Uma equipe do Sandia National Laboratories projetou e sintetizou nanopartículas que brilham em vermelho e são estáveis, propriedades úteis para rastrear o crescimento e a propagação do câncer.

Este trabalho é a primeira vez que a luminescência intrínseca de materiais de estrutura metal-orgânica, ou MOFs, para bioimagem de longo prazo foi relatado, disse a química de materiais Dorina Sava Gallis. Tumores com marcação fluorescente, ou outros tipos específicos de células, é um novo, método poderoso para criar imagens dentro de um corpo.

Ressonâncias magnéticas, Raios-X e ultrassons são métodos poderosos de bioimagem para diagnosticar doenças. Contudo, Cada um desses métodos tem suas limitações e geralmente não são usados ​​para tratar doenças. Por anos, cientistas têm procurado por agentes teranósticos, materiais que têm usos terapêuticos e diagnósticos.

MOFs são um grupo de produtos químicos com grande potencial para imagens e tratamento de câncer e outras doenças. Essas moléculas parecidas com brinquedos de mexer têm "centros" de metal e "hastes" de ligação à base de carbono. Os químicos podem trocar os hubs e os linkers para fazer "esponjas" nanométricas com muitas propriedades diferentes. Historicamente, MOFs têm sido usados ​​para tudo, desde a captura de gases radioativos de combustível nuclear usado, para limpar água contaminada e até mesmo armazenar gás hidrogênio com segurança.

As nanopartículas de MOF da equipe Sandia brilham em vermelho ou próximo ao infravermelho por pelo menos dois dias nas células.

A luz infravermelha próxima tem comprimentos de onda maiores do que a luz vermelha. É especialmente útil para imagens dentro de um corpo porque pode penetrar na pele, tecido e até mesmo osso sem causar danos, e produz imagens mais claras porque há menos autofluorescência de fundo nesses comprimentos de onda, disse Sava Gallis. Os corantes ou nanopartículas atuais que brilham no infravermelho próximo não duram muito ou apenas brilham fracamente, tornando mais brilhante, materiais mais estáveis ​​de valor inestimável.

Projeto racional de MOFs multifuncionais para bioimagem

MOFs são materiais complexos com propriedades ajustáveis ​​e áreas de superfície surpreendentes; um grama de um certo tipo de MOF tem a mesma área de 16 quadras de basquete. Sava Gallis disse, "No campo de estruturas metal-orgânicas, temos a vantagem de escolher nossos blocos de construção para fazer materiais sob encomenda. "

Por 14 anos, ela tem trabalhado para tornar a síntese dos MOFs mais racional e previsível. Alguns metais são quimicamente ativos e outros brilham em certas cores. Alguns metais formam aglomerados com geometrias diferentes - como "cubos" de brinquedos de mexer com diferentes números de orifícios - e às vezes o cubo é um único íon de metal. Alguns linkers são longos, produzindo esponjas com grandes espaços vazios e grandes áreas de superfície, e outros são curtos. Alguns ligantes são cataliticamente ativos, ou seja, eles podem acelerar uma reação química - ou podem ajustar a química do metal enquanto outros podem ajustar a cor ou o brilho do brilho do metal.

Para projetar MOFs racionalmente para bioimagem, Sava Gallis selecionou metais lantanídeos, uma classe de elementos de terras raras. O európio de metal brilha em vermelho; os metais neodímio e itérbio apresentam fluorescência no infravermelho próximo. Ela também escolheu condições que fariam com que os lantanídeos formassem aglomerados robustos. Freqüentemente, MOFs feitos com íons de metal individuais não são estáveis ​​à água, mas os aglomerados de metal geralmente são, disse Sava Gallis. Isso é importante para a bioimagem, pois as células e as pessoas são, em sua maioria, água. Também, ela usou ligantes de carbono comumente disponíveis que produzem poros grandes. Potencialmente, esses poros podem conter drogas e permitir tanto a imagem quanto o tratamento.

Estável à água, MOFs porosos que brilham no infravermelho próximo

Sava Gallis reuniu uma equipe multidisciplinar para confirmar se os MOFs tinham as propriedades que ela projetou. O cientista de materiais da Sandia, Mark Rodriguez e Karena Chapman, do Laboratório Nacional de Argonne, ajudou com os estudos estruturais de difração de raios-X. Os pesquisadores da Sandia, Lauren Rohwer e Willie Luk, testaram as propriedades de luminescência dos MOFs. A equipe fez com sucesso uma família de MOFs semelhantes com uma gama de cores de emissão do vermelho ao infravermelho próximo, permitindo que os pesquisadores "sintonizassem" a cor do MOF dependendo de para o que ela poderia ser necessária.

Então, A equipe de Sava Gallis testou para ter certeza de que as nanopartículas eram estáveis ​​na água e não matavam as células em cultura. Kim Butler, nanobiologista de Sandia, realizou estudos de citotoxicidade para determinar se os MOFs eram tóxicos para células de mamíferos. Mesmo em altas doses, as nanopartículas eram semelhantes ou menos tóxicas do que outras partículas em estudo para bioimagem, o que é um bom sinal para o futuro deles, disse Sava Gallis. Eles também foram estáveis ​​em água ou água salgada imitando biologia por pelo menos uma semana.

A bioquímica Sandia Meghan Dailey e o químico bioanalítico Jeri Timlin fizeram imagens de células vivas usando um microscópio de fluorescência confocal hiperespectral customizado. Eles mostraram que as partículas de MOF podem funcionar para estudos de bioimagem de longo prazo em células de mamíferos, mas podem precisar ser otimizadas, talvez modificando a superfície das partículas, Sava Gallis disse.

"Estamos muito entusiasmados com o sucesso desses estudos iniciais e avançando para investigar sua profundidade de penetração no tecido, eficiência de luminescência e, finalmente, a relevância para a geração de imagens em organismos vivos, "disse Sava Gallis.

A pesquisa faz parte de um projeto muito maior para desenvolver adaptáveis, Respostas seguras e eficazes a ameaças biológicas e novos patógenos financiados pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Sandia. Uma parte importante desse projeto é monitorar a entrega de nanopartículas, que requer partículas ou corantes brilhantes biologicamente estáveis.

Os resultados foram publicados em Materiais e interfaces aplicados ACS .