Mesoporous silica-coated hollow manganese oxide (HMnO@mSiO(2)) nanoparticles were developed as a novel T(1) magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent. We hypothesized that the mesoporous structure of the nanoparticle shell enables optimal access of water molecules to the magnetic core, and consequently, an effective longitudinal (R(1)) relaxation enhancement of water protons, which value was measured to be 0.99 (mM(-1)s(-1)) at 11.7 T. Adipose-derived mesenchymal stem cells (MSCs) were efficiently labeled using electroporation, with much shorter T(1) values as compared to direct incubation without electroporation, which was also evidenced by signal enhancement on T(1)-weighted MR images in vitro. Intracranial grafting of HMnO@mSiO(2)-labeled MSCs enabled serial MR monitoring of cell transplants over 14 days. These novel nanoparticles may extend the arsenal of currently available nanoparticle MR contrast agents by providing positive contrast on T(1)-weighted images at high magnetic field strengths.

Background and Purpose— In animal models of stroke, functional improvement has been obtained after stem cell transplantation. Successful therapy depends largely on achieving a robust and targeted cell engraftment, with intraarterial (IA) injection being a potentially attractive route of administration. We assessed the suitability of laser Doppler flow (LDF) signal measurements and magnetic resonance (MR) imaging for noninvasive dual monitoring of targeted IA cell delivery. Methods— Transient cerebral ischemia was induced in adult Wistar rats (n=25) followed by IA or intravenous (IV) injection of mesenchymal stem cells (MSCs) labeled with superparamagnetic iron oxide. Cell infusion was monitored in real time with transcranial laser Doppler flowmetry while cellular delivery was assessed with MRI in vivo (4.7T) and ex vivo (9.4T). Results— Successful delivery of magnetically labeled MSCs could be readily visualized with MRI after IA but not IV injection. IA stem cell injection during acute stroke resulted in a high variability of cerebral engraftment. The amount of LDF reduction during cell infusion (up to 80%) was found to correlate well with the degree of intracerebral engraftment, with low LDF values being associated with significant morbidity. Conclusions— High cerebral engraftment rates are associated with impeded cerebral blood flow. Noninvasive dual-modality imaging enables monitoring of targeted cell delivery, and through interactive adjustment may improve the safety and efficacy of stem cell therapy.

Abstract The ability to measure proton exchange rates in tissue using MRI would be very useful for quantitative assessment of magnetization transfer properties, both in conventional MT imaging and in the more recent chemical exchange saturation transfer (CEST) approach. CEST is a new MR contrast mechanism that depends on several factors, including the exchange rate of labile protons in the agent in a pH‐dependent manner. Two new methods to monitor local exchange rate based on CEST are introduced. The two MRI‐compatible approaches to measure exchange are quantifying exchange using saturation time (QUEST) dependence and quantifying exchange using saturation power (QUESP) dependence. These techniques were applied to poly‐ L ‐lysine (PLL) and a generation‐5 polyamidoamine dendrimer (SPD‐5) to measure the pH dependence of amide proton exchange rates in the physiologic range. Data were fit both to an analytical expression and to numerical solutions to the Bloch equations. Results were validated by comparison with exchange rates determined by two established spectroscopic methods. The exchange rates determined using the four methods were pooled for the pH‐calibration curve of the agents consisting of contributions from spontaneous ( k 0 ) acid catalyzed ( k a ), and base catalyzed ( k b ) exchange rate constants. These constants were k 0 = 68.9 Hz, k a = 1.21 Hz, k b = 1.92 × 10 9 Hz, and k 0 = 106.4 Hz, k a = 25.8 Hz, k b = 5.45 × 10 8 Hz for PLL and SPD‐5, respectively, showing the expected predominance of base‐catalyzed exchange for these amide protons. Magn Reson Med, 2006. © 2006 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Genetically encoded optical sensors and advancements in microscopy instrumentation and techniques have revolutionized the scientific toolbox available for probing complex biological processes such as release of specific neurotransmitters. Most genetically encoded optical sensors currently used are based on fluorescence and have been highly successful tools for single-cell imaging in superficial brain regions. However, there remains a need to develop new tools for reporting neuronal activity in vivo within deeper structures without the need for hardware such as lenses or fibers to be implanted within the brain. Our approach to this problem is to replace the fluorescent elements of the existing biosensors with bioluminescent elements. This eliminates the need of external light sources to illuminate the sensor and overcomes several drawbacks of fluorescence imaging such as limited light penetration depth, excitation scattering, and tissue heating that are all associated with the external light needed for fluorescence imaging. Here we report the development of the first genetically encoded neurotransmitter indicators based on bioluminescent light emission. These probes exhibit robust changes in light output in response to extracellular presentation of the excitatory neurotransmitter glutamate. We expect this new approach to neurotransmitter indicator design to enable the engineering of specific bioluminescent probes for multiple additional neurotransmitters in the future, ultimately allowing neuroscientists to monitor activity associated with a specific neurotransmitter as it relates to behavior in a variety of neuronal and psychiatric disorders, among many other applications.

