(Phys.org)—Un nuovo tipo di agente di contrasto per risonanza magnetica basato su nanoparticelle dimostra selettività per le cellule tumorali rispetto alle cellule non cancerose, può rilevare l'ipossia, ed è sufficientemente sensibile da consentire l'individuazione di cellule tumorali difficili da trovare secondo uno studio in Nanotecnologia della natura .

Ricercatori dell'Università di Tokyo, Istituto di tecnologia di Tokyo, Kawasaki Institute of Industry Promotion, e la Japan Agency for Quantum and Radiological Science and Technology hanno sviluppato un agente di contrasto da nanoparticelle a base di fosfato di calcio che rilasciano uno ione manganese in un ambiente acido. Lo ione manganese si lega quindi alle proteine ​​consentendo un segnale di contrasto più forte che dura più a lungo rispetto alle attuali alternative clinicamente approvate. Questi agenti di contrasto a base di nanoparticelle sono anche funzionalizzati con un guscio di poli(etilene glicole) che promuove l'attaccamento alla cellula cancerosa.

La risonanza magnetica si basa sull'eccitazione e il successivo rilassamento dei protoni. Negli studi clinici di risonanza magnetica, il segnale è determinato dal tempo di rilassamento dei protoni di idrogeno in acqua. Per ottenere un segnale più forte, gli scienziati possono utilizzare agenti di contrasto per ridurre il tempo di rilassamento dei protoni.

La risonanza magnetica non è invasiva e non comporta radiazioni, rendendolo uno strumento diagnostico sicuro. Però, il suo segnale debole rende difficile il rilevamento del tumore. L'agente di contrasto ideale sceglierebbe per i tumori maligni, rendendo la sua posizione e diagnosi molto più ovvie.

Gli agenti di contrasto nanoparticellari sono stati di interesse perché le nanoparticelle possono essere funzionalizzate e, come in questo studio, può contenere vari metalli. I ricercatori hanno tentato di funzionalizzare le nanoparticelle con ligandi che si attaccano a fattori chimici sulla superficie delle cellule tumorali. Però, le cellule tumorali tendono ad essere composizionalmente eterogenee, portando alcuni ricercatori a cercare nanoparticelle che rispondano a differenze di pH o potenziale redox rispetto alle cellule normali.

Peng Mi, Daisuke Kokuryo, Horacio Cabral, Hailiang Wu, Yasuko Terada, Tsuneo Saga, Ichio Aoki, Nobuhiro Nishiyama, e Kazunori Kataoka hanno sviluppato un agente di contrasto composto da Mn ²⁺ - nanoparticelle di CaP drogate con un guscio di PEG. Hanno ragionato che usando le nanoparticelle di CaP, che sono noti per essere sensibili al pH, consentirebbe il rilascio mirato di Mn ²⁺ ioni nel microambiente tumorale. Il microambiente tumorale tende ad avere un pH più basso rispetto alle regioni normali per un rapido metabolismo cellulare in un ambiente povero di ossigeno. Gli ioni manganese sono stati testati perché sono paramagnetici, che lo rende un buon agente di contrasto. Si legano anche alle proteine ​​creando un sistema manganese-proteina a rotazione lenta che si traduce in un netto miglioramento del contrasto.

Studi con nanoparticelle di CaPMnPEG hanno mostrato che le nanoparticelle sono stabili in condizioni fisiologiche (pH 7,4) e solo l'8% del Mn ²⁺ ioni sono stati rilasciati in queste condizioni. In condizioni che mimano il microambiente tumorale e l'ambiente intercellulare, entro quattro ore il 36% del Mn ²⁺ gli ioni sono stati rilasciati a pH 6,7, 71% a pH 6,5, e oltre il 90% a pH 5.

Inoltre, i test con CaPMnPEG e albumina sierica umana (HSA) in un mezzo acido hanno mostrato una significativa amplificazione del segnale. Ciò è dovuto al legame proteico del Mn ²⁺ ione, che ha notevolmente aumentato la relassività molecolare dello ione.

Questi risultati erano promettenti, quindi Peng Mi, et al. poi ha testato se l'agente di contrasto CaPMnPEG ha funzionato nei tumori solidi. Perché Mn ²⁺ rimane confinato all'interno della matrice di nanoparticelle a pH fisiologico, CaPMnPEG dimostra una tossicità molto inferiore rispetto a MnCl ₂ . Gli studi di risonanza magnetica hanno mostrato un contrasto tumore-normale del 131% dopo 30 minuti, che è molto più alto di Gd-DTPA, un mezzo di contrasto clinicamente approvato. Dopo un'ora, il rapporto tumore-normale era del 160% ed è rimasto intorno al 170% per diverse ore.

Studi di risonanza magnetica tridimensionale di tumori solidi hanno mostrato che senza l'aggiunta di CaPMnPEG, erano visibili solo i vasi sanguigni. Però, dopo aver aggiunto CaPMnPEG, il tumore era facilmente distinguibile. Inoltre, ci sono prove che l'eccesso di Mn ²⁺ lascia il plasma dopo un'ora. Il segnale di contrasto è rimasto forte per diverse ore indicando che il legame proteico piuttosto che Mn ²⁺ la concentrazione è importante per il miglioramento del segnale.

In particolare, c'erano regioni di miglioramento del contrasto più luminose sul tumore. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che le regioni a contrasto più elevato erano correlate all'ipossia tumorale. I tumori maligni tendono ad essere ipossici e portano ad un accumulo di lattato. Ciò si traduce in un abbassamento del pH. Altre tecniche per rilevare l'ipossia tendono a guardare solo la superficie del tessuto bersaglio o, nel caso del PET, comportano radiazioni e scarsa risoluzione. Questa tecnica è più sicura, non invasivo, e non limitato ai tumori di superficie.

Finalmente, test con tumori metastatici nel fegato (cellule di cancro del colon C26) hanno mostrato che CaPMnPEG funziona bene nell'analisi di organi solidi ed è altamente sensibile alla rilevazione di micrometastasi di dimensioni millimetriche. A differenza di altri mezzi di contrasto utilizzati in clinica, CaPMnPEG ha fornito un segnale di contrasto che è durato per diverse ore dopo l'iniezione. Dopo un'ora, il segnale è stato potenziato del 25% e dopo due ore, il segnale è stato potenziato del 39%.

Questa ricerca riporta lo sviluppo e la caratterizzazione di un nuovo promettente agente di contrasto che potrebbe fornire una migliore rilevazione e diagnosi del tumore. Ulteriori studi potrebbero comportare la sperimentazione di questo agente di contrasto con altre malattie che causano cambiamenti fisiologici nel pH e il monitoraggio in vivo di nuovi farmaci.

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