University of Oulu

Nanoparticles as magnetic resonance imaging contrast agents : feasibility studies on cell labelling, acute myocardial infarct imaging and articular cartilage imaging

Saved in:
Author: Korpi, Riikka1,2,3,4,5
Organizations: 1University of Oulu
2University of Oulu, Faculty of Medicine
3Medical Research Center Oulu
4Oulu University Hospital
5Åbo Akademi University
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526226132
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-05-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in the Helene Schjerfbeck auditorium (Hotel Kämp, Helsinki) on 22 May 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Roberto Blanco Sequeiros
Professor Miika Nieminen
Professor Petri Lehenkari
Reviewer: Docent Mikko Kettunen
Docent Pekka Niemi
Description:

Abstract

Acute myocardial infarction (AMI) and osteoarthritis (OA) are both diseases of tissues with poor regenerative capacities. Stem cell therapies administered post-AMI have shown therapeutic potential. With the previously used approaches, the engraftment of the cells in the myocardium has been low and the mechanisms behind the observed therapeutic effects are thought to involve multifactorial processes. It has been hypothesized that the earliest biochemical changes, mainly proteoglycan depletion, of OA, might be reversible. Delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC) has been shown to be a sensitive way to assess proteoglycan depletion in OA, however the use of gadolinium has now raised safety concerns.

Magnetic resonance (MR) imaging is currently the preferred method for assessing the label in vivo. The label contrast is attributable to the high magnetic moment of the label which shortens the T1 and T2 relaxation times. Superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles have shown some potential for stem cell labelling however there are interpretational challenges with the contrast and those labelling methods that are considered to be safe are time consuming.

The object of the present work was to develop labels and labelling methods for cellular MR imaging. The usability of a novel fast rotation incubation SPIO labelling method for labelling bone marrow mononuclear cells (BMMNC) and the evaluation of cell homing in an experimental AMI model were studied. The labelling method appeared to be feasible for acute phase cell tracking. The transplantation of BMMNCs seemed to improve the ejection fraction at three weeks’ post-AMI.

Novel manganese oxide (MnO) labels were developed to overcome the signal interpretational problems associated with the SPIO label. Amorphous MnO (MnOx) was observed to have better relaxometric properties than crystalline MnO, although both compounds appeared to be safe, high in relaxivity and suitable for cellular imaging in vitro. The usability of MnOx in assessing the proteoglycan content in OA was investigated. The relaxation of MnOx seemed higher than the corresponding phenomenon with gadolinium and the behavior of MnOx was observed to mimic that of dGEMRIC.

In conclusion, both the novel fast labelling method and the novel label were demonstrated to be feasible and functional in these experimental models.

see all

Tiivistelmä

Akuutti sydäninfarkti ja artroosi ovat molemmat huonosti uusiutumiskykyisissä kudoksissa ilmeneviä tauteja. Kantasoluhoidot sydänlihasinfarktin jälkeen ovat osoittautuneet terapeuttisiksi. Solujen kudosintegraation sijaan terapeuttinen vaikutus näyttää kuitenkin olevan monitekijäinen ja edelleen solujen kohtalo tunnetaan huonosti. Artroosin mekaaniset muutokset rustossa ovat palautumattomia, mutta on esitetty hypoteesi, että näitä edeltävät biokemialliset muutokset, pääasiassa proteoglygaanipitoisuuden lasku, olisi mahdollista parantaa. Magneettikuvaus käyttäen myöhäistä gadolinium-tehostusta on osoittautunut herkäksi menetelmäksi määrittää proteoglygaanipitoisuus rustossa. Nykykäsityksen mukaan lineaariset gadoliniumia sisältävät varjoaineet ovat kuitenkin myrkyllisiä.

Magneettikuvaus on käytetyin solukuvantamismenetelmä. Varjoaineen kontrasti perustuu aineen korkeaan magneettiseen momenttiin, mikä lyhentää T1 ja T2 aikaa. Rautaa sisältävät nanopartikkelit ovat osoittautuneet lupaavaksi varjoaineeksi, vaikkakin niiden tiedetään aiheuttavan tulkinnan vaikeutta T2 relaksaatioaikaa lyhentävien elimistön omien prosessien kanssa. Lisäksi, leimamenetelmät ovat aikaa vieviä.

Työn tavoitteena oli kehittää solukuvantamisen varjoaineita ja leimausmenetelmiä. Uuden nopean leimausmenetelmän käytettävyyttä kantasolujen leimaukseen ja käytettävyyteen kokeellisessa sydäninfarktimallissa tutkittiin. Menetelmä vaikutti turvalliselta ja näytti soveltuvan akuuttivaiheen siirrettyjen solujen havainnointiin. Soluhoidetuilla eläimillä sydämen iskutilavuus parani kolmen viikon kohdalla sydäninfarktista.

Uusi mangaania sisältävä varjoaine kehitettiin tarkoituksena voittaa rautaa sisältävän varjoaineen tulkinnan päällekkäisyydet. Amorfinen mangaanioksidi vaikutti relaksaatiometrisiltä ominaisuuksilta käytetympää kiteistä muotoa paremmalta, relaksiivisuudeltaan korkealta ja turvalliselta. Leimatut solut olivat havaittavissa sekä 3 T että 7.1 T. Amorfisen mangaanioksidin käytettävyyttä proteoglykaanimäärän arvioimiseksi nivelrustossa tutkittiin. Mangaanin relaksiivisuus oli korkeampi kuin gadoliniumin ja käyttäytyminen muistutti gadolinium-mallin käytöstä nivelrustossa.

Molemmat kehitellyt leima-aine ja leimamenetelmä vaikuttivat lupaavilta soluleimaukseen ja molemmat vaikuttivat turvallisilta ja käyttökelpoisilta käytetyissä koeasetelmissa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Korpi, R. M., Alestalo, K., Ruuska, T., Lammentausta, E., Borra, R., Yannopoulos, F., … Blanco Sequieros, R. (2017). Two novel direct SPIO labels and in vivo MRI detection of labeled cells after acute myocardial infarct. Acta Radiologica Open, 6(8), 205846011771840. https://doi.org/10.1177/2058460117718407

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Alestalo, K., Korpi, R., Mäkelä, J., Lehtonen, S., Mäkelä, T., Yannopoulos, F., … Lehenkari, P. (2015). High number of transplanted stem cells improves myocardial recovery after AMI in a porcine model. Scandinavian Cardiovascular Journal, 49(2), 82–94. https://doi.org/10.3109/14017431.2015.1018311

  3. Rosenholm, J. M., Korpi, R. M., Lammentausta, E., Lehtonen, S., Lehenkari, P., Niemi, R., … Blanco Sequeiros, R. (2015). Novel, fast-processed crystalline and amorphous manganese oxide nanoparticles for stem cell labeling. Inorganic Chemistry Frontiers, 2(7), 640–648. https://doi.org/10.1039/c5qi00033e

  4. Korpi, R., Ahola, S., Behrouz, G., Lammentausta, E., Karhula, S., Saarakkala, S., … Telkki, V. (2020). Diffusion of amorphous manganese oxide nanoparticles into articular cartilage. Manuscript submitted for publication.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2613-2
ISBN Print: 978-952-62-2612-5
Issue: 1572
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3126 Surgery, anesthesiology, intensive care, radiology
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.