Immagine: gli scienziati del laboratorio di Rice per la nanofotonica hanno aggiunto chelati di ferro (blu) e colorante fluorescente (rosso) a nanomatryoshka oro multistrato per creare particelle che possono essere utilizzate per la terapia e la diagnostica dell malattia. Credito: Luke Henderson / Rice University.
I nanoscienziati della Rice University hanno ideato un metodo per caricare il ferro all’interno delle nanoparticelle per creare agenti di contrasto per la risonanza magnetica che superano i chelati di gadolinio, l’agente di contrasto principale che sta affrontando un esame approfondito a causa di potenziali problemi di sicurezza.
“La possibilità di eliminare l’esposizione al gadolinio e di ottenere un duplice miglioramento nelle prestazioni del contrasto della RMI T1 interesserà i radiologi”, ha dichiarato la Naomi Halas di Rice, la ricercatrice principale del progetto. “Quando sentiranno che abbiamo creato un nuovo agente per la RM T1 con contrasto, con il ferro, mi aspetto che saranno molto sorpresi”.
Gli agenti di contrasto sono farmaci che migliorano le immagini MRI e le rendono più facili da interpretare. Sono utilizzate due tecniche di ponderazione delle immagini, T1 e T2. Mentre gli agenti di contrasto a base di ferro sono spesso impiegati per le scansioni T2, ci sono poche alternative clinicamente disponibili al gadolinio per i test T1.
“I chelati di ferro non sono nuovi”, ha detto Halas. “È ampiamente creduto che siano del tutto inutilizzabili per il contrasto T1, ma questo studio è un’illustrazione perfetta di come le cose possono comportarsi diversamente quando si progetta su scala nanometrica“.
Halas e colleghi della Rice e dell’Università del Texas MD Anderson Cancer Center descrivono le loro scoperte in un documento disponibile online nella rivista American Chemical Society ACS Nano. Nello studio, hanno creato una versione modificata di nanomatryoshkas, nanoparticelle a strati concentrici che traggono il loro nome dalle bambole russe.
Nanomatryoshka e nanoshell, un’altra nanoparticella stratificata inventata alla Rice più di 20 anni fa, sono circa 20 volte più piccole di un globulo rosso e sono costituite da strati di metallo conduttivo e silice non conduttiva. Variando lo spessore degli strati, il team di Halas sintonizza le particelle per interagire con specifiche lunghezze d’onda della luce. Ad esempio, sia le nanoshell che le nanomatryoshka possono convertire la luce del vicino infrarosso, altrimenti innocua, in calore. Questo riscaldamento localizzato e intenso è stato usato per distruggere il cancro in diversi studi su nanoshell, incluso uno studio in corso per il trattamento del cancro alla prostata.
Il nuovo studio è l’ultimo capitolo degli sforzi di Halas per creare nanoparticelle attivate dalla luce con una combinazione di funzioni terapeutiche e diagnostiche. Queste particelle “teranostiche” potrebbero consentire ai medici di diagnosticare e curare il cancro.
( Vedi anche:Risonanza magnetica: nuovo agente di contrasto più sicuro e meno tossico).
Luke Henderson, uno studente laureato alla Rice e autore principale dell’ articolo pubblicato da ACS Nano, ha dichiarato: “Se i medici potranno visualizzare le particelle attraverso una sorta di imaging, la terapia potrebbe essere più rapida e più efficace. Immaginate ad esempio, uno scenario in cui viene eseguita una scansione per verificare la dimensione e il posizionamento del tumore, viene quindi generato calore per trattare il tumore e un’altra scansione segue per verificare che l’intero tumore sia stato distrutto”.
Quando Henderson, un chimico, entrò nel laboratorio di Halas per la nanofotonica nel 2016, il team di Halas aveva già dimostrato che poteva aggiungere coloranti fluorescenti alle nanomatryoshkas per renderle visibili nelle scansioni diagnostiche. Sono inoltre in corso lavori su uno studio pubblicato nel 2017 che ha dimostrato che i chelati di gadolinio potrebbero essere incorporati nello strato di silice per il contrasto dell’RMI.
Gli scanner MRI proiettano l’interno del corpo allineando brevemente i nuclei degli atomi di idrogeno e misurando quanto tempo impiegano i nuclei a “rilassarsi” nel loro stato di riposo. Le proprietà di rilassamento variano a seconda del tessuto e, allineando ripetutamente i nuclei e misurando i tempi di rilassamento, uno scanner MRI crea un’immagine dettagliata degli organi, dei tessuti e delle strutture del corpo. Gli agenti di contrasto migliorano la risoluzione di scansione aumentando il tasso di rilassamento delle particelle.
I chelati di gadolinio hanno rivoluzionato i test della risonanza magnetica quando sono stati introdotti alla fine degli anni ’80 e sono stati usati più di 400 milioni di volte. Sebbene il gadolinio sia un metallo tossico, il processo di chelazione copre ogni ione di gadolinio con un involucro organico che riduce l’esposizione e consente al farmaco di essere eliminato attraverso la minzione in poche ore
Nel 2013, gli scienziati giapponesi hanno fatto la sorprendente scoperta che il gadolinio da agenti di contrasto si era accumulato nel cervello di alcuni pazienti e studi successivi hanno trovato depositi simili nelle ossa e in altri organi. Mentre nessun effetto avverso sulla salute è stato associato agli agenti di contrasto RM basati sul gadolinio, lma a FDA ha richiesto ai produttori di farmaci di aggiungere avvertimenti alle guide ai farmaci per otto agenti di contrasto a base di gadolinio ampiamente utilizzati nel dicembre 2017.
“Nel precedente lavoro con gadolinio, abbiamo notato che il design nanomatryoshka ha migliorato la rilassatezza dei chelati di gadolinio incorporati”, ha detto Henderson. “Allo stesso tempo, stavamo ascoltando le richieste della comunità medica di alternative al gadolinio e abbiamo deciso di provare i chelati di ferro”.
I risultati hanno sorpreso tutti. Henderson era in grado di caricare circa quattro volte più ferro in ogni nanomatryoshka. Ciò ha permesso alle nanomatryoshka rivestite di ferro di avere efficacia due volte i chelati di gadolinio clinicamente disponibili.
“Tutti i coloranti fluorescenti sono soggetti allo sbiancamento delle foto, il che significa che svaniscono nel tempo e alla fine non emettono un segnale misurabile”, ha detto Henderson. “Anche se li congelate, cosa che rallenta lo sbiancamento, in genere non durano più di un paio di settimane. Stavo guardando un vecchio campione di nanomatryoshkas che era stato nel frigo per mesi e ho scoperto che erano ancora fluorescenti. Quando abbiamo osservato più da vicino, abbiamo trovato che le tinture erano circa 23 volte più stabili quando erano all’interno delle nanomatryoshkas”.
Fonte: ACS nano
