Vad har nyfödda och personer med njurproblem gemensamt?

Vad som kan låta som upplägget till ett skämt har faktiskt ett kliniskt svar:Båda grupperna kan utsättas för hälsorisker när de injiceras med metallhaltiga medel som ibland behövs för att förbättra färgkontrasten – och det diagnostiska värdet – av MRI.

Men en ny metallfri nanopartikel utvecklad av University of Nebraska-Lincoln och MIT kan hjälpa till att kringgå dessa hälso- och åldersrelaterade hinder för det kraftfulla diagnostiska verktyget, som läkare använder för att undersöka eller bekräfta ett brett spektrum av medicinska problem.

Teamets nanopartikel innehåller en icke-metallisk molekyl som förbättrar MRT-kontrasten för att hjälpa till att skilja mellan kroppsvävnad, en uppgift som vanligtvis utförs av kontrastmedel som innehåller gadolinium eller andra metaller.

Den överlevde också tillräckligt länge för att samlas runt tumörer hos möss, föreslår att nanopartikeln kan hjälpa till att upptäcka cancer såväl som dess metalliska motsvarigheter samtidigt som man eliminerar oro för den långsiktiga ansamlingen av metall i kroppen.

Kontrast i stilar

Molekylerna som finns i lagets nanopartikel tillhör en familj som kallas nitroxiderna, som är bland de mest lovande alternativen till de metalliska ämnen som ofta injiceras i patienter innan de genomgår MRI.

Men antioxidanter i kroppen börjar vanligtvis bryta ner nitroxider inom några minuter, begränsa hur länge de kan förstärka kontrasten på en MRT. Och lagets molekyl av intresse – en så kallad organisk radikal – har bara en enda elektron, ett faktum som normalt hämmar hur mycket kontrast den kan producera.

Gadolinium och andra metaller har flera elektroner som hjälper dem att påverka hur de magnetiska vågorna som produceras av en MRT interagerar med vattenmolekyler i vävnad. Detta magnetiska inflytande, eller avslappning, i slutändan dikterar styrkan på kontrastsignaler som omvandlas till de välbekanta flerfärgade MRI:erna.

Så kemisten Andrzej Rajca från Nebraska började samarbeta med kollegor vid MIT för att designa en metallfri nanopartikel som skulle uppvisa stabilitet och relaxivitet jämförbar med gadoliniums. Rajca designade tidigare en nitroxid som, när de är inbäddade i relativt små nanopartiklar, uppvisade en avslappningsförmåga flera gånger större än sina föregångare.

Vid den här tiden, MIT-forskare införlivade Rajcas nitroxid i en stor nanopartikel känd som en borstarmsstjärnpolymer. Processen involverade montering av polymerer till en sfärisk struktur med en vattenattraherande kärna och vattenavvisande skal, sedan klämma ihop mängder av nitroxidmolekyler mellan kärnan och skalet.

Teamet fann att packning av så många nitroxider i så trånga utrymmen effektivt multiplicerade deras individuella relaxivitetsvärden, vilket resulterar i en nanopartikel med en relaxivitet som är cirka 40 gånger högre än en typisk nitroxid.

"Du behöver inte mycket av det (nya) kontrastmedlet för att se en bra bild, sa Rajca, Charles Bessey professor i kemi.

Nanopartikelns polymerskal hjälpte också till att bromsa framgången av de störande antioxidanterna tillräckligt för att förlänga nitroxidernas livslängd från ungefär två timmar till 20. Genom att injicera möss med deras medel, forskarna visade att nanopartikelns livslängd och stora storlek gör att den kan nå tumörer och skilja dem från normal vävnad. Även i doser större än de som vanligtvis behövs för MRI, lagets kontrastmedel visade inga tecken på toxicitet i mänskliga celler eller möss.

Teamet redogjorde för sitt arbete i journalen ACS Central Science .