(Phys.org) — När University of Illinois docent i kemi- och biomolekylär teknik Hyunjoon Kong, doktorand Cartney Smith, och kollegor siktar på att förbättra MR-avbildning (MRT), de vände dagens kontrastmedelsteknik på huvudet - eller snarare, de vände den ut och in. Den nya substansen de designade i samarbete med Illinois Roger Adams professor i kemi Steven C. Zimmerman är inte bara mer effektiv, men även självmonterande. Kong är också medlem i forskningstemat Regenerative Biology and Tissue Engineering vid Institutet för genomisk biologi.

När läkare gör en MRT, de administrerar ett kontrastmedel:en kemikalie som, när det injiceras i blodomloppet eller intas av patienten strax före MRT, förbättrar klarheten hos strukturer eller organ i den resulterande bilden. En vanlig klass av kontrastmedel, används ofta för avbildning av blodkärl och inre blödningar, innehåller gadolinium, en sällsynt jordartsmetall.

Nyligen, biomedicinska forskare har hittat sätt att öka effektiviteten hos vissa kontrastmedel genom att associera dem med nanopartiklar. Kontrastmedlet som används är förpackat inuti eller bundet till ytan av mikroskopiska partiklar, som kan utformas för att rikta in sig på vissa delar av kroppen eller förlänga medlets aktivitet.

Forskare undersöker nu mångsidig användning av nanopartiklar. Om partiklar kunde laddas med flera typer av kontrastmedel eller färgämnen istället för en, eller ett kontrastmedel tillsammans med en annan typ av diagnostiskt hjälpmedel eller ett läkemedel, läkare kunde mer effektivt testa och behandla tillstånd, och begränsa antalet injektioner som patienter får.

Precis som småbarn som delar en ny leksak, fastän, föreningar som packas ihop till en nanopartikel kan inte alltid spela bra ihop. Till exempel, kontrastmedel kan binda till andra kemikalier, minska deras effektivitet. Dessutom, när kontrastmedel är inneslutna i en nanopartikel, de kanske inte fungerar lika bra. Försök att fästa medel på den yttre ytan av nanopartiklar via kovalent bildning är också problematiska, eftersom de kan påverka aktiviteten hos nanopartiklarna eller de föreningar som de bär på negativt.

Kong, Smith och kollegor tacklade dessa utmaningar genom att använda interaktioner mellan naturligt förekommande biomolekyler som vägledning. Många typer av proteiner är starkt fästa till cellmembranen inte genom kovalenta bindningar, men genom summan av flera svagare krafter - attraktion av positiva och negativa laddningar, och tendensen hos icke-polära (oljeliknande) ämnen att söka varandra och undvika vatten.

Gruppen antog att samma typer av krafter skulle kunna användas för att fästa ett kontrastmedel på ytan av en typ av nanopartikel som kallas en liposom, som liknar en liten bit cellmembran i form av en liten bubbla. Forskarna designade en "fastener"-molekyl, DTPA-chitosan-g-C18, som debiteras, attrahera den till liposomen och binda den till kontrastmedlet gadolinium. En opolär region förankrar den till liposommembranet.

I en serie experiment som rapporterats i en nyligen ACS Nano artikel (DOI:10.1021/nn4026228), Kong och andra visade att deras fästelementsmolekyl lätt förde in sig själv i membranet av förtillverkade liposomer. Gadolinium stabilt associerat med de modifierade nanopartiklarna i lösning, och experiment i djurmodeller visade att dessa nanopartiklar producerade tydliga diagnostiska bilder.

"Strategin fungerar som kardborreband på molekylär nivå för att fästa funktionella enheter till den yttre broschyren av en liposom, sa Smith, som var första författare till studien. "Detta arbete representerar en ny materialdesignstrategi som är skalbar och lätt att implementera. Utvecklingen av förbättrade kontrastmedel har potential att direkt påverka patienternas liv genom att upptäcka skadade blodkärl."

En av svårigheterna med att arbeta med liposomer är deras tendens att brytas ned i kroppen. När de fästeladdade liposomerna försämrades, en del av effektiviteten av gadolinium förlorades. I en andra studie publicerad i Langmuir (DOI:10.1021/la500412r), Kong och Smith utvecklade en process för att kemiskt tvärbinda komponenterna i nanopartikeln som förlängde nanopartiklarnas livslängd under biologiska förhållanden.