Połączenie technik obrazowania do celów medycznych wywołało poszukiwanie różnych metod syntezy sond multimodalnych1,2,3. Ze względu na czułość skanerów pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) i rozdzielczość przestrzenną rezonansu magnetycznego, kombinacje PET/MRI wydają się być jedną z najbardziej atrakcyjnych możliwości, dostarczając jednocześnie informacji anatomicznych i funkcjonalnych4. W MRI można stosować sekwencje T2-zależne, przyciemniające tkanki, w których się gromadzą. Można również stosować sekwencje T1-zależne, powodujące rozjaśnienie określonego miejsca akumulacji5. Wśród nich kontrast dodatni jest często najbardziej odpowiednią opcją, ponieważ kontrast ujemny znacznie utrudnia odróżnienie sygnału od endogennych obszarów hipointensywnych, w tym często prezentowanych przez narządy, takie jak płuca6. Tradycyjnie, w celu uzyskania dodatniego kontrastu, zastosowano sondy molekularne oparte na Gd. Jednak środki kontrastowe na bazie GD mają główną wadę, a mianowicie ich toksyczność, która ma kluczowe znaczenie u pacjentów z problemami z nerkami7,8,9. Zmotywowało to do badań nad syntezą materiałów biokompatybilnych do ich stosowania jako środków kontrastowychT1. Ciekawym podejściem jest zastosowanie nanocząstek tlenku żelaza (IONP), o niezwykle małym rozmiarze rdzenia, które zapewniają dodatni kontrast10. Ze względu na to niezwykle małe jądro (~2 nm), większość jonów Fe3+ znajduje się na powierzchni, z 5 niesparowanymi elektronami każdy. Zwiększa to wartości czasu relaksacji podłużnej (r1) i daje znacznie niższe proporcje poprzeczne/podłużne (r2 / r1) w porównaniu z tradycyjnymi IONP, tworząc pożądany dodatni kontrast11.
Aby połączyć IONPs z emiterem pozytonów dla PET, należy wziąć pod uwagę dwie kluczowe kwestie: wybór radioizotopów i radioznakowanie nanocząstek. Jeśli chodzi o pierwszą kwestię, 68Ga jest kuszącym wyborem. Ma stosunkowo krótki okres półtrwania (67,8 min). Jego okres półtrwania nadaje się do znakowania peptydów, ponieważ odpowiada powszechnym czasom biodystrybucji peptydów. Co więcej, 68Ga jest wytwarzane w generatorze, co umożliwia syntezę w modułach laboratoryjnych i pozwala uniknąć konieczności stosowania cyklotronu w pobliżu12,13,14. W celu znakowania radioizotopowego nanocząstki dominującą strategią jest inkorporacja radioizotopów znakowania powierzchniowego. Można to zrobić za pomocą liganda, który chelatuje 68Ga lub wykorzystując powinowactwo radiometalu do powierzchni nanocząstki. Większość przykładów w literaturze dotyczącej IONP wykorzystuje chelator. Istnieją przykłady zastosowania ligandów heterocyklicznych, takich jak kwas 1,4,7,10-tetraazacyklododekan-1,4,7,10-tetraoctowy (DOTA)15, 1,4,7-triazacyklononon-1,4,7-trioctowy kwas (NOTA)16,17 i 1,4,7-triazacyklononon,1-glutarowy-4,7-kwas octowy (NODAGA)18, oraz użycie kwasu 2,3-dikarboksypano-1,1-difosfonowego (DPD), ligandu tetradentanowego 19. Madru i wsp.20 opracował w 2014 roku strategię bez chelatorów, aby oznaczać IONPs metodą bez chelatorów, używaną przez inną grupę posteriorly21.
Jednak główne wady tego podejścia to wysokie ryzyko transmetalizacji in vivo, niska wydajność radioznakowania i długie protokoły nieodpowiednie dla krótkożyciowych izotopów22,23,24. Z tego powodu Wong i wsp.25 opracował pierwszy przykład nanocząsteczek domieszkowanych rdzeniem, udało mu się wprowadzić 64Cu do rdzenia IONPs w 5-minutowej syntezie przy użyciu technologii mikrofalowej.
Tutaj opisujemy szybką i efektywną procedurę wprowadzania radionuklidu do rdzenia nanocząstki, unikając wielu wad oferowanych tradycyjnymi metodami. W tym celu proponujemy zastosowanie syntezy sterowanej mikrofalami (MWS), która znacznie skraca czas reakcji, zwiększa wydajność i poprawia odtwarzalność, co jest niezwykle ważnymi parametrami w syntezie IONP. Udoskonalona wydajność MWS wynika z ogrzewania dielektrycznego: szybkiego nagrzewania próbki, gdy dipole molekularne próbują dostosować się do zmiennego pola elektrycznego, będąc polarnymi rozpuszczalnikami i odczynnikami bardziej wydajnymi dla tego typu syntezy. Ponadto, zastosowanie kwasu cytrynowego jako środka powierzchniowo czynnego, wraz z technologią mikrofalową, skutkuje powstawaniem niezwykle małych nanocząstek, wytwarzających podwójny sygnał MRI/PET26, oznaczony tutaj jako nanocząstki tlenku żelaza domieszkowane rdzeniem 68Ga (68Ga-C-IONP).
Protokół łączy użycie technologii mikrofalowej, 68GaCl3 jako emitera pozytonów, chlorku żelaza, cytrynianu sodu i hydratu hydrazyny, co daje w wyniku podwójne T1-ważone nanocząstki materiału MRI/PET w zaledwie 20 minut. Co więcej, daje spójne wyniki w zakresie 68aktywności Ga (37 MBq, 111 MBq, 370 MBq i 1110 MBq) bez znaczącego wpływu na główne właściwości fizykochemiczne nanocząstek. Powtarzalność metody wykorzystującej wysokie aktywności 68Ga rozszerza pole możliwych zastosowań, w tym dużych modeli zwierzęcych lub badań na ludziach. Ponadto w metodzie zawarty jest pojedynczy etap oczyszczania. W tym procesie nadmiar wolnego galu, chlorku żelaza, cytrynianu sodu i hydratu hydrazyny jest usuwany przez filtrację żelową. Całkowita eliminacja wolnych izotopów i czystość próbki zapewniają brak toksyczności i poprawiają rozdzielczość obrazowania. W przeszłości wykazaliśmy już przydatność tego podejścia w ukierunkowanym obrazowaniu molekularnym27,28.