Cristina Zavaleta, Assistenzprofessor in der Abteilung für Biomedizinische Technik an der USC Viterbi in Los Angeles, hat gerade mit seinem Team unter Verwendung gängiger Farbstoffe wie Tätowierfarben und Lebensmittelfarbstoffe neue Kontrastmittel für die Bildgebung entwickelt. Wenn diese Farbstoffe an 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 Diagnostik
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 es zum Beispiel um Dickdarmkrebs geht, wird dieser endoskopisch erkannt“, sagte er Zavaleta. „Aber ein Endoskop ist buchstäblich nur eine Taschenlampe am Ende eines Stabs, daher liefert es nur Informationen über die Struktur des Dickdarms – Sie können einen Polypen sehen und wissen, dass Sie eine Biopsie durchführen müssen.. Wenn wir Bildgebungswerkzeuge bereitstellen könnten, mit denen Ärzte feststellen 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 eingearbeitet, um einen präziseren 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 gezielt auf 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 mitbrachten. „Ich habe darüber nachgedacht, wie brillant diese ultrahochpigmentierten Farben, wie Gouache-Aquarelle, auf eine Weise sind, 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 Himmel, 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 oft über einen längeren Zeitraum in Organen wie Leber und Milz verbleiben können. Aufgrund dieser Sicherheitsbedenken ist es entscheidend, biologisch abbaubare Nanomaterialien in Betracht zu ziehen. Derzeit ist eine begrenzte Anzahl optischer Kontrastmittel für den klinischen Einsatz zugelassen.
Vor diesem Hintergrund betrachtete Zavaletas Team gängige Lebensmittelfarbstoffe, die für Nanopartikel verwendet werden könnten, wie die Farbstoffe, die in bunten Bonbons wie Skittles und M & Ms zu finden 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, die es gibt, und sehen wir uns an, welche optischen Eigenschaften diese Farbstoffe haben“, sagte Zavaleta. „Und hier haben wir festgestellt, dass viele dieser von der FDA zugelassenen Farbstoffe interessante optische Eigenschaften haben, die wir für die Bildgebung nutzen könnten.“
Das Team hat ein Nanopartikel entwickelt, das diese hochpigmentierten Bildgebungsmittel als „Nutzlast“ zur Erkennung von Krebs tragen wird. Zavaleta sagte, die Partikel hätten eine bestimmte Größe. Dadurch können einige von ihnen passiv in die Tumorareale eindringen. Andere, passend gewählt, halten sich aufgrund ihrer Größe zurück.
Das Nanopartikel kann auch mit einer höheren Farbstoffbeladung "dekoriert" werden als frühere Bildgebungsmittel. Dies führt zu einem helleren und effektiveren Signal bei der Erkennung von Krebs. „Wenn Sie ein paar Farbstoffe in ein Nanopartikel einkapseln, können Sie es besser sehen, weil es heller ist“, sagte Zavaleta.
