CC BY
141
УДК 66.086.4
К. Г. Гареев, В. А. Мошников
Применение суперпарамагнитных контрастирующих агентов в магниторезонансной томографии
Ключевые слова: магнитные наночастицы, биомедицина, ядерный магнитный резонанс, магниторезонансная томография, суперпарамагнитные контрастирующие агенты, оксид железа, химический синтез. Keywords: magnetic nanoparticles, biomedicine, nuclear magnetic resonance, magnetic resonance imaging, superparamagnetic contrast agents, iron oxide, chemical synthesis.
Приведен обзор современного состояния технологии суперпарамагнитных контрастирующих агентов для магниторезонансной томографии. Рассмотрены примеры практического использования для проведения томографии с контрастным усилением магнитных наночастиц на основе оксида железа, получаемых различными химическими методами. Показано влияние размеров суперпарамагнитных частиц и вещества оболочки на биологические свойства и контрастирующую способность агентов. Отражены последние результаты по применению веществ двойного контрастирования.
Введение
Магнитные наночастицы (МНЧ) и препараты на их основе рассматриваются в качестве перспективных средств медицинской диагностики [1] и терапии [2, 3], а также комбинированного действия (тераностики) [4—6]. МНЧ могут быть получены различными способами, но применяемые в биомедицине частицы обычно синтезируют химическими методами [7, 8]. Одним из широко применяемых способов синтеза МНЧ является золь-гель-процесс, что объясняется в том числе возможностью управления формой и размерами частиц, а также высокой степенью монодисперсности получаемых частиц [9]. Ранее было установлено, что МНЧ, полученные золь-гель-методом в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», характеризуются высокой контрастирующей способностью [10] и низкой токсичностью [11], а коллоидные растворы обладают агрегативной и седи-ментационной устойчивостью [12]. Обобщению различных особенностей использования химических методов для получения магнитных наноматериалов посвящен обзор [13].
Контрастирующие агенты, применяемые в МРТ с контрастным усилением, по своим магнитным
свойствам [14] подразделяются на парамагнитные [15, 16], основанные на соединениях гадолиния, и суперпарамагнитные [1, 17, 18] на основе МНЧ [19] или кремнийорганических частиц [20]. Парамагнитные контрастирующие агенты обеспечивают сокращение времени Т1, а суперпарамагнитные — Т2*.
Также классифицируют низкомолекулярные агенты с массой менее 1000 Да** — комплексные соединения гадолиния, которые быстро диффундируют в межклеточной жидкости, — и высокомолекулярные с массой свыше 30 000 Да (на основе МНЧ), время циркуляции в кровотоке для которых существенно больше [22].
Кроме неспецифических контрастирующих агентов [14] исследуют агенты с селективным ответом на изменения различных физиологических биомаркеров, включая концентрации или активности энзимов, белков, нуклеиновых кислот. Селективные агенты представляют собой конъюгаты различного состава [18, 23]. Перспективным направлением развития технологии контрастирующих агентов являются агенты двойного контраста, представляющие собой суперпарамагнитные наночастицы оксида железа с присоединенными к их поверхности комплексами гадолиния [24]. Применение агентов двойного контраста позволяет существенно снизить влияние артефактов изображения, что было показано авторами [25].
Парамагнитные контрастирующие агенты наиболее широко применяются в МРТ, их развитие продолжается [16], что связано с их относительной безопасностью для пациентов. Однако применение препаратов на основе соединений гадолиния у пациентов с хронической почечной недостаточностью
* Т^-взвешенное изображение — это набор стандартных изображений, которые отражают различия во времени спин-решеточной (или Т1) релаксации различных тканей в теле. Т 2-взвешенное изображение отражает различия во времени спин-спиновой релаксации [1].
** Дальтон — 1 Да = 1 а. е. м. = 1,661 • 10-24 г [21].
может вызывать тяжелое осложнение — нефроген-ный системный фиброз [26, 27].
В этом отношении более предпочтительными представляются суперпарамагнитные контрастирующие агенты на основе МНЧ, которые могут применяться как для in vivo, так и для in vitro диагностики с использованием чип-систем на основе ядерного магнитного резонанса [5].
Технология контрастирующих агентов на основе магнитных наночастиц
Контрастирующие агенты для МРТ получают такими методами, как гидротермальный синтез, золь-гель-процесс, соосаждение, синтез в обращенных мицеллах, электрохимическое осаждение [7, 8]. В литературе описано применение в качестве негативных контрастирующих агентов частиц микрометрового и субмикронного размеров [1].
Но чаще на практике используются нанораз-мерные частицы. Это обусловлено, прежде всего, хорошо отработанными технологиями получения устойчивых коллоидных систем и функционализа-ции наночастиц [1, 29, 30], а также возможностью изменения прохождения МНЧ сквозь клеточные мембраны [30—33] и гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) [34—38] при воздействии постоянного или переменного магнитного поля.
Белково-липидные клеточные мембраны [39] и ГЭБ как особый физиологический механизм регуляции обмена веществ между центральной нервной и кровеносной системами [40] обладают избирательной проницаемостью, и прохождение МНЧ через них зависит от размеров, поверхностного заряда и химических свойств частиц.
В современной медицинской практике, а также в исследовательских работах применяют ограниченный круг магнитных наночастиц на основе оксида железа. Большинство экспериментов проводится с так называемыми малыми и сверхмалыми (SPION и USPION), или монокристаллическими (MION), суперпарамагнитными наночастицами оксида железа, которые являются объектом интереса в технике МРТ последние 25 лет в качестве Т2 (SPION, MION) и Т1 контрастирующих агентов для лимфатических узлов, головного мозга, миокарда, кровеносных сосудов (ангиография без применения контрастирования радиоактивным препаратом), печени и селезенки [1, 34, 41—47]. Следует отметить, что направления исследований клинического применения наночастиц оксида железа в качестве контрастирующего агента в последние 5 лет в целом не отличаются от исследований, проводимых 20 и 15 лет назад.
Наночастицы оксида железа, на которых основаны контрастирующие агенты для МРТ, должны обладать определенным средним диаметром и узкой дисперсией по размеру, а также обладать высокой агре-
гативной и седиментационной устойчивостью [1]. Так, в соответствии с работой [48] при материале инертной оболочки эффективность захвата клетками и контрастирующая способность возрастают при уменьшении размеров частиц. По этой причине наиболее широко применяются методы химического синтеза наночастиц [7, 8], к которым относят термолиз металлосодержащих соединений, разложение металлосодержащих соединений под действием ультразвука, восстановление металлосо-держащих соединений, синтез в обратных мицеллах, золь-гель-метод, синтез наночастиц на границе раздела газовой и жидкой фаз.
Использование наночастиц оксида железа в качестве контрастирующего агента требует их функ-ционализации. Например, в работе [33] для создания клеточных меток, контрастных в МРТ, применялись наночастицы оксида железа диаметром 80—150 нм (Feridex IV производства Berlex Laboratories) в комплексе с коагулянтом сульфатом протамина. Суспензия характеризовалась исходной общей концентрацией железа 11,2 мг/мл. Как показали результаты измерений, скорости спин-спиновой релаксации помеченных клеток существенно выше, чем непомеченных (рис. 1).
Авторы работы [49] получили контрастирующий агент на основе наночастиц оксида железа диаметром 3,5 нм, покрытых оболочкой из декстрана и конъюгированных с герцептином [моноклональные противоопухолевые антитела трастузумаб (рис. 2)]. Осаждение магнетита производили из двух- и трехвалентного хлорида железа c добавлением водного раствора аммиака. После этого осуществлялись центрифугирование и обработка частиц декстраном, а для очистки от непрореагировавших остатков использовали метод хроматографии. По результатам экспериментов было показано, что конъюгированные наноча-стицы накапливаются в опухолевых клетках, причем сигнал от клеток, экспрессирующих герцептин, на порядок выше, чем от герцептин-негативных клеток.
В работе [50] исследовалась возможность применения таргетных магнитных наночастиц оксида
0,012 1
0,010
тН
® 0,08 Ö > 0,04 oq 05 0,02 2
0 20 40 60 80 Cell number (х104) 100
Рис. 1
Зависимость скорости спин-спиновой релаксации клеток, помеченных (1) и непомеченных (2) наночастицами оксида железа с сульфатом протамина, от их числа [33]
Рис. 2
ПЭМ-изображение наночастиц оксида железа, конъюгированных с герцептином. Размерная шкала равна 20 нм [49]
железа в качестве контрастирующего агента при визуализации глиом in vivo. Наночастицы магнетита получали методом термического разложения ацетилацетоната железа (III) в растворе на основе безводного бензилового спирта при температуре 110 °С и покрывали оболочкой из бычьего сывороточного альбумина, общий средний диаметр наночастиц составлял 53 ± 9 нм. В качестве таргет-ных молекул в конъюгатах были применены моно-клональные антитела, блокирующие васкулярный эндотелиальный фактор роста. Было установлено, что подобные частицы являются стабильными и малотоксичными при концентрациях до 2,5 мг/мл. Наличие моноклональных антител обеспечивает эффективное связывание частиц с клетками глиомы и их эффективное контрастирование в МРТ.
Конъюгаты наночастиц оксида железа в оболочке декстрана с 2-дезоксиглюкозой использовали [35]
для исследования активности мозговых нейронов методом МРТ. Конъюгированные наночастицы проникали через ГЭБ, что позволило наблюдать локальные участки активности, а это может быть использовано для моделирования острых и хронических приступов эпилепсии.
В работе [51] было проведено сравнительное исследование контрастирующей способности нано-частиц оксида гидродинамическими диаметрами 21, 33, 46 и 65 нм и внеклеточного контрастного средства гадопентетат димеглюмина. Магнитные наночастицы Resovist, исследованные в работе, представляли собой ядро оксида железа размерами 3-5 нм с оболочкой карбоксидекстрана, произведенной в фирме Shering (Германия). Авторы работы установили, что наибольшее контрастное усиление достигается при наименьшем размере частиц оксида железа. Такие частицы при концентрации железа 40 мкмоль на 1 кг массы обеспечивают эффект, сопоставимый с эффектом внеклеточного контрастного средства, на протяжении 25 мин, что позволяет проводить многократные измерения после одного введения препарата.
МР ангиографии опухолей с контрастированием наночастицами оксида железа посвящена работа [52]. Сопоставление контрастирующей способности магнитных наночастиц Feridex и препарата на основе хелата гадолиния с бычьим сывороточным альбумином показало преимущество магнитных на-ночастиц при визуализации формирования новых кровеносных сосудов (васкуляризации) опухолей за счет более детального изображения мелких сосудов при общем повышении пространственного разрешения. На рис. 3 приведено изображение опухоли с введенными контрастирующими агентами на основе гадолиния и оксида железа.
Рис. 3
Трехмерное изображение опухоли с введенным контрастным средством: а — на основе хелата гадолиния; б — на основе оксида железа [52]
Рис. 4 \ ПЭМ-изображение наночастиц оксида железа, покрытых углеродом [53]
Наночастицы оксида железа, покрытые углеродом, могут быть использованы для эффективного контрастирования с Т1- и Т2-взвешиванием [53]. Авторы работы получали наночастицы оксида железа соосаждением путем добавления раствора ЫаОН к смеси хлоридов железа II и III в атмосфере аргона. После отделения с использованием магнита частицы промывали этанолом, ацетоном и де-ионизованной водой, а затем производили вакуумную сушку. Высушенные частицы диспергировали в 0,5-молярном растворе глюкозы при воздействии ультразвука, в результате чего оксид железа покрывался углеродной оболочкой. Полученные частицы редиспергировали в деионизованной воде и многократно пропускали через фильтровальную бумагу с ячейками размером 100 нм. Средний размер наночастиц составил 90 нм (рис. 4), а релаксационные эффективности 1/Т1 и 1/Т2 — 1,139 и 1,115 (ммоль • с)1 соответственно.
Сравнительное исследование контрастирующих свойств наночастиц оксида железа, полученных различными методами, приведено в работе [54]. На-ночастицы оксида железа синтезировали методом соосаждения с последующим покрытием олеиновой кислотой. Полученные гидрофобные наночастицы демонстрировали эффект самосборки в микросферы диаметром 40-180 нм. Микросферы другого типа размерами 150-350 и 180-700 нм получали путем полимеризации гибридной микроэмульсии, используя вышеназванные частицы в качестве магнитного ядра. Затем микросферы покрывали оболочкой из стирола и сополимера акриловой кислоты. Акриловая кислота дополнительно обеспечивала наличие карбоксильных групп на поверхности микросфер.
Покрытие стабилизированных декстраном на-ночастиц оксида железа гликолятом хитозана — водорастворимым биоразлагаемым полимером
с поверхностным зарядом, чувствительным к рН среды, — может быть применено для создания МР-контрастирующих агентов, специфичных к опухолевым клеткам за счет чувствительности к рН среды [55]. Наночастицы получали соосаждением хлоридов железа II и III и лантанида (Sm, Gd) в присутствии декстрана. Раствор охлаждали и продували азотом, а затем вводили концентрированный раствор аммиака. Полученный вязкий раствор извлекали из атмосферы азота, выдерживали при 90 °С и центрифугировали для отделения агрегатов частиц, а остатки железа, лантанида и декстрана удаляли мембранной фильтрацией с порогом массы 100 кДа. Находясь в кровотоке с рН = 7,4, наночастицы длительно циркулируют, а при воздействии кислого окружения опухоли с рН < 7,0 частицы преобразуются в катионную форму с высокой адгезией к клеткам, что обеспечивает повышение контраста в МРТ.
Применение негативных контрастирующих агентов на основе оксида железа, снижающих сигнал от нормальных тканей организма, рассматривается как перспективное развитие МРТ с контрастированием при использовании изолированно или в сочетании с препаратами на основе Gd. В работе [56] приведены результаты исследования развития опухолевого процесса в головном мозге крыс с привитой глиомой С6. Для проведения экспериментов был использован препарат, предоставленный РОНЦ им. Н. Н. Блохина, на основе наночастиц диаметрами 120-240 нм, ядро которых представляло собой кристаллит магнетита, окруженный полисахаридом (декстран, молекулярная масса 70 кДа). Установлено, что совместное применение магнитных наноча-стиц и контрастирующего агента на основе Gd позволяет четко визуализировать всю зону поражения, включая капсулу опухоли (рис. 5). Тем не менее в работе [56] подчеркивается существенный недо-
Рис. 5\ МРТ-изображения головного мозга крысы с глиомой С6 (показана стрелкой) [56]
статок препарата магнитных наночастиц — значительное время внедрения в организм (более 24 ч) и медленное выведение из него.
Исследование биологического распределения методами иммуногистохимии контрастирующих агентов для МР-ангиографии на основе наночастиц оксида железа выполнено авторами работы [57]. В исследовании были применены частицы оксида железа, стабилизированные анионной оболочкой из лимонной кислоты. Гидродинамический диаметр частиц составлял 10 нм, вводимая доза железа составляла 30 мкмоль/кг, ^-релаксационная эффективность — 24 (ммоль • с)-1, Т2 — 64 (ммоль • с)-1. Для исследования были использованы парафиновые блоки, содержащие срезы селезенки крыс, извлеченные через 3 ч после внутривенного введения. Показано, что сочетание методов флюоресцентного анализа и зимографии могут быть успешно применены при исследовании биораспределения наноча-стиц оксида железа.
Возможность использования наночастиц оксида железа для контрастирования в МРТ с Т1- и Т2-взвешиванием была изучена в работе [58]. Магнитные наночастицы синтезировали, используя в качестве прекурсора оксида железа ацетилацетонат железа-III, а для получения оболочки из полиэти-ленгликоля в потоке азота были добавлены бис-карбоксиметиловый эфир полиэтиленгликоля и три-этилен гликоль. Растворение реагентов производилось с применением магнитной мешалки при температуре 100 °С, затем температура была повышена до 260 °С и поддерживалась в течение 30 мин. После охлаждения до комнатной температуры раствор был пятикратно разбавлен 0,1-молярным цитратом натрия или 0,01-молярным фосфатным буферным раствором. Процедуру фильтрации по размеру и промывку повторяли пять раз. Средний размер кристаллитов оксида железа в полученных частицах составлял 5,4 нм, а суперпарамагнитные свойства обусловливали высокую стабильность раствора на их основе. Достигнутое значение Т1-релаксационной эффективности равнялось 19,7 (ммоль • с)-1, Т2-релаксационная эффективность была вдвое выше в магнитном поле с индукцией 1,5 Тл.
Контрастирующий агент на основе монокристаллических частиц оксида железа, стабилизированных оболочкой из декстрана, при функционализа-
ции альбумином приобретают таргетные свойства [43]. Авторы работы установили, что наночастицы оксида железа при концентрации 0,1 ммоль/л демонстрируют Т2-релаксационную эффективность 12,1 л/(ммоль • с) в фосфатном буферном растворе, 16,1 л/(ммоль • с) в воде и 11,7 л/(ммоль • с) в цельной крови.
Следует отметить, что концентрация магнитных наночастиц в различных исследованиях изменяется в широких пределах. Так, в работе [59] для инкубации в культуре мезенхимальных стволовых клеток при исследовании их приживаемости в поврежденном миокарде применялся раствор, содержащий наночастицы оксида железа в декстрановой оболочке Feridex IV концентрацией 25 мг/мл. Важными аспектами применения таких наночастиц являются возможность их биодеградации, безопасность и переносимость, а также фармакокинетика препаратов. Согласно последним исследованиям современные подходы к синтезу магнитных нано-частиц на основе оксида железа в биосовместимой оболочке позволяют начать их клиническое применение [60]. Наночастицы поглощаются макрофагами внутри кровеносных и лимфатических сосудов, что может быть использовано для визуализации воспалительных процессов, изучения повреждений аорты, аневризм и др.
Размеры магнитных наночастиц оказывают существенное влияние на их биораспределение при введении в организм. В работе [61] указано, что частицы размерами свыше 50 нм имеют меньшее время циркуляции в крови, поэтому малоприменимы для визуализации кровеносной или центральной нервной систем. Частицы диаметром менее 50 нм, такие как коммерческие препараты на основе оксида железа в оболочке из углеводов Supravist (25 нм) и Геггишох^ап-10 (30 нм), могут иметь различное время полувыведения из кровотока — 6-8 и 24-30 ч соответственно. Эти данные согласуются с работой [62], показывающей, что наночастицы оксида железа средним диаметром 18 нм распознаются макрофагами печени и селезенки с задержкой во времени, что позволяет применять их в качестве контрастирующего агента для МР ангиографии. Частицы Supravist, кроме того, захватываются циркулирующими в крови клетками, в отличие от Геггишох^ап-10 и Геггишоху^!.
Такие частицы обеспечивают больший контрастирующий эффект для ретикулоэндотелиальных клеток по сравнению с препаратами на основе гадолиния. При этом контрастирующий агент на основе частиц Ееггитох^ап-Ю может быть использован для визуализации внутричерепных опухолей, что обусловлено сверхмалыми размерами частиц, как было показано на группе из 20 пациентов авторами работы [38]. Авторы работы [61] установили эффективность применения наночастиц оксида железа для диагностики пациентов с риском нефрогенно-го системного фиброза при исследовании группы примерно из 150 человек.
Помимо наиболее распространенных контрастных агентов на основе магнетита с полисахарид-ной оболочкой типа Ееп^ех IV могут использоваться комбинированные частицы, состоящие из смеси магнетита и маггемита [63] с оболочкой из крахмала. Общий диаметр частиц составляет менее 20 нм при размере кристаллита оксида железа 5—7 нм, ^-релаксационная эффективность равнялась 20 л/(ммоль • с), Т2-релаксационная — 35 л/(ммоль-с), удельный магнитный момент насыщения — 65 А • м2/кг. Наночастицы поглощались мононуклеарами фагоцитарной системы, особенно клетками Купфера в печени, где железосодержащий компонент переходил в обычную для организма форму. При дозировке частиц 1—3 мг железа на 1 кг массы тела время полувыведения из крови составляло от 45 до 100 мин. Согласно полученным данным оптимальная доза препарата для томографии (эксперименты проводились на свиньях) составила 4 мг на 1 кг массы тела. Каждое введение содержало 20 мл контрастирующего агента с концентрацией железа 10 мг/мл, раствор был изотоничен крови (осмолярность 250—330 мосм/кг).
Магнитные наночастицы, применяемые для направленной доставки нейропротективных препаратов через ГЭБ, могут быть применены при терапии поражений нервной ткани ВИЧ [64]. Авторы исследования получали наночастицы оксида железа соо-саждением хлорида железа-111 и сульфата железа-11 в гидротермальных условиях в молярном соотношении 1 : 2. Раствор солей объемом 100 мл тщательно перемешивали и добавляли к восьмимолярному раствору аммиака при температуре 25 °С. Полученный осадок подвергали многократной промывке горячей дистиллированной водой для очистки от остатков хлоридов и сульфатов. Затем очищенные частицы диспергировали в Трис-ЭДТА-буферном растворе с рН = 7,5. После удаления крупных агрегатов и сушки при 60 °С частицы повторно диспергировали в Трис-ЭДТА-буферном растворе, получая концентрацию 10 мг/мл.
В работе [65] исследовали взаимосвязь между концентрацией наночастиц оксида железа и интенсивностью сигнала Т1-взвешенной МРТ. В качестве контрастирующего агента использовали препарат Nanomag-D-spio, представляющий собой наноча-
стицы оксида железа, покрытые оболочкой карбок-сидекстрана, средним диаметром 20 нм. Концентрация железа в растворе составляла 1,29 мг/мл, на основе которого для экспериментов по контрастирующей способности частиц 1,8 мл раствора были разбавлены в 48,2 мл деионизованной воды для приготовления раствора максимальной концентрации (0,5 ммоль/л по железу). Затем разбавлением данного раствора был получен ряд образцов для исследования in vitro с концентрацией от 0 до 100 мкмоль/л с шагом 5 мкмоль/л и от 100 до 500 мкмоль/л с шагом 100 мкмоль/л.
Наночастицы магнетита, конъюгированные с эпи-дермальным фактором роста человека, были использованы авторами [66] для изучения возможности контрастирования клеток глиомы С6. Магнитные частицы синтезировали из хлорида и сульфата железа соосаждением по реакции Массарта в щелочной среде при температуре 80 °С и молярном соотношении двухвалентного железа к трехвалентному 1 : 2. При этом в водный раствор дополнительно вводили CsCl. Водный раствор аммиака вводили при постоянном перемешивании в инертной атмосфере в реакционном объеме, равном 100 мл. Осадок отделяли постоянным магнитом, затем обрабатывали суспензию ультразвуком на частоте 22 кГц в течение 15 мин. Для стабилизации был использован декстран с молекулярной массой 10 кДа, который вводился в растворе в процессе ультразвуковой обработки. Затем полученные частицы промывали и фракционировали центрифугированием и фильтрацией с применением мембран с диаметром пор 200 нм. Содержание железа контролировали по уровню поглощения комплекса тиоцианата же-леза-III на длине волны 480 нм.
В работе [67] монодисперсные нанокристаллы магнетита для потенциального применения в МРТ получали поверхностным сольвотермальным методом. Точность контроля размера частиц составила 1 нм. В качестве источника железа использовали ацетилацетонат железа, для окисления использовали ге-октиламин, растворителем был ге-октанол. За счет выбора объемного отношения ге-октиламина к ге-октанолу 8 : 8, 6 : 10 и 4 : 12 соответственно были получены частицы магнетита размерами 4, 5 и 6 нм, что объясняется прекращением роста кристаллитов магнетита при повышении концентрации молекул октиламина. Дополнительным преимуществом использованного подхода авторы называют отсутствие необходимости в инертной атмосфере азота, что делает метод более доступным. Контрастирующие свойства полученных наночастиц разного размера были исследованы в водных растворах бромида цетилтримтил аммония.
Повышение Т^-релаксационной эффективности контрастирующих агентов может быть достигнуто путем совмещения оксида железа и гадолиния в композитных частицах. В работе [68] был продемонстрирован эффект усиления контраста при
Т^-взвешенной МРТ опухолей яичников за счет повышения проницаемости тканей по отношению к частицам средним размером 4,8 нм. Значение ^-релаксационной эффективности составляло 7,85 (ммоль • с)-1, время полувыведения — 50 мин с последующим быстрым выведением через почки. Частицы образовывали устойчивый коллоид со средним гидродинамическим диаметром 5,2 нм в фосфатном буферном растворе и растворе феталь-ной бычьей сыворотки.
Кроме возможности интеграции оксида железа с соединениями гадолиния рассматривается возможность применения для Т1-взвешенной МРТ других ферритов совместно с магнетитом [69]. Так, наночастицы магнетита, ферритов никеля и цинка получали идентичным способом, используя в качестве прекурсоров хлориды железа-II и -III, никеля и цинка. Стабилизацию частиц производили предварительным растворением лимонной кислоты в реакционной среде в количестве 6 ммоль на 100 мл деионизованной воды. Хлориды железа-II и -III, взятые в количестве 2 и 4 ммоль соответственно, тщательно перемешивались с использованием магнитной мешалки. Реакция производилась в водяной бане при температуре 338 К в течение 24 ч. Полученные наночастицы магнетита размерами 3-5 нм очищали диализом в деионизованной воде с пятикратным повторением процедуры. Синтезированные аналогичным способом наночастицы феррита цинка также имели размеры 3-5 нм, а наночасти-цы феррита никеля — 4-7 нм. Следует отметить, что максимальное значение ^-релаксационной эффективности продемонстрировали наночастицы феррита цинка — 6,85 (ммоль • с)-1, в то время как Т2-релаксационной эффективности — магнетита — 15,53 (ммоль • с)-1.
Заключение
Развитие техники МРТ с контрастным усилением требует создания новых классов парамагнитных и суперпарамагнитных контрастирующих агентов, в том числе на основе наноразмерных частиц оксида железа. Основными методами, применяемыми для получения Т2-контрастирующих агентов, являются химические методы. Наиболее часто МНЧ, конъюгированные с различными органическими молекулами, используются в качестве селективных контрастирующих агентов. Важными особенностями таких агентов являются возможность изменения времени полувыведения из кровотока и достижимость длительного периода циркуляции. Время циркуляции зависит от ряда факторов, прежде всего от размера наночастиц оксида железа. Частицы размерами менее 10 нм характеризуются наибольшими временами полувыведения.
Возможность модификации поверхности МНЧ моноклональными антителами человека позволяет
с высокой точностью диагностировать и локализовать опухолевые образования, в том числе расположенные в головном мозге. При этом МНЧ могут совмещать в себе средство диагностики и терапии, т. е. являются средством тераностики. Широко исследуется контрастирующая способность конъюга-тов магнитных наночастиц не только по времени T2 (T2*), но также и по времени Тц. Кроме того, перспективным считается применение контрастирующих агентов двойного контраста, представляющих собой, например, оксид железа с оболочкой из комплексных соединений гадолиния. Такой подход позволяет существенно снизить влияние артефактов и тем самым повысить разрешающую способность МРТ.
Работа частично поддержана РФФИ, грант №16-32-60010.
Авторы выражают благодарность профессору В. В. Лучи-нину за помощь в подготовке публикации.
Литература
1. Rinck P. A. Magnetic Resonance in Medicine. The Basic Textbook of the European Magnetic Resonance Forum. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1993. 246 p.
2. Gulyaev P. Yu., Kotvanova M. K., Pavlova S. S. [et al.]. Photothermal Effects of Laser Heating Iron Oxide and Oxide Bronze Nanoparticles in Cartilaginous Tissues // Nanotech-nologies in Russia. 2012. Vol. 7, N 3-4. P. 127-131.
