نانوذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی

1.  تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)
2. مزایای MRI
3. معایب عوامل کنتراست معمول در MRI
4. محاسن نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست
5. ویژگی‌های مورد نیاز برای نانوذرات در تصویربرداری مغناطیسی
6. عوامل مؤثر در ویژگی‎‌های ذرات
7. روش تهیه نانوذرات مغناطیسی به منظور استفاده در MRI
8. انواع نانوذرات مغناطیسی برپایه SPIO
9. نحوه انتقال نانوذرات مغناطیسی به بافت‌ها
10. تشخیص الیگونکلئوتید
11. نتیجه‌گیری

1-1 اصول کنتراست MRI

2-مزایای MRI

• غیر هجومی است
• رزولوشن فضایی بالایی دارد
• توانایی توموگرافی چند بعدی دارد و مشکل آن حساسیت پایین می‌باشد.

3- معایب عوامل کنتراست معمول در MRI

• سمیت: منگنز آزاد مشکلاتی در سیستم‌های مختلف بدن از جمله قلبی عروقی، سیستم عصبی مرکزی، ریه، کبد، سمیت روی تولیدمثل و جنین را بدنبال دارد و گادولونیوم سمیت زیادی بر عملکرد کلیه دارد [5].
• زمان حضور در بدن بسیار کوتاهی دارند که بررسی را مشکل می‌کند.
• توانایی مشخص کردن کامل بافت ملتهب اترواسکلروزیس، متاستاز سرطان و نشان دادن مراحل بهبود حاصل از درمان را ندارد.
• این عوامل عملکرد منفردی دارند و قابلیت‌های دیگر مثل انتقال دارو را ندارند [5].

4- محاسن نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست

• سمیت پایینی دارند و زیست سازگارهستند مثلاً در استفاده ازآهن اکسید چون مقدار آن نسبت به آهن بدن بسیار کمتر است طبق مکانیسم‌های هموستاتیک آهن فیزیولوژیک متابولیزه می‌شود و تغییر چندانی در میزان آنزیم‌های کبدی و استرس اکسیداتیو به همراه ندارد (شکل3) وعلاوه بر این استفاده از پوشش روی سطح سمیت آن را کمتر می‌کند.
• مدت زمان حضور بالایی در خون دارند و با استفاده از پوشش در سطح می‌توان کلیرانس ذرات را به تعویق انداخت و مدت زمان حضور خونی را افزایش داد.
• توانایی حمل انواع دارو‌های هیدروفوب مثلpaclitaxel ,doxorubicin به بافت را نیز دارند (شکل3)

• کنتراست خوبی دارند [5]. شکل 4 کنتراست بهتر در تصاویر با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی را نشان می‌دهد.

5- ویژگی‌های مورد نیاز برای نانوذرات در تصویربرداری مغناطیسی

• گشتاور بالا و یکنواختی سوپرپارامغناطیسی
• پایداری کلوییدی بالا در شرایط فیزیولوژیک (غلظت بالای نمک، تغییرات pH)
• توانایی گریز از سیستم رتیکلواندوتلیال
• سمیت پایین و زیست‌سازگاری بالا
• قابلیت عملکردی شدن برای اتصال به گونه‌های فعال زیستی مثل پروتئین و نوکلئیک اسید [1].

6- عوامل مؤثر در ویژگی‎‌های ذرات

1-6- اندازه ذرات

شکل 5- ارتباط بین اندازه ذره و شدت سیگنال

از طرف دیگر بررسی‌ها نشان داده است که ذرات با قطر 10 نانومتر نیمه‎عمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگ‌تر دارند [٣].

2-6- دسته‌بندی ذرات

نانوذرات مغناطیسی بر اساس قطر کلی آن‌ها که شامل هسته و پوشش است، دسته‎بندی می‌‎شوند:

• SPIO‌های دهانی با سایز بین 300 nm و µ 3/5 که از طریق مسیر دهانی مصرف می‌شوند و غالباً در جهت تصویربرداری سیستم گوارشی به کار ‌می‌روند.
• SPIO‌های استاندارد (SSPIO) با اندازه nm 150-60
• SPIO‌های خیلی کوچک (USPIO) با اندازه حدود nm 100-40
• نانوذرات مونوکریستال آهن اکسید MION که زیرمجموعه USPIO است با سایز حدود nm 30-10
• ذرات بزرگ‎تر از nm 50 که شامل کریستال‎‌های چندگانه هستند.

ذرات با سایز کمتر از nm 50 در کار‌های تصویربرداری مولکولی در شرایط درون‌تن استفاده می‌‎شود، بنابراین SPIO‌ها تمام انواع MIONT، USPIO و CLIO (MION‌هایی که با پوشش دکستران اتصال متقاطع دارند) را شامل می‌شوند [4].

7– روش تهیه نانوذرات مغناطیسی به منظور استفاده در MRI

در روش‌های مرسوم ساخت نانوذرات از جمله میکروامولسیون و سل – ژل، کنترل دقیقی روی اندازه و یکنواختی اندازه وجود ندارد. نانوذرات کریستالیتی نسبتاً ضعیفی دارند و ترکیبات شیمی فضایی گسترده‌ای دارند. در مقابل، روش‌های با شرایط بدون آب و دمای بالا، کنترل اندازه بهتری را نشان می‌‎دهند، تک کریستال‌‌های زیادی تولید می‌کنند و شیمی فضایی خوبی دارند. تنها مشکل این روش‎‌ها حلالیت کم در آب است؛ بدین منظور از پوشش‌های مختلف استفاده می‌کنند [1].
انواع پوشش برای افزایش زیست‌سازگاری، تغییر بار سطحی ذرات، افزایش نیمه‌عمر آن‌ها در خون و بهبود عملکرد و اختصاصیت ذرات استفاده می‌شود [2]. انواع پوشش‌ها (جدول1) از جمله لیگاند‌های دو عاملی، پلیمری، سیلوکسان (siloxane)، می‌سل‌های فسفولیپیدی پگیله شده (که این ذارت توانایی اتصال به پپتید‌های Tat برای نشانه‌گذاری سلولی را دارند) و در بعضی مواقع از 2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) استفاده می‌‎شود (شکل6).

شکل 6- SPIO با پوشش DMSA

برای بهبود زیست‌سازگاری نانوذرات سوپرپارامغناطیس (SPM) برپایه اکسید آهن، ذرات را با پلیمری از دکستران پوشش می‌دهند که بعد از درمان توسط کبد به راحتی دفع می‌شود [2].

جدول 1- انواع پوشش‌های استفاده شده در SPIO 6

مواد پوشش	مزایا
Dextran	نیمه‎عمر پلاسمایی بالا
Polycarboxymethyl dextran	کاهش قطر، افزایش نیمه‎عمر پلاسمایی
Polyvinyl alcohol	نیمه‎عمر طولانی در پلاسمای خون
Starches	زیست‌سازگاری، دسترسی زیستی و پایدار نگه داشتن pH, همراه با قابلیت تغییر سطحی
PMMA	حامل دارورسانی مغناطیسی
PLGA	پوشش زیست‌سازگار تأیید شده توسط سازمان غذا و دارو
PAM	ماتریکس با قابلیت به دام انداختن ذرات چندگانه
PEG	افزایش نیمه‌عمر در پلاسمای خون، قابلیت تغییر شیمیایی سطح
PEG-lipid	پوشش نازک و الحاقات زیستی در دسترس
Silane	واکنش نسبت به الکل و عوامل جفت‎شدگی سیلان نشان می‌دهد
Silica	پوشش خنثی و زیست‎سازگار
Citric,gluconic,oleic	هسته SPIO بزرگ با پوشش نازک از ترکیب ارگانوفیلیک

یکی از پوشش‌هایی که برای افزایش آب‌دوستی نانوذرات آهن اکسید استفاده شده است، سیلیکا است که مشکل آگلومره شدن در خون را دارد که به همین دلیل به جای آن از دکستران استفاده کرده‌اند که پایداری بیشتری در شرایط فیزیولوژیکی دارد و به این تربیت انواع اشکال SPIO‌ها ساخته شد.

