Les nanoscientifiques de l'Université Rice ont démontré une méthode pour charger le fer à l'intérieur des nanoparticules pour créer des agents de contraste IRM qui surpassent les chélates de gadolinium, l'agent de contraste principal qui fait l'objet d'une surveillance accrue en raison de problèmes de sécurité potentiels.

"La possibilité d'éliminer l'exposition au gadolinium et d'obtenir une amélioration par deux des performances de contraste de l'IRM T1 va intriguer les radiologues, " a déclaré Naomi Halas de Rice, le chercheur principal du projet. "Quand ils apprendront que nous avons fait cela avec du fer, je m'attends à ce qu'ils soient très surpris."

Les agents de contraste sont des médicaments qui améliorent les images IRM et les rendent plus faciles à interpréter pour les radiologues. Les radiologues peuvent « pondérer » les résultats d'une IRM et faire apparaître des tissus spécifiques plus clairs ou plus sombres en faisant varier les conditions du test. Deux techniques de pondération, T1 et T2, sont utilisées. Alors que les agents de contraste à base de fer sont fréquemment utilisés pour les scanners T2, il existe peu d'alternatives cliniquement disponibles au gadolinium pour les tests T1.

"Les chélates de fer ne sont pas nouveaux, " a déclaré Halas. " Il est largement admis qu'ils sont totalement impraticables pour le contraste T1, mais cette étude est une parfaite illustration de la façon dont les choses peuvent se comporter différemment lorsque vous travaillez à l'échelle nanométrique."

Halas et ses collègues de Rice et du MD Anderson Cancer Center de l'Université du Texas décrivent leurs découvertes dans un article disponible en ligne dans le journal de l'American Chemical Society. ACS Nano . Dans l'étude, ils ont créé une version modifiée des nanomatryoshkas, nanoparticules en couches concentriques qui tirent leur nom des poupées gigognes russes.

Nanomatryoshkas et nanoshells, une autre nanoparticule en couches Halas inventée à Rice il y a plus de 20 ans, sont environ 20 fois plus petits qu'un globule rouge et constitués de couches de métal conducteur et de silice non conductrice. En faisant varier l'épaisseur des couches, L'équipe de Halas ajuste les particules pour interagir avec des longueurs d'onde de lumière spécifiques. Par exemple, les nanoshells et les nanomatryoshkas peuvent convertir la lumière infrarouge proche autrement inoffensive en chaleur. Cette localisée, un chauffage intense a été utilisé pour détruire le cancer dans plusieurs essais de nanocoquilles, y compris un essai en cours pour le traitement du cancer de la prostate.

La nouvelle étude est le dernier chapitre des efforts de Halas pour créer des nanoparticules activées par la lumière avec une combinaison de caractéristiques thérapeutiques et diagnostiques. Ces particules « théranostiques » pourraient permettre aux cliniciens de diagnostiquer et de traiter le cancer au cours d'une même visite au cabinet ou à l'hôpital.

Luc Henderson, un étudiant diplômé de Rice et auteur principal du ACS Nano papier, mentionné, "Si les cliniciens pouvaient visualiser les particules grâce à une sorte d'imagerie, la thérapie pourrait être plus rapide et plus efficace. Par exemple, imaginez un scénario où un scanner est effectué pour vérifier la taille et l'emplacement de la tumeur, de la chaleur est ensuite générée pour traiter la tumeur et une autre analyse s'ensuit pour vérifier que toute la tumeur a été détruite."

Quand Henderson, un chimiste, a rejoint le Laboratoire de nanophotonique de Halas en 2016, L'équipe de Halas avait déjà montré qu'elle pouvait ajouter des colorants fluorescents aux nanomatryoshkas pour les rendre visibles dans les analyses de diagnostic. Des travaux étaient également en cours sur une étude publiée en 2017 qui montrait que des chélates de gadolinium pouvaient être intégrés dans la couche de silice pour le contraste IRM.

Les scanners IRM imagent l'intérieur du corps en alignant brièvement les noyaux des atomes d'hydrogène et en mesurant le temps qu'il faut aux noyaux pour « se détendre » jusqu'à leur état de repos. Les propriétés de relaxation varient selon les tissus, et en alignant à plusieurs reprises les noyaux et en mesurant les temps de relaxation, un scanner IRM construit une image détaillée des organes du corps, tissus et structures. Les agents de contraste améliorent la résolution du balayage en augmentant le taux de relaxation des particules.

Les chélates de gadolinium ont révolutionné les tests IRM lorsqu'ils ont été introduits à la fin des années 1980 et ont été utilisés plus de 400 millions de fois. Bien que le gadolinium soit un métal toxique, le processus de chélation recouvre chaque ion gadolinium d'une enveloppe organique qui réduit l'exposition et permet au médicament de passer du corps par la miction en quelques heures

En 2013, Des scientifiques japonais ont fait la découverte surprenante que le gadolinium des agents de contraste s'était accumulé dans le cerveau de certains patients, et des études ultérieures ont trouvé des dépôts similaires dans les os et d'autres organes. Bien qu'aucun effet indésirable sur la santé n'ait été associé aux agents de contraste pour IRM à base de gadolinium, la FDA a demandé aux fabricants de médicaments d'ajouter des avertissements aux guides de médicaments pour huit agents de contraste à base de gadolinium largement utilisés en décembre 2017.

« Dans les travaux antérieurs avec le gadolinium, nous avons remarqué que la conception nanomatryoshka améliorait les relaxivités des chélates de gadolinium incorporés, " dit Henderson. " En même temps, nous entendions plus d'appels de la communauté médicale pour des alternatives au gadolinium, et nous avons décidé d'essayer les chélates de fer et de voir si nous obtenions le même type d'amélioration."

Les résultats ont surpris tout le monde. Non seulement Henderson a-t-il pu augmenter les relaxivités du fer, il a pu charger environ quatre fois plus de fer dans chaque nanomatryoshkas. Cela a permis aux nanomatryoshkas chargés de fer d'être deux fois plus performants que les chélates de gadolinium disponibles en clinique.

Henderson a également trouvé un moyen générique de changer le type de métal chargé. En ajoutant d'abord des molécules de chélate non chargées à la silice, il a découvert qu'il pouvait charger du métal en trempant les particules dans un bain de sels métalliques. En changeant les métaux dans le bain, il a découvert qu'il pouvait facilement charger différents ions paramagnétiques, y compris le manganèse, dans les nanomatryoshkas.

Une fois les ions métalliques chargés dans la silice, la couche finale de la nanomatryoshka, la coquille d'or extérieure, était ajouté. La coquille, ce qui est vital pour la plasmonique, sert également de barrière pour empêcher le lessivage des ions. Henderson a déclaré que la barrière d'or avait également un avantage secondaire pour les colorants fluorescents qu'il a ajoutés pour les diagnostics bimodes.

"Tous les colorants fluorescents sont soumis au photo-blanchiment, ce qui signifie qu'ils s'estompent avec le temps et ne donneront finalement pas de signal mesurable, " dit Henderson. " Même si vous les congelez, qui ralentit le blanchiment, ils ne durent généralement pas plus de quelques semaines. Je regardais un vieil échantillon de nanomatryoshkas qui était au réfrigérateur depuis des mois, et j'ai trouvé qu'ils étaient encore assez fluorescents. Lorsque nous avons examiné cela de plus près, nous avons découvert que les colorants étaient environ 23 fois plus stables lorsqu'ils étaient à l'intérieur des nanomatryoshkas."