(Phys.org) — Toen universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Illinois Hyunjoon Kong, afgestudeerde student Cartney Smith, en collega's wilden MR-beeldvorming (MRI) verbeteren, ze zetten de huidige contrastmiddeltechnologie op zijn kop - of liever, ze keerden het binnenstebuiten. De nieuwe verbinding die ze hebben ontworpen in samenwerking met Roger Adams Professor of Chemistry Steven C. Zimmerman uit Illinois, is niet alleen effectiever, maar ook zelf samenstellen. Kong is ook lid van het onderzoeksthema Regenerative Biology en Tissue Engineering van het Institute for Genomic Biology.

Wanneer artsen een MRI uitvoeren, zij dienen een contrastmiddel toe:een chemische stof die, wanneer geïnjecteerd in de bloedbaan of ingenomen door de patiënt vlak voor de MRI, verbetert de helderheid van structuren of organen in het resulterende beeld. Een veel voorkomende klasse van contrastmiddelen, vaak gebruikt voor beeldvorming van bloedvaten en inwendige bloedingen, bevat gadolinium, een zeldzaam aardmetaal.

Onlangs, biomedische onderzoekers hebben manieren gevonden om de effectiviteit van bepaalde contrastmiddelen te vergroten door ze te associëren met nanodeeltjes. Het gebruikte contrastmiddel is binnenin verpakt of gebonden aan het oppervlak van microscopisch kleine deeltjes, die kunnen worden ontworpen om zich op bepaalde delen van het lichaam te richten of de activiteit van het middel te verlengen.

Onderzoekers onderzoeken nu het multifunctioneel gebruik van nanodeeltjes. Als deeltjes zouden kunnen worden geladen met verschillende soorten contrastmiddelen of kleurstoffen in plaats van één, of een contrastmiddel samen met een ander type diagnostisch hulpmiddel of een medicijn, artsen kunnen efficiënter testen op aandoeningen en deze behandelen, en beperk het aantal injecties dat patiënten krijgen.

Net als peuters die een nieuw speeltje delen, Hoewel, verbindingen die samen verpakt zijn in een nanodeeltje kunnen niet altijd goed samengaan. Bijvoorbeeld, contrastmiddelen kunnen binden aan andere chemicaliën, hun effectiviteit verminderen. In aanvulling, wanneer contrastmiddelen zijn ingesloten in een nanodeeltje, ze werken misschien niet zo goed. Pogingen om middelen aan het buitenoppervlak van nanodeeltjes te hechten via covalente vorming zijn ook problematisch, omdat ze de activiteit van de nanodeeltjes of de verbindingen die ze dragen negatief kunnen beïnvloeden.

kong, Smith en collega's pakten deze uitdagingen aan door interacties tussen natuurlijk voorkomende biomoleculen als richtlijn te gebruiken. Veel soorten eiwitten zijn sterk gehecht aan celmembranen, niet door covalente bindingen, maar door de som van meerdere zwakkere krachten - de aantrekking van positieve en negatieve ladingen, en de neiging van niet-polaire (olieachtige) stoffen om elkaar te zoeken en water te vermijden.

De groep veronderstelde dat dezelfde soorten krachten kunnen worden gebruikt om een ​​contrastmiddel te hechten aan het oppervlak van een type nanodeeltje dat een liposoom wordt genoemd, dat lijkt op een klein stukje celmembraan in de vorm van een kleine bel. De onderzoekers ontwierpen een "bevestigings"-molecuul, DTPA-chitosan-g-C18, dat is belast, trekt het aan naar het liposoom en bindt het aan het contrastmiddel gadolinium. Een niet-polair gebied verankert het aan het liposoommembraan.

In een reeks experimenten die in een recente ACS Nano artikel (DOI:10.1021/nn4026228), Kong en anderen toonden aan dat hun bevestigingsmolecuul zichzelf gemakkelijk in het membraan van vooraf gemaakte liposomen kon inbrengen. Gadolinium stabiel geassocieerd met de gemodificeerde nanodeeltjes in oplossing, en experimenten in diermodellen toonden aan dat deze nanodeeltjes duidelijke diagnostische beelden produceerden.

"De strategie werkt als klittenband op moleculair niveau om functionele eenheden aan de buitenste bijsluiter van een liposoom te hechten, " zei Smit, wie was de eerste auteur van het onderzoek. "Dit werk vertegenwoordigt een nieuwe materiaalontwerpstrategie die schaalbaar en gemakkelijk te implementeren is. De ontwikkeling van verbeterde contrastmiddelen heeft het potentieel om het leven van patiënten rechtstreeks te beïnvloeden door beschadigde bloedvaten te detecteren."

Een van de moeilijkheden bij het werken met liposomen is hun neiging om in het lichaam af te breken. Toen de met bevestigingsmiddelen geladen liposomen degradeerden, een deel van de werkzaamheid van het gadolinium ging verloren. In een tweede studie gepubliceerd in Langmuir (DOI:10.1021/la500412r), Kong en Smith ontwikkelden een proces voor het chemisch verknopen van de componenten van het nanodeeltje dat de levensduur van de nanodeeltjes in biologische omstandigheden verlengde.