8- انواع نانوذرات مغناطیسی برپایه SPIO

8-1-  نانوذرات آهن اکسید تک کریستال (MION) و آهن اکسید به صورت کراس لینک شده (CLIO)

دیده شده که ذرات آهن اکسید کوچک‌تر که شامل آهن اکسید مونوکریستال (MION) یا آهن اکسید کراس لینک شده (CLIO) با پوشش دکستران هستند، نیمه‌عمر بیشتری داشته و قابلیت بیشتری برای اتصال به مولکول‎‌های فعال زیستی دارند، بنابراین برای کاربرد‌های پزشکی در شرایط درون‌تن کارایی بهتری دارند. در این ذرات اندازه مرکز آهن اکسید 2.8nm و اندازه با پوشش دکستران حدود 10nm-30nm است [1].

8-2-  مگنتو فریتین

فریتین یک پروتئین ذخیره‌کننده آهن در بدن است که دارای هسته فری هیدراته 6 نانومتری (5Fe₂O₃-9H₂O) و پوسته پلی پپتیدی آپوفریتین است (شکل7). مگنتوفریتین در تصویربرداری نیز استفاده می‌شود و مقدار آسایش‌پذیری T₂ حدود L mmol^-1 s^-1 157 دارد و انتظار می‌رود زیست‌سازگاری و پایداری کلوئیدی بالایی در خون داشته باشد. اما نتایج، پاک‌سازی کمتر از 10 دقیقه را برای این ذرات نشان می‌دهد، زیرا توسط سیستم رتیکلواندوتلیال به کبد، طحال و گره‌های لنفی ‌می‌روند و بنابراین برای تصویربرداری این اندام‌ها گزینه مناسبی هستند ولی برای تصویربرداری مولکولی مناسب نیستند [1].

8-3- مگنتودندریمر

9- نحوه انتقال نانوذرات مغناطیسی به بافت‌ها

1-9- انتقال غیرفعال

در انتقال غیرفعال قطر هیدرودینامیک و بار سطحی SPIO‌ها (که از فاکتور‌های وابسته به مواد پوشاننده سطح است)، زمان گردش خون نانوذرات، دسترسی به بافت، اپسونیزاسیون و میزان برداشت سلولی را تحت الشعاع قرار می‌دهد.

2-9- انتقال فعال پروب‌های سوپرپارامغناطیس

وقتی اندازه ذرات کوچک باشد از سیستم‌های فاگوسیتی فرار می‌کند به همین دلیل از این ذرات به همراه مارکر‌های اختصاصی، برای انتقال هدفمند استفاده می‌کنند(شکل 9)[1]. انتقال هدفمند نسبت به حالت غیر فعال برتری دارد زیرا هم باعث افزایش کنتراست می‌شود و هم توانایی تشخیص ملکولی را پیدا می‌کند که علاوه بر اطلاعات فیزیولوژیکی، بینشی از مکانیسم ملکولی را فراهم می‌کند ومنجر به تشخیص سریعتر و دقیق‌تر می‌شود. تصویربرداری التهاب، انفارکتوس، آنژیوژنز، آپوپتوز، بیان ژن و سرطان با این روش تا به حال انجام شده است.

 1-2-9- تصویربرداری قلبی-عروقی

علاوه بر فراهم آمدن امکان تشخیص آپوپتوز (مرگ برنامه‌ریزی شده سلولی) و تصویربرداری ملکولی، امکان تشخیص زود هنگام بیماری‌های قلبی عروقی مختلف از جمله آترواسکلروزیس، ترومبوز و نقایص میوکارد فراهم می‌شود.
از نانوذرات آهن اکسید تک کریستال (MION ) متصل شده با آنتی میوزین براساس جاذبه الکتروستاتیکی و یا کوالانتی بین گروه‌های لیزین آنتی‌بادی و گروه‌های هیدروکسیل سطحی فعال شده بوسیله پتاسیم پریودات در جهت تشخیص انفارکتوس قلبی استفاده می‌شود. (شکل 10)

2-2-9- التهاب

برای بررسی بافت‌های ملتهب نیز با اتصال آنتی‌بادی پلی کلونال ایمونوگلوبولین انسانی به سطح SPIO امکان شناسایی بافت فراهم می‌شود(شکل 11).

3-2-9- آنژیوژنز

رگ زایی (آنژیوژنز)یک پروسه ضروری رشد رگ‌های خونی جدید برای توسعه، تکثیر و تعمیر بافت‌ها می‌باشد و البته از نشانه‌های آشکار رشد تومور نیز محسوب می‌شود. بنابراین بررسی شدت آنژیوژنز در تشخیص سرطان و بررسی مراحل بهبود مؤثر است. (شکل 12) [3].

4-2-9- بیان ژن

بررسی میزان و یا چگونگی بیان ژن، یکی از شاخه‌های در حال گسترش در علوم زیست پزشکی می‌باشد. روش‌های مختلفی برای بررسی بیان ژن وجود دارد ولی محدودیت‌هایی دارند از جمله در تصویربرداری‌های نوری عمق نفوذ کمی دارند و در تصویر بردادری‌ها به کمک رادیوایزوتوپ‌ها رزولوشن فضایی کمی وجود دارد. به‌عنوان مثال بیان ژن گیرنده ترانسفرین در سلول‌های توموری را بررسی می‌کنند. بدین منظور بر سطح MION‌ها، ترانسفرین قرار می‌دهند، در صورت وجود گیرنده در محیط، این ذرات متصل می‌شوند (شکل 13).

5-2-9- ردیابی سلولی

یکی از کاربرد‌های SPIO بررسی توزیع سلولی در شرایط درون تن است. در حال حاضر از SPIO‌ها برای ردیابی سلول‌های بنیادی بسیار استفاده می‌شود و به طور کلی امکان شناسایی سلول به صورت منفرد را فراهم می‌کند.

10– تشخیص الیگونکلئوتید

اولین کاربرد سیستم MRS در تشخیص نوکلئیک اسید در محلول بوده است. دو گروه از SPIO‌ها ی کانژوگه شده با الیگونوکلئوتید سنتز می‌شوند که بر اساس مکمل رشته هدف بودن طراحی می‌شوند. هیبرید شدن با رشته DNA یک تغییر قابل توجه در زمان آسایش T₂ را ایجاد می‌کند و یکی از کاربرد‌های این روش در بررسی میزان بیان ژن تلومراز می‌باشد که مشخصه بافت‌های توموری است و می‌توان به دقت در حد تک رشته از ژن تلومراز دست یافت [3].

11- نتیجه‌گیری

MRI بر پایه بر هم‌کنش امواج رادیویی با سطح نمونه در حضور میدان مغناطیسی می‌باشد و با دریافت و تبدیل امواج منتشر شده از پروتون‌های بافتی تصاویر دقیقی از بافت می‌توان تهیه کرد. استفاده از نانوذرات موجب افزایش کنتراست تصاویر می‌شود. انتقال ذرات به بافت به صورت فعال و غیر فعال امکانپذیر است که با توجه به خصوصیات و روش‌های انتقال در هر بافت انجام می‌شود. انتقال فعال از غیر فعال کنتراست بیشتری را موجب می‌شود و در روش‌های ملکولی کارامدتر است و تشخیص سریعتر و دقیق‌تر بیماری را به ارمغان می‌آورد. تهیه نانوذرات در شرایط بدون آب و دمای بالا، کنترل بهتر بر اندازه ذره و کریستالیتی را به همراه دارد ولی حلالیت ذرات را کم می‌کند که برای رفع این نقیصه از پوشش بر سطح ذرات استفاده می‌‎کنند که البته انواع پوشش با کاربری‎‌های مختلف موجود است و منجر به تنوع در نانوذرات شده است. پوشش، فاکتور بسیار مهم و تأثیرگذار به ویژه در کاربرد‌های پزشکی است و موجب کاهش سمیت ذرات، تسریع و تسهیل مکانیسم‌های دفع ذره، افزایش امکان عملکردی کردن سطح ذرات و تسهیل اