(Phys.org) —Quando Hyunjoon Kong, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare dell'Università dell'Illinois, studente laureato Cartney Smith, e colleghi hanno deciso di migliorare l'imaging RM (MRI), hanno capovolto l'attuale tecnologia degli agenti di contrasto, o meglio, l'hanno capovolta. Il nuovo composto che hanno progettato in collaborazione con il professore di chimica Roger Adams dell'Illinois Steven C. Zimmerman non è solo più efficace, ma anche autoassemblante. Kong è anche membro del tema di ricerca Biologia rigenerativa e Ingegneria dei tessuti presso l'Istituto di biologia genomica.

Quando i medici eseguono una risonanza magnetica, somministrano un mezzo di contrasto:una sostanza chimica che, quando iniettato nel flusso sanguigno o ingerito dal paziente appena prima della risonanza magnetica, migliora la chiarezza di strutture o organi nell'immagine risultante. Una classe comune di mezzi di contrasto, spesso utilizzato per l'imaging dei vasi sanguigni e delle emorragie interne, contiene gadolinio, un metallo delle terre rare.

Recentemente, i ricercatori biomedici hanno trovato modi per aumentare l'efficacia di alcuni agenti di contrasto associandoli a nanoparticelle. L'agente di contrasto utilizzato viene confezionato all'interno o incollato sulla superficie di particelle microscopiche, che può essere progettato per colpire determinate regioni del corpo o prolungare l'attività dell'agente.

I ricercatori stanno ora esplorando l'uso multiuso delle nanoparticelle. Se le particelle potessero essere caricate con diversi tipi di agenti di contrasto o coloranti invece di uno, o un mezzo di contrasto insieme ad un altro tipo di ausilio diagnostico o farmaco, i medici potrebbero testare e trattare in modo più efficiente le condizioni, e limitare il numero di iniezioni ricevute dai pazienti.

Proprio come i bambini che condividono un nuovo giocattolo, anche se, i composti confezionati insieme in una nanoparticella non possono sempre giocare bene insieme. Per esempio, gli agenti di contrasto possono legarsi ad altre sostanze chimiche, riducendone l'efficacia. Inoltre, quando i mezzi di contrasto sono racchiusi all'interno di una nanoparticella, potrebbero non funzionare altrettanto bene. Anche i tentativi di attaccare gli agenti alla superficie esterna delle nanoparticelle tramite formazione covalente sono problematici, in quanto possono influenzare negativamente l'attività delle nanoparticelle o dei composti che trasportano.

Kong, Smith e colleghi hanno affrontato queste sfide utilizzando come guida le interazioni tra le biomolecole presenti in natura. Molti tipi di proteine ​​sono fortemente attaccati alle membrane cellulari non da legami covalenti, ma dalla somma di più forze più deboli - l'attrazione di cariche positive e negative, e la tendenza delle sostanze non polari (simili all'olio) a cercarsi l'un l'altra ed evitare l'acqua.

Il gruppo ha ipotizzato che gli stessi tipi di forze potrebbero essere utilizzati per attaccare un agente di contrasto alla superficie di un tipo di nanoparticella chiamata liposoma, che assomiglia a un piccolo pezzo di membrana cellulare a forma di minuscola bolla. I ricercatori hanno progettato una molecola "fissatrice", DTPA-chitosano-g-C18, che è addebitato, attirandolo al liposoma e legandolo al mezzo di contrasto gadolinio. Una regione non polare lo ancora alla membrana liposomiale.

In una serie di esperimenti riportati in un recente ACS Nano articolo (DOI:10.1021/nn4026228), Kong e altri hanno dimostrato che la loro molecola di fissaggio si è prontamente inserita nella membrana di liposomi prefabbricati. Gadolinio stabilmente associato alle nanoparticelle modificate in soluzione, e gli esperimenti su modelli animali hanno mostrato che queste nanoparticelle producono immagini diagnostiche chiare.

"La strategia funziona come il velcro a livello molecolare per far aderire le unità funzionali al lembo esterno di un liposoma, " ha detto Smith, chi è stato il primo autore dello studio. "Questo lavoro rappresenta una nuova strategia di progettazione dei materiali che è scalabile e facilmente implementabile. Lo sviluppo di agenti di contrasto migliorati ha il potenziale per avere un impatto diretto sulla vita dei pazienti rilevando i vasi sanguigni danneggiati".

Una delle difficoltà nel lavorare con i liposomi è la loro tendenza a degradarsi all'interno del corpo. Quando i liposomi caricati con il dispositivo di fissaggio si sono degradati, parte dell'efficacia del gadolinio andò perduta. In un secondo studio pubblicato in Langmuir (DOI:10.1021/la500412r), Kong e Smith hanno sviluppato un processo per reticolare chimicamente i componenti della nanoparticella che ha prolungato la vita delle nanoparticelle in condizioni biologiche.