Dale Huber, chimico dei materiali dei Sandia National Laboratories, ha lavorato alla sfida di produrre nanoparticelle a base di ferro della stessa dimensione per 15 anni.

Ora, lui e i suoi collaboratori a lungo termine presso Imagion Biosystems utilizzeranno queste nanoparticelle magnetiche per la loro prima sperimentazione clinica sul cancro al seno entro la fine dell'anno. Le nanoparticelle si attaccano alle cellule del cancro al seno, consentendo l'individuazione e la rimozione anche di piccole metastasi.

Imagion Biosystems e Huber hanno lavorato insieme sintetizzando nanoparticelle sin dall'apertura del Centro per le nanotecnologie integrate nel 2006.

"Avere accesso al pool di talenti del CINT con esperti come Dale Huber è stato utile, " ha detto Bob Proulx, CEO di Imagion Biosystems. "Inoltre, il fatto che CINT disponga di un programma utente che consente all'industria di accedere alle strutture e alle attrezzature che, altrimenti, sarebbe troppo costoso per una piccola azienda come la nostra era preziosa. Il lavoro iniziale che abbiamo svolto con CINT per sviluppare un metodo per fornire un controllo preciso sulla dimensione della nanoparticella è stato fondamentale per la nostra tecnologia di rilassometria magnetica MagSense per il rilevamento del cancro".

CINT è una struttura per gli utenti gestita congiuntamente da Sandia e dal Los Alamos National Laboratory per l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. CINT fornisce accesso gratuito a attrezzature all'avanguardia e scienziati leader a livello mondiale per i ricercatori di nanoscienze nel mondo accademico e industriale, purché pubblichino i risultati su riviste scientifiche.

Le nanoparticelle magnetiche sono rivestite con anticorpi antitumorali, che si attaccano specificamente alle cellule cancerose. Un minuscolo impulso magnetico—della forza di un magnete da frigorifero e centinaia di volte più debole di quello prodotto da una macchina per la risonanza magnetica—può percepire la differenza tra le nanoparticelle attaccate alle cellule cancerose e quelle che fluttuano liberamente, permettendo la rilevazione di metastasi molto piccole.

Sintesi di precisione di nanoparticelle magnetiche

Però, affinché il metodo di rilevamento del cancro di Imagion Biosystems funzioni, tutte le nanoparticelle devono essere quasi esattamente della stessa dimensione.

"Una variazione del 2% è la differenza tra perfetto e quasi inutile, " disse Huber. Aggiunse ridendo, "Mi ha aperto gli occhi e se l'avessi saputo all'inizio, Forse non avrei accettato la sfida".

Erika Vreeland, che ha lavorato con Huber durante la sua tesi di dottorato per sviluppare una sintesi riproducibile ed è stata assunta da Imagion Biosystems come capo scienziato delle nanoparticelle dopo la laurea, ha affermato:"Abbiamo eliminato tutta la stregoneria della reazione".

Il metodo standard per produrre nanoparticelle di ferro consiste nel combinare gli ingredienti e riscaldare la miscela a circa 650 gradi Fahrenheit. La velocità con cui aumenta il calore determina la dimensione delle nanoparticelle, disse Huber. Però, proprio come il tuo forno di casa, supererà la temperatura critica e poi si raffredderà fino a stabilizzarsi. Quanto la temperatura supera questa temperatura critica influisce anche sulle dimensioni, producendo nanoparticelle più grandi o più piccole del 15%.

Anziché, Vreeland e Huber hanno sviluppato un metodo in cui aggiungono lentamente gli ingredienti a un bagno di metallo fuso la cui temperatura varia meno di mezzo grado. Questo produce nanoparticelle con una variazione dimensionale inferiore al 2%. Huber ha detto, "Non è il modo più semplice per creare particelle, ma è per questo che sono molto meglio."

Non solo il team ha scoperto un metodo altamente riproducibile per creare le minuscole particelle, hanno anche trasferito il processo due volte:una volta a Imagion e una volta a ChemConnection, un produttore di nanoparticelle nei Paesi Bassi che può produrre le nanoparticelle secondo le rigide normative della Food and Drug Administration e dell'Unione Europea necessarie per l'uso negli studi clinici sui pazienti.

