Reimagining IRM contraste: le fer surpasse le gadolinium

Anonim

Les nanoscientifiques de l'université du riz ont mis au point une méthode de chargement du fer dans les nanoparticules pour créer des agents de contraste qui surpassent les chélates de gadolinium, le principal agent de contraste soumis à des examens de sécurité potentiels.

"La possibilité d'éliminer l'exposition au gadolinium et d'obtenir une amélioration de deux fois des performances de contraste en IRM T1 va inciter les radiologistes à se poser des questions", a déclaré Naomi Halas, chercheuse principale du projet chez Rice. "Quand ils entendent 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 facilitent leur interprétation par les radiologues. Les radiologistes peuvent «pondérer» les résultats d'une IRM et rendre les tissus spécifiques plus brillants ou plus foncés en faisant varier les conditions du test. Deux techniques de pondération (T1 et T2) sont utilisées. Bien que les agents de contraste à base de fer soient fréquemment utilisés pour les examens T2, il existe peu d’alternatives au gadolinium disponibles en clinique 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 illustre parfaitement à quel point les choses peuvent se comporter différemment lorsque l'on travaille à l'échelle nanométrique."

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

Nanomatryoshkas et nanoshells, une autre couche de nanoparticules Halas inventée chez 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 adapte les particules pour interagir avec des longueurs d’ondes de lumière spécifiques. Par exemple, les nanocellules et les nanomatryoshkas peuvent convertir la lumière infrarouge proche autrement inoffensive en chaleur. Ce chauffage intense et localisé a été utilisé pour détruire le cancer dans plusieurs essais de nanocellules, y compris un essai en cours pour le traitement du cancer de la prostate.

La nouvelle étude est le dernier chapitre dans les 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 même bureau ou à la même visite à l'hôpital.

Luke Henderson, un étudiant diplômé de Rice et auteur principal du document ACS Nano, a déclaré: «Si les cliniciens pouvaient visualiser les particules grâce à une forme d’imagerie, la thérapie pourrait être plus rapide et plus efficace. pour vérifier la taille et la position de la tumeur, de la chaleur est alors générée pour traiter la tumeur et une autre analyse est effectuée pour vérifier que la tumeur entière a été détruite. "

Lorsque 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 les chélates de gadolinium pouvaient être incorporés dans la couche de silice pour le contraste IRM.

Les scanners IRM imitent l'intérieur du corps en alignant brièvement les noyaux des atomes d'hydrogène et en mesurant combien de temps il faut aux noyaux pour se "détendre" à leur état de repos. Les propriétés de relaxation varient selon les tissus. En alignant de manière répétée les noyaux et en mesurant les temps de relaxation, un scanner IRM crée une image détaillée des organes, des tissus et des structures du corps. 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 lors de leur introduction 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 chélatant recouvre chaque ion gadolinium avec une enveloppe organique qui réduit l'exposition et permet au médicament de passer de l'urine 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 révélé des dépôts similaires dans les os et d'autres organes. Bien qu'aucun effet nocif sur la santé n'ait été associé aux agents de contraste IRM à base de gadolinium, la FDA a exigé des fabricants de médicaments qu'ils ajoutent des avertissements aux guides de médicaments de huit agents de contraste à base de gadolinium largement utilisés en décembre 2017.

"Dans les travaux antérieurs avec le gadolinium, nous avons remarqué que le concept de nanomatryoshka améliorait les relaxivités des chélates de gadolinium incorporés", a déclaré Henderson. "Dans le même temps, nous avons entendu davantage d'appels de la communauté médicale pour des alternatives au gadolinium, et nous avons décidé d'essayer des chélates de fer et de voir si nous obtenions le même type d'amélioration."

Les résultats ont surpris tout le monde. Henderson était non seulement capable de stimuler les relaxivités du fer, mais il était capable de charger environ quatre fois plus de fer dans chaque nanomatryoshkas. Cela a permis aux nanomatryoshkas chargés de fer de fonctionner deux fois plus 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, dont le manganèse, dans les nanomatryoshkas.

Après que les ions métalliques ont été chargés dans la silice, la couche finale du nanomatryoshka, la coquille d'or externe, a été ajoutée. La coquille, qui est vitale pour la plasmonique, sert également de barrière pour empêcher la chute des ions. Henderson a déclaré que la barrière d’or avait également un avantage secondaire pour les colorants fluorescents qu’il avait ajoutés pour les diagnostics à double mode.

"Tous les colorants fluorescents sont sujets au blanchiment des photos, ce qui signifie qu'ils disparaissent avec le temps et qu'ils ne produiront finalement pas de signal mesurable", a déclaré Henderson. "Même si vous les congelez, ce qui ralentit le blanchiment, elles ne durent généralement pas plus de deux semaines. Je regardais un vieil échantillon de nanomatryoshkas qui se trouvait dans le réfrigérateur depuis des mois et j'ai constaté qu'elles étaient toujours fluorescentes quand nous avons regardé de plus près cela, nous avons trouvé que les colorants étaient environ 23 fois plus stables quand ils étaient à l'intérieur des nanomatryoshkas. "

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