Nanowetenschappers van Rice University hebben een methode gedemonstreerd om ijzer in nanodeeltjes te laden om MRI-contrastmiddelen te creëren die beter presteren dan gadoliniumchelaten, de steunpilaar van het contrastmiddel dat steeds meer onder de loep wordt genomen vanwege mogelijke veiligheidsproblemen.

"De mogelijkheid om blootstelling aan gadolinium te elimineren en een tweevoudige verbetering in T1 MRI-contrastprestaties te krijgen, zal radiologen intrigeren, " zei Rice's Naomi Halas, de hoofdonderzoeker van het project. "Als ze horen dat we dit met ijzer hebben gedaan, verwacht ik dat ze erg verrast zullen zijn."

Contrastmiddelen zijn medicijnen die MRI-beelden verbeteren en het voor radiologen gemakkelijker maken om ze te interpreteren. Radiologen kunnen de resultaten van een MRI "wegen" en specifieke weefsels helderder of donkerder laten lijken door de testomstandigheden te variëren. Er worden twee wegingstechnieken - T1 en T2 - gebruikt. Terwijl contrastmiddelen op ijzerbasis vaak worden gebruikt voor T2-scans, er zijn weinig klinisch beschikbare alternatieven voor gadolinium voor T1-tests.

"IJzerchelaten zijn niet nieuw, Halas zei. "Het wordt algemeen aangenomen dat ze totaal onpraktisch zijn voor T1-contrast, maar deze studie is een perfecte illustratie van hoe dingen zich anders kunnen gedragen als je op nanoschaal construeert."

Halas en collega's van Rice en het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas beschrijven hun bevindingen in een paper dat online beschikbaar is in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano . In de studie, ze creëerden een aangepaste versie van nanomatryoshkas, concentrische gelaagde nanodeeltjes die hun naam ontlenen aan Russische nestpoppen.

Nanomatryoshka's en nanoschillen, een ander gelaagd nanodeeltje dat Halas meer dan 20 jaar geleden in Rice heeft uitgevonden, zijn ongeveer 20 keer kleiner dan een rode bloedcel en bestaan ​​uit lagen geleidend metaal en niet-geleidend silica. Door de dikte van de lagen te variëren, Het team van Halas stemt de deeltjes af om te interageren met specifieke golflengten van licht. Bijvoorbeeld, zowel nanoshells als nanomatryoshka's kunnen anders onschadelijk nabij-infraroodlicht omzetten in warmte. Deze gelokaliseerde, intense verhitting is gebruikt om kanker te vernietigen in verschillende proeven met nanoshells, waaronder een lopende proef voor de behandeling van prostaatkanker.

De nieuwe studie is het laatste hoofdstuk in de inspanningen van Halas om door licht geactiveerde nanodeeltjes te maken met een combinatie van therapeutische en diagnostische eigenschappen. Deze "theranostische" deeltjes kunnen clinici in staat stellen kanker te diagnosticeren en te behandelen in hetzelfde kantoor of ziekenhuisbezoek.

Lucas Henderson, een afgestudeerde Rice-student en hoofdauteur van de ACS Nano papier, zei, "Als clinici de deeltjes konden visualiseren door middel van een soort beeldvorming, therapie zou sneller en effectiever kunnen zijn. Bijvoorbeeld, stel je een scenario voor waarbij een scan wordt uitgevoerd om de grootte en plaatsing van de tumor te verifiëren, er wordt dan warmte gegenereerd om de tumor te behandelen en er volgt nog een scan om te verifiëren dat de hele tumor is vernietigd."

Toen Henderson, een chemicus, trad in 2016 toe tot Halas' Laboratory for Nanophotonics, Het team van Halas had al aangetoond dat het fluorescerende kleurstoffen aan nanomatryoshka's kon toevoegen om ze zichtbaar te maken in diagnostische scans. Er werd ook gewerkt aan een studie die in 2017 werd gepubliceerd en die aantoonde dat gadoliniumchelaten in de silicalaag kunnen worden ingebed voor MRI-contrast.

MRI-scanners brengen het inwendige van het lichaam in beeld door de kernen van waterstofatomen kort op één lijn te brengen en te meten hoe lang het duurt voordat de kernen "ontspannen" in hun rusttoestand. Ontspanningseigenschappen verschillen per weefsel, en door kernen herhaaldelijk uit te lijnen en relaxatietijden te meten, een MRI-scanner maakt een gedetailleerd beeld van de organen van het lichaam, weefsels en structuren. Contrastmiddelen verbeteren de scanresolutie door de relaxatiesnelheid van deeltjes te verhogen.

Gadoliniumchelaten zorgden voor een revolutie in MRI-testen toen ze eind jaren tachtig werden geïntroduceerd en meer dan 400 miljoen keer zijn gebruikt. Hoewel gadolinium een ​​giftig metaal is, het chelatieproces omvat elk gadolinium-ion met een organische wikkel die de blootstelling vermindert en het medicijn binnen een paar uur via urineren uit het lichaam laat gaan

In 2013, Japanse wetenschappers deden de verrassende ontdekking dat gadolinium uit contrastmiddelen zich had opgehoopt in de hersenen van sommige patiënten, en daaropvolgende studies vonden soortgelijke afzettingen in botten en andere organen. Hoewel er geen nadelige gezondheidseffecten zijn geassocieerd met op gadolinium gebaseerde MRI-contrastmiddelen, de FDA verplichtte medicijnfabrikanten in december 2017 om waarschuwingen toe te voegen aan de medicatiehandleidingen voor acht veelgebruikte op gadolinium gebaseerde contrastmiddelen.

"In het eerdere werk met gadolinium, we merkten dat het nanomatryoshka-ontwerp de relaxiviteit van de ingebedde gadoliniumchelaten verbeterde, "Zei Henderson. "Tegelijkertijd, we hoorden meer oproepen van de medische gemeenschap voor alternatieven voor gadolinium, en we besloten om ijzerchelaten te proberen en te kijken of we dezelfde soort verbetering kregen."

De resultaten verrasten iedereen. Niet alleen was Henderson in staat om de relaxiviteit voor ijzer te stimuleren, hij was in staat om ongeveer vier keer meer ijzer in elke nanomatryoshkas te laden. Daardoor presteerden de met ijzer beladen nanomatryoshka's twee keer zo goed als klinisch beschikbare gadoliniumchelaten.

Henderson vond ook een generieke manier om het type metaal dat werd geladen te veranderen. Door eerst onbelaste chelaatmoleculen aan het silica toe te voegen, hij ontdekte dat hij metaal kon laden door de deeltjes in een bad met metaalzouten te laten weken. Door de metalen in het bad te verwisselen, hij ontdekte dat hij gemakkelijk verschillende paramagnetische ionen kon laden, inclusief mangaan, in de nanomatryoshka's.

Nadat de metaalionen in het silica waren geladen, de laatste laag van de nanomatryoshka, de buitenste gouden schil, was toegevoegd. De schelp, wat van vitaal belang is voor plasmonica, dient ook als barrière om uitloging van ionen te voorkomen. Henderson zei dat de gouden barrière ook een secundair voordeel had voor de fluorescerende kleurstoffen die hij toevoegde voor dual-mode diagnostiek.

"Alle fluorescerende kleurstoffen zijn onderhevig aan fotobleking, wat betekent dat ze na verloop van tijd vervagen en uiteindelijk geen meetbaar signaal afgeven, "Zei Henderson. "Zelfs als je ze invriest, die het bleken vertraagt, ze duren meestal niet langer dan een paar weken. Ik keek naar een oud monster nanomatryoshka's dat al maanden in de koelkast lag, en ik ontdekte dat ze nog steeds vrij goed fluoresceerden. Toen we hier beter naar keken, ontdekten we dat de kleurstoffen ongeveer 23 keer stabieler waren als ze zich in de nanomatryoshka's bevonden."