Un'immagine al microscopio elettronico mostra ioni di bismuto (linee scure) all'interno di nanotubi di carbonio. Il materiale creato alla Rice University è un agente di contrasto che può consentire ai medici di monitorare il progresso delle cellule staminali nel corpo con uno scanner TC. Credito:Eladio Rivera/Rice University
Gli scienziati della Rice University hanno intrappolato il bismuto in una gabbia di nanotubi per etichettare le cellule staminali per il monitoraggio dei raggi X.
Il bismuto è probabilmente meglio conosciuto come l'elemento attivo di un popolare elisir per calmare lo stomaco ed è anche usato nei cosmetici e nelle applicazioni mediche. Il chimico del riso Lon Wilson e i suoi colleghi stanno inserendo composti di bismuto in nanotubi di carbonio a parete singola per creare un agente di contrasto più efficace per gli scanner per tomografia computerizzata (TC).
Dettagli del lavoro del team Rice di Wilson e dei collaboratori dell'Università di Houston, Ospedale Episcopale San Luca, e il Texas Heart Institute appaiono nel Journal of Materials Chemistry B .
Questa non è la prima volta che il bismuto viene testato per le scansioni TC, e il laboratorio di Wilson ha sperimentato per anni agenti di contrasto a base di nanotubi per scanner di risonanza magnetica (MRI). Ma questa è la prima volta che qualcuno combina il bismuto con i nanotubi per l'immagine di singole cellule, Egli ha detto.
"Ad un certo punto, ci siamo resi conto che nessuno ha mai rintracciato le cellule staminali, o qualsiasi altra cellula che possiamo trovare, da CT, " Wilson ha detto. "CT è molto più veloce, più conveniente e conveniente, e la strumentazione è molto più diffusa (rispetto alla risonanza magnetica). Quindi abbiamo pensato che se mettiamo il bismuto all'interno dei nanotubi e i nanotubi all'interno delle cellule staminali, potremmo essere in grado di seguirli in vivo in tempo reale".
Le immagini delle cellule staminali mesenchimali scattate con uno scanner per tomografia computerizzata (CT) mostrano un forte contrasto tra le cellule etichettate con nanotubi che non includono il bismuto (a sinistra) e quelle che lo fanno (a destra). Credito:Eladio Rivera/Rice University
Gli esperimenti fino ad oggi confermano la loro teoria. Nei test che utilizzano cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo osseo di maiale, Wilson e l'autore principale Eladio Rivera, un ex ricercatore post-dottorato alla Rice, scoperto che i nanotubi riempiti di bismuto, che chiamano Bi@US-tubes, producono immagini TC molto più luminose di quelle dei comuni agenti di contrasto a base di iodio.
"Il bismuto è stato pensato prima come un agente di contrasto CT, ma metterlo in capsule di nanotubi ci permette di farli entrare all'interno delle cellule in alte concentrazioni, " Wilson ha detto. "Questo ci permette di prendere un'immagine a raggi X della cellula."
Le capsule sono costituite da un processo chimico che taglia e purifica i nanotubi. Quando i tubi e il cloruro di bismuto vengono mescolati in una soluzione, si combinano nel tempo per formare tubi Bi@US.
Le capsule di nanotubi sono lunghe tra 20 e 80 nanometri e hanno un diametro di circa 1,4 nanometri. "Sono abbastanza piccoli da diffondersi nella cellula, dove poi si aggregano in un ciuffo di circa 300 nanometri di diametro, " ha detto. "Pensiamo che il tensioattivo utilizzato per sospenderli nei mezzi biologici venga rimosso quando passano attraverso la membrana cellulare. I nanotubi sono lipofili, così quando si trovano nella cella restano uniti".
Un'immagine a raggi X di cellule staminali mesenchimali non etichettate in provette mostra la drammatica differenza tra quelle etichettate con nanotubi che non includono il bismuto (a sinistra) e quelle che lo fanno (a destra). La tecnica sviluppata alla Rice University promette di monitorare le cellule staminali vive nel corpo. Credito:Eladio Rivera/Rice University
Wilson ha affermato che gli studi del suo team hanno mostrato che le cellule staminali assorbono prontamente i tubi Bi@US senza influire sulla loro funzione. "Le cellule si adattano nel tempo all'incorporazione di questi pezzi di carbonio e poi fanno i loro affari, " Egli ha detto.
I tubi Bi@US presentano evidenti vantaggi rispetto ai comuni mezzi di contrasto a base di iodio, disse Wilson. "Il bismuto è un elemento pesante, in basso vicino al fondo della tavola periodica, e più efficace nella diffrazione dei raggi X di quasi qualsiasi altra cosa tu possa usare, " disse. Una volta che il bismuto è incapsulato nei nanotubi, l'agente può produrre un contrasto elevato in concentrazioni molto piccole. Le superfici dei nanotubi possono essere modificate per migliorare la biocompatibilità e la loro capacità di colpire determinati tipi di cellule. Possono anche essere modificati per l'uso con la risonanza magnetica, tomografia ad emissione di positroni e sistemi di imaging a risonanza paramagnetica elettronica.
Il laboratorio Rice sta lavorando per raddoppiare la quantità di bismuto in ogni nanotubo. "Gli ioni di bismuto sembrano entrare nei nanotubi per azione capillare, e pensiamo di poter migliorare il processo per almeno raddoppiare il contrasto, forse di più, " ha detto. "Quindi vorremmo combinare sia il bismuto che il gadolinio in un nanotubo per produrre un agente di contrasto bimodale che può essere monitorato sia con gli scanner MRI che con quelli TC".
