Magneten op nanoschaal bieden een nieuwe manier om zwakke, vroege sporen van kanker bij patiënten, volgens Rice University-studenten die werken aan een methode om te profiteren van de eigenschappen van de magneten. Drie studenten computationele en toegepaste wiskunde van Rice verfijnen een programma om magnetische relaxometriesignalen te analyseren van ijzeroxide-nanodeeltjes die kankercellen vinden en zich eraan hechten.

Rijst senioren Brian Ho, Rachel Hoffman en Eric Sung hebben een nieuwe manier ontwikkeld om gegevens te analyseren voor kankeronderzoekers die magnetische nanodeeltjes willen gebruiken om tekenen van kanker te lokaliseren die röntgenstralen nooit zouden zien.

Alle magneten (of materialen die vatbaar zijn voor magnetisme) hebben magnetische "momenten, " zoals onzichtbare naalden die kunnen bewegen en reageren op magnetische velden, zelfs als hun fysieke gastheren dat niet kunnen.

Deze spookachtige naalden worden uitgelijnd wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld; wanneer het veld wordt verwijderd, ze "ontspannen" nogmaals. Relaxometrie meet deze laatste eigenschap. Het blijkt dat de momenten in een heel ander tempo ontspannen wanneer ze behoren tot nanodeeltjes die zijn gebonden aan kankercellen.

De studenten werken samen met Rice-adviseur Béatrice Rivière, de Noah G. Harding-leerstoel en een professor in computationele en toegepaste wiskunde, en artsen aan het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas in Houston om computerprogramma's te ontwikkelen die "sporen" van deze momenten analyseren terwijl ze ontspannen. Albuquerque, NM, gebaseerde Senior Wetenschappelijk, in samenwerking met MD Anderson, ontwikkelt een commercieel relaxometrieplatform voor de vroege opsporing van kanker.

De superparamagnetische ijzeroxide-nanodeeltjes van 25 nanometer zijn versterkt met antilichaameiwitten die zich richten op biomarkereiwitten die door kankercellen worden geproduceerd, zei Sung. "Zodra ze zich aan de cellen binden, hun bewegingsbereik is ernstig beperkt, en deze beperkte beweging is behoorlijk belangrijk, "zei hij. "Als je eenmaal een extern magnetisch veld hebt aangelegd, de dipolen van de deeltjes zullen worden uitgelijnd om het veld tegen te gaan. Zodra de dipolen tegenover elkaar staan, dan heb je een magnetisch veld van in wezen nul. Maar het interessante voor ons is wat erna komt."

De studenten en het MD Anderson-team werken aan het kwantificeren van deze ontspanningsfase omdat het de locatie van kankercellen in laboratoriummonsters en in muizen markeert.

Ongebonden nanodeeltjes zullen zich willekeurig heroriënteren in minder dan een milliseconde, maar omdat antilichaam-geassocieerde nanodeeltjescomplexen die aan kankercellen zijn gebonden, beperkt zijn in hun beweging, hun magnetische ontspanning is een stuk langzamer - tot een seconde, zei Sung. "We zijn aan het uitzoeken wat dat precies betekent." hij zei.

Het team merkte op dat de beste kankerdetectiemethoden van vandaag alleen tumoren met meer dan 10 miljoen kankercellen vangen. De nieuwe aanpak heeft het potentieel om tumoren te detecteren met slechts 20, 000 cellen. De studenten verwachten dat methoden die gebaseerd zijn op relaxometrie ook veiliger zullen zijn dan de huidige methoden die patiënten blootstellen aan ioniserende straling.

De software van de studenten lost twee problemen op die relaxometriegegevens kunnen beschadigen. Een daarvan is dat fysieke beweging - zoals de ademhaling van een patiënt - het doelsignaal kan verplaatsen en de resultaten kan vertekenen. De andere is wat de studenten 'fluxsprongen' noemen, " een opnameartefact dat een grote verschuiving in de gegevens veroorzaakt. "De fluxsprong heeft te maken met de manier waarop het wordt gemeten, ' zei Sung. 'Maar we hebben een algoritme bedacht om voor beide dingen te zorgen. En het ziet er best mooi uit."

Hoffman zei dat het Rice-team een ​​nieuw perspectief bood op het probleem dat werd erkend door David Fuentes van MD Anderson. een assistent-professor bij de afdeling Imaging Physics, en zijn collega's. "Ze bekeken het heel theoretisch, overwegende dat we er pragmatischer naar kijken, " zei ze. "We hebben onderzocht wat we met deze specifieke gegevens kunnen doen, in plaats van te proberen een algoritme te ontwikkelen dat op elke dataset kan worden toegepast."

"Inderdaad, de bijdrage van het senior ontwerpteam aan bewegingscorrectie en flux-sprongdetectie zal een blijvende impact hebben en zal worden opgenomen in toekomstige analysepijplijnen, ' zei Fuentes.

Ho zei dat de volgende stap van het Rice-team is om een ​​manier te creëren om synthetische gegevenssporen te genereren om het programma te testen. "Zodra we in staat zijn om wat fluxsprongen en ademhalingspieken in te voeren, we kunnen kwantificeren hoe goed ons algoritme is, " hij zei.