BiF₃@Ln(Gd, Yb, Er) PVP 코팅 나노입자 신속 합성: 고성능 저독성 CT 영상용

초록

X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 임상에서 널리 사용되며, 정상 조직과 병변 조직 간 CT 영상 대비를 향상시키기 위해 요오드화 조영제(Iohexol 등)가 자주 사용된다. 그러나 이러한 조영제는 독성을 가질 수 있다. 따라서 새로운 CT 조영제가 시급히 필요하다. 높은 원자 번호(Z = 83), 저비용, 우수한 생물학적 안전성, 뛰어난 X선 감쇠 특성(100keV에서 5.74 cm² kg⁻¹) 덕분에 비스무트는 나노 크기 CT 조영제 분야에서 연구자들의 큰 관심을 받고 있다. 여기서 우리는 평균 입자 크기 약 380nm의 BiF₃: Ln@PVP 나노입자(NP)를 합성했다. 폴리비닐피롤리돈(PVP) 코팅 후 BiF₃: Ln@PVP NP는 우수한 안정성과 생체적합성을 가졌다. 한편 임상 조영제 Iohexol과 비교하여 BiF₃: Ln@PVP NP는 우수한 in vitro CT 영상 대비를 보였다. 이후 BiF₃: Ln@PVP NP를 종양 내 주입한 후, 주입 전후 종양 부위의 CT 값이 유의미하게 증가했다(주입 전 48.9 HU, 주입 후 194.58 HU). 경구 투여 후 시간에 따라 위장관(GI) 형태가 명확히 관찰되었다. 마지막으로 BiF₃: Ln@PVP NP는 경구 투여 48시간 내에 쥐의 GI 관에서 완전히 배출되었으며, GI 관에 명백한 손상이 없었다. 요약하자면, 쉽게 합성되는 BiF₃: Ln@PVP NP는 잠재적 임상 조영제로 사용될 수 있으며 CT 영상 분야에서 광범위한 응용 전망을 가진다.

서론

X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 높은 해상도와 저렴한 비용으로 내부 조직과 장기를 단면적으로 영상화할 수 있다[1, 2]. 따라서 호흡기 질환, 소화기 질환, 비뇨기계 질환 진단의 중요한 수단이다[3-8]. 그러나 CT는 때때로 병변 조직과 정상 조직 간 대비가 낮다. 따라서 임상에서 Iohexol 등의 조영제를 널리 사용하여 병변 조직의 X선 감쇠를 특이적으로 향상시킨다. 그러나 임상 조영제는 CT 검출기의 낮은 감도 때문에 대용량으로 사용되는 경우가 많다[9]. 또한 상용 요오드 기반 조영제는 체내에서 극도로 빠른 대사를 보이며 심장 사건, 신장독성 등 심각한 부작용이 있어 임상 사용을 제한하며 시급히 해결해야 한다[10-15].

나노물질은 환경 정화, 광전지 응용, 촉매 등에서 광범위한 응용 전망을 보였다[16-21]. 예를 들어 Balati 등은 펄스 레이저 액체 내 증착(PLAL) 후 마이크로파 조사로 헤테로구조 광촉매(HBTiO₂/RBIHM-MoS₂)를 합성했다[22]. 나노물질은 영상 및 치료 등 의학 분야에서도 널리 사용된다.

금(Au), 탄탈(Ta), 백금(Pt) 등 높은 X선 감쇠를 가진 원소들이 연구자들의 관심을 끌었으며, 이들 원소로 합성된 나노물질이 CT 영상용 잠재적 조영제로 잘 연구되었다[1, 12-15, 23, 24]. 그러나 높은 가격과 불확실한 생물학적 안전성이 추가 사용을 제한한다. 비스무트(Bi)는 저비용의 생물학적 안전 원소로 잘 알려져 있다. 임상에서 Helicobacter pylori 복합 요법 및 만성 간질환, 위궤양, 십이지장궤양 등 치료에 중요한 역할을 하며, 치료 중 우수한 생물학적 안전성과 내약성을 보인다[7, 25]. 또한 높은 원자 번호(Z = 83)와 우수한 X선 감쇠 능력(100keV에서 5.74 cm² kg⁻¹) 덕분에 HA-BiO NP, Bi₂S₃, BION, Bi₂Te₃ 등 나노스케일 조영제 제조에 사용되어 왔다[26-29].

예를 들어 Mohsen Mahvi 등은 마이크로파 보조 폴리올 공정으로 Bi₂Te₃ 나노플레이크를 합성했으며, 상용 Iohexol보다 우수한 X선 감쇠 계수를 보였다[29]. 따라서 Bi는 고성능 CT 조영제 구축에 유망한 원소다. 그러나 Bi 기반 나노 조영제 제조는 복잡하다[30, 31].

여기서 우리는 란타나이드(Gd, Yb, Er)와 Bi를 쉽고 저렴한 프로토콜로 결합하여 BiF₃: Ln@PVP 나노입자(NP)를 제조했다. 그런 다음 CT 영상용 조영제로서의 잠재력을 조사했다. PVP 코팅 후 BiF₃: Ln@PVP NP는 우수한 안정성과 낮은 생물학적 독성을 보였다. 이 샘플들은 in vitro에서 상용 Iohexol보다 우수한 X선 감쇠를 보이며, 우수한 in vivo 대비를 가지며 훌륭한 위장관(GI) CT 영상을 제공한다. 중요하게도 BiF₃: Ln@PVP 경구 투여 48시간 후 나노입자가 간, 신장 등 주요 장기에 명백한 손상 없이 체외로 완전히 배설되었다. 우리는 이 연구가 나노스케일 CT 조영제의 임상 사용을 위한 새로운 이론적 기초를 제공할 수 있다고 믿는다.

방법

동물 실험을 포함한 모든 실험 프로토콜은 중국 푸젠성 샤먼 대학 윤리위원회의 승인을 받았다.

재료 및 시약

질산 비스무트 오수화물(Bi(NO₃)₃·5H₂O, ≥99.99%), 불화암모늄(NH₄F, ≥99.99%), 질산 이터븀 육수화물(Yb(NO₃)₃·6H₂O, ≥99.9%), 질산 에르븀 육수화물(Er(NO₃)₃·6H₂O, ≥99.9%), 질산 가돌리늄 육수화물(Gd(NO₃)₃·6H₂O, ≥99.9%), 폴리비닐피롤리돈(PVP, ≥99.0%), Iohexol(≥99.0%)은 알라딘 시약(중국 상하이)에서 구입했다. Live-dead 세포 염색 키트와 세포 계수 키트-8(CCK-8)은 예센(중국 상하이)에서 구입했다. RPMI 1640 배지, 페니실린, 스트렙토마이신, 태아 소 혈청(FBS)은 깁코(미국 뉴욕)에서 구입했다.

BiF₃: Ln@PVP NP 제조

BiF₃: Ln@PVP NP는 수열법으로 합성했다. 구체적으로 1mmol Ln(NO₃)₃(Ln = Yb, Er, Gd)과 1mmol Bi(NO₃)₃을 5mL 탈수(DI)수와 30mL 에틸렌 글리콜을 포함한 35mL 용액에 녹여 투명한 용액 A를 만들었다. 여기에 0.5g PVP(M_W = 10,000)를 섞고 실온에서 10분간 교반했다. NH₄F(20mmol)를 10mL DI수에 녹여 용액 B를 만들었다. 용액 B를 용액 A에 붓고 20분간 교반하여 흰색 혼합 용액 C를 얻었다. 용액 C를 50mL 오토클레이브에 넣고 180°C에서 24시간 가열했다. 24시간 후 온도가 자연스럽게 실온으로 떨어졌다. 마지막으로 원심분리(8000rpm, 3분)하고 DI수와 알코올로 씻어 미반응 물질을 제거했다. 최종 샘플은 동결건조로 수집했다.

