Op gadolinium gebaseerde contrastmiddelen, de gouden standaard in magnetische resonantie beeldvorming (MRI) om de gezondheid van een patiënt te bepalen, kan verbeterd worden, Volgens ingenieurs van Rice University die modellen verfijnen die ze eerst gebruikten om de olie- en gaswinning te verbeteren.

Het team onder leiding van Dilip Asthagiri en Philip Singer van de George R. Brown School of Engineering had onderzocht hoe nucleaire magnetische resonantie-instrumenten, vaak gebruikt in de olie-industrie om ondergrondse afzettingen te karakteriseren, kan worden geoptimaliseerd door middel van moleculaire dynamica-simulaties.

"We hebben daar veel fundamentele wetenschappelijke vragen behandeld, en we vroegen ons af of er andere manieren waren om deze simulaties te gebruiken, ' zei Asthagiri.

"Er worden elk jaar wereldwijd ongeveer 100 miljoen MRI's genomen, en ongeveer 40% van hen gebruikt contrastmiddelen op basis van gadolinium, maar de manier waarop ze de MRI-respons op deze middelen modelleren, is sinds de jaren tachtig niet significant veranderd. " zei Singer. "We dachten dat het een goede proeftuin zou zijn voor onze ideeën."

De resultaten van hun onderzoek verschijnen in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Fysische chemie Chemische fysica .

Hun paper laat zien hoe het beperken van het aantal parameters in simulaties het potentieel heeft om de analyse van op gadolinium gebaseerde contrastmiddelen te verbeteren en hoe effectief ze zijn bij beeldvorming voor klinische diagnose. Hun doel is om betere en meer aanpasbare contrastmiddelen te maken.

Artsen gebruiken MRI-apparaten om de toestand van zachte weefsels in het lichaam te "zien", inclusief de hersenen, door magnetische momenten in de waterstofkernen van altijd aanwezige watermoleculen te induceren om zich langs het magnetische veld uit te lijnen. Het apparaat detecteert heldere vlekken wanneer de uitgelijnde kernen na een excitatie "relaxeren" naar thermisch evenwicht, en hoe sneller ze ontspannen, hoe helderder het contrast.

Dat is waar paramagnetische op gadolinium gebaseerde contrastmiddelen van pas komen. "Gadolinium-ionen verhogen de gevoeligheid en maken het signaal helderder door de T1-relaxatietijd van waterstofkernen te verkorten, "Zei Asthagiri. "Ons uiteindelijke doel is om de optimalisatie en het ontwerp van deze agenten te helpen."

Typisch, gadolinium is "gechelateerd" - omgeven door metaalionen - om het minder giftig te maken. "Het lichaam verwijdert gadolinium niet zelf en moet worden gechelateerd zodat de nieren het kunnen verwijderen na een scan, Singer zei. "Maar chelatie vertraagt ​​ook de moleculaire rotatie, en dat zorgt voor een beter contrast in het MRI-beeld."

De onderzoekers merkten op dat "chelaat" afkomstig is van het Griekse woord voor klauw. "In dit geval, deze klauwen grijpen het gadolinium vast om het stabiel te maken, " zei hij. "We hopen dat onze modellen ons helpen bij het ontwerpen van een sterkere grip, waardoor ze veiliger worden en tegelijkertijd hun vermogen om het contrast te vergroten wordt gemaximaliseerd."

Ze erkenden dat gadoliniumchelaten, die een revolutie teweegbracht in MRI-testen toen ze eind jaren tachtig werden geïntroduceerd, zijn de laatste tijd controversieel sinds men ontdekte dat patiënten met nierinsufficiëntie niet in staat waren alle toxines te elimineren. "Sindsdien hebben ze bedacht dat als je een goede nierfunctie hebt, de voordelen opwegen tegen de mogelijke risico's, ' zei Zanger.

Het team past ook zijn modellen aan die verder gaan dan interacties met water. "In biologische systemen, cellen hebben andere bestanddelen zoals osmolyten en denaturanten zoals ureum, dus we modelleren gadolinium met deze verschillende omgevingen om te bouwen naar een verscheidenheid aan toepassingen, ' zei Asthagiri.