Ingeniører udvikler mere effektivt MR -kontrastmiddel til kræftdetektion

Mange billedteknologier og deres kontrastmidler - kemikalier, der bruges under scanninger til at hjælpe med at opdage tumorer og andre problemer - involverer udsættelse for stråling eller tungmetaller, som udgør potentielle sundhedsrisici for patienter og begrænser de måder, de kan anvendes på. I et forsøg på at afbøde disse ulemper, ny forskning fra University of Pennsylvania ingeniører viser en måde at belægge et jernbaseret kontrastmiddel på, så det kun interagerer med det sure miljø af tumorer, gør det mere sikkert, billigere og mere effektive end eksisterende alternativer.

Undersøgelsen blev udført af lektor Andrew Tsourkas og kandidatstuderende Samuel H. Crayton fra afdelingen for bioingeniør i Penn's School of Engineering and Applied Science. Det blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano.

MR scanning, eller MR, er et stadig mere almindeligt træk ved lægehjælp. Ved hjælp af et stærkt magnetfelt til at detektere og påvirke justeringen af ​​vandmolekyler i kroppen, MR kan hurtigt producere billeder af en lang række kropsvæv, selvom klarheden i disse billeder undertiden er utilstrækkelig til diagnoser. For at forbedre differentieringen - eller kontrasten - mellem tumorer og sundt væv, læger kan anvende et kontrastmiddel, såsom nanopartikler, der indeholder jernoxid. Jernoxidet kan forbedre MR -billeder på grund af deres evne til at fordreje scannerens magnetfelt; områder, de er koncentreret i, skiller sig tydeligere ud.

Disse nanopartikler, som for nylig er blevet godkendt i USA til klinisk brug som kontrastmidler, er bogstaveligt talt sukkerbelagt; et ydre lag af dextran holder partiklerne fra at binde eller blive absorberet af kroppen og potentielt sygeliggøre patienten. Denne ikke-reaktive belægning tillader, at jernoxidet skylles ud, efter at billeddannelsen er fuldført, men det betyder også, at partiklerne ikke kan målrettes mod en bestemt slags væv.

Hvis kontrastmidlet kunne konstrueres, så det kun klæber til væv, der allerede er syg, såsom tumorer, det ville løse begge problemer på én gang. Forskere har prøvet denne fremgangsmåde ved at belægge nanopartikler med proteiner, der kun binder til receptorer, der findes på ydersiden af ​​tumorer, men ikke alle tumorer er ens i denne henseende.

"En af begrænsningerne ved en receptorbaseret tilgang er, at du bare ikke rammer alt, "Tsourkas sagde." Det er svært at anbefale dem som et screeningsværktøj, når man ved, at målreceptorerne kun udtrykkes i 30% af tumorer. "

"En af grundene til, at vi kan lide vores tilgang, er, at den rammer mange tumorer; næsten alle tumorer viser en ændring i surheden i deres mikromiljø."

Penn -ingeniørerne udnyttede noget kendt som Warburg -effekten, en skævhed af tumormetabolisme, at komme uden om målretningsproblemet. De fleste af kroppens celler er aerobe; de får primært deres energi fra ilt. Imidlertid, selv når ilt er rigeligt, kræftceller bruger en anaerob proces til deres energi. Som overbeskattede muskler, de gør glukose til mælkesyre, men i modsætning til normale muskler, tumorer forstyrrer blodgennemstrømningen omkring dem og har svært ved at rydde denne syre væk. Det betyder, at tumorer næsten altid har en lavere pH end omgivende sundt væv.

Nogle billedteknologier, såsom magnetisk resonansspektroskopi, kan også drage fordel af tumors lav-pH-mikromiljøer, men de kræver dyrt specialudstyr, som ikke er tilgængeligt i de fleste kliniske omgivelser.

Ved at bruge glycolchitosan-en sukkerbaseret polymer, der reagerer på syrer-lod ingeniørerne nanobærerne forblive neutrale, når de var i nærheden af ​​sundt væv, men for at blive ioniseret ved lav pH. Den ændring i ladningen, der sker i nærheden af ​​sure tumorer, får nanobærerne til at blive tiltrukket af og fastholdt på disse steder.

Denne tilgang har en anden fordel:Jo mere ondartet en tumor er, jo mere det forstyrrer omgivende blodkar og jo mere surt bliver dets miljø. Det betyder, at glykolchitosan-belagt er en god detektor for malignitet, åbning af behandlingsmuligheder ud over diagnosen.

"Du kan tage enhver nanopartikel og lægge denne belægning på den, så det er ikke begrænset til billeddannelse på nogen måde, "sagde Tsourkas." Du kan også bruge det til at levere medicin til tumorsteder. "

Forskerne håber, at inden for syv til ti år, glykol-chitosan-belagte jernoxid-nanopartikler kunne forbedre specificiteten af ​​diagnostisk screening. Evnen til nøjagtigt at opdage malignitetssteder ved MR ville være en øjeblikkelig forbedring af eksisterende kontrastmidler for visse brystkræftscanninger.

"Gadolinium bruges som kontrastmiddel ved MR-brystkræftundersøgelser for højrisikopatienter. Disse patienter anbefales at få foretaget en MR ud over det sædvanlige mammografi, fordi mammogrammers følsomhed kan være dårlig, "sagde Tsourkas." Følsomheden af ​​en MR er meget højere, men specificiteten er lav:screeningen registrerer mange tumorer, men mange af dem er godartede. At have et værktøj som vores ville give lægerne mulighed for bedre at differentiere de godartede og ondartede tumorer, især da der har vist sig at være en sammenhæng mellem malignitet og pH. "