Nanodiamanten - synthetische industriële diamanten van slechts enkele nanometers groot - hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken vanwege het potentieel dat ze bieden voor de gerichte levering van vaccins en kankermedicijnen en voor andere toepassingen. Zo ver, opties voor het afbeelden van nanodiamanten zijn beperkt. Nu heeft een team van onderzoekers, gevestigd in het Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging in het Massachusetts General Hospital, een manier bedacht om nanodiamanten niet-invasief te volgen met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), het openen van tal van nieuwe toepassingen. Ze rapporteren hun bevindingen vandaag in het online tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Met dit onderzoek we hebben laten zien dat we biomedisch relevante MR-beelden konden maken met nanodiamanten als contrastbron in de beelden en dat we het contrast naar believen konden in- en uitschakelen, " zegt David Waddington, hoofdauteur van het artikel en een promovendus aan de Universiteit van Sydney in Australië. Waddington werkt momenteel samen met Matthew Rosen, doctoraat, in het Low-Field Imaging Laboratory in het Martinos Center. "Met concurrerende strategieën, de nanodiamanten moeten extern worden geprepareerd en vervolgens in het lichaam worden geïnjecteerd, waar ze hoogstens enkele uren kunnen worden afgebeeld. Echter, omdat onze techniek biocompatibel is, we kunnen beeldvorming voor onbepaalde tijd voortzetten. Dit verhoogt de mogelijkheid om de levering van nanodiamant-geneesmiddelverbindingen voor een verscheidenheid aan ziekten te volgen en essentiële informatie te verstrekken over de werkzaamheid van verschillende behandelingsopties."

Waddington begon dit werk drie jaar geleden als onderdeel van een Fulbright Scholarship die hij vroeg in zijn afstudeerwerk aan de Universiteit van Sydney ontving. waar hij lid is van een team onder leiding van co-auteur David Reilly, doctoraat, in de nieuwe Sydney Nanoscience Hub - het hoofdkantoor van het Australian Institute for Nanoscale Science and Technology, die vorig jaar gelanceerd werd. Als onderdeel van de Reilly-groep, Waddington speelde een cruciale rol in vroege successen met nanodiamond imaging, inclusief een paper uit 2015 in Natuurcommunicatie . Vervolgens probeerde hij het potentieel van de aanpak uit te breiden door samen te werken met Rosen van het Martinos Center en Ronald Walsworth, doctoraat, aan de Harvard-universiteit, ook een co-auteur van de huidige studie. Rosen's groep is een wereldleider op het gebied van ultra-low-field magnetische resonantie beeldvorming, een techniek die essentieel bleek voor de ontwikkeling van in vivo nanodiamond imaging.

Eerder, het gebruik van nanodiamond-beeldvorming in levende systemen was beperkt tot regio's die toegankelijk waren met behulp van optische fluorescentietechnieken. Echter, meest potentiële diagnostische en therapeutische toepassingen van nanodeeltjes, inclusief het volgen van complexe ziekteprocessen zoals kanker, pleiten voor het gebruik van MRI - de gouden standaard voor niet-invasieve, hoog contrast, driedimensionale klinische beeldvorming.

In de huidige studie, de onderzoekers laten zien dat ze nanodiamant-versterkte MRI kunnen bereiken door gebruik te maken van een fenomeen dat bekend staat als het Overhauser-effect om het inherent zwakke magnetische resonantiesignaal van diamant te versterken via een proces dat hyperpolarisatie wordt genoemd, waarin kernen in een diamant zijn uitgelijnd, zodat ze een signaal creëren dat detecteerbaar is door een MRI-scanner. De conventionele benadering van hyperpolarisatie maakt gebruik van vastestoffysica-technieken bij cryogene temperaturen, maar de signaalversterking duurt niet erg lang en is bijna verdwenen tegen de tijd dat de nanodeeltjesverbinding in het lichaam wordt geïnjecteerd. Door het Overhauser-effect te combineren met de vooruitgang in ultra-low-field MRI uit het Martinos Center, de onderzoekers waren in staat om deze beperking te overwinnen - en zo de weg vrij te maken voor in vivo nanodiamond-beeldvorming met hoog contrast voor onbepaalde tijd.

High-performance ultra-low-field MRI is zelf een relatief nieuwe technologie, voor het eerst gemeld in Wetenschappelijke rapporten in 2015 door collega's van Rosen en Martinos Center. "Dankzij innovatieve engineering, acquisitiestrategieën en signaalverwerking, de technologie biedt tot nu toe onbereikbare snelheid en resolutie in het ultra-low-field MRI-regime, " zegt Rosen, directeur van het Low-Field Imaging Laboratory, een assistent-professor Radiologie aan de Harvard Medical School en de senior auteur van het huidige artikel. "En belangrijk, door de noodzaak van massale, cryogeengekoelde supergeleidende magneten, het opent een aantal nieuwe mogelijkheden, inclusief de nanodiamant-beeldvormingstechniek die we zojuist hebben beschreven."

De onderzoekers hebben verschillende mogelijke toepassingen opgemerkt voor hun nieuwe benadering van nanodiamant-versterkte MRI. Deze omvatten de nauwkeurige detectie van lymfekliertumoren, die kunnen helpen bij de behandeling van uitgezaaide prostaatkanker, en het onderzoeken van de doorlaatbaarheid van de bloed-hersenbarrière, die een belangrijke rol kunnen spelen bij de behandeling van ischemische beroerte. Omdat het een meetbaar MR-signaal geeft voor perioden van meer dan een maand, de techniek kan voordelen opleveren voor toepassingen zoals het monitoren van de respons op therapie.

Inbegrepen in behandelingsmonitoring zijn toepassingen op het snelgroeiende gebied van gepersonaliseerde geneeskunde. "De levering van zeer specifieke medicijnen is sterk gecorreleerd met succesvolle patiëntresultaten, " zegt Waddington, die werd geëerd met de Journal of Magnetic Resonance Young Scientist Award op de 2016 Experimental NMR Conference als erkenning voor dit werk. "Echter, de respons op dergelijke medicijnen varieert vaak aanzienlijk op individuele basis. Het vermogen om de afgifte van deze nanodiamant-geneesmiddelverbindingen in beeld te brengen en te volgen, zou, daarom, zeer voordelig zijn voor de ontwikkeling van gepersonaliseerde behandelingen."

De onderzoekers blijven het potentieel van de techniek onderzoeken en plannen nu een gedetailleerde studie van de aanpak in een diermodel, terwijl ze ook het gedrag van verschillende nanodiamant-geneesmiddelcomplexen onderzoeken en ze in beeld brengen met de nieuwe mogelijkheid.