Med hjälp av en roman, realtidsbildsystem, forskare har spårat en grupp nära-infraröda fluorescerande nanopartiklar från lungornas luftrum, in i kroppen och ut igen, tillhandahålla en beskrivning av egenskaperna och beteendet hos dessa små partiklar som skulle kunna användas för att utveckla terapeutiska medel för att behandla lungsjukdomar, samt erbjuda en större förståelse för hälsoeffekterna av luftföroreningar.

Leds av utredare vid Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) och Harvard School of Public Health, resultaten beskrivs i 7 november Advance Online-numret av tidskriften Naturens bioteknik .

På en skala från en till 100 nanometer (nm) – en miljarddels meter – är nanopartiklar för små för att vara synliga genom ett traditionellt mikroskop. Men denna extremt lilla skala gör dem till potentiella kandidater för riktad läkemedelsleverans, kapabel att exakt lokalisera sjukdomskällor med ökad effektivitet och minimala biverkningar på omgivande vävnader.

"Nanopartiklar lovar som terapeutiska medel för ett antal sjukdomar, " förklarar co-senior författare John V. Frangioni, MD, PhD, av avdelningen för hematologi/onkologi vid BIDMC och docent i medicin och radiologi vid Harvard Medical School (HMS), vars laboratorium är specialiserat på utveckling av avbildningssystem och av kontrastmedelsutveckling för molekylär avbildning. Lungans anatomi, med sin stora yta och minimala barriärer som begränsar tillgången till kroppen, gör detta organ till ett särskilt bra mål för tillförsel av nanopartiklar av läkemedel.

"Vi har varit intresserade av ödet för små partiklar efter att de avsatts djupt i gasutbytesområdet i lungan, ", tillägger co-senior författare Akira Tsuda, PhD, en forskare inom programmet Molecular and Integrative Physiological Sciences på Institutionen för miljöhälsa vid Harvard School of Public Health. "Att bestämma de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos inhalerade nanopartiklar på deras förmåga att passera [lungornas] alveolära epitelyta är ett viktigt steg för att förstå de biologiska effekterna i samband med exponering för dessa partiklar."

Tidigare verk av Frangioni och första författaren Hak Soo Choi, PhD, en instruktör i medicin vid HMS, hade fastställt egenskaperna hos nanopartiklar som reglerar clearance från kroppen. "Att vara av värde kliniskt, nanopartiklar måste antingen kunna brytas ned till biologiskt inerta föreningar, eller effektivt rensas bort från kroppen, säger Choi, förklarar att ansamling av nanopartiklar kan vara giftigt.

Syftet med denna nya studie var att fastställa egenskaperna och parametrarna för inhalerade nanopartiklar som förmedlar deras upptag i kroppen - från den yttre miljön, över den alveolära lungytan och in i lymfsystemet och blodomloppet och så småningom till andra organ. Att göra detta, forskarna använde sig av FLARE™ (Fluorescence-Assisted Resection and Exploration) bildsystem, systematiskt variera den kemiska sammansättningen, storlek, form och ytladdning av en grupp nära-infraröda fluorescerande nanopartiklar för att jämföra de fysiokemiska egenskaperna hos de olika konstruerade partiklarna. Utredarna spårade sedan rörelsen av de olika nanopartiklarna i lungorna på råttmodeller under en period av en timme, och även verifierade resultat med hjälp av konventionella radioaktiva spårämnen.

"FLARE-systemet gjorde det möjligt för oss att halvera antalet experiment samtidigt som vi utförde direkta jämförelser av nanopartiklar av olika storlekar, former och stelheter, " förklarar Frangioni, vars laboratorium utvecklade FLARE-systemet för användning i bildstyrd cancerkirurgi såväl som andra applikationer.

Deras resultat visade att icke-positivt laddade nanopartiklar, mindre än 34 nm i diameter, uppträdde i de lungdränerande lymfkörtlarna inom 30 minuter. De fann också att nanopartiklar mindre än 6 nm i diameter med "zwitterjoniska" egenskaper (lika positiva och negativa laddningar) färdades till de dränerande lymfkörtlarna inom bara några minuter, rensas sedan ut av njurarna till urin.

"Dessa nya rön kan användas för att designa och optimera partiklar för läkemedelstillförsel genom inhalationsterapi, " konstaterar Tsuda. "Denna forskning vägleder oss också i bedömningen av hälsoeffekterna av olika partikelformiga föroreningar, eftersom data antyder vikten av att särskilja specifika underklasser av partiklar [baserat på ytkemi och storlek] som snabbt kan passera det alveolära epitelet och kan spridas i kroppen."

Lägger till Frangioni, "Denna studie kompletterar vårt tidigare arbete där vi definierade egenskaperna hos nanopartiklar som reglerar effektiv clearance från kroppen. Med dessa nya rön, som definierar de egenskaper som reglerar upptaget i kroppen, vi har nu beskrivit en komplett "cykel" av nanopartikelhandel -- från miljön, genom lungorna, in i kroppen, sedan ut ur njurarna i urinen och tillbaka till omgivningen."