Articles

Frontiers in bioinżynieria i biotechnologia

wprowadzenie

Magnetosomy to struktury wewnątrzkomórkowe wytwarzane przez bakterie magnetotaktyczne, które zawierają nanocząstki magnetyczne otoczone dwuwarstwową błoną lipidową. Przyciągnęły one wiele uwagi do zastosowań biotechnologicznych. Wynika to z szeregu atrakcyjnych właściwości podsumowanych poniżej, które zwykle nie znajdują się w chemicznie syntetyzowanych nanocząstkach.

(i) magnetosomy są nanocząstkami magnetycznymi, które mają wąski rozkład wielkości i jednolitą morfologię, gdy bakterie magnetotaktyczne są hodowane w optymalnych warunkach, tj. zasadniczo przy użyciu niskiego stężenia tlenu (wahającego się między 0,25 A 10 mbar, Heyen i Schüler, 2003) podczas wzrostu. W tych warunkach rozkład wielkości magnetosomów może być tak mały, jak ~10 nm przy rozmiarach magnetosomów Zwykle leżących między 45 a 55 nm dla najczęściej badanych gatunków bakterii magnetotaktycznych (AMB-1 i MSR-1) (Bazylinski and Frankel, 2004; Taylor and Barry, 2004).

(ii) rdzeń magnetosomów składa się zwykle z magnetytu (Fe3O4), który może utleniać się do maghemitu (yFe2O3). Rdzeń magnetosomu ma również zwykle wysoki poziom czystości i krystaliczności (Bazylinski i Frankel, 2004).

(iii) magnetosomy są zwykle dużymi pojedynczymi nanocząstkami domeny magnetycznej. Prowadzi to do momentu magnetycznego, który jest stabilny termicznie w temperaturze fizjologicznej. Dlatego wytwarza lepsze właściwości magnetyczne niż te znajdujące się w chemicznie syntetyzowanych nanocząstkach tlenku żelaza, które są zwykle superparamagnetyczne i posiadają niestabilny termicznie moment magnetyczny. Daje również wysokie wartości koercji (Hc ~ 20-40 mT) i stosunku między namagnesowaniem remanentowym a nasyceniem (Mr / Ms ~ 0,4-0,5) (Pan i in., 2005; Alphandéry et al., 2008). W szczególnych warunkach opisanych poniżej, te właściwości magnetyczne powodują wyższe zdolności grzewcze i lepsze środki kontrastowe rezonansu magnetycznego (MRI) dla magnetosomów niż dla chemicznie syntetyzowanych nanocząstek.

(iv) magnetosomy są zwykle ułożone w łańcuchy wewnątrz bakterii. Układ ten jest wystarczająco stabilny, aby można go było zachować nawet po zakłóceniu bakterii w celu izolowania magnetosomów. Taki układ jest atrakcyjny, ponieważ zapobiega agregacji i daje wysoki wskaźnik internalizacji w ludzkich komórkach, dwie właściwości, które są zwykle pożądane w zastosowaniach medycznych (Alphandéry et al., 2011b, 2012a).

(v) magnetosomy są pokryte materiałem biologicznym złożonym z większości lipidów i mniejszości białek. Ta powłoka biologiczna powoduje ujemnie naładowane magnetosomy o dobrej dyspersji w wodzie(Alphandéry et al., 2011b, 2012a). Natomiast chemicznie syntetyzowane nanocząstki nie są naturalnie powlekane i muszą być stabilizowane, na przykład, przez pokrycie dekstranem lub cząsteczkami PEG. To zwykle sprawia, że ich synteza jest bardziej skomplikowana niż synteza magnetosomów.

(vi) magnetosomy mogą być łatwo funkcjonalizowane, ze względu na obecność różnych grup chemicznych na ich powierzchni (Sun et al., 2011).

(vii) metody zostały opublikowane, które umożliwiają wytwarzanie dużej ilości magnetosomów do 170 mg/L / dzień magnetosomów (Matsunaga et al., 1990, 1996; Yang et al., 2001; Heyen and Schüler, 2003; Sun et al., 2008a; Liu et al., 2010; Zhang et al., 2011; Alphandéry et al., 2012b).

(viii) gdy są przygotowywane w określonych warunkach, magnetosomy mają wysoką biokompatybilność i niską toksyczność (Xiang et al., 2007; Sun et al., 2010).

(ix) wreszcie magnetosomy są uzyskiwane przez hodowlę bakterii magnetotaktycznych w podłożu wzrostowym, które nie jest toksyczne (na przykład podłoże ATCC 1653 dla gatunku AMB – 1). Kontrastuje to z wykorzystaniem toksycznych produktów często stosowanych podczas wytwarzania syntetyzowanych chemicznie nanocząstek.

