Een onderzoek van de Northwestern University toont aan dat het koppelen van een contrastmiddel met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) aan een nanodiamant resulteert in een dramatisch verbeterde signaalintensiteit en dus een levendig beeldcontrast.

"De resultaten zijn een sprong en niet een kleine -- het is een baanbrekende gebeurtenis voor gevoeligheid, " zei Thomas J. Meade, de Eileen Foell Professor in Cancer Research in het Weinberg College of Arts and Sciences en de Feinberg School of Medicine. "Dit is een beeldvormend middel op steroïden. Het complex is veel gevoeliger dan al het andere dat ik heb gezien."

Meade leidde de studie samen met Dean Ho, universitair docent biomedische technologie en werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering and Applied Science.

Ho heeft al aangetoond dat de nanodiamanten een uitstekende biocompatibiliteit hebben en kunnen worden gebruikt voor efficiënte medicijnafgifte. Dit nieuwe werk maakt de weg vrij voor het klinische gebruik van nanodiamanten om zowel therapieën te leveren als de activiteit en locatie van de medicijnen op afstand te volgen.

De studie, online gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters , is ook het eerste gepubliceerde rapport van nanodiamanten die worden afgebeeld door MRI-technologie, naar beste weten van de onderzoekers. Het vermogen om nanodiamanten in vivo af te beelden zou nuttig zijn in biologische studies waar het in kaart brengen van het lot op de lange termijn van cruciaal belang is, zoals het volgen van bèta-eilandcellen of het volgen van stamcellen.

MRI is een niet-invasieve medische beeldvormingstechniek die gebruik maakt van een intraveneus contrastmiddel om gedetailleerde beelden van interne structuren in het lichaam te produceren. MRI is in staat tot diepe weefselpenetratie, bereikt een efficiënt niveau van zacht weefselcontrast met hoge ruimtelijke en tijdgerelateerde resolutie, en vereist geen ioniserende straling.

Contrastmiddelen worden gebruikt bij MRI omdat ze de relaxiviteit veranderen (contrast werkzaamheidsindicator) en de beeldresolutie verbeteren. Gadolinium (Gd) is het materiaal dat het meest wordt gebruikt als MRI-contrastmiddel, maar de werkzaamheid van het contrast kan worden verbeterd.

Mede, Ho en hun collega's ontwikkelden een gadolinium(III)-nanodiamantcomplex dat, in een reeks testen, toonde een significante toename van de relaxiviteit en, beurtelings, een aanzienlijke toename van de contrastverbetering. Het Gd(III)-nanodiamantcomplex vertoonde een meer dan 10-voudige toename in relaxiviteit - een van de hoogste per Gd(III)-waarden die tot nu toe zijn gerapporteerd. Dit betekent een belangrijke vooruitgang in de efficiëntie van MRI-contrastmiddelen.

Ho en Meade hebben verschillende nanodiamanten in beeld gebracht, waaronder nanodiamanten versierd met verschillende concentraties Gd(III), onversierde nanodiamanten en water. Het intense signaal van het Gd(III)-nanodiamantcomplex was het helderst toen het Gd(III)-niveau het hoogst was.

"Het is aangetoond dat nanodiamanten effectief zijn in het aantrekken van watermoleculen naar hun oppervlak, die de relaxerende eigenschappen van het Gd(III)-nanodiamantcomplex kunnen verbeteren, " zei Ho. "Dit zou kunnen verklaren waarom deze complexen zo helder zijn en zulke goede contrastmiddelen."

"De nanodiamanten zijn volkomen uniek onder nanodeeltjes, Meade zei. "Een nanodiamant is als een vrachtschip - het geeft ons een niet-toxisch platform waarop we verschillende soorten medicijnen en beeldvormende middelen kunnen plaatsen."

De biocompatibiliteit van het Gd(III)-nanodiamantcomplex onderstreept de klinische relevantie ervan. Naast het bevestigen van het verbeterde signaal dat door de hybride wordt geproduceerd, de onderzoekers voerden toxiciteitsstudies uit met fibroblasten en HeLa-cellen als biologische testbedden.

Ze vonden weinig invloed van het hybride complex op de levensvatbaarheid van de cellen, bevestigt de inherente veiligheid van het complex en positioneert het als een klinisch significant nanomateriaal. (Andere beeldvormingsmethoden met nanodiamanten, zoals fluorescerende nanodiamanten, hebben een beperkte weefselpenetratie en zijn meer geschikt voor histologische toepassingen.)

Nanodiamanten zijn op koolstof gebaseerde materialen met een diameter van ongeveer vier tot zes nanometer. Het oppervlak van elke nanodiamant heeft carboxylgroepen waardoor een breed spectrum van verbindingen eraan kan worden gehecht, niet alleen gadolinium(III).

De onderzoekers onderzoeken de preklinische toepassing van de MRI-contrastmiddel-nanodiamant-hybride in verschillende diermodellen. Met het oog op het optimaliseren van dit nieuwe hybride materiaal, ze zijn ook bezig met studies naar de structuur van het Gd(III)-nanodiamantcomplex om te leren hoe het de verhoogde relaxiviteit regelt.

Meade is een pionier in het ontwerp en de synthese van chemische verbindingen voor toepassingen bij het opsporen van kanker, cellulaire signalering en genregulatie. Ho is een pionier in de ontwikkeling van nanodiamanten en heeft hun efficiëntie als vehikels voor medicijnafgifte aangetoond. Beiden zijn lid van het Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center van de Northwestern University.