Inteligentny kontrast MRI celuje w komórki nowotworowe

Nowy środek kontrastowy na bazie nanocząstek z tlenku żelaza, stworzony przez zespół z Akademii Górniczo-Hutniczej i Uniwersytetu Jagiellońskiego, nie tylko zwiększa widoczność miejsc zmienionych chorobowo w obrazie MR, ale też zabija komórki rakowe, nie uszkadzając zdrowych.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) wykorzystuje sygnał relaksacji protonów wodoru do tworzenia szczegółowych obrazów tkanek. W zależności od rodzaju sekwencji analizuje się różnice w czasach relaksacji T1 i T2, charakterystyczne dla poszczególnych tkanek.

Aby poprawić jakość diagnostyczną, stosuje się środki kontrastujące. W obrazowaniu T2-zależnym wykorzystuje się m.in. superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza (SPION), które skutecznie skracają czas relaksacji T2. Ich zastosowanie ograniczają jednak m.in. skłonność do tworzenia agregatów oraz ograniczona biokompatybilność.

Nowy kontrast SPION/HA-FA

Grupa badaczek i badaczy z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej oraz Wydziału Chemii i Wydziału Lekarskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie opracowała SPION pozbawione większości wymienionych mankamentów, a do tego wyposażyła je w cechy umożliwiające wykrywanie komórek nowotworowych. Nowatorski środek kontrastujący zespół opisuje na łamach renomowanego czasopisma „ACS Applied Materials and Interfaces” w artykule „Hyaluronic Acid-Coated SPIONs with Attached Folic Acid as Potential T2 MRI Contrasts for Anticancer Therapies”.

Rdzeń SPION/HA-FA – tak nazywają się zsyntetyzowane w Krakowie cząstki – zbudowany jest z maghemitu, tlenku żelaza o superparamagnetycznych właściwościach, które odpowiadają za efekt kontrastowy w badaniu MRI. Rdzeń pokryty jest otoczką z kwasu hialuronowego (HA), która dodatkowo została wzbogacona kwasem foliowym (FA). Pojedyncza cząstka w środowisku wodnym osiąga ok. 180 nm średnicy, czyli w przybliżeniu dwa razy więcej niż wirus grypy.

Jak nanocząstki wyszukują komórki rakowe

Składniki otoczki dobrano w taki sposób, aby po znalezieniu się w organizmie pacjenta trafiały w miejsca zmienione nowotworowo. Kwas hialuronowy wiąże się bowiem z receptorami CD44 i RHAMM, które wykazują nadekspresję w wielu typach komórek rakowych.

Funkcjonalizacja otoczki kwasem foliowym dodatkowo polepsza te właściwości, ponieważ jest on z kolei wychwytywany przez receptory folianowe, które wykazują nadaktywność w niektórych rodzajach nowotworów. W przypadku komórek glejaka to powinowactwo jest nawet 500-krotnie silniejsze niż u zdrowych.

Kwasowa otoczka wpływa też na właściwości elektrostatyczne SPION, dzięki którym cząstki wzajemnie się odpychają zamiast przyciągać, a do tego poprawia ich stabilność. W testach laboratoryjnych SPION/HA-FA zachowywały ją przez 10 tygodni w warunkach przechowywania oraz 50 godzin w środowisku fizjologicznym.

Co więcej, kwas hialuronowy i foliowy to substancje naturalnie występujące w organizmie, więc pokrycie nimi maghemitowego rdzenia cząstek pozytywnie wpływa na ich biokompatybilność. Badania wykazały, że SPION/HA-FA nie niszczą komórek krwi i są dobrze tolerowane przez układ odpornościowy, a jedynie w dużej dawce mogą łagodnie obciążać wątrobę.

Dlaczego chore komórki obumierają po podaniu kontrastu

SPION/HA-FA w badaniach laboratoryjnych wykazały również właściwości lecznicze. W testach in vitro obniżały żywotność komórek glejaka oraz raka jelita grubego już w ciągu 24 godzin od podania kontrastu, przy czym obserwowano narastanie tego efektu po 48 i 72 godzinach.

Odpowiedzialne jest za niego zjawisko ferroptozy, czyli proces utleniania lipidów tworzących błony komórkowe w wyniku nadprodukcji reaktywnych form tlenu, którą wywołują jony żelazowe. Zależność ta powoduje, że SPION/HA-FA posiadają również potencjał możliwy do wykorzystania w celowanych terapiach onkologicznych.

Ponadto SPION/HA-FA wpływają silniej na skracanie czasu relaksacji T2 niż podobne kontrasty komercyjne, a do tego posiadają właściwości umożliwiające ich stosowanie również w obrazowaniu T1-zależnym. W praktyce klinicznej może się to przełożyć na zwiększenie czułości badania bądź skrócenie czasu niezbędnego do jego przeprowadzenia.

Badania AGH i UJ nad wykorzystaniem nanocząstek w medycynie

Opracowanie SPION/HA-FA to modelowy przykład ścisłej interdyscyplinarnej współpracy lekarzy, chemików i fizyków.

– Synteza nanocząstek oraz stworzenie stabilnej i biokompatybilnej powłoki z kwasu hialuronowego i kwasu foliowego to zasługa zespołów z Wydziału Chemii i Wydziału Lekarskiego UJ. Z kolei AGH odpowiadała za ich fizyczną charakteryzację, analizę właściwości magnetycznych oraz optymalizację materiału pod kątem MRI – opowiada prof. dr hab. Czesław Kapusta z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, który kierował częścią prac realizowaną w Akademii Górniczo-Hutniczej.

Pomysł na nowy kontrast MRI narodził się w wyniku wcześniejszej współpracy badaczek i badaczy z AGH i UJ, która obejmuje szerokie zastosowanie nanocząstek w diagnostyce i terapii onkologicznej oraz w dziedzinie medycyny kompleksowo łączącą obie funkcje – teranostyce.

– Pracujemy nad wykorzystaniem nanocząstek do wychwytywania krążących w organizmie komórek nowotworowych odpowiedzialnych za powstawanie przerzutów oraz jako nośników leków dostarczanych bezpośrednio do tkanek zmienionych chorobowo. Skupiamy się też na metodach terapeutycznych wykorzystujących niskoczęstotliwościowe pola magnetyczne, które umożliwią niszczenie komórek rakowych w sposób bezpieczniejszy dla pacjenta niż tradycyjna hipertermia wysokoczęstotliwościowa. Rozwijamy również układy łączące nanopręty złota z nanocząstkami magnetycznymi, które mogą znaleźć zastosowanie zarówno w hipertermii laserowej, jak i w naszych metodach magnetycznych. Obecnie intensywnie zajmujemy się hydrożelami wzbogaconymi o nanocząstki. Okazuje się, że możemy z ich użyciem modyfikować mikrostrukturę biopolimerowych nanokompozytów wykorzystując do tego celu pola magnetyczne. To zupełnie nowy kierunek naszych badań, odmienny od wcześniejszych projektów – opisuje prof. Kapusta.

Opracowane przez zespół z AGH i UJ innowacyjne nanokapsuły przenoszące leki i uwalniające je w niskoczęstotliwościowym polu magnetycznym są aktualnie w fazie wdrożenia przez jedną z firm komercyjnych. SPION/HA-FA czekają na uzyskanie ochrony patentowej.

Źródło: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Czytaj także: USK we Wrocławiu z nowoczesną pracownią pozytonowej tomografii emisyjnej