Several drawbacks (such as short imaging time, nonspecificity, and renal toxicity) of the small molecule-based computed tomography (CT) contrast agents (e.g., Omnipaque) lead to the extensive development of various nanoparticle (NP)-based CT imaging probes. Recently, Gold NPs (AuNPs) have been used as contrast agents for X-ray CT imaging due to their strong X-ray attenuation characteristics [1-3]. Although a few of the studies have proven that targeting ligand-modified Au NPs enable the targeted CT imaging of cancer cells [4-6], development of various NP-based CT contrast agents that can overcome the drawbacks of nonspecificity, short blood circulation time, low sensitivity, and cytotoxicity at a higher dose still remains a great challenge. In the mean time, for accurate molecular imaging-based cancer diagnosis, it is essential to combine different imaging elements within one NP system for dual mode or multimode imaging. Literature data have shown that thiolated gadolium (III) (Gd(III)) chelator can be used to stabilize AuNPs for dual mode CT and magnetic resonance (MR) imaging [7]. However, this technique has difficulty to modify targeting ligands onto the particle surfaces for targeted imaging applications. Our team member’s previous work has shown that by entrapping AuNPs within the interior of poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimers [8], followed by covalently attaching imaging dyes and targeting ligands onto the dendrimer periphery, a multifunctional dendrimer-entrapped AuNPs (Au DENPs) can be generated for targeted imaging of cancer cells [9]. Very recently, we have shown that Au DENPs have a high X-ray attenuation property, allowing them to be used for CT imaging of blood pool in mice after an acetylation reaction to neutralize the dendrimer periphery amines [10]. Using acetylated Au DENPs or Au DENPs modified by both acetyl groups or PEG moieties, the Au DENPs are able to be used for tumor imaging in vivo via enhanced permeation retention (EPR) effect [11, 12]. Development of an Au DENP-based CT imaging nanoprobe with targeting specificity has scarcely been reported in literature. In addition, using Au DENPs as a platform to develop for dual mode CT/MR imaging probes has never been reported in literature before. Thus, the original idea and main purpose of this project is the synthesis and characterization of Au DENPs with cell targeting capability for CT imaging of cancer cells and with dual mode CT/MR imaging capability for accurate targeted cancer imaging. The PEGylation of dendrimers is expected to expand the periphery of dendrimers, allowing for more loading of AuNPs with enhanced colloidal stability, thus promoting the sensitivity of CT imaging and improving the biocompatibility of Au DENPs at a higher dose. Simultaneously, with the tunable dendrimer chemistry that allows easy conjugation of Gd(III) chelator and the convenient manipulation of the PEG linking strategy that allows targeting ligands (e.g., FA and arginine-glycine-aspartic acid (RGD) peptide) to be modified onto the dendrimer surfaces, the designed PEGylated Au DENPs should be able to act as novel CT or dual mode CT/MR imaging agents for targeted tumor imaging with prolonged blood circulation time. Briefly, the following questions will be answered: a) Are the targeting ligand-modified PEGylated Au DENPs able to target cancer cells overexpressing the specific receptors in vitro? b) Can the targeted PEGylated Au DENPs be used for CT imaging of cancer cells in vitro and in vivo? c) How the incorporation of the two imaging elements within one NP system affects the X-ray attenuation and T1-relaxation rate of the final particle system? d) Can the Gd(III)-loaded PEGylated Au DENPs be used for dual mode CT and MR imaging of cancer cells in vitro and in vivo? This multidisciplinary project has a support research team of 7 PhDs and two full time researchers (a young researcher with a master degree (BI grant, 24 months) and one post-doc (BPD grant, 24 months) to be contracted. The research proposal which is based on the expertise acquired by the research team through previous projects and collaborations and is organized in 4 related tasks will be mainly developed at the CQM/Univ. of Madeira, also having the collaboration of two Chinese research groups: M. Shen Group with expertise in nanobiotechnology (Donghua University, Shanghai, China) and the Molecular Imaging Group headed by G. Zhang from Shanghai First People’s Hospital (Shanghai, China). As desvantagens (ex: curto intervalo de tempo de análise, não especificidade e toxicidade renal) associadas aos agentes de contraste para tomografia