I chimici del MIT hanno sviluppato nuove nanoparticelle in grado di eseguire contemporaneamente la risonanza magnetica (MRI) e l'imaging fluorescente negli animali viventi. Tali particelle potrebbero aiutare gli scienziati a tracciare molecole specifiche prodotte nel corpo, monitorare l'ambiente di un tumore, o determinare se i farmaci hanno raggiunto con successo i loro obiettivi.

In un articolo apparso nel numero del 18 novembre di Comunicazioni sulla natura , i ricercatori dimostrano l'uso delle particelle, che trasportano sensori distinti per fluorescenza e risonanza magnetica, per monitorare la vitamina C nei topi. Ovunque ci sia un'alta concentrazione di vitamina C, le particelle mostrano un forte segnale fluorescente ma poco contrasto MRI. Se non c'è molta vitamina C, è visibile un segnale MRI più forte ma la fluorescenza è molto debole.

Le versioni future delle particelle potrebbero essere progettate per rilevare specie reattive dell'ossigeno che spesso sono correlate a malattie, dice Jeremiah Johnson, un assistente professore di chimica al MIT e autore senior dello studio. Potrebbero anche essere adattati per rilevare più di una molecola alla volta.

"Potresti essere in grado di saperne di più su come progrediscono le malattie se disponi di sonde di imaging in grado di rilevare biomolecole specifiche, " dice Johnson.

Doppia azione

Johnson e i suoi colleghi hanno progettato le particelle in modo che possano essere assemblate da blocchi costituiti da catene polimeriche che trasportano un agente di contrasto organico per risonanza magnetica chiamato nitrossido o una molecola fluorescente chiamata Cy5.5.

Quando mescolati insieme nel rapporto desiderato, questi elementi costitutivi si uniscono per formare una specifica struttura nanometrica che gli autori chiamano un polimero a spazzola di bottiglia ramificato. Per questo studio, hanno creato particelle in cui il 99 percento delle catene trasporta nitrossidi, e l'1% porta Cy5.5.

I nitrossidi sono molecole reattive che contengono un atomo di azoto legato a un atomo di ossigeno con un elettrone spaiato. I nitrossidi sopprimono la fluorescenza di Cy5.5, ma quando i nitrossidi incontrano una molecola come la vitamina C da cui possono catturare elettroni, diventano inattivi e Cy5.5 emette fluorescenza.

I nitrossidi hanno tipicamente un'emivita molto breve nei sistemi viventi, ma il professore di chimica dell'Università del Nebraska Andrzej Rajca, che è anche autore del nuovo documento Nature Communications, hanno recentemente scoperto che la loro emivita può essere estesa attaccando loro due strutture ingombranti. Per di più, gli autori dell'articolo su Nature Communications mostrano che l'incorporazione del nitrossido di Rajca nelle architetture polimeriche degli scovolini per bottiglie di Johnson porta a miglioramenti ancora maggiori nella durata del nitrossido. Con queste modifiche, i nitrossidi possono circolare per diverse ore nel flusso sanguigno di un topo, abbastanza a lungo da ottenere immagini MRI utili.

I ricercatori hanno scoperto che le loro particelle di imaging si accumulavano nel fegato, come di solito fanno le nanoparticelle. Il fegato di topo produce vitamina C, quindi una volta che le particelle hanno raggiunto il fegato, hanno preso elettroni dalla vitamina C, spegnendo il segnale MRI e aumentando la fluorescenza. Inoltre non hanno trovato alcun segnale di risonanza magnetica, ma una piccola quantità di fluorescenza nel cervello, che è una destinazione per gran parte della vitamina C prodotta nel fegato. In contrasto, nel sangue e nei reni, dove la concentrazione di vitamina C è bassa, il contrasto della risonanza magnetica era massimo.

Mescolare e abbinare

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare le differenze di segnale che ottengono quando il sensore incontra una molecola bersaglio come la vitamina C. Hanno anche creato nanoparticelle che trasportano l'agente fluorescente più fino a tre diversi farmaci. Ciò consente loro di monitorare se le nanoparticelle vengono consegnate alle posizioni target.

"Questo è il vantaggio della nostra piattaforma:possiamo combinare e abbinare e aggiungere quasi tutto ciò che vogliamo, " dice Johnson.

Queste particelle potrebbero essere utilizzate anche per valutare il livello di radicali dell'ossigeno nel tumore di un paziente, che può rivelare preziose informazioni su quanto sia aggressivo il tumore.

"Pensiamo di poter rivelare informazioni sull'ambiente tumorale con questo tipo di sonde, se riusciamo a portarli lì, " Johnson dice. "Un giorno potresti essere in grado di iniettare questo in un paziente e ottenere informazioni biochimiche in tempo reale sui siti della malattia e anche sui tessuti sani, il che non è sempre immediato".

Steven bottiglia, professore di nanotecnologia e scienze molecolari presso la Queensland University of Technology, afferma che l'elemento più impressionante dello studio è la combinazione di due potenti tecniche di imaging in un nanomateriale.

"Credo che questo dovrebbe fornire un potente, metabolicamente legato, modalità di imaging multi-combinazione che dovrebbe fornire uno strumento diagnostico molto utile con un potenziale reale per seguire la progressione della malattia in vivo, "dice Bottiglia, che non è stato coinvolto nello studio.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.