Diamantstof als potentieel alternatief voor contrastmiddel gadolinium bij magnetische resonantiebeeldvorming

Een onverwachte ontdekking verraste een wetenschapper van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart: diamantdeeltjes van nanometerformaat, die voor een heel ander doel bedoeld waren, schenen helder in een magnetische resonantie-imaging-experiment – ​​veel helderder dan het eigenlijke contrastmiddel, het zwaar metaal gadolinium.

Zou diamantstof – naast het gebruik ervan bij de toediening van medicijnen om tumorcellen te behandelen – op een dag een nieuw contrastmiddel kunnen worden dat voor MRI wordt gebruikt? Het onderzoeksteam heeft dat nu gedaan gepubliceerd hun ontdekking in Geavanceerde materialen.

Enkele van 's werelds grootste ontdekkingen gebeurden per ongeluk. Hoewel de ontdekking van het potentieel van diamantstof als toekomstig MRI-contrastmiddel misschien nooit als een keerpunt in de geschiedenis van de wetenschap zal worden beschouwd, zijn de signaalversterkende eigenschappen ervan niettemin een onverwachte bevinding die nieuwe mogelijkheden kan openen: diamantstof gloeit helder, zelfs na dagen van geïnjecteerd wordt. Betekent dit dat het misschien ooit een alternatief kan worden voor het veelgebruikte contrastmiddel gadolinium?

Dit zware metaal wordt al meer dan 30 jaar in klinieken gebruikt om tumoren, ontstekingen of vasculaire afwijkingen op te sporen. Het verbetert de helderheid van het beeld van de getroffen gebieden. Wanneer gadolinium echter in de bloedbaan van een patiënt wordt geïnjecteerd, reist het niet alleen naar het tumorweefsel, maar ook naar het omliggende gezonde weefsel.

Het wordt vastgehouden in de hersenen en de nieren en blijft maanden tot jaren na de laatste toediening bestaan. De langetermijneffecten voor de patiënt zijn nog niet bekend. Gadolinium veroorzaakt ook een aantal andere bijwerkingen. De zoektocht naar een alternatief is al jaren aan de gang.

Zou diamantstof, een op koolstof gebaseerd materiaal, een goed aanvaardbaar alternatief kunnen worden vanwege een onverwachte ontdekking gedaan in een laboratorium van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart?

Dr. Jelena Lazovic Zinnanti werkte aan een experiment met diamantdeeltjes van nanometerformaat voor een heel ander doel. De onderzoekswetenschapper, hoofd van de Central Scientific Facility Medical Systems bij MPI-IS, was verrast toen ze de deeltjes van 3 tot 5 nanometer in kleine medicijnafgiftecapsules van gelatine stopte. Ze wilde dat deze capsules zouden scheuren als ze aan hitte werden blootgesteld. Ze ging ervan uit dat diamantstof, met zijn hoge warmtecapaciteit, zou kunnen helpen.

“Ik was van plan het stof alleen te gebruiken om de medicijnhoudende capsules op te warmen”, herinnert Jelena zich. “Ik gebruikte gadolinium om de positie van de stofdeeltjes te volgen. Ik was van plan om erachter te komen of de capsules met diamanten erin beter zouden opwarmen. Tijdens het uitvoeren van voorbereidende tests raakte ik gefrustreerd, omdat gadolinium uit de gelatine zou lekken, net zoals het eruit lekt van de bloedbaan in het weefsel van een patiënt.

“Ik besloot gadolinium weg te laten. Toen ik een paar dagen later MRI-beelden maakte, waren de capsules tot mijn verbazing nog steeds helder. Wauw, dit is interessant, dacht ik! Het diamantstof leek betere signaalversterkende eigenschappen te hebben dan gadolinium. Dat had ik niet verwacht.”

Jelena ging nog verder met deze bevindingen door het diamantstof in levende kippenembryo's te injecteren. Ze ontdekte dat terwijl gadolinium overal diffundeert, de diamanten nanodeeltjes in de bloedvaten bleven, niet naar buiten lekten en later helder glansden op de MRI, net zoals ze hadden gedaan in de gelatinecapsules.

Terwijl andere wetenschappers artikelen hadden gepubliceerd die lieten zien hoe ze diamantdeeltjes gebruikten die aan gadolinium waren gehecht voor magnetische resonantiebeeldvorming, had niemand ooit aangetoond dat diamantstof zelf een contrastmiddel kon zijn.

Twee jaar later werd Jelena de hoofdauteur van een artikel dat nu is gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

“Waarom het diamantstof helder schijnt op onze MRI blijft voor ons nog steeds een mysterie”, zegt Jelena, die samenwerkte met prof. Metin Sitti en onderzoekers van de afdeling Fysieke Intelligentie van MPI-IS en met dr. Eberhard Goering van de MPI-IS 'naburig instituut, het MPI for Solid State Research. Ze kan alleen maar aannemen wat de reden is voor de magnetische eigenschappen van het stof.

‘Ik denk dat de kleine deeltjes koolstofatomen hebben die enigszins paramagnetisch zijn. Mogelijk hebben de deeltjes een defect in hun kristalrooster, waardoor ze enigszins magnetisch zijn. Daarom gedragen ze zich als een T1-contrastmiddel zoals gadolinium. Bovendien weten we niet of diamantstof zou potentieel giftig kunnen zijn, iets dat in de toekomst zorgvuldig moet worden onderzocht.”

Als blijkt dat diamantstof veilig is en goed wordt verdragen door patiënten, denkt Jelena dat het de potentie heeft om een ​​nieuwe optie voor contrastmiddelen te worden voor toekomstige MRI-scans, waarbij het wordt afgezet in weefsel met abnormale bloedvaten, zoals tumoren, maar niet in weefsels met abnormale bloedvaten. gezond weefsel.