BiF₃: Ln@PVP NP 특성 분석

BiF₃: Ln@PVP NP의 형태는 투과전자현미경(TEM, TECNAI G20 F30 TWIN, Oxford)으로 300kV 작동 전압에서 관찰했다. 나노입자의 조성은 TEM에서의 에너지 분산 분광법(EDS) 맵 분석으로 분석했다. 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR, Thermo Scientific Nicolet iN10 MX 분광기, USA)으로 샘플의 작용기를 분석했다. BiF₃: Ln@PVP NP의 결정 구조와 상 특성은 분말 X선 회절(XRD, D8 Advance)로 Cu Kα 방사선(40kV, 40mA) 조건에서 분석했다. DI수와 PBS(pH 7.4)에 분산된 나노입자의 크기 분포는 동적 광산란(DLS, Brookhaven Instruments-Omni, USA)으로 조사했다.

세포주 및 세포 배양: HepG2 세포는 중국과학원 상하이 세포은행에서 얻었다. 세포는 10% 태아 소 혈청(FBS)과 1% 페니실린-스트렙토마이신을 포함한 RPMI 1640 배지에서 37°C, 5% CO₂ 조건으로 배양했다. 배지는 이틀마다 교체했다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vitro 세포적합성

BiF₃: Ln@PVP NP의 in vitro 세포적합성은 live-dead assay와 CCK-8 assay로 평가했다. 구체적으로 HepG2 세포를 수집하여 5.0 × 10⁵ 세포/접시로 공초점 접시에 파종하고 하룻밤 배양했다. BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액을 100, 200, 400 μg/mL의 다양한 농도로 세포에 첨가하여 실험군으로 설정했다. 한편 나노입자 없는 배지를 첨가하여 대조군으로 설정했다. 이후 실험군과 대조군을 24시간 배양했다. 24시간 후 원래 배지를 조심스럽게 제거하고 제조사 프로토콜에 따라 live-dead assay를 수행했다. 간단히 말해, 살아있는 세포는 Calcein-AM으로 표지하고, 죽은 세포는 요오드화 프로피디움(PI)으로 염색한 후 공초점 현미경(니콘, 일본)으로 관찰했다.

CCK-8 assay로 BiF₃: Ln@PVP NP의 in vitro 세포독성을 추가로 확인했다. 구체적으로 HepG2 세포를 96웰 플레이트에 웰당 3000개씩 파종하고 인큐베이터에서 하룻밤 배양했다. BiF₃: Ln@PVP NP의 다양한 농도(0, 25, 50, 100, 200, 400 μg/mL)를 세포와 혼합하여 24시간 배양했다. CCK-8 시약(10μL)을 각 웰에 첨가하고 37°C에서 2시간 인큐베이션했다. 이후 SPECTRA max 마이크로플레이트 리더(모델 680, Bio-Rad, 일본 도쿄)로 450nm에서 각 웰의 OD 값을 측정하고, 제조사 제공 공식에 따라 각 농도의 세포 생존율을 계산했다. 이 실험은 3회 반복했다.

실험동물

암컷 BALB/c 누드 마우스(4-6주령)를 중국 샤먼 대학 실험동물센터(샤먼, 중국)에서 얻었다. 마우스는 무균 환경에서 12시간 명/암 주기로 사육했다. HepG2 세포(1.0 × 10⁷/mL)를 피하 주입하여 종양 형성을 유도했다. 본 연구의 모든 동물 실험은 샤먼 대학 동물실험윤리위원회 승인 프로토콜에 따라 수행했다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vivo 생체적합성

조직학적 분석으로 BiF₃: Ln@PVP NP의 in vivo 생체적합성을 관찰했다. 실험군 마우스에 꼬리 정맥을 통해 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액을 200mg/kg 주입했으며, 대조군 마우스에는 동일한 부피의 PBS를 정맥 주입했다. 24시간 후 마우스를 희생시키고 심장, 간, 비장, 폐, 신장, 뇌 등 주요 장기를 즉시 적출했다. 모든 장기를 4% 파라포름알데히드 고정액으로 12시간 고정하고 파라핀 포매 후 절편했다. 마지막으로 헤마톡실린-에오신(H&E) 염색을 수행했다. 장기 형태를 평가하고 직립 형광 현미경(Leica DM2700 P, 독일)으로 촬영했다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vitro 및 In Vivo CT 성능

BiF₃: Ln@PVP NP의 in vitro CT 영상 응용을 연구하기 위해 BiF₃: Ln@PVP NP와 Iohexol 현탁액을 제조하여 0, 0.625, 1.25, 2.5, 5.0, 10.0, 20.0mg/mL로 희석하고 0.3mL 에펜도르프 튜브에 담았다. X선 CT 장비(지멘스)로 50kV와 80kV 작동 전압에서 각각 BiF₃: Ln@PVP NP와 Iohexol 현탁액의 CT 영상과 해당 CT 값을 획득하고 기록했다. 다음으로 BiF₃: Ln@PVP NP의 in vivo CT 영상 능력을 연구했다; BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액을 200mg/kg(100μL)로 종양 보유 누드 마우스에 종양 내 주입했다. 이후 마우스를 마취시키고 X선 CT 장비(지멘스, 80kV, 88μA)로 BiF₃: Ln@PVP 투여 전후 CT 영상을 촬영했다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 GI 관 CT 성능 및 조직학적 분석

BiF₃: Ln@PVP NP의 CT 영상 가치를 추가로 탐구하기 위해 마우스를 하룻밤 금식시키고 위관을 통해 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액(300μL, 20mg/mL)을 경구 투여했다. 마우스를 클로랄 하이드레이트로 복강 마취했다. 다음으로 80kV에서 다양한 간격(0, 15분, 30분, 120분, 6시간, 12시간, 24시간, 48시간)의 GI 영상을 촬영했다. 마지막으로 CT 장비로 마우스의 3D 모델을 재구성했다. 마우스를 희생시키고 위, 소장, 대장을 적출하여 4% 파라포름알데히드로 12시간 고정했다. 파라핀 포매 및 절편 후 H&E 염색으로 BiF₃: Ln@PVP NP의 위장관 독성을 평가했다.

통계 분석

데이터는 일원 분산 분석(one-way ANOVA)으로 분석했으며, 모든 분석에서 P값 < 0.05를 통계적으로 유의미한 것으로 간주했다(95% 신뢰 수준).

결과 및 논의

BiF₃: Ln@PVP NP의 제조 및 물리화학적 특성

먼저 BiF₃: Ln@PVP NP를 수열 반응으로 제조했다(Scheme 1). 그림 1A는 TEM으로 관찰한 BiF₃: Ln@PVP NP의 형태를 보여준다. BiF₃: Ln@PVP NP는 균일하고 구형 구조를 가지며, 평균 크기는 약 380nm로 균일하게 분산되어 있다. 삽입 그림은 나노입자가 비교적 좁은 입자 크기 분포를 가짐을 보여준다(우측 하단). BiF₃: Ln@PVP NP의 형태를 평가한 후 EDS로 조성을 분석했다. 그림 1B-F는 원소 분석 전 BiF₃: Ln@PVP NP의 암시야 이미지를 보여준다. 결과는 우리 나노입자가 주로 Gd, Yb, Er, Bi 원소로 구성됨을 보여주며, BiF₃: Ln@PVP NP가 성공적으로 합성되었음을 나타낸다.