przygotowanie zawiesin bakterii Magnetotaktycznych i Magnetosomów bakteryjnych

w zależności od rodzaju zastosowania można przygotować różne rodzaje zawiesin zawierających bakterie magnetotaktyczne lub izolowane magnetosomy. Na przykład, w celu ukierunkowania nowotworów, sugeruje się stosowanie zawiesin żywych bakterii magnetotaktycznych, które są podawane dożylnie i są naturalnie przyciągane przez beztlenowe środowisko guza (Benoit et al., 2009). Jednak zastosowanie żywych bakterii magnetotaktycznych do zastosowań medycznych będzie mało prawdopodobne, aby zostały zaakceptowane przez agencje regulacyjne (FDA w USA, EMA w Europie), a ten przegląd koncentruje się na magnetosomach, które będą bardziej prawdopodobne, aby zostały zaakceptowane do badań klinicznych. Do leczenia nowotworów przy użyciu hipertermii magnetycznej sugeruje się stosowanie zawiesin zawierających łańcuchy magnetosomów (łańcuchy nanocząstek magnetycznych) wyekstrahowanych z bakterii magnetotaktycznych (Alphandéry et al., 2011a, b, 2012a, 2013). Do innych zastosowań, magnetosomy, które zostały wykorzystane zostały wyizolowane z bakterii magnetotaktycznych i traktowane w celu usunięcia otaczającego je materiału biologicznego. Następnie zostały one pokryte lipidami w celu stabilizacji (Yoshino et al., 2007). Aby przygotować zawiesiny zawierające żywe całe bakterie magnetotaktyczne, szczepy AMB-1, MSR-1 lub MS-1 można kupić z kolekcji hodowli ATCC lub DSMZ z protokołem wzrostu, który jest dostarczany. Obraz tem (transmission electron microscopic) typowej całej bakterii magnetotaktycznej zawierającej kilka łańcuchów magnetosomów przedstawiono na fig. 1a.wśród różnych szczepów bakterii magnetotaktycznych MSR-1 osiągnął najwyższą wydajność produkcji magnetosomów (170 mg/L/dobę) (Zhang et al., 2011), a zatem wydaje się być obiecującym szczepem do zastosowań medycznych, które wymagają dużej ilości magnetosomów. W celu uzyskania zawiesin zawierających wyodrębnione łańcuchy magnetosomów, takie jak te pokazane na fig.1B, te ostatnie można wyizolować z bakterii magnetotaktycznych za pomocą sonikacji (Taoka et al., 2006; Sun et al., 2008b; Alphandéry et al., 2011b), a treatment with sodium hydroxide (Philipse and Maas, 2002), with a French press (Grünberg et al., 2004; Matsunaga et al., 2007; Xiang et al., 2007) lub z homogenizatorem ciśnieniowym (Guo et al., 2011; Tang et al., 2012). Zaproponowano również różne metody oczyszczania zawiesiny magnetosomów po ekstrakcji polegającej na magnetycznej separacji magnetosomów od szczątków komórkowych (Grünberg et al., 2001; Alphandéry et al., 2011b, 2012a), leczenie proteinazą K w celu usunięcia białek powierzchniowych (Guo et al., 2011), fluorek fenylometylosulfonylu hamujący aktywność proteazy, Dnaza I usuwający DNA (Sun et al., 2007). Najczęściej stosowaną metodą sterylizacji zawiesin magnetosomów jest promieniowanie gamma (Guo et al., 2011). Magnetosomy mogą być stabilizowane w wodzie. Przed podaniem człowiekowi należy również scharakteryzować zawiesiny magnetosomów. Materiał biologiczny otaczający magnetosomy można scharakteryzować za pomocą chromatografii, spektroskopii w podczerwieni, SDS Page i spektroskopii masowej (Grünberg et al., 2004). TEM może być używany do pomiaru wielkości magnetosomów i weryfikacji wysokiego poziomu krystaliczności rdzenia magnetosomu. Pomiary magnetyczne można również przeprowadzić w celu wykrycia przejścia Verwey ’ a, co ujawniłoby obecność magnetytu w magnetosomach(Alphandéry et al., 2008). Wreszcie, możliwe jest również otrzymanie zawiesin pojedynczych magnetosomów wyizolowanych z bakterii magnetotaktycznych (Fig. 1C), w których większość materiału biologicznego została usunięta przez podgrzanie zawiesin magnetosomów w ciągu 5 h w temperaturze 90°C w obecności 1% SDS(Alphandéry et al., 2011b, 2012a).

1
www.frontiersin.org

Rysunek 1. Transmisyjne obrazy mikroskopii elektronowej pojedynczej bakterii magnetotaktycznej (a) łańcuchów magnetosomów wyekstrahowanych z całych bakterii magnetotaktycznych (B) poszczególnych magnetosomów odłączonych od łańcuchów za pomocą ciepła i obróbki SDS (C).

