MIT-chemici hebben nieuwe nanodeeltjes ontwikkeld die gelijktijdig magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en fluorescerende beeldvorming bij levende dieren kunnen uitvoeren. Dergelijke deeltjes kunnen wetenschappers helpen om specifieke moleculen te volgen die in het lichaam worden geproduceerd, de omgeving van een tumor bewaken, of bepalen of medicijnen hun doelen met succes hebben bereikt.

In een artikel dat verschijnt in het nummer van 18 november van Natuurcommunicatie , de onderzoekers demonstreren het gebruik van de deeltjes, die verschillende sensoren dragen voor fluorescentie en MRI, om vitamine C bij muizen te volgen. Overal waar een hoge concentratie vitamine C is, de deeltjes vertonen een sterk fluorescerend signaal maar weinig MRI-contrast. Als er niet veel vitamine C is, een sterker MRI-signaal is zichtbaar, maar de fluorescentie is erg zwak.

Toekomstige versies van de deeltjes zouden kunnen worden ontworpen om reactieve zuurstofsoorten te detecteren die vaak correleren met ziekte, zegt Jeremia Johnson, een assistent-professor scheikunde aan het MIT en senior auteur van de studie. Ze kunnen ook worden aangepast om meer dan één molecuul tegelijk te detecteren.

"Misschien kun je meer te weten komen over het verloop van ziekten als je beeldvormende sondes hebt die specifieke biomoleculen kunnen detecteren, ' zegt Johnson.

Dubbele actie

Johnson en zijn collega's ontwierpen de deeltjes zodat ze kunnen worden samengesteld uit bouwstenen gemaakt van polymeerketens die ofwel een organisch MRI-contrastmiddel bevatten, nitroxide genaamd, of een fluorescerend molecuul genaamd Cy5.5.

Wanneer gemengd in een gewenste verhouding, deze bouwstenen komen samen om een ​​specifieke structuur van nanogrootte te vormen die de auteurs een vertakt flessenborstelpolymeer noemen. Voor deze studie is ze creëerden deeltjes waarin 99 procent van de ketens nitroxiden bevat, en 1 procent draagt ​​Cy5.5.

Nitroxiden zijn reactieve moleculen die een stikstofatoom bevatten gebonden aan een zuurstofatoom met een ongepaard elektron. Nitroxiden onderdrukken de fluorescentie van Cy5.5, maar wanneer de nitroxiden een molecuul zoals vitamine C tegenkomen waaruit ze elektronen kunnen grijpen, ze worden inactief en Cy5.5 fluoresceert.

Nitroxiden hebben doorgaans een zeer korte halfwaardetijd in levende systemen, maar professor scheikunde aan de Universiteit van Nebraska, Andrzej Rajca, die ook auteur is van het nieuwe Nature Communications paper, onlangs ontdekt dat hun halfwaardetijd kan worden verlengd door er twee omvangrijke structuren aan te bevestigen. Verder, de auteurs van het Nature Communications-artikel laten zien dat de opname van Rajca's nitroxide in Johnson's vertakte flessenborstel-polymeerarchitecturen leidt tot nog grotere verbeteringen in de levensduur van nitroxide. Met deze aanpassingen, nitroxiden kunnen enkele uren in de bloedbaan van een muis circuleren, lang genoeg om bruikbare MRI-beelden te verkrijgen.

De onderzoekers ontdekten dat hun beeldvormende deeltjes zich ophoopten in de lever, zoals nanodeeltjes gewoonlijk doen. De muizenlever produceert vitamine C, dus zodra de deeltjes de lever bereikten, ze pakten elektronen uit vitamine C, het uitschakelen van het MRI-signaal en het versterken van de fluorescentie. Ze vonden ook geen MRI-signaal maar een kleine hoeveelheid fluorescentie in de hersenen, wat een bestemming is voor veel van de vitamine C die in de lever wordt geproduceerd. In tegenstelling tot, in het bloed en de nieren, waar de concentratie van vitamine C laag is, het MRI-contrast was maximaal.

Mixen en matchen

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de signaalverschillen die ze krijgen wanneer de sensor een doelmolecuul zoals vitamine C tegenkomt. Ze hebben ook nanodeeltjes gemaakt die het fluorescerende middel plus maximaal drie verschillende medicijnen bevatten. Hierdoor kunnen ze volgen of de nanodeeltjes op hun beoogde locaties worden afgeleverd.

"Dat is het voordeel van ons platform:we kunnen mixen en matchen en bijna alles toevoegen wat we willen, ' zegt Johnson.

Deze deeltjes kunnen ook worden gebruikt om het niveau van zuurstofradicalen in de tumor van een patiënt te evalueren, die waardevolle informatie kan onthullen over hoe agressief de tumor is.

"We denken dat we met dit soort sondes informatie over de tumoromgeving kunnen onthullen, als we ze daar kunnen krijgen, Johnson zegt. "Op een dag kun je dit misschien bij een patiënt injecteren en realtime biochemische informatie verkrijgen over ziekteplaatsen en ook over gezonde weefsels, wat niet altijd vanzelfsprekend is."

Steven Fles, een professor in nanotechnologie en moleculaire wetenschappen aan de Queensland University of Technology, zegt dat het meest indrukwekkende element van het onderzoek de combinatie is van twee krachtige beeldvormingstechnieken in één nanomateriaal.

"Ik geloof dat dit een zeer krachtige, metabolisch gekoppeld, multi-combinatie beeldvormingsmodaliteit die een zeer nuttig diagnostisch hulpmiddel zou moeten bieden met echt potentieel om ziekteprogressie in vivo te volgen, " zegt Fles, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.