Summary Studies at the cellular and molecular level of magnetoreception – sensing and responding to magnetic fields – is a relatively new research area. As it appears that different mechanisms of magnetoreception in animals evolved from different origins, many questions about the mechanisms remain left open. Here we present new information regarding the Electromagnetic Perceptive Gene (EPG) from Kryptopterus vitreolus that may serve as part of the foundation to understanding and applying magnetoreception. Using HaloTag coupled with fluorescent ligands and phosphatidylinositol specific phospholipase C (PI-PLC) we show that EPG is associated to the membrane via glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor. EPG’s function of increasing intracellular calcium was also used to generate an assay using GCaMP6m to observe the function of EPG and to compare its function with homologous proteins. It was also revealed that EPG relies on a motif of three phenylalanine residues in order to function – stably swapping these residues using site directed mutagenesis resulted in a loss of function in EPG. This information not only expands upon our current understanding of magnetoreception but may provide a foundation and template to continue characterizing and discovering more within the field. Graphical Abstract In Brief EPG is a magnetoreceptive GPI anchored protein. Critical to its function is a three-phenylalanine motif which allows EPG to sense and respond to EMF. When expressed in mammalian cell, an increase in intracellular calcium is observed using GCaMP6m. This work represents progress towards understanding magnetoreception for use in future technologies. Highlights EPG is associated to the cell membrane via glycosylphosphatidylinositol anchoring In mammalian cells, EPG increases intracellular calcium upon EMF stimulation Homologs of EPG from the uPAR/Ly6 family show different responses to EMF A three-phenylalanine motif in EPG is critical to its magnetoreceptive ability

Abstract The ability to manipulate cellular function using an external stimulus is a powerful strategy for studying complex biological phenomena. One approach to modulate the function of the cellular environment is split proteins. In this method, a biologically active protein or an enzyme is fragmented so that it reassembles only upon a specific stimulus. While there are many tools available to induce these systems, nature has provided other mechanisms that can be utilized to expand the split protein toolbox. Here we show a novel method for reconstituting split proteins using magnetic stimulation. We have found that the Electromagnetic Perceptive Gene (EPG) changes conformation due to magnetic fields stimulation. By fusing split fragments of a certain protein to both termini of the EPG, the fragments can be reassembled into a functional protein under magnetic stimulation due to conformational change. We show this effect with three separate split proteins; NanoLuc, APEX2, and Herpes Simplex Virus Type-1 Thymidine Kinase. Our results show for the first time, that reconstitution of split proteins can be achieved only with magnetic fields. We anticipate that this study will be a starting point for future magnetically inducible split protein designs for cellular perturbation and manipulation. With this technology, we can help to expand the toolbox of the split protein platform and allow better elucidation of complex biological systems.

ABSTRACT Proteins are used by scientists to serve a variety of purposes in clinical practice and laboratory research. To optimize proteins for greater function, a variety of techniques have been developed. For the development of reporter genes used in Magnetic Resonance Imaging (MRI) based on Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST), these techniques have encountered a variety of challenges. Here we develop a mechanism of protein optimization using a computational approach known as “genetic programming”. We developed an algorithm called Protein Optimization Evolving Tool (POET). Starting from a small library of literature values, use of this tool allowed us to develop proteins which produce four times more MRI contrast than what was previously state-of-the-art. Next, we used POET to evolve peptides that produced CEST-MRI contrast at large chemical shifts where no other known peptides have previously demonstrated contrast. This demonstrated the ability of POET to evolve new functions in proteins. Interestingly, many of the peptides produced using POET were dramatically different with respect to their sequence and chemical environment than existing CEST producing peptides, and challenge prior understandings of how those peptides function. This suggests that unlike existing algorithms for protein engineering that rely on divergent evolution, POET relies on convergent evolution.

Abstract Several hundreds of tons of gadolinium-based contrast agents (GBCAs) are being dumped into the environment every year. Although macrocyclic GBCAs exhibit superior stability compared to their linear counterparts, we have found that the structural integrity of chelates are susceptible to ultraviolet light, regardless of configuration. In this study, we present a synthetic protein termed GLamouR that binds and reports gadolinium in an intensiometric manner. We then explore the extraction of gadolinium from GBCA-spiked artificial urine samples and investigate if the low picomolar concentrations reported in gadolinium-contaminated water sources pose a barrier for bioremediation. Based on promising results, we anticipate GLamouR can be used for detecting and mining REEs beyond gadolinium as well and hope to expand the biological toolbox for such applications.