Molte tecnologie di imaging e i loro agenti di contrasto - sostanze chimiche utilizzate durante le scansioni per aiutare a rilevare tumori e altri problemi - comportano l'esposizione a radiazioni o metalli pesanti, che presentano potenziali rischi per la salute dei pazienti e limitano le modalità di applicazione. Nel tentativo di mitigare questi inconvenienti, una nuova ricerca degli ingegneri dell'Università della Pennsylvania mostra un modo per rivestire un agente di contrasto a base di ferro in modo che interagisca solo con l'ambiente acido dei tumori, rendendolo più sicuro, più economico ed efficace delle alternative esistenti.

La ricerca è stata condotta dal professore associato Andrew Tsourkas e dallo studente laureato Samuel H. Crayton del dipartimento di bioingegneria della Penn's School of Engineering and Applied Science. È stato pubblicato sulla rivista ACS Nano.

Risonanza magnetica, o risonanza magnetica, è una caratteristica sempre più comune delle cure mediche. Utilizzando un forte campo magnetico per rilevare e influenzare l'allineamento delle molecole d'acqua nel corpo, La risonanza magnetica può produrre rapidamente immagini di un'ampia gamma di tessuti corporei, sebbene la chiarezza di queste immagini a volte sia insufficiente per le diagnosi. Per migliorare la differenziazione - o contrasto - tra tumori e tessuto sano, i medici possono applicare un mezzo di contrasto, come nanoparticelle contenenti ossido di ferro. L'ossido di ferro può migliorare le immagini MRI grazie alla loro capacità di distorcere il campo magnetico dello scanner; le aree in cui si concentrano risaltano più chiaramente.

Queste nanoparticelle, che sono stati recentemente approvati negli Stati Uniti per l'uso clinico come agenti di contrasto, sono letteralmente ricoperti di zucchero; uno strato esterno di destrano impedisce alle particelle di legarsi o di essere assorbite dal corpo e potenzialmente ammalare il paziente. Questo rivestimento non reattivo consente di eliminare l'ossido di ferro al termine dell'imaging, ma significa anche che le particelle non possono essere mirate a un particolare tipo di tessuto.

Se l'agente di contrasto potesse essere ingegnerizzato in modo che aderisca solo al tessuto già malato, come tumori, risolverebbe entrambi i problemi contemporaneamente. Gli scienziati hanno provato questo approccio rivestendo le nanoparticelle con proteine ​​che si legano solo ai recettori presenti all'esterno dei tumori, ma non tutti i tumori sono uguali in questo senso.

"Uno dei limiti di un approccio basato sui recettori è che non colpisci tutto, "Tsourkas ha detto. "È difficile raccomandarli come strumento di screening quando si sa che i recettori bersaglio sono espressi solo nel 30% dei tumori".

"Uno dei motivi per cui ci piace il nostro approccio è che colpisce molti tumori; quasi tutti i tumori mostrano un cambiamento nell'acidità del loro microambiente".

Gli ingegneri Penn hanno approfittato di qualcosa noto come effetto Warburg, un capriccio del metabolismo del tumore, per aggirare il problema del targeting. La maggior parte delle cellule del corpo sono aerobiche; ottengono principalmente la loro energia dall'ossigeno. Però, anche quando l'ossigeno è abbondante, le cellule cancerose utilizzano un processo anaerobico per la loro energia. Come muscoli sovraccarichi, trasformano il glucosio in acido lattico, ma a differenza dei muscoli normali, i tumori interrompono il flusso sanguigno intorno a loro e hanno difficoltà a eliminare questo acido. Ciò significa che i tumori hanno quasi sempre un pH più basso rispetto ai tessuti sani circostanti.

Alcune tecnologie di imaging, come la spettroscopia a risonanza magnetica, possono anche sfruttare i microambienti a basso pH dei tumori, ma richiedono costose apparecchiature specializzate che non sono disponibili nella maggior parte dei contesti clinici.

Utilizzando il glicole chitosano, un polimero a base di zucchero che reagisce agli acidi, gli ingegneri hanno permesso ai nanovettori di rimanere neutri quando si trovavano vicino a tessuti sani, ma per diventare ionizzato a basso pH. Il cambiamento di carica che si verifica in prossimità dei tumori acidi fa sì che i nanovettori vengano attratti e trattenuti in quei siti.

Questo approccio ha un altro vantaggio:più un tumore è maligno, più distrugge i vasi sanguigni circostanti e più il suo ambiente diventa acido. Ciò significa che il glicole rivestito di chitosano è un buon rivelatore di malignità, aprendo opzioni di trattamento al di là della diagnosi.

"Puoi prendere qualsiasi nanoparticella e metterci sopra questo rivestimento, quindi non è limitato all'imaging in alcun modo, " ha detto Tsourkas. "Potresti anche usarlo per fornire farmaci ai siti del tumore".

I ricercatori sperano che, entro sette o dieci anni, nanoparticelle di ossido di ferro rivestite di glicole-chitosano potrebbero migliorare la specificità dello screening diagnostico. La capacità di rilevare con precisione i siti di malignità mediante la risonanza magnetica sarebbe un miglioramento immediato degli agenti di contrasto esistenti per alcune scansioni del cancro al seno.

"Il gadolinio è usato come agente di contrasto negli screening per il cancro al seno con risonanza magnetica per pazienti ad alto rischio. Si raccomanda a questi pazienti di ottenere una risonanza magnetica oltre alla consueta mammografia, perché la sensibilità delle mammografie può essere scarsa, " ha detto Tsourkas. "La sensibilità di una risonanza magnetica è molto più alta, ma la specificità è bassa:lo screening rileva molti tumori, ma molti di loro sono benigni. Avere uno strumento come il nostro consentirebbe ai medici di differenziare meglio i tumori benigni e maligni, soprattutto perché è stata dimostrata una correlazione tra malignità e pH".