Om de zichtbaarheid van organen te verbeteren wanneer ze worden gescand met magnetische resonantie beeldvorming (MRI), patiënten worden meestal geïnjecteerd met een verbinding die bekend staat als een contrastmiddel voordat ze in de scanner gaan. De meest gebruikte MRI-contrastmiddelen zijn gebaseerd op het metaal gadolinium; echter, deze metaalverbindingen kunnen schadelijk zijn voor jonge kinderen of mensen met nierproblemen.

Onderzoekers van MIT en de Universiteit van Nebraska hebben nu een metaalvrij contrastmiddel ontwikkeld dat veiliger zou kunnen zijn in die risicogroepen. In plaats van metaal, deze verbinding bevat organische moleculen die nitroxiden worden genoemd.

Verder, het nieuwe middel zou kunnen worden gebruikt om meer informatieve MRI-scans van tumoren te genereren, omdat het zich vele uren op een tumorplaats kan ophopen zonder schade aan te richten.

"Dit is een volledig organische, metaalvrij MRI-contrastmiddel dat kankeronderzoekers in staat zou stellen na te denken over hoe tumoren op een dynamische manier gedurende lange tijd in beeld kunnen worden gebracht, " zegt Jeremia Johnson, de Firmenich Career Development Associate Professor of Chemistry aan het MIT.

Johnson is de senior auteur van de studie, die in het journaal verschijnt ACS Centrale Wetenschap . De hoofdauteur van het artikel is MIT-afgestudeerde student Hung Nyugen. Andere MIT-auteurs zijn voormalig postdoc Qixian Chen, postdoc Peter Harvey, afgestudeerde student Yivan Jiang, en hoogleraar biologische engineering Alan Jasanoff.

Alternatieven voor metaal

MRI-scans zijn vaak afhankelijk van contrastmiddelen die interageren met water, beïnvloeden hoe de watermoleculen reageren op een magnetisch veld. Van contrastmiddelen die een sterk effect hebben, wordt gezegd dat ze een hoge "ontspanning, " wat het visuele contrast tussen het doelorgaan en het omliggende weefsel verbetert.

De meeste MRI-contrastmiddelen zijn gebaseerd op gadolinium, die een zeer hoge relaxiviteit heeft. Deze middelen worden gewoonlijk binnen ongeveer een half uur door de nieren uitgescheiden, ze kunnen dus niet worden gebruikt bij mensen met bepaalde soorten nierproblemen, omdat het gadolinium zich ophoopt en de nierbeschadiging verergert. Sommige middelen worden ook als potentieel onveilig beschouwd voor gebruik bij baby's.

"Gadoliniummiddelen zijn verreweg de meest gebruikte, klinisch, "zegt Jasanoff. "Echter, mensen maken zich wel zorgen over hun veiligheid, ondanks het brede gebruik ervan. Er is interesse geweest om naar niet-gadolinium-bevattende contrastmiddelen te gaan."

Minder vaak gebruikt zijn contrastmiddelen gemaakt van ijzeroxide nanodeeltjes, die als iets veiliger worden beschouwd omdat het lichaam al ijzer bevat. Maar sommige hiervan hebben de laatste tijd ook tot bezorgdheid over de veiligheid geleid.

Als mogelijk alternatief wetenschappers hebben geprobeerd niet-metalen middelen te ontwikkelen, zoals organische radicalen, dat zijn organische verbindingen met ongepaarde elektronen. Echter, deze verbindingen zijn meestal erg onstabiel, dus ze worden meestal binnen enkele minuten in de bloedbaan afgebroken. Ook, deze moleculen hebben over het algemeen maar één ongepaard elektron, dus ze produceren niet zoveel MRI-contrast als metaalmiddelen.

In een studie gepubliceerd in 2014, Johnson en zijn collega's probeerden de relaxiviteit van nitroxideradicalen te verbeteren door ze samen te voegen tot een structuur die bekend staat als een flessenborstelpolymeer. Dit verbeterde hun stabiliteit en relaxiviteit, maar niet genoeg voor beeldvorming over lange perioden, wat vaak nodig is bij beeldvorming van kanker. In de nieuwe krant de onderzoekers laadden de nitroxidemoleculen in een ander type polymeerstructuur die bekend staat als een borstelarm-sterpolymeer (BASP). Deze structuur bestaat uit vele polymeerketens die zo zijn gerangschikt dat het bolvormige deeltje een hydrofiele (wateraantrekkende) kern heeft, omgeven door een hydrofobe (waterafstotende) schil.

De onderzoekers ontdekten dat het creëren van een hoge dichtheid van nitroxidemoleculen op het grensvlak tussen de schaal en de kern van de nanodeeltjes de MRI-relaxiviteit van het totale deeltje aanzienlijk verhoogde, tot een niveau dat vergelijkbaar is met dat van op metaal gebaseerde middelen.

De polymeeromhulling beschermt de radicalen ook tegen afbraak in de bloedbaan. De deeltjes zijn stabiel genoeg om tot 20 uur in de bloedbaan te blijven, lang genoeg om zich op te hopen in een tumor bij muizen. De onderzoekers toonden ook aan dat de nitroxide BASP-nanodeeltjes zelfs bij zeer hoge doses niet schadelijk zijn voor muizen.

Bewaking op lange termijn

Johnson zegt dat deze deeltjes kunnen worden ontworpen om zowel medicijnen als een MRI-contrastmiddel te vervoeren, waardoor langdurige beeldvorming van een tumor mogelijk zou zijn om te controleren of het medicijn het krimpt. Hij werkt ook samen met onderzoekers van het Koch Institute for Integrative Cancer Research van het MIT om de contrastmiddeldeeltjes aan antilichamen te hechten die hen zouden helpen specifieke cellen te targeten voor beeldvorming en mogelijk medicijnafgifte.

Een andere mogelijkheid is om het contrastmiddel te hechten aan immuuncellen die zijn ontworpen om de tumor van een patiënt aan te vallen, waardoor de cellen in het lichaam kunnen worden gevolgd. "We proberen deeltjes te maken die we op cellen kunnen plaatsen en dan kijken hoe de cellen in vivo bewegen, ' zegt Johnson.

Zijn lab werkt ook aan verbeterde versies van het contrastmiddel met een nog hogere dichtheid aan nitroxide, waardoor hun relaxiviteit wordt verbeterd en het MRI-contrast nog meer wordt verbeterd.

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.