Een van de uitdagingen bij het gebruik van nanodeeltjes voor het in beeld brengen van tumoren tijdens operaties is dat er een afweging moet zijn tussen het aantal nanodeeltjes dat zich op een tumor richt en de snelle verwijdering van ongebonden nanodeeltjes uit het lichaam. Een groot aantal nanodeeltjes die stevig aan een tumor plakken, geven een helder signaal dat een chirurg kan helpen de randen van het kwaadaardige weefsel te herkennen, maar alleen als het achtergrondsignaal van ongebonden nanodeeltjes - die vrij door het lichaam circuleren - niet te hoog is.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers heeft een reeks ontwerpregels ontwikkeld die die afweging kunnen optimaliseren, nanodeeltjes produceren die de meeste kans hebben om zich aan een tumor te binden, maar die snel door de nieren verdwijnen als ze hun doelwit niet vinden. Het team, onder leiding van John Frangoni, van het Beth Israel Deaconess Medical Center, en Moungi Bawendi, van het Massachusetts Institute of Technology en lid van het MIT-Harvard Center of Cancer Nanotechnology Excellence, publiceerden de resultaten van hun werk in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

In eerder werk, de onderzoekers hadden ontdekt dat de nieren efficiënt uit de bloedstroom filteren nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 5,5 nanometer (nm) en die zwitterionisch zijn, dat wil zeggen dat ze zowel positieve als negatieve ladingen op hun oppervlak hebben. De onderzoekers ontwikkelden ook ultrakleine, zwitterionisch, helder fluorescerende nanodeeltjes bestaande uit een zink-cadmiumsulfidekern omgeven door een cadmiumselenideschil en een cysteïnecoating.

In dit onderzoek, de onderzoekers koppelden een van de twee middelen voor het richten op tumoren aan de cysteïnecoating en testten het vermogen van de twee formuleringen om tumoren aan te pakken en toch uit de bloedsomloop te worden verwijderd. Hoewel de gebruikelijke benadering voor het ontwikkelen van gerichte nanodeeltjes is geweest om een ​​zo groot mogelijk aantal targetingmoleculen toe te voegen om de kans te vergroten dat ze aan het beoogde weefsel blijven kleven, de onderzoekers ontdekten dat ze slechts tussen de vijf en tien targeting-moleculen konden toevoegen zonder de totale grootte van het nanodeeltje boven de 5,5 nm-grenswaarde te vergroten. Even belangrijk, ze ontdekten ook dat op deze manier bereide nanodeeltjes niet binden aan eiwitten in de bloedstroom, wat het effect zou hebben gehad van het vergroten van de totale grootte van de nanodeeltjes.

Tests bij dieren die gekweekte cellen gebruikten, toonden aan dat zelfs bij relatief lage aantallen targeting-moleculen nanodeeltjes werden geproduceerd die in staat zijn stevig te binden aan gerichte tumorcellen. Biodistributiestudies toonden aan dat de nanodeeltjes zich ophoopten in gerichte tumoren, waar ze kunnen worden afgebeeld, maar niet in de lever, milt, en longen, weefsels die vaak circulerende nanodeeltjes ophopen. Ongebonden nanodeeltjes werden via de nieren uitgescheiden, als voorspeld, binnen 4 uur. Een klaring van vier uur is belangrijk omdat dit in de praktijk betekent dat een patiënt die een tumorverwijderingsoperatie moet ondergaan, zou een dosis van de nanodeeltjes kunnen krijgen bij aankomst in het ziekenhuis en dat de achtergrondniveaus van ongebonden nanodeeltjes bijna nul zouden zijn tegen de tijd dat de chirurg nodig had om gelabelde tumoren af ​​te beelden.

Dit werk, die gedetailleerd wordt beschreven in een paper met de titel "Design considerans for tumour-targeted nanoparticles, " werd gedeeltelijk ondersteund door de NCI Alliance for Nanotechnology in Cancer, een alomvattend initiatief dat is ontworpen om de toepassing van nanotechnologie op de preventie te versnellen, diagnose, en behandeling van kanker. Een samenvatting van dit artikel is beschikbaar op de website van het tijdschrift.