NEW CLATHRIN-BASED NANOPLATFORMS FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING

  

"New Clathrin-Based Nanoplatforms for Magnetic Resonance Imaging". G. D. Vitaliano, F. Vitaliano, J. D.  Rios, P. F. Renshaw, M. H. Teicher. PLoS ONE 7,  e35821 (2012). 

DOI:10.1371/journal.pone.0035821

Magnetic Resonance Imaging (MRI) has high spatial resolution, but low sensitivity for visualization of molecular targets in the central nervous system (CNS). Our goal was to develop a new MRI method with the potential for non-invasive molecular brain imaging. We herein introduce new bio-nanotechnology approaches for designing CNS contrast media based on the ubiquitous clathrin cell protein.

The first approach utilizes three-legged clathrin triskelia modified to carry 81 gadolinium chelates. The second approach uses clathrin cages self-assembled from triskelia and designed to carry 432 gadolinium chelates. Clathrin triskelia and cages were characterized by size, structure, protein concentration, and chelate and gadolinium contents. Relaxivity was evaluated at 0.47 T. A series of studies were conducted to ascertain whether fluorescent-tagged clathrin nanoplatforms could cross the blood brain barriers (BBB) unaided following intranasal, intravenous, and intraperitoneal routes of administration. Clathrin nanoparticles can be constituted as triskelia (18.5 nm in size), and as cages assembled from them (55 nm). The mean chelate: clathrin heavy chain molar ratio was 27.04±4.8: 1 for triskelia, and 4.2±1.04: 1 for cages. Triskelia had ionic relaxivity of 16 mM⁻¹s⁻¹, and molecular relaxivity of 1,166 mM⁻¹s⁻¹, while cages had ionic relaxivity of 81 mM⁻¹s⁻¹ and molecular relaxivity of 31,512 mM⁻¹s⁻¹. Thus, cages exhibited 20 times higher ionic relaxivity and 8,000-fold greater molecular relaxivity than gadopentetate dimeglumine. Clathrin nanoplatforms modified with fluorescent tags were able to cross or bypass the BBB without enhancements following intravenous, intraperitoneal and intranasal administration in rats.

Use of clathrin triskelia and cages as carriers of CNS contrast media represents a new approach. This new biocompatible protein-based nanotechnology demonstrated suitable physicochemical properties to warrant further in vivo imaging and drug delivery studies. Significantly, both nanotransporters crossed and/or bypassed the BBB without enhancers. Thus, clathrin nanoplatforms could be an appealing alternative to existing CNS bio-nanotechnologies.

La Imagenología por Resonancia Magnética (MRI) tiene una alta resolución espacial, pero una baja sensibilidad para la visualización de objetivos moleculares en el sistema nervioso central (CNS). El objetivo de este trabajo fue desarrollar un nuevo método MRI para su uso potencial en imagenología molecular y no invasiva del cerebro. Aquí se introduce una nueva estrategia de bio-nanotecnología para el diseño de medios de contraste CNS, basado en la clatrina, una abundante proteína celular. Un primer intento utiliza clatrina trisquelia de tres brazos modificada para portar 81 quelantes de gadolinio. Un segundo intento utiliza jaulas de clatrina autoensambladas a partir de trisquelia y diseñadas para portar 432 quelantes de gadolinio. El tamaño, estructura, concentración de proteínas y el contenido de quelantes y de gadolinio en las clatrina trisquelia y en las jaulas fueron caracterizados. La relaxividad fue evaluada a 0.47 T. Se llevó a cabo una serie de estudios para determinar en qué casos las nanoplataformas de clatrina, marcadas fluorescentemente, pueden cruzar sin ayuda las barreras de sangre del cerebro (BBB), siguiendo rutas de administración intranasales, intravenosas e intraperitoneales. Las nanopartículas de clatrina pueden tener forma de trisquel (18.5 nm de tamaño) o de jaulas autoensambladas a partir de la forma de trisquel (55 nm). En promedio quelan: la razón molar de la cadena pesada de clatrina fue de 27.04±4.8: 1 para la forma de trisquel, y de 4.2±1.04: 1 para las jaulas. La trisquelia tiene una relaxividad iónica de 16 mM⁻¹s⁻¹, y una relaxividad molecular de 1,166 mM⁻¹s⁻¹, mientras que las jaulas tienen una relaxividad iónica de 81 mM⁻¹s⁻¹ y una relaxividad molecular de 31,512 mM⁻¹s⁻¹. Así, las jaulas muestran una relaxividad iónica y una relaxividad molecular 20 y 8,000 veces mayores que la gadopentatato dimeglumina, respectivamente. Las plataformas de clatrina modificada con etiquetas fluorescentes fueron capaces de atravesar la BBB sin agentes auxiliares mediante administración intravenosa, intraperitoneal e intranasal en ratas. El uso de clatrina trisquelia y de las jaulas como portadores del medio de contraste CNS representa una nueva estrategia. Esta nueva nanotecnología biocompatible basada en proteínas demuestra las propiedades fisicoquímicas disponibles para garantizar su estudio futuro en imagenología in vivo y en liberación de fármacos. Es de notar que ambos nanoportadores atraviesan la BBB sin la necesidad de agentes auxiliares. Así, las nanoplataformas de clatrina resultan una alternativa a las bio-nanotecnologías CNS existentes. 

http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0035821