"La sintesi è stata trasferita al laboratorio nei Paesi Bassi mantenendo il controllo delle dimensioni, " ha detto Huber. "Questo è enorme. Tutto cambia, anche i punti di ebollizione, perché i Paesi Bassi sono sostanzialmente al livello del mare".

Sperimentazione clinica per rilevare la diffusione del cancro al seno questo autunno

Dopo che ChemConnection ha creato diversi lotti, Imagion Biosystems eseguirà alcuni studi preclinici per ricontrollare che le particelle non siano tossiche. Quindi ChemConnection realizzerà un piccolo lotto di produzione di nanoparticelle, paragonabile a mezzo cucchiaino di zucchero, per gli studi clinici sul cancro al seno di Imagion Biosystems.

"Poiché le nanoparticelle sono uniformi e hanno eccellenti proprietà magnetiche, non abbiamo bisogno di molto. Ci aspettiamo che a un paziente venga iniettato al massimo 1 milligrammo di particelle, ", ha detto Vreeland.

Tutti i pazienti per la prima sperimentazione clinica saranno selezionati perché il regime di trattamento dei loro oncologi include la rimozione dei linfonodi e la biopsia. Prima che ogni paziente abbia diversi linfonodi rimossi chirurgicamente, le nanoparticelle magnetiche, rivestiti di anticorpi specifici per il cancro al seno, sarà iniettato nel sito dei tumori noti. Dopo la rimozione ma prima della biopsia, Il sistema di rilevamento di Imagion Biosystems esaminerà i linfonodi rimossi per cercare la diffusione del cancro.

Vreeland ha detto che spera che il metodo di Imagion Biosystems sia accurato come un patologo, con l'obiettivo finale di utilizzare questo metodo prima per cercare il cancro ed eliminare la necessità di rimuovere i linfonodi liberi dal cancro.

"La nostra aspirazione n. 1 è vedere le nanoparticelle diventare un uso clinico regolare con la nostra tecnologia di rilevamento del cancro MagSense. Oltre a ciò, crediamo che le nanoparticelle possano essere strumentali in un'ampia varietà di applicazioni biomediche, inclusi gli usi nel trattamento del cancro o di altre malattie, " disse Proulx.

Collaborazione continua per caratterizzare le nanoparticelle e risolvere i problemi

CINT e Imagion Biosystems hanno continuato la collaborazione oltre lo sforzo di produrre nanoparticelle magnetiche di dimensioni identiche. Vreeland ha detto, "Ci imbattiamo ancora in tutti i tipi di problemi per tutto il tempo, quindi essere in grado di parlare con Dale o altri scienziati di alcune delle sfide che stiamo affrontando è davvero inestimabile".

Il bioingegnere di Sandia George Bachand ha assistito con i primi studi di tossicologia e targeting cellulare. Il ricercatore di Sandia John Reno ha contribuito a caratterizzare le dimensioni e la forma delle nanoparticelle, utilizzando la diffusione di raggi X ad angolo ridotto.

La diffusione di raggi X a piccoli angoli è un metodo per determinare la dimensione e la distribuzione delle dimensioni dei materiali su scala nanometrica. "Con lo strumento di diffusione dei raggi X di CINT possiamo capire esattamente quanto sono grandi le particelle in 15 minuti. Sette o otto anni fa ci voleva una settimana per capire la stessa cosa usando la microscopia elettronica, " ha detto Huber.

Questa misurazione delle dimensioni quasi in tempo reale ha permesso a Vreeland di prevedere come sarebbe finita la reazione e di confermare che erano sulla strada giusta, lei disse. Il team ha utilizzato altri strumenti CINT per caratterizzare la forza magnetica ei rivestimenti delle nanoparticelle.

Oltre ad accedere agli esperti e alle apparecchiature CINT attraverso il suo programma utente, la partnership con Imagion Biosystems è stata supportata da diverse sovvenzioni del New Mexico Small Business Assistance Program, che può supportare la ricerca proprietaria.

Il team ha pubblicato diversi articoli della collaborazione, incluso uno in Chimica dei materiali nel 2015.