Lab ontwikkelt kleinste vrij zwevende bellen voor medische beeldvorming

Bio-engineeringonderzoekers aan de Rice University hebben ultrakleine, stabiele, met gas gevulde nanostructuren van eiwitten ontwikkeld die een revolutie teweeg kunnen brengen in de beeldvorming met behulp van echografie en de toediening van medicijnen.

In tegenstelling tot de huidige microbellen of nanobellen, die te groot zijn om biologische barrières effectief te passeren, wordt aangenomen dat de nieuwe ruitvormige gasblaasjes van 50 nanometer (50-NM GV’s) – ongeveer de grootte van virussen – de kleinste stabiele, vrij zwevende structuren voor medische beeldvorming zijn die ooit zijn gemaakt.

Microbellen hebben veelbelovende recente ontwikkelingen in echografie en echografie-gemedieerde gen- en medicijnafgifte mogelijk gemaakt. Als contrastmiddelen kunnen ze informatie op moleculair niveau leveren over gerichte biomarkers of celtypen. Vanwege hun grote omvang (1–10 micrometer in diameter) kunnen ze echter zelden de bloedbaan verlaten, waardoor hun effectiviteit beperkt is tot goed gevasculariseerde weefsels.

Daarentegen kunnen de nieuwe 50-NM GV’s weefsel binnendringen, waarbij het onderzoek aantoonde dat ze belangrijke immuuncelpopulaties in lymfeklieren konden bereiken. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor beeldvorming en het leveren van therapieën aan voorheen ontoegankelijke cellen.

Elektronenmicroscopiebeelden van lymfeweefsel onthullen dat grote groepen nanostructuren zich in cellen clusteren die een cruciale rol spelen bij de activering van de aangeboren immuunrespons, wat suggereert dat ze mogelijk gebruikt kunnen worden bij immunotherapieën, kankerprofylaxe en vroege diagnose en behandeling van infectieziekten. Het werk wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift Geavanceerde materialen.

“Deze doorbraak opent nieuwe wegen voor echografie-gemedieerde ziektebehandeling, wat van invloed is op toekomstige medische praktijken en patiëntresultaten. Het onderzoek heeft opmerkelijke implicaties voor de behandeling van kanker en infectieziekten, aangezien lymfekliercellen cruciale doelen zijn voor immunotherapieën,” aldus auteur van de studie George Lu, assistent-professor bio-engineering en een Cancer Prevention and Research Institute of Texas Scholar.

Onderzoeksmethoden omvatten genetische manipulatie, karakteriseringstechnieken voor nanodeeltjes, elektronenmicroscopie en echografie om de distributie en akoestische respons van deze structuren te analyseren.

“De reden was om hun kleine formaat en akoestische eigenschappen te benutten voor biomedische toepassingen,” zei Lu. “Dit werk vertegenwoordigt een baanbrekend ontwerp van functionele gasgevulde proteïne nanostructuren die klein genoeg zijn om het lymfestelsel binnen te dringen.”

In het onderzoek worden verschillende richtingen voor toekomstig onderzoek geschetst, waaronder het beoordelen van de biologische veiligheid en immunogeniciteit van de nanobellen, het bepalen van de optimale ultrasone parameters voor in vivo toepassingen en meer.

“In bredere zin vertegenwoordigt dit een significante vooruitgang in materiaalontwerp, wat mogelijk kan leiden tot innovatieve toepassingen in verschillende wetenschappelijke velden,” zei Lu. “Omdat deze nanostructuren volledig uit eiwitten bestaan ​​en worden geproduceerd in levende bacteriën, illustreren ze hoe biogene materialen de prestaties van synthetische materialen kunnen overtreffen.”

Rice postdoctoraal onderzoeker Qionghua Shen en afgestudeerde student Zongru Li zijn hoofdauteurs van het artikel. Andere Rice-auteurs zijn Yixian Wang, Matthew Meyer, Marc De Guzman, Janie Lim en Han Xiao. Richard Bouchard van het University of Texas MD Anderson Cancer Center is ook een auteur.