Un equipo de Sandia National Laboratories ha diseñado y sintetizado nanopartículas que brillan en rojo y son estables, propiedades útiles para rastrear el crecimiento y la diseminación del cáncer.

Este trabajo es la primera vez que la luminiscencia intrínseca de los materiales de estructura organometálicos, o MOF, para bioimagen a largo plazo, dijo la química de materiales Dorina Sava Gallis. Tumores marcados con fluorescencia, u otros tipos específicos de células, es un nuevo, método poderoso para obtener imágenes del interior de un cuerpo.

Resonancias magnéticas, Los rayos X y los ultrasonidos son métodos poderosos de bioimagen para diagnosticar enfermedades. Sin embargo, Cada uno de estos métodos tiene sus limitaciones y, por lo general, no se utilizan para tratar enfermedades. Durante años, Los científicos han estado buscando agentes teranósticos, materiales que tienen usos tanto terapéuticos como de diagnóstico.

Los MOF son un grupo de sustancias químicas con gran potencial para la obtención de imágenes y el tratamiento del cáncer y otras enfermedades. Estas moléculas parecidas a juguetes tinker tienen "cubos" de metal y "varillas" de enlace a base de carbono. Los químicos pueden intercambiar los concentradores y los enlazadores para hacer "esponjas" de tamaño nanométrico con muchas propiedades diferentes. Históricamente, Los MOF se han utilizado para todo, desde la captura de gases radiactivos del combustible nuclear gastado, para limpiar agua contaminada e incluso almacenar gas hidrógeno de forma segura.

Las nanopartículas MOF del equipo de Sandia brillan en rojo o en el infrarrojo cercano durante al menos dos días en las células.

La luz del infrarrojo cercano tiene longitudes de onda más largas que la luz roja. Es especialmente útil para obtener imágenes del interior de un cuerpo porque puede penetrar la piel, tejido e incluso hueso sin causar daño, y produce imágenes más claras porque hay menos autofluorescencia de fondo en esas longitudes de onda, dijo Sava Gallis. Los tintes o nanopartículas actuales que brillan en el infrarrojo cercano no duran mucho o solo brillan débilmente. haciendo más brillante, materiales más estables invaluables.

Diseño racional de MOF multifuncionales para bioimagen

Los MOF son materiales complejos con propiedades ajustables y superficies asombrosas; un gramo de cierto tipo de MOF tiene la misma superficie que 16 canchas de baloncesto. Sava Gallis dijo:"En el campo de las estructuras metalorgánicas, tenemos la ventaja de elegir nuestros bloques de construcción para fabricar materiales a medida ".

Durante 14 años, ha estado trabajando para hacer que la síntesis de MOF sea más racional y predecible. Algunos metales son químicamente activos y otros brillan con ciertos colores. Algunos metales forman grupos con diferentes geometrías, como "cubos" de juguete con diferentes números de orificios, y algunas veces el núcleo es un ión metálico único. Algunos enlazadores son largos produciendo esponjas con grandes espacios vacíos y áreas de gran superficie, y otros son cortos. Algunos enlazadores son catalíticamente activos, es decir, pueden acelerar una reacción química, o pueden modificar la química del metal, mientras que otros pueden ajustar el color o el brillo del brillo del metal.

Diseñar racionalmente MOF para bioimagen, Sava Gallis seleccionó metales lantánidos, una clase de elementos de tierras raras. El europio metálico se ilumina en rojo; los metales neodimio e iterbio emiten fluorescencia en el infrarrojo cercano. También eligió condiciones que harían que los lantánidos formaran grupos robustos. Frecuentemente, Los MOF hechos con iones metálicos individuales no son estables al agua, pero los grupos de metales a menudo lo son, dijo Sava Gallis. Esto es importante para la obtención de imágenes biológicas, ya que las células y las personas son principalmente agua. También, usó enlazadores de carbono comúnmente disponibles que producen poros grandes. Potencialmente, estos poros podrían contener medicamentos y permitir tanto la obtención de imágenes como el tratamiento.

Estable al agua, MOF porosos que brillan en el infrarrojo cercano

Sava Gallis reunió un equipo interdisciplinario para confirmar que los MOF tenían las propiedades que ella diseñó. El científico de materiales de Sandia, Mark Rodríguez y Karena Chapman, del Laboratorio Nacional Argonne, ayudó con los estudios estructurales de difracción de rayos X. Los investigadores de Sandia, Lauren Rohwer y Willie Luk, probaron las propiedades de luminiscencia de los MOF. El equipo creó con éxito una familia de MOF similares con una gama de colores de emisión desde el rojo hasta el infrarrojo cercano, lo que permitió a los investigadores "sintonizar" el color de MOF en función de lo que pudiera necesitarse.

Luego, El equipo de Sava Gallis probó para asegurarse de que las nanopartículas fueran estables en agua y no mataran las células cultivadas. La nanobióloga de Sandia, Kim Butler, realizó estudios de citotoxicidad para determinar si los MOF eran tóxicos para las células de mamíferos. Incluso en dosis altas, las nanopartículas eran similares o menos tóxicas que otras partículas que se están estudiando para la obtención de imágenes biológicas, lo cual es una buena señal para su futuro, dijo Sava Gallis. También se mantuvieron estables en el agua o en agua salada que imitaba la biología durante al menos una semana.

La bioquímica de Sandia Meghan Dailey y el químico bioanalítico Jeri Timlin tomaron imágenes de células vivas utilizando un microscopio de fluorescencia confocal hiperespectral personalizado. Demostraron que las partículas de MOF pueden funcionar para estudios de bioimagen a largo plazo en células de mamíferos, pero es posible que deban optimizarse aún más. quizás modificando la superficie de las partículas, Dijo Sava Gallis.

"Estamos muy entusiasmados con el éxito de estos estudios iniciales y estamos avanzando para investigar su profundidad de penetración tisular, eficiencia de luminiscencia y, en última instancia, la relevancia de la formación de imágenes en organismos vivos, "dijo Sava Gallis.

La investigación es parte de un proyecto mucho más grande para desarrollar adaptables, Respuestas seguras y efectivas a amenazas biológicas y nuevos patógenos financiadas por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de Sandia. Una parte importante de ese proyecto es el seguimiento de la entrega de nanopartículas, que requiere partículas o tintes brillantes biológicamente estables.

Los resultados fueron publicados en Materiales e interfaces aplicados de ACS .