Nanodiamond-forbedret MR tilbyder et større udvalg af diagnostiske og terapeutiske applikationer

Nanodiamanter - syntetiske industrielle diamanter på kun få nanometer store - har for nylig tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af det potentiale, de tilbyder for målrettet levering af vacciner og kræftlægemidler og til andre formål. Så langt, muligheder for billeddannelse af nanodiamanter har været begrænsede. Nu har et team af efterforskere baseret på Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging på Massachusetts General Hospital udtænkt et middel til at spore nanodiamanter noninvasivt med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), åbne en række nye applikationer. De rapporterer deres resultater i dag i online-tidsskriftet Naturkommunikation .

"Med denne undersøgelse, vi viste, at vi kunne producere biomedicinsk relevante MR-billeder ved at bruge nanodiamanter som kontrastkilden i billederne, og at vi kunne slå kontrasten til og fra efter ønske, " siger David Waddington, hovedforfatter af papiret og en ph.d.-studerende ved University of Sydney i Australien. Waddington arbejder i øjeblikket sammen med Matthew Rosen, PhD, i Low-Field Imaging Laboratory på Martinos Center. "Med konkurrerende strategier, nanodiamanterne skal forberedes eksternt og derefter sprøjtes ind i kroppen, hvor de højst kan afbildes i et par timer. Imidlertid, da vores teknik er biokompatibel, vi kan fortsætte billeddannelsen i ubestemte perioder. Dette øger muligheden for at spore leveringen af ​​nanodiamant-lægemiddelforbindelser til en række sygdomme og give vital information om effektiviteten af ​​forskellige behandlingsmuligheder."

Waddington begyndte dette arbejde for tre år siden som en del af et Fulbright-stipendium, der blev tildelt tidligt i sit kandidatarbejde ved University of Sydney, hvor han er medlem af et team ledet af studiemedforfatter David Reilly, PhD, i det nye Sydney Nanoscience Hub - hovedkvarteret for Australian Institute for Nanoscale Science and Technology, som blev lanceret sidste år. Som en del af Reilly-gruppen, Waddington spillede en afgørende rolle i de tidlige succeser med nanodiamant-billeddannelse, herunder en 2015-opgave i Naturkommunikation . Han søgte derefter at udvide tilgangens potentiale ved at samarbejde med Rosen på Martinos Center og Ronald Walsworth, PhD, på Harvard University, også medforfatter til den aktuelle undersøgelse. Rosens gruppe er førende i verden inden for ultra-lavfelt magnetisk resonansbilleddannelse, en teknik, der viste sig at være afgørende for udviklingen af ​​in vivo nanodiamant-billeddannelse.

Tidligere, brugen af ​​nanodiamant-billeddannelse i levende systemer var begrænset til områder, der var tilgængelige ved hjælp af optiske fluorescensteknikker. Imidlertid, mest potentielle diagnostiske og terapeutiske anvendelser af nanopartikler, herunder sporing af komplekse sygdomsprocesser som kræft, opfordre til brug af MR - guldstandarden for ikke-invasiv, høj kontrast, tredimensionel klinisk billeddannelse.

I nærværende undersøgelse, forskerne viser, at de kunne opnå nanodiamant-forstærket MRI ved at drage fordel af et fænomen kendt som Overhauser-effekten til at booste det iboende svage magnetiske resonanssignal fra diamant gennem en proces kaldet hyperpolarisering, hvor kerner er justeret inde i en diamant, så de skaber et signal, der kan detekteres af en MR-scanner. Den konventionelle tilgang til hyperpolarisering bruger faststoffysikteknikker ved kryogene temperaturer, men signalforstærkningen varer ikke særlig længe og er næsten væk, når nanopartikelforbindelsen sprøjtes ind i kroppen. Ved at kombinere Overhauser-effekten med fremskridt inden for ultra-lavfelt MRI, der kommer ud af Martinos Center, forskerne var i stand til at overvinde denne begrænsning - og dermed banede vejen for højkontrast in vivo nanodiamant-billeddannelse over uendelige lange perioder.

Højtydende ultra-lavfelt MRI er i sig selv en relativt ny teknologi, først rapporteret i Videnskabelige rapporter i 2015 af Rosen og Martinos Centers kolleger. "Takket være innovativ teknik, akkvisitionsstrategier og signalbehandling, teknologien tilbyder hidtil uopnåelig hastighed og opløsning i ultra-lavfelt MRI-regimet, siger Rosen, direktør for Low-Field Imaging Laboratory, en assisterende professor i radiologi ved Harvard Medical School og seniorforfatter af det aktuelle papir. "Og vigtigst, ved at fjerne behovet for massive, kryogenkølede superledende magneter, det åbner op for en række nye muligheder, inklusive nanodiamond-billeddannelsesteknikken, vi lige har beskrevet."

Forskerne har bemærket flere mulige anvendelser for deres nye tilgang til nanodiamond-forstærket MR. Disse omfatter nøjagtig påvisning af lymfeknudetumorer, som kan hjælpe i behandlingen af ​​metastatisk prostatacancer, og udforske permeabiliteten af ​​blod-hjerne-barrieren, som kan spille en vigtig rolle i behandlingen af ​​iskæmisk slagtilfælde. Fordi det giver et målbart MR-signal i perioder på over en måned, teknikken kunne gavne applikationer såsom overvågning af respons på terapi.

Inkluderet i behandlingsovervågning er applikationer inden for det spirende felt af personlig medicin. "Leveringen af ​​meget specifikke lægemidler er stærkt korreleret med vellykkede patientresultater, " siger Waddington, som blev hædret med Journal of Magnetic Resonance Young Scientist Award ved 2016 Experimental NMR Conference som anerkendelse af dette arbejde. "Imidlertid, responsen på sådanne lægemidler varierer ofte betydeligt på individuel basis. Evnen til at afbilde og spore leveringen af ​​disse nanodiamant-lægemiddelforbindelser ville, derfor, være meget fordelagtig for udviklingen af ​​personlige behandlinger."

Forskerne fortsætter med at udforske teknikkens potentiale og planlægger nu en detaljeret undersøgelse af tilgangen i en dyremodel, samtidig med at man undersøger adfærden af ​​forskellige nanodiamant-lægemiddelkomplekser og afbilder dem med den nye kapacitet.