MIT-kemister har utvecklat nya nanopartiklar som samtidigt kan utföra magnetisk resonanstomografi (MRI) och fluorescerande avbildning hos levande djur. Sådana partiklar kan hjälpa forskare att spåra specifika molekyler som produceras i kroppen, övervaka en tumörs miljö, eller avgöra om droger framgångsrikt har nått sina mål.

I en tidning som förekommer i numret 18 november av Naturkommunikation , forskarna visar användningen av partiklarna, som bär distinkta sensorer för fluorescens och MRI, för att spåra C-vitamin hos möss. Varhelst det finns en hög koncentration av C-vitamin, partiklarna visar en stark fluorescerande signal men liten MRT-kontrast. Om det inte finns mycket C-vitamin, en starkare MR -signal är synlig men fluorescens är mycket svag.

Framtida versioner av partiklarna skulle kunna designas för att detektera reaktiva syrearter som ofta korrelerar med sjukdom, säger Jeremiah Johnson, en biträdande professor i kemi vid MIT och senior författare till studien. De kan också skräddarsys för att detektera mer än en molekyl åt gången.

"Du kanske kan lära dig mer om hur sjukdomar utvecklas om du har avbildningssonder som kan känna av specifika biomolekyler, " säger Johnson.

Dubbelverkan

Johnson och hans kollegor designade partiklarna så att de kan sättas ihop av byggstenar gjorda av polymerkedjor som bär antingen ett organiskt MRI-kontrastmedel som kallas nitroxid eller en fluorescerande molekyl som heter Cy5.5.

När de blandas i ett önskat förhållande, dessa byggstenar sammanfogar en specifik nanoserad struktur som författarna kallar en grenad flaskborstpolymer. För denna studie, de skapade partiklar där 99 procent av kedjorna bär nitroxider, och 1 procent bär Cy5.5.

Nitroxider är reaktiva molekyler som innehåller en kväveatom bunden till en syreatom med en oparad elektron. Nitroxider undertrycker Cy5.5:s fluorescens, men när nitroxiderna möter en molekyl som C-vitamin från vilken de kan ta elektroner, de blir inaktiva och Cy5.5 fluorescerar.

Nitroxider har vanligtvis en mycket kort halveringstid i levande system, men University of Nebraska kemiprofessor Andrzej Rajca, som också är författare till den nya Nature Communications-tidningen, upptäckte nyligen att deras halveringstid kan förlängas genom att fästa två skrymmande strukturer på dem. Vidare, författarna till Nature Communications-tidningen visar att inkorporering av Rajcas nitroxid i Johnsons polymerarkitekturer för grenade flaskborste leder till ännu större förbättringar i nitroxidlivslängden. Med dessa ändringar, nitroxider kan cirkulera i flera timmar i musens blodomlopp - tillräckligt länge för att få användbara MR -bilder.

Forskarna fann att deras bildpartiklar ackumulerades i levern, som nanopartiklar brukar göra. Muslevern producerar vitamin C, så när partiklarna nådde levern, de tog elektroner från C-vitamin, stänga av MRI-signalen och öka fluorescensen. De hittade inte heller någon MR -signal utan en liten mängd fluorescens i hjärnan, som är en destination för mycket av det C-vitamin som produceras i levern. I kontrast, i blodet och njurarna, där koncentrationen av C -vitamin är låg, MRT-kontrasten var maximal.

Mixa och matcha

Forskarna arbetar nu med att förbättra signalskillnaderna som de får när sensorn stöter på en målmolekyl som vitamin C. De har också skapat nanopartiklar som bär fluorescerande medel plus upp till tre olika läkemedel. Detta gör att de kan spåra om nanopartiklarna levereras till deras riktade platser.

"Det är fördelen med vår plattform – vi kan blanda och matcha och lägga till nästan vad vi vill, " säger Johnson.

Dessa partiklar kan också användas för att utvärdera nivån av syreradikaler i en patients tumör, som kan avslöja värdefull information om hur aggressiv tumören är.

"Vi tror att vi kanske kan avslöja information om tumörmiljön med dessa typer av sonder, om vi kan få dem dit, ", säger Johnson. "En dag kanske du kan injicera detta i en patient och få biokemisk information i realtid om sjukdomsplatser och även friska vävnader, vilket inte alltid är okomplicerat."

Steven Bottle, professor i nanoteknik och molekylär vetenskap vid Queensland University of Technology, säger att det mest imponerande inslaget i studien är kombinationen av två kraftfulla bildtekniker i ett nanomaterial.

"Jag tror att det här borde leverera en mycket kraftfull, metaboliskt kopplade, multikombinationsavbildningsmodalitet som bör tillhandahålla ett mycket användbart diagnostiskt verktyg med verklig potential att följa sjukdomsprogression in vivo, säger flaskan, som inte var inblandad i studien.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.