Reimagining MRI contrast: เหล็กมีประสิทธิภาพสูงกว่า gadolinium

Anonim

นักพฤกษศาสตร์นาโนของมหาวิทยาลัย Rice ได้สาธิตวิธีการบรรจุเหล็กภายในอนุภาคนาโนเพื่อสร้างสารความคมชัดของ MRI ซึ่งดีกว่า gadolinium chelates ซึ่งเป็นสารควบคุมความขัดแย้งหลักที่ต้องเผชิญกับการตรวจสอบข้อเท็จจริงที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากปัญหาด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น

"ความเป็นไปได้ในการกำจัดสารแกโดลิเนียมและการปรับปรุงสมรรถนะของ T1 MRI ที่เพิ่มขึ้นสองเท่ากำลังเป็นไปในเชิงรุกของนักรังสีวิทยา" นายนาโอมิฮาลาสจาก Naomi กล่าวว่า "เมื่อพวกเขาได้ยินว่าเราทำเรื่องนี้ด้วยเหล็กฉันคาดหวังว่าพวกเขาจะแปลกใจมาก"

ตัวแทนความคมชัดเป็นยาที่ปรับปรุงภาพ MRI และทำให้นักรังสีวิทยาสามารถแปลความหมายได้ง่ายขึ้น นักรังสีวิทยาสามารถ "ให้" ผลลัพธ์ของ MRI และทำให้เนื้อเยื่อเฉพาะเจาะจงปรากฏขึ้นทั้งความสว่างหรือสีเข้มขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขของการทดสอบ ใช้เทคนิคการถ่วงน้ำหนัก 2 แบบคือ T1 และ T2 ในขณะที่การใช้ T2 สแกนที่มีส่วนผสมของธาตุเหล็กมักมีทางเลือกในการตรวจสอบแกโดลิเนียมสำหรับการทดสอบ T1

Halas กล่าวว่า "chelates เหล็กไม่ใหม่" "เชื่อกันว่าพวกเขาไม่สามารถใช้ความแตกต่างได้อย่างสิ้นเชิงกับ T1 แต่การศึกษาชิ้นนี้เป็นภาพประกอบที่สมบูรณ์แบบว่าการปฏิบัติงานของแต่ละคนจะแตกต่างกันอย่างไรเมื่อวิศวกรของคุณอยู่ในระดับนาโน"

Halas และเพื่อนร่วมงานจาก Rice และ University of Texas ศูนย์มะเร็ง MD Anderson ได้อธิบายถึงผลการค้นพบของพวกเขาในกระดาษที่มีอยู่ในวารสารออนไลน์ของ American Chemical Society ACS Nano ในการศึกษาพวกเขาได้สร้าง nanomatryoshkas ที่มีการดัดแปลงมาซึ่งเป็นอนุภาคนาโนที่เป็นศูนย์กลางซึ่งวาดชื่อจากตุ๊กตาทำรังของรัสเซีย

Nanomatryoshkas และ nanoshells ซึ่งเป็นอนุภาคนาโนชนิดอื่น Halas ที่ปลูกในข้าวมานานกว่า 20 ปีที่ผ่านมามีขนาดเล็กกว่าเซลล์เม็ดเลือดแดงประมาณ 20 เท่าและประกอบด้วยชั้นของโลหะซิลิกาที่เป็นตัวนำไฟฟ้าและไม่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ทีมงานของฮาลาสสามารถปรับอนุภาคให้มีปฏิสัมพันธ์กับความยาวคลื่นที่เฉพาะเจาะจงได้โดยการเปลี่ยนแปลงความหนาของชั้น ตัวอย่างเช่นทั้ง nanoshells และ nanomatryoshkas สามารถเปลี่ยนแสงอินฟราเรดใกล้อินฟราเรดที่เป็นอันตรายต่อความร้อนได้ ความร้อนที่รุนแรงได้ถูกนำมาใช้เพื่อทำลายมะเร็งในการทดลองของ nanoshells หลาย ๆ ครั้งรวมถึงการทดลองใช้อย่างต่อเนื่องสำหรับการรักษามะเร็งต่อมลูกหมาก

การศึกษาใหม่นี้เป็นบทล่าสุดในความพยายามของ Halas ในการสร้างอนุภาคขนาดนาโนที่มีการเปิดรับแสงด้วยคุณสมบัติการรักษาและการวินิจฉัยรวมกัน อนุภาค "theranostic" เหล่านี้สามารถช่วยให้แพทย์วินิจฉัยและรักษาโรคมะเร็งได้ในสำนักงานเดียวกันหรือเยี่ยมชมโรงพยาบาล

ลุคเฮนเดอร์สันนักศึกษาบัณฑิต Rice และผู้เขียนนำของหนังสือพิมพ์ ACS Nano กล่าวว่า "ถ้าแพทย์สามารถมองเห็นอนุภาคผ่านการจัดเรียงภาพบางภาพการบำบัดอาจทำได้เร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้นตัวอย่างเช่นสมมติสถานการณ์ที่การสแกนดำเนินการ เพื่อตรวจสอบขนาดและตำแหน่งของเนื้องอกความร้อนจะถูกสร้างขึ้นเพื่อรักษาเนื้องอกและการสแกนอื่นเพื่อตรวจสอบว่าเนื้องอกทั้งหมดถูกทำลายไปแล้ว "

