Abstract
While pancreatic islet transplantation has emerged as one of the most promising therapies for diabetes mellitus, determining the fate of islet grafts remains a challenge. Transplanted islets are damaged by hypoxic stress and immune responses in the period shortly following transplantation. Understanding the mechanisms of islet graft loss is difficult without real-time monitoring in vivo. Recently, nanotechnology has emerged in studies of biomedical imaging. Nanoparticles can enhance the versatility of different imaging modalities. Moreover, nanoparticles provide potential probes to image transplanted islets by optical imaging, magnetic resonance imaging and positron emission tomography. The nanoparticles are delivered to islet grafts using different methods, such as non-specific uptake, conjugation to the islet membranes and targeting to a membrane receptor or transporter. If applied clinically, these methods would provide information about the viability and function of transplanted islets, which will enhance graft survival. This review focuses on recent advances in nanoparticles for in vivo imaging of islet transplantation.
Similar content being viewed by others
References
D. K. Andersen, Diabetes Metab. Res. Rev., 28, 326 (2012).
N. Ewald, C. Kaufmann, A. Raspe, H. U. Kloer, R. G. Bretzel, and P. D. Hardt, Diabetes Metab. Res. Rev., 28, 338 (2012).
A. M. J. Shapiro, J. R. T. Lakey, E. A. Ryan, G. S. Korbutt, E. Toth, G. L. Warnock, N. M. Kneteman, and R. V. Rajotte, N. Engl. J. Med., 343, 230 (2000).
E. A. Ryan, B. W. Paty, P. A. Senior, D. Bigam, E. Alfadhli, N. M. Kneteman, J. R. T. Lakey, and A. M. J. Shapir, Diabetes, 54, 2060 (2005).
A. M. J. Shapiro, C. Ricordi, B. J. Hering, H. Auchincloss, R. Lindblad, P. Robertson, A. Secchi, M. D. Brendel, T. Berney, D. C. Brennan, E. Cagliero, R. Alejandro, E. A. Ryan, B. DiMercurio, P. Morel, K. S. Polonsky, J. A. Reems, R. G. Bretzel, F. Bertuzzi, T. Froud, R. Kandaswamy, D. E. R. Sutherland, G. Eisenbarth, M. Segal, J. Preiksaitis, G. S. Korbutt, F. B. Barton, L. Viviano, V. Seyfert-Margolis, J. Bluestone, and J. R. T. Lakey, N. Engl. J. Med., 355, 1318 (2006).
N. Sakata, P. Hayes, A. Tan, N. K. Chan, J. Mace, R. Peverini, L. Sowers, W. J. Pearce, R. Chinnock, A. Obenaus, and E. Hathout, Transplantation, 87, 825 (2009).
H. Johansson, A. Lukinius, L. Moberg, T. Lundgren, C. Berne, A. Foss, M. Felldin, R. Kallen, K. Salmela, A. Tibe, G. Tufveson, K. N. Ekdahl, G. Elgue, O. Korsgren, and B. Nilsson, Diabetes, 54, 1755 (2005).
R. C. S. Ayres, B. Dousset, S. Wixon, J. A. C. Buckels, P. Mcmaster, and A. D. Mayer, Lancet, 343, 862 (1994).
F. Berthoux, Nephrol. Dial. Transplant., 17, 2 (2002).
M. Pascual, T. Theruvath, T. Kawai, N. Tolkoff-Rubin, and A. B. Cosimi, N. Engl. J. Med., 346, 580 (2002).
Y. X. Lu, H. Dang, B. Middleton, Z. Zhang, L. Washburn, M. Campbell-Thompson, M. A. Atkinson, S. S. Gambhir, J. Tian, and D. L. Kaufman, Mol. Ther., 9, 428 (2004).
