В настоящее время врачи могут идентифицировать только те кровеносные сосуды, которые сужаются из-за скопления налета. Врач делает разрез и вводит катетер в кровеносный сосуд руки, паха или шеи. Катетер испускает краситель, который позволяет рентгену показать сужение.
Тем не менее, исследователи Case Western Reserve сообщают сегодня в журнале Nano Letters, что наночастица, построенная из вируса в форме стержня, обычно обнаруживаемого на табаке, обнаруживает и освещает бляшки в артериях более эффективно и с крошечной долей красителя.Что еще более важно, работа показывает, что специально разработанные наночастицы фиксируются на биомаркерах зубного налета.
Это открывает возможность того, что частицы могут быть запрограммированы на идентификацию уязвимых бляшек из стабильных, чего не могут сделать одни нецелевые красители.«С точки зрения химика, по-прежнему сложно создавать наночастицы, которые не являются сферическими, но несферические материалы полезны для медицинских применений», — сказала Николь Ф. Стейнмец, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Case Western Reserve. «Природа далеко впереди нас. Мы используем природные методы, чтобы превратить их во что-то полезное в медицине».
Наночастицы в форме палочек сделаны из вируса табачной мозаики, крошечных трубчатых организмов, которые инфицируют клетки растений, но являются доброкачественными вне растения.Стейнмец, специалист по биоинженерии вирусов растений, объединился с Синь Ю, профессором биомедицинской инженерии, который специализируется на разработке методов МРТ для исследования сердечно-сосудистых заболеваний. Они создали устройство, которое транспортирует и концентрирует агенты визуализации на бляшках.
В исследовательскую группу входят: Майкл А. Брукман, научный сотрудник, доктор наук, и Лорен Н. Рэндольф, студентка бакалавриата, в лаборатории Стейнмеца; Кай Цзян, аспирант лаборатории Юя; и Леонард Г. Лайт, доцент, и Эмили Дж. Симпсон, кандидат наук, оба на кафедре химии Западного университета в Лондоне, Онтарио.Удлиненные наночастицы с большей вероятностью вытесняются из центрального кровотока и достигают стенки сосуда по сравнению со сферами.
Кроме того, по словам исследователей, форма обеспечивает более стабильное прикрепление к бляшке.Поверхность вируса модифицируется для переноса коротких цепочек аминокислот, называемых пептидами, которые заставляют вирус прилипать к тем местам, где появляются или уже существуют бляшки. Лют и Симпсон синтезировали пептиды.«Связывание позволяет частице дольше оставаться на месте, в то время как чистая сила с большей вероятностью смоет сферу из-за ее высокой кривизны», — сказал Ю, назначенный из инженерной школы Case.
Поверхность вируса была также модифицирована, чтобы нести красители ближнего инфракрасного диапазона, используемые для оптического сканирования, и ионы гадолиния (которые связаны с органическими молекулами, чтобы снизить токсичность металла), используемые в качестве контрастирующего агента для МРТ.
Они использовали оптическое сканирование для проверки результатов МРТ.Загружая поверхность ионами гадолиния вместо того, чтобы вводить их и позволяя им свободно течь в кровотоке, наночастица увеличивает релаксирующую способность — или контраст со здоровой тканью — более чем на четыре порядка.«Агент, введенный в кровоток, имеет релаксирующую способность 5, а наши наночастицы — релаксирующую способность 35 000», — сказал Стейнмец, назначенный Медицинской школой Case Western Reserve.
Это потому, что наностержень переносит до 2000 молекул контрастного вещества, концентрируя их на участках налета. Во-вторых, прикрепление контрастного вещества к каркасу из наночастиц снижает скорость его молекулярного переворачивания и приводит к дополнительному эффекту релаксации, объяснили исследователи.Хотя обзор лучше, они могут использовать в 400 раз меньше контрастного вещества, потому что он доставляется непосредственно к бляшкам.
По их словам, наночастицы на основе табачного вируса обладают еще одним преимуществом: большинство наночастиц, которые были разработаны для переноса контрастных веществ, основаны на синтетических материалах, некоторые из которых могут оставаться в организме некоторое время.Вирус табака состоит из белка, с которым организм способен быстро справиться и вымыть его из организма.
Стейнмец и Ю, члены Case Center for Imaging Research, теперь предлагают продвинуться дальше в этой работе. Они хотят адаптировать наночастицы, чтобы показать врачам, стабильны ли бляшки и не требуют лечения, или они уязвимы для разрыва и требуют лечения. Разрыв вызывает каскад событий, которые приводят к сердечному приступу и инсульту.
Для этого они должны сначала найти разные биомаркеры стабильных и уязвимых бляшек и покрыть наночастицы разными пептидами и контрастными веществами, которые позволяют МРТ отличать одно от другого.«Наше понимание уязвимых бляшек является неполным, но как только мы сможем диагностировать уязвимые бляшки из стабильных бляшек, это будет сдвиг парадигмы в диагностике и прогнозе», — сказал Ю.
Исследователи говорят, что помимо использования технологии для поиска уязвимостей, она также может быть полезна для доставки лекарств и мониторинга лечения.