Een team van Sandia National Laboratories heeft nanodeeltjes ontworpen en gesynthetiseerd die rood oplichten en stabiel zijn. nuttige eigenschappen voor het volgen van de groei en verspreiding van kanker.

Dit werk is de eerste keer dat de intrinsieke luminescentie van metaal-organische raamwerkmaterialen, of MOF's, voor bio-imaging op lange termijn is gemeld, materiaalchemicus Dorina Sava Gallis zei. Fluoriserende tumoren, of andere specifieke soorten cellen, is een nieuwe, krachtige methode om in een lichaam een ​​afbeelding te maken.

MRI's, Röntgenstralen en echografie zijn krachtige bio-imaging-methoden om ziekten te diagnosticeren. Echter, deze methoden hebben elk hun beperkingen en worden over het algemeen niet gebruikt om ziekten te behandelen. Voor jaren, wetenschappers hebben gezocht naar theranostische middelen, materialen die zowel therapeutisch als diagnostisch kunnen worden gebruikt.

MOF's zijn een groep chemicaliën met een groot potentieel voor beeldvorming en behandeling van kanker en andere ziekten. Deze knutselspeelgoed-achtige moleculen hebben metalen "hubs" en op koolstof gebaseerde linker "staven". Chemici kunnen de hubs en de linkers verwisselen om "sponzen" van nanoformaat te maken met veel verschillende eigenschappen. historisch, MOF's zijn voor alles gebruikt, van het opvangen van radioactieve gassen uit verbruikte splijtstof, om verontreinigd water te reinigen en zelfs waterstofgas veilig op te slaan.

De MOF-nanodeeltjes van het Sandia-team gloeien gedurende ten minste twee dagen rood of bijna-infrarood in cellen.

Nabij-infrarood licht heeft langere golflengten dan rood licht. Het is vooral nuttig voor beeldvorming in een lichaam omdat het door de huid kan dringen, weefsel en zelfs botten zonder schade aan te richten, en produceert duidelijkere beelden omdat er minder autofluorescentie op de achtergrond is bij die golflengten, zei Sava Gallis. Huidige kleurstoffen of nanodeeltjes die in het nabij-infrarood gloeien, gaan niet erg lang mee of gloeien slechts zwak, helderder maken, stabielere materialen van onschatbare waarde.

Rationeel ontwerp van multifunctionele MOF's voor bio-imaging

MOF's zijn complexe materialen met afstembare eigenschappen en verbazingwekkende oppervlakten; één gram van een bepaald soort MOF heeft dezelfde oppervlakte als 16 basketbalvelden. Sava Gallis zei:"Op het gebied van metaal-organische raamwerken, we hebben het voordeel dat we onze bouwstenen kunnen kiezen om materialen op bestelling te maken."

14 jaar lang, ze heeft gewerkt aan het rationeler en voorspelbaarder maken van de synthese van MOF's. Sommige metalen zijn chemisch actief en andere gloeien bij bepaalde kleuren. Sommige metalen vormen clusters met verschillende geometrieën - zoals speelgoed "hubs" met verschillende aantallen gaten - en soms is de hub een enkel metaalion. Sommige linkers zijn lang, het produceren van sponzen met grote lege ruimtes en hoge oppervlakten, en andere zijn kort. Sommige linkers zijn katalytisch actief, dat wil zeggen, ze kunnen een chemische reactie versnellen - of de chemie van het metaal aanpassen, terwijl anderen de kleur of helderheid van de gloed van het metaal kunnen aanpassen.

Om MOF's voor bio-imaging rationeel te ontwerpen, Sava Gallis selecteerde lanthanidemetalen, een klasse van zeldzame aardelementen. Het metalen europium gloeit rood; de metalen neodymium en ytterbium fluoresceren in het nabij-infrarood. Ze koos ook omstandigheden die ervoor zouden zorgen dat de lanthaniden robuuste clusters zouden vormen. Vaak, MOF's gemaakt met individuele metaalionen zijn niet waterstabiel, maar metalen clusters zijn vaak, zei Sava Gallis. Dit is belangrijk voor bio-imaging, aangezien cellen en mensen meestal uit water bestaan. Ook, ze gebruikte algemeen verkrijgbare koolstoflinkers die grote poriën produceren. Mogelijk, deze poriën kunnen medicijnen bevatten en zowel beeldvorming als behandeling mogelijk maken.

Waterstabiel, poreuze MOF's die gloeien in het nabije infrarood

Sava Gallis stelde een multidisciplinair team samen om te bevestigen dat de MOF's de eigenschappen hadden die ze had ontworpen. Sandia materiaalwetenschapper Mark Rodriguez en Karena Chapman, van het Argonne Nationaal Laboratorium, geholpen met de röntgendiffractie structurele studies. Sandia-onderzoekers Lauren Rohwer en Willie Luk testten de luminescentie-eigenschappen van de MOF's. Het team heeft met succes een familie van vergelijkbare MOF's gemaakt met een reeks emissiekleuren van rood tot bijna-infrarood, waardoor onderzoekers de MOF-kleur kunnen "afstemmen", afhankelijk van waar het voor nodig is.

Vervolgens, Het team van Sava Gallis testte om ervoor te zorgen dat de nanodeeltjes stabiel waren in water en geen gekweekte cellen doodden. Sandia-nanobioloog Kim Butler voerde cytotoxiciteitsstudies uit om te bepalen of de MOF's giftig waren voor zoogdiercellen. Zelfs bij hoge doseringen de nanodeeltjes waren vergelijkbaar met of minder toxisch dan andere deeltjes die werden bestudeerd voor bio-imaging, wat een goed teken is voor hun toekomst, zei Sava Gallis. Ze waren ook minstens een week stabiel in water of biologie-nabootsend zout water.

Sandia-biochemicus Meghan Dailey en bioanalytisch chemicus Jeri Timlin deden live-celbeeldvorming met behulp van een aangepaste hyperspectrale confocale fluorescentiemicroscoop. Ze toonden aan dat de MOF-deeltjes kunnen werken voor bio-imaging-onderzoeken op lange termijn in zoogdiercellen, maar mogelijk verder moeten worden geoptimaliseerd, misschien door het oppervlak van de deeltjes te wijzigen, zei Sava Gallis.

"We zijn erg enthousiast over het succes van deze eerste onderzoeken en gaan verder om hun weefselpenetratiediepte te onderzoeken, luminescentie-efficiëntie en uiteindelijk, de relevantie voor beeldvorming in levende organismen, ' zei Sava Gallis.

Het onderzoek maakt deel uit van een veel groter project om aanpasbare, veilige en effectieve reacties op biologische bedreigingen en nieuwe pathogenen, gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma. Een belangrijk onderdeel van dat project is het volgen van de levering van nanodeeltjes, waarvoor biologisch stabiele gloeiende deeltjes of kleurstoffen nodig zijn.

De resultaten zijn gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces .