Diamantstøv som et potentielt alternativ til kontrastmiddel gadolinium ved magnetisk resonansbilleddannelse

En uventet opdagelse overraskede en videnskabsmand ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart:Diamantpartikler i nanometerstørrelse, som var beregnet til et helt andet formål, skinnede klart i et magnetisk resonansbilledeksperiment - meget lysere end det faktiske kontrastmiddel, tungmetal gadolinium.

Kunne diamantstøv – ud over dets brug i lægemiddellevering til behandling af tumorceller – en dag blive et nyt kontrastmiddel, der bruges til MR? Forskerholdet har nu offentliggjort deres opdagelse i Advanced Materials .

Nogle af verdens største opdagelser skete ved et uheld. Selvom opdagelsen af ​​diamantstøvs potentiale som et fremtidigt MRI-kontrastmiddel måske aldrig vil blive betragtet som et vendepunkt i videnskabens historie, er dets signalforstærkende egenskaber ikke desto mindre et uventet fund, som kan åbne op for nye muligheder:Diamantstøv lyser klart selv efter dage med bliver injiceret. Betyder det, at det måske en dag kan blive et alternativ til det meget brugte kontrastmiddel gadolinium?

Dette tungmetal er blevet brugt i klinikker til at opdage tumorer, inflammation eller vaskulære abnormiteter i mere end 30 år. Det forbedrer lysstyrken af ​​billedet af berørte områder. Men når det injiceres i en patients blodbane, rejser gadolinium ikke kun til tumorvæv, men også til omgivende sundt væv.

Det tilbageholdes i hjernen og nyrerne og vedvarer måneder til år efter den sidste administration. De langsigtede virkninger på patienten kendes endnu ikke. Gadolinium forårsager også en række andre bivirkninger. Søgningen efter et alternativ har været i gang i årevis.

Kunne diamantstøv, et kulstofbaseret materiale, blive et godt tolerabelt alternativ på grund af en uventet opdagelse gjort i et laboratorium på Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart?

Dr. Jelena Lazovic Zinnanti arbejdede på et eksperiment med diamantpartikler på nanometerstørrelse til et helt andet formål. Forskeren, der er leder af Central Scientific Facility Medical Systems ved MPI-IS, blev overrasket, da hun puttede 3 til 5 nanometer partiklerne i bittesmå lægemiddelleveringskapsler lavet af gelatine. Hun ønskede, at disse kapsler skulle briste, når de blev udsat for varme. Hun antog, at diamantstøv med sin høje varmekapacitet kunne hjælpe.

"Jeg havde tænkt mig kun at bruge støvet til at opvarme de lægemiddelbærende kapsler," husker Jelena. "Jeg brugte gadolinium til at spore støvpartiklernes position. Jeg havde til hensigt at lære, om kapslerne med diamanter indeni ville varmes bedre op. Mens jeg udførte foreløbige test, blev jeg frustreret, fordi gadolinium ville lække ud af gelatinen - ligesom det siver ud af blodbanen ind i en patients væv.

"Jeg besluttede at udelade gadolinium. Da jeg tog MRI-billeder et par dage senere, var kapslerne til min overraskelse stadig lyse. Wow, det er interessant, tænkte jeg! Diamantstøvet så ud til at have bedre signalforstærkende egenskaber end gadolinium. Det havde jeg ikke forventet."

Jelena tog disse resultater videre ved at injicere diamantstøvet i levende kyllingeembryoner. Hun opdagede, at mens gadolinium diffunderer overalt, forblev diamantnanopartiklerne i blodkarrene, lækkede ikke ud og skinnede senere klart i MRI, ligesom de havde gjort i gelatinekapslerne.

Mens andre videnskabsmænd havde offentliggjort artikler, der viste, hvordan de brugte diamantpartikler knyttet til gadolinium til magnetisk resonansbilleddannelse, havde ingen nogensinde vist, at diamantstøv i sig selv kunne være et kontrastmiddel.

To år senere blev Jelena hovedforfatter på et papir, der nu er udgivet i Advanced Materials .

"Hvorfor diamantstøvet skinner klart i vores MRI er stadig et mysterium for os," siger Jelena, der arbejdede sammen med prof. Metin Sitti og forskere fra afdelingen for fysisk intelligens ved MPI-IS og med Dr. Eberhard Göring fra MPI-IS ' naboinstituttet, MPI for Solid State Research. Hun kan kun antage årsagen til støvets magnetiske egenskaber.

"Jeg tror, ​​de bittesmå partikler har kulstofatomer, der er lidt paramagnetiske. Partiklerne kan have en defekt i deres krystalgitter, hvilket gør dem let magnetiske. Det er derfor, de opfører sig som et T1-kontrastmiddel såsom gadolinium. Derudover ved vi ikke, om diamantstøv kan potentielt være giftigt, noget der skal undersøges omhyggeligt i fremtiden."

Hvis diamantstøv viser sig at være sikkert og veltolereret af patienter, mener Jelena, at det har potentialet til at blive en ny kontrastmiddelmulighed til fremtidige MR-scanninger, hvor det vil blive aflejret i væv med unormal vaskulatur, såsom tumorer, men ikke i sundt væv.

Flere oplysninger: Jelena Lazovic et al., Nanodiamond-Enhanced Magnetic Resonance Imaging, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202310109

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Max Planck Society