Kemister från Ryssland och Schweiz skapade biosäkra självlysande nanopartiklar för att avbilda tumörer och blodkärl skadade av hjärtinfarkt eller stroke. Partiklarna är gjorda av hafniumoxid som används för intravenös injektion, och dopad med joner av sällsynta jordartsmetaller. Forskarna hoppas kunna skapa ett alternativ till giftiga kvantprickar och avbilda djupa vävnader utan att skada patienten. Studien dök upp i Kolloider och ytor B:Biogränssnitt .

Forskarna från ITMO University i Sankt Petersburg och ETH Zürich försökte på ett säkert sätt visualisera cancertumörer och skadade blodkärl i hjärtat och hjärnan. Nanopartiklarna som de utvecklade kan avge synligt ljus under ultraviolett och blå excitation som gör att läkare kan använda dem som kontrastmedel för avbildning av inre vävnader.

Avbildningen av organ är inte illustrativ utan lämpliga markörer, men alla optiskt aktiva substanser som används idag för detta ändamål har betydande nackdelar. Således, organiska ämnen fungerar inte universellt och sönderfaller snabbt i kroppen. Och även om halvledarnanopartiklar som kallas kvantprickar har unika självlysande egenskaper, på grund av deras farliga effekt på en levande patient, dessa partiklar kan endast användas in vitro.

Enligt ITMO-forskare, markörerna de har utvecklat är fria från dessa nackdelar och kan ersätta kvantprickar i framtiden. De nya nanopartiklarna är sammansatta av hafniumoxid dopad med sällsynta jordartsmetalljoner europium och terbium. De ger höga självlysande egenskaper och hafniumoxiden fungerar som en transparent matris som säkerställer deras biosäkerhet och håller dem glänsande.

Hafniumoxid är bioinert; under 2015, FDA inkluderade detta ämne i en lista över oxider som är godkända för internt bruk. Vissa former av järn- och aluminiumoxider är också tillåtna för intravenös injektion. Men till skillnad från hafnium, de absorberar för mycket ljus och försvagar luminescensen.

Dessutom, hafnium och sällsynta jordartsmetaller har atomer som är lika stora, så kemisterna lyckades hålla kristalloxidstrukturen ordnad när de ersatte en del av hafniumjonerna med de sällsynta jordartsmetallerna. Detta gjorde det möjligt för forskarna att ge de nödvändiga optiska egenskaperna till nanopartiklarna, samtidigt som den förhindrar sedimentering i biologiska vätskor med neutralt pH.

Sedimenteringen av partiklar kan ackumuleras och blockera blodkärl. "Vi kunde inte täcka nanopartiklar med en stabilisator, eftersom det skulle minska kvantutbytet, " säger Aleksandra Furasova, tidningens första författare. "Det är därför vi dopade hafniumoxid med sällsynta jordartsmetalljoner. För det första, de laddade ytan av partiklarna som stabiliserade de senare i biologiska vätskor. För det andra, introducerar olika sällsynta jordartsmetaller, vi lärde oss att ändra luminescensspektrat. Till exempel, partiklar med terbium avger grönt, medan partiklar med europium avger rött. Detta kommer att vara användbart för att lösa specifika uppgifter."

Sällsynta jordartsmetaller har en bestämd nivå av toxicitet. Så kemisterna tillsatte stora mängder av partiklarna till proverna av blodplasma och mediet med odlade celler. Det visade sig att partiklarna är stabila i blodet och inte ändrar sin konsistens; på grund av sällsynta jordartsmetalljoners förmåga att vara starkt bundna i oxid, de skadar inte cellerna.

Anna Fakhardo, en SCAMT-forskare, lägger till, "I tre dagar, vi tittade på livscykeln för odlade lungfibroblaster och mesenkymala stamceller och märkte inga toxiska effekter orsakade av rena eller dopade nanopartiklar av hafniumoxid. Det är, de kan potentiellt användas inom medicin."

I framtiden, forskarna kommer att använda nanopartiklar av hafniumoxid inte bara för avbildning, men för tumörterapi. Under röntgenstrålar, atomer av hafnium och sällsynta jordartsmetaller, som alla tunga element, joniserar vattenmolekyler som blir så kallade fria radikaler och börjar döda närliggande celler. Denna metod för cancerbehandling kan inte konkurrera med kemoterapi i pris, men det är tänkt att vara mindre skadligt eftersom det tillåter behandling av tumörer lokalt, även i hjärnan.