toksyczność i Biodystrybucja Magnetosomów bakteryjnych

cytotoksyczność magnetosomów bakteryjnych była silnie zależna od rodzaju badanej komórki. W przypadku komórek Hepatoma H22 (komórek raka wątroby) i komórek promyelocytic HL60 (komórek białaczkowych), magnetosomy bakteryjne zaczęły wykazywać oznaki cytotoksyczności przy stosunkowo niskich stężeniach magnetosomów wynoszących 9 µg/mL (Sun i in., 2010). Z drugiej strony, w przypadku fibroblastów i komórek raka piersi, takich jak komórki EMT-6 lub komórki MDA-MB-231, magnetosomy nie wykazywały cytotoksyczności poniżej ~1 mg/mL (Xiang i wsp ., 2007; Sun et al., 2010; Alphandéry et al., 2011b). Stwierdzono również, że cytotoksyczność zależy od czasu inkubacji (Alphandéry et al., 2008). Rzeczywiście, w przypadku stężeń magnetosomów wyższych niż 1 mg/mL, cytotoksyczność okazała się niska, gdy czas inkubacji był krótszy niż 24 godziny. z drugiej strony, w przypadku stężeń magnetosomów niższych niż 1 mg/mL, cytotoksyczność pozostawała niska nawet przez dłuższy czas inkubacji niż 24 godziny. cytotoksyczność magnetosomów wydaje się być porównywalna z działaniem superparamagnetycznych nanocząstek tlenku żelaza (SPION), które okazały się cytotoksyczne powyżej stężenia 100 µg/mL (Karlsson et al., 2008; Ankamwar et al., 2010; Singh et al., 2010). Badano również ostrą toksyczność magnetosomów bakteryjnych. Stwierdzono, że w przypadku dożylnego podawania magnetosomów bakteryjnych szczury mogą przetrwać maksymalną ilość magnetosomów podawaną w dawce 480 mg / kg (Liu i wsp ., 2012). Ta ilość nanocząstek jest wyższa niż 135 mg/kg znalezionych dla SPION (Liu et al., 2012). Zgłaszano również immunotoksyczność magnetosomów. W tym celu w uszach królików podawano 1 mg zawiesiny magnetosomów bakteryjnych (nanocząstek magnetycznych)i monitorowano temperaturę królików (Sun et al., 2010). Stwierdzono, że temperatura królików nie wzrosła po podaniu zawiesin magnetosomów. Wynik ten wraz z innymi ustaleniami przedstawionymi w referencji (Sun et al., 2010) popierają ideę, że magnetosomy nie są pirogenne, gdy są przygotowywane w szczególnych warunkach opisanych w Sun et al. (2010).

jeśli chodzi o biodystrybucję magnetosomów, mogą pojawić się różne sytuacje. Magnetosomy mogą być metabolizowane przez organizm i przekształcane w wolne żelazo. Mogą również pozostać w postaci skrystalizowanych nanocząstek. W obu przypadkach wolne żelazo lub krystalizowane magnetosomy mogą gromadzić się w organizmie lub być eliminowane z kałem lub moczem. Aby zrozumieć biodystrybucję magnetosomów, te ostatnie zostały zmieszane z białkami trzustki bydlęcej, które symulują aktywność lizosomów. Zaobserwowano, że magnetosomy zostały zdegradowane przez proteazy po 28 dniach, co sugeruje, że lizosomy degradują magnetosomy (Liu et al., 2012). Magnetosomy podawano również dożylnie szczurom (Sun et al., 2009) i myszy (Liu et al., 2012), i stwierdzono, że kończą się one w lizosomach wątroby i śledziony (Sun et al., 2009; Liu et al., 2012). Wyniki te sugerują, że układ siateczkowo-śródbłonkowy usuwa magnetosomy z krwiobiegu i że magnetosomy są następnie przekształcane w wolne żelazo(Sun et al., 2009). W tym badaniu (Sun et al., 2009), magnetosomy nie znaleziono ani w kale, ani w moczu lub szczurach. Jednak w innych badaniach magnetosomy znaleziono w odchodach szczurów po podaniu donatumoralnym (Alphandéry et al., 2011b), lub dożylne podawanie, jak zaobserwowano przez obserwację tem kału (niepublikowane wyniki uzyskane przez nas). Możemy stwierdzić, że po podaniu do organizmu część magnetosomów najprawdopodobniej przekształca się w wolne żelazo, podczas gdy inna część pozostaje w postaci krystalizowanej i jest eliminowana z kałem. Konieczne są jednak dalsze badania, aby lepiej zrozumieć biodystrybucję magnetosomu.

zastosowania Magnetosomów w MRI, hipertermii magnetycznej i dostarczaniu leków

obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego

kilka badań donosi o zastosowaniu magnetosomów bakteryjnych jako dodatnich lub ujemnych środków kontrastowych. Benoit i in. (2009) wykazały za pomocą MRI, że bakterie magnetotaktyczne mają naturalną tendencję do celowania w guzy u myszy, gdy są one podawane dożylnie. W badaniu tym bakterie magnetotaktyczne wizualizowano w guzach za pomocą MRI. Wykazano, że część magnetosomów generuje dodatni kontrast ważony T1 (longitudinal relaxation times), poprawiając wizualizację bakterii magnetotaktycznych w guzach. Innym interesującym aspektem tego raportu jest stwierdzenie, że małe magnetosomy o średnich rozmiarach ~25 nm wytwarzają dodatni kontrast, podczas gdy duże magnetosomy o średnich rozmiarach ~50 nm nie wytwarzają takiego kontrastu. Dla małych magnetosomów, sygnał MRI ważony T1 również zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia bakterii pod warunkiem, że stężenie bakterii pozostaje poniżej progu 0.5 1010 komórek / mL. Powyżej 0,5 × 1010 komórek / mL sygnał MRI ważony T1 zmniejsza się ze względu na konkurencyjny efekt T2 (czasy relaksacji poprzecznej). Ogólnie rzecz biorąc, dobre środki kontrastowe charakteryzują się bardzo dużą relaksacją (odwrotnością czasu relaksacji T2, Zwykle oznaczaną jako r2) i bardzo krótkimi wartościami T2. Tak wysokie wartości r2 można osiągnąć za pomocą magnetosomów. Rzeczywiście, Wykazano, że zarówno magnetosomy zamknięte w żelu, jak i ferrimagnetyczne nanocząstki różne od ferridex i o podobnych właściwościach niż magnetosomy mają wartości r2 tak wysokie, jak odpowiednio 1175 i 324 mM s−1 (Hu i wsp., 2010; Lee et al., 2011). Te dwie wartości są większe niż wartość R2 ~ 133 mM s-1 znalezione dla chemicznie syntetyzowanych nanocząstek ferridex, które są obecnie zatwierdzone i przetestowane w klinice jako środki kontrastowe do zastosowania MRI (Lee et al., 2011).

hipertermia Magnetyczna

Magnetosomy są również dobrymi kandydatami do leczenia nowotworów za pomocą hipertermii magnetycznej. Hipertermia magnetyczna jest techniką, w której nanocząstki magnetyczne są podawane (lub wysyłane) do guzów, a następnie ogrzewane pod wpływem naprzemiennego pola magnetycznego. Ciepło indukuje działanie przeciwnowotworowe. Aby być skutecznym dla hipertermii magnetycznej, nanocząstki muszą zatem wytwarzać dużą ilość ciepła. Magnetosomy posiadają dobre właściwości grzewcze głównie ze względu na ich duże rozmiary, ich ferromagnetyczne zachowanie w fizjologicznej temperaturze i wysoki poziom krystaliczności. W przypadku ferrimagnetycznych nanocząstek ilość ciepła wytwarzanego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego jest zasadniczo proporcjonalna do obszaru ich pętli histerezy, która wzrasta wraz ze wzrostem rozmiarów nanocząstek. Rzeczywiście, w większości przypadków Hc I Mr / Ms, które są proporcjonalne do obszaru pętli histerezy, zwiększają się wraz ze wzrostem wielkości nanocząstek. Ilość ciepła wytwarzanego przez magnetosomy została oszacowana przez pomiar strat magnetosomów na cykle, które są zdefiniowane jako magnetosom SAR (szybkość absorpcji właściwej) podzielona przez częstotliwość przyłożonego pola magnetycznego. Straty magnetosomów na cykl wzrastały wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego od 0,1 do 0,2 J/kg (dżule na kilogram żelaza zawartego w ogrzewanych magnetosomach) dla siły pola magnetycznego 6 mT (Hergt et al., 2005, 2008; Dutz et al., 2007; Timko et al., 2009, 2013), do 0.5-1 J / kg dla natężenia pola magnetycznego 12 mT (Hergt i wsp ., 2005, 2008; Dutz et al., 2007; Sun et al., 2009). Wartości te są większe niż wartości SPION zasadniczo, gdy natężenie pola magnetycznego jest wyższe niż 10 mT (Alphandéry et al., 2011a).

badano również mechanizmy ogrzewania magnetosomów (Alphandéry et al., 2011a). Celem tego badania (Arakaki et al., 2008), było określenie, który rodzaj magnetosomów pomiędzy magnetosomami zawartymi w całych bakteriach magnetotaktycznych, łańcuchami magnetosomów izolowanych z bakterii magnetotaktycznych, a poszczególnymi magnetosomami odłączonymi od łańcuchów za pomocą ciepła i zabiegów SDS, jest najbardziej odpowiednim kandydatem do leczenia hipertermii magnetycznej guzów. Zasadniczo istnieją dwa mechanizmy, które mogą wytwarzać ciepło, gdy magnetosomy są wystawione na zmienne pole magnetyczne. Są one spowodowane odwróceniem momentu magnetycznego magnetosomu lub fizycznym obrotem magnetosomów pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. W celu wyeliminowania udziału rotacji w mechanizmie ogrzewania magnetosomów, zawiesiny całych bakterii magnetotaktycznych, które nie wytwarzają ciepła przez rotację, zostały wystawione na działanie zmiennego pola magnetycznego (Alphandéry et al., 2011a). Dla takich zawiesin całych bakterii magnetotaktycznych zmierzono straty na cykle 1,1 J/kgFe przy 23 mT i 8 J/kgFe przy 88 mT. Aby umożliwić rotację łańcuchów magnetosomów, te ostatnie ekstrahowano z bakterii magnetotaktycznych przez sonikację. W przypadku tych wyodrębnionych łańcuchów magnetosomów straty na cykl wzrosły do 5 J / kgFe przy 23 mT i do 11 J/kgFe przy 83 mT (Alphandéry et al., 2011a), pokazując, że rotacja łańcuchów magnetosomów przyczynia się do mechanizmu grzewczego. Wreszcie magnetosomy zostały odłączone od łańcuchów przez ciepło i obróbkę SDS w celu wytworzenia zawiesin poszczególnych magnetosomów. Wartości SAR uzyskane dla poszczególnych magnetosomów (5 J / kgFe przy 23 mT i 9 J / kgFe przy 83 mT (Alphandéry et al., 2011a)) były stosunkowo podobne do łańcuchów magnetosomów. Dlatego nie można było zdecydować, który z łańcuchów magnetosomów lub poszczególnych magnetosomów byłby najlepszym kandydatem do leczenia hipertermii magnetycznej in vivo guzów (Alphandéry et al., 2011a). Dlatego oba typy magnetosomów badano in vivo.

w celu oceny aktywności przeciwnowotworowej magnetosomów (Alphandéry i wsp., 2011B), 100 µL zawiesin zawierających pojedyncze magnetosomy lub łańcuchy magnetosomów w stężeniu 10 mg/mL podano w centrum guzów piersi MDA-MB-231 ksenoszczepionych pod skórą myszy zgodnie z protokołem przedstawionym na schemacie na fig. 2. Następnie myszy były wystawione na zmienne pole magnetyczne o średniej sile pola ~20 mT i częstotliwości 198 kHz trzy razy w ciągu 20 minut. Spowodowało to wzrost temperatury guza do ~43°C. Leczenie łańcuchami magnetosomów spowodowało całkowite zniknięcie guza 30 dni po leczeniu u kilku myszy (fig. 2), podczas gdy użycie pojedynczych magnetosomów nie powodowało znaczącej aktywności przeciwnowotworowej (Alphandéry i wsp., 2011b). Skuteczność leczenia przypisywano z jednej strony internalizacji łańcuchów magnetosomów wewnątrz komórek nowotworowych, która umożliwiła wewnątrzkomórkowe ogrzewanie, a co za tym idzie skuteczne niszczenie komórek nowotworowych. Z drugiej strony, skuteczność łańcuchów magnetosomów wynika z ich jednorodnego rozkładu w obrębie guza, co wynika głównie z ich niskiego poziomu agregacji.

2
www.frontiersin.org

Rysunek 2. Schemat przedstawiający leczenie myszy za pomocą hipertermii magnetycznej. Mysz ma guz piersi kseno-wszczepiony pod skórą. Zawiesina magnetosomów jest podawana w centrum guza; mysz jest następnie umieszczana wewnątrz cewki, gdzie naprzemienne pole magnetyczne jest przykładane trzy razy w ciągu 20 minut. Guz znika 30 dni po zabiegu, co widać na prawym dolnym zdjęciu.

dostarczanie leków

ze względu na obecność różnych grup chemicznych na powierzchni magnetosomów możliwe jest sprzężenie leków, takich jak doksorubicyna, z powierzchnią magnetosomu (Sun i in.,2007, 2008b). Magnetosomy, z którymi sprzężona jest doksorubicyna, zostały przetestowane jako środki przeciwnowotworowe przeciwko rakowi wątroby. Wykazano, że poprzez sprzężenie doksorubicyny z magnetosomami możliwe było nieznaczne zwiększenie aktywności przeciwnowotworowej z 79% dla samej doksorubicyny do 87% dla doksorubicyny związanej z magnetosomami (Sun i wsp .,2007, 2008b). Zaletą stosowania magnetosomów jest głównie spadek toksyczności. Podczas gdy doksorubicyna jest wysoce toksyczna, gdy jest stosowana sama ze wskaźnikiem śmiertelności wynoszącym 80%, doksorubicyna związana z magnetosomami jest znacznie mniej toksyczna ze wskaźnikiem śmiertelności wynoszącym 20% (Sun et al.,2007, 2008b). Dlatego istnieje duży wzrost stosunku korzyści do ryzyka, gdy doksorubicyna jest sprzężona z magnetosomami, pokazując potencjał leków sprzężonych z magnetosomami do leczenia raka.

inne zastosowania medyczne Magnetosomów bakteryjnych

Magnetosomy mogą być używane do innych zastosowań, na przykład do wykrywania polimorfizmu nukleotydów, który jest przydatny do diagnozowania chorób, takich jak rak, nadciśnienie lub cukrzyca, do oddzielania komórek lub wykrywania DNA (Arakaki i in., 2008). Aby oddzielić komórki, przetestowano kulki magnetyczne lub SPION. Jednak owe dwa rodzaje materiaĹ ’ Ăłw magnetycznych wykazujÄ … wady. Kulki magnetyczne są duże, a tym samym zapobiegają prawidłowemu podziałowi i proliferacji komórek. Z drugiej strony SPION są słabo Magnetyczne Ze względu na niestabilny moment magnetyczny w temperaturach fizjologicznych i pokojowych, co czyni je słabo wydajnymi do oddzielania komórek. Natomiast magnetosomy mają mniejsze rozmiary niż kulki magnetyczne i są silniej magnetyczne niż SPION ze względu na ich właściwości ferrimagnetyczne. To sprawia, że są idealnymi kandydatami do zastosowań W separacji komórek(Arakaki et al., 2008). Magnetosomy były również używane do testów immunologicznych, na przykład do wykrywania małych cząsteczek, takich jak zanieczyszczenia, hormony lub toksyczne detergenty. Cząsteczki te zostały przyłączone do powierzchni magnetosomu za pomocą przeciwciał, które specyficznie się z nimi wiążą. Kompleks utworzony przez magnetosomy i te cząsteczki został następnie wykryty (Arakaki et al., 2008). Wreszcie, magnetosomy zostały wykorzystane do ekstrakcji DNA. W tym celu zostały zmodyfikowane i pokryte warstwami aminosilanów, które łączą DNA. Kompleks utworzony przez magnetosomy i DNA został związany z kolumną magnetyczną, a DNA zostało zebrane przez elucję buforem fosforanowym(Arakaki et al., 2008).

podsumowując, przedstawiliśmy w tym przeglądzie kilka medycznych zastosowań magnetosomów i krótko opisaliśmy kilka metod, które można wykorzystać do przygotowania magnetosomów do tych zastosowań.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autor oświadcza, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Alphandéry, E., Chebbi, I., Guyot, F., And Durand-Dubief, M. (2013). Zastosowanie magnetosomów bakteryjnych w leczeniu hipertermii magnetycznej nowotworów: przegląd. Int. J. Hipertermia 29, 801-809. doi: 10.3109/02656736.2013.821527

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Alphandéry, E., Faure, S., Raison, L., Duguet, E., Howse, P. A., and Bazylinski, D. A. (2011a). Wytwarzanie ciepła przez bakteryjne magnetosomy wystawione na oscylujące pole magnetyczne. J. Phys. Chem. C 115, 18-22. doi: 10.1021 / jp104580t

CrossRef Pełny tekst

Alphandéry, E., Faure, S., Seks, O., Guyot, F., and Chebbi, I.(2011b). Łańcuchy magnetosomów wyekstrahowanych z bakterii magnetotaktycznych AMB – 1 do zastosowania w alternatywnej terapii przeciwnowotworowej polem magnetycznym. ACS Nano 5, 6279-6296. doi: 10.1021 / nn201290k

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Alphandéry, E., Guyot, F., and Chebbi, I.(2012a). Przygotowanie łańcuchów magnetosomów, wyizolowanych z magnetospirillum magneticum szczepu AMB-1 magnetotaktycznych bakterii, dających skuteczne leczenie nowotworów za pomocą hipertermii magnetycznej. Int. J. Pharm. 434, 444–452. doi: 10.1016 / j.ijpharm.2012.06.015

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Alphandéry, E., Amor, M., Guyot, F., and Chebbi, I.(2012b). Wpływ czynników chelatujących żelazo na Magnetospirillum magneticum szczep AMB-1: stymulowanie wzrostu i produkcji magnetosomów oraz poprawa właściwości ogrzewania magnetosomów. Appl. Mikriobiol. Biotechnol. 96, 663–670. doi: 10.1007 / s00253-012-4199-5

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Alphandéry, E., Ngo, A. T., Lefèvre, C., Lisiecki, I., Wu, L. F., And Pileni, M. P. (2008). Różnica między właściwościami magnetycznymi bakterii magnetotaktycznych a właściwościami wyodrębnionych łańcuchów magnetosomów: wpływ odległości między łańcuchami magnetosomów. J. Phys. Chem. C 112, 12304-12309. doi: 10.1021 / jp800408t

CrossRef Pełny tekst

Ankamwar, B., Lai, T. C., Huang, J. H., Liu, R. S., Hsiao, M., and Chen, C. H. (2010). Biokompatybilność nanocząstek Fe(3)O(4) oceniana za pomocą testów cytotoksyczności in vitro z wykorzystaniem prawidłowych komórek gleju i raka piersi. / Nanotechnologia / / 21 / / 75102 doi:10.1088/0957-4484/21/7/075102

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Arakaki, A., Nakazawa, H., Nemoto, M., Mori, T., and Matsunaga, T. (2008). Tworzenie magnetytu przez bakterie i jego zastosowanie. J. R. Soc. Interface 5, 977-999. 10.1098 / rsif.2008.0170

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Bazylinski, D. A., and Frankel, R. (2004). Powstawanie magnetosomów u prokariotów. Nat. Ks. Mikrobiol. 2, 217–230. doi: 10.1038 / nrmicro842

CrossRef Pełny tekst

Benoit, M., Mayer, D., Barak, Y., Chen, I. Y., Hu, W., Cheng, Z., et al. (2009). Wizualizacja wszczepionych guzów u myszy za pomocą rezonansu magnetycznego z wykorzystaniem bakterii magnetotaktycznych. Clin. Cancer Res. 15, 5170-5177. doi: 10.1158 / 1078-0432.CCR-08-3206

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Dutz, S., Hergt, R.,Mürbe, J., Müller, R., Zeisberger, M., Andrä, W., et al. (2007). Straty histerezy magnetycznych proszków nanocząstek w zakresie wielkości pojedynczej domeny. J. Magn. Magn. Złomku. 308, 305–312. doi: 10.1088/0953-8984/20/38/385214

PubMed Abstract / Pubmed pełny tekst / CrossRef Full Text

Zielona Góra, K., Müller, E.-C., Otto, A., Reska, R., Linder, D., Kube M., i in. (2004). Biochemical and proteomic analysis of the magnetosome membrane Magneto in spirillum gryphiswaldense. Appl. Environ. Mikrobiol. 70, 1040-1050. doi:10.1128/AEM.70.2.1040-1050.2004

Streszczenie Pubmed / Pełny tekst Pubmed / Pełny tekst CrossRef

Grunberg, K., Waver, K., Tebo, B. M. i Shuler, D. (2001). Duża klaster genów kodujących kilka białek magnetosomu jest zachowana u różnych gatunków bakterii magnetotaktycznych. Appl. Environ. Mikrobiol. 67, 4573–4582. doi: 10.1128/AEM.67.10.4573-4582.2001

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Guo, F., Liu, Y., Chen, Y., Tang, T., Jiang, W., Li, Y., et al. (2011). Nowa, szybka i ciągła procedura oczyszczania magnetosomów z Magnetospirillum gryphiswaldense na dużą skalę. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 90, 1277–1283. doi: 10.1007 / s00253-011-3189-3

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Hergt, R., Dutz, S., and Roder, M. (2008). Wpływ rozkładu wielkości na straty histerezy nanocząstek magnetycznych w hipertermii. J Phys Condens Matter 20, 385214. doi:10.1088/0953-8984/20/38/385214

