Met behulp van een roman, beeldvormingssysteem in real time, wetenschappers hebben een groep nabij-infrarood fluorescerende nanodeeltjes gevolgd vanuit de luchtruimten van de longen, in het lichaam en weer naar buiten, het verstrekken van een beschrijving van de kenmerken en het gedrag van deze minuscule deeltjes die kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van therapeutische middelen voor de behandeling van longziekte, evenals het bieden van een beter begrip van de gezondheidseffecten van luchtverontreiniging.

Onder leiding van onderzoekers van het Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) en de Harvard School of Public Health, de bevindingen worden beschreven in het Advance Online-nummer van het tijdschrift van 7 november Natuur Biotechnologie .

Op een schaal van één tot 100 nanometer (nm) – een miljardste van een meter – zijn nanodeeltjes te klein om zichtbaar te zijn door een traditionele microscoop. Maar deze extreem kleine schaal maakt ze potentiële kandidaten voor gerichte medicijnafgifte, in staat om ziektebronnen nauwkeurig te lokaliseren met verhoogde efficiëntie en minimale bijwerkingen voor omliggende weefsels.

"Nanodeeltjes zijn veelbelovend als therapeutische middelen voor een aantal ziekten, " legt co-senior auteur John V. Frangioni uit, MD, doctoraat, van de afdeling Hematologie/Oncologie bij BIDMC en universitair hoofddocent geneeskunde en radiologie aan de Harvard Medical School (HMS), wiens laboratorium gespecialiseerd is in de ontwikkeling van beeldvormingssystemen en de ontwikkeling van contrastmiddelen voor moleculaire beeldvorming. De anatomie van de long, met zijn grote oppervlakte en minimale barrières die de toegang tot het lichaam beperken, maakt dit orgaan een bijzonder goed doelwit voor de toediening van nanodeeltjes.

"We zijn geïnteresseerd in het lot van kleine deeltjes nadat ze zich diep in het gasuitwisselingsgebied van de long hebben afgezet, " voegt mede-senior auteur Akira Tsuda toe, doctoraat, een onderzoekswetenschapper in het Molecular and Integrative Physiological Sciences-programma in het Department of Environmental Health aan de Harvard School of Public Health. "Het bepalen van de fysisch-chemische kenmerken van geïnhaleerde nanodeeltjes op hun vermogen om het alveolaire epitheeloppervlak [van de longen] te passeren, is een belangrijke stap in het begrijpen van de biologische effecten die gepaard gaan met blootstelling aan deze deeltjes."

Eerder werk van Frangoni en eerste auteur Hak Soo Choi, doctoraat, een instructeur geneeskunde aan de HMS, had de kenmerken vastgesteld van nanodeeltjes die de klaring uit het lichaam reguleren. "Om klinisch van waarde te zijn, nanodeeltjes moeten ofwel biologisch kunnen worden afgebroken tot biologisch inerte verbindingen, of efficiënt uit het lichaam worden verwijderd, " zegt Choi, verklaren dat accumulatie van nanodeeltjes giftig kan zijn.

Het doel van deze nieuwe studie was om de kenmerken en parameters te bepalen van geïnhaleerde nanodeeltjes die hun opname in het lichaam bemiddelen - vanuit de externe omgeving, over het alveolaire longoppervlak en in het lymfestelsel en de bloedstroom en uiteindelijk naar andere organen. Om dit te doen, de wetenschappers maakten gebruik van het FLARE™-beeldvormingssysteem (Fluorescence-Assisted Resection and Exploration), het systematisch variëren van de chemische samenstelling, maat, vorm en oppervlaktelading van een groep nabij-infrarood fluorescerende nanodeeltjes om de fysiochemische eigenschappen van de verschillende gemanipuleerde deeltjes te vergelijken. De onderzoekers volgden vervolgens de beweging van de variërende nanodeeltjes in de longen van rattenmodellen gedurende een periode van een uur, en ook geverifieerde resultaten met behulp van conventionele radioactieve tracers.

"Het FLARE-systeem stelde ons in staat om het aantal experimenten te halveren en tegelijkertijd nanodeeltjes van verschillende groottes te vergelijken, vormen en stijfheid, " legt Frangoni uit, wiens laboratorium het FLARE-systeem heeft ontwikkeld voor gebruik bij beeldgestuurde kankerchirurgie en andere toepassingen.

Hun resultaten toonden aan dat niet-positief geladen nanodeeltjes, kleiner dan 34 nm in diameter, verscheen binnen 30 minuten in de longafvoerende lymfeklieren. Ze ontdekten ook dat nanodeeltjes kleiner dan 6 nm in diameter met "zwitterionische" kenmerken (gelijke positieve en negatieve lading) binnen slechts enkele minuten naar de drainerende lymfeklieren reisden, wordt vervolgens door de nieren in de urine geklaard.

"Deze nieuwe bevindingen kunnen worden toegepast om deeltjes te ontwerpen en te optimaliseren voor medicijnafgifte door inhalatietherapie, " merkt Tsuda op. "Dit onderzoek begeleidt ons ook bij de beoordeling van de gezondheidseffecten van verschillende verontreinigende deeltjes, omdat de gegevens het belang suggereren van het onderscheiden van specifieke subklassen van deeltjes [op basis van oppervlaktechemie en grootte] die snel het alveolaire epitheel kunnen passeren en zich in het lichaam kunnen verspreiden."

voegt Frangoni toe, "Deze studie vormt een aanvulling op ons eerdere werk waarin we de kenmerken van nanodeeltjes hebben gedefinieerd die een efficiënte verwijdering uit het lichaam reguleren. Met deze nieuwe bevindingen, die de kenmerken definiëren die de opname in het lichaam reguleren, we hebben nu een complete 'cyclus' van nanodeeltjeshandel beschreven - uit de omgeving, door de longen, in het lichaam, dan uit de nieren in de urine en terug naar de omgeving."