Zobrazování magnetických částic - Magnetic particle imaging

Zobrazování magnetických částic (MPI) je rozvíjející se neinvazivní tomografický technika, která přímo detekuje superparamagnetické nanočástice stopovací látky. Tato technologie má potenciální aplikace v diagnostické zobrazování a věda o materiálech. V současné době se používá v lékařský výzkum měřit 3-D umístění a koncentraci nanočástice. Zobrazování se nepoužívá ionizující radiace a může produkovat signál v jakékoli hloubce v těle. MPI byl poprvé koncipován v roce 2001 vědci pracuje v Royal Výzkum společnosti Philips laboratoř v Hamburg. První systém byl založen a uveden v roce 2005. Od té doby tuto technologii pokročili akademičtí vědci na několika univerzitách po celém světě. První komerční MPI skenery byly nedávno k dispozici od Magnetický vhled a Bruker Biospin.

Hardware používaný pro MPI se velmi liší od MRI. Systémy MPI používají změnu magnetické pole generovat signál z superparamagnetický oxid železitý (SPIO) nanočástice. Tato pole jsou speciálně navržena tak, aby vytvořila jedinou oblast bez magnetického pole. Signál je generován pouze v této oblasti. Pohybem této oblasti napříč vzorkem se vygeneruje obrázek. Protože v něm není žádný přirozený SPIO tkáň, signál je detekován pouze z podaného indikátoru. To poskytuje obrázky bez pozadí. MPI se často používá v kombinaci s anatomickými zobrazovacími technikami (např CT nebo MRI ) poskytující informace o poloze sledovacího zařízení.

Aplikace

Zobrazování magnetických částic kombinuje vysokou stopovací látku citlivost se submilimetrem rozlišení. Zobrazování se provádí v rozsahu milisekund až sekund. The oxid železa stopovač používaný s MPI jsou přirozeně vylučovány tělem prostřednictvím mononukleární fagocytový systém. Nanočástice oxidu železa se rozkládají v játra, kde je železo skladováno a používáno k výrobě hemoglobinu. SPIO se dříve u lidí používaly pro suplementace železa a játra zobrazování.

Zobrazování krevních zásob

Kardiovaskulární

První in vivo Výsledky MPI poskytly obrázky bití myši srdce v roce 2009. S dalším výzkumem by to mohlo být nakonec použito v reálném čase srdeční zobrazování.[1]

Onkologie

MPI má četné aplikace v oblasti onkologického výzkumu. Akumulace indikátoru uvnitř solidní nádory může nastat prostřednictvím vylepšená propustnost a retenční efekt. To bylo úspěšně použito k detekci nádorových míst u potkanů.[2] Vysoká citlivost techniky znamená, že je také možné zobrazovat mikrometastáza prostřednictvím vývoje nanočástic zaměřených na rakovina buňky. MPI je zkoumán jako klinická alternativa screeningová technika na nukleární medicína za účelem snížení ozáření v rizikových populacích.

Sledování buněk

Označením terapeutické buňky s nanočásticemi oxidu železa jim MPI umožňuje sledovat po celém těle. Toto má aplikace v regenerativní medicína a imunoterapie proti rakovině. Zobrazování lze použít ke zlepšení úspěchu kmenová buňka terapie sledováním pohybu těchto buněk v těle.[3] Indikátor je stabilní, zatímco je označen na buňce, a zůstává detekovatelný posledních 87 dní.[4]

Superparamagnetický indikátor

The SPIO stopovač používaný při zobrazování magnetických částic je detekovatelný uvnitř biologické tekutiny, tak jako krev. Tato tekutina velmi dobře reaguje na dokonce slabou magnetické pole a všechny magnetické momenty se seřadí ve směru indukovaného magnetického pole. Tyto částice lze použít, protože lidské tělo neobsahuje nic, co by vytvářelo magnetické rušení při zobrazování. Jako jediný sledovač mají vlastnosti SPION klíčový význam pro intenzitu signálu a rozlišení MPI. Nanočástice oxidu železa díky svým magnetickým dipólům vykazují spontánní magnetizaci, kterou lze řídit aplikovaným magnetickým polem. Proto je výkon SPIONů v MPI kriticky závislý na jejich magnetických vlastnostech, jako je saturační magnetizace, magnetický průměr a relaxační mechanismus. Obrázek vpravo je reprezentativní obraz funkce Point Spread (PSF) získaný pomocí relaxačního režimu ve skeneru MPI, který ukazuje intenzitu signálu a plnou šířku na polovinu maxima (FWHM), což odpovídá rozlišení signálu. vnější magnetické pole, relaxaci SPIONů lze řídit dvěma mechanismy, Néel a Brownovou relaxací. Když se celá částice otáčí vzhledem k životnímu prostředí, sleduje Brownovu relaxaci, která je ovlivněna fyzickým průměrem. Když se uvnitř částic otáčí pouze magnetický dipól, nazývá se mechanismus Néelova relaxace, která je ovlivněna magnetickým průměrem. Podle Langevinova modelu superparamagnetismu by se prostorové rozlišení MPI mělo kubicky zlepšit s průměrem magnetiky, což lze získat přizpůsobením křivky magnetizace versus magnetické pole Langevinovu modelu.[5] Novější výpočty však naznačují, že pro MPI existuje optimální rozsah magnetické velikosti SPIONs (~ 26 nm).[6] Důvodem je rozmazání způsobené Brownovou relaxací SPIONů s velkou velikostí magnetiky. Ačkoli magnetická velikost kriticky ovlivňuje výkon MPI, v publikacích hlásících aplikace MPI pomocí SPIONů je často špatně analyzována. Často se používají komerčně dostupné stopovací látky nebo domácí stopovací látky bez důkladné magnetické charakterizace. Důležité je, že díky převýšení a nepořádku na povrchu nebo v důsledku tvorby nanočástic ve smíšené fázi může být ekvivalentní magnetický průměr menší než fyzický průměr. A magnetický průměr je kritický z důvodu reakce částic na aplikované magnetické pole v závislosti na magnetickém průměru, nikoli na fyzickém průměru. Největší ekvivalentní magnetický průměr může být stejný jako fyzický průměr. Nedávný přehledový článek Chandrasekharan et al. shrnuje vlastnosti různých kontrastních látek na bázi oxidu železa a jejich MPI výkon měřený pomocí jejich vlastního magnetického spektrometru magnetických částic, který je uveden na obrázku zde. Je třeba zdůraznit, že průměr jádra uvedený v tabulce není nutně magnetický průměr. Tabulka poskytuje srovnání všech aktuálně publikovaných SPION pro kontrastní látky MPI. Jak je vidět v tabulce, LS017, s velikostí jádra SPION 28,7 nm a syntetizovanou zahříváním tepelného rozkladu s postsyntetickou oxidací, má nejlepší rozlišení ve srovnání s ostatními s nižší velikostí jádra. vyrobený koprecipitací, je nejčastěji používaným a komerčně dostupným indikátorem. Jak však navrhli Gleich et al., Pouze 3% celkové hmotnosti železa z Resovistu přispívají k signálu MPI kvůli jeho polydisperzitě, což vede k relativně nízké citlivosti MPI. Intenzita signálu MPI je ovlivněna jak průměrem magnetického jádra, tak distribucí velikosti SPIONů. Při srovnání citlivosti MPI uvedené ve výše uvedené tabulce má LS017 nejvyšší intenzitu signálu (54,57 V / g Fe), protože částice jsou monodisperzní a ve srovnání s ostatními mají velký magnetický průměr.

Klíčový význam má také povrchový povlak SPIONů, který ovlivňuje stabilitu, farmakokinetické chování a biodistribuci částic v biologickém prostředí. Biodistribuci karboxy-dextranu a PEG-modifikovaných SPIONů studovali Keselman et al. pomocí MPI. Výsledky naznačují, že PION modifikované SPIONy měly relativně dlouhý poločas v krvi 4,2 hodiny před absorpcí játry a slezinou, ve srovnání s SPIONy potaženými karboxy-dextranem, které se rychle vylučovaly do jater. Volba povrchové úpravy ovlivňuje potenciální aplikace pomocí MPI. Karboxy-dextranem potažený SPION je užitečný pro zobrazování jater, zatímco PEG-modifikované částice jsou výhodnější pro dlouhodobou cirkulaci.

Vezmeme-li v úvahu všechny tyto koncepty a informace, můžeme začít definovat, že „ideální“ částice v kontextu produkce lepší citlivosti a rozlišení MPI by měly mít následující charakteristiky:

  • velikost magnetického jádra kolem 26 nm a blízká fyzickému průměru
  • monodisperzní
  • vhodný povrchový nátěr

Výhody

  • Vysoké rozlišení (~ 0,4 mm)
  • Rychlé výsledky obrazu (~ 20 ms)
  • Žádné záření
  • Žádný jód
  • Žádný šum na pozadí (vysoký kontrast)

Kongresy, workshopy

Reference

  1. ^ Weizenecker, J .; Gleich, B .; Rahmer, J .; Dahnke, H .; Borgert, J. (01.01.2009). "Trojrozměrné zobrazování magnetických částic in vivo v reálném čase". Fyzika v medicíně a biologii. 54 (5): L1 – L10. Bibcode:2009PMB .... 54L ... 1W. doi:10.1088 / 0031-9155 / 54/5 / L01. ISSN  0031-9155. PMID  19204385.
  2. ^ Yu, Elaine Y .; Bishop, Mindy; Zheng, Bo; Ferguson, R. Matthew; Khandhar, Amit P .; Kemp, Scott J .; Krishnan, Kannan M .; Goodwill, Patrick W .; Conolly, Steven M. (03.03.2017). „Zobrazování magnetických částic: nová platforma zobrazování in vivo pro detekci rakoviny“. Nano dopisy. 17 (3): 1648–1654. Bibcode:2017NanoL..17.1648Y. doi:10,1021 / acs.nanolett.6b04865. ISSN  1530-6984. PMC  5724561. PMID  28206771.
  3. ^ Zheng, Bo; Viz Marc P. von; Yu, Elaine; Gunel, Beliz; Lu, Kuan; Vazin, Tandis; Schaffer, David V .; Goodwill, Patrick W .; Conolly, Steven M. (2016). „Kvantitativní zobrazování magnetických částic monitoruje transplantaci, biodistribuci a clearance kmenových buněk in vivo“. Theranostics. 6 (3): 291–301. doi:10,7150 / tis. 137828. PMC  4737718. PMID  26909106.
  4. ^ Zheng, Bo; Vazin, Tandis; Goodwill, Patrick W .; Conway, Anthony; Verma, Aradhana; Saritas, Emine Ulku; Schaffer, David; Conolly, Steven M. (09.09.2015). „Zobrazování magnetických částic sleduje dlouhodobý osud implantátů nervových buněk in vivo s vysokým kontrastem obrazu“. Vědecké zprávy. 5 (1): 14055. Bibcode:2015NatSR ... 514055Z. doi:10.1038 / srep14055. ISSN  2045-2322. PMC  4566119. PMID  26358296.
  5. ^ Goodwill, Patrick (2012). „X-Space MPI: Magnetic Nanoparticles for Safe Medical Imaging“. Pokročilé materiály. 24 (28): 3870–7. doi:10.1002 / adma.201200221. hdl:11693/53587. PMID  22988557.
  6. ^ Chandrasekharan, P (2018). „Perspektiva rychlého zobrazovacího způsobu sledování záření bez záření, zobrazování magnetických částic, s příslibem klinického překladu“. British Journal of Radiology. 91 (1091). doi:10.1259 / bjr.20180326. PMC  6475963. PMID  29888968.

Další čtení

externí odkazy