3. Smolkova I. S., Kazantseva N. E., Makoveckaya K. N. [et al.]. Maghemite based silicone composite for arterial embolization hyperthermia // Materials Science and Engineering C. 2015. Vol. 48 P. 632-641.
4. Alms^tter I., Mykhaylyk O., Settles M. [et al.]. Characterization of Magnetic Viral Complexes for Targeted Delivery in Oncology. 2015. Vol. 5, is. 7. P. 667-685.
5. Shao H., Min C., Issadore D., Liong M. [et al.]. Magnetic Nanoparticles and microNMR for Diagnostic Applications // Theranostics. 2012. Vol. 2, is. 1. P. 55-65.
6. Gobbo O. L., Sjaastad K., Radomski M. W. [et al.]. Magnetic Nanoparticles in Cancer Theranostics // Theranostics. 2015. Vol. 5, is. 11. P. 1249-1263.
7. Губин С. П., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б. [и др.]. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. 2005. Т. 74, № 6. С. 539-574.
8. Lu A.-H., Salabas E. L., Schuth F. Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Protection, Functionalization and Application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. Vol. 46. P. 1222-1244.
9. Мошников В. А., Таиров Ю. М., Хамова Т. В., Шилова О. А. Золь-гель-технология микро- и нанокомпозитов. CTO.: Лань. 2013. 304 с.
10. Bogachev Yu. V., Chernenco Ju. S., Gareev K. G. [et al.]. The Study of Aggregation Processes in Colloidal Solutions of Magnetite-Silica Nanoparticles by NMR Relaxometry, AFM, and UV-Vis-Spectroscopy // Appl. Magn. Reson. 2014. Vol. 45. N 3. P. 329-337.
11. Торопова Я. Г., Королев Д. В., Афонин М. В. [и др.]. Динамика показателей периферической крови крыс в эксперименте с введением магнитных композитов на основе наноразмерных частиц оксида железа // Биотехносфера. 2016. № 2. С. 49-54.
12. Богачев Ю. В., Гареев К. Г., Матюшкин Л. Б. [и др.]. Исследование суспензии наночастиц магнетита методами фотометрии и ЯМР-релаксометрии // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, вып. 12. С. 2313-2317.
13. Гареев К. Г., Лучинин В. В., Мошников В. А. Магнитные наноматериалы, получаемые химическими методами // Биотехносфера. 2013. № 5 (29). С. 2-13.
14. Clinical MRI of the Abdomen / N. C. Gourtsoyiannis Ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2011. P. 17-39.
15. Sahraei Z., Mirabzadeh M., Fouladi D.F. [et al.]. Magnetic 35. Resonance Imaging Contrast Agents: A Review of Literature
// Jurn. Pharm. Care. 2014. Vol. 2, is. 4. P. 177-182.
16. Raymond K. N., Pierre V. C. Next Generation, High Relax- 36. ivity Gadolinium MRI Agents // Bioconjugate Chem. 2005.
Vol. 16. P. 3-8.
17. Strijkers G. J., Mulder W. J. M., van Tilborg G. A. F., Nico- 37.
lay K. MRI Contrast Agents: Current Status and Future Perspectives // Anti-Cancer Agents in Medicinal Chemistry. 2007. Vol. 7. P. 291-305.
18. Sinharay S., Pagel M. D. Advances in Magnetic Resonance Imaging Contrast Agents for Biomarker Detection // Ann. 38. Rev. Anal. Chem. 2016. Vol. 9. P. 95-115.
19. Wang Y.-X. J., Hussain S. M., Krestin G. P. Superparamag-netic iron oxide contrast agents: physicochemical characteristics and applications in MR imaging // Eur. Radiol. 2001.
Vol. 11. P. 2319-2331. 39.
20. Liu V. H., Vassiliou C. C., Imaad S. M., Cima M. J. Solid MRI contrast agents for long-term, quantitative in vivo oxygen 40. sensing // PNAS. 2014. Vol. 111, N 18. P. 6588-6593.
21. Фирсов Н. Н. Микробиология: словарь терминов. М.: Дро- 41. фа, 2006. 256 с.
22. Padhani A. R. Dynamic Contrast-Enhanced MRI in Clinical Oncology: Current Status and Future Directions // Journ. of Magnetic Resonance Imaging. 2002. Vol. 16. 42. P. 407-422.
23. Hingorani D. V., Bernstein A. S., Pagel M. D. A review of 43. responsive MRI contrast agents: 2005-2014 // Contrast Media Mol. Imaging. 2015. Vol. 10, is. 4. P. 245-265.
24. Szpak A., Fiejdasz S., Prendota W. [et al.]. Tl—T2 Dual- 44. modal MRI contrast agents based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles with surface attached gadolinium complexes // Jurn. Nanopart. Res. 2014. Vol. 16. Р. 2678.
25. Shin T.-H., Choi J., Yun S. [et al.]. Tl and T2 Dual-Modal 45. MRI contrast agent for Enhancing Accuracy by engineered nanomaterials // ACS Nano. 2014. Vol. 8, N 4. P. 3393-3401.
26. Буйлов В. В. Магнитно-резонансные контрастные средства
и нефрогенные фиброзирующая дермопатия и системный 46. фиброз (обзор литературы) / Медицинская визуализация. 2007. № 2. С. 140-143.
27. Khawaja A. Z., Cassidy D. B., Al Shakarchi J. [et al.]. Revisiting the risks of MRI with Gadolinium based contrast 47. agents — review of literature and guidelines // Insights Imaging. 2015. Vol. 6. P. 553-558.
