Chemici uit Rusland en Zwitserland hebben bioveilige lichtgevende nanodeeltjes gemaakt voor het in beeld brengen van tumoren en bloedvaten die zijn beschadigd door een hartaanval of beroerte. De deeltjes zijn gemaakt van hafniumoxide dat wordt gebruikt voor intraveneuze injectie, en gedoteerd met ionen van zeldzame aardmetalen. De wetenschappers hopen een alternatief te creëren voor giftige kwantumstippen en diepe weefsels in beeld te brengen zonder de patiënt te schaden. De studie verscheen in Colloïden en oppervlakken B:Bio-interfaces .

De wetenschappers van de ITMO University in Sint-Petersburg en ETH Zürich probeerden kankertumoren en beschadigde bloedvaten in het hart en de hersenen veilig te visualiseren. De nanodeeltjes die ze ontwikkelden, kunnen zichtbaar licht uitzenden onder ultraviolette en blauwe excitatie, waardoor artsen ze kunnen gebruiken als contrastmiddel voor het afbeelden van interne weefsels.

De beeldvorming van organen is niet illustratief zonder geschikte markers, maar alle optisch actieve stoffen die tegenwoordig voor dit doel worden gebruikt, hebben belangrijke nadelen. Dus, organische middelen werken niet universeel en vallen snel uiteen in het lichaam. En hoewel halfgeleider nanodeeltjes, quantum dots genaamd, unieke lichtgevende eigenschappen hebben, vanwege hun gevaarlijke effect op een levende patiënt, deze deeltjes kunnen alleen in vitro worden gebruikt.

Volgens ITMO-wetenschappers de markers die ze hebben ontwikkeld zijn vrij van deze nadelen en kunnen in de toekomst kwantumstippen vervangen. De nieuwe nanodeeltjes zijn samengesteld uit hafniumoxide gedoteerd met zeldzame aardionen europium en terbium. Ze bieden hoge lichtgevende eigenschappen en het hafniumoxide fungeert als een transparante matrix die hun bioveiligheid garandeert en ze glanzend houdt.

Hafniumoxide is bio-inert; in 2015, de FDA heeft deze stof opgenomen in een lijst van oxiden die zijn goedgekeurd voor intern gebruik. Sommige vormen van ijzer- en aluminiumoxide zijn ook toegestaan ​​voor intraveneuze injectie. Maar in tegenstelling tot hafnium, ze absorberen te veel licht en verzwakken de luminescentie.

In aanvulling, hafnium en zeldzame aardmetalen hebben atomen die qua grootte vergelijkbaar zijn, zo wisten de chemici de kristaloxidestructuur op orde te houden door een deel van de hafniumionen te vervangen door de zeldzame aardelementen. Hierdoor konden de wetenschappers de vereiste optische eigenschappen aan de nanodeeltjes geven, terwijl sedimentatie in biologische vloeistoffen met een neutrale pH wordt voorkomen.

De sedimentatie van deeltjes kan zich ophopen en bloedvaten verstoppen. "We konden nanodeeltjes niet afdekken met een stabilisator, omdat het de kwantumopbrengst zou verminderen, " zegt Aleksandra Furasova, de eerste auteur van het artikel. "Daarom hebben we hafniumoxide gedoteerd met zeldzame aardmetaalionen. Ten eerste, ze laadden het oppervlak van de deeltjes die de laatste in biologische vloeistoffen stabiliseerden. Ten tweede, introductie van verschillende zeldzame aarden, we leerden het luminescentiespectrum te verschuiven. Bijvoorbeeld, deeltjes met terbium stralen groen uit, terwijl deeltjes met europium rood uitzenden. Dit is handig voor het oplossen van specifieke taken."

Zeldzame aardelementen hebben een bepaalde mate van toxiciteit. Dus voegden de chemici grote hoeveelheden van de deeltjes toe aan de monsters van bloedplasma en het medium met gekweekte cellen. Het bleek dat de deeltjes stabiel zijn in het bloed en hun consistentie niet veranderen; vanwege het vermogen van zeldzame aardionen om sterk in oxide te worden gebonden, ze beschadigen de cellen niet.

Anna Fakhardo, een SCAMT-onderzoeker, voegt toe, "Gedurende drie dagen, we keken naar de levenscyclus van gecultiveerde longfibroblasten en mesenchymale stamcellen en merkten geen toxische effecten op die werden veroorzaakt door pure of gedoteerde nanodeeltjes van hafniumoxide. Dat is, ze kunnen potentieel worden toegepast in de geneeskunde."

In de toekomst, de wetenschappers gaan nanodeeltjes van hafniumoxide niet alleen gebruiken voor beeldvorming, maar voor tumortherapie. Onder röntgenstralen, atomen van hafnium en zeldzame aardmetalen, zoals alle zware elementen, ioniseren watermoleculen die zogenaamde vrije radicalen worden en beginnen naburige cellen te doden. Deze methode van kankerbehandeling kan qua prijs niet concurreren met chemotherapie, maar het zou minder schadelijk zijn omdat het lokale behandeling van tumoren mogelijk maakt, zelfs in de hersenen.