BiF₃@Ln(Gd, Yb, Er) PVP 코팅 나노입자 신속 합성: 고성능 저독성 CT 영상용 — BiF₃: Ln@PVP NP 합성 공정 및 응용 개요도

PVP는 나노물질의 생체적합성과 안정성을 개선하는 효과적인 안정제이다[32]. 따라서 앞서 보고된 바와 같이 우리 나노입자를 PVP로 수정했다[33]. FTIR 스펙트럼으로 PVP가 나노입자 표면에 성공적으로 코팅되었는지 확인했다(그림 2). 1658cm⁻¹에서 C=O 기의 강한 흡수 피크와 1293cm⁻¹에서 C-N 기 피크가 나타났으며, 이는 PVP에서 유래한 것으로 나노입자 표면의 PVP 코팅이 완료되었음을 나타낸다[34]. BiF₃: Ln@PVP NP의 XRD 패턴은 그림 3에 도시되어 있다. 그림 3A는 모든 피크가 표준 카드 BiF₃: Ln 데이터(PDF 74-0144)와 잘 일치함을 보여주며, BiF₃: Ln@PVP NP가 성공적으로 제조되었음을 추가로 입증한다. BiF₃ 구조의 원자 매개변수는 Diamond 소프트웨어를 통해 표준 cif 카드의 초기 매개변수로 사용될 수 있다. 표준 구조는 PDF 74-0144, a = b = c = 5.865Å, V = 201.75(3)Å, 밀도(c) = 8.755를 산출했다. C축에서 본 BiF₃ 결정 구조는 A축에 수직한 방향으로 층이 적층되어 있으며(그림 4B), A축에서 본 단일 구조는 Bi가 원자 중심에 있음을 보여준다(그림 4C). 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 양호한 결정 구조를 가지며, 표면 코팅이 BiF₃: Ln@PVP NP의 결정 구조에 약간만 영향을 미침을 나타낸다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 안정성 및 세포적합성

나노입자의 분산 크기가 생물학적 시스템과의 상호작용에 영향을 미칠 수 있으므로, 다양한 용액에서의 나노입자 분산 크기 연구가 필요하다[33]. 그림 4A, B는 BiF₃: Ln@PVP NP가 DI수와 PBS(pH = 7.4)에서 비교적 좁은 분포를 가짐을 보여주며, 이는 BiF₃: Ln@PVP NP가 다양한 용액에서 우수한 안정성을 가짐을 나타낸다. 따라서 생물학적 응용에 적합하다.

BiF₃: Ln@PVP NP가 다양한 용액에서 우수한 안정성을 가짐을 입증한 후 세포독성을 연구했다. Live-dead 실험으로 BiF₃: Ln@PVP NP의 세포독성을 평가했다. BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액 농도가 400μg/mL에 도달하여 HepG2 세포와 24시간 배양했을 때 대조군과 비교하여 명백한 적색 형광이 관찰되지 않았다(그림 4C). 이는 실험군에서 유의미한 세포 사멸이 없음을 나타낸다. 이후 CCK-8 assay로 BiF₃: Ln@PVP NP의 세포독성을 추가로 연구했다. 그림 4D는 다양한 농도의 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액으로 24시간 인큐베이션한 HepG2 세포의 세포 생존율을 보여준다. 실험군의 HepG2 세포 모두 상대적으로 높은 세포 생존율을 보였다. 게다가 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액 농도가 400μg/mL에 도달했을 때 세포 생존율이 85.96%에 달했다. 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 in vitro에서 우호적인 생체적합성을 가짐을 입증하며, 이는 BiF₃: Ln@PVP NP 표면의 PVP 코팅 덕분일 수 있다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vivo 생체적합성

낮은 세포독성 외에도 우수한 in vivo 생체적합성은 조영제의 임상 사용을 위한 또 다른 필수 조건이다[35]. 따라서 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액을 제조하여 200mg/kg(100μL)로 마우스 꼬리 정맥에 주입했으며, 동일한 부피의 PBS 용액을 주입하여 대조군으로 설정했다. 24시간 후 마우스를 희생시키고 부검 중 주요 장기를 적출했다. H&E 염색으로 전신 독성을 평가했다. 그림 5는 BiF₃: Ln@PVP NP 투여 24시간 후 명백한 병리학적 이상이 없음을 보여준다. 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 우수한 생체적합성을 가짐을 나타내며, 위에서 보인 낮은 세포독성과 일치한다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vitro CT 영상 능력

높은 원자 번호를 가진 원소들은 일반적으로 뛰어난 X선 감쇠로 인해 높은 대비 효과를 가진다. 예를 들어 높은 원자 번호의 귀금속(Au[36], Ag[37] 등)으로 제조된 조영제는 이전에 보고된 바와 같이 우수한 CT 영상 효과를 가진다. 따라서 유망한 유형의 조영제를 고려할 수 있다. 그러나 높은 비용이 추가 임상 적용을 제한한다. 비스무트는 우수한 생물학적 안전성과 저비용, 뛰어난 X선 감쇠 능력을 가진다[38-41]. 여기서 BiF₃: Ln@PVP NP의 조영제 효과를 평가하기 위해, 상용 조영제 Iohexol 용액과의 X선 감쇠 능력을 in vitro에서 비교했다. 그림 6A, B는 각각 50kV와 80kV 작동 전압에서 BiF₃: Ln@PVP와 Iohexol의 해당 CT 영상을 보여준다. 그림 6A, B는 현탁액 농도 증가에 따라 영상의 회색 레벨이 검은색 음영에서 흰색 음영으로 점차 변함을 나타낸다. 그러나 동일한 농도에서 BiF₃: Ln@PVP가 Iohexol보다 더 밝은 음영을 보이는데, 이는 Bi의 X선 감쇠 계수가 I보다 높기 때문이다(Bi는 5.74 cm² kg⁻¹, I는 1.94 cm² kg⁻¹, 100keV에서)[42].

그림 6C는 BiF₃: Ln@PVP NP와 Iohexol 농도 증가에 따라 CT 값(Hounsfield Unit, HU)이 작동 전압에 관계없이 선형적으로 증가함을 보여준다(둘 다 R² > 0.99). 단위 질량 농도당 BiF₃: Ln@PVP NP의 CT 값은 Iohexol보다 훨씬 높다(50kV에서 1.5배, 80kV에서 1.7배 높음). 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 상용 Iohexol 대비 동일 용량에서 더 나은 대비 효과를 제공할 수 있음을 나타내며, 이는 좋은 영상 효과를 유지하면서 조영제 양을 줄일 수 있어 독성과 부작용을 크게 줄일 수 있으므로 큰 의미가 있다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 In Vivo CT 영상 대비 효과

BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액을 종양 보유 마우스에 종양 내 주입(200mg/kg, 100μL)하여 in vivo CT 영상에서 BiF₃: Ln@PVP NP의 대비 효과를 평가했다. BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액 투여 1시간 후 동일한 종양 영역에서 기준선 대비 강한 신호 강도 변화가 감지되었다(그림 7A). 한편 그림 7B는 주입 후 CT 값(184.58 HU)이 주입 전(48.9 HU)보다 훨씬 높음을 보여준다. 이는 BiF₃: Ln@PVP NP가 종양 조직에 분포한 후 종양 조직의 X선 감쇠 계수가 증가했기 때문이다. 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 우수한 in vivo CT 영상 능력을 가짐을 나타낸다.

BiF₃: Ln@PVP NP의 GI 관 CT 영상 성능 및 GI 독성

위에서 얻은 유망한 결과에 힘입어, 우리는 BiF₃: Ln@PVP NP의 CT 영상 잠재적 응용을 추가로 평가하고자 했다. 일반적인 비침습적 영상 방법으로서 CT는 편리한 영상 처리, 조직 손상 없음, 환자 무통증 덕분에 GI 질환 진단과 치료 계획 수립에 중요한 역할을 한다[43, 44]. 일반적으로 사용되는 황산 바륨 조영제는 보통 기체 발생 분말과 함께 사용된다. 두 물질이 생성하는 서로 다른 밀도 때문에 GI 관이 항상 명확하게 표시되지 않아 오진을 초래하며, 이는 임상 사용을 제한한다[45]. 따라서 추가 도움 없이 고효율 GI 조영제를 탐구하는 것은 큰 의미가 있다. 이 연구에서 우리는 누드 마우스에서 BiF₃: Ln@PVP NP의 GI 관 효과를 탐구했다.

