För att förbättra synligheten av organ när de skannas med magnetisk resonanstomografi (MRT), patienter injiceras vanligtvis med en förening som kallas kontrastmedel innan de går in i skannern. De vanligaste MRT-kontrastmedlen är baserade på metallen gadolinium; dock, dessa metallföreningar kan vara skadliga för små barn eller personer med njurproblem.

Forskare från MIT och University of Nebraska har nu utvecklat ett metallfritt kontrastmedel som kan vara säkrare att använda i dessa högriskgrupper. Istället för metall, denna förening innehåller organiska molekyler som kallas nitroxider.

Vidare, det nya medlet kan användas för att generera mer informativa MR -skanningar av tumörer eftersom det kan ackumuleras på en tumörplats i många timmar utan att orsaka skada.

"Det här är en helt organisk, metallfritt MRT-kontrastmedel som skulle göra det möjligt för cancerforskare att börja fundera på hur man avbildar tumörer på ett dynamiskt sätt under långa tidsperioder, säger Jeremiah Johnson, Firmenichs karriärutvecklingsdocent i kemi vid MIT.

Johnson är senior författare till studien, som står i journalen ACS Central Science . Tidningens huvudförfattare är MIT-studenten Hung Nyugen. Andra MIT-författare är tidigare postdoc Qixian Chen, postdoc Peter Harvey, doktorand Yivan Jiang, och professor i biologisk teknik Alan Jasanoff.

Alternativ till metall

MR -skanningar är ofta beroende av kontrastmedel som interagerar med vatten, påverka hur vattenmolekylerna reagerar på ett magnetfält. Kontrastmedel som utövar en stark effekt sägs ha hög "relaxivitet, "vilket förstärker den visuella kontrasten mellan målorganet och omgivande vävnad.

De flesta MR -kontrastmedel är baserade på gadolinium, som har mycket hög avslappningsförmåga. Dessa medel utsöndras vanligtvis av njurarna inom cirka en halvtimme, så de kan inte användas av personer med vissa typer av njurproblem eftersom gadolinium kommer att byggas upp och förvärra njurskadorna. Vissa medel anses också vara potentiellt osäkra att använda på spädbarn.

"Gadoliniummedel är de överlägset vanligaste, kliniskt, "Säger Jasanoff." Men människor har vissa säkerhetsproblem om dem, trots deras omfattande användning. Det har funnits intresse för att gå till kontrastmedel som inte innehåller gadolinium."

Mindre ofta används kontrastmedel tillverkade av nanopartiklar av järnoxid, som anses vara något säkrare eftersom kroppen redan innehåller järn. Men några av dessa har också skapat säkerhetsproblem nyligen.

Som ett möjligt alternativ, forskare har försökt utveckla icke-metalliska medel som organiska radikaler, som är organiska föreningar som har oparade elektroner. Dock, dessa föreningar tenderar att vara mycket instabila, så de bryts vanligtvis ner i blodomloppet inom några minuter. Också, dessa molekyler har i allmänhet bara en oparad elektron, så de producerar inte så mycket MR -kontrast som metallmedel.

I en studie publicerad 2014, Johnson och hans kollegor försökte förbättra relaxiviteten hos nitroxidradikaler genom att sätta ihop dem till en struktur som kallas en flaskborstepolymer. Detta förbättrade deras stabilitet och avslappningsförmåga, men inte tillräckligt för avbildning över långa tidsperioder, vilket ofta är nödvändigt vid canceravbildning. I den nya tidningen, forskarna laddade nitroxidmolekylerna i en annan typ av polymerstruktur känd som en borstarmstjärnpolymer (BASP). Denna struktur består av många polymerkedjor arrangerade så att den sfäriska partikeln har en hydrofil (vattentraktande) kärna omgiven av hydrofob (vattenavvisande) skal.

Forskarna fann att skapande av en hög densitet av nitroxidmolekyler vid gränssnittet mellan skalet och kärnan av nanopartiklarna kraftigt ökade MRI-relaxiviteten för den totala partikeln, till en nivå som liknar den för metallbaserade medel.

Polymerskalet skyddar också radikalerna från att brytas ner i blodomloppet. Partiklarna är tillräckligt stabila för att hålla i blodomloppet i upp till 20 timmar, tillräckligt länge för att ackumuleras i en tumör hos möss. Forskarna visade också att nitroxiden BASP nanopartiklar inte är skadliga för möss även vid mycket höga doser.

Långtidsövervakning

Johnson säger att dessa partiklar kan utformas för att bära läkemedel såväl som ett MRT-kontrastmedel, vilket skulle möjliggöra långtidsavbildning av en tumör för att övervaka om läkemedlet krymper den. Han arbetar också med forskare vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research för att fästa kontrastmedelspartiklarna till antikroppar som skulle hjälpa dem att rikta in sig på specifika celler för avbildning och eventuellt läkemedelsleverans.

En annan möjlighet är att fästa kontrastmedlet på immunceller som är konstruerade för att attackera en patients tumör, så att cellerna kan spåras inuti kroppen. "Vi försöker göra partiklar som vi kan docka på celler och sedan se cellerna röra sig in vivo, " säger Johnson.

Hans labb arbetar också med förbättrade versioner av kontrastmedlet som har en ännu högre densitet av nitroxid, vilket förbättrar deras avslappningsförmåga och förbättrar MRT-kontrasten ännu mer.

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.