Sintesi e caratterizzazione di agenti di contrasto a base di melanina per l'imaging fotoacustico

Photoacoustic Imaging (PAI) is a non-invasive imaging technique, that is under intense scrutiny in last ten years. It is based on the detection of an acoustic signal deriving from interaction between tissues and an electromagnetic (laser) radiation. It combine the advantages of optical techniques, such as high contrast and specificity, with the advantages of acoustic techniques, such as high resolution and tissue penetration. PAI is expected to have a great role in the field of medical diagnosis in the forthcoming years. For this reason there is currently a great interest to develop suitable contrast agents for this imaging modality. Due of high absorption in the tissue optical window and non-radiative emission of energy melanin represents a good endogenous contrast agent and can be considered for the design of exogenous contrast agents. In this work three melanin derivatives, soluble in physiological conditions, were synthetized: MFA, MFAPEG3000 and DHICA melanin. MFA (melanin free acid) is obtained by the partial degradation of melanin granules. It was been further functionalized with PEG3000 to increase its aqueous solubility and to limit the formation of large-sized aggregates. The study of melanin polymerization has allowed to design the preparation of a melanin derivative based on the 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid (DHICA) monomer. Thanks to the presence of a high number of carboxyl groups the product displayed an improved aqueous solubility. MFA, MFA-PEG conjugate and DHICA melanin were characterized as far as concern solubility, size and stability. In vitro toxicity tests were carried out. Finally the photoacoustic properties of the three contrast agents were evaluated on a PAI scanner. MFA and MFA-PEG3000 were also evaluated in vivo in BALB/c mice bearing a mammary adenocarcinoma tumor.

L'imaging fotoacustico (PAI) è una tecnica di imaging non invasiva che ha trovato grande sviluppo negli ultimi dieci anni. Si basa sull'acquisizione di un segnale acustico a seguito dell'eccitazione dei tessuti indagati con un laser di opportuna lunghezza d'onda. Permette, quindi, di combinare i vantaggi delle tecniche ottiche, come elevato contrasto e specificità, con i vantaggi delle tecniche acustiche, come alta risoluzione e penetrazione nei tessuti. C'è una grande aspettativa circa questa tecnica di imaging nel campo della diagnostica medica per cui vi è molto interesse nel ricercare opportuni mezzi di contrasto. La melanina, a causa dell'elevato assorbimento nella finestra di trasparenza dei tessuti biologici e della quasi esclusiva emissione non radiativa di energia, è un buon agente di contrasto endogeno e può rappresentare un ottima base per la progettazione di agenti di contrasto esogeni. In questo studio, sono stati presentati tre derivati della melanina, solubili in condizioni fisiologiche, MFA, MFA-PEG3000 e DHICA melanina, che possono rappresentare la base per la messa a punto di una piattaforma di agenti di contrasto per l'imaging fotoacustico. L'MFA (Melanin Free Acid) è un derivato della parziale degradazione della melanina, che è stato funzionalizzato con PEG3000 al fine di migliorare la solubilità in acqua e limitare la formazione di aggregati di grandi dimensioni. Successivamente uno studio sulla polimerizzazione della melanina ci ha permesso di ottenere una melanina solubile derivante dal singolo monomero 5,6-diidrossiindolo-2-carbossilato (DHICA), poichè più ricca in acidi carbossilici rispetto alla melanina sintetica derivante dall'L-DOPA. MFA, MFA-PEG3000 e DHICA melanina sono stati caratterizzati in termini di solubilità, dimensioni e stabilità. Quindi sono stati testati in vitro per valutarne la tossicità e infine valutati come agenti di contrasto nello scanner fotoacustico. L'MFA e l'MFA-PEG3000 sono state anche testate in vivo su topi BALB/c con adenocarcinoma.