Ponowne wyobrażenie kontrastu MRI: Żelazo przewyższa gadolin

Anonim

Nanonaukowcy z Uniwersytetu Rice zademonstrowali metodę ładowania żelaza wewnątrz nanocząstek w celu wytworzenia środków kontrastowych MRI, które przewyższają chelaty gadolinowe, główny środek kontrastowy, który staje przed zwiększoną kontrolą ze względu na potencjalne obawy dotyczące bezpieczeństwa.

"Możliwość wyeliminowania narażenia na działanie gadolinu i dwukrotnego polepszenia wyników kontrastu MRI T1 zaintryguje radiologów" - powiedziała Naomi Halas, główna badaczka projektu w Rice. "Kiedy usłyszą, że zrobiliśmy to z żelazkiem, spodziewam się, że będą bardzo zaskoczeni."

Środki kontrastowe to leki poprawiające obrazowanie MRI i ułatwiające interpretację radiologów. Radiolog może "waga" wyników MRI i sprawić, że określone tkanki będą jaśniejsze lub ciemniejsze przez zmianę warunków testu. Stosuje się dwie techniki ważenia - T1 i T2. Podczas gdy żelazne środki kontrastowe są często stosowane do skanowania T2, istnieje niewiele klinicznie dostępnych alternatyw dla gadolinu do testów T1.

"Żelazne chelaty nie są nowe" - powiedział Halas. "Powszechnie uważa się, że są one całkowicie niepraktyczne dla kontrastu T1, ale to badanie jest doskonałą ilustracją tego, jak różne rzeczy mogą się zachowywać, kiedy jesteś inżynierem w nanoskali."

Halas i koledzy z Rice i University of Texas MD Anderson Cancer Center opisali swoje odkrycia w artykule dostępnym online w dzienniku American Chemical Society ACS Nano. W badaniu stworzyli zmodyfikowaną wersję nanomatryoshkas, koncentrycznych warstwowych nanocząsteczek, które wywodzą swoją nazwę od rosyjskich lalek gniazdujących.

Nanomatryoshki i nanoshells, kolejna wielowarstwowa nanocząstka, którą Halas wynalazł w Rice ponad 20 lat temu, są około 20 razy mniejsze niż krwinki czerwone i składają się z warstw przewodzącego metalu i nieprzewodzącej krzemionki. Zmieniając grubość warstw, zespół Halasa dostraja cząstki do interakcji z konkretnymi długościami fali światła. Na przykład, zarówno nanoshells, jak i nanomatryoshkas mogą konwertować inaczej nieszkodliwe światło bliskiej podczerwieni na ciepło. To umiejscowione, intensywne ogrzewanie zostało użyte do zniszczenia raka w kilku próbach nanoshellów, w tym trwającej próby leczenia raka gruczołu krokowego.

Nowe badanie jest najnowszym rozdziałem wysiłków Halasa w celu stworzenia aktywowanych światłem nanocząsteczek z kombinacją cech terapeutycznych i diagnostycznych. Te cząstki "terranostyczne" mogą umożliwić lekarzom diagnozowanie i leczenie raka podczas wizyty w tym samym biurze lub w szpitalu.

Luke Henderson, student absolwenta Rice i główny autor artykułu ACS Nano, powiedział: "Jeśli klinicyści mogliby wizualizować cząsteczki za pomocą pewnego rodzaju obrazowania, terapia może być szybsza i bardziej skuteczna. Na przykład, wyobraź sobie scenariusz, w którym wykonywane jest skanowanie w celu zweryfikowania rozmiaru i umiejscowienia guza, generowane jest ciepło w celu leczenia guza, a następnie wykonuje się kolejny skan w celu sprawdzenia, czy cały guz został zniszczony. "

Kiedy Henderson, chemik, dołączył do Laboratorium Nanoshotyki Halasa w 2016 roku, zespół Halasa wykazał już, że może dodawać barwniki fluorescencyjne do nanomatryaksówek, aby były widoczne w skanach diagnostycznych. Prowadzono również prace nad badaniem opublikowanym w 2017 r., W którym wykazano, że chelat gadolinowy można osadzić w warstwie krzemionki dla kontrastu MRI.

