Labeling of Anti-MUC-1 Binding Single Chain Fv Fragments to Surface Modified Upconversion Nanoparticles for an Initial in Vivo Molecular Imaging Proof of Principle Approach

In vivo optical Imaging is an inexpensive and highly sensitive modality to investigate and follow up diseases like breast cancer. However, fluorescence labels and specific tracers are still works in progress to bring this promising modality into the clinical day-to-day use. In this study an anti-MUC-1 binding single-chain antibody fragment was screened, produced and afterwards labeled with newly designed and surface modified NaYF4:Yb,Er upconversion nanoparticles as fluorescence reporter constructs. The MUC-1 binding of the conjugate was examined in vitro and in vivo using modified state-of-the-art small animal Imaging equipment. Binding of the newly generated upconversion nanoparticle based probe to MUC-1 positive cells was clearly shown via laser scanning microscopy and in an initial proof of principal small animal optical imaging approach

Synthese und optische Eigenschaften von Upconversion-Nanopartikeln und erste Anwendungen als Markierungssubstanzen in der Biologie

Die Synthese und Charakterisierung von lanthanoid-dotierten Upconversion Nanopartikeln erlangte auf Grund der möglichen Anwendung dieser Nanopartikel im Bereich des Biolabeling große Aufmerksamkeit. Der Upconversion-Effekt ermöglicht eine Konvertierung von energiearmem NIR-Licht in energiereiches sichtbares Licht. Anregung mit niedriger Anregungsintensität eliminiert den Autofluoreszenzhintergrund in biologischen Materialien. Voraussetzungen für die Nutzung von NaYF4-Nanopartikeln als biologische Markierungssubstanzen sind eine geringe Größe, eine schmale Größenverteilung und eine hohe Fluoreszenzintensität. Eine Analyse des Syntheseablaufs zeigt, dass es während der Synthese zu einem Sol-Gel-Sol-Übergang der Reaktionslösung kommt, bei dem im Gel zuerst Nanopartikelvorstufen entstehen. Beim Erhitzen der Reaktionslösung bilden sich die Nanopartikel (kubische Phase) und gehen langsam in Lösung über. Eine Reaktionsdauer von 16 Stunden ist für den Abschluss des Partikelwachstums erforderlich. Das Aufbringen einer undotierten Schale auf die Yb,Er-dotierten Kern-Partikel führt zu einer 50-fachen Steigerung der Fluoreszenzintensität. Das Wachstum von Kern- und Kern-Schale-Partikeln wird durch die Verwendung verschiedener Natrium- und Fluoridquellen nicht beeinflusst. Allerdings führt eine Stabilisierung der Lanthanoid-Ionen mit EDTA zu hexagonalem NaYF4, dessen makrokristallines Material für eine intensiv grüne Fluoreszenz bekannt ist. Werden Pflanzen (Orchideen, Acker-Schmalwand) mit einer wässrigen kolloidalen Lösung der Partikel gewässert, so können die Partikel in den Blättern und dem Spross der Pflanzen detektiert werden. Laser-Scan-Mikroskopische Aufnahmen belegen die Aufnahme der Partikel durch die Wurzeln der Pflanzen. Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurden außerdem erste Versuche mit und an Mäusen durchgeführt, die die Eignung der Upconversion-Partikel als Tumorzellenmarker zeigen