De materiaalchemicus Dale Huber van Sandia National Laboratories werkt al 15 jaar aan de uitdaging om op ijzer gebaseerde nanodeeltjes van exact dezelfde grootte te maken.

Nutsvoorzieningen, hij en zijn langdurige medewerkers bij Imagion Biosystems zullen deze magnetische nanodeeltjes later dit jaar gebruiken voor hun eerste klinische studie naar borstkanker. De nanodeeltjes plakken aan borstkankercellen, waardoor zelfs kleine metastasen kunnen worden opgespoord en verwijderd.

Imagion Biosystems en Huber werken sinds de opening van het Center for Integrated Nanotechnologies in 2006 samen bij het synthetiseren van nanodeeltjes.

"Toegang hebben tot de talentenpool bij CINT met experts zoals Dale Huber was nuttig, " zei Bob Proulx, CEO van Imagion Biosystems. "Aanvullend, het feit dat CINT een gebruikersprogramma heeft waarmee de industrie toegang heeft tot de faciliteiten en apparatuur die, anders, te duur zou zijn voor een klein bedrijf als het onze, was waardevol. Het eerste werk dat we met CINT deden om een ​​methode te ontwikkelen om nauwkeurige controle over de grootte van het nanodeeltje te geven, was essentieel voor onze MagSense magnetische relaxometrietechnologie voor de detectie van kanker."

CINT is een gebruikersfaciliteit die gezamenlijk wordt beheerd door Sandia en Los Alamos National Laboratory voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie. CINT biedt gratis toegang tot ultramoderne apparatuur en toonaangevende wetenschappers voor nanowetenschappelijke onderzoekers in de academische wereld en de industrie, op voorwaarde dat ze de resultaten publiceren in wetenschappelijke tijdschriften.

De magnetische nanodeeltjes zijn gecoat met kankerantilichamen, die zich specifiek aan kankercellen hechten. Een kleine magnetische puls - ongeveer de kracht van een koelkastmagneet en honderden keren zwakker dan die geproduceerd door een MRI-machine - kan het verschil voelen tussen nanodeeltjes die aan kankercellen vastzitten en die welke vrij rondzweven, waardoor zeer kleine metastasen kunnen worden opgespoord.

Precisiesynthese van magnetische nanodeeltjes

Echter, om de kankerdetectiemethode van Imagion Biosystems te laten werken, alle nanodeeltjes moeten bijna exact even groot zijn.

"Een variatie van 2 procent is het verschil tussen perfect en zo goed als nutteloos, " zei Huber. Hij voegde er lachend aan toe, "Het was een eye-opener voor mij en als ik dat in het begin had geweten, Misschien was ik de uitdaging niet aangegaan."

Erika Vreeland, die met Huber werkte tijdens haar proefschrift om reproduceerbare synthese te ontwikkelen en werd ingehuurd door Imagion Biosystems om hun belangrijkste nanodeeltjeswetenschapper te zijn nadat ze was afgestudeerd, zei:"We hebben alle hekserij van de reactie geëlimineerd."

De standaardmethode om ijzernanodeeltjes te maken, is om de ingrediënten te combineren en het mengsel te verwarmen tot ongeveer 650 graden Fahrenheit. Hoe snel de warmte toeneemt, bepaalt de grootte van de nanodeeltjes, zei Huber. Echter, net als je oven thuis, het zal de kritische temperatuur overschrijden en vervolgens afkoelen totdat het afvlakt. Hoeveel de temperatuur deze kritische temperatuur overschrijdt, heeft ook invloed op de grootte, nanodeeltjes produceren die meer dan 15 procent groter of kleiner zijn.

In plaats daarvan, Vreeland en Huber ontwikkelden een methode waarbij ze de ingrediënten langzaam toevoegen aan een gesmolten metaalbad waarvan de temperatuur minder dan een halve graad varieert. Dit produceert nanodeeltjes met een groottevariatie van minder dan 2 procent. Huber zei, "Het is niet de gemakkelijkste manier om deeltjes te maken, maar daarom zijn ze zo veel beter."

Het team ontdekte niet alleen een zeer reproduceerbare methode om de kleine deeltjes te maken, ze hebben het proces ook twee keer overgedragen - een keer naar Imagion en een keer naar ChemConnection, een fabrikant van nanodeeltjes in Nederland die de nanodeeltjes kan maken volgens de strikte voorschriften van de Amerikaanse Food and Drug Administration en de Europese Unie die nodig zijn voor gebruik in klinische onderzoeken bij patiënten.

"De synthese werd overgebracht naar het laboratorium in Nederland met behoud van groottecontrole, "zei Huber. "Dit is enorm. Alles veranderd, zelfs de kookpunten, omdat Nederland in principe op zeeniveau ligt."

Klinische proef om verspreiding van borstkanker dit najaar op te sporen

Nadat ChemConnection verschillende batches heeft gemaakt, Imagion Biosystems zal enkele preklinische proeven uitvoeren om te controleren of de deeltjes niet giftig zijn. Vervolgens zal ChemConnection een kleine productiepartij nanodeeltjes maken - vergelijkbaar met een halve theelepel suiker - voor klinische onderzoeken naar borstkanker van Imagion Biosystems.

"Omdat de nanodeeltjes uniform zijn en uitstekende magnetische eigenschappen hebben, we hebben niet veel nodig. We verwachten dat een patiënt maximaal 1 milligram deeltjes krijgt toegediend, ’ zei Vreeland.

Alle patiënten voor de eerste klinische proef zullen worden geselecteerd omdat het behandelingsregime van hun oncoloog lymfeklierverwijdering en biopsie omvat. Voordat bij elke patiënt verschillende lymfeklieren operatief worden verwijderd, de magnetische nanodeeltjes, gecoat in de borstkanker-specifieke antilichamen, zal worden geïnjecteerd op de plaats van de bekende tumoren. Na de verwijdering maar vóór de biopsie, Het detectiesysteem van Imagion Biosystems zal verwijderde lymfeklieren onderzoeken om de verspreiding van kanker op te sporen.

Vreeland zei dat ze hoopt dat de methode van Imagion Biosystems net zo nauwkeurig zal zijn als een patholoog, met het uiteindelijke doel om deze methode eerst te gebruiken om kanker op te sporen en de noodzaak om kankervrije lymfeklieren te verwijderen te elimineren.

"Onze nummer 1 ambitie is om te zien dat de nanodeeltjes regelmatig klinisch worden gebruikt met onze MagSense-kankerdetectietechnologie. Daarnaast geloven we dat de nanodeeltjes een belangrijke rol kunnen spelen in een breed scala aan biomedische toepassingen, waaronder toepassingen bij de behandeling van kanker of andere ziekten, ' zei Proulx.

Voortzetting van de samenwerking om nanodeeltjes te karakteriseren en problemen op te lossen

CINT en Imagion Biosystems zetten de samenwerking voort buiten de inspanning om magnetische nanodeeltjes van identieke grootte te produceren. Vreeland zei, "We lopen nog steeds de hele tijd tegen allerlei problemen aan, dus het is van onschatbare waarde om met Dale of andere wetenschappers te kunnen praten over enkele van de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd."

Sandia bio-ingenieur George Bachand assisteerde bij de vroege toxicologie en cel-targeting studies. Sandia-onderzoeker John Reno hielp bij het karakteriseren van de grootte en vorm van de nanodeeltjes, met behulp van kleine hoek röntgenverstrooiing.

Röntgenverstrooiing onder een kleine hoek is een methode om de grootte en grootteverdeling van materialen op nanoschaal te bepalen. "Met het röntgenverstrooiingsinstrument van CINT kunnen we in 15 minuten precies bepalen hoe groot de deeltjes zijn. Zeven of acht jaar geleden zou het een week duren om hetzelfde te ontdekken met behulp van elektronenmicroscopie, ' zei Huber.

Deze bijna realtime maatmeting stelde Vreeland in staat te voorspellen hoe de reactie zou eindigen en te valideren dat ze op de goede weg waren, ze zei. Het team gebruikte andere CINT-instrumenten om de magnetische sterkte en coatings van de nanodeeltjes te karakteriseren.

Naast toegang tot de CINT-experts en apparatuur via het gebruikersprogramma, het partnerschap met Imagion Biosystems werd ondersteund door verschillende subsidies van het New Mexico Small Business Assistance Program, die eigen onderzoek kunnen ondersteunen.

Het team heeft verschillende artikelen uit de samenwerking gepubliceerd, waaronder een in Chemie van materialen anno 2015.