X. J. Chen, X. M. Zhang, C. S. Larson, M. S. Baker, and D. B. Kaufman, Transplantation, 81, 1421 (2006).
J. Virostko, A. Radhika, G. Poffenberger, Z. Y. Chen, M. Brissova, J. Gilchrist, B. Coleman, M. Gannon, E. D. Jansen, and A. C. Powers, Mol. Imaging Biol., 12, 42 (2010).
T. F. Massoud and S. S. Gambhir, Genes Dev., 17, 545 (2003).
Y. X. Lu, H. Dang, B. Middleton, M. Campbell-Thompson, M. A. Atkinson, S. S. Gambhir, J. Tian, and D. L. Kaufman, Mol. Ther., 14, 851 (2006).
D. L. Huber, Small, 1, 482 (2005).
A. Ito, M. Shinkai, H. Honda, and T. Kobayashi, J. Biosci. Bioeng., 100, 1 (2005).
A. Elias and A. Tsourkas, Hematology/The Education Program of the American Society of Hematology, American Society of Hematology, Education Program, 720 (2009).
Y. H. Hwang and D. Y. Lee, Quantitative Imaging in Medicine and Surgery, 2, 118 (2012).
C. Sun, J. S. Lee, and M. Zhang, Adv. Drug Deliv. Rev., 60, 1252 (2008).
J. R. McCarthy and R. Weissleder, Adv. Drug Deliv. Rev., 60, 1241 (2008).
S. Laurent, D. Forge, M. Port, A. Roch, C. Robic, L. Vander Elst, and R. N. Muller, Chem. Rev., 108, 2064 (2008).
Y. X. Wang, S. M. Hussain, and G. P. Krestin, Eur. Radiol., 11, 2319 (2001).
B. Bonnemain, J. Drug Target., 6, 167 (1998).
M. G. Harisinghani, J. Barentsz, P. F. Hahn, W. M. Deserno, S. Tabatabaei, C. H. van de Kaa, J. de la Rosette, and R. Weissleder, N. Engl. J. Med., 348, 2491 (2003).
N. V. Evgenov, Z. Medarova, G. Dai, S. Bonner-Weir, and A. Moore, Nat. Med., 12, 144 (2006).
J. M. Veranth, E. G. Kaser, M. M. Veranth, M. Koch, and G. S. Yost, Particle Fibre Toxicology, 4, 2 (2007).
U. O. Hafeli, J. S. Riffle, L. Harris-Shekhawat, A. Carmichael- Baranauskas, F. Mark, J. P. Dailey, and D. Bardenstein, Mol. Pharm., 6, 1417 (2009).
H. A. Jeng and J. Swanson, J. Environ. Sci. Health A Tox. Hazard. Subst. Environ. Eng., 41, 2699 (2006).
S. M. Hussain, K. L. Hess, J. M. Gearhart, K. T. Geiss, and J. J. Schlager, Toxicol. In Vitro, 19, 975 (2005).
Y. Jiao, Z. H. Peng, J. Y. Zhang, J. Qin, and C. P. Zhong, Transplant. Proc., 40, 3615 (2008).
L. L. Yang, X. H. Peng, Y. A. Wang, X. X. Wang, Z. H. Cao, C. C. Ni, P. Karna, X. J. Zhang, W. C. Wood, X. H. Gao, S. M. Nie, and H. Mao, Clin. Cancer Res., 15, 4722 (2009).
J. H. Juang, J. J. Wang, C. R. Shen, C. H. Kuo, Y. W. Chien, H. Y. Kuo, Z. T. Tsai, and T. C. Yen, Transplant. Proc., 42, 2104 (2010).
M. T. Klepka, N. Nedelko, J. M. Greneche, K. Lawniczak- Jablonska, I. N. Demchenko, A. Slawska-Waniewska, C. A. Rodrigues, A. Debrassi, and C. Bordini, Biomacromolecules, 9, 1586 (2008).