28. Massart R. Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media // IEEE Trans. Magn. 1981. Vol. 17,
is. 2. P. 1247-1248. 48.
29. Coey J. M. D. Magnetism and Magnetic Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 2010. 625 p.
30. Moersdorf D., Hugounenq P., Phuoc L. T. [et al.]. Influence of magnetic iron oxide nanoparticles on red blood cells and Caco-2 cells. Advances in Bioscience and Biotechnology. 2010. 49. Vol. 1. P. 439-443.
31. Wabler M., Zhu W., Hedayati M. [et al.]. Magnetic resonance imaging contrast of iron oxide nanoparticles developed for hyperthermia is dominated by iron content // Int. Jurn. Hy- 50. perthermia. 2014. Vol. 30, is. 3. P. 192-200.
32. Wimpenny I., Markides H., El Haj A. J. Orthopaedic applications of nanoparticle-based stem cell therapies // Stem Cell Research & Therapy. 2012. Vol. 3, is. 13. 51.
33. Rad A. M., Arbab A. S., Iskander A. S. M. [et al.]. Quantification of Superparamagnetic Iron Oxide (SPIO)-Labeled Cells Using MRI // Journ. of Magnetic Resonance Imaging. 2007. Vol. 26. P. 366-374. 52.
34. Rousseau V., Denizot B., Pouliquen D. [et al.]. Investigation of blood-brain barrier permeability to magnetite-dextran nan-
oparticles (MD3) after osmotic disruption in rats / / MAGMA. 1997. Vol. 5. P. 213-222.
Akhtari M., Bragin A., Moats R. [et al.]. Imaging Brain Neuronal Activity Using Functionalized Magnetonanoparticles and MRI // Brain Topogr. 2012. Vol. 25. P. 374-388. Kong S. D., Lee J., Ramachandran S. [et al.]. Magnetic targeting of nanoparticles across the intact blood-brain barrier // Journ. of Controlled Release. 2012. Vol. 164. P. 49-57. Tabatabaei S. N., Girouard H., Carret A.-S., Martel S. Remote control of the permeability of the blood-brain barrier by magnetic heating of nanoparticles: a proof of concept for brain drug delivery // Journ. of Controlled Release. 2015. Vol. 206. P. 49-57.
Varallyay P., Nesbit G., Muldoon L. L. [et al.]. Comparison of Two Superparamagnetic Viral-Sized Iron Oxide Particles Ferumoxides and Ferumoxtran-10 with a Gadolinium Chelate in Imaging Intracranial Tumors // Am. Jurn. Neuroradiol. 2002. Vol. 23. P. 510-519.
Ревин В. В. Биофизика. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002. 156 с.
Бредбери М. Концепция гематоэнцефалического барьера: пер. с англ. М.: Медицина, 1983. 480 с. Loubeyre P., Zhao S., Benderbous S. [et al.]. Ultrasmall Su-perparamagnetic Iron Oxide Particles (AM1 227) as a Blood Pool Contrast Agent for MR Angiography: Experimental Study in Rabbits // JMRI. 1997 Vol. 7. P. 958-962. Weissleder R., Reimer P. Superparamagnetic iron oxides for MRI // Eur. Radiol. 1993. Vol. 3. P. 198-212. Lauffer R. B., Parmelee D. J., Dunham S.U. [et al.]. MS-325: Albumin-targeted Contrast Agent for MR Angiography // Radiology. 1998. Vol. 207. P. 529-538. Kim D. K., Zhang Y., Kehr J. [et al.]. Characterization and MRI studyof surfactant-coated superparamagnetic nanopar-ticles administered into the rat brain // Journ. of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. Vol. 225. P. 256-261. Wagenseil J. E., Johansson L. O. M., Lorenz C. H. Characterization of T1 Relaxation and Blood-Myocardial Contrast Enhancement of NC100150 Injection in Cardiac MRI // Journ. of Magnetic Resonance Imaging. 1999. Vol. 10. P. 784-789. Constantinides C.D., Herzka D., Bolar D. [et al.]. Superparamagnetic Iron Oxide MION: A Contrast Agent for 23Na Cardiac MRI in Myocardial Infarction // Proc. Intl. Sot. Mag. Reson. Med. 2000. N 8. P. 2043.
Yilmaz A., Rusch S., Yildiz H. [et al.]. First Multiparametric Cardiovascular Magnetic Resonance Study Using Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles in a Patient with Acute Myocardial Infarction // Circulation. 2012. Vol. 126. P. 1932-1934.
Lipinski M. J., Briley-Saebo K. C., Mani V., Fayad Z. A. "Positive Contrast" Inversion-Recovery With Oxide Nano-particles-Resonant Water Suppression Magnetic Resonance Imaging // Journ. of the American College of Cardiology. 2008. Vol. 52, N 6. P. 492-494.
Chen T.-J., Cheng T.-H., Chen C.-Y. [et al.]. Targeted Hercep-tin-dextran iron oxide nanoparticles for noninvasive imaging of HER2/neu receptors using MRI // Jurn. Biol. Inorg. Chem. 2009. Vol. 14. P. 253-260.
Abakumov M. A., Nukolova N. V., Sokolsky-Papkov M. [et al.].
VEGF-targeted magnetic nanoparticles for MRI visualization of brain tumor // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2015. Vol. 11, is. 4. P. 825-833. Allkemper Т., Bremer C., Matuszewski L. [et al.]. Contrast-enhanced Blood-Pool MR Angiography with Optimized Iron Oxides: Effect of Size and Dose on Vascular Contrast Enhancement in Rabbits // Radiology. 2002. Vol. 223. P. 432-438. Artemov D., Kato Y. High Resolution MR Angiography of Tumors using Iron-Oxide Contrast Agent // Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 2009. Vol. 17. P. 312.
