Metal nanoshells are a class of nanoparticles with tunable optical resonances. In this article, an application of this technology to thermal ablative therapy for cancer is described. By tuning the nanoshells to strongly absorb light in the near infrared, where optical transmission through tissue is optimal, a distribution of nanoshells at depth in tissue can be used to deliver a therapeutic dose of heat by using moderately low exposures of extracorporeally applied near-infrared (NIR) light. Human breast carcinoma cells incubated with nanoshells in vitro were found to have undergone photothermally induced morbidity on exposure to NIR light (820 nm, 35 W/cm 2 ), as determined by using a fluorescent viability stain. Cells without nanoshells displayed no loss in viability after the same periods and conditions of NIR illumination. Likewise, in vivo studies under magnetic resonance guidance revealed that exposure to low doses of NIR light (820 nm, 4 W/cm 2 ) in solid tumors treated with metal nanoshells reached average maximum temperatures capable of inducing irreversible tissue damage (Δ T = 37.4 ± 6.6°C) within 4-6 min. Controls treated without nanoshells demonstrated significantly lower average temperatures on exposure to NIR light (Δ T < 10°C). These findings demonstrated good correlation with histological findings. Tissues heated above the thermal damage threshold displayed coagulation, cell shrinkage, and loss of nuclear staining, which are indicators of irreversible thermal damage. Control tissues appeared undamaged.

Cell culture is an essential tool in drug discovery, tissue engineering and stem cell research. Conventional tissue culture produces two-dimensional cell growth with gene expression, signalling and morphology that can be different from those found in vivo, and this compromises its clinical relevance1,2,3,4,5. Here, we report a three-dimensional tissue culture based on magnetic levitation of cells in the presence of a hydrogel consisting of gold, magnetic iron oxide nanoparticles and filamentous bacteriophage. By spatially controlling the magnetic field, the geometry of the cell mass can be manipulated, and multicellular clustering of different cell types in co-culture can be achieved. Magnetically levitated human glioblastoma cells showed similar protein expression profiles to those observed in human tumour xenografts. Taken together, these results indicate that levitated three-dimensional culture with magnetized phage-based hydrogels more closely recapitulates in vivo protein expression and may be more feasible for long-term multicellular studies. Magnetic levitation of cells with a hydrogel containing magnetic nanoparticles forms a three-dimensional tissue culture suited for various multicellular studies.

We describe the synthesis, characterization, and use of hybrid nanoparticles with a superparamagnetic iron oxide (SPIO) core and a gold nanoshell. These multifunctional nanoparticles, designated SPIO-Au nanoshells, displayed superparamagnetic characteristics and a significant absorbance in the near-infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum. In addition, they exhibited high transverse relaxivity, r2 , and a large r2/r1 ratio and therefore could be imaged by MRI to obtain T2-weighted images. Moreover, SPIO-Au nanoshells showed efficient photo-thermal effect when exposed to NIR light. The use of SPIO-Au nanoshells, with their combination of unique magnetic and optical properties, should enhance the efficacy of nanoshell-mediated photo-thermal therapy by making it possible to direct more nanoparticles to tumors through the application of external magnetic field and by permitting real-time in vivo MRI imaging of the distribution of the nanoparticles before, during, and after photo-thermal therapy.

Motivation: The prevalence of the use of AUC ratio as a metric of anaerobic respiration in hyperpolarized pyruvate studies motivates a careful examination of its physiological interpretation. Goal(s): We seek to characterize the lactate to pyruvate AUC ratio as a surrogate for aerobic glycolysis in cancer cells. Approach: A simplified three-compartment kinetic model is proposed and analyzed. The AUC ratio is found from the model for interpretation. Results: The simplified three-compartment model is shown to produce equivalent time curves to the full model. The AUC ratio, parametrized by the simplified model, varies non-linearly with the rate of intracellular lactate production. Impact: The efficacy of hyperpolarized pyruvate as a probe of tumor metabolism relies on an accurate and reproducible quantification and interpretation of acquired signal. We critically examine one of the most commonly used methods of signal interpretation in hyperpolarized pyruvate studies.

Motivation: Transmit gain calibration is necessary for nonproton hyperpolarized MRI to accurately calibrate excitation angles. Goal(s): To implement a phase-based TG calibration method using the Bloch-Siegert shift for nonproton HP MRI on a preclinical 7T scanner. Approach: An off-resonance Fermi-shaped Bloch-Siegert pulse follows directly an excitation pulse. Percent difference between our measured Bloch-Siegert TG calibration factors and the validation TG calibration factors for 1H and 13C were calculated. Results: Our method allows for fast, accurate, and robust TG calibration of preclinical nonproton HP MRI studies with minimal error (&lt;5%) for 1H and 13C. Impact: This method will facilitate efficient transmit calibration for 13C and HP 129Xe MRI on a preclinical 7T scanner, where limited bore size and the inability to easily implement a thermal calibration phantom can make 129Xe TG calibration a challenge.

Motivation: B1-maps that are used for optimal combination in array coils are generally unavailable for hyperpolarized (HP) MRI. Alternative methods for determining optimal combination coefficients are needed. Goal(s): To show that optimal combination coefficients can be derived from area-under-the-curve (AUC) and noise measurements to maximize SNR in HP MR imaging and spectroscopy. Approach: We derive combination coefficients from AUC and noise covariance measurements, simulate noisy HP 13C-pyruvate and 13C-lactate signals, and analyze the SNR of combined signals using this method compared to sum-of-squares (SoS) combination. Results: Simulated 13C HP signals that were combined using this approach demonstrated higher SNR compared to the SoS method. Impact: The optimal combination coefficients for HP 13C in MR imaging and spectroscopy can be derived from AUC and noise covariance measurements. This straightforward method can enhance SNR for HP 13C MRI.

Motivation: Changes in metabolic imaging biomarkers offer tremendous potential for assessing response and optimizing treatment for patients with head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Goal(s): To assess the translational viability of metabolic MRI with hyperpolarized (HP) pyruvate in patients with HNSCC. Approach: Patients with HNSCC are recruited into a prospective imaging study and scanned with HP [1-13C]-pyruvate in a test-retest paradigm before start of therapy. Results: Preliminary data indicates that reproducibility of semi-quantitative measures of tumor metabolism are high, with correlation between test-retest measurements &gt;80% in all voxels that exceed a minimum SNR threshold and correlation &gt;96% in regions identified as tumor. Impact: These results demonstrate that metabolic MRI with hyperpolarized [1-13C]-pyruvate generates sufficient SNR and spatiotemporal resolution to permit reproducible measurement of tumor metabolism in patients with HNSCC.