เมื่อนักเคมีของเฮนเดอร์สันเข้าร่วมห้องทดลองของฮาลาสเพื่อทำ Nanophotonics ในปีพ. ศ. 2560 ทีมของ Halas ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มสีย้อมเรืองแสงลงใน nanomatryoshkas เพื่อให้สามารถมองเห็นได้ในการสแกนวินิจฉัย ผลงานชิ้นนี้ยังคงดำเนินต่อไปในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปีพ. ศ. 2560 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแกลดเลตไททาเนียมสามารถฝังอยู่ในชั้นซิลิกาสำหรับความคมชัดของ MRI ได้

เครื่องสแกนเนอร์ MRI ภาพภายในของร่างกายโดยการจัดเรียงนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนในเวลาสั้น ๆ และวัดระยะเวลาที่นิวเคลียสจะ "ผ่อนคลาย" ไปสู่สถานะพักผ่อนของพวกเขา คุณสมบัติในการผ่อนคลายมีความแตกต่างกันไปตามเนื้อเยื่อและโดยการจัดตำแหน่งนิวเคลียสและวัดเวลาในการผ่อนคลายร่างกายซ้ำ ๆ เครื่องสแกนแบบ MRI จะสร้างรายละเอียดของอวัยวะเนื้อเยื่อและโครงสร้างของร่างกาย ตัวแทนของ Contrast ปรับปรุงความละเอียดในการสแกนโดยการเพิ่มอัตราการผ่อนคลายของอนุภาค

Gadolinium chelates ปฏิวัติการตรวจ MRI เมื่อนำมาใช้ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และใช้มากกว่า 400 ล้านครั้ง แม้ว่าแกโดลิเนียมเป็นโลหะที่เป็นพิษกระบวนการ chelating จะครอบคลุมแต่ละแกโดลิเนียมไอออนด้วยห่อตัวอินทรีย์ที่ช่วยลดการสัมผัสและช่วยให้ยาผ่านร่างกายได้โดยการถ่ายปัสสาวะภายในไม่กี่ชั่วโมง

ในปี 2013 นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นค้นพบว่าสารแกโดลิเนียมจากสารทึบได้สะสมในสมองของผู้ป่วยบางรายและการศึกษาในภายหลังพบว่ามีสารที่คล้ายกันในกระดูกและอวัยวะอื่น ๆ ในขณะที่ผลกระทบด้านสุขภาพไม่พึงประสงค์เกี่ยวข้องกับสารทึบแสงที่ใช้แกโดลิเนียม แต่อย่างใด FDA จำเป็นต้องใช้ผู้ผลิตยาเพื่อเพิ่มคำเตือนในคู่มือยาสำหรับสารที่ใช้กันอย่างแพร่หลายแกโดลิเนียม 8 ชนิดในเดือนธันวาคม 2560

Henderson กล่าวว่า "ในงานก่อนหน้านี้กับ gadolinium เราสังเกตเห็นว่าการออกแบบของ nanomatryoshka ช่วยเพิ่มความผ่อนคลายของแกโดลิเนียมที่ฝังตัว "ในเวลาเดียวกันเราได้ยินเสียงเรียกจากชุมชนทางการแพทย์เพื่อหาทางเลือกในแกโดลิเนียมและเราตัดสินใจที่จะลองใช้คีเลตเหล็กและดูว่าเราได้รับการปรับปรุงแบบเดียวกันหรือไม่"

ผลลัพธ์ที่ทำให้ทุกคนประหลาดใจ เฮนเดอร์สันไม่เพียง แต่สามารถเพิ่มความผ่อนคลายให้กับเหล็กได้ แต่เขาก็สามารถบรรจุเหล็กได้ถึงสี่เท่าของนาโนเมียร์ชาคคา ที่อนุญาตให้ nanomatryoshkas เหล็กที่จะดำเนินการทั้งสองเท่า chelates gadolinium ทางคลินิกที่มีอยู่

เฮนเดอร์สันยังพบวิธีทั่วไปในการเปลี่ยนชนิดของโลหะที่ถูกโหลด โดยการเพิ่มโมเลกุลของ chelate ที่ไม่ได้บรรจุลงในซิลิกาก่อนพบว่าเขาสามารถบรรจุโลหะได้โดยการแช่อนุภาคในอ่างเกลือของโลหะ โดยการเปลี่ยนโลหะในอ่างอาบน้ำเขาพบว่าเขาสามารถโหลดไอออน paramagnetic ที่แตกต่างกันรวมถึงแมงกานีสเข้าไปใน nanomatryoshkas

หลังจากเติมไอออนโลหะเข้าไปในซิลิกาแล้วจะมีการเพิ่มชั้นสุดท้ายของ nanomatryoshka เปลือกนอกสีเหลือง เปลือกซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ plasmonics ยังทำหน้าที่เป็นอุปสรรคเพื่อป้องกันการ leeching ไอออน เฮนเดอร์สันกล่าวว่าอุปสรรคของทองคำยังมีประโยชน์รองสำหรับสีย้อมเรืองแสงที่เขาเพิ่มไว้สำหรับการวินิจฉัยแบบ dual-mode

เฮนเดอร์สันกล่าวว่า "สีย้อมเรืองแสงทั้งหมดจะถูกฟอกสีภาพซึ่งหมายความว่าพวกมันจางหายไปตลอดเวลาและในที่สุดก็จะไม่ทำให้เกิดสัญญาณที่วัดได้" "แม้ว่าคุณจะหยุดพวกเขาซึ่งช้าลงฟอกพวกเขามักจะไม่นานกว่าสองสัปดาห์ฉันกำลังมองหาที่ตัวอย่างเก่าของ ค่อนข้างดีเมื่อเรามองอย่างใกล้ชิดมากขึ้นที่นี่เราพบว่าย้อมสีได้ประมาณ 23 ครั้งมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่อพวกเขาอยู่ภายใน nanomatryoshkas "

menu
menu