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Hergt, R., Hiergeist, R., Zeisberger, M., Schüler, D., Heyen, U., Hilger, I., et al. (2005). Właściwości magnetyczne magnetosomów bakteryjnych jako potencjalnych narzędzi diagnostycznych i terapeutycznych. J. Magn. Magn. Złomku. 293, 80–86. doi: 10.1016 / j. jmmm.2005.01.047

CrossRef Pełny tekst

Heyen, U., And Schüler, D. (2003). Wzrost i powstawanie magnetosomów przez mikroaerofilowe szczepy Magnetospirillum w fermentorze sterowanym tlenem. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 61, 536–544. doi: 10.1007 / s00253-002-1219-x

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Hu, L. L., Zhang, F., Wang, Z., You, X. F., Nie, L., Wang, H. X., et al. (2010). Porównanie wzmocnienia relaksacyjnego 1H NMR wytwarzanego przez magnetosomy bakteryjne i syntetyczne nanocząstki tlenku żelaza do potencjalnego zastosowania jako sondy molekularne MR. IEEE Trans. Appl. Superkondy. 20, 822–825. doi: 10.1109 / TASC.2010.2041218

CrossRef Pełny tekst

Karlsson, H. L., Cronholm, P., Gustafsson, J., and Moller, L. (2008). Nanocząstki tlenku miedzi są wysoce toksyczne: porównanie nanocząstek tlenku metalu i nanorurek węglowych. Chem. Res. Toxicol. 21, 1726–1732. doi: 10.1021 / tx800064j

PubMed Abstract / PubMed Full Text / CrossRef Full Text

2010-02-12 10: 45: 45 (2011). Magnetosomowe ferromagnetyczne nanorurki tlenku żelaza do bardzo czułego rezonansu magnetycznego pojedynczych komórek i przeszczepionych wysepek trzustkowych. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 2662-2667. doi: 10.1073 / pnas.1016409108

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Liu, R.-T., Liu, J., Tong, J.-Q., Tang, T., Kong, W.-C., Wang, X.-W., et al. (2012). Efekt ogrzewania i biokompatybilność magnetosomów bakteryjnych jako potencjalnych materiałów stosowanych w hipertermii płynów magnetycznych. Prog. Nat. Sci. Złomku. Int. 22, 31–39. doi: 10.1016 / j.pnsc.2011.12.006

CrossRef Pełny tekst

Liu, Y., Li, G. R., Jiang, W., Li, Y., and Li, L. J. (2010). Produkcja magnetosomów na dużą skalę przez chemostatyczną hodowlę Magnetospirillum gryphiswaldense przy dużej gęstości komórek. Microb. Fakt Z Komórki. 9, 99. doi:10.1186/1475-2859-9-99

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Matsunaga, T., Maeda, Y., Yoshino, T., Takeyama, H., Takahashi, M., Ginya, H., et al. (2007). W pełni zautomatyzowany test immunologiczny do wykrywania nanomagnetycznych kulek antygenowych specyficznych dla prostaty i kompozytów z mikro-polistyrenu, „koraliki na koralikach”. Anal. Chim. Acta 597, 331-339. doi: 10.1016 / j. aca.2007.05.065

PubMed Abstract / PubMed Full Text / CrossRef Full Text

Matsunaga, T., Tadokora, F., And Nakamura, N. (1990). Hodowla masowa bakterii magnetycznych i ich zastosowanie do testów immunologicznych typu przepływowego. IEEE Trans. Magn. 26, 1557–1559. doi: 10.1109/20.104444

CrossRef Pełny tekst

Matsunaga, T., Tsujimura, N., and Kamiya, S. (1996). Wzmocnienie produkcji cząstek magnetycznych przez hodowlę Magnetospirillum Sp. z o. o. z podawaniem azotanów i bursztynianów AMB-1. Biotechnol. Tech. 10, 495–500. doi: 10.1007 / BF00159513

CrossRef Pełny tekst

Pan, Y., Peterson, N., Winklhofer, M., Davila, A. F., Liu, Q., Frederichs, T., et al. (2005). Właściwości magnetyczne skał niekulturalnych bakterii magnetotaktycznych. Planeta Ziemia. Sci. Lett. 237, 311–325. doi: 10.1016 / j.epsl.2005.06.029

CrossRef Pełny tekst

Philipse, A. P., and Maas, D. (2002). Koloidy magnetyczne bakterii magnetotaktycznych: tworzenie łańcuchów i stabilność koloidalna. Langmuir 18, 9977-9984. doi: 10.1021 / la0205811

CrossRef Pełny tekst

(2010) Potencjalna toksyczność superparamagnetycznych nanocząstek tlenku żelaza (SPION). Nano Rev. 1, 5358-5372. doi: 10.3402 / nano.v1i0. 5358

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J., Li, Y., Liang, X.- J., and Wang, P. C. (2011). Bakteryjny magnetosom: nowy biogenetyczny magnetyczny nośnik leków z potencjalnymi wielofunkcjami. J. Nanomater. 2011: 469031, 13 s. doi:10.1155/2011/469031

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J., Tang, T., Duan, J., Xu, P.-X., Wang, Z., Zhang, Y., et al. (2010). Biokompatybilność magnetosomów bakteryjnych: Toksyczność ostra, immunotoksyczność i cytotoksyczność. Nanotoxicology 4, 271-283. doi: 10.3109/17435391003690531

