Een team van onderzoekers, geleid door wetenschappers van Case Western Reserve University, heeft een multifunctioneel nanodeeltje ontwikkeld waarmee magnetische resonantie beeldvorming (MRI) bloedvatplaques veroorzaakt door atherosclerose kan lokaliseren. De technologie is een stap in de richting van het creëren van een niet-invasieve methode om plaques te identificeren die kwetsbaar zijn voor scheuren - de oorzaak van een hartaanval en beroerte - op tijd voor behandeling.

Momenteel, artsen kunnen alleen bloedvaten identificeren die vernauwen als gevolg van opeenhoping van plaque. Een arts maakt een incisie en schuift een katheter in een bloedvat in de arm, lies of nek. De katheter zendt een kleurstof uit waarmee röntgenfoto's de vernauwing kunnen laten zien.

Echter, Case Western Reserve-onderzoekers rapporteren vandaag online in het tijdschrift Nano-letters dat een nanodeeltje opgebouwd uit een staafvormig virus dat gewoonlijk op tabak wordt aangetroffen, plaque in slagaders effectiever en met een kleine fractie van de kleurstof lokaliseert en verlicht.

Belangrijker, het werk laat zien dat de op maat gemaakte nanodeeltjes zich thuis voelen op plaque-biomarkers. Dat opent de mogelijkheid dat deeltjes kunnen worden geprogrammeerd om kwetsbare plaques te identificeren van stabiele, iets ongerichte kleurstoffen alleen kunnen dat niet.

"Vanuit het oogpunt van een chemicus, het is nog steeds een uitdaging om nanodeeltjes te maken die niet bolvormig zijn, maar niet-sferische materialen zijn voordelig voor medische toepassingen", zegt Nicole F. Steinmetz, universitair docent biomedische technologie bij Case Western Reserve. "De natuur is ons ver vooruit. We oogsten de methoden van de natuur om ze om te zetten in iets nuttigs in de geneeskunde."

De staafvormige nanodeeltjes zijn gemaakt van tabaksmozaïekvirus, kleine buisvormige organismen die plantencellen infecteren, maar buiten de plant goedaardig zijn.

Steinmetz, een specialist in bio-engineering van plantenvirussen, samen met Xin Yu, een professor in de biomedische technologie, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van MRI-technieken om hart- en vaatziekten te onderzoeken. Ze creëerden een apparaat dat beeldvormende middelen transporteert en concentreert op plaques.

Het onderzoeksteam bestaat uit:Michael A. Bruckman, een postdoctoraal onderzoeker, en Lauren N. Randolph, een student, in het Steinmetz-lab; Kai Jiang, een promovendus in het lab van Yu; en Leonard G. Luyt, assistent professor, en Emily J. Simpson, een promovendus, zowel bij de afdeling scheikunde aan de Western University, in Londen, Ontario.

Langwerpige nanodeeltjes hebben een grotere kans om uit de centrale bloedstroom te worden geduwd en zich op de vaatwand te richten in vergelijking met bollen. Verder zorgt de vorm voor een stabielere bevestiging aan de plaque, aldus de onderzoekers.

Het virusoppervlak is aangepast om korte ketens van aminozuren te dragen, peptiden genoemd, die ervoor zorgen dat het virus blijft plakken waar plaques zich ontwikkelen of al bestaan. Luyt en Simpson synthetiseerden de peptiden.

"Door de binding kan het deeltje langer op de site blijven, terwijl de pure kracht eerder een bol wegspoelt, vanwege de hoge kromming, " zei Yu, een aangestelde van de Case School of Engineering.

Het virusoppervlak werd ook aangepast om bijna-infraroodkleurstoffen te dragen die worden gebruikt voor optisch scannen, en gadoliniumionen (die zijn gekoppeld aan organische moleculen, om de toxiciteit van het metaal te verminderen) dat als MRI-contrastmiddel wordt gebruikt. Ze gebruikten optische scans om de MRI-resultaten te verifiëren.

Door het oppervlak te beladen met gadoliniumionen in plaats van ze te injecteren en vrij in de bloedbaan te laten stromen, het nanodeeltje verhoogt de relaxiviteit - of het contrast met gezond weefsel - met meer dan vier ordes van grootte.

"Het middel dat in de bloedbaan wordt geïnjecteerd, heeft een relaxiviteit van 5, en onze nanodeeltjes een relaxiviteit van 35, 000, " zei Steinmetz, die werd aangesteld door de Case Western Reserve School of Medicine.

Dat komt omdat de nanostaaf tot 2, 000 moleculen van het contrastmiddel, ze concentreren op de plaqueplaatsen. Ten tweede, het hechten van het contrastmiddel aan een scaffold van nanodeeltjes vermindert de moleculaire tuimelsnelheid en leidt tot extra relaxatievoordeel, legden de onderzoekers uit.

Hoewel het uitzicht beter is, ze kunnen 400 keer minder contrastmiddel gebruiken omdat het rechtstreeks op plaques wordt afgegeven.

Het op tabaksvirus gebaseerde nanodeeltje, ze zeiden, biedt nog een voordeel:de meeste nanodeeltjes die zijn ontwikkeld om contrastmiddelen te dragen, zijn gebaseerd op synthetische materialen, waarvan sommige een tijdje in het lichaam kunnen blijven.

Het tabaksvirus is gemaakt van eiwitten, die het lichaam goed kan hanteren en snel uit het systeem kan spoelen.

Steinmetz en Yu, leden van het Case Center for Imaging Research, stellen nu voor om het werk een stap verder te brengen. Ze willen de nanodeeltjes op maat maken om artsen te laten zien of de plaques stabiel zijn en geen behandeling nodig hebben, of zijn kwetsbaar voor scheuren en vereisen behandeling. Een breuk zet de cascade van gebeurtenissen in gang die leiden tot een hartaanval en beroerte.

Om dit te doen, ze moeten eerst verschillende biomarkers van stabiele versus kwetsbare plaques vinden en de nanodeeltjes omhullen met verschillende peptiden en contrastmiddelen waarmee de MRI het een van het ander kan onderscheiden.

"Ons begrip van kwetsbare plaques is onvolledig, maar zodra we kwetsbare plaques van stabiele plaques kunnen diagnosticeren, het zal een paradigmaverschuiving zijn in diagnose en prognose, ' zei Yu.

Naast het gebruik van de technologie om kwetsbaarheden op te sporen, het kan ook nuttig zijn voor het afleveren van medicijnen en het bewaken van de behandeling, zeggen de onderzoekers.