Материал: Магнитные наночастицы, как средство влияния на релаксационные свойства водородосодержащих биологических сред

Магнитные наночастицы, как средство влияния на релаксационные свойства водородосодержащих биологических сред

Оглавление

Введение

. Обзор литературы

.1 Наночастицы магнетита, их свойства и возможности использования в фармакологии и медицине

.1.1 Наночастицы магнетита, основные свойства

.1.2 Магнитные свойства НЧОЖ. Суперпарамагнетизм и ферримагнетизм

.2 Протонная релаксометрия

.3 Применение наночастиц магнетита в качестве основы для контрастного средства при МРТ диагностике

.3.1 Метод МРТ-диагностики

.3.2 Клиническое применение МРТ

.3.3 Показаниями для проведения МРТ с контрастным средством

.3.4 Противопоказания к МРТ

.4 Классификация магнитно-резонансных контрастных средств

.5 Взаимодействие наночастиц оксида железа с клетками. Роль стабилизации

. Материалы и методы

.1 Методика экспериментального исследования

.2 Исследуемые соединения и реактивы

.3 Методика получения суперпарамагнитных и ферримагнитных наночастиц сложного оксида железа

2.4 Просвечивающая электронная микроскопия

2.5 Измерения протонно-релаксационных свойств НЧОЖ

.6 Клеточная культура фибробластов крысы

2.7 МТТ-тест

2.8 Методы статистической обработки данных

3. Результаты и их обсуждение

.1 Синтез растворов на основе наночастиц

.2 Анализ кривых спада времен релаксации

3.3 Оценка влияния соединений железа на жизнеспособность фибробластов МТТ-тестом

Выводы

Список литературы

Список сокращений

SPIO - суперпарамагнитный оксид железа

НЧОЖ - наночастицы оксида железа

ЯМР- ядерно-магнитный резонанс

МРТ - магнитно-резонансная томография

МРВ - магнитно-резонансная визуализация

МРКС - магнитно-резонансные контрастные средства

РЭС - ретикуло-эндотелиальная система

ГЭБ - гемато-энцефалический барьер

РЧИ - радиочастотный импульс

RV- резовист

Введение

На сегодняшний день невозможно представить современную медицину без лучевой диагностики, включающую в себя протонно-эмиссионную томографию, рентгеновскую и магнитно- резонансную томографию (МРТ). Внедрение в клиническую практику метода МРТ позволило вывести диагностические возможности медицины на качественно новый уровень. За свои работы по изучению магнитно-резонансной визуализации (МРВ) Пол С. Латербур и Питер Менсфилд получили Нобелевскую премию в 2003 году[44].

Оптимизация результатов диагностической картины достигается использованием магнитно-резонансных контрастных средств (МРКС). Визуализация с применением контрастного средства позволяет значительно увеличить объем диагностической информации, позволяя оценивать динамику патологических процессов с необходимыми временными и пространственными разрешениями, повысить разрешение и контрастность при анализе малых объектов, достоверно отличить очаги патологий от здоровых тканей[57]. Основными областями применения контрастных средств являются диагностика и идентификация онкологических образований, в том числе метастазирования, а также заболеваний сердечно-сосудистой системы.

На настоящий момент используются парамагнитные контрастные средства, содержащие гадолиний, имеющие ряд недостатков: токсичность и визуализация объектов только по одному основному параметру Т1(время спин-решеточной релаксации)[26]. В связи с чем, актуальным является разработка нового контрастного средства для МРТ - диагностики, превосходящего по функциональным свойствам уже существующие препараты.

Альтернативным контрастным средством может служить препарат, синтезированный с применением современных нанотехнологий, на основе суперпарамагнитных частиц сложного оксида железа - магнетита. Наночастицы магнитных материалов, с размером частиц соизмеримым с размером магнитного домена, при внесении их во внешнее магнитное поле, выстраиваются в нем без энергетических потерь на междоменное взаимодействие, что позволяет значительно повлиять на характерные времена протонной релаксации исследуемых сред и ключевые параметры для магнитно-резонансной визуализации. Требованием, предъявляемым к новому контрастному средству, кроме достижения необходимых релаксационных свойств, является биологическая совместимость используемых наночастиц с основными тканями организма, а также длительная стабильность водного раствора на их основе[43]. Анализ литературных данных показал, что основные свойства наночастиц, а также растворов на их основе, определяются их размером, который контролируется выбором метода и режимов их синтеза [3]. Необходимо учитывать, что практическое применение принципиально нового контрастного средства может потребовать корректировку существующих МРТ - методик анализа очагов патологий [31].

В связи с выше изложенным, целью данной работы является получение коллоидных растворов, содержащих наночастицы оксида железа различных размеров, и исследование их протонно-релаксационных свойств.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

)        Определить режимы метода химического синтеза наночастиц сложного оксида железа с учётом требований к их функциональным свойствам.

)        Определить релаксирующую способность полученных растворов наночастиц оксида железа.

)        Определение цитотоксичности раствора наночастиц сложного оксида железа с помощью МТТ- теста.

1. Обзор литературы

.1 Наночастицы магнетита, их свойства и возможности использования в фармакологии и медицине

.1.1 Наночастицы магнетита, основные свойства

Сложный оксид железа - магнетит Fe3O4 (FeO х Fe2O3) относится к классу веществ называемых ферритами, в структуре которого ионы кислорода образуют кубическую гранецентрированную решетку, где на один двухвалентный ион железа приходятся два трехвалентных иона железа[34].В результате образуются две магнитных подрешетки - одна из которых состоит из половины трехвалентных ионов железа, а вторую составляют оставшаяся половина его трехвалентных и двухвалентных ионов( рис.1).

Рис 1. Строение кристаллической решетки Fe3O4.

А. Красные шары - O₂^-, фиолетовый шар - Fe₂⁺.

Б. Красные шары -O2-, зеленые шары - Fe3+.

В. Четыре узла А и четыре узла Б формируют элементарную ячейку кристалла магнетита.Г. Взаимная ориентация векторов магнитных спинов ионов Fe3+ и Fe2+. Зеленые шары - Fe3+. Фиолетовый шар - Fe2+.

Магнитные моменты подрешеток направлены антипараллельно, поэтому магнитные моменты трехвалентных ионов компенсируются, а моменты двухвалентных образуют спонтанную намагниченность. Материалы с некомпенсированным антиферромагнетизмом относят к классу ферримагнетиков. Магнитный домен магнетита обычно составляет 8 молекул оксида железа, суммарный магнитный момент которого близок к суммарному моменту отдельных ионов. Магнетит характеризуется достаточно высокой температурой Кюри (температура плавления)- 850 К, а при температуре 123 К, в результате изменения кристаллической структуры, магнетит испытывает переход Вервея (переход металл-изолятор)[36].

Четыре узла А и четыре узла Б формируют элементарную ячейку кристалла магнетита.

Согласно законам термодинамики формирование упорядоченной системы требует затрат энергии и связано с уменьшением энтропии, а значит требует воздействий на систему внешних сил и не должно протекать самопроизвольно. Кристаллическая структура магнетита такова, что в результате сложных взаимодействий электрической и магнитной природы, между атомными носителями магнетизма возникает положительная обменная энергия, и становится выгодным параллельное расположение магнитных моментов. В результате возникает некий вектор намагниченности у каждого отдельного домена. При размере наночастиц, сопоставимым с размером домена 5-20 нм, получаем однородно намагниченную однодоменную частицу, обладающую оптимальными магнитными свойствами, вследствии отсутствия междоменного взаимодействия при внесении частицы во внешнее магнитное поле[34]. В случае массивного материала из-за разнонаправленности отдельных доменов их вектора компенсируются и при отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность материала равна нулю. Системы малых частиц магнетита, находящихся в немагнитной матрице, обладают парамагнитными свойствами, а в случае однодоменного состояния - суперпарамагнитными. [6].

Поведение суперпарамагнитных веществ во внешнем магнитном поле существенно отличается от обычных парамагнетиков и ферромагнетиков. При воздействии внешнего поля каждый отдельный магнитный домен принимает тоже направление, что и внешнее поле [37]. В таких системах потери при поглощении и испускании исследуемой средой энергии внешнего магнитного поля сводиться к минимуму, что делает их идеальной основой для магнитно - резонансного контрастного средства при МРТ- исследованиях. Намагниченность суперпарамагнетиков, связанная с поведением спинов отдельных атомов и отсутствия влияния междоменных стенок, в некоторых случаях, во много раз больше намагниченности обычных парамагнетиков. В случае наночастиц магнетита, со средним размером, около 30-50 нм, они обладают ярко выраженными ферримагнитными свойствами, при этом, при попадание во внешнее магнитное поле определенной частоты они, накапливая энергию, нагреваются до пороговой температуры, соответствующей переходу из ферримагнитного состояния в немагнитное. Это свойство ферримагнитных наночастиц магнетита возможно использовать при лечение онкологических заболеваний.

Исследования показали, что поведение наночастиц, при введение их в организм через кровоток, также существенно зависят от размера объекта. Частицы со средним размером 30-50 нм активно поглощаются клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС) и достаточно быстро накапливаются в печени и лимфатических узлах. В отдельных случаях, с целью увеличения времени циркуляции наночастиц их поверхность специально модифицируют, например полиэтиленгликолем. Однако, наночастицы с размером 5-10 нм, как свидетельствуют публикации, длительно циркулируют в кровотоке и поглощаются в очаге онкологических заболеваний[51]. Обнаружено, что наночастицы размером 5-10 нм обладают возможностью проникновения через ГЭБ, что открывает большие возможности для применения их при диагностики и лечения патологий головного мозга.

Практический интерес представляют суперпарамагнитные и ферримагнитные наночастицы оксида железа. Возможности применения наночастиц магнетита, а также наносистем на его основе, непосредственно опираются на его физические и фармакологические свойства[52].

.1.2 Магнитные свойства НЧОЖ. Суперпарамагнетизм и ферримагнетизм

Суперпарамагнетизм - квазипарамагнитное поведение веществ во внешнем магнитном поле, состоящих из очень малых ферро- или ферримагнитных частиц, слабо взаимодействующих друг с другом, и ведущих себя во внешнем магнитном поле как отдельные атомы[35]. Гистерезис в таких структурах отсутствует. Внешнее поле ориентирует магнитные моменты частиц по полю без изменения направления самих частиц, в то время как, например, у парамагнитных газов магнитные моменты переориентируются вместе с их носителями. Необходимым условием существования суперпарамагнетизма является соизмеримость геометрического размера частицы с размером магнитного домена (3-10 нм), так как при этом удается избежать влияния междоменных стенок (стенок Блоха). Этот эффект возможен только в системах на основе наночастиц.

При воздействии внешнего магнитного поля каждый отдельный магнитный домен принимает тоже направление, что и внешнее поле. Отсутствие магнитного гистерезиса приводит к тому, что потери при поглощении и испускании, исследуемой средой энергии внешнего магнитного поля, сводиться к минимуму[55]. Относительное увеличение размера наночастиц таких материалов до 30-50 нм, приводит к наличию у них ярко выраженных ферримагнитных свойств, причем в некоторых случаях наблюдается рост намагниченности таких наночастиц по сравнению с массивным аналогом. Рассматривается возможность использовать такие частицы для осуществления адресной доставки лекарственных средств в очаги заболевания, путем локализации магнитных наночастиц с помощью внешнего магнитного поля, а также для профилактики и лечения онкологических заболеваний[54]. Особый интерес представляет применение ферримагнитных наночастиц в терапевтических методах лечения, связанных с применением стволовых клеток при лечении ими различных заболеваний. С помощью таких наночастиц можно обеспечить доставку клеток в очаги заболеваний, контроль миграции при введение в организм и предварительную сепарацию[51].

.2 Протонная релаксометрия

При описании ядерной магнитной релаксации пользуются моделью, в которой магнитные моменты, или спины, отдельных ядер составляют в своей совокупности спиновую систему данного вещества. Спиновая система имеет температуру, в общем случае отличающуюся от температуры ее окружения («решетки») или температуры данного вещества. Такая модель позволяет рассматривать два не зависящих друг от друга процесса: обмен энергией внутри спиновой системы (спин-спиновая релаксация) и обмен энергией между спиновой системой и решеткой (спин-решеточная релаксация)[32]. Первый процесс обеспечивает восстановление нарушенного каким-либо образом термодинамического равновесия внутри спиновой системы, тогда как второй процесс - восстановление термодинамического равновесия между спиновой системой и решеткой. Каждый из этих процессов протекает во времени с некоторой определенной скоростью и характеризуется своей постоянной - временем спин-спиновой релаксации Т₂ и временем спин-решеточной релаксации Т₁. Обратные величины этих времен являются мерой скорости соответствующей релаксации, причем всегда [30].

Термодинамическое равновесие в простейшей спиновой системе, состоящей из ядер одного сорта со спинами I=1/2, характеризуется больцмановским распределением населенностей этих ядер по двум спиновым уровням с магнитными квантовыми числами m₁=+1/2 и m₁=-1/2. Энергии этих спиновых уровней отличаются друг от друга только в том случае, когда спиновая система находится в постоянном магнитном поле. В отсутствие такого поля спиновые уровни вырождены и их энергии имеют одинаковую величину.

Очевидно, что в тот момент, когда вещество помещают в магнитное поле, вырождение снимается, и происходит нарушение больцмановского распределения населенностей уровней и, следовательно, термодинамического равновесия в спиновой системе, поскольку такое распределение не устанавливается мгновенно, а происходит с постоянной времени, равной времени ядерной магнитной релаксации.

 (1.1)

где  - гиромагнитное отношение ядер, составляющих спиновую систему вещества.

Под действием частоты  в спиновой системе происходят энергетические переходы между ядерными уровнями, в результате которых нарушается больцмановское распределение населенностей этих уровней. После прекращения действия импульса, заполненного частотой , спиновая система самопроизвольно возвращается к больцмановскому распределению населенностей уровней или к термодинамическому равновесию за счет процесса ядерной магнитной релаксации. При этом в приемной катушке импульсного спектрометра ЯМР индуцируется электрический сигнал, пропорциональный ядерной намагниченности. Этот сигнал наблюдается с помощью регистрирующих устройств в течение времени сохранения фазовой когерентности между отдельными ядерными магнитными моментами, сравнимого со временем спин-спиновой релаксации.