Skanery MRI obrazują wnętrze ciała przez krótkie wyrównywanie jądra atomów wodoru i mierzenie, jak długo trwają jądra, aby "odprężyć się" do stanu spoczynkowego. Właściwości relaksacyjne różnią się w zależności od tkanki, a poprzez wielokrotne wyrównywanie jąder i pomiar czasu relaksacji, skaner MRI buduje szczegółowy obraz narządów, tkanek i struktur ciała. Środki kontrastujące poprawiają rozdzielczość skanowania poprzez zwiększenie szybkości relaksacji cząstek.

Chelaty gadolinu zrewolucjonizowały badania MRI, kiedy zostały wprowadzone w późnych latach 80. XX wieku i były używane ponad 400 milionów razy. Choć gadolin jest metalem toksycznym, proces chelatowania obejmuje każdy jon gadolinu za pomocą powłoki organicznej, która zmniejsza ekspozycję i umożliwia przejście leku z ciała poprzez oddawanie moczu w ciągu kilku godzin

W 2013 r. Japońscy naukowcy dokonali zaskakującego odkrycia, że ​​gadolin z substancji kontrastowych gromadził się w mózgach niektórych pacjentów, a kolejne badania wykazały podobne osady w kościach i innych narządach. Podczas gdy żadne niekorzystne efekty zdrowotne nie były związane z substancjami kontrastowymi opartymi na gadolinach MRI, FDA wymagało od twórców leków dodania ostrzeżeń do przewodników po lekach dla ośmiu powszechnie używanych środków kontrastowych na bazie gadolinu w grudniu 2017 roku.

"We wcześniejszej pracy z gadolinem zauważyliśmy, że konstrukcja nanomatryoshka poprawiła relaksację wbudowanych chelatów gadolinowych" - powiedział Henderson. "W tym samym czasie usłyszeliśmy więcej telefonów ze społeczności medycznej o alternatywach dla gadolinu i zdecydowaliśmy się wypróbować chelaty żelaza i zobaczyć, czy mamy tego samego rodzaju ulepszenie."

Wyniki zaskoczyły wszystkich. Henderson nie tylko był w stanie zwiększyć rozluźnienie żelaza, ale także był w stanie załadować około cztery razy więcej żelaza do każdej nanomatryoshka. To pozwoliło obciążonym żelazem nanomatryoshkas wykonać dwa razy lepsze od klinicznie dostępnych chelatów gadolinowych.

Henderson znalazł także ogólny sposób zmiany rodzaju załadowanego metalu. Przez dodanie najpierw do krzemionki nierozładowanych cząsteczek chelatowych, odkrył, że może załadować metal przez zanurzenie cząstek w kąpieli z solami metali. Zmieniając metale w kąpieli, odkrył, że może łatwo załadować do nanomatryoshkas różne jony paramagnetyczne, w tym mangan.

Po załadowaniu jonów metali do krzemionki dodano ostatnią warstwę nanomatryoshki, zewnętrznej złotej powłoki. Powłoka, która jest istotna dla plazmoniki, służy również jako bariera zapobiegająca wyciekaniu jonów. Henderson powiedział, że złota bariera ma również drugorzędną zaletę dla barwników fluorescencyjnych dodanych do diagnostyki dual-mode.

"Wszystkie barwniki fluorescencyjne ulegają fotoutwardzaniu, co oznacza, że ​​zanikają z upływem czasu i ostatecznie nie wydzielają mierzalnego sygnału" - powiedział Henderson. "Nawet jeśli je zamrozisz, co spowalnia bielenie, zwykle nie trwa dłużej niż kilka tygodni. Patrzyłem na starą próbkę nanomatryoshkas, która była w lodówce od miesięcy i odkryłem, że wciąż fluoryzują Gdy przyjrzeliśmy się temu dokładniej, okazało się, że barwniki były około 23 razy bardziej stabilne, gdy znajdowały się w nanomatryoshkas.

menu
menu