МИФ И РЕАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В КАЧЕСТВЕ СЕЛЕКТИВНОГО КОНТРАСТНОГО СРЕДСТВА ПРИ МРТ ИССЛЕДОВАНИИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННОЙ ОПУХОЛИ

МИФ И РЕАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ МАГНЕТИТА В КАЧЕСТВЕ СЕЛЕКТИВНОГО КОНТРАСТНОГО СРЕДСТВА

ПРИ МРТ ИССЛЕДОВАНИИ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ 

 

Белоусов А.Н.

 

Резюме: В эксперименте на крысах показано, что биосовместимые стандартизированные наночастицы ИКНБ могут эффективно использоваться при МРТ. Доказано, что наночастицы ИКНБ достоверно (р<0,001) усиливают  эффект МРТ. Методика безопасного внутривенного применения ИКНБ исключает использование наночастиц магнетита в варианте самостоятельного контрастного средства при МРТ.  Установлено, что через 24 часа после внутривенного введения ИКНБ наночастицы магнетита достоверно (р<0,001) селективно накапливаются в тканях злокачественной опухоли, увеличивая при этом яркость изображения. На 4-е сутки исследования достоверно (р<0,001) выявлена динамика уменьшения яркости изображения в опухоли и мышцах, которая вызвана процессом выведения наночастиц магнетита из организма крысы. По механизму действия наночастицы ИКНБ вызывают обратимые изменения, связанные с временным увеличением подвижности протонов водорода в околоклеточной жидкости. Это неизбежно модифицирует обмен в злокачественных клетках, что в перспективе вселяет надежду на открытие новых подходов в таргетной терапии злокачественных новообразований.

Ключевые слова: наночастицы, магнетит, ИКНБ, МРТ,  злокачественная опухоль, контраст, селективно.

Актуальность. Идея использования наночастиц магнетита как контрастное средство при МРТ исследовании не нова. Она объективно вытекает из физических свойств наночастиц магнетита. В настоящее время научная литература изобилует информацией о применении наночастиц магнетита в качестве контрастного средства [1-5]. Особую актуальность использование наночастиц магнетита приобретает для ранней МРТ диагностики и таргетной терапии злокачественных опухолей. Однако, несмотря на кажущуюся простоту применения наночастиц, не следует забывать о высокой опасности возникновения осложнений в результате их внутрисосудистого введения. Как минимум, необходимо учитывать такие показатели как концентрация, доза, скорость вводимого раствора наночастиц, время распределения наночастиц в потоке крови после введения. Перечисленные параметры достоверно оказывают влияние на гемореологию и состояние микроциркуляции в целом. Высокая локальная концентрация магнетита в сосудах неизбежно вызывает стаз крови, нарушение микроциркуляции и гипоксию ткани [6, 8]. Особенно это опасно в жизненноважных органах: головной мозг, сердце, легкие, печень, почки. Прямая корреляционная зависимость между концентрацией наночастиц и уровнем гипоксии патофизиологически очевидна. Следовательно, прежде чем вводить внутрисосудисто наночастицы магнетита, необходимо располагать не только достоверными научными данными о безопасности рекомендуемой методики введения наночастиц, но и иметь стандартизированный водный раствор наночастиц магнетита с ранее изученными и доказанными атравматичными физико-химическими свойствами.

К сожалению, на сегодняшний день отсутствуют научные работы, которые бы учитывали это. В опубликованных научных работах мы не встретили ни одной ссылки на использование ранее изученных стандартизированных атравматичных форм наночастиц магнетита и методик их применения. Отсутствуют сведения о механизме влияния наночастиц магнетита на основные биологические системы живого организма, включая дыхательную, сердечно-сосудистую, выделительную, иммунную системы, клеточный обмен. Также мы не обнаружили среди научных публикаций достоверных данных о количественном распределении наночастиц магнетита в органах и тканях после внутривенного введения. Отсутствуют сведения о механизме и времени выведения наночастиц магнетита из организма.

В целом, перечисленное выше не позволяет должным образом оценить научно-практическую значимость ранее опубликованных научных работ, посвященных использованию наночастиц магнетита в качестве контрастного средства для МРТ.

Это явилось основанием в выборе темы настоящего ис­следования. Была поставлена задача в эксперименте на животных проверить возможность использования ранее разработанной и изученной методики внутривенного введения стандартизированной формы водного раствора наночастиц магнетита (препарата ИКНБ) [7-17] для контрастирования злокачественной опухоли при МРТ исследовании.

Основная цель работы – изменить показатели релаксации Т1 и Т2 в области злокачественной опухоли при проведении МРТ с помощью наночастиц препарата ИКНБ.

Материалы и методы исследования:

Исследования выполнялись на половозрелых крысах самцах линии Vistar, возрастом 26-27 месяцев, которых содержали в индивидуальных клетках на стандартном рационе вивария со свободным доступом к воде и пище. Одна крыса была относительно здорова. Другая – с наличием аденокарциномы молочной железы. Вес крыс был одинаков. При работе с животными соблюдали принципы гуманности, изложенные в Хельсинской декларации. За 5 минут до исследования опытные крысы внутримышечно седировались. В последующем проводилось контрольное МРТ - исследование. После выполненного контрольного МРТ – исследования, однократно в хвостовую вену обеим крысам вводился ИКНБ по ранее разработанной автором методике: 0,0225% коллоидный раствор препарата ИКНБ вводится внутривенно из расчета 0,6-0,8 мл/100 мг со скоростью 3-4 мл/мин.

МРТ - исследования проводились поэтапно и  условно были разделены на 4 этапа:

I этап - контроль (до внутривенного введения ИКНБ);

II этап – через 5 минут после введения ИКНБ;

III этап - через 24 часа после введения ИКНБ;

IV этап – через 96 часа после введения ИКНБ. 

Основные физико-химические свойства ИКНБ:

- теоретическая осмолярность коллоидного раствора 500 мОсм/л

- размер наночастиц магнетита 6-12 нм;

- суммарная площадь поверхности наночастиц магнетита Sп = 800-1200 м2/г;

- намагниченность насыщения Is = 2,15 кА/м;

ζ – потенциал = - 19 мВ.

Исследования проводились на МР-томографе «Magneton Concerto» фирмы Siemens  с напряженностью магнитного поля 0,2 Тесла.

Получали аксиальные томограммы:

  1. Т1 – взвешенные последовательности Спин Эхо TR 50 мс, TE 17 мс поле обзора 250 мм, толщина среза 2 мм.
  2. Т2 - взвешенные последовательности Градиент Эхо TR 500 мс, TE 17 мс поле обзора 180 мм, толщина среза 4 мм.

Концентрация накопления наночастиц магнетита оценивалась путем измерения яркости изображения в опухолевой и мышечной тканях при МРТ. Средний показатель яркости изображения рассчитывался путем его измерения в произвольно взятых 8 точках минимальных и максимальных значений исследуемых тканей.

Полученные результаты статистически обработаны с помощью компьютерного математического комплекса “Statgraf”. Использован метод вариационной статистики сравнения средних величин по t-критерию Стьюдента.

Результаты и их обсуждение:

Перед началом выполнения работы проведено МРТ исследование самого препарата ИКНБ на предмет его контрастности. Параллельно, для сравнения, изучен 0,9% раствор NaCl. Результаты МРТ исследования препарата ИКНБ и 0,9% раствора NaCl представлены на рисунке 1.

Рис. 1. МРТ исследование препарата ИКНБ и 0,9% раствора NaCl 

Рисунок 1 наглядно демонстрирует выраженный контрастный эффект ИКНБ в сравнении с 0,9% раствором NaCl. Исходно протоны атома водорода в препарате ИКНБ находятся в максимально структурированном состоянии и имеют низкий показатель  релаксации. Поэтому контрастный эффект препарата ИКНБ при МРТ исследовании наблюдается в виде затемнения изображения. Данное исследование подтверждает возможность использования ИКНБ как контрастное средство при МРТ.

В результате введения в хвостовую вену крыс препарата ИКНБ при МРТ исследовании достоверно выявлен противоположный эффект. Если рисунок 1 демонстрировал эффект затемнения от ИКНБ при МРТ, то после внутривенного ведения ИКНБ, напротив, отмечено увеличение яркости изображения в исследуемых тканях (рис. 3).

Разработанная автором методика внутривенного введения позволяет наночастицам магнетита ИКНБ быстро растворяться в крови и в последующем распределяться в органах и тканях. Быстрое растворение ИКНБ в крови предупреждает возникновение реологических и микроциркуляторных расстройств, а, следовательно, и явлений гипоксии [6, 8].

Распределенные в тканях наночастицы ИКНБ на фоне МР излучения усиливают влияние магнитного поля на протоны атома водорода. Протоны атома водорода меняют свой магнитный момент на противоположный, а потом возвращаются в исходное положение. В результате возрастает энергия в ядрах атомах водорода, увеличивается время релаксации возбужденных протонов. Это регистрируется системой томографа. Сравнительная картина контрастирующего эффекта до и после введения ИКНБ у крысы с аденокарциномой молочной железы представлена на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Исходное МР-исследование яркости изображения аденокарциномы молочной железы  и мышечной ткани крысы (471 усл.ед. – опухоль; 243 усл.ед. – мышечная ткань).

Рис. 3. МР-исследование яркости изображения  аденокарциномы молочной железы и мышечной ткани крысы на первых минутах после внутривенного введения наночастиц магнетита (800 усл.ед. – опухоль; 700 усл.ед. – мышечная ткань).

Рисунки 2 и 3 в сравнении наглядно показывают, что уже на первых минутах после внутривенного ведения наночастиц ИКНБ при МРТ исследовании изменяются параметры релаксации Т1 и Т2 и достоверно (р<0,001) усиливается контрастирующий эффект в виде увеличение яркости изображения в исследуемых тканях. Так, в опухолевой ткани после введения ИКНБ показатель яркости изображения возрастал в среднем на 329±12 усл.ед.  и составил 800±12 усл.ед. (p<0,001), а в мышечной – на 457±12 усл.ед. и составил 700±12 усл.ед. (p<0,001).

Следует отметить, что регистрировать низкие параметры релаксации можно только в случае высокой концентрации наночастиц магнетита в крови и тканях. Однако высокая концентрация наночастиц в кровотоке потенциально опасна для живого организма, так как она неизбежно вызывает гипоксию в тканях. Особенно это значимо для жизненноважных органов: головной мозг, сердце, печень, легкие, почки.

Таким образом, учитывая вышеизложенное, регистрация наночастиц магнетита, как контрастного вещества при МРТ в безопасном варианте методики практически не возможна. Данный эксперимент свидетельствует, что используемые наночастицы ИКНБ в конкретной методике не могут выступать в качестве самостоятельного контрастного средства при МРТ. Разработанная методика внутривенного введения наночастиц ИКНБ на фоне МР излучения в ее безопасном варианте лишь достоверно (р<0,001) усиливает яркость изображения тканей. Динамика показателей изменения яркости изображения опухолевой и мышечной ткани у больной крысы после в/в введения ИКНБ представлена на рис. 4.

Рис. 4. Динамика изменения яркости изображения аденокарциномы молочной железы и мышц больной крысы после в/в введения нанопрепарата ИКНБ на различных этапах при МРТ исследовании (M±m; n=8)

Рисунок 4 показывает, что на III этапе исследования (через 24 часа после внутривенного введения ИКНБ) показатель яркости изображения максимально увеличивался в опухолевой ткани и в среднем составил 836±12 усл.ед. Максимальное увеличение яркости изображения вызвано селективным накоплением наночастиц ИКНБ в опухолевой ткани.

В тоже время в динамике  яркость мышечной ткани у крысы с опухолью на III этапе исследования заметно снижалась и составила 595±18 усл.ед.

Также рисунок 4 показывает, что уменьшение яркости со стороны опухолевой ткани отмечено лишь на IV этапе (4–е сутки) исследования, что вызвано процессом выведения наночастиц ИКНБ из организма крысы. 

Если у обеих крыс сравнить кривую динамики показателей яркости изображения мышечной ткани, то у крысы с опухолью на III этапе исследования достоверно (p<0,001) отмечено уменьшение яркости изображения (595±14 усл.ед.). Динамика изменения яркости изображения при МРТ исследовании мышечной ткани в обеих группах крыс после в/в введения ИКНБ на различных этапах представлена на рис. 5.

 

Рис.5. Динамика изменения яркости изображения мышц в обеих группах крыс на различных этапах при МРТ исследовании после в/в введения ИКНБ (M±m; n=8)

Напротив, у здоровой крысы на III этапе исследования достоверно (p<0,001) отмечалось максимальное увеличение яркости изображения мышечной ткани (700±19 усл.ед.). Изменение яркости изображения мышечной ткани на III этапе исследования вызвано тем, что у крысы с опухолью в мышечной ткани накапливается меньше наночастиц ИКНБ, чем в мышечной ткани здоровой крысы. Данный эффект объясняется следующим:

  1. Поверхность злокачественных опухолевых клеток по сравнению со здоровыми имеет более высокий отрицательный заряд. Поэтому наночастицы магнетита ИКНБ селективно накапливаются в злокачественной опухолевой ткани.
  2. Ослабленное сцепление между клетками злокачественной опухоли способствует увеличению аккумуляции наночастиц ИКНБ в межклеточном пространстве и увеличению времени их выведения. 

