Nanodiamanter - syntetiska industridiamanter som bara är några nanometer stora - har nyligen väckt stor uppmärksamhet på grund av den potential de erbjuder för riktad leverans av vacciner och cancerläkemedel och för andra användningsområden. Än så länge, alternativen för att avbilda nanodiamanter har varit begränsade. Nu har ett team av utredare baserade vid Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging vid Massachusetts General Hospital utarbetat ett sätt att spåra nanodiamanter icke-invasivt med magnetisk resonanstomografi (MRI), öppna en mängd nya applikationer. De rapporterar sina resultat i dag i nättidskriften Naturkommunikation .
"Med denna studie, vi visade att vi kunde producera biomedicinskt relevanta MR-bilder med nanodiamanter som kontrastkälla i bilderna och att vi kunde slå på och av kontrasten efter behag, "säger David Waddington, huvudförfattare till uppsatsen och doktorand vid University of Sydney i Australien. Waddington arbetar för närvarande med Matthew Rosen, Doktorsexamen, i Low-Field Imaging Laboratory vid Martinos Center. "Med konkurrerande strategier, nanodiamanterna måste förberedas externt och sedan injiceras i kroppen, där de bara kan avbildas i några timmar högst. Dock, eftersom vår teknik är biokompatibel, vi kan fortsätta att ta bilder på obestämd tid. Detta ökar möjligheten att spåra leveransen av nanodiamantläkemedel för en mängd olika sjukdomar och ge viktig information om effektiviteten av olika behandlingsalternativ."
Waddington började detta arbete för tre år sedan som en del av ett Fulbright-stipendium som tilldelades tidigt i hans doktorandarbete vid University of Sydney, där han är medlem i ett team som leds av studiemedförfattaren David Reilly, Doktorsexamen, i det nya Sydney Nanoscience Hub - huvudkontoret för Australian Institute for Nanoscale Science and Technology, som lanserades förra året. Som en del av Reilly -gruppen, Waddington spelade en avgörande roll i tidiga framgångar med nanodiamantavbildning, inklusive en tidning från 2015 i Naturkommunikation . Han försökte sedan utöka potentialen för tillvägagångssättet genom att samarbeta med Rosen på Martinos Center och Ronald Walsworth, Doktorsexamen, vid Harvard University, också medförfattare till den aktuella studien. Rosens grupp är världsledande inom området för magnetisk resonansavbildning med ultralåg fält, en teknik som visade sig vara avgörande för utvecklingen av in vivo nanodiamantavbildning.
Tidigare, Användningen av nanodiamantavbildning i levande system var begränsad till regioner tillgängliga med hjälp av optiska fluorescenstekniker. Dock, mest potentiella diagnostiska och terapeutiska tillämpningar av nanopartiklar, inklusive spårning av komplexa sjukdomsprocesser som cancer, uppmanar till användning av MRT - guldstandarden för icke-invasiv, hög kontrast, tredimensionell klinisk avbildning.
I den aktuella studien, forskarna visar att de kunde uppnå nanodiamantförstärkt MRI genom att dra fördel av ett fenomen som kallas Overhauser-effekten för att förstärka diamantens naturligt svaga magnetiska resonanssignal genom en process som kallas hyperpolarisering, där kärnor är inriktade inuti en diamant så att de skapar en signal som kan detekteras av en MRI-skanner. Den konventionella metoden för hyperpolarisering använder fasta tillståndsfysiktekniker vid kryogena temperaturer, men signalförstärkningen varar inte särskilt länge och är nästan borta när nanopartikelföreningen injiceras i kroppen. Genom att kombinera Overhauser-effekten med framsteg inom ultralågt fält MRI som kommer ut från Martinos Center, forskarna kunde övervinna denna begränsning - vilket banade väg för högkontrast in vivo nanodiamantavbildning under obestämd långa tidsperioder.
Högpresterande ultralågfälts-MR är i sig en relativt ny teknik, rapporterades först i Vetenskapliga rapporter 2015 av Rosen och Martinos Centers kollegor. "Tack vare innovativ teknik, förvärvsstrategier och signalbehandling, tekniken erbjuder hittills ouppnåelig hastighet och upplösning i ultra-lågfält-MR-regimen, säger Rosen, chef för Low-Field Imaging Laboratory, en biträdande professor i radiologi vid Harvard Medical School och seniorförfattare till den aktuella uppsatsen. "Och viktigast av allt, genom att ta bort behovet av massiva, kryogenkylda superledande magneter, det öppnar upp ett antal nya möjligheter, inklusive nanodiamantavbildningstekniken vi just har beskrivit."
Forskarna har noterat flera möjliga tillämpningar för deras nya tillvägagångssätt för nanodiamantförstärkt MRI. Dessa inkluderar noggrann upptäckt av lymfkörteltumörer, som kan hjälpa till vid behandling av metastatisk prostatacancer, och undersöka permeabiliteten för blod-hjärnbarriären, som kan spela en viktig roll i behandlingen av ischemisk stroke. Eftersom den ger en mätbar MR -signal under perioder på över en månad, tekniken kan gynna applikationer som att övervaka svaret på terapin.
Inkluderat i behandlingsövervakning är tillämpningar inom det växande området för personlig medicin. "Leveransen av mycket specifika läkemedel är starkt korrelerad med framgångsrika patientresultat, säger Waddington, som hedrades med Journal of Magnetic Resonance Young Scientist Award vid 2016 Experimental NMR Conference som ett erkännande för detta arbete. "Dock, svaret på sådana läkemedel varierar ofta avsevärt på individuell basis. Möjligheten att avbilda och spåra leveransen av dessa nanodiamantläkemedelsföreningar skulle, därför, vara mycket fördelaktigt för utvecklingen av personliga behandlingar. "
Forskarna fortsätter att utforska teknikens potential och planerar nu en detaljerad studie av tillvägagångssättet i en djurmodell, samtidigt som man undersöker beteendet hos olika nanodiamond-läkemedelskomplex och avbildar dem med den nya förmågan.
