Nye nanopartikler udviklet til at afbilde og behandle kræft

Et team fra Sandia National Laboratories har designet og syntetiseret nanopartikler, der lyser rødt og er stabile, nyttige egenskaber til at spore kræftvækst og spredning.

Dette arbejde er første gang den iboende luminescens af metal-organiske rammematerialer, eller MOF'er, for langsigtet bioimaging er blevet rapporteret, sagde materialekemiker Dorina Sava Gallis. Fluorescensmærkende tumorer, eller andre specifikke typer celler, er en ny, kraftfuld metode til at forestille sig inde i en krop.

MR, Røntgenbilleder og ultralyd er effektive bioimaging-metoder til diagnosticering af sygdomme. Imidlertid, disse metoder har hver deres begrænsninger og bruges generelt ikke til at behandle sygdomme. Årevis, videnskabsmænd har ledt efter teranostiske midler, materialer, der har både terapeutiske og diagnostiske anvendelser.

MOF'er er en gruppe af kemikalier med stort potentiale til billeddannelse og behandling af kræft og andre sygdomme. Disse tinker legetøjslignende molekyler har metal "nav" og carbonbaserede linker "stænger". Kemikere kan bytte hubs og linkere ud for at lave nanoserede "svampe" med mange forskellige egenskaber. Historisk set, MOF'er er blevet brugt til alt fra opsamling af radioaktive gasser fra brugt nukleart brændsel, til at rense forurenet vand og endda opbevare brintgas sikkert.

Sandia-teamets MOF nanopartikler lyser rødt eller nær infrarødt i mindst to dage i celler.

Nær infrarødt lys har længere bølgelængder end rødt lys. Det er især nyttigt til billeddannelse inde i en krop, fordi det kan trænge ind i huden, væv og endda knogler uden at forårsage skade, og producerer klarere billeder, fordi der er mindre baggrundsautofluorescens ved disse bølgelængder, sagde Sava Gallis. Nuværende farvestoffer eller nanopartikler, der lyser i det nær infrarøde, varer ikke særlig længe eller lyser kun svagt, gør lysere, mere stabile materialer uvurderlige.

Rationelt design af multifunktionelle MOF'er til bioimaging

MOF'er er komplekse materialer med afstembare egenskaber og forbløffende overfladearealer; et gram af en bestemt slags MOF har samme overflade som 16 basketballbaner. Sava Gallis sagde, "Inden for metal-organiske rammer, vi har fordelen ved at vælge vores byggeklodser til at lave specialfremstillede materialer."

I 14 år, hun har arbejdet på at gøre syntesen af ​​MOF'er mere rationel og forudsigelig. Nogle metaller er kemisk aktive, og andre lyser i bestemte farver. Nogle metaller danner klynger med forskellige geometrier - som tinkerlegetøjs "hubs" med forskellige antal huller - og nogle gange er navet en enkelt metalion. Nogle linkere er lange, producerer svampe med store tomme rum og høje overfladearealer, og andre er korte. Nogle linkere er katalytisk aktive - dvs. de kan fremskynde en kemisk reaktion – eller kan justere metallets kemi, mens andre kan justere farven eller lysstyrken af ​​metallets glød.

At rationelt designe MOF'er til bioimaging, Sava Gallis udvalgte lanthanidmetaller, en klasse af sjældne jordarters grundstoffer. Metal europium lyser rødt; metallerne neodym og ytterbium fluorescerer i det nære infrarøde. Hun valgte også forhold, der ville få lanthaniderne til at danne robuste klynger. Ofte, MOF'er fremstillet med individuelle metalioner er ikke vandstabile, men metalklynger er ofte, sagde Sava Gallis. Dette er vigtigt for bioimaging, da celler og mennesker for det meste er vand. Også, hun brugte almindeligt tilgængelige kulstoflinkere, der producerer store porer. Potentielt, disse porer kunne indeholde lægemidler og tillade både billeddannelse og behandling.

Vandstabil, porøse MOF'er, der lyser i det nære infrarøde

Sava Gallis sammensatte et tværfagligt team for at bekræfte, at MOF'erne havde de egenskaber, hun konstruerede. Sandia materialeforsker Mark Rodriguez og Karena Chapman, fra Argonne National Laboratory, hjulpet med røntgendiffraktions strukturelle undersøgelser. Sandia -forskerne Lauren Rohwer og Willie Luk testede MOF'ernes luminescensegenskaber. Holdet har med succes lavet en familie af lignende MOF'er med en række emissionsfarver fra rød til nær infrarød, hvilket gør det muligt for forskere at "tune" MOF-farven afhængigt af, hvad den kan være nødvendig til.

Derefter, Sava Gallis' team testede for at sikre, at nanopartiklerne var stabile i vand og ikke dræbte dyrkede celler. Sandia nanobiolog Kim Butler udførte cytotoksicitetsundersøgelser for at bestemme, om MOF'erne var toksiske for pattedyrsceller. Selv ved høje doser, nanopartiklerne lignede eller var mindre giftige end andre partikler, der blev undersøgt til biobilleddannelse, hvilket er et godt tegn på deres fremtid, sagde Sava Gallis. De var også stabile i vand eller biologisk efterlignende saltvand i mindst en uge.

Sandia biokemiker Meghan Dailey og bioanalytisk kemiker Jeri Timlin lavede levende celle billeddannelse ved hjælp af et tilpasset hyperspektralt konfokalt fluorescensmikroskop. De viste, at MOF-partiklerne kan fungere til langsigtede bioimaging-undersøgelser i pattedyrsceller, men muligvis skal optimeres yderligere, måske ved at modificere overfladen af ​​partiklerne, sagde Sava Gallis.

"Vi er meget begejstrede for succesen med disse indledende undersøgelser og bevæger os fremad for at undersøge deres vævsgennemtrængningsdybde, luminescenseffektivitet og i sidste ende, relevansen for billeddannelse i levende organismer, " sagde Sava Gallis.

Forskningen er en del af et meget større projekt for at udvikle tilpasningsdygtige, sikre og effektive reaktioner på biologiske trusler og nye patogener finansieret af Sandias Laboratory Directed Research and Development-program. En vigtig del af dette projekt er at spore levering af nanopartikler, som kræver biologisk stabile glødende partikler eller farvestoffer.

Resultaterne blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader .