An ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) preparation was developed that is small enough to migrate across the capillary wall, a prerequisite in the design of targetable particulate pharmaceuticals. Seventy percent of particles were smaller than 10 nm; 26%, smaller than 5 nm. The blood half-life of USPIO in rats was 81 minutes, considerably longer than that of larger superparamagnetic iron oxide preparations such as AMI-25 (6 minutes). Electron microscopy demonstrated that USPIO particles transmigrate the capillary wall by means of vesicular transport and through interendothelial junctions. Twenty-four hours after intravenous administration, 3.6% of the injected dose per gram of tissue was found in lymph nodes, 2.9% per gram in bone marrow, 6.3% per gram in liver, and 7.1% per gram in spleen. The major potential applications for USPIO are as (a) an intravenous contrast agent for the lymphatic system, (b) a bone marrow contrast agent, (c) a long-half-life perfusion agent for brain and heart, and (d) the magnetic moiety in organ-targeted superparamagnetic contrast agents for magnetic resonance imaging.

A biocompatible, dextran coated superparamagnetic iron oxide particle was derivatized with a peptide sequence from the HIV-tat protein to improve intracellular magnetic labeling of different target cells. The conjugate had a mean particle size of 41 nm and contained an average of 6.7 tat peptides. Derivatized particles were internalized into lymphocytes over 100-fold more efficiently than nonmodified particles, resulting in up to 12.7 × 106 particles/cell. Internalized particles localized in cytoplasm and nuclear compartments as demonstrated by fluorescence microscopy and immunohistochemistry. Labeled cells were highly magnetic, were detectable by NMR imaging, and could be retained on magnetic separation columns. The described method has potential applications for in vivo tracking of magnetically labeled cells by MR imaging and for recovering intracellularly labeled cells from organs.

A potent (Na,K)-ATPase inhibitor purified from Sigma Grade* ATP has been identified as vanadium using electron probe microanalysis and confirmed by microwave-induced emission spectroscopy and electron paramagnetic resonance spectroscopy. Sodium orthovanadate (Na3 VO4) is identical with the purified inhibitor with respect to ultraviolet absorbance, migration on thin layer chromatography, and inhibition of (Na,K)-ATPase. The (Na,K)-ATPase is in-inhibited 50% by 40 nM Na3 VO4 under optimal conditions (28 mM Mg2+) and the inhibition is 100% reversible by millimolar concentrations of norepinephrine. The physiological significance of this inhibition is discussed in relation to vanadium concentrations in vivo.

Monodisperse magnetic nanoparticles conjugated with virus-surface-specific antibodies self-assemble in the presence of specific viral particles to create supramolecular structures with enhanced magnetic properties, as detected by magnetic resonance methods (NMR/MRI). The observed magnetic relaxation changes that occur upon viral-induced assembly allowed for highly sensitive and selective detection of a virus in complex biological media. The developed method was shown to specifically detect adenovirus-5 and herpes simplex virus-1 at concentrations of 5 viral particles/10 μL without the need of extensive sample preparation. The applications of this new method span from high-throughput NMR detection of viruses in biological samples to potential MR imaging of viral distribution in vivo.

An ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) preparation was evaluated as a potential intravenous contrast agent for lymph nodes. Relaxation time measurements and magnetic resonance (MR) imaging were performed in rats with normal lymph nodes and in rats with lymph node metastases. In normal animals, lymph node relaxation times decreased maximally within 24-48 hours after intravenous administration of USPIO. Twenty-four hours after administration, the T2 of normal lymph nodes had decreased from 74 msec +/- 2.2 to 30 msec +/- 0.7 (USPIO, 40 mumol of iron per kilogram) or 15 msec +/- 0.0 (200 mumol Fe/kg), whereas the T2 of metastatic nodes did not change. MR imaging of the animal model of nodal metastases confirmed the hypothesis that intravenously administered USPIO decreases signal intensity of normal but not metastatic nodes. A single intravenous administration of USPIO may allow detection of nodal metastases on the basis of signal intensity characteristics rather than the currently used, insensitive size characteristics.

Endothelial vascular adhesion molecule-1 (VCAM-1) is a critical component of the leukocyte–endothelial adhesion cascade, and its strict temporal and spatial regulation make it an ideal target for imaging and therapy. The goal of this study was to develop novel VCAM-1–targeted imaging agents detectable by MRI and fluorescence imaging using phage display–derived peptide sequences and multimodal nanoparticles (NPs). We hypothesized that VCAM-1–mediated cell internalization of phage display–selected peptides could be harnessed as an amplification strategy to chaperone and trap imaging agents inside VCAM-1–expressing cells, thus improving target-to-background ratios. To accomplish our goal, iterative phage display was performed on murine endothelium under physiological flow conditions to identify a family of VCAM-1–mediated cell-internalizing peptides. One specific sequence, containing the VHSPNKK motif that has homology to the α-chain of very late antigen (a known ligand for VCAM-1), was shown to bind VCAM-1 and block leukocyte–endothelial interactions. Compared with VCAM-1 monoclonal antibody, the peptide showed 12-fold higher target-to-background ratios. A VHSPNKK-modified magnetofluorescent NP (VNP) showed high affinity for endothelial cells expressing VCAM-1 but surprisingly low affinity for macrophages. In contrast, a control NP without VCAM-1–targeting sequences showed no affinity for endothelial cells. In vivo, VNP successfully identified VCAM-1–expressing endothelial cells in a murine tumor necrosis factor-α–induced inflammatory model and colocalized with VCAM-1–expressing cells in atherosclerotic lesions present in cholesterol-fed apolipoprotein E apoE −/− mice. These results indicate that: (1) small peptide sequences can significantly alter targeting of NPs, (2) the used amplification strategy of internalization results in high target-to-background ratios, and (3) this technology is useful for in vivo imaging of endothelial markers.

The binding of RGD peptides to integrins offers an excellent system to study the multivalent mediated changes in affinity that arise when peptides, displayed on the surface of a nanoparticle carrier, bind to integrins displayed on the cell membrane. The IC50 of an RGD nanoparticle for endothelial adhesion was 1.0 nM nanoparticle or 20 nM peptide (20 peptide/nanoparticle) and was associated with strong multivalent effects, defined as a multivalent enhancement factor (MVE) of 38 (MVE = IC50 (peptide)/IC50 (peptide when displayed by nanoparticle)). The attachment of RGD peptides to nanoparticles resulted in an extension of the peptide blood half-life from 13 to 180 min. Based on the multivalent enhancement of affinity and extension of blood half-life, multivalent RGD nanoparticle-sized materials should be potent inhibitors of the alpha(V)beta(3) function on endothelial cells in vivo.