Veel beeldvormingstechnologieën en hun contrastmiddelen - chemicaliën die tijdens scans worden gebruikt om tumoren en andere problemen op te sporen - brengen blootstelling aan straling of zware metalen met zich mee, die potentiële gezondheidsrisico's voor patiënten met zich meebrengen en de manieren waarop ze kunnen worden toegepast beperken. In een poging om deze nadelen te verminderen, nieuw onderzoek van ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania toont een manier om een ​​op ijzer gebaseerd contrastmiddel te coaten, zodat het alleen interageert met de zure omgeving van tumoren, veiliger maken, goedkoper en effectiever dan bestaande alternatieven.

Het onderzoek werd uitgevoerd door universitair hoofddocent Andrew Tsourkas en afgestudeerde student Samuel H. Crayton van de afdeling bio-engineering van Penn's School of Engineering and Applied Science. Het werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Magnetische resonantie beeldvorming, of MRI, is een steeds vaker voorkomend kenmerk van medische zorg. Een sterk magnetisch veld gebruiken om de uitlijning van watermoleculen in het lichaam te detecteren en te beïnvloeden, MRI kan snel beelden produceren van een breed scala aan lichaamsweefsels, hoewel de duidelijkheid van deze foto's soms onvoldoende is voor diagnoses. Om de differentiatie - of het contrast - tussen tumoren en gezond weefsel te verbeteren, artsen kunnen een contrastmiddel aanbrengen, zoals nanodeeltjes die ijzeroxide bevatten. Het ijzeroxide kan MRI-beelden verbeteren vanwege hun vermogen om het magnetische veld van de scanner te vervormen; gebieden waarin ze zijn geconcentreerd, komen duidelijker naar voren.

Deze nanodeeltjes, die onlangs in de Verenigde Staten zijn goedgekeurd voor klinisch gebruik als contrastmiddelen, zijn letterlijk gesuikerd; een buitenste laag dextran zorgt ervoor dat de deeltjes zich niet binden of door het lichaam worden geabsorbeerd en de patiënt mogelijk ziek maken. Door deze niet-reactieve coating kan het ijzeroxide worden weggespoeld nadat de beeldvorming is voltooid, maar het betekent ook dat de deeltjes niet op een bepaald soort weefsel kunnen worden gericht.

Als het contrastmiddel zo zou kunnen worden gemanipuleerd dat het alleen hecht aan weefsel dat al ziek is, zoals tumoren, het zou beide problemen tegelijk oplossen. Wetenschappers hebben deze benadering geprobeerd door nanodeeltjes te coaten met eiwitten die alleen binden aan receptoren die aan de buitenkant van tumoren worden gevonden, maar niet alle tumoren zijn in dit opzicht hetzelfde.

"Een van de beperkingen van een op receptoren gebaseerde benadering is dat je gewoon niet alles raakt, "Zei Tsourkas. "Het is moeilijk om ze aan te bevelen als screeningsinstrument als je weet dat de doelreceptoren slechts in 30% van de tumoren tot expressie worden gebracht."

"Een van de redenen waarom we onze aanpak leuk vinden, is dat het veel tumoren treft; bijna alle tumoren vertonen een verandering in de zuurgraad van hun micro-omgeving."

De Penn-ingenieurs maakten gebruik van iets dat bekend staat als het Warburg-effect, een gril van tumormetabolisme, om het targetingprobleem te omzeilen. De meeste lichaamscellen zijn aeroob; ze halen hun energie voornamelijk uit zuurstof. Echter, zelfs als er voldoende zuurstof is, kankercellen gebruiken een anaëroob proces voor hun energie. Als overbelaste spieren, ze zetten glucose om in melkzuur, maar in tegenstelling tot normale spieren, tumoren verstoren de bloedstroom om hen heen en hebben moeite om dit zuur op te ruimen. Dit betekent dat tumoren bijna altijd een lagere pH hebben dan omringend gezond weefsel.

Sommige beeldtechnologieën, zoals magnetische resonantiespectroscopie, kunnen ook profiteren van de lage pH-micro-omgevingen van tumoren, maar ze vereisen dure gespecialiseerde apparatuur die in de meeste klinische omgevingen niet beschikbaar is.

Door glycolchitosan te gebruiken - een op suiker gebaseerd polymeer dat reageert op zuren - lieten de ingenieurs de nanodragers neutraal blijven in de buurt van gezond weefsel, maar om geïoniseerd te worden bij een lage pH. De verandering in lading die optreedt in de buurt van zure tumoren zorgt ervoor dat de nanodragers worden aangetrokken en vastgehouden op die plaatsen.

Deze aanpak heeft nog een ander voordeel:hoe kwaadaardiger een tumor is, hoe meer het de omliggende bloedvaten verstoort en hoe zuurder de omgeving wordt. Dit betekent dat de glycol-chitosan-coating een goede detector is van maligniteit, het openen van behandelingsopties die verder gaan dan diagnose.

"Je kunt elk nanodeeltje nemen en deze coating erop aanbrengen, dus het is op geen enkele manier beperkt tot beeldvorming, " zei Tsourkas. "Je zou het ook kunnen gebruiken om medicijnen af ​​te leveren aan tumorplaatsen."

De onderzoekers hopen dat binnen zeven tot tien jaar, glycol-chitosan-gecoate ijzeroxide nanodeeltjes zouden de specificiteit van diagnostische screening kunnen verbeteren. Het vermogen om maligniteiten nauwkeurig te detecteren met MRI zou een onmiddellijke verbetering zijn ten opzichte van bestaande contrastmiddelen voor bepaalde borstkankerscans.

"Gadolinium wordt gebruikt als contrastmiddel bij MRI-screening op borstkanker bij patiënten met een hoog risico. Deze patiënten wordt aangeraden om naast het gebruikelijke mammogram ook een MRI te ondergaan, omdat de gevoeligheid van mammogrammen slecht kan zijn, " zei Tsourkas. "De gevoeligheid van een MRI is veel hoger, maar de specificiteit is laag:de screening detecteert veel tumoren, maar veel van hen zijn goedaardig. Met een hulpmiddel als het onze zouden clinici de goedaardige en kwaadaardige tumoren beter kunnen onderscheiden, vooral omdat is aangetoond dat er een verband bestaat tussen maligniteit en pH."