一种在纳米粒子中加载铁的方法

莱斯大学的纳米科学家已经展示了一种在纳米粒子中加载铁的方法，以创造出比钆螯合物更好的MRI造影剂，钆螯合物是由于潜在的安全问题而面临更多审查的主要造影剂。

“消除钆暴露并使T1 MRI对比度性能提高两倍的可能性将引起放射科医生的兴趣，”赖斯的项目首席研究员Naomi Halas说。“当他们听到我们用铁做过这件事时，我希望他们会非常惊讶。”

造影剂是改善MRI图像并使放射科医师更容易解释的药物。放射科医师可以“加权”MRI的结果，并通过改变测试条件使特定组织看起来更亮或更暗。使用两种加权技术 - T1和T2。虽然铁基造影剂经常用于T2扫描，但是用于T1测试的临床可用的钆替代品很少。

“铁螯合物并不新鲜，”哈拉斯说。“人们普遍认为它们对于T1对比是完全不切实际的，但这项研究完美地说明了当你在纳米级工程时，事物的表现有多么不同。”

来自Rice和德克萨斯大学MD安德森癌症中心的Halas及其同事在美国化学学会期刊ACS Nano的一篇论文中描述了他们的发现。在这项研究中，他们创造了纳米偶像的改良版本，同心层状纳米粒子，从俄罗斯的嵌套娃娃中取名。

Nanomatryoshkas和纳米壳是20多年前在Rice发明的另一种层状纳米颗粒Halas，比红细胞小20倍，由导电金属和非导电二氧化硅层组成。通过改变层的厚度，Halas团队调整粒子以与特定波长的光相互作用。例如，纳米壳和nanomatryoshkas都可以将无害的近红外光转换成热量。这种局部的强烈加热已被用于在几个纳米壳试验中摧毁癌症，包括正在进行的治疗前列腺癌的试验。

这项新研究是Halas努力创造具有治疗和诊断功能的光活化纳米粒子的最新篇章。这些“治疗诊断”的颗粒可以让临床医生在同一个办公室或医院就诊时诊断和治疗癌症。

赖斯研究生兼ACS Nano论文的主要作者Luke Henderson 说：“如果临床医生可以通过某种成像来观察颗粒，那么治疗可以更快，更有效。例如，想象一下扫描的情况。为了验证肿瘤的大小和位置，然后产生热量以治疗肿瘤，然后进行另一次扫描以验证整个肿瘤是否被破坏。

MRI扫描仪通过短暂地对准氢原子核并测量细胞核“松弛”到静止状态所需的时间来对身体内部进行成像。放松特性因组织而异，通过反复排列细胞核和测量放松时间，MRI扫描仪可以建立身体器官，组织和结构的详细图像。造影剂通过增加颗粒的弛豫速率来改善扫描分辨率。

钆螯合物在20世纪80年代后期引入时已经彻底改变了MRI检测，并且已经使用了超过4亿次。虽然钆是一种有毒金属，但螯合过程用有机包裹物覆盖每个钆离子，减少暴露，并允许药物在几小时内通过排尿从身体排出

2013年，日本科学家惊人地发现，造影剂中的钆已经积聚在一些患者的大脑中，随后的研究发现骨骼和其他器官中存在类似的沉积物。虽然没有对钆基MRI造影剂产生不良健康影响，但FDA要求制药商在2017年12月为八种广泛使用的钆造影剂的药物指南添加警告。

“在早期的钆工作中，我们注意到nanomatryoshka设计增强了嵌入式钆螯合物的松弛性，”Henderson说。“与此同时，我们听到了医学界更多关于钆替代品的呼吁，我们决定尝试铁螯合物，看看我们是否得到了同样的改善。”

结果令所有人感到惊讶 Henderson不仅能够提高铁的弛豫能力，而且能够为每个nanomatryoshkas加载大约四倍的铁。这使得含铁的nanomatryoshkas的性能是临床上可用的钆螯合物的两倍。

亨德森还发现了一种改变加载金属类型的通用方法。通过首先将未加载的螯合分子添加到二氧化硅中，他发现他可以通过将颗粒浸泡在金属盐浴中来加载金属。通过改变浴槽中的金属，他发现他可以很容易地将不同的顺磁离子(包括锰)加载到nanomatryoshkas中。

在将金属离子加载到二氧化硅中之后，添加纳米瘤的最后一层，即外金壳。壳对等离子体激元子至关重要，也可作为阻止离子吸收的屏障。亨德森说，金屏障对于他为双模式诊断添加的荧光染料也有其次的好处。

“所有荧光染料都会发生光漂白，这意味着它们会随着时间的推移逐渐消失，最终不会发出可测量的信号，”亨德森说。“即使你冻结它们，这会减慢漂白速度，它们通常也不会持续超过几周。我正在查看已经放入冰箱几个月的旧样品nanomatryoshkas，我发现它们仍然发出荧光当我们仔细观察这一点时，我们发现染料在nanomatryoshkas内部的稳定性大约是23倍。“