10 nm) result in an improved cellular uptake. In principle, the long intracellular retention of particles offers the possibility of cell tracking and migration monitoring in MRI.

Key words

Cell labeling - USPIO - stem cells - MRI

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