computorizada de raios-X (TC) baseados em pequenas moléculas (ex: Omnipaque) levam à necessidade de desenvolver sondas para TC baseadas em diversas nanopartículas (NP). Recentemente, as NP de ouro (AuNPs) têm sido utilizadas como agentes de contraste para TC devido às suas fortes características de atenuação de raios-X [1-3]. Embora alguns estudos tenham demonstrado que as AuNPs podem ser modificadas com ligandos específicos, possibilitando a localização de células cancerosas por TC [4-6], o desenvolvimento de vários agentes de contraste para TC baseados em NP, capazes de superar as desvantagens da não especificidade, curto tempo de circulação no sangue, baixa sensibilidade e citotoxicidade a doses elevadas, continua a ser um grande desafio. Simultaneamente, para o diagnóstico do cancro, é essencial combinar diferentes modos de imagiologia num único sistema (bi-modal ou multi-modal). A bibliografia mostra que o quelante gadolínio (III) tiolado (Gd(III)) pode ser usado para estabilizar AuNPs para imagiologia TC bi-modal e ressonância magnética (RM) [7]. No entanto, com esta técnica é difícil introduzir ligandos para alvos específicos à superfície das NPs. Trabalho anterior mostrou que as AuNPs podem ser aprisionadas no interior de dendrímeros de poliamidoamina (PAMAM) [8], a que se pode seguir a ligação covalente, na periferia do dendrímero, de marcadores para imagiologia e de ligandos específicos para alvos celulares, criando-se assim um dendrímero multifuncional com AuNPs aprisionadas (AuDENPs), para a localização imagiológica de células cancerosas [9]. Muito recentemente, mostrámos que as Au DENPs têm elevada capacidade de atenuação de raio-X, podendo ser utilizadas na análise imagiológica por TC de sangue de rato, após uma reacção de acetilação para neutralizar as aminas periféricas do dendrímero [10]. As AuDENPs simplesmente acetiladas ou ainda modificadas com poli-etilenoglicol (PEG) podem ser usadas para visualizar tumores in vivo através do efeito do aumento da permeabilidade e retenção (em inglês, EPR) [11, 12]. Se o desenvolvimento de nanosondas baseadas em AuDENPs para TC com características de especificidade tem sido pouco explorado, já a utilização de AuDENPs como plataformas bi-modais para imagiologia TC/RM nunca foi descrita. Assim sendo, o principal objectivo deste projecto é a síntese e caracterização de Au DENPs com ligandos específicos para localização de células cancerosas para uso em TC, bem como para uso simultâneo em MR (para uma visualização mais precisa dos tumores). Espera-se que a ligação de PEG aos dendrímeros expanda a sua periferia, permitindo uma carga maior de AuDENPs com melhor estabilidade coloidal É de esperar que a modificação de dendrímeros com PEG expanda a periferia dos dendrímeros, permitindo uma carga maior de AuNPs com melhor estabilidade coloidal, aumentando assim a sensibilidade das imagens obtidas por TC e a biocompatibilidade das Au DENPs a doses elevadas. Simultaneamente, a possibilidade de conjugação dos dendrímeros com o quelante de Gd(III) e do PEG com grupos específicos para alvos celulares (ex: o ácido fólico e o péptido RGD), faz com que as AuDENPs modificadas com PEG actuem como novos agentes de contraste para TC ou TC/RM munidas de especificidade e com tempo de circulação no sangue prolongado. Resumidamente, responder-se-á às seguintes perguntas: a) Será que as Au DENPs modificadas com PEG e ligandos específicos, in vitro, conseguem localizar as células cancerosas que apresentam uma elevada expressão de receptores para esses ligandos? b) Poderão as Au DENPs modificadas com PEG e ligandos específicos ser utilizadas para diagnóstico de células cancerosas, in vitro e in vivo, através de TC? c) Como é que a incorporação de dois elementos de imagiologia afecta a atenuação de raios-X e a velocidade de relaxação T1 do sistema final? d) Poderão as AuDENPs modificadas com PEG e carregadas com Gd(III) ser usadas como sistemas bi-modais para imagiologia de células cancerosas por TC e RM in vitro e in vivo? Este é um projecto multidisciplinar suportado por uma equipa de investigação constituída por 7 doutorados e 2 investigadores a tempo inteiro (bolsas BI e BPD, 24 meses) a serem contratados. O trabalho, organizado em 4 tarefas e assente na experiência adquirida pela equipa de investigação através de projectos e colaborações anteriores, será desenvolvido maioritariamente no Centro de Química da Madeira (CQM)/Univ. Madeira (UMa), tendo também a colaboração de dois grupos de investigação chineses: o grupo de M. Shen (Univ. de Donghua, Xangai) e o “Molecular Imaging Group” liderado por G. Zhang (Shanghai First People’s Hospital, Xangai).