Nanopartikler, der muliggør både MRI og fluorescerende billeddannelse, kunne overvåge kræft, andre sygdomme

MIT-kemikere har udviklet nye nanopartikler, der samtidigt kan udføre magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og fluorescerende billeddannelse hos levende dyr. Sådanne partikler kunne hjælpe forskere med at spore specifikke molekyler produceret i kroppen, overvåge en tumors miljø, eller afgøre, om lægemidler med succes har nået deres mål.

I et papir, der vises i 18. november-udgaven af Naturkommunikation , forskerne demonstrerer brugen af ​​partiklerne, som bærer forskellige sensorer til fluorescens og MRI, at spore C-vitamin i mus. Hvor der er en høj koncentration af C-vitamin, partiklerne viser et stærkt fluorescerende signal, men lidt MRI-kontrast. Hvis der ikke er meget C-vitamin, et stærkere MR-signal er synligt, men fluorescensen er meget svag.

Fremtidige versioner af partiklerne kunne designes til at detektere reaktive oxygenarter, der ofte korrelerer med sygdom, siger Jeremiah Johnson, en assisterende professor i kemi ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen. De kunne også skræddersyes til at detektere mere end ét molekyle ad gangen.

"Du kan muligvis lære mere om, hvordan sygdomme udvikler sig, hvis du har billeddiagnostiske prober, der kan fornemme specifikke biomolekyler, " siger Johnson.

Dobbelt handling

Johnson og hans kolleger designede partiklerne, så de kan samles af byggesten lavet af polymerkæder, der bærer enten et organisk MRI-kontrastmiddel kaldet et nitroxid eller et fluorescerende molekyle kaldet Cy5.5.

Når det blandes sammen i det ønskede forhold, disse byggesten går sammen for at danne en specifik struktur i nanostørrelse, som forfatterne kalder en forgrenet flaskebørstepolymer. Til denne undersøgelse, de skabte partikler, hvori 99 procent af kæderne bærer nitroxider, og 1 procent bærer Cy5.5.

Nitroxider er reaktive molekyler, der indeholder et nitrogenatom bundet til et oxygenatom med en uparret elektron. Nitroxider undertrykker Cy5.5's fluorescens, men når nitroxiderne støder på et molekyle som C-vitamin, hvorfra de kan fange elektroner, de bliver inaktive og Cy5.5 fluorescerer.

Nitroxider har typisk en meget kort halveringstid i levende systemer, men University of Nebraska kemiprofessor Andrzej Rajca, som også er forfatter til det nye Nature Communications papir, for nylig opdaget, at deres halveringstid kan forlænges ved at fastgøre to voluminøse strukturer til dem. Desuden, forfatterne af Nature Communications-papiret viser, at inkorporering af Rajcas nitroxid i Johnsons forgrenede flaskebørste-polymerarkitektur fører til endnu større forbedringer i nitroxid-levetiden. Med disse ændringer, nitroxider kan cirkulere i flere timer i en muss blodbane - længe nok til at få nyttige MR-billeder.

Forskerne fandt ud af, at deres billeddannelsespartikler akkumulerede i leveren, som nanopartikler normalt gør. Museleveren producerer C-vitamin, så når partiklerne nåede leveren, de greb elektroner fra C-vitamin, slukke for MR-signalet og booste fluorescens. De fandt heller ikke noget MR-signal, men en lille mængde fluorescens i hjernen, som er en destination for meget af det C-vitamin, der produceres i leveren. I modsætning, i blodet og nyrerne, hvor koncentrationen af ​​C-vitamin er lav, MR-kontrasten var maksimal.

Blanding og matching

Forskerne arbejder nu på at forstærke de signalforskelle, som de får, når sensoren støder på et målmolekyle såsom C-vitamin. De har også skabt nanopartikler, der bærer det fluorescerende middel plus op til tre forskellige lægemidler. Dette giver dem mulighed for at spore, om nanopartiklerne leveres til deres målrettede steder.

"Det er fordelen ved vores platform - vi kan mikse og matche og tilføje næsten alt, hvad vi ønsker, " siger Johnson.

Disse partikler kan også bruges til at evaluere niveauet af oxygenradikaler i en patients tumor, som kan afsløre værdifuld information om, hvor aggressiv tumoren er.

"Vi tror, ​​at vi muligvis kan afsløre information om tumormiljøet med den slags sonder, hvis vi kan få dem der, " siger Johnson. "En dag kan du måske injicere dette i en patient og få biokemisk information i realtid om sygdomssteder og også sundt væv, hvilket ikke altid er ligetil."

Steven Bottle, en professor i nanoteknologi og molekylær videnskab ved Queensland University of Technology, siger, at det mest imponerende element i undersøgelsen er kombinationen af ​​to kraftfulde billedbehandlingsteknikker i ét nanomateriale.

"Jeg tror på, at dette skal levere en meget kraftfuld, metabolisk forbundet, multikombinationsbilleddannelsesmodalitet, som skulle give et yderst nyttigt diagnostisk værktøj med reelt potentiale til at følge sygdomsprogression in vivo, " siger flaske, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.