I nanodiamanti - diamanti industriali sintetici di appena pochi nanometri - hanno recentemente attirato una notevole attenzione a causa del potenziale che offrono per la somministrazione mirata di vaccini e farmaci antitumorali e per altri usi. Finora, le opzioni per l'imaging dei nanodiamanti sono state limitate. Ora un team di ricercatori con sede presso l'Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging presso il Massachusetts General Hospital ha ideato un mezzo per tracciare i nanodiamanti in modo non invasivo con la risonanza magnetica (MRI), aprendo una serie di nuove applicazioni. Riportano i loro risultati oggi nel giornale online Comunicazioni sulla natura .
"Con questo studio, abbiamo mostrato che potevamo produrre immagini RM rilevanti dal punto di vista biomedico utilizzando nanodiamanti come fonte di contrasto nelle immagini e che potevamo attivare e disattivare il contrasto a piacimento, "dice David Waddington, autore principale dell'articolo e studente di dottorato presso l'Università di Sydney in Australia. Waddington sta attualmente lavorando con Matthew Rosen, dottorato di ricerca, nel Low-Field Imaging Laboratory del Martinos Center. "Con strategie concorrenti, i nanodiamanti devono essere preparati esternamente e poi iniettati nel corpo, dove possono essere ripresi solo per poche ore al massimo. Però, poiché la nostra tecnica è biocompatibile, possiamo continuare l'imaging per periodi di tempo indefiniti. Ciò aumenta la possibilità di monitorare la somministrazione di composti farmacologici nanodiamanti per una varietà di malattie e di fornire informazioni vitali sull'efficacia delle diverse opzioni di trattamento".
Waddington ha iniziato questo lavoro tre anni fa come parte di una borsa di studio Fulbright assegnata all'inizio del suo lavoro di laurea presso l'Università di Sydney, dove è membro di un team guidato dal coautore dello studio David Reilly, dottorato di ricerca, nel nuovo Sydney Nanoscience Hub, sede dell'Australian Institute for Nanoscale Science and Technology, che ha lanciato lo scorso anno. Come parte del gruppo Reilly, Waddington ha svolto un ruolo cruciale nei primi successi con l'imaging con nanodiamanti, compreso un documento del 2015 in Comunicazioni sulla natura . Ha poi cercato di estendere il potenziale dell'approccio collaborando con Rosen al Martinos Center e Ronald Walsworth, dottorato di ricerca, all'Università di Harvard, anche co-autore del presente studio. Il gruppo di Rosen è leader mondiale nel campo della risonanza magnetica a campo ultrabasso, una tecnica che si è rivelata essenziale per lo sviluppo dell'imaging con nanodiamanti in vivo.
In precedenza, l'uso dell'imaging con nanodiamanti nei sistemi viventi era limitato alle regioni accessibili mediante tecniche di fluorescenza ottica. Però, la maggior parte delle potenziali applicazioni diagnostiche e terapeutiche delle nanoparticelle, compreso il monitoraggio di processi patologici complessi come il cancro, richiedere l'uso della risonanza magnetica - il gold standard per non invasivo, alto contrasto, imaging clinico tridimensionale.
In questo studio, i ricercatori mostrano che potrebbero ottenere una risonanza magnetica potenziata con nanodiamante sfruttando un fenomeno noto come effetto Overhauser per aumentare il segnale di risonanza magnetica intrinsecamente debole del diamante attraverso un processo chiamato iperpolarizzazione, in cui i nuclei sono allineati all'interno di un diamante in modo da creare un segnale rilevabile da uno scanner MRI. L'approccio convenzionale all'iperpolarizzazione utilizza tecniche di fisica dello stato solido a temperature criogeniche, ma l'aumento del segnale non dura molto a lungo ed è quasi scomparso quando il composto di nanoparticelle viene iniettato nel corpo. Combinando l'effetto Overhauser con i progressi della risonanza magnetica a campo ultrabasso che esce dal Martinos Center, i ricercatori sono stati in grado di superare questa limitazione, aprendo così la strada all'imaging di nanodiamanti in vivo ad alto contrasto per periodi di tempo indefinitamente lunghi.
La risonanza magnetica a campo ultrabasso ad alte prestazioni è di per sé una tecnologia relativamente nuova, prima segnalazione in Rapporti scientifici nel 2015 dai colleghi di Rosen e Martinos Center. "Grazie a un'ingegneria innovativa, strategie di acquisizione ed elaborazione del segnale, la tecnologia offre velocità e risoluzione finora irraggiungibili nel regime di risonanza magnetica a campo ultrabasso, "dice Rosen, direttore del Low-Field Imaging Laboratory, un assistente professore di radiologia presso la Harvard Medical School e l'autore senior dell'attuale documento. "E, cosa importante, eliminando la necessità di massicci, magneti superconduttori raffreddati a criogeno, apre una serie di nuove opportunità, inclusa la tecnica di imaging del nanodiamante che abbiamo appena descritto".
I ricercatori hanno notato diverse possibili applicazioni per il loro nuovo approccio alla risonanza magnetica con nanodiamanti. Questi includono il rilevamento accurato dei tumori dei linfonodi, che può aiutare nel trattamento del cancro alla prostata metastatico, ed esplorando la permeabilità della barriera ematoencefalica, che può svolgere un ruolo importante nella gestione dell'ictus ischemico. Poiché fornisce un segnale RM misurabile per periodi superiori a un mese, la tecnica potrebbe giovare ad applicazioni come il monitoraggio della risposta alla terapia.
Nel monitoraggio del trattamento sono incluse le applicazioni nel fiorente campo della medicina personalizzata. "La somministrazione di farmaci altamente specifici è fortemente correlata ai risultati positivi dei pazienti, "dice Waddington, che è stato insignito del Journal of Magnetic Resonance Young Scientist Award alla Experimental NMR Conference 2016 in riconoscimento di questo lavoro. "Però, la risposta a tali farmaci spesso varia in modo significativo su base individuale. La capacità di visualizzare e monitorare la consegna di questi composti farmacologici nanodiamanti sarebbe, perciò, essere di grande vantaggio per lo sviluppo di trattamenti personalizzati."
I ricercatori continuano a esplorare il potenziale della tecnica e stanno ora pianificando uno studio dettagliato dell'approccio in un modello animale, studiando anche il comportamento di diversi complessi di nanodiamante-farmaco e visualizzandoli con la nuova capacità.