53. Bae H., Ahmad T., Rhee I. [et al.]. Carbon-coated iron oxide nanoparticles as contrast agents in magnetic resonance im- 62. aging // Nanoscale Research Letters. 2012. Vol. 7, is. 44.
54. Chen D.-X., Sun N., Huang Z.-J. [et al.]. Experimental study on T2 relaxation time of protons in water suspensions of iron-oxide nanoparticles: Effects of polymer coating thick- 63. ness and over-low 1/T2 / Journ. of Magnetism and Magnetic Materials. 2010. Vol. 322. P. 548-556.
55. Crayton S. H., Tsourkas A. pH-Titratable Superparamagnetic Iron Oxide for Improved Nanoparticle Accumulation in Acidic Tumor Microenvironments // ACS NANO. 2011. Vol. 5, N 12. 64. P. 9592-9601.
56. Гуляев М. В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02 — биофизика. М.: 2013. 24 с.
57. Haeckel A., Schoenzart L., Appler F. [et al.]. Combined In 65. Situ Zymography, Immunofluorescence, and Staining of Iron Oxide Particles in Paraffin-Embedded, Zinc-Fixed Tissue Sections // Molecular Imaging. 2012. Vol. 11, N 5. P. 383-388.
58. Hu. F., Jia Q., Li Y. [et al.]. Facile synthesis of ultrasmall PEGylated iron oxide nanoparticles for dual-contrast T1- and 66. T2-weighted magnetic resonance imaging // Nanotechnology. 2011. Vol. 22. Article 245604.
59. Ma. N., Cheng H., Lu M. [et al.]. Magnetic Resonance Imaging with Superparamagnetic Iron Oxide Fails to Track the Long-term Fate of Mesenchymal Stem Cells Transplanted into 67. Heart // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. Article. 9058.
60. McBride O. M. B., Berry C., Burns P. [et al.]. MRI using ultrasmall superparamagnetic particles of iron oxide in patients under surveillance for abdominal aortic aneurysms to predict 68. rupture or surgical repair: MRI for abdominal aortic aneu-rysms to predict rupture or surgery — the MA3RS study //
Open Heart. 2015. Vol. 2. Article e000190.
61. Neuwelt E. A., Hamilton B. E., Varallyay C. G. [et al.]. Ul- 69. trasmall superparamagnetic iron oxides (USPIOs): a future alternative magnetic resonance (MR) contrast agent for patients at risk for nephrogenic systemic fibrosis (NSF)? //
Kidney International. 2009. Vol. 75. P. 465-474. Ruehm S. G., Corot C., Vogt P. [et al.]. Magnetic Resonance Imaging of Atherosclerotic Plaque With Ultrasmall Superparamagnetic Particles of Iron Oxide in Hyperlipidemic Rabbits // Circulation. 2001. Vol. 103. P. 415-422. Nolte-Ernsting C., Adam G., Bucker A. [et al.]. Abdominal MR Angiography Performed Using Blood Pool Contrast Agents: Comparison of a New Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticle and a Linear Gadolinium Polymer // AJR. 1998. Vol. 171. P. 107-113.
Pilakka-Kanthikeel S., Atluri V. S. R., Sagar V. [et al.].
Targeted Brain Derived Neurotropic Factors (BDNF) Delivery across the Blood-Brain Barrier for Neuro-Protection Using Magnetic Nano Carriers: An In-Vitro Study // PLoS ONE. 2013. Vol. 8, is. 4. Article e62241.
Saharkhiz H., Gharehaghaji N., Nazarpoor M. [et al.]. The
Effect of Inversion Time on the Relationship Between Iron Oxide Nanoparticles Concentration and Signal Intensity in T1-Weighted MR Images // Iran Jurn. Radiol. 2014. Vol. 11, is. 2. Article e12667.
Shevtsov M. A., Nikolaev B. P., Yakovleva L. Y. [et al.].
Superparamagnetic iron oxide nanoparticles conjugated with epidermal growth factor (SPION-EGF) for targeting brain tumors // International Journ. of Nanomedicine. 2014. Vol. 9. P. 273-287.
Tian Y., Yu B., Li X., Li K. Facile solvothermal synthesis of monodisperse Fe3O4 nanocrystals with precise size control of one nanometre as potential MRI contrast agents // Jurn. Mater. Chem. 2011. Vol. 21 P. 2476.
Zhou Z., Wang L., Chi X. [et al.]. Engineered Iron-Oxide-Based Nanoparticles as Enhanced T1 Contrast Agents for Efficient Tumor Imaging // ACS NANO. 2013. Vol. 7, N 4. P. 3287-3296.
Zeng L., Ren W., Zheng J. [et al.]. Ultrasmall water-soluble metal-iron oxide nanoparticles as T1-weighted contrast agents for magnetic resonance imaging // Phys. Chem. 2012. Vol. 14. P. 2631-2636.
m
ПЕТЕРБУРГСКАЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ
ЯРМАРКА
Санкт-Петербург
14-16 марта 2017
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ВЫСТАВКИ:
О Машиностроение О Обработка металлов О Металлургия. Литейное дело О Крепеж. Метизы, Инструмент О Высокие технологии, Инновации. Инвестиции О Автоматизация промышленных предприятий О И другие
Выставочную экспозицию дополнят:
+ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНГРЕСС
+ БИРЖА ДЕЛОВЫХ КОНТАКТОВ
+ КОНКУРС ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ
ВАШ СТЕНД ПО СПЕЦИАЛЬНОЙ ЦЕНЕ - ptfair.ru
| выставочное объединение
+7 (812) 320 80 92, 335 89 04 ptf@restec.ru