그림 8A는 BiF₃: Ln@PVP NP 현탁액(20mg/mL, 300μL) 경구 투여 15분 후 위와 소장 형태가 보이기 시작함을 보여준다. 30분에는 위 연동 운동과 함께 BiF₃: Ln@PVP NP가 대사되어 위 형태가 약해졌다. 120분에는 대부분의 BiF₃: Ln@PVP NP가 위에서 대사되어 남은 위 윤곽만 보였다. 6시간에 BiF₃: Ln@PVP NP가 대장 윤곽에 나타나기 시작하여 나노입자가 대장에 풍부해지기 시작했음을 나타내며, 12시간에 대장 형태가 명확히 보였다. 24시간에는 대부분의 BiF₃: Ln@PVP NP가 배설되어 소량만 남았다. 48시간 간격에서는 GI 형태를 관찰할 수 없었으며, 이는 모든 BiF₃: Ln@PVP NP가 GI 관에서 배설되었음을 나타낸다. 나노입자가 GI 관에서 완전히 배설된 후 마우스를 희생시키고 위, 소장, 대장을 적출하여 H&E assay로 BiF₃: Ln@PVP NP의 GI 독성을 평가했다. 그림 8B는 BiF₃: Ln@PVP NP 경구 투여 48시간 후 위, 소장, 대장에서 명백한 조직학적 변화가 없음을 보여주며, BiF₃: Ln@PVP NP가 GI 관에 유의미한 독성이 없음을 입증한다. 이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 GI 관의 CT 영상 성능을 향상시키기 위한 잠재적 CT 조영제로 사용될 수 있으며, GI 관에 명백한 독성이 없음을 나타낸다.

이 결과들은 BiF₃: Ln@PVP NP가 종양 및 위장관 영상을 위한 임상 CT 조영제로서 잠재력을 가짐을 나타낸다. 그러나 입자 크기 제한으로 인해 BiF₃: Ln@PVP NP는 우수한 향상된 투과성 및 잔류(EPR) 효과를 달성할 수 없다[46]. BiF₃: Ln@PVP NP의 장기 생물학적 안전성과 체내 대사 과정은 추가 연구가 필요하다.

결론

여기서 우리는 수열 공정으로 새로운 CT 조영제를 합성했다. TEM 데이터는 BiF₃: Ln@PVP NP가 평균 크기 약 380nm의 균일한 구형 구조를 가짐을 보여준다. FTIR 스펙트럼은 PVP가 나노입자 표면에 성공적으로 감싸져 나노입자의 생물학적 안전성을 개선함을 보여준다. 우리는 다양한 작동 전압에서 Iohexol과 in vitro CT 영상 효과를 비교했다. 결과는 BiF₃: Ln@PVP NP가 Iohexol보다 우수한 X선 감쇠 능력을 가짐을 나타낸다. 생체적합성 연구는 BiF₃: Ln@PVP NP가 in vivo에서 주요 장기에 명백한 독성이 없음을 보여준다. 마지막으로 우수한 X선 감쇠 능력 덕분에 BiF₃: Ln@PVP NP는 우수한 대비 영상 효과를 in vivo에서 가져 GI 관을 상세히 성공적으로 시각화하면서 GI 관에 손상을 주지 않는다. 따라서 우리 연구는 우수한 수용성 안정성, 좋은 생물학적 안전성, 높은 효율을 가진 고효율 CT 조영제를 제공한다. 이러한 특징들은 임상 조영제 후보로서의 잠재력을 갖게 한다.