Un team dei Sandia National Laboratories ha progettato e sintetizzato nanoparticelle che si illuminano di rosso e sono stabili, proprietà utili per monitorare la crescita e la diffusione del cancro.

Questo lavoro è la prima volta che la luminescenza intrinseca dei materiali della struttura metallo-organica, o MOF, per il bioimaging a lungo termine è stato segnalato, ha detto la chimica dei materiali Dorina Sava Gallis. Tumori fluorescenti, o altri tipi specifici di cellule, è un nuovo, potente metodo per immaginare all'interno di un corpo.

risonanza magnetica, I raggi X e gli ultrasuoni sono potenti metodi di bioimaging per diagnosticare le malattie. Però, questi metodi hanno ciascuno i loro limiti e generalmente non sono usati per curare le malattie. Per anni, gli scienziati hanno cercato agenti teranostici, materiali che hanno usi sia terapeutici che diagnostici.

I MOF sono un gruppo di sostanze chimiche con un grande potenziale per l'imaging e il trattamento del cancro e di altre malattie. Queste molecole simili a giocattoli armeggiare hanno "mozzi" metallici e "barre" di collegamento a base di carbonio. I chimici possono sostituire gli hub ei linker per creare "spugne" nanometriche con molte proprietà diverse. Storicamente, I MOF sono stati utilizzati per tutto, dalla cattura di gas radioattivi dal combustibile nucleare esaurito, alla pulizia dell'acqua contaminata e persino allo stoccaggio sicuro dell'idrogeno.

Le nanoparticelle MOF del team di Sandia si illuminano di rosso o vicino all'infrarosso per almeno due giorni nelle cellule.

La luce del vicino infrarosso ha lunghezze d'onda più lunghe della luce rossa. È particolarmente utile per l'imaging all'interno di un corpo perché può penetrare nella pelle, tessuti e persino ossa senza causare danni, e produce immagini più chiare perché c'è meno autofluorescenza di fondo a quelle lunghezze d'onda, disse Sava Gallis. Gli attuali coloranti o nanoparticelle che brillano nel vicino infrarosso non durano a lungo o si illuminano solo debolmente, rendendo più luminoso, materiali più stabili inestimabili.

Progettazione razionale di MOF multifunzionali per il bioimaging

I MOF sono materiali complessi con proprietà regolabili e superfici sorprendenti; un grammo di un certo tipo di MOF ha la stessa superficie di 16 campi da basket. Sava Gallis ha detto, "Nel campo delle strutture metallo-organiche, abbiamo il vantaggio di scegliere i nostri elementi costitutivi per realizzare materiali su ordinazione."

Per 14 anni, ha lavorato per rendere la sintesi dei MOF più razionale e prevedibile. Alcuni metalli sono chimicamente attivi e altri brillano con determinati colori. Alcuni metalli formano gruppi con geometrie diverse, come "mozzi" giocattolo armeggiare con un diverso numero di fori, e talvolta il mozzo è un singolo ione metallico. Alcuni linker sono lunghi, produrre spugne con ampi vuoti e superfici elevate, e altri sono brevi. Alcuni linker sono cataliticamente attivi, cioè possono accelerare una reazione chimica o possono modificare la chimica del metallo mentre altri possono regolare il colore o la luminosità del bagliore del metallo.

Per progettare razionalmente MOF per il bioimaging, Sava Gallis ha selezionato metalli lantanidi, una classe di elementi delle terre rare. L'europio metallico si illumina di rosso; i metalli neodimio e itterbio emettono fluorescenza nel vicino infrarosso. Scelse anche le condizioni che avrebbero fatto sì che i lantanidi formassero robusti grappoli. frequentemente, I MOF realizzati con singoli ioni metallici non sono stabili all'acqua, ma spesso gli ammassi metallici lo sono, disse Sava Gallis. Questo è importante per il bioimaging poiché le cellule e le persone sono per lo più acqua. Anche, ha usato leganti di carbonio comunemente disponibili che producono pori dilatati. potenzialmente, questi pori potrebbero contenere farmaci e consentire sia l'imaging che il trattamento.

stabile all'acqua, MOF porosi che si illuminano nel vicino infrarosso

Sava Gallis ha messo insieme un team interdisciplinare per confermare che i MOF avevano le proprietà da lei progettate. Lo scienziato dei materiali Sandia Mark Rodriguez e Karena Chapman, del Laboratorio Nazionale Argonne, aiutato con gli studi strutturali di diffrazione dei raggi X. I ricercatori di Sandia Lauren Rohwer e Willie Luk hanno testato le proprietà di luminescenza dei MOF. Il team ha realizzato con successo una famiglia di MOF simili con una gamma di colori di emissione dal rosso al vicino infrarosso, consentendo ai ricercatori di "sintonizzare" il colore MOF a seconda di cosa potrebbe essere necessario.

Quindi, Il team di Sava Gallis ha testato per assicurarsi che le nanoparticelle fossero stabili in acqua e non uccidessero le cellule in coltura. Il nanobiologo di Sandia Kim Butler ha condotto studi di citotossicità per determinare se i MOF fossero tossici per le cellule di mammifero. Anche a dosi elevate, le nanoparticelle erano simili o meno tossiche di altre particelle studiate per il bioimaging, che è un buon segno per il loro futuro, disse Sava Gallis. Erano anche stabili nell'acqua o nell'acqua salata che imitava la biologia per almeno una settimana.

La biochimica di Sandia Meghan Dailey e il chimico bioanalitico Jeri Timlin hanno eseguito l'imaging di cellule vive utilizzando un microscopio a fluorescenza confocale iperspettrale personalizzato. Hanno dimostrato che le particelle MOF possono funzionare per studi di bioimaging a lungo termine nelle cellule dei mammiferi, ma potrebbe essere necessario ottimizzarle ulteriormente, magari modificando la superficie delle particelle, ha detto Sava Gallis.

"Siamo molto entusiasti del successo di questi studi iniziali e stiamo andando avanti per indagare sulla loro profondità di penetrazione nei tessuti, efficienza di luminescenza e, infine, la rilevanza per l'imaging negli organismi viventi, ", ha detto Sava Gallis.

La ricerca fa parte di un progetto molto più ampio per sviluppare adattabili, risposte sicure ed efficaci alle minacce biologiche e ai nuovi agenti patogeni finanziate dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia. Una parte importante di quel progetto è il monitoraggio della consegna di nanoparticelle, che richiede particelle o coloranti incandescenti biologicamente stabili.

I risultati sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS .