Quantitative in vivo analysis of the biodistribution and metabolism of iron oxide nanoparticle formulations tailored for translational medical imaging

University Of Washington, Seattle WA

Investigators

Abstract

In recent years, there has been significant use of iron oxide nanoparticles (IONPs) with  tailored properties for developing new in vivo biomedical applications. However, there  are still unanswered questions regarding the incorporation of IONPs into the metabolic  cycle, including the effect of modifying the size and functionalization of the  nanoparticles, which is essential for specific clinical uses. The exact process of  agglomeration, degradation, and absorption/clearance by the body is not completely  understood, particularly how these processes are affected by physical and chemical  properties of IONPs. Quantifying the biodistribution, transformation, and metabolism of  IONPs is an essential step in the development of these applications for clinical use. We  propose to develop a quantitative method to determine the long term in vivo fate of  IONPs by combining AC susceptibility measurements with modeling of magnetic  relaxation and radionuclide labeled SPECT/CT imaging. The out-­of-­phase AC  susceptibility profile is highly dependent on the quantity, size, and degree of  agglomeration of the particles, and AC susceptibility measurements can differentiate  between nanoparticles, iron storage proteins (ferritin and hemosiderin), and  endogenous iron. Consequently, with in vivo experiments using rodent models, this  method will allow us to quantitatively determine the complete biodistribution,  transformation, and particokinetics of IONPs as a function of their size and surface  coating. Initial work will be on particle core diameters optimized for translational imaging  in MRI (T1 contrast) and the emerging technique of Magnetic Particle Imaging. Each of  these will be functionalized with either biodegradable (polysaccharides) or non-­ degradable (polyethelene glycol) coatings, to evaluate the effect of surface coatings on  the metabolism and biological fate of nanoparticles. Select IONPs will also be  radionuclide labeled for SPECT/CT imaging for quantitative comparison and evaluation,  which will provide additional information about the degradation of the particles. In  summary, our method will provide a precise, quantitative description of the  particokinetics and ultimate fate of IONPs in vivo, a crucial step towards understanding  their overall toxicity, metabolism, and long-­term fate, with potential consequence in the  wide range of clinical applications where IONPs are administered.