Ett Sandia National Laboratories -team har designat och syntetiserat nanopartiklar som lyser rött och är stabila, användbara egenskaper för att spåra cancertillväxt och spridning.

Detta arbete är första gången den inneboende luminescensen av metallorganiska rammaterial, eller MOF, för långsiktig bioavbildning har rapporterats, materialkemisten Dorina Sava Gallis sa. Fluorescensmärkta tumörer, eller andra specifika typer av celler, är en ny, kraftfull metod för att avbilda inuti en kropp.

MRT, Röntgen och ultraljud är kraftfulla metoder för biodiagnostik för att diagnostisera sjukdomar. Dock, dessa metoder har alla sina begränsningar och används vanligtvis inte för att behandla sjukdomar. I åratal, forskare har letat efter teranostiska medel, material som har både terapeutisk och diagnostisk användning.

MOF är en grupp kemikalier med stor potential för avbildning och behandling av cancer och andra sjukdomar. Dessa leksaksliknande molekyler har metall "nav" och kolbaserade länkar "stavar". Kemister kan byta ut naven och länkarna för att göra nanoserade "svampar" med många olika egenskaper. Historiskt sett MOF har använts för allt från att fånga radioaktiva gaser från använt kärnbränsle, för att rengöra förorenat vatten och till och med lagra vätgas på ett säkert sätt.

Sandia -teamets MOF -nanopartiklar lyser rött eller nära infrarött i minst två dagar i celler.

Nära infrarött ljus har längre våglängder än rött ljus. Det är särskilt användbart för avbildning inuti en kropp eftersom det kan tränga in i huden, vävnad och till och med ben utan att orsaka skada, och ger klarare bilder eftersom det är mindre bakgrundsautofluorescens vid dessa våglängder, sa Sava Gallis. Nuvarande färgämnen eller nanopartiklar som lyser i det nära infraröda varar inte särskilt länge eller lyser bara svagt, blir ljusare, mer stabila material ovärderliga.

Rationell utformning av multifunktionella MOF för bioavbildning

MOF är komplexa material med avstämbara egenskaper och häpnadsväckande ytor; ett gram av en viss typ av MOF har samma yta som 16 basketplaner. Sava Gallis sa:"Inom metall-organiska ramverk, vi har fördelen att välja våra byggstenar för att göra skräddarsydda material. "

I 14 år, hon har arbetat med att göra syntesen av MOF:er mer rationella och förutsägbara. Vissa metaller är kemiskt aktiva och andra lyser i vissa färger. Vissa metaller bildar kluster med olika geometrier - som tinkerleksaker "nav" med olika antal hål - och ibland är navet en enda metalljon. Vissa länkar är långa, att producera svampar med stora tomma utrymmen och höga ytor, och andra är korta. Vissa länkar är katalytiskt aktiva - det vill säga de kan påskynda en kemisk reaktion - eller kan justera metallens kemi medan andra kan justera färgen eller ljusstyrkan på metallens glöd.

För att rationellt utforma MOF för bioimaging, Sava Gallis valde lantanidmetaller, en klass av sällsynta jordartsmetaller. Metallen europium lyser rött; metaller neodym och ytterbium fluorescerar i det nära infraröda. Hon valde också förhållanden som skulle få lantaniderna att bilda robusta kluster. Ofta, MOF tillverkade med enskilda metalljoner är inte vattenstabila, men metallkluster är ofta, sa Sava Gallis. Detta är viktigt för bioimaging eftersom celler och människor mestadels är vatten. Också, hon använde vanligt tillgängliga kolkopplare som producerar stora porer. Potentiellt, dessa porer kan hålla droger och tillåta både bildbehandling och behandling.

Vattenstabil, porösa MOF som lyser i det nära infraröda

Sava Gallis tillsatte ett tvärvetenskapligt team för att bekräfta att MOF:erna hade de egenskaper hon konstruerade. Sandia materialvetare Mark Rodriguez och Karena Chapman, från Argonne National Laboratory, hjälpte till med röntgendiffraktionsstrukturstudier. Sandia -forskarna Lauren Rohwer och Willie Luk testade MOF:s luminescensegenskaper. Teamet skapade framgångsrikt en familj av liknande MOF:er med en rad utsläppsfärger från rött till nära infrarött så att forskare kan "ställa in" MOF -färgen beroende på vad den kan behövas för.

Sedan, Sava Gallis team testade för att se till att nanopartiklarna var stabila i vatten och inte dödade odlade celler. Sandia nanobiolog Kim Butler utförde cytotoxicitetsstudier för att avgöra om MOF:erna var giftiga för däggdjursceller. Även vid höga doser, nanopartiklarna var liknande eller mindre giftiga än andra partiklar som studerades för bioimaging, vilket är ett gott tecken för deras framtid, sa Sava Gallis. De var också stabila i vatten eller biologiskt efterliknande saltvatten i minst en vecka.

Sandia-biokemisten Meghan Dailey och den bioanalytiska kemisten Jeri Timlin gjorde avbildning med levande celler med hjälp av ett anpassat hyperspektralt konfokalt fluorescensmikroskop. De visade att MOF-partiklarna kan fungera för långsiktiga bioavbildningsstudier i däggdjursceller men kan behöva optimeras ytterligare, kanske genom att modifiera partiklarnas yta, Sa Sava Gallis.

"Vi är mycket glada över framgången med dessa inledande studier och går framåt för att undersöka deras vävnadspenetrationsdjup, luminescenseffektivitet och slutligen, relevansen för avbildning i levande organismer, sa Sava Gallis.

Forskningen är en del av ett mycket större projekt för att utveckla anpassningsbara, säkra och effektiva svar på biologiska hot och nya patogener som finansieras av Sandias program för forskning och utveckling. En viktig del av det projektet är att spåra leverans av nanopartiklar, som kräver biologiskt stabila glödande partiklar eller färgämnen.

Resultaten publicerades i ACS -tillämpade material och gränssnitt .