Nanopartikler identificerer plaques i blodkar

Et team af forskere, ledet af forskere ved Case Western Reserve University, har udviklet en multifunktionel nanopartikel, der gør det muligt at foretage magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) for at lokalisere plaques i blodkar forårsaget af åreforkalkning. Teknologien er et skridt i retning af at skabe en ikke-invasiv metode til at identificere plaques, der er sårbare over for ruptur - årsagen til hjerteanfald og slagtilfælde - i tide til behandling.

I øjeblikket, læger kan kun identificere blodkar, der er indsnævret på grund af plakakkumulering. En læge laver et snit og stikker et kateter ind i et blodkar i armen, lyske eller hals. Kateteret udsender et farvestof, der gør det muligt for røntgenbilleder at vise indsnævringen.

Imidlertid, Case Western Reserve-forskere rapporterer online i dag i tidsskriftet Nano bogstaver at en nanopartikel bygget af en stavformet virus, der almindeligvis findes på tobak, lokaliserer og belyser plak i arterierne mere effektivt og med en lille brøkdel af farvestoffet.

Vigtigere, arbejdet viser, at de skræddersyede nanopartikler kommer ind på plakbiomarkører. Det åbner muligheden for, at partikler kan programmeres til at identificere sårbare plaques fra stabile, noget umålrettede farvestoffer alene ikke kan.

"Fra et kemikers synspunkt, det er stadig udfordrende at lave nanopartikler, der ikke er sfæriske, men ikke-sfæriske materialer er fordelagtige til medicinske anvendelser" sagde Nicole F. Steinmetz, assisterende professor i biomedicinsk teknik ved Case Western Reserve. "Naturen er langt foran os. Vi høster naturens metoder for at gøre dem til noget brugbart inden for medicin."

De stavformede nanopartikler er lavet af tobaksmosaikvirus, små rørformede organismer, der inficerer planteceller, men er godartede uden for planten.

Steinmetz, en specialist i bioteknik plantevirus, sammen med Xin Yu, professor i biomedicinsk teknik, der har specialiseret sig i at udvikle MR-teknikker til at undersøge hjerte-kar-sygdomme. De skabte en enhed, der transporterer og koncentrerer billeddannelsesmidler på plaques.

Forskerholdet omfatter:Michael A. Bruckman, en postdoc forsker, og Lauren N. Randolph, en bachelorstuderende, i Steinmetz-laboratoriet; Kai Jiang, en ph.d.-studerende i Yus laboratorium; og Leonard G. Luyt, Assisterende professor, og Emily J. Simpson, en ph.d.-kandidat, både på afdelingen for kemi på Western University, i London, Ontario.

Aflange nanopartikler har en højere sandsynlighed for at blive skubbet ud af den centrale blodgennemstrømning og målrette karvæggen sammenlignet med kugler. Yderligere muliggør formen mere stabil vedhæftning til pladen, sagde forskerne.

Virusoverfladen er modificeret til at bære korte kæder af aminosyrer, kaldet peptider, som får virussen til at sætte sig, hvor plaques udvikler sig eller allerede findes. Luyt og Simpson syntetiserede peptiderne.

"Bindingen tillader partiklen at blive på stedet længere, hvorimod den rene kraft er mere tilbøjelig til at skylle en kugle væk, på grund af dens høje krumning, " sagde Yu, en udnævnt af Case School of Engineering.

Virusoverfladen blev også modificeret til at bære nær-infrarøde farvestoffer brugt til optisk scanning, og gadoliniumioner (som er forbundet med organiske molekyler, for at reducere toksiciteten af ​​metallet), der anvendes som MRI-kontrastmiddel. De brugte optiske scanninger til at verificere MR-resultaterne.

Ved at belaste overfladen med gadoliniumioner i stedet for at injicere dem og lade dem flyde frit i blodbanen, nanopartiklerne øger afslapningsevnen - eller kontrasten fra sundt væv - med mere end fire størrelsesordener.

"Det middel, der injiceres i blodbanen, har en afslapningsevne på 5, og vores nanopartikler en afslapningsevne på 35, 000, " sagde Steinmetz, som blev udnævnt af Case Western Reserve School of Medicine.

Det er fordi nanorod bærer op til 2, 000 molekyler af kontrastmidlet, koncentrere dem på plaksteder. For det andet vedhæftning af kontrastmidlet til et nanopartikelstillads reducerer dets molekylære tumlingshastigheder og fører til yderligere afslapningsevne, forklarede forskerne.

Mens udsigten er bedre, de er i stand til at bruge 400 gange mindre af kontrastmidlet, fordi det afgives direkte til plaques.

Den tobaksvirus-baserede nanopartikel, de sagde, tilbyder en anden fordel:De fleste nanopartikler, der er udviklet til at bære kontrastmidler, er baseret på syntetiske materialer, nogle af dem kan blive i kroppen et stykke tid.

Tobaksvirus er lavet af protein, som kroppen er godt rustet til at håndtere og skylle ud af systemet hurtigt.

Steinmetz og Yu, medlemmer af Case Center for Imaging Research, foreslår nu at tage arbejdet et skridt videre. De ønsker at skræddersy nanopartiklerne for at vise lægerne, om plaques er stabile og ikke kræver behandling, eller er sårbare over for brud og kræver behandling. Et brud sætter gang i kaskaden af ​​begivenheder, der fører til hjerteanfald og slagtilfælde.

At gøre dette, de skal først finde forskellige biomarkører af stabile versus sårbare plaques og belægge nanopartiklerne med forskellige peptider og kontrastmidler, der gør det muligt for MR at skelne den ene fra den anden.

"Vores forståelse af sårbare plaques er ufuldstændig, men når vi først kan diagnosticere sårbare plaques fra stabile plaques, det vil være et paradigmeskifte i diagnose og prognose, " sagde Yu.

Ud over at bruge teknologien til at finde sårbarheder, det kan også være nyttigt til at levere medicin og overvåge behandling, siger forskerne.