För mer än sju år sedan Albert J. Sinusas, MD, en professor i medicin, radiologi, och biomedicinsk teknik, arbetade med ett team av ingenjörer för utveckling av en bildbar polymer för att förhindra negativ ombyggnad efter en hjärtattack när de oavsiktligt upptäckte att när jod, ett kontrastmedel som används för röntgenbilder, är packad i en nanopartikel finns det större absorption av röntgenstrålar vilket potentiellt förbättrar synligheten.

I utvecklingen av detta nya koncept Sinusas, som leder Yale Translational Research Imaging Center (Y-TRIC), vände sig till Tarek Fahmy, Ph.D., en docent i biomedicinsk teknik och Dongin (Donoven) Kim, Ph.D., nu biträdande professor vid University of Oklahoma, och en av de första Y-TRIC-praktikanterna som stöds av ett NIH T32-bidrag för utbildning i multimodalitet molekylär och translationell kardiovaskulär avbildning, som just förnyades med ytterligare fem års finansiering.

Den Yale-ledda forskargruppen fann att när den förpackades i en nanopartikel, CT-kontrastmedel, som jod, ökade absorptionen av röntgenstrålar med nästan en storleksordning, vilket förbättrar känsligheten för avbildning och sjukdomskarakterisering och minskar potentiellt toxiciteten jämfört med konventionella kontrastmedel. Sinusas och teamet av ingenjörer tilldelades ett patent för detta koncept tidigare i år den 26 januari, 2021.

"Vi upptäckte att när kontrastmedel görs för att "trängas" eller klunga ihop sig på nanoskala (några hundra nanometer) förstärkte detta kontrastens totala storlek på ett icke-linjärt sätt, vilket i korthet innebar att spridningen av elektromagnetiska vågor förstärktes. Vi fann också att detta helt enkelt inte bara var röntgenförstärkningseffekt, men en allmän elektromagnetisk vågeffekt, betyder optiska vågor, radiovågor, och andra där förbättrade, sa Fahmy.

En nanopartikel tros vara mindre än 200 nanometer stor. När dessa små partiklar är packade med jod, de fyller en viktig roll i medicinsk bildbehandling med datortomografi (CT). CT-skanningar är beroende av datorbehandlade röntgenstrålar och har breda tillämpningar inom medicinsk bildbehandling. Dock, forskare är överens om att detta diagnostiska verktyg också medför en långsiktig risk för att utveckla sekundära cancerformer på grund av joniserande strålning. Jodbaserade föreningar som vanligtvis används i samband med röntgen kan leda till försämrad njurfunktion hos patienter med nedsatt njurfunktion. Därför, Användningen av en förbättrad konfiguration av dessa kontrastmedel kan tillåta diagnostisk bildbehandling med mindre strålning och en lägre koncentration av kontrastreducerande total toxicitet.

När de är inneslutna eller inneslutna i nanopartiklar, kontrastmedlet uppvisade olika egenskaper som förbättrade CT-kontrasten och förbättrade bildbehandlingen. Mer röntgenstrålar kan absorberas, vilket skulle minska toxiciteten förknippad med höga koncentrationer av dessa kontrastmedel. Medlen är gjorda av delar eller polymerer som ger förlängd cirkulation och minimal vaskulär permeation, och potentiellt förlängda retentionstider när de levereras till hjärtmuskeln för att förbättra reparationen efter skada.

Fördelar:

1. Förbättrad känslighet:Ökad absorption av röntgenstrålar leder till ökad känslighet för kontrastdetektering, underlätta molekylärt riktad avbildning.
2. Lägre risk för toxicitet:Med förbättrad känslighet, möjliggör användning av mindre jodreducerande toxicitet
3. Integration med FDA-godkända nanomaterial:Med inkorporering av jod i FDA-godkända polymerer, det finns en större chans för kommersialisering.

Utforska de diagnostiska och terapeutiska funktionerna hos medicinska bildskannrar

Sinusas är författare till över 250 peer reviewed publikationer och har mottagit flera patent relaterade till multimodalitet kardiovaskulär avbildning. Den 7 januari 2020 tilldelades Sinusas ytterligare ett patent för ett kateterbaserat system med en indragbar nål som han utvecklade tillsammans med Farhad Daghighian, Ph.D., som en minimalt invasiv metod för att detektera molekylärt riktade radiospårämnen som används för positronemissionstomografi (PET) skanning. Denna kateterbaserade teknologi skulle kunna användas för att styra leveransen av joderade teranostiska polymerer för att förhindra negativ ombyggnad efter en hjärtattack.

Sinusas och John Stendahl, MD, Ph.D., också en före detta T32-praktikant, testar nu tillämpningarna av gruppbaserade kontrastmedel för att förbättra bildbarheten av bioresorberbara stentar, och andra framtida bildtekniker, för sjukdomsupptäckt och vägledande terapi i tidigt skede.

Nyligen, Kim var medförfattare till en artikel som undersökte fördelarna med nanoinneslutning. Manuskriptet "Nanoconfinement-medierad cancerterapi, " publicerades 27 januari i Arkiv för läkemedelsforskning .