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Ibáñez-Moragues M, Fernández-Barahona I, Santacruz R, Oteo M, Luján-Rodríguez VM, Muñoz-Hernando M, Magro N, Lagares JI, Romero E, España S, Espinosa-Rodríguez A, García-Díez M, Martínez-Nouvilas V, Sánchez-Tembleque V, Udías JM, Valladolid-Onecha V, Martín-Rey MÁ, Almeida-Cordon EI, Viñals i Onsès S, Pérez JM, Fraile LM, Herranz F, Morcillo MÁ. Zinc-Doped Iron Oxide Nanoparticles as a Proton-Activatable Agent for Dose Range Verification in Proton Therapy. Molecules 2023; 28:6874. [PMID: 37836718 PMCID: PMC10574368 DOI: 10.3390/molecules28196874] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/19/2023] [Revised: 09/13/2023] [Accepted: 09/26/2023] [Indexed: 10/15/2023] Open
Abstract
Proton therapy allows the treatment of specific areas and avoids the surrounding tissues. However, this technique has uncertainties in terms of the distal dose fall-off. A promising approach to studying the proton range is the use of nanoparticles as proton-activatable agents that produce detectable signals. For this, we developed an iron oxide nanoparticle doped with Zn (IONP@Zn-cit) with a hydrodynamic size of 10 nm and stability in serum. Cytotoxicity, defined as half of the surveillance, was 100 μg Zn/mL in the U251 cell line. The effect on clonogenic cell death was tested after X-ray irradiation, which suggested a radioprotective effect of these nanoparticles at low concentrations (1-10 μg Zn/mL). To evaluate the production of positron emitters and prompt-gamma signals, IONP@Zn-cit was irradiated with protons, obtaining prompt-gamma signals at the lowest measured concentration (10 mg Zn/mL). Finally, 67Ga-IONP@Zn-cit showed accumulation in the liver and spleen and an accumulation in the tumor tissue of 0.95% ID/g in a mouse model of U251 cells. These results suggest the possibility of using Zn nanoparticles as proton-activatable agents to verify the range by prompt gamma detection and face the challenges of prompt gamma detection in a specific biological situation, opening different avenues to go forward in this field.
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Affiliation(s)
- Marta Ibáñez-Moragues
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Irene Fernández-Barahona
- Facultad de Farmacia, Universidad Complutense de Madrid, 28040 Madrid, Spain;
- Instituto de Química Médica—Consejo Superior de Investigaciones Científicas IQM-CSIC, Nanomedicine and Molecular Imaging Group, 28006 Madrid, Spain; (M.M.-H.)
| | - Rocío Santacruz
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Marta Oteo
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Víctor M. Luján-Rodríguez
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - María Muñoz-Hernando
- Instituto de Química Médica—Consejo Superior de Investigaciones Científicas IQM-CSIC, Nanomedicine and Molecular Imaging Group, 28006 Madrid, Spain; (M.M.-H.)
| | - Natalia Magro
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Juan I. Lagares
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Eduardo Romero
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Samuel España
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Andrea Espinosa-Rodríguez
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Miguel García-Díez
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Víctor Martínez-Nouvilas
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Víctor Sánchez-Tembleque
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - José Manuel Udías
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Víctor Valladolid-Onecha
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Miguel Á. Martín-Rey
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Hematopoietic Innovative Therapies Unit, 28040 Madrid, Spain;
| | - Edilia I. Almeida-Cordon
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Animal Facility Unit, 28040 Madrid, Spain;
| | - Sílvia Viñals i Onsès
- Center for Microanalysis of Materials (CMAM), Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid, Spain;
| | - José Manuel Pérez
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
| | - Luis Mario Fraile
- Nuclear Physics Group, Universidad Complutense de Madrid, IPARCOS &EMFTEL, CEI Moncloa, 28040 Madrid, Spain; (S.E.); (A.E.-R.); (M.G.-D.); (V.M.-N.); (V.S.-T.); (J.M.U.); (V.V.-O.); (L.M.F.)
- Instituto de Investigación del Hospital Clínico San Carlos (IdISSC), Ciudad Universitaria, 28040 Madrid, Spain
| | - Fernando Herranz
- Instituto de Química Médica—Consejo Superior de Investigaciones Científicas IQM-CSIC, Nanomedicine and Molecular Imaging Group, 28006 Madrid, Spain; (M.M.-H.)
| | - Miguel Ángel Morcillo
- Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Medical Applications of Ionizing Radiation Unit, 28040 Madrid, Spain; (R.S.); (M.O.); (V.M.L.-R.); (N.M.); (J.I.L.); (E.R.); (J.M.P.)
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