Många bildtekniker och deras kontrastmedel - kemikalier som används vid skanningar för att upptäcka tumörer och andra problem - innebär exponering för strålning eller tungmetaller, som utgör potentiella hälsorisker för patienter och begränsar hur de kan tillämpas. I ett försök att mildra dessa nackdelar, ny forskning från University of Pennsylvania ingenjörer visar ett sätt att belägga ett järnbaserat kontrastmedel så att det bara interagerar med den sura miljön av tumörer, gör det säkrare, billigare och effektivare än befintliga alternativ.
Forskningen genomfördes av docent Andrew Tsourkas och doktorand Samuel H. Crayton vid institutionen för bioingenjör i Penn's School of Engineering and Applied Science. Det publicerades i tidningen ACS Nano.
Magnetisk resonansavbildning, eller MRT, är ett allt vanligare inslag i sjukvården. Med hjälp av ett starkt magnetfält för att upptäcka och påverka inriktningen av vattenmolekyler i kroppen, MR kan snabbt producera bilder av ett brett spektrum av kroppsvävnader, även om tydligheten i dessa bilder ibland är otillräcklig för diagnoser. För att förbättra differentieringen - eller kontrasten - mellan tumörer och frisk vävnad, läkare kan applicera ett kontrastmedel, såsom nanopartiklar som innehåller järnoxid. Järnoxiden kan förbättra MR -bilder på grund av deras förmåga att snedvrida skannerns magnetfält; områden de är koncentrerade i sticker ut tydligare.
Dessa nanopartiklar, som nyligen har godkänts i USA för klinisk användning som kontrastmedel, är bokstavligen sockerbelagda; ett yttre lager av dextran håller partiklarna från att binda eller absorberas av kroppen och eventuellt göra patienten sjuk. Denna icke-reaktiva beläggning gör att järnoxiden kan spolas ut efter att avbildningen är klar, men det betyder också att partiklarna inte kan riktas mot en viss typ av vävnad.
Om kontrastmedlet kunde konstrueras så att det bara fastnar på vävnad som redan är sjuk, som tumörer, det skulle lösa båda problemen på en gång. Forskare har försökt detta tillvägagångssätt genom att belägga nanopartiklar med proteiner som endast binder till receptorer som finns på utsidan av tumörer, men inte alla tumörer är desamma i detta avseende.
"En av begränsningarna för ett receptorbaserat tillvägagångssätt är att du bara inte träffar allt, "Tsourkas sa." Det är svårt att rekommendera dem som ett screeningsverktyg när man vet att målreceptorerna bara uttrycks i 30% av tumörerna. "
"En av anledningarna till att vi gillar vårt tillvägagångssätt är att det träffar många tumörer; nästan alla tumörer uppvisar en förändring i surheten i sin mikromiljö."
Penn -ingenjörerna utnyttjade något som kallas Warburg -effekten, en egendom av tumörmetabolism, för att komma runt målproblemet. De flesta av kroppens celler är aeroba; de får i första hand sin energi från syre. Dock, även när syre är rikligt, cancerceller använder en anaerob process för sin energi. Som överbelastade muskler, de förvandlar glukos till mjölksyra, men till skillnad från normala muskler, tumörer stör blodflödet runt dem och har svårt att rensa bort denna syra. Detta innebär att tumörer nästan alltid har ett lägre pH än omgivande frisk vävnad.
Vissa bildtekniker, såsom magnetisk resonansspektroskopi, kan också dra nytta av tumörers låga pH-mikromiljöer, men de kräver dyr specialiserad utrustning som inte är tillgänglig i de flesta kliniska miljöer.
Genom att använda glykolchitosan-en sockerbaserad polymer som reagerar på syror-tillät ingenjörerna att nanobärarna förblev neutrala när de var nära frisk vävnad, men att bli joniserad vid lågt pH. Förändringen av laddning som sker i närheten av sura tumörer gör att nanobärarna lockas till och kvarhålls på dessa platser.
Detta tillvägagångssätt har en annan fördel:ju mer malign en tumör är, ju mer det stör omgivande blodkärl och desto surare blir miljön. Detta betyder att glykolchitosanbelagd är en bra detektor för malignitet, öppna behandlingsalternativ utöver diagnosen.
"Du kan ta vilken nanopartikel som helst och lägga denna beläggning på den, så det är inte begränsat till avbildning på något sätt, "sa Tsourkas." Du kan också använda den för att leverera läkemedel till tumörställen. "
Forskarna hoppas att, inom sju till tio år, glykol-kitosan-belagda järnoxid-nanopartiklar kan förbättra specificiteten hos diagnostisk screening. Möjligheten att exakt upptäcka platser för malignitet med MR skulle vara en omedelbar förbättring av befintliga kontrastmedel för vissa bröstcancerskanningar.
"Gadolinium används som kontrastmedel vid MRT-bröstcancerundersökningar för högriskpatienter. Dessa patienter rekommenderas att ta en MR förutom det vanliga mammogrammet, eftersom mammograms känslighet kan vara dålig, "sa Tsourkas." Känsligheten hos en MR är mycket högre, men specificiteten är låg:screeningen upptäcker många tumörer, men många av dem är godartade. Att ha ett verktyg som vårt skulle göra det möjligt för kliniker att bättre skilja de godartade och maligna tumörerna, särskilt eftersom det har visat sig finnas ett samband mellan malignitet och pH. "