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J.-B., Duan, J.-H., Dai, S.-L., Ren, J., Zhang, Y.-D., Tian, J.-S., et al. (2007). In vitro i In vivo działanie przeciwnowotworowe doksorubicyny ładowanej magnetosomami bakteryjnymi (DBMs) na komórki H22: Magnetyczne Bio-nanocząstki jako nośniki leków. Rak Lett. 258, 109–117. doi: 10.1016 / j.kanlet.2007.08.018

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J.-B., Wang, Z.-L., Duan, J.-H., Ren, J., Yang, X.-D., Dai, S.-L., et al. (2009). Ukierunkowana Dystrybucja magnetosomów bakteryjnych wyizolowanych z Magnetospirillum GRYPHISWALDENSE MSR – 1 u zdrowych szczurów Sprague-Dawley. J. Nanosci. Nanotechnol. 9, 1881–1885. doi: 10.1166 / jnn.2009.410

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J.-B., Zhao, F., Tang, T., Jiang, W., Tian, J.-S., and Li, J.-L. (2008a). Wzrost wysokiej wydajności i tworzenie magnetosomów przez Magnetospirillum gryphiswaldense MSR – 1 w fermentorze sterowanym tlenem zasilanym wyłącznie powietrzem. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 79, 389–397. doi: 10.1007 / s00253-008-1453-y

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Sun, J.-B., Duan, J.-H., Dai, S.-L., Ren, J., Guo, L., Jiang, W., et al. (2008b). Przygotowanie i ocena skuteczności przeciwnowotworowej magnetosomów bakteryjnych obciążonych doksorubicyną: nanocząstki magnetyczne jako nośniki leków wyizolowane z Magnetospirillum gryphiswaldense. Biotechnol. Bioeng. 101, 1313–1320. doi: 10.1002 / bit.22011

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Tang, T., Zhang, L., Gao, R., Dai, Y., Meng, F., And Li, Y. (2012). Obrazowanie fluorescencyjne i ukierunkowana Dystrybucja bakteryjnych cząstek magnetycznych u nagich myszy. Appl. Mikrobiol. Biotechnol. 94, 495–503. doi: 10.1007 / s00253-012-3981-8

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Taoka, A., Asada, R., Sasaki, H., Anzawa, K., Wu, L.-F., And Fukumori, Y. (2006). Lokalizacje przestrzenne Mam22 i Mam12 w magnetosomach Magnetospirillum magnetotacticum. J. Bakteriol. 188, 3805–3812. doi: 10.1128 / JB.00020-06

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny Tekst / CrossRef Pełny Tekst

Taylor, A. P., and Barry, J. C. (2004). Macierz magnetosomalna: ultradrobna struktura może posłużyć do biomineralizacji magnetosomów. J. 213, 180-197. doi: 10.1111 / j.1365-2818.2004.01287.x

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Timko, M., Dzarova, A., Skumiel, A., Jozefcak, A., Hornowski, T., Gojewski, H., et al. (2009). Właściwości magnetyczne i efekt ogrzewania w bakteryjnych nanocząstkach magnetycznych. J. Magn. Magn. Złomku. 321, 1521–1524. doi: 10.1016 / j. jmmm.2009.02.077

CrossRef Pełny Tekst

Timko, M., Molcan, M., Hashim, A., Skumiel, A., Muller, M., Gojewski, H., et al. (2013). Efekt hipertermiczny w zawiesinie magnetosomów wytwarzanych różnymi metodami. IEEE Trans. Magn. 49, 250–254. doi: 10.1109 / TMAG.2012.2224098

CrossRef Pełny tekst

Xiang, L., Wei, J., Jianbo, S., Gulli, W., Feng, G., and Ying, L. (2007). Oczyszczone i wysterylizowane magnetosomy z MAGNETOSPIRILLUM GRYPHISWALDENSE MSR – 1 nie były toksyczne dla fibroblastów myszy in vitro. Lett. Appl. Mikrobiol. 45, 75–81. doi: 10.1111 / j. 1472-765X. 2007. 02143.x

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Yang, C.-D., Takeyama, H., Tanaka, T., and Matsunaga, T. (2001). Wpływ składu podłoża wzrostu, źródeł żelaza i stężenia tlenu atmosferycznego na wytwarzanie lucyferazy-bakteryjnego kompleksu cząstek magnetycznych przez rekombinowany Magnetospirillum magneticum AMB-1. Enzyme Microb. Technol. 29, 13–19. doi: 10.1016 | S0141-0229(01)00343-X

PubMed Streszczenie | PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Yoshino, T., Hirabe, H., Takahashi, M., Kuhara, M., Takeyama, H., and Matsunaga, T. (2007). Separacja komórek magnetycznych przy użyciu nanowymiarowych bakteryjnych cząstek magnetycznych z zrekonstruowaną błoną magnetosomową. Biotechnol. Bioeng. 101, 470–477. doi: 10.1002 / bit.21912

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny tekst / CrossRef Pełny tekst

Zhang, Y., Zhang, X., Jiang, W., Li, Y., and Li, J. (2011). Półkontynualna hodowla komórek Magnetospirillum GRYPHISWALDENSE MSR-1 w autofermentorze za pomocą zrównoważonych odżywczo i izosmotycznych strategii żywienia. Appl. Environ. Mikrobiol. 77, 5851–5856. doi: 10.1128/AEM.05962-11

PubMed Streszczenie / PubMed Pełny Tekst / CrossRef Pełny Tekst