Cristina Zavaleta, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biomedizinische Technik am USC Viterbi in Los Angeles, hat gerade mit seinem Team neue bildgebende Kontrastmittel entwickelt, die gängige Farbstoffe wie Tätowierungstinte und Lebensmittelfarbstoffe verwenden. Wenn diese Farbstoffe an die Nanopartikel gebunden sind, können sie Tumore beleuchten, sodass Mediziner besser zwischen Tumorzellen und normalerweise benachbarten Zellen unterscheiden und Krebs erkennen können. Die Arbeit wurde in Biomaterials Science veröffentlicht.
Die Bedeutung der Diagnose
La Diagnose Früh ist entscheidend für Patienten, um die bestmöglichen Ergebnisse bei Krebs zu erzielen. Eine Krankheit, von der über 38% der Amerikaner irgendwann in ihrem Leben betroffen sein werden.
Die Detektion ist jedoch ohne gute Bildgebungsmittel schwierig; Kontrastmittel, die bei Injektion in Patienten Bilder wie MRT und CT mit verbesserter Empfindlichkeit und Spezifität funktionieren lassen, sodass Mediziner Krebs genau bestimmen und genau diagnostizieren können und Chirurgen genaue Ränder identifizieren können von Tumoren.
"Wenn das Problem beispielsweise Darmkrebs ist, wird dies durch Endoskopie erkannt", sagte er Zavaleta. „Aber ein Endoskop ist buchstäblich nur eine Taschenlampe am Ende eines Stocks, sodass es nur Informationen über die Struktur des Dickdarms liefert. Sie können einen Polypen sehen und wissen, dass Sie eine Biopsie durchführen müssen. Wenn wir Bildgebungsinstrumente bereitstellen könnten, mit denen Ärzte erkennen können, ob dieser bestimmte Polyp krebsartig oder nur gutartig ist, wäre häufig kein Eingriff erforderlich “, sagte er.
Wie das System funktioniert
Die beleuchteten Nanopartikel bewegen sich durch ein Blutgefäß, um Krebs zu erkennen. Die Farbstoffe wurden in die Nanopartikel eingebaut, um einen genaueren Bildkontrast bei der Identifizierung von Krebszellen zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, entdeckte das Team eine einzigartige Quelle für optische Kontrastmittel aus den Haushaltsfarbstoffen und -pigmenten, denen wir routinemäßig begegnen. Diese "optischen Tinten" können auf gezielte Nanopartikel aufgetragen werden, um die Erkennung und Lokalisierung von Krebs zu verbessern.
Die Farbstoffe und Pigmente wurden von üblichen Farbstoffen abgeleitet.
Die Idee? Sie kam von Pixar
Für Zavaleta kam die Inspiration an einem ungewöhnlichen Ort: einem Animationskurs mit Pixar-Künstlern in Emeryville, Kalifornien, der Heimat des berühmten Animationsstudios. Zavaleta, die Kunst und Animation liebt, sagte, sie sei fasziniert von den Tinten und Farben, die die Künstler zum Unterricht brachten. "Ich habe darüber nachgedacht, wie diese ultrahohen Pigmentfarben wie Gouache-Aquarelle auf eine Weise brillieren, die ich noch nie zuvor gesehen hatte, und ich habe mich gefragt, ob sie interessante optische Eigenschaften haben", sagte Zavaleta.
Die Idee brachte sie zu einem Tätowierer aus dem nahe gelegenen San Francisco. Adam Sky, ein anderer Handwerker, der mit hellen Farbstoffen arbeitet.
Ich erinnere mich, dass ich eine Platte mit 96 Vertiefungen mitgebracht habe und er Tätowierungstinte in jede der Vertiefungen gesprüht hat. Dann brachte ich die Tinten zu unserem Raman-Scanner (der zur sensitiven Erkennung von auf Tumore ausgerichteten Nanopartikeln verwendet wird) und entdeckte diese wirklich erstaunlichen spektralen Fingerabdrücke, mit denen wir unsere Nanopartikel codieren konnten. Es war toll.
Cristina Zavaleta, USC Viterbi - Los Angeles
Die Herausforderungen bei der Erkennung von Krebs
Eine der Sicherheitsherausforderungen bei der Bildgebung von Nanopartikeln besteht darin, dass sie häufig eine längere Retention in Organen wie Leber und Milz aufweisen können. Aufgrund dieser Sicherheitsbedenken ist es wichtig, biologisch abbaubare Nanomaterialien zu berücksichtigen. Derzeit ist eine begrenzte Anzahl von optischen Kontrastmitteln für die klinische Verwendung zugelassen.
Vor diesem Hintergrund hat das Team von Zavaleta gängige Lebensmittelfarbstoffe in Betracht gezogen, die für Nanopartikel verwendet werden könnten, beispielsweise die Farbstoffe, die in bunten Bonbons wie Kegeln und M & Ms enthalten sind. Diese farbenfrohen Lebensmittel, die Menschen routinemäßig konsumieren, wurden von der FDA als sicher für den menschlichen Verzehr eingestuft.
"Wir dachten: Schauen wir uns einige der von der FDA zugelassenen pharmazeutischen, kosmetischen und Lebensmittelfarbstoffe an und sehen wir, welche optischen Eigenschaften diese Farbstoffe haben", sagte Zavaleta. "Und hier haben wir festgestellt, dass viele dieser von der FDA zugelassenen Farbstoffe interessante optische Eigenschaften aufweisen, die wir für die Bildgebung nutzen können."
Das Team hat ein Nanopartikel entwickelt, das diese hochpigmentierten Bildgebungsmittel als Nutzlast zur Erkennung von Krebs enthält. Zavaleta sagte, dass die Partikel eine bestimmte Größe haben. Dadurch können einige von ihnen passiv in die Tumorbereiche eindringen. Andere, entsprechend ausgewählt, sollten aufgrund ihrer Größe zurückgehalten werden.
Das Nanopartikel kann auch mit einer höheren Farbstoffnutzlast als frühere Bildgebungsmittel "dekoriert" werden. Dies führt zu einem helleren und effektiveren Signal bei der Erkennung von Krebs. "Wenn Sie eine Reihe von Farbstoffen in ein Nanopartikel einkapseln, können Sie es besser sehen, weil es heller ist", sagte Zavaleta.