M. J. Laudenslager, J. D. Schiffman, and C. L. Schauer, Biomacromolecules, 9, 2682 (2008).
J. Zhang, Q. Wang, L. Wang, and A. Wang, Carbon, 45, 1917 (2007).
Z. T. Tsai, J. F. Wang, H. Y. Kuo, C. R. Shen, J. J. Wang, and T. C. Yen, J. Magn. Magn. Mater., 322, 208 (2010).
J. A. Frank, B. R. Miller, A. S. Arbab, H. A. Zywicke, E. K. Jordan, B. K. Lewis, L. H. Bryant, and J. W. M. Bulte, Radiology, 228, 480 (2003).
Z. L. Zhang, E. J. van den Bos, P. A. Wielopolski, M. de Jong-Popijus, D. J. Duncker, and G. P. Krestin, Magn. Reson. Mater. Phys. Biol. Med., 17, 201 (2004).
B. Yang, H. L. Cai, W. J. Qin, B. Zhang, C. X. Zhai, B. Jiang, and Y. L. Wu, Int. J. Nanomed., 8, 3977 (2013).
S. J. Kim, C. L. Nian, S. Widenmaier, and C. H. S. McIntosh, Mol. Cell. Biol., 28, 1644 (2008).
H. Iwahashi, T. Hanafusa, Y. Eguchi, H. Nakajima, J. Miyagawa, N. Itoh, K. Tomita, M. Namba, M. Kuwajima, T. Noguchi, Y. Tsujimoto, and Y. Matsuzawa, Diabetologia, 39, 530 (1996).
L. Aguilar-Bryan, J. P. Clement, G. Gonzalez, K. Kunjilwar, A. Babenko, and J. Bryan, Physiol. Rev., 78, 227 (1998).
P. Proks, F. Reimann, N. Green, F. Gribble, and F. Ashcroft, Diabetes, 51, S368 (2002).
M. Schwanstecher, C. Schwanstecher, C. Dickel, F. Chudziak, A. Moshiri, and U. Panten, Brit. J. Pharmacol., 113, 903 (1994).
S. Schneider, P. J. Feilen, M. Schreckenberger, M. Schwanstecher, C. Schwanstecher, H.G. Buchholz, O. Thews, K. Oberholzer, A. Korobeynikov, A. Bauman, S. Comagic, M. Piel, E. Schirrmacher, C. Y. Shiue, A. A. Alavi, P. Bartenstein, F. Rosch, M. M. Weber, H. H. Klein, and R. Schirrmacher, Exp. Clin. Endocrinol. Diabetes, 113, 388 (2005).
S. Schneider, S. Ueberberg, A. Korobeynikov, W. Schechinger, C. Schwanstecher, M. Schwanstecher, H. H. Klein, and E. Schirrmacher, Regul. Pept., 139, 122 (2007).
M. Schottelius, H. J. Wester, J. C. Reubi, R. Senekowitsch-Schmidtke, and M. Schwaiger, Bioconjug. Chem., 13, 1021 (2002).
Y. F. Zhang and W. G. Chen, Nucl. Med. Commun., 33, 223 (2012).
J. J. Holst, C. F. Deacon, T. Vilsboll, T. Krarup, and S. Madsbad, Trends. Mol. Med., 14, 161 (2008).
C. F. Deacon, A. H. Johnsen, and J. J. Holst, J. Clin. Endocr. Metab., 80, 952 (1995).
Z. H. Wu, S. L. Liu, I. Nair, K. Omori, S. Scott, I. Todorov, J. E. Shively, P. S. Conti, Z. B. Li, and F. Kandeel, Theranostics, 4, 770 (2014).
Z. H. Wu, S. L. Liu, M. Hassink, I. Nair, R. Park, L. Li, I. Todorov, J. M. Fox, Z. B. Li, J. E. Shively, P. S. Conti, and F. Kandeel, J. Nucl. Med., 54, 244 (2013).
Z. Wu, I. Todorov, L. Li, J. R. Bading, Z. B. Li, I. Nair, K. Ishiyama, D. Cocher, P. E. Conti, S. E. Fraser, J. E. Shively, and F. Kandeel, Bioconjug. Chem., 22, 1587 (2011).
M. Brom, W. Woliner-van der Weg, L. Joosten, C. Frielink, T. Bouckenooghe, P. Rijken, K. Andralojc, B. J. Goke, M. de Jong, D. L. Eizirik, M. Behe, T. Lahoutte, W. J. G. Oyen, C. J. Tack, M. Janssen, O. C. Boerman, and M. Gotthardt, Diabetologia, 57, 950 (2014).
M. Brom, L. Joosten, W. J. G. Oyen, M. Gotthardt, and O. C. Boerman, Contrast Media Mol. Imaging, 7, 160 (2012).
Y. Wang, K. Lim, M. Normandin, X. J. Zhao, G. W. Cline, and Y. S. Ding, Nucl. Med. Biol., 39, 167 (2012).
B. Zhang, B. Yang, C. X. Zhai, B. Jiang, and Y. L. Wu, Biomaterials, 34, 5843 (2013).
C. Brand, D. Abdel-Atti, Y. C. Zhang, S. Carlin, S. M. Clardy, E. J. Keliher, W. A. Weber, J. S. Lewis, and T. Reiner, Bioconjug. Chem., 25, 1323 (2014).
W. J. Malaisse, Diabetologia, 44, 393 (2001).
M. Srinivas, A. Heerschap, E. T. Ahrens, C. G. Figdor, and I. J. de Vries, Trends Biotechnol., 28, 363 (2010).
W. J. Malaisse, Y. Zhang, K. Louchami, S. Sharma, T. Dresselaers, U. Himmelreich, G. W. Novotny, T. Mandrup-Poulsen, D. Waschke, Y. Leshch, J. Thimm, J. Thiem, and A. Sener, Arch. Biochem. Biophys., 517, 138 (2012).
C. Ran, P. Pantazopoulos, Z. Medarova, and A. Moore, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 46, 8998 (2007).
Z. Wang and H. Gleichmann, Diabetes, 47, 50 (1998).
R. H. Duncan and G. S. Davies, Int. J. Quantum Chem., 35, 665 (1989).
K. Oishi, Y. Miyamoto, H. Saito, K. Murase, K. Ono, M. Sawada, M. Watanabe, Y. Noguchi, T. Fujiwara, S. Hayashi, and H. Noguchi, PloS One, 8, e57046 (2013).
F. Ris, M. Lepetit-Coiffe, P. Meda, L. A. Crowe, C. Toso, M. Armanet, N. Niclauss, G. Parnaud, L. Giovannoni, D. Bosco, P. Morel, J. P. Vallee, and T. Berney, Cell Transplant., 19, 1573 (2010).
M. J. Jung, S. S. Lee, Y. H. Hwang, H. S. Jung, J.W. Hwang, M. J. Kim, S. Yoon, and D. Y. Lee, Biomaterials, 32, 9391 (2011).
N. Kitamura, R. Nakai, H. Kohda, K. Furuta-Okamoto, and H. Iwata, Bioorg. Med. Chem., 21, 7175 (2013).
Y. Teramura, Y. Kaneda, and H. Iwata, Biomaterials, 28, 4818 (2007).
H. Nishimori, M. Kondoh, K. Isoda, S. Tsunoda, Y. Tsutsumi, and K. Yagi, Eur. J. Pharm. Biopharm., 72, 496 (2009).
B. R. Jarrett, M. Frendo, J. Vogan, and A. Y. Louie, Nanotechnology, 18 (2007).
B. A. Rzigalinski and J. S. Strobl, Toxicol. Appl. Pharm., 238, 280 (2009).
S. J. Karlik, Am. J. Roentgenol., 188, W584 (2007).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Kim, M.J., Lee, D.Y. Application of nanomaterials for imaging pancreatic islets. Macromol. Res. 24, 197–204 (2016). https://doi.org/10.1007/s13233-016-4034-4
Received:
Revised:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s13233-016-4034-4