Magneter i nanoskala erbjuder ett nytt sätt att hitta svimning, tidiga spår av cancer hos patienter, enligt Rice University studenter som arbetar på en metod för att dra nytta av magneternas egenskaper. Tre Rice beräknings- och tillämpad matematikstudenter förfinar ett program för att analysera magnetiska relaxometrisignaler från järnoxidnanopartiklar som hittar och fäster sig vid cancerceller.

Ris seniorer Brian Ho, Rachel Hoffman och Eric Sung har utvecklat ett nytt sätt att analysera data för cancerforskare som hoppas kunna använda magnetiska nanopartiklar för att lokalisera tecken på cancer som röntgenstrålar aldrig skulle kunna upptäcka.

Alla magneter (eller material benägna att magnetism) har magnetiska "ögonblick, "som osynliga nålar som kan röra sig och reagera på magnetfält, även om deras fysiska värdar inte kan.

Dessa spöklika nålar riktas in när de utsätts för ett externt magnetfält; när fältet tas bort, de "slappnar av" ännu en gång. Relaxometri mäter denna senare egenskap. Det visar sig att stunderna slappnar av i en helt annan takt när de tillhör nanopartiklar som är bundna till cancerceller.

Studenterna arbetar med Rice-rådgivaren Béatrice Rivière, Noah G. Harding-stolen och professor i beräknings- och tillämpad matematik, och läkare vid University of Texas MD Anderson Cancer Center i Houston för att utveckla datorprogram som analyserar "spår" av dessa ögonblick när de slappnar av. Albuquerque, N.M., -baserad Senior Scientific, i samarbete med MD Anderson, utvecklar en kommersiell relaxometriplattform för tidig upptäckt av cancer.

De 25 nanometer superparamagnetiska järnoxidnanopartiklarna är förstärkta med antikroppsproteiner som riktar sig mot biomarkörproteiner som produceras av cancerceller, sa Sung. "När de binder till cellerna, deras rörelseomfång är kraftigt begränsad, och denna begränsade rörelse är ganska viktig, " sa han. "När du anbringar ett externt magnetfält, partiklarnas dipoler kommer att anpassas för att motverka fältet. När dipolerna väl är vända mot varandra, då har du ett magnetfält på i huvudsak noll. Men det intressanta för oss är vad som kommer efter."

Studenterna och MD Anderson-teamet arbetar med att kvantifiera denna avslappningsfas eftersom den markerar platsen för cancerceller i labbprover och i möss.

Obundna nanopartiklar kommer att slumpmässigt omorientera sig på mindre än en millisekund, men eftersom antikroppsassocierade nanopartikelkomplex som är bundna till cancerceller är begränsade i sin rörelse, deras magnetiska avslappning är mycket långsammare – upp till en sekund, sa Sung. "Vi tar reda på exakt vad det betyder." han sa.

Teamet noterade att dagens bästa cancerdetektionsmetoder bara fångar tumörer med mer än 10 miljoner cancerceller. Det nya tillvägagångssättet har potential att upptäcka tumörer med så få som 20, 000 celler. Studenterna förväntar sig att metoder som bygger på relaxometri också kommer att vara säkrare än nuvarande metoder som utsätter patienter för joniserande strålning.

Studenternas programvara tar upp två problem som kan skada relaxometridata. En är att fysisk rörelse – som en patients andning – kan förskjuta målsignalen och förvränga resultaten. Den andra är vad eleverna kallar "fluxhopp, " en inspelningsartefakt som orsakar en grossistförskjutning i data. "Fluxhoppet har att göra med hur det mäts, " sa Sung. "Men vi har hittat ut en algoritm för att ta hand om båda dessa saker. Och det ser ganska trevligt ut."

Hoffman sa att Rice-teamet gav ett nytt perspektiv på problemet som erkändes av MD Andersons David Fuentes, en biträdande professor vid institutionen för bildfysik, och hans kollegor. "De tittade på det väldigt teoretiskt, medan vi ser på det mer pragmatiskt, " sa hon. "Vi undersökte vad vi kan göra med just denna data, i motsats till att försöka utveckla en algoritm som kan tillämpas på vilken datauppsättning som helst."

"Verkligen, det seniora designteamets bidrag till rörelsekorrigering och detektering av flödeshopp kommer att ha en bestående inverkan och kommer att införlivas i framtida analyspipelines, sa Fuentes.

Ho sa att Rice-teamets nästa steg är att skapa ett sätt att generera syntetiska dataspår för att testa programmet. "När vi väl kan sätta in några fluxhopp och andningsspikar, vi kan kvantifiera hur bra vår algoritm är, " han sa.