I nanoscienziati della Rice University hanno dimostrato un metodo per caricare il ferro all'interno delle nanoparticelle per creare agenti di contrasto per risonanza magnetica che superano le prestazioni dei chelati di gadolinio, l'agente di contrasto principale che sta affrontando un maggiore controllo a causa di potenziali problemi di sicurezza.

"La possibilità di eliminare l'esposizione al gadolinio e ottenere un doppio miglioramento delle prestazioni del contrasto MRI T1 incuriosirà i radiologi, " ha detto Naomi Halas di Rice, il ricercatore capo del progetto. "Quando sapranno che l'abbiamo fatto con il ferro, mi aspetto che rimarranno molto sorpresi".

Gli agenti di contrasto sono farmaci che migliorano le immagini MRI e le rendono più facili da interpretare per i radiologi. I radiologi possono "pesare" i risultati di una risonanza magnetica e far apparire tessuti specifici più luminosi o più scuri variando le condizioni del test. Vengono utilizzate due tecniche di ponderazione:T1 e T2. Mentre i mezzi di contrasto a base di ferro sono frequentemente impiegati per le scansioni T2, ci sono poche alternative clinicamente disponibili al gadolinio per i test T1.

"I chelati di ferro non sono nuovi, "Halas ha detto. "È opinione diffusa che siano del tutto impraticabili per il contrasto T1, ma questo studio è un'illustrazione perfetta di come le cose possono comportarsi diversamente quando si progetta su scala nanometrica".

Halas e i colleghi della Rice e dell'MD Anderson Cancer Center dell'Università del Texas descrivono i loro risultati in un articolo disponibile online sulla rivista dell'American Chemical Society. ACS Nano . Nello studio, hanno creato una versione modificata delle nanomatrioska, nanoparticelle a strati concentrici che traggono il loro nome dalle bambole russe nidificanti.

Nanomatryoshkas e nanoshells, un'altra nanoparticella stratificata che Halas ha inventato alla Rice più di 20 anni fa, sono circa 20 volte più piccole di un globulo rosso e sono costituite da strati di metallo conduttivo e silice non conduttiva. Variando lo spessore degli strati, Il team di Halas sintonizza le particelle per interagire con specifiche lunghezze d'onda della luce. Ad esempio, sia i nanoshell che le nanomatryoshka possono convertire la luce del vicino infrarosso altrimenti innocua in calore. Questo localizzato, il riscaldamento intenso è stato utilizzato per distruggere il cancro in diverse prove di nanoshell, compreso uno studio in corso per il trattamento del cancro alla prostata.

Il nuovo studio è l'ultimo capitolo degli sforzi di Halas per creare nanoparticelle attivate dalla luce con una combinazione di caratteristiche terapeutiche e diagnostiche. Queste particelle "teranostiche" potrebbero consentire ai medici di diagnosticare e curare il cancro nello stesso ufficio o visita ospedaliera.

Luke Henderson, uno studente laureato Rice e autore principale del ACS Nano carta, disse, "Se i medici potessero visualizzare le particelle attraverso una sorta di imaging, la terapia potrebbe essere più rapida ed efficace. Per esempio, immagina uno scenario in cui viene eseguita una scansione per verificare le dimensioni e il posizionamento del tumore, viene quindi generato calore per trattare il tumore e segue un'altra scansione per verificare che l'intero tumore sia stato distrutto".

Quando Henderson, un chimico, è entrato a far parte del Laboratorio di Nanofotonica di Halas nel 2016, Il team di Halas aveva già dimostrato di poter aggiungere coloranti fluorescenti alle nanomatrioske per renderle visibili nelle scansioni diagnostiche. Era in corso anche il lavoro su uno studio pubblicato nel 2017 che mostrava che i chelati di gadolinio potrebbero essere incorporati nello strato di silice per il contrasto della risonanza magnetica.

Gli scanner MRI visualizzano l'interno del corpo allineando brevemente i nuclei degli atomi di idrogeno e misurando quanto tempo impiegano i nuclei a "rilassarsi" al loro stato di riposo. Le proprietà di rilassamento variano a seconda del tessuto, e allineando ripetutamente i nuclei e misurando i tempi di rilassamento, uno scanner MRI costruisce un'immagine dettagliata degli organi del corpo, tessuti e strutture. Gli agenti di contrasto migliorano la risoluzione della scansione aumentando il tasso di rilassamento delle particelle.

I chelati di gadolinio hanno rivoluzionato i test di risonanza magnetica quando sono stati introdotti alla fine degli anni '80 e sono stati utilizzati più di 400 milioni di volte. Sebbene il gadolinio sia un metallo tossico, il processo chelante ricopre ogni ione gadolinio con un involucro organico che riduce l'esposizione e consente al farmaco di passare dal corpo attraverso la minzione entro poche ore

Nel 2013, Scienziati giapponesi hanno fatto la sorprendente scoperta che il gadolinio dei mezzi di contrasto si era accumulato nel cervello di alcuni pazienti, e studi successivi hanno trovato depositi simili nelle ossa e in altri organi. Sebbene non siano stati associati effetti negativi sulla salute con agenti di contrasto per risonanza magnetica a base di gadolinio, la FDA ha richiesto ai produttori di farmaci di aggiungere avvertenze alle guide ai farmaci per otto agenti di contrasto a base di gadolinio ampiamente utilizzati nel dicembre 2017.

"Nel precedente lavoro con il gadolinio, abbiamo notato che il design della nanomatrioska ha migliorato la relassività dei chelati di gadolinio incorporati, " Ha detto Henderson. "Allo stesso tempo, abbiamo sentito più chiamate dalla comunità medica per alternative al gadolinio, e abbiamo deciso di provare i chelati di ferro e vedere se abbiamo ottenuto lo stesso tipo di miglioramento".

I risultati hanno sorpreso tutti. Non solo Henderson è stato in grado di aumentare la relassività per il ferro, è stato in grado di caricare circa quattro volte più ferro in ogni nanomatrioska. Ciò ha permesso alle nanomatrioske cariche di ferro di eseguire il doppio dei chelati di gadolinio clinicamente disponibili.

Henderson ha anche trovato un modo generico per cambiare il tipo di metallo caricato. Aggiungendo prima le molecole di chelato scaricate alla silice, scoprì che poteva caricare il metallo immergendo le particelle in un bagno di sali metallici. Cambiando i metalli nel bagno, scoprì che poteva facilmente caricare diversi ioni paramagnetici, compreso manganese, nelle nanomatrioske.

Dopo che gli ioni metallici sono stati caricati nella silice, lo strato finale della nanomatrioska, il guscio d'oro esterno, è stato aggiunto. Il guscio, che è vitale per la plasmonica, serve anche come barriera per prevenire il risucchio di ioni. Henderson ha affermato che la barriera d'oro ha anche un vantaggio secondario per i coloranti fluorescenti che ha aggiunto per la diagnostica dual-mode.

"Tutti i coloranti fluorescenti sono soggetti a fotosbiancamento, il che significa che svaniscono nel tempo e alla fine non emettono un segnale misurabile, " Ha detto Henderson. "Anche se li congeli, che rallenta lo sbiancamento, in genere non durano più di un paio di settimane. Stavo guardando un vecchio campione di nanomatrioska che era rimasto in frigo per mesi, e ho scoperto che stavano ancora fluorescenti abbastanza bene. Quando abbiamo esaminato più da vicino questo aspetto, abbiamo scoperto che i coloranti erano circa 23 volte più stabili quando erano all'interno delle nanomatrioske".