En ny, specialbelagda nanopartiklar av järnoxid som utvecklats av ett team vid MIT och på andra håll skulle kunna utgöra ett alternativ till konventionella gadoliniumbaserade kontrastmedel som används för magnetisk resonanstomografi (MRI) procedurer. I sällsynta fall, de för närvarande använda gadoliniummedlen har visat sig ge negativa effekter hos patienter med nedsatt njurfunktion.

Tillkomsten av MRI-teknik, som används för att observera detaljer om specifika organ eller blodkärl, har varit en enorm välsignelse för medicinsk diagnostik under de senaste decennierna. Ungefär en tredjedel av de 60 miljoner MRT-ingrepp som görs årligen i världen använder kontrastförstärkande medel, mestadels innehållande grundämnet gadolinium. Även om dessa kontrastmedel för det mesta har visat sig säkra under många års användning, några sällsynta men signifikanta biverkningar har visat sig hos en mycket liten undergrupp av patienter. Det kan snart finnas ett säkrare substitut tack vare denna nya forskning.

I stället för gadoliniumbaserade kontrastmedel, forskarna har funnit att de kan producera liknande MRI-kontrast med små nanopartiklar av järnoxid som har behandlats med en zwitterjonbeläggning. (Zwitterioner är molekyler som har områden med både positiva och negativa elektriska laddningar, som avbryter för att göra dem neutrala överlag.) Resultaten publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , i en tidning av Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi vid MIT; Han Wei, en MIT postdoc; Oliver Bruns, en MIT-forskare; Michael Kaul vid University Medical Center Hamburg-Eppendorf i Tyskland; och 15 andra.

Kontrastmedel, injiceras i patienten under en MRT-procedur och utformad för att snabbt avlägsnas från kroppen av njurarna efteråt, behövs för att göra fina detaljer av organstrukturer, blodkärl, och andra specifika vävnader som är tydligt synliga i bilderna. Vissa agenter producerar mörka områden i den resulterande bilden, medan andra producerar ljusa områden. De primära medlen för att producera ljusa områden innehåller gadolinium.

Järnoxidpartiklar har till stor del använts som negativa (mörka) kontrastmedel, men radiologer föredrar i hög grad positiva (ljus) kontrastmedel som gadoliniumbaserade medel, eftersom negativ kontrast ibland kan vara svår att skilja från vissa avbildningsartefakter och inre blödningar. Men medan de gadoliniumbaserade medlen har blivit standarden, bevis visar att de i vissa mycket sällsynta fall kan leda till ett obehandlat tillstånd som kallas nefrogen systemisk fibros, vilket kan vara dödligt. Dessutom, bevis visar nu att gadolinium kan byggas upp i hjärnan, och även om inga effekter av denna uppbyggnad ännu har visats, FDA undersöker det för potentiell skada.

"Under det senaste decenniet, fler och fler biverkningar har kommit fram" från gadoliniummedlen, Bruns säger, så det fick forskargruppen att söka efter alternativ. "Inga av dessa problem finns för järnoxid, " åtminstone ingen som ännu har upptäckts, han säger.

Det viktigaste nya fyndet av detta team var att kombinera två befintliga tekniker:att göra mycket små partiklar av järnoxid, och fästa vissa molekyler (kallade ytligander) på utsidan av dessa partiklar för att optimera deras egenskaper. Den oorganiska järnoxidkärnan är tillräckligt liten för att ge en uttalad positiv kontrast vid MRT, och den zwitterjoniska ytliganden, som nyligen utvecklades av Wei och medarbetare i forskargruppen Bawendi, gör järnoxidpartiklarna vattenlösliga, kompakt, och biokompatibel.

Kombinationen av en mycket liten järnoxidkärna och ett ultratunt ligandskal leder till en total hydrodynamisk diameter på 4,7 nanometer, under tröskelvärdet för njurclearance på 5,5 nanometer. Detta innebär att den belagda järnoxiden snabbt ska rensa genom njurarna och inte ackumuleras. Denna renala clearance-egenskap är en viktig egenskap där partiklarna presterar jämförbart med gadoliniumbaserade kontrastmedel.

Nu när de första testerna har visat partiklarnas effektivitet som kontrastmedel, Wei och Bruns säger att nästa steg blir att göra ytterligare toxikologiska tester för att visa partiklarnas säkerhet, och att fortsätta att förbättra materialets egenskaper. "Det är inte perfekt. Vi har mer att göra, " säger Bruns. Men eftersom järnoxid har använts så länge och på så många sätt, även som ett järntillskott, eventuella negativa effekter kan sannolikt behandlas med väletablerade protokoll, säger forskarna. Om allt går bra, teamet överväger att starta ett startup-företag för att få materialet till produktion.

För vissa patienter som för närvarande är uteslutna från att få MRI på grund av potentiella biverkningar av gadolinium, de nya medlen "kan tillåta dessa patienter att vara berättigade igen" för proceduren, säger Bruns. Och, om det visar sig att ansamlingen av gadolinium i hjärnan har negativa effekter, en övergripande utfasning av gadolinium för sådana användningar kan behövas. "Om det skulle visa sig vara fallet, detta kan potentiellt vara en komplett ersättning, " han säger.

Forskargruppen inkluderade forskare inom MIT:s kemi, biologisk ingenjörskonst, kärnkraftsvetenskap och teknik, hjärn- och kognitionsvetenskap, och materialvetenskap och ingenjörsavdelningar och dess program inom hälsovetenskap och teknik; och vid University Medical Center Hamburg-Eppendorf; Brown University; och Massachusetts General Hospital. Det stöddes av MIT-Harvard NIH Center for Cancer Nanotechnology, Army Research Office genom MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies, det NIH-finansierade Laser Biomedical Research Center, MIT Deshpande Center, och Europeiska unionens sjunde ramprogram.