Eisen übertrifft Gadolinium als MRT-Kontrastmittel
Luke Henderson/Rice University
MRT-Scanner bilden das Innere des Körpers ab, indem sie die Kerne der Wasserstoffatome kurz ausrichten und messen, wie lange es dauert, bis sich die Kerne in ihren Ruhezustand "entspannen". Die Entspannungseigenschaften variieren je nach Gewebe, und durch wiederholtes Ausrichten der Kerne und Messen der Entspannungszeiten erstellt ein MRT-Scanner ein detailliertes Bild der Organe, Gewebe und Strukturen des Körpers. Kontrastmittel verbessern die Scanauflösung durch Erhöhung der Relaxationsrate von Partikeln.
Gadoliniumchelate revolutionierten die MRT-Tests, als sie Ende der 80er Jahre eingeführt wurden und mehr als 400 Millionen Mal verwendet wurden. Obwohl Gadolinium ein giftiges Metall ist, bedeckt der Chelatisierungsprozess jedes Gadolinium-Ion mit einer organischen Hülle, die die Exposition reduziert und es dem Medikament ermöglicht, innerhalb weniger Stunden aus dem Körper zu gelangen.
Im Jahr 2013 machten japanische Wissenschaftler die überraschende Entdeckung, dass sich Gadolinium aus Kontrastmitteln im Gehirn einiger Patienten angesammelt hatte, und nachfolgende Studien fanden ähnliche Ablagerungen in Knochen und anderen Organen. Während keine nachteiligen Gesundheitseffekte mit Gadolinium-basierten MRT-Kontrastmitteln in Verbindung gebracht wurden, verlangte die FDA im Dezember 2017 von den Arzneimittelherstellern, den Leitfäden für acht weit verbreitete Gadolinium-basierte Kontrastmittel Warnhinweise hinzuzufügen.
"In der früheren Arbeit mit Gadolinium stellten wir fest, dass das Nanomatrioschka-Design die Relaxivität der eingebetteten Gadoliniumchelate verbessert", sagte Henderson. "Zur gleichen Zeit hörten wir mehr Anrufe von der medizinischen Gemeinschaft nach Alternativen zu Gadolinium, und wir beschlossen, Eisenchelate zu probieren und zu sehen, ob wir die gleiche Art von Verbesserung erhielten."
Die Ergebnisse überraschten alle. Henderson war nicht nur in der Lage, die Relaxivitäten für Eisen zu erhöhen, er konnte auch etwa viermal mehr Eisen in jede Nanomatrioschka laden. Dadurch konnten die eisenbeladenen Nanomatrioschkas doppelt so gut wie klinisch verfügbare Gadoliniumchelate arbeiten.
Henderson fand auch einen generischen Weg, die Art des geladenen Metalls zu ändern. Indem er der Kieselsäure zunächst unbeladene Chelatmoleküle hinzufügte, fand er heraus, dass er Metall laden konnte, indem er die Partikel in ein Bad aus Metallsalzen tränkte. Indem er die Metalle im Bad wechselte, fand er heraus, dass er leicht verschiedene paramagnetische Ionen, einschließlich Mangan, in die Nanomatrioschkas laden konnte.
Nachdem die Metallionen in die Kieselsäure geladen wurden, wurde die letzte Schicht der Nanomatrioschka, die äußere Goldschale, hinzugefügt. Die für die Plasmonik lebenswichtige Hülle dient auch als Barriere gegen Ionenaustritt. Henderson sagte, dass die Goldbarriere auch einen sekundären Nutzen für die Fluoreszenzfarbstoffe habe, die er für die Dual-Mode-Diagnostik hinzugefügt habe.
"Alle Fluoreszenzfarbstoffe unterliegen dem Photobleaching, d.h. sie verblassen mit der Zeit und geben schließlich kein messbares Signal ab", so Henderson. "Selbst wenn man sie einfriert, was das Bleichen verlangsamt, halten sie normalerweise nicht länger als ein paar Wochen. Ich betrachtete eine alte Probe von Nanomatrioschkas, die seit Monaten im Kühlschrank war, und ich fand heraus, dass sie immer noch recht gut fluoreszieren. Als wir uns das genauer ansahen, stellten wir fest, dass die Farbstoffe etwa 23 Mal stabiler waren, wenn sie in den Nanomatryoshkas waren."
Originalveröffentlichung
Luke Henderson, Oara Neumann, Caterina Kaffes, Runmin Zhang, Valeria Marangoni, Murali K. Ravoori, Vikas Kundra, James Bankson, Peter Nordlander, and Naomi J. Halas; "Routes to Potentially Safer T1 Magnetic Resonance Imaging Contrast in a Compact Plasmonic Nanoparticle with Enhanced Fluorescence"; ACS Nano; 2018