 Заключение:

  1. В эксперименте на крысах показано, что биосовместимые стандартизированные наночастицы ИКНБ могут эффективно использоваться при МРТ. Доказано, что наночастицы ИКНБ достоверно (р<0,001) усиливают контрастирующий эффект при проведении МРТ.
  2. Методика безопасного внутривенного применения ИКНБ исключает использование наночастиц магнетита в варианте самостоятельного контрастного средства при МРТ. 
  3. Установлено, что через 24 часа после внутривенного введения ИКНБ наночастицы магнетита достоверно (р<0,001) селективно накапливаются в тканях злокачественной опухоли, увеличивая при этом яркость изображения.
  4. На 4-е сутки исследования достоверно (р<0,001) выявлена динамика уменьшения яркости изображения в опухоли и мышцах, которая вызвана процессом выведения наночастиц магнетита из организма крысы.
  5. По механизму действия наночастицы ИКНБ вызывают обратимые изменения, связанные с временным увеличением подвижности протонов водорода в околоклеточной жидкости. Это неизбежно модифицирует обмен в злокачественных клетках, что в перспективе вселяет надежду на открытие новых подходов в таргетной терапии злокачественных новообразований.

Литература:

  1. Suzuki M., Honda H., Kobayashi T. et al. Development of a targetdirected magnetic resonance-contrast agent using monoclonal antibody-conjugated magnetic particles // Brain Tumor Pathology. 1996. V. 13. P. 127—132.
  2. Pankhurst Q.A., Connolly J., Jones S.K., Dobson J. Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 167—181.
  3. Salata O.V. Applications of nanoparticles in biology and medicine [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.jnanobiotechnology.com/content/2/1/3
  4. Bonnemain B. Superparamagnetic agents in magnetic resonance imaging: physiochemical characteristics and clinical applications-a review // J. Drug Target. 1998. V. 6. P. 167—174.
  5. Weissleder R., Bogdanov A., Neuwelt E.A. et al. Long circulating iron oxides for MR imaging // Adv. Drug. Delivery Rev. 1995. V. 16. P. 321—334.
  6. Patent of Ukraine №31309А UA A61N2/00 Method of treatment diseases which connected with blood circulation disturbance / A.N. Belousov № 98084232. Decl. 04.08.98; Publ. 15.12.00.
  7. www.nanolab.com.ua
  8. Patent of Ukraine №14817А  UA  A61N2/00 Method of production of a magnetic liquid for transport and retention of medicines in organism / A.N. Belousov № 96062463. Decl. 21.06.96; Publ. 18.02.97.
  9. Patent of Ukraine №42123А UA A61N2/00 Method of treatment diseases which connected with endocrine disturbance / A.N. Belousov № 98084233. Decl. 04.08.98; Publ. 15.10.01.
  10. Patent of Ukraine 42132А UA A61N2/00 Method of treatment digestion system diseases / A.N. Belousov № 98084234. Decl. 04.08.98; Publ. 15.10.01.
  11. Belousov A.N., Nevzorov V.P. Ulrastructure of hepatic cells in rabbits after injection of magnetite. / Eighth International Conference on magnetic fluids. - Timisoara, Romana. 1998. - P. 482-483. 
  12. Belousov A.N., Rykov V.G. Revealing of mechanisms of the influence exerted by magnetic fluid preparations on biological systems and the whole living organism. / 8-th IPCMF. - Plyos. 1998. - P. 90.
  13. Belousov A.N. Experimental study of effects of Belousov’s magnet-controlled sorbent on parameters of acid-base equilibrium in blood and processes of glycolysis in erythrocytes. / Adsorption technologies and blood purification procedures. – Germany. - 2000. – P. 45.
  14. Belousov A.N. Opening the mechanisms of cell regulation by nanotechnology preparations. /7th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers - Vancouver, Canada, 2008. – P. 234-235
  15. Effect magnetite nanoparticles MCS-B on functional activity of erythrocytes / ICEEP 2012: Electrical Power & Energy Systems. Hohhot, China, June 23-24, 2012. www.iceep2012.org
  16. The influence of magnetite nanoparticles (MCS-B) on the hemolysis of erythrocytes / World Conference and Expo 2011. TechConnect World is the host of the Nanotech, BioNanotech, Microtech, Clean Technology and TechConnect conferences. June 13-16, 2011, in Boston, Massachusetts, U.S.A Manuscript number: 155.
  17. Application of products nanotechnology at creation of devices “An Artifical Liver”. / 12-th World Congress of Anaesthesiologists, Monreal, Canada, 2000. – P.307.

 

 

 


© 2008 — 2019 «Лаборатория прикладных нанотехнологий»
Разработка и поддержание сайта - seozavr.com