Wat hebben pasgeborenen en mensen met nierproblemen gemeen?

Wat misschien klinkt als de opzet van een grap, heeft eigenlijk een klinisch antwoord:beide groepen kunnen gezondheidsrisico's lopen wanneer ze worden geïnjecteerd met metaalbevattende middelen die soms nodig zijn om het kleurcontrast - en de diagnostische waarde - van MRI's te verbeteren.

Maar een nieuw metaalvrij nanodeeltje ontwikkeld door de Universiteit van Nebraska-Lincoln en MIT zou kunnen helpen deze gezondheids- en leeftijdsgerelateerde barrières voor het krachtige diagnostische hulpmiddel te omzeilen, die artsen gebruiken om een ​​breed scala aan medische problemen te onderzoeken of te bevestigen.

Het nanodeeltje van het team bevat een niet-metalen molecuul dat het MRI-contrast verbetert om te helpen onderscheid te maken tussen lichaamsweefsel, een taak die doorgaans wordt uitgevoerd door contrastmiddelen die gadolinium of andere metalen bevatten.

Het overleefde ook lang genoeg om zich rond tumoren bij muizen te verzamelen, wat suggereert dat het nanodeeltje kan helpen bij het opsporen van kankers en zijn metalen tegenhangers, terwijl zorgen over de langdurige accumulatie van metaal in het lichaam worden weggenomen.

Contrast in stijlen

De moleculen in het nanodeeltje van het team behoren tot een familie die bekend staat als de nitroxiden, die behoren tot de meest veelbelovende alternatieven voor de metaalachtige middelen die vaak bij patiënten worden geïnjecteerd voordat ze MRI's ondergaan.

Maar antioxidanten in het lichaam beginnen meestal binnen enkele minuten met het afbreken van nitroxiden, beperken hoe lang ze het contrast van een MRI kunnen verbeteren. En het interessante molecuul van het team - een zogenaamde organische radicaal - heeft slechts een enkel elektron, een feit dat normaal gesproken remt hoeveel contrast het kan produceren.

Gadolinium en andere metalen bezitten meerdere elektronen die hen helpen beïnvloeden hoe de magnetische golven die door een MRI worden geproduceerd, interageren met watermoleculen in weefsel. Deze magnetische invloed, of relaxiviteit, bepaalt uiteindelijk de sterkte van contrastsignalen die worden omgezet in de bekende veelkleurige MRI's.

Dus Nebraska-chemicus Andrzej Rajca begon samen te werken met collega's van MIT om een ​​metaalvrij nanodeeltje te ontwerpen dat stabiliteit en relaxiviteit zou vertonen vergelijkbaar met dat van gadolinium. Rajca ontwierp eerder een nitroxide dat, wanneer ingebed in relatief kleine nanodeeltjes, vertoonde een ontspanning die meerdere malen groter was dan zijn voorgangers.

Deze keer, MIT-onderzoekers verwerkten Rajca's nitroxide in een groot nanodeeltje dat bekend staat als een borstelarm-sterpolymeer. Het proces omvatte het assembleren van polymeren tot een bolvormige structuur met een wateraantrekkende kern en waterafstotende schaal, dan knijpen massa's nitroxidemoleculen tussen die kern en schaal.

Het team ontdekte dat het inpakken van zoveel nitroxiden in zulke krappe ruimtes hun individuele relaxiviteitswaarden effectief vermenigvuldigde, wat resulteert in een nanodeeltje met een relaxiviteit die ongeveer 40 keer hoger is dan een typisch nitroxide.

"Je hebt niet veel van het (nieuwe) contrastmiddel nodig om een ​​goed beeld te zien, " zei Rajca, Charles Bessey Hoogleraar scheikunde.

De polymeeromhulling van het nanodeeltje hielp ook de opmars van de verstorende antioxidanten voldoende te vertragen om de levensduur van de nitroxiden te verlengen van ongeveer twee uur tot 20. Door muizen met hun middel te injecteren, de onderzoekers toonden aan dat de lange levensduur en de grote omvang van het nanodeeltje het mogelijk maken om tumoren te bereiken en ze te onderscheiden van normaal weefsel. Zelfs in doses die groter zijn dan die typisch nodig zijn voor MRI's, het contrastmiddel van het team vertoonde geen tekenen van toxiciteit in menselijke cellen of muizen.

Het team heeft zijn werk gedetailleerd beschreven in het tijdschrift ACS Centrale Wetenschap .