Nanopartiklar används aktivt inom medicin som kontrastmedel samt för diagnos och terapi av olika sjukdomar. Dock, utvecklingen av nya multifunktionella nanoagens hindras av svårigheten att övervaka deras blodcirkulation. Forskning från Moskvas institut för fysik och teknik, Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of RAS, Moskva tekniska fysikinstitut, Prokhorov General Physics Institute of RAS, och Sirius University har utvecklat en ny icke-invasiv metod för nanopartikelmätning i blodomloppet som har en hög tidsupplösning. Denna teknik har avslöjat de grundläggande parametrarna som påverkar partikellivslängden i blodomloppet, som potentiellt kan leda till upptäckt av nya, effektivare nanoagens som ska användas inom biomedicin. Resultaten av studien har publicerats i Journal of Controlled Release .

Kliniska tillämpningar av nanopartiklar (NP) kräver en noggrann analys av deras beteende in vivo, i synnerhet hur länge NP stannar i blodomloppet. Det är parametern som avgör om det finns tillräckligt med tid för NP att spridas i hela kroppen, nå sitt terapeutiska mål (t.ex. en tumör), och binda till det. Alternativt, den alltför långa cirkulationstiden kan leda till ackumulering av partiklar i friska vävnader, vilket ökar deras sidotoxicitet.

NP-cirkulationen i blodomloppet studeras vanligtvis genom att ta blodprover och mäta innehållet av nanoagens. "Problemet med sådana tekniker är att partiklar ofta rensas bort från blodomloppet inom bara några minuter så att forskaren bara kan ta två eller tre blodprover, vilket är otillräckligt för analysen, " kommenterade studiens medförfattare Maxim Nikitin, som leder Nanobiotechnology Lab vid MIPT.

Förutom det, upprepad blodtagning är stressande för organismen och kan indirekt påverka partikelcirkulationen. De nya icke-invasiva metoderna för att övervaka partikelaktivitet in vivo är därför avgörande för utvecklingen av nanomedicin.

Forskarna använde den magnetiska partikelkvantifieringsmetoden (MPQ) som utvecklats av dem för att ta icke-invasiva mätningar av blodpartikelkinetiken. Möss eller kanins svansar placerades i detektionsspolen på MPQ-läsaren, sedan injicerades djuren med nanopartiklarna, och NP-koncentrationen i deras svansvener och artärer övervakades i realtid. Denna teknik kan också användas med människor, e. g., via händer eller fingertoppar placerade i detektionsspolen.

Den nya metoden erbjuder ett icke-invasivt sätt att få unik information om partikelkinetik som också är enklare än de traditionella metoderna. Det möjliggör ytterligare utforskning av vad som kan påverka partikelbeteendet i djurens blodomlopp.

Forskarna undersökte tre grupper av faktorer inklusive partiklarnas fysikalisk-kemiska egenskaper, särdragen i deras administration, och tillståndet för djurets kropp. Den mindre negativt laddade NP som injicerats i högre doser förblev i blodomloppet längre. Det har också visat sig att om partiklar injiceras i blodet upprepade gånger, cirkulationen av efterföljande partikeldoser blir avsevärt förlängd.

"Det finns liknande fall i klinisk praxis när en patient initialt injiceras med nanopartikel MRI kontrastmedel (magnetiska partiklar) och sedan med den terapeutiska NP som liposomer som bär läkemedel. Vi har visat att partiklar kan påverka varandra, som kan påverka behandlingen, " sa studiens författare, Ivan Zelepukin, en forskare vid Russian Academy of Sciences Institute of Bioorganic Chemistry och MIPT.

Det som verkade vara en av nyckelaspekterna var den NP-injicerade organismens tillstånd. Till exempel, partikelcirkulationen kan variera avsevärt mellan möss av olika genetiska stammar. I synnerhet, denna skillnad var uppenbar endast för små 50 nanometer partiklar men inte för större nanoagenter. Förutom, om djuret hade en stor tumör, små NP eliminerades snabbare från blodet; ju större cancertumören var, desto kortare tid tog blodrensningen.

Forskarna antar att detta kan vara kopplat till dynamiska förändringar i immunsystemet och dess ökade förmåga att känna igen främmande ämnen som svar på patologi. Dessa fynd uppmärksammar vikten av att överväga inverkan av organismens tillstånd på effektiviteten av nanopartiklar vid utformningen av de optimala nanodrogerna – en aspekt som traditionellt har ignorerats.

"Detta är första gången en så omfattande studie av NP med extremt hög clearance-hastighet har genomförts. Det hade varit omöjligt utan metodiken som utvecklas vid General Physics Institute of RAS. MPQ-tekniken kombinerar hög känslighet, hög tidsupplösning, och kvantitativ noggrannhet. Förutom det, det är icke-invasivt och det möjliggör detektering av NP-innehåll nästan i realtid, sade Petr Nikitin, en medförfattare till studien och chef för Biophotonics Lab vid General Physics Institute of RAS.

"Vår metod gjorde det möjligt för oss att upptäcka nya cirkulationsmönster och få en stor mängd värdefull information. Till exempel, vi har upptäckt att djur hade olika partikeldynamik beroende på deras immunstatus, förekomst av tumörer, etc. Under tiden, den avancerade metoden krävde mycket färre djur för studien. Detta är viktigt inte bara när det gäller tid och ekonomi utan också etiken för djurs behandling i linje med principen om 3R:erna (Ersättning, minskning och förfining). We assume that a deeper understanding of the underlying mechanisms may considerably facilitate the rational design of nanomaterials with advanced surface functionality and superior pharmacokinetics for the next generation diagnostics and therapeutics."