CC BY
378
УДК 616-073.755.4:615.832:546-022.53
НЛ. Шимановский1, В.Н. Кулаков2, ЕЮ. Григорьева3, А А. Липенгольц2 НАНОРАЗМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И ГИПЕРТЕРМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ В ОНКОЛОГИИ
Российский государственный медицинский университет им. НИ. Пирогова, Москва 2Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА РФ, Москва 3РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН, Москва
Контактная информация:
Шимановский Николай Львович, д-р мед. наук, чл-корр. РАМН, зав. кафедрой РГМУ им. НИ. Пирогова адрес: 119021, Москва, Б. Пироговская, д. 9а; тел. +7(916)650-31-49; e-mail: [email protected]
Статья поступила: 16.01.2011, принята к печати 18.03.2011.
Резюме
В работе рассматриваются основные свойства магнито-резонансных контрастых средств, нашедших применение в клинической практике при диагностике злокачественных новообразований. В работе обсуждаются перспективы создания наночастиц оксида железа - препарата для МРТ-диагностики. На примере препарата комбидекс обсуждаются основные его свойства, включая появление Т1 и Т2 взвешенных МРТ-изображений. Рассматриваются основные пути поиска новых контрастных лекарственных средств на основе известных результатов их клинического изучения. Использование магнитных наночастиц на основе сложных оксидов железа в онкологии весьма перспективно. Наночастицы оксида железа благодаря своим магнитным свойствам могут стать инструментом как для визуализации, так и для лечения этих новообразований.
Ключевые слова: магнито-резонансная томография, контрастные лекарственные средства, диагностика, наночастицы, оксид железа, фармакологические свойства.
N.L. Shmanovsky1, V.N. Кulakov2, E.Yu. Grigorieva3, АA. Lipengolz2 IRON OXIDE NANOPARTICLES AS A DIAGNOSIS TOOL AND BASIC FOR HYPERTHERMIA THERAPY IN CANCER
Russian federal medical N.I. Pirogov's university, Moscow
2Federal Medical Biophysical Burnasyan's Centre of FMBA of RF, Moscow
3Russian N.I. Blokhin's Cancer Research Centre RАМS, Моscow
Abstract
In this study the basic properties of magnetic resonance imaging contrasts of applicating in clinic practice for diagnosis of malignant neoplasia are discussed. The paper discusses the prospects of creating nanoparticles of iron oxide - preparation for the MRI diagnosis. As an example of the preparation of nanoparticles we use Kombideks which is known to passes appearance of Tj and T2 weighted MRI images. Based on a clinical study of contrast agents derived from various chemical compounds, we analyze the perspective directions of the creation of new contrast agents for MRI. We postulate, that the use of magnetic nanoparticles composed of complex oxides of iron is very promising in oncology. In summary, nanoparticles of iron oxide due to its magnetic properties can be used as tool for visualization
and treatment of tumors.
Key word: magnetic resonance imaging, contrast’s cologic property.
Введение
По частоте возникновения онкологические заболевания занимают одно из ведущих мест. В нашей стране ежегодное количество первичных онкологических больных достигает 500 000. Ранняя диагностика ЗНО является залогом успеха проводимых терапевтических мероприятий, среди которых все более востребованной становится лучевая терапия (ЛТ): в ее применении нуждаются около 70 % онкологических больных. Поэтому прогресс в современной онкологии во многом определяется развитием методов лучевой диагностики, среди которых все большую роль играет МРТ, и ЛТ.
Прогресс в области МРТ обеспечивают два обстоятельства: совершенствование аппаратной
базы и появление серии магнитно-резонансных контрастно-диагностических средств (МРКС). Достаточно сказать, что в последнее десятилетие в качестве рутинных диагностических систем исполь-
drugs, diagnostics, nanoparticles, oxides of iron, pharma-
зуются магнитно-резонансные томографы на основе магнитов с напряженностью магнитного поля в 1,5 Тл и все шире внедряются томографы с величиной этого поля 3,0 Тл. Современные МР-томографы обладают высокосовершенными программами обработки первичных данных, что обеспечивает возможность проводить исследование в любых плоскостях с учетом анатомических особенностей тела пациента, а при необходимости - получать трехмерные изображения для точной оценки распространенности патологического процесса. Более того, МРТ является единственным методом неинвазивной диагностики, обладающим высокой чувствительностью и специфичностью при выявлении отека и инфильтрации мягких тканей. Развитие МР-спектроскопии и диффузионной МРТ, а также создание новых органотропных контрастных препаратов является основой развития «молекулярной визуализации» и позволяет проводить дифференциальную диагностику in vivo [9].
Основные свойства МРКС
Применение МРКС в онкологии
МРТ внутренних органов - метод лучевой диагностики, внедренный в клиническую практику около 20 лет назад, поднял современную медицину на качественно новый уровень, что еще раз было подтверждено в 2003 г. присуждением Нобелевской премии Paul C. Lauterbur из США и Peter Mansfield из Великобритании за их работы в области магнитно-резонансной визуализации. Всего лишь через несколько лет после появления МРТ ученые добились важного прорыва в совершенствовании этого вида лучевой диагностики, разработав контрастное средство для магнитно-резонансной визуализации и опровергнув тем самым первоначальное мнение, что для МРТ не нужны вещества для искусственного контрастирования. Сейчас МРКС составляют неотъемлемую часть клинической МРТ, так как позволяют значительно увеличить объем получаемой при исследовании диагностической информации [8; 10-12].
Впервые парамагнитное ускорение протонной релаксации было продемонстрировано Блохом (1944), когда к воде был добавлен нитрат железа. Математически процесс релаксации протонов при добавлении парамагнетиков был описан Саламоном (1955), уравнения которого позже были модифицированы Блю-мербергеном (1957). Механизм влияния парамагнитных соединений включает относительное движение парамагнитного иона металла и близлежащих водных молекул. При этом важную роль играет структура парамагнитного соединения, которая определяет доступность молекул воды для парамагнитного центра [12]. Впервые искусственно изменить сигнал магнитного резонанса ядер водорода in vivo с помощью экзогенного химического соединения удалось Лаутербуру (1978) в экспериментах по уменьшению времен магнитно-резонансной релаксации протонов миокардио-цитов собаки с помощью внутривенного введения соли марганца. В дальнейшем оказалось, что среди различных парамагнитных элементов наибольшей релаксирующей активностью обладает редкоземельный лантаноид гадолиний. Именно на его основе были созданы первые МРКС гадопентетат димеглюмина (Gd-DTPA, магневист), с помощью которых можно искусственно изменять магнитные параметры протонов водорода в тканях и органах и четко визиуализи-ровать границы опухолей и других патологических очагов при проведении МРТ [7].
Первоначально магневист использовали только для исследования головного и спинного мозга, а затем и всего тела (Япония, 1992; США, 1993; ФРГ, 1993 и многие другие страны). Он был первым МРКС, разрешенным для применения у детей, включая новорожденных, для введения в тройной болюсной дозе и для проведения магнитно-резонансной ангиографии (МРА).
Механизм контрастирующего эффекта гадоли-ниевых МРКС заключается в том, что гадолиниевый ион укорачивает время спин-решеточной релаксации возбужденных ядер атомов, увеличивая интенсивность сигнала и повышая контрастность изображения определенных тканей при использовании соответствующей последовательности сканирования (например, Т1-взвешенного спинового эхо). Важно понимать, что улучшение контрастирования патологического очага внеклеточными МРКС обусловлено патофизиологическими механизмами, связанными с нарушением сосудистой проницаемости, либо с изменением кровотока, либо с индукцией ангиогенеза. Именно поэтому МРКС позволяют четко контрасти-
ровать метастазы опухолей в головном мозге, так как метастазы не имеют гематоэнцефалического барьера, в норме не проницаемого для внеклеточных МРКС. Магневист выявляет дополнительные метастазы у 52 % больных, позволяет получить дополнительную информацию при первичных опухолях головного мозга по критерию выявляемости в 16 % случаев, при метастазах в разных частях тела (такие образования имеют как большее число сосудов, так и сосуды с повышенной проницаемостью, что приводит к более быстрому накоплению и более быстрому вымыванию МРКС); позволяет более точного определить объем опухолевого поражения, выявить солидные и кистозные компоненты опухоли, сопутствующий отек и очаги некроза у 46 % больных; рубцовые изменения тканей - в них увеличено внеклеточное пространство и больше накапливается МРКС.
Как правило, объем диагностической информации, получаемый с помощью МРКС, можно значительно увеличить, наблюдая за контрастированием в динамике. Современные сверхбыстрые импульсные последовательности позволяют непрерывно следить за изменением интенсивности сигнала в зоне интереса и делать однозначные выводы не только о природе патологии, но и о васкуляриза-ции некоторых опухолей, а также прогнозе развития заболевания.
По мере развития МРТ и внедрения в практику ультраскоростных программ сканирования широкое распространение получила динамическая контрастная МРТ с использованием болюсного введения МРКС [1; 10]. При этом установлено, что данная методика позволяет получить ценные данные для дифференциальной диагностики различных опухолей, а также определения степени их злокачественности. Оказалось, что в первую минуту после введения магневиста менингиомы контра-стируются быстрее, чем невриномы [5]. Точно также краниофарингиомы быстрее накапливают МРКС, чем аденомы гипофиза. С другой стороны, скорость проникновения МРКС через поврежденный гематоэнцефалический барьер у больных с глиобластомой значительно выше, чем у пациентов с доброкачественной астроцитомой.
При МРТ спинного мозга МРКС широко используют для диагностики и дифференциальной диагностики интра- и экстрамедуллярных опухолей, определения границ и структуры новообразований, расположенных в позвоночном канале и экстравер-тебрально. Применение МРКС позволяет уверенно отграничить солидный компонент новообразования от опухолевой кисты и сопутствующей сирингоги-дромиелии, что имеет большое значение для выбора места ламинэктомии. Кроме того, с помощью контрастного усиления, как правило, удается выявить распространение опухоли за пределы позвоночного канала («песочные часы»), а также метастазирование по субарахноидальному пространству.
Чрезвычайно ценные данные можно получить при введении МРКС больным с рецидивами или продолженным ростом опухоли, когда на фоне послеоперационных изменений рубцово-спаечного характера не возможно решить вопрос о наличии или отсутствии опухолевого поражения [6].
В РФ зарегистрированы четыре внеклеточных парамагнитных МРКС, содержащие хелатные комплексы иона гадолиния низкой молекулярной массы, которые успешно прошли клинические испытания (см. табл.) и широко используются в клинической практике, а также органотропное МРКС - гадоксе-товая кислота (примовист).
Таблица
Основные физико-химические и биохимические свойства внеклеточных МРКС, зарегист О ро О а ых в Р О О о 8;
Показатель Магневист Дотарем Омнискан Гадовист
Термодинамическая стабильность (1о^К) 22,5 25,8 16,9 21,8
Т1-релаксационная активность в плазме, мМ-1с-1 4,8 4,3 4,4 5,6
Осмоляльность, осм/кг (Н2О при 37 °С) 1,960 1,350 0,798 0,557
Связывание с белками 1 - 2,1 2,7
Высвобождение гистамина 150, ммоль/л 140 110 110 >250
По влиянию на время релаксации парамагнитные вещества делят на преимущественно влияющие на Т1 или Т2. Так, например, магневист и целый класс наиболее широко используемых гадолинийсодержащих МРКС влияют на Т1, увеличивая интенсивность магнитно-резонансного сигнала тканей-мишеней, «осветляя» область интереса на Т1-взвешенных изображениях, благодаря укорочению Т1 [1]. А супермагнитные (например, оксид железа) и ферромагнитные частицы, обладая большим магнитным моментом, индуцируют локальные неоднородности поля, уменьшая тем самым преимущественно время Т2. При этом получают негативное усиление, то есть они делают область накопления препарата более темной, что наиболее ярко проявляется на Т2-взвешенных изображениях [17].
Классификация МРКС по фармакокинетическим свойствам Данные о фармакокинетике МРКС свидетельствуют о целесообразности деления их на внеклеточные (тканенеспецифические) и внутриклеточные или органотропные (тканеспецифичные). Внеклеточные МРКС уже достаточно давно (с 1988 г.) широко применяют при проведении МРТ. Тканеспецифические внутриклеточные (резовист, тес-ласкан, примовист) начали применять лишь в последние 10 лет.
1. Внеклеточные препараты (внутрисосу-дистое или полостное введение). Истинные внеклеточные вещества имеют небольшую молекулярную массу, распределяются во внеклеточном пространстве. Т1 (позитивные) вещества - СМОТРА и другие хелатные комплексы парамагнитных веществ; Т2 (негативные) вещества - Оуз-ОТРА (диэтилтриаминпента-ацетат диспрозия), Оуз-ОТРА-БЫА (ди-этиламинтрипентаацетата бисметиламид диспрозия) и другие хелатные комплексы диспрозия (в клинике не применяют).
1.1 Длительно циркулирующие в крови вещества вследствие обратимого связывания с сывороточными альбуминами. Т1 (позитивные) вещества - гадоверсетамид (вазовист).
1.2 Ангиографические макромолекуляр-ные вещества для количественного определения объема и скорости тока крови, маркеры дисфункции капиллярной системы. Т1 (позитивные) вещества - комплексы СМОТРА (других парамагнитных Т1-позитивных веществ) с декстраном, альбумином или полилизином, инкапсулированные в липосомы. Т2 (негативные) вещества - хелатные комплексы диспрозия, ковалентно связанные с альбумином.
Основные фармакокинетические характеристики внеклеточных МРКС: незначительно связы-
ваются с белками плазмы крови (<5 %); быстро распределяются между внутрисосудистым и интерстициальным пространством с периодом полурас-пределения около 3-10 мин после внутривенного введения [3]; выводятся, преимущественно, почками путем гломерулярной фильтрации (>98 %); про-лонгированно, но в полном объеме выводятся при почечной недостаточности (при скорости гломерулярной фильтрации более 20 мл/мин); легко удаляются при гемодиализе; очень незначительно элиминируют через другие органы (<2 %), в том числе с грудным молоком (<0,05%) [13]; не подвержены энтерогепатической рециркуляции; медленно пассивно диффундируют через большинство интакт-ных гистогематических барьеров; не проходят через интактные гематоэнцефалический и плацентарный барьеры; период полувыведения около 1,5-2 ч; эффективность контрастирования пропорциональна дозе; не подвергаются биотрансформации.
2. Тканеспецифические препараты, распределение которых связано с взаимодействием с клетками.
2.1 Гепатотропные вещества (внутривенное введение), поглощающиеся преимущественно гепатоцитами. Т1 (позитивные) вещества - С^ЕОБ-ОТРА (диэтиламинотрипентаацетат этоксибензил гадолиния, примовист). Т2 (негативные) вещества - ультрамаленькие суперпарамагнитные частицы оксида железа (<20 нм - иБР1О), покрытые асиалогликопротеином, арабиногалак-таном или другими стализаторами.
2.2 Вещества, специфически накапливаемые ретикуло-эндотелиальной системой - в печени (Купферовскими клетками), селезенке, лимфатических узлах, костном мозге. Т1 (позитивные) вещества - липосомы, содержащие парамагнитные Т1- вещества (в клинику не внедрены). Т2 (негативные) вещества - суперпарамагнитные частицы оксида железа (70-400 нм), например резовист.
2.3 Вещества, накапливаемые поджелудочной железой - Т1 (позитивные) вещества: мангафодипир.
2.4 Опухолеспецифичные вещества. Т1 (позитивные) вещества - моноклональные антитела, пептиды (гормоны, медиаторы), соматотропин и другие вещества, связанные с небольшими комплексами парамагнитных Т1-веществ; металлопорфи-рины. Т2 (негативные) вещества - те же бионосители, связанные с небольшими комплексами парамагнитных веществ, влияющих на Т2.
В клинической практике уже используют некоторые тканеспецифичные МРКС - примовист (гадоксе-товая кислота), резовист (гадобенат димеглюмина Сс1-БОРТА), тесласкан (мангафодипир, Мп-ОРОР) [11] и др.
Из группы гепатотропных МРКС наиболее широко известен примовист (гадоксетовая кислота, Gd-EOB-DTPA). Он отличается от магневиста наличием этоксибензиловой боковой цепи, которая определяет высокое сродство вещества к гепатоцитам и позволяет контрастировать печень. Благодаря снижению Т1-релаксации примовист позволяет не только выявлять опухоли печени, но и определять их природу, давая возможность исследовать кинетику накопления и выведения МРКС в структурах печени.
Mn-DPDP при клинической оценке показал значительное увеличение отношения сигнал/шум на Т1-взвешенных томограммах. Он оказался эффективным при получении Т2-взвешенных (последовательность SE) и Т1-взвешенных (последовательность GR) томограмм цирротических узлов и карциномы печени [11].
При проведении МРТ головного и спинного мозга МРКС применяют, в первую очередь, для обнаружения опухолей и последующей дифференциальной диагностики: при подозрении на менин-гиому, невриному, в том числе слухового нерва, опухоли с инфильтративным ростом (например, глиому и метастазы); для обнаружения небольших опухолей и/или плохо контрастирующихся опухолей; при подозрении на рецидив опухоли после операции или лучевой терапии;для дифференцированного изображения таких редких опухолей, как гемангиобластома, эпиндиомы и небольшие аденомы гипофиза; для более точного определения интракраниального распространения первичных вне-мозговых опухолей.
Дополнительно при спинальной МРТ МРКС позволяют проводить дифференциальную диагностику интрамедуллярных и экстрамедуллярных опухолей, определять солидные части опухолей при кистозных формах, оценивать распространенность интрамедуллярных опухолей. В случае МРТ всего тела МРКС улучшают контрастирование лицевой части головы, области шеи, грудной и брюшной полости, молочных желез, органов таза, а также опорно-двигательного аппарата.
Благодаря МРКС можно подтвердить или исключить наличие опухолей, воспалений, и сосудистых поражений; определить распространенность и локализацию этих процессов; дифференцировать внутреннюю структуру этих повреждений; определить степень демиелинизации при рассеянном склерозе; оценить кровоснабжение нормальных и патологически измененных тканей; отличить опухолевые ткани от рубцовых после лучевой терапии; выявить рецидив грыжи межпозвонкового диска после операции; провести полуколичествен-ную оценку функции почек, сочетая их с изучением макроструктурных данных.
Важным направлением поиска селективных МРКС стало получение наночастиц оксида железа диаметром 5-35 нм (супермагнитные вещества, такие как магнетит (Fe2O); магмит (Fe203) и феррит (Fe2O3)), покрытых декстраном или его производными. Среди железосодержащих МРКС выделяют:
SPIO - суперпарамагнитный оксид железа;
USPIO - суперпарамагнитный оксид железа
сверхмалого размера;
MIOH - монокристаллический оксид железа.
Препараты SPIO (Fe203) имеют кристаллическую структуру и сильно ускоряют протонную релаксацию тканей [3]. Диаметр частиц SPIO меньше эритроцита, что позволяет им проникать через капиллярную сеть. Разработанные препараты SPIO имеют необходимые величины заряда и размера
для избирательного поглощения клетками ретику-ло-эндотелиальной системы. После деградации БР10 в ретикуло-эндотелиальной системе атомы железа включаются в состав гемоглобина эритроцитов. Количество железа, поступающего в организм в составе БР10 при диагностике, значительно ниже общей величины депо железа [11]. По мнению большинства исследователей, БР10 относятся к тканеспецифическим МРКС. Они тропны к клеткам ретикуло-эндотелиальной системы и позволяют контрастировать печень, селезенку и красный костный мозг [2; 4]. БР10 улучшают диагностику диффузных и очаговых поражений селезенки [11], а также позволяют дифференцировать пораженные метастазами лимфатические узлы от нормальных. Применение БР10 при МРТ диагностике очаговых поражений печени у 900 больных обеспечивает высокую чувствительность (93,8 %) и специфичность (91,5 %) метода. МРТ в сочетании с иРБЮ позволяет улучшить контрастирование опухолей костного мозга и дифференцировать опухолевые очаги от участков гиперплазий. иРБЮ позволяют отличить реактивно увеличенные лимфатические узлы от злокачественных опухолей [11]. Частицы суперпарамагнитного оксида железа обеспечивают получение ценной диагностической информации при злокачественных опухолях печени, а также при наличии гемангиом, кист, узловых гиперплазий.
Важнейшей задачей, которую возможно решать с помощью суперпарамагнитных наночастиц магнетита, является диагностика очагов онкологических заболеваний на ранней стадии. Показано [10], что существует разница в значениях времен релаксации тканей различных органов при наличии первичных или вторичных опухолей. Например, в случае онкологических патологий Т1 и Т2 лимфоузлов с магнетитом меняется с 646+23 мсек до 750±10 мсек и 74+2 мсек до 88+1 мсек соответственно. Нахождение суперпарамагнитных наночастиц в области опухоли позволяет существенно повысить диагностическую точность обнаружения очагов заболеваний на ранних стадиях, а также выявить рецидивы в послеоперационный период.
При диагностике онкологических патологий учитывается тот факт, что существует два основных типа опухолей - с разветвленной сосудистой сетью и без таковой. Методики МРТ диагностики таких заболеваний различны. В первом случае контрастное средство попадает в область опухоли через сосудистую систему, причем суперпарамагнит-ные наночастицы обладают тем преимуществом, что попадают в самые малые сосуды из-за маленького размера, что дает возможность визуализировать особенности анатомического строения опухоли. Второй тип опухолей диагностируется с помощью насыщения контрастным веществом пространства, окружающего опухоль.
Препарат на основе наночастиц суперпара-магнитного оксида железа, покрытых декстраном, названный ферумокстраном (комбидекс) обладает выраженной контрастирующей способностью на Т1 и Т2-взвешенных МРТ-изображениях даже при низкой напряженности магнитного поля 0,15 тесла. Ферумокстран позволяет получать изображения опухолей в головном мозге пациентов лучшего качества, чем гадолиниевые препараты. Наночастицы оксида железа накапливались в астроцитах и макрофагах, но не опухолевых клетках. У 5 из 7 пациентов ферумокстран позволил выявить дополнительные очаги злокачественных образований по сравнению с препаратом гадолиния.
После введения ферумокстрана увеличение Т1-сигнала наблюдалось в течение 2 - 5 дней, что является несомненным преимуществом по сравнению с препаратами гадолиния, контрастирующий эффект которых исчезает через 40 мин - 1 час. Кроме того, ферумоксатран оказывал контрастирующий эффект и
при световой и даже электронной микроскопии образцов, полученных для гистологического исследования. Очень важно, что после операции, оставшиеся очаги заболевания контрастируются ферумоксатра-ном через день после операции и более за счет длительно времени полувыведения препарата (см. рис.).
Рис. Возможности применения препаратов гадолиния и ферумокстрана.
А: Т1-взвешенное изображение после введения препарата гадолиния (стрелкой указан небольшое опухолевое образование в левой височной доле).
Б: Т1-взвешенное изображение через 24 ч после введения ферумокстрана позволяет видеть большой очаг в левой височной доле и дополнительно маленькие очаги позади зріепшш (маленькие стрелки).
В: Через 24 ч после введения ферумокстрана визуализируется новый очаг в задней левой височной доле (маленькая стрелка).
Г: Через 5 месяцев на Т1-взвешенном изображении введение гадолиниевого препарата позволило увидеть новые опухолевые очаги, которые не были видны после первоначального сканирования на рис. А и В. Важно, что 3 новых очага, контрастируемых гадолинием, образовались в областях, которые ранее контрастировались ферумокстраном, но не гадолинием.
К другой клинической проблеме, которую можно решать с помощью ферумокстрана, относится определение стадии рака органов брюшной и тазовой области [22]. МРТ с контрастным усилением позволяет определить не только размер, но и морфологию лимфатического узла, и, тем самым, дать точный неинвазивный прогноз развития заболевания и определить схему лечения. Доказано, что размер лимфатического узла - это не точный критерий развития злокачественного процесса, а с помощью выявления особенностей его морфологии можно поставить дифференциальный диагноз.
Для создания органототропных контрастных средств на основе частиц суперпарамагнитного оксида железа можно использовать их конъюгаты со специфическими антителами [16].
Для диагностики и лечения онкологических заболеваний разрабатывают наночастицы магнетита со специально модифицированной поверхностью [12]. Как правило, опухолевые клетки имеют поверхностные антигены, отличающиеся от антигенов нормальных однотипных клеток. За счет этой разницы наночастицы, функционализированные антителами против таких антигенов опухолевых клеток, связываются с опухолевыми клетками и не связываются с нормальными. Такой магнитный комплекс в форме магнитной жидкости вводится в артерию, снабжающую кровью пораженный орган или опухоль, или, если это возможно, инъецируется непосредственно в опухоль. Далее нужная зона подвергается воздействию внешнего магнитного поля со строго определенными параметрами. В итоге, за счет сродства к поверхностным антигенам опухоли и парамагнитных свойств, магнетит локализуются на поверхности опухолевых клеток.
Проведены исследования по накоплению наночастиц магнетита с покрытием из Fab-фрагментов антител к изоферменту карбоангидразы IX (MN/CA IX), являющейся маркерным трансмембранным белком почечной карциномы, что позволило повысить эффективность МРТ- визуализации этой опухоли. Другим опухолеспецифическим транспортером может служить рекомбинантное моноклональное антитело трастузумаб, входящее в состав противоопухолевого средства герцептин. Трстузумаб специфически взаимодействует с рецепторами HER2/neu эпидермального фактора роста в опухоли молочной железы. Наночастицы магнетита с трастузумабом аккумулируются исключительно на поверхности тех клеток, где экспрессированы данные рецепторы.
Наночастицы магнетита можно применять в качестве МР контрастного вещества в составе ли-посом, которые сходны по строению с клеточными мембранами, что определяет их биосовместимость и эффективность при адресной доставке. Для повышения органотропности поверхность липосом может быть конъюгирована с антителами или химически модифицирована. Противоопухолевые препараты или радионуклиды могут быть присоединены к «магнитным контейнерам», называемых «magnetic target carrier» (магнитные носители с адресной доставкой).
Весьма интересные результаты были получены в исследованиях с использованием порфирино-вых соединений. Показана эффективность металло-порфиринов в качестве опухолеспецифичных МРКС при введении в их структуру парамагнитных агентов [15]. Мп3+-тетрафенилсульфонат порфирин
(MnTTPS) показал высокую контрастирующую активность в модельных экспериментах с привитой мышам NUDE подкожно карциномы толстой кишки
человека и опухоли молочной железы человека 2Т
[19]. Mn3+-уропорфирин-1 (Mn-UROP-1) при исследованиях, проведенных на модели внутричерепной опухоли мозга (на крысах 9L), повышал при внутривенном введении интенсивность сигнала магнитного резонанса от ткани опухоли уже через 30 мин. Высокая интенсивность сигнала сохранялась в течении 24 ч [21].
Отметим, что Mn имеет невысокий Z, что делает его малоинтересным элементом для ФЗТ. Пор-фириновые комплексы с Gd и другими парамагнитными лантаноидами не описаны. Наконец, способы синтеза порфириновых производных отличаются низкой технологичностью, что является существенным недостатком при серийном производстве подобных лекарственных средств.
При формировании комплексов МРКС с моноклональными антителами можно получить высокоспецифичные МРКС не только к нормальным, но и к патологически измененным тканям. В экспериментах уже получены такие комплексы, например иммуноспецифичные - к эмбриональному антигену карциномы прямой кишки [12].
К сожалению, исследователи выявили и целый ряд препятствий на пути создания МРКС с опухолевой специфичностью. Главное - это малое количество доступных связывающих мест на поверхности малигнизированных клеток и сравнительно низкая специфичность полученных антител.
Биотрансформация комплекса МРКС и антитела в организме начинается, прежде всего, с отщепления иммуноглобулина и, соответственно, потери специфичности. Здоровая печень, очищая кровь от инородных белков, тем самым во-первых, сокращает время жизни комплекса в организме, во-вторых, осуществляет неспецифическую аккумуляцию комплекса МРКС с антителами в печени, что делает проблематичным диагностику локализованной в печени опухоли [12].
Применение полимерных веществ
Связывание гадолиниевого комплекса с полимерной молекулой сочетает функциональную диагностику с эффективностью высокого разрешения МРТ. Для контрастирования сосудов Gd-DTPA ковалентно связывают с такими макромолекуляр-ными веществами, как альбумин, декстран, полилизин и другие. МРКС этого типа в экспериментах на животных позволили улучшить качество томограмм артерий и вен диаметром менее 1 мм. Их также можно использовать для прямой и непрямой магнитно-резонансной лимфографии.
Было выявлено, что такие комплексы-МРКС могут проходить гематоэнцефалический барьер не только в случае грубых нарушений целостности сосудистого русла, но и при повышенной капиллярной проницаемости (например, при воспалении в активной фазе, при опухолях и при ишемии) [11]. Однако при введении таких макромолекулярных МРКС становится актуальной проблема возможной сенсибилизации организма.
С помощью метода ферментсвязанной имму-носорбентой пробы ELISA показано [11], что при сенсибилизации крыс комплексами Gd-DTPA-альбу-мин, Gd-DTPA-димеглюмин, Gd-DTPA-декстран и Gd-DTPA-полилизин начинается выработка антител класса IgG, специфичных против Gd-DTPA. Несомненно, требуются дополнительные исследования, чтобы определить потенциал иммунного ответа человека к макромолекулярным МРКС в условиях их клинического использования.
Наночастицы оксида железа
в магнитной гипертермии опухолей
В последние годы активно развиваются различные варианты локальной магнитной гипертермии, в которой вводимый в пораженный участок магнитный материал нагревается извне с помощью электромагнитного излучения диапазона 100-800 кГц, которое практически не поглощается тканями организма, но интенсивно взаимодействует с ферро-и суперпарамагнетиками [14; 18; 21].
В качестве медиаторов могут выступать как наночастицы оксидов железа и различных сплавов, потенциально способные проникать внутрь клеток, так и более крупные субмикронные частицы биосо-вместимых ферромагнетиков, располагающиеся в межклеточном пространстве.
Явление нагревания магнитных частиц в переменном магнитном поле можно использовать при лечении раковых опухолей. Основным параметром при выборе материала является высокое удельное поглощение, благодаря которому частицы выделяют много тепла при воздействии магнитного поля, минимизируя требуемую дозу вводимых в организм наночастиц, а также область их воздействия, то есть степень повреждения здоровых тканей. Однако для клинического использования важно еще и иметь возможность наблюдать за местонахождением частиц в организме прежде, чем начинать лечение. Для визуализации с помощью магнитного резонанса подходят высокодисперсные частицы суперпарамаг-нитного оксида железа, но они не обладают достаточно высоким значением удельного поглощения. Поэтому предложено покрывать наночастицы железа тонкой оксидной пленкой.
Помимо того, что оксидная пленка помогает визуализировать частицы, она также стабилизирует наночастицы железа, которые иначе бы были неустойчивы к окислению на воздухе. Подобный композит был синтезирован методом обратных мицелл в бромиде цетилтриметиламмония. Полученные частицы имели диаметр 10-15 нм, обладали большой магнитной анизотропией, а их удельное поглощение почти вдвое превышает удельное поглощение обычных наночастиц оксида железа. Частицы можно доставлять в опухоли тремя путями: напрямую вводить через шприц, либо с помощью антител против специфических антигенов опухоли, либо направлять в опухолевый очаг, либо используя внешний магнит.
Наночастицы оксида железа нужно нагреть до температуры на 6 градусов выше, чем температура человеческого тела. Это приводит раковые клетки в состояние «шока» и последующей гибели. Нагревание достигается переменным магнитным полем. Здоровые клетки, где нет наночастиц, остаются интактными.
В гипертермии помимо чистого магнетита, также применяют наночастицы магнетита с добавлением ионов гадолиния [14] за счет чего достигается увеличение в скорости специфического поглощения энергии, а следовательно КПД процесса в целом, а также феррита кобальта - СоРе204 [21].
Имеются сообщения об использовании метода «магнито-жидкостной гипертермии» для терапии глиобластомы [16]. Метод состоит в том, что в опухолевую ткань с помощью направленного транспорта или под наркозом вводится жидкость, содержащая наночастицы оксида железа. Затем опухоль подвергается воздействию внешнего магнитного поля, в результате чего наночастицы железа нагреваются до температуры 45 °С. Такой нагрев разрушает опухолевую ткань и одновременно усиливает эффективность последующей лучевой терапии. Однако лечение эффективно пока лишь на ранних стадиях заболевания. Возможно также использования железа в виде нанопрошка Ре2С (размер частиц 25 нм, содержание железа 99,99 %, углеродная пленка толщиной 5 нм) после его включения в хитозановые капсулы вместе с карбоплатином (размер 207 нм) для магнитной гипертермической терапии опухоли печени
[20]. При этом опухоль нагревалась до 42,6 °С в течение 10 мин, а в другой доле печени без опухоли температура была на 2-3 градуса ниже. Подавление роста опухоли в результате такой комплексной ХТ и магнитной гипертермии было значительным.
Таким образом, нанотехнологии с использованием железа позволяют получать эффективные препараты для магнитной гипертермической терапии различных опухолей.
Заключение
Использование магнитных наночастиц на основе сложных оксидов железа в онкологии весьма перспективно. Наночастицы оксида железа благодаря своим магнитным свойствам могут стать инструментом как для визуализации, так и для лечения этих новообразований.
Это значит, что существует шанс в течение следующего десятилетия получить недорогой метод лечения рака с более высокой вероятностью успеха, чем может гарантировать химиотерапия. Раковые клетки не могут развить резистентность к физическим методам. Они могут стать резистентными к химиотерапии, но не могут противостоять вызывающему их гибель нагреванию.
Наночастицы сложного оксида железа магнетита - Ре304 являются наиболее подходящими магнитными материалами для биомедицинских исследований. С его помощью можно создавать препараты для контрастирования, разрабатывать методики лечения онкологических больных методом магнитной термотерапии. Движением таких наночастиц можно управлять посредством наложения внешнего магнитного поля и локализовать их в необходимой области или органе.
Это касается как процесса доведения лекарственного препарата до определенного органа, так и удержания его в этом органе. Перспективность применения сложного оксида железа определяется возможностью создания на его основе стабильной коллоидной системы и наличием значительного пула элемента железа в крови человека.
Литература
1. Беленков Ю.Н., Терновой С.К, Синицын В.Е. Магнитно-резонансная томография сердца и сосудов. -М.: Видар, 1997. - 144 с.
2. Березин С.М., Тютин ЛА., Яковлева Е.К. и др. Контрастная магнитно-резонансная вено-портография при заболеваниях печени // Мед визуализация. - 1999. - № 2. - С. 37-40.
3. Вашман А А, Пронин И.С. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия. - М.: Энергоатомиз-дат, 1986. - 231 с.
4. Гранов А.М., Тютин Л А, Березин С.М. Применение магнитно-резонансной томографии в хирургической гепатологии // Вестн. рентг. и радиол. - 2002. - № 3. - С. 32-7.
5. Коновалов А.Н., Корниенко В.Н., Пронин И.Н. Магнитно-резонансная томография в нейрохирургии. -М.: Видар, 1997. - 471 с.
6. Корниенко В.Н., Пронин И.Н, Арутюнов Н.В. и др. МР-ангиография с применением нового одномолярного контрастного препарата гадовист 1,0 в нейрохирургической клинике // Мед. визуализация. -2004. - №1 - С. 16-25.
7. Магневист в клинической практике/ мат. симпозиума // Вестник рентгенологии и радиологии - 1994. - № 2. - С. 4-48.
8. Медицинская визуализация // Материалы Всероссийского конгресса Радиология-2010, Специальный выпуск.
9. Терновой С.К., Синицын В.Е., Морозов С.П. Современная магнитно-резонансная томография. - М: Кремлевская медицина, 2007. - 3. - С. 67-70.
10. Тютин Л А, Шимановский НЛ, Трофимова Т.Н. 15 лет клинического применения «магневиста» - первого магнитно-резонансного контрастного средства // Мед. визуализация. - 2004. - № 3. - С. 125-34.
11. Шимановский НЛ. Контрастные средства. Руководство по рациональному применению. - М.: ГЭО-ТАР Медиа, 2009. - 464 с.
12. Шимановский НЛ, Епинетов М.А., Мельников М.Я. Молекулярная и нанофармакология. - М.: Наука, 2010. - 624 с.
13. Boos M, LentschigM, Scheffler K. et al. Contrast-enhanced magnetic resonance angiography of peripheral vessels. Different contrast agent applications and sequence strategies: a review // Invest Radiol. - 1998. -33. - Р. 538-46.
14. Drake P., Cho H.J., Shih P.S. et al. Gd-doped iron-oxide nanoparticles for tumor therapy via magnetic field hyperthermia // J. Mater. Chem. - 2007. - 17. - P. 4914-8.
15. FelixR, Heshiski A., Hricak H Magnevist. - Monograph 4th edd. - Berlin: Blackwell Science, 2001. - 242 p.
16. Hadjipanayis C.G., Machaidze R, Kaluzova M. et al. EGFRvIII antibody-conjugated iron oxide nanoparticles for magnetic resonance imaging-guided convection-enhanced delivery and targeted therapy of glioblastoma // Cancer Res. - 2010 - 70(15). - P. 6303-12.
17. Ho V.B, Choyke P.L., Foo T.K. et al. Automated bolus chase peripheral MR angiography: initial practical experiences and future directions of this work-in-progress // J Magn Reson Imaging. - 1999. - 10. - Р. 376-88.
18. KalamburV.S, Longmire E.K. Cellular Level Loading and heating of superparamagnetic iron oxide nanoparticles // Langmuir - 2007. - 23. - P. 12329-36.
19. Leiner T, Ho K.Y., Nelemans PJ. et al. Three-dimensional contrast-enhanced moving-bed infusion-tracking (MoBI-track) peripheral MR angiography with flexible choice of imaging parameters for each field of view // J Magn Reson Imaging. - 2000. - 11. - Р. 368-77.
20. Li F.R., Yan W.H., Guo Y.H. et al. Preparation of carboplatin-Fe@C-loaded chitosan nanoparticles and study on hyperthermia combined with pharmacotherapy for liver cancer // Int J Hyperthermia. - 2009. - 25. - P. 383-91.
21. Skumiel A. Suitability of water based magnetic fluid with CoFe2O4 particles in hyperthermia // JMMM. -2006. - 307 - P. 85-90.
22. Vilarino-Varela M.J., Taylor A., Rockall A.G. et al. A verification study of proposed pelvic lymph node localisation guidelines using nanoparticle-enhanced magnetic resonance imaging // Radiother Oncol. - 2008. -89(2). - P. 192-6.
НАУЧНЫЕ ЖУРНАЛЫ РОНЦ ИМ. H.H. БЛОХИНА РАМН
