Une équipe de Sandia National Laboratories a conçu et synthétisé des nanoparticules qui brillent en rouge et sont stables, propriétés utiles pour suivre la croissance et la propagation du cancer.

Ce travail est la première fois la luminescence intrinsèque des matériaux de charpente métal-organique, ou MOF, pour la bio-imagerie à long terme a été rapporté, a déclaré la chimiste des matériaux Dorina Sava Gallis. Tumeurs à marquage fluorescent, ou d'autres types spécifiques de cellules, est un nouveau, méthode puissante pour imager l'intérieur d'un corps.

IRM, Les rayons X et les ultrasons sont de puissantes méthodes de bio-imagerie pour diagnostiquer les maladies. Cependant, ces méthodes ont chacune leurs limites et ne sont généralement pas utilisées pour traiter des maladies. Pendant des années, les scientifiques ont recherché des agents théranostiques, matériaux qui ont des utilisations à la fois thérapeutiques et diagnostiques.

Les MOF sont un groupe de produits chimiques avec un grand potentiel pour l'imagerie et le traitement du cancer et d'autres maladies. Ces molécules ressemblant à des jouets bricolés ont des « moyeux » métalliques et des « tiges » à base de carbone. Les chimistes peuvent échanger les hubs et les linkers pour fabriquer des "éponges" nanométriques avec de nombreuses propriétés différentes. Historiquement, Les MOF ont été utilisés pour tout, de la capture des gaz radioactifs du combustible nucléaire usé, au nettoyage de l'eau contaminée et même au stockage de l'hydrogène gazeux en toute sécurité.

Les nanoparticules MOF de l'équipe Sandia brillent en rouge ou dans le proche infrarouge pendant au moins deux jours dans les cellules.

La lumière proche infrarouge a des longueurs d'onde plus longues que la lumière rouge. Il est particulièrement utile pour l'imagerie à l'intérieur d'un corps car il peut pénétrer la peau, les tissus et même les os sans causer de dommages, et produit des images plus claires car il y a moins d'autofluorescence de fond à ces longueurs d'onde, dit Sava Gallis. Les colorants ou nanoparticules actuels qui brillent dans le proche infrarouge ne durent pas très longtemps ou ne brillent que faiblement, rendre plus lumineux, des matériaux plus stables inestimables.

Conception rationnelle de MOF multifonctionnels pour la bio-imagerie

Les MOF sont des matériaux complexes avec des propriétés ajustables et des surfaces étonnantes; un gramme d'un certain type de MOF a la même surface que 16 terrains de basket. Sava Gallis a dit, « Dans le domaine des charpentes métallo-organiques, nous avons l'avantage de choisir nos briques pour fabriquer des matériaux sur mesure."

Depuis 14 ans, elle a travaillé à rendre la synthèse des MOFs plus rationnelle et prévisible. Certains métaux sont chimiquement actifs et d'autres brillent de certaines couleurs. Certains métaux forment des amas avec des géométries différentes, comme des « moyeux » de jouets bricolés avec différents nombres de trous – et parfois le moyeu est un seul ion métallique. Certains liens sont longs, produire des éponges avec de grands vides et des surfaces élevées, et d'autres sont courts. Certains lieurs sont catalytiquement actifs, c'est-à-dire ils peuvent accélérer une réaction chimique ou modifier la chimie du métal tandis que d'autres peuvent ajuster la couleur ou la luminosité de la lueur du métal.

Concevoir rationnellement des MOF pour la bio-imagerie, Sava Gallis a sélectionné des métaux lanthanides, une classe d'éléments de terres rares. L'europium métallique s'illumine de rouge; les métaux néodyme et ytterbium sont fluorescents dans le proche infrarouge. Elle a également choisi des conditions qui feraient en sorte que les lanthanides forment des amas robustes. Souvent, Les MOF fabriqués avec des ions métalliques individuels ne sont pas stables à l'eau, mais les grappes métalliques sont souvent, dit Sava Gallis. Ceci est important pour la bio-imagerie car les cellules et les personnes sont principalement constituées d'eau. Aussi, elle a utilisé des lieurs de carbone couramment disponibles qui produisent de grands pores. Potentiellement, ces pores pourraient contenir des médicaments et permettre à la fois l'imagerie et le traitement.

Stable à l'eau, MOF poreux qui brillent dans le proche infrarouge

Sava Gallis a constitué une équipe interdisciplinaire pour confirmer que les MOF possédaient les propriétés qu'elle avait conçues. Mark Rodriguez et Karena Chapman, scientifique en matériaux de Sandia, du Laboratoire National d'Argonne, aidé avec les études structurelles de diffraction des rayons X. Les chercheurs de Sandia Lauren Rohwer et Willie Luk ont ​​testé les propriétés de luminescence des MOF. L'équipe a réussi à créer une famille de MOF similaires avec une gamme de couleurs d'émission allant du rouge au proche infrarouge, permettant aux chercheurs de "régler" la couleur du MOF en fonction de ses besoins.

Puis, L'équipe de Sava Gallis a testé pour s'assurer que les nanoparticules étaient stables dans l'eau et ne tuaient pas les cellules en culture. Le nanobiologiste de Sandia, Kim Butler, a effectué des études de cytotoxicité pour déterminer si les MOF étaient toxiques pour les cellules de mammifères. Même à fortes doses, les nanoparticules étaient similaires ou moins toxiques que les autres particules étudiées pour la bio-imagerie, ce qui est bon signe pour leur avenir, dit Sava Gallis. Ils étaient également stables dans l'eau ou l'eau salée imitant la biologie pendant au moins une semaine.

La biochimiste de Sandia Meghan Dailey et le chimiste bioanalytique Jeri Timlin ont réalisé une imagerie de cellules vivantes à l'aide d'un microscope à fluorescence confocal hyperspectral personnalisé. Ils ont montré que les particules MOF peuvent fonctionner pour des études de bio-imagerie à long terme dans des cellules de mammifères, mais pourraient nécessiter une optimisation supplémentaire, peut-être en modifiant la surface des particules, dit Sava Gallis.

« Nous sommes très enthousiasmés par le succès de ces études initiales et nous allons de l'avant pour étudier leur profondeur de pénétration dans les tissus, efficacité de luminescence et finalement, la pertinence pour l'imagerie du vivant, ", a déclaré Sava Gallis.

La recherche fait partie d'un projet beaucoup plus vaste visant à développer des des réponses sûres et efficaces aux menaces biologiques et aux nouveaux agents pathogènes financés par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia. Une partie importante de ce projet consiste à suivre la livraison de nanoparticules, qui nécessite des particules ou des colorants incandescents biologiquement stables.

Les résultats ont été publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS .