Os nanocientistas da Rice University demonstraram um método para carregar ferro dentro de nanopartículas para criar agentes de contraste de ressonância magnética que superam os quelatos de gadolínio, o principal agente de contraste que está enfrentando maior escrutínio devido a potenciais problemas de segurança.

"A possibilidade de eliminar a exposição ao gadolínio e obter uma melhora de duas vezes no desempenho do contraste de ressonância magnética T1 vai intrigar os radiologistas, "disse Naomi Halas do arroz, o pesquisador líder do projeto. "Quando eles souberem que fizemos isso com ferro, espero que fiquem muito surpresos."

Os agentes de contraste são drogas que melhoram as imagens de ressonância magnética e as tornam mais fáceis de serem interpretadas pelos radiologistas. Os radiologistas podem "pesar" os resultados de uma ressonância magnética e fazer tecidos específicos parecerem mais brilhantes ou mais escuros, variando as condições do teste. Duas técnicas de ponderação - T1 e T2 - são usadas. Embora os agentes de contraste à base de ferro sejam frequentemente empregados para varreduras T2, existem poucas alternativas clinicamente disponíveis ao gadolínio para testes de T1.

"Quelatos de ferro não são novos, "Halas disse." É amplamente acreditado que eles são totalmente impraticáveis ​​para o contraste T1, mas este estudo é uma ilustração perfeita de como as coisas podem se comportar de maneira diferente quando você faz engenharia em nanoescala. "

Halas e colegas de Rice e do MD Anderson Cancer Center da Universidade do Texas descrevem suas descobertas em um artigo disponível online na revista American Chemical Society ACS Nano . No estudo, eles criaram uma versão modificada de nanomatryoshkas, nanopartículas concêntricas em camadas cujo nome vem de bonecos russos.

Nanomatryoshkas e nanoconchas, outra nanopartícula em camadas Halas inventada na Rice há mais de 20 anos, são cerca de 20 vezes menores do que um glóbulo vermelho e são constituídos por camadas de metal condutor e sílica não condutiva. Variando a espessura das camadas, A equipe de Halas ajusta as partículas para interagir com comprimentos de onda de luz específicos. Por exemplo, tanto as nanoconchas quanto as nanomatryoshkas podem converter luz infravermelha próxima, de outra forma inofensiva, em calor. Este localizado, aquecimento intenso tem sido usado para destruir o câncer em vários ensaios de nanoconchas, incluindo um estudo em andamento para o tratamento do câncer de próstata.

O novo estudo é o capítulo mais recente nos esforços da Halas para criar nanopartículas ativadas por luz com uma combinação de recursos terapêuticos e diagnósticos. Essas partículas "teranósticas" podem permitir aos médicos diagnosticar e tratar o câncer no mesmo consultório ou visita ao hospital.

Luke Henderson, um estudante de pós-graduação da Rice e autor principal do ACS Nano papel, disse, "Se os médicos pudessem visualizar as partículas por meio de algum tipo de imagem, a terapia poderia ser mais rápida e eficaz. Por exemplo, imagine um cenário onde uma varredura é realizada para verificar o tamanho e a localização do tumor, calor é então gerado para tratar o tumor e outra varredura segue para verificar se todo o tumor foi destruído. "

Quando Henderson, um químico, ingressou no Laboratório Halas de Nanofotônica em 2016, A equipe de Halas já havia mostrado que poderia adicionar corantes fluorescentes aos nanomatryoshkas para torná-los visíveis em exames de diagnóstico. O trabalho também estava em andamento em um estudo publicado em 2017 que mostrou quelatos de gadolínio podem ser incorporados na camada de sílica para contraste de ressonância magnética.

Os scanners de ressonância magnética captam imagens do interior do corpo alinhando brevemente os núcleos dos átomos de hidrogênio e medindo quanto tempo leva para os núcleos "relaxarem" ao seu estado de repouso. As propriedades de relaxamento variam de acordo com o tecido, e alinhando repetidamente os núcleos e medindo os tempos de relaxamento, um scanner de ressonância magnética constrói uma imagem detalhada dos órgãos do corpo, tecidos e estruturas. Os agentes de contraste melhoram a resolução da varredura, aumentando a taxa de relaxamento das partículas.

Os quelatos de gadolínio revolucionaram os testes de ressonância magnética quando foram introduzidos no final da década de 1980 e foram usados ​​mais de 400 milhões de vezes. Embora o gadolínio seja um metal tóxico, o processo de quelação cobre cada íon de gadolínio com um envoltório orgânico que reduz a exposição e permite que a droga passe do corpo pela micção em poucas horas

Em 2013, Cientistas japoneses fizeram a surpreendente descoberta de que o gadolínio dos agentes de contraste havia se acumulado no cérebro de alguns pacientes, e estudos subsequentes encontraram depósitos semelhantes em ossos e outros órgãos. Embora nenhum efeito adverso à saúde tenha sido associado a agentes de contraste de ressonância magnética à base de gadolínio, a FDA exigiu que os fabricantes de medicamentos adicionassem advertências aos guias de medicamentos para oito agentes de contraste à base de gadolínio amplamente usados ​​em dezembro de 2017.

"No trabalho anterior com gadolínio, notamos que o design nanomatryoshka aumentou a relaxividade dos quelatos de gadolínio incorporados, "Henderson disse." Ao mesmo tempo, estávamos ouvindo mais apelos da comunidade médica por alternativas ao gadolínio, e decidimos experimentar quelatos de ferro e ver se obtínhamos o mesmo tipo de aprimoramento. "

Os resultados surpreenderam a todos. Henderson não foi apenas capaz de aumentar a relaxividade do ferro, ele foi capaz de carregar cerca de quatro vezes mais ferro em cada nanomatryoshkas. Isso permitiu que os nanomatryoshkas carregados de ferro tivessem um desempenho duas vezes melhor do que os quelatos de gadolínio clinicamente disponíveis.

Henderson também encontrou uma maneira genérica de alterar o tipo de metal carregado. Ao adicionar moléculas de quelato descarregadas à sílica primeiro, ele descobriu que podia carregar metal mergulhando as partículas em um banho de sais de metal. Ao trocar os metais no banho, ele descobriu que poderia facilmente carregar íons paramagnéticos diferentes, incluindo manganês, para os nanomatryoshkas.

Depois que os íons de metal foram carregados na sílica, a camada final da nanomatryoshka, a casca externa de ouro, foi adicionado. A concha, que é vital para plasmônicos, também serve como barreira para prevenir a leeching de íons. Henderson disse que a barreira de ouro também teve um benefício secundário para os corantes fluorescentes que ele adicionou para diagnósticos de modo duplo.

"Todos os corantes fluorescentes estão sujeitos ao foto-branqueamento, o que significa que eles desaparecem com o tempo e, eventualmente, não emitem um sinal mensurável, "Henderson disse." Mesmo se você congelá-los, que retarda o branqueamento, eles normalmente não duram mais do que algumas semanas. Eu estava olhando para uma amostra antiga de nanomatryoshkas que estava na geladeira por meses, e descobri que ainda estavam fluorescentes muito bem. Quando olhamos mais de perto, descobrimos que os corantes eram cerca de 23 vezes mais estáveis ​​quando estavam dentro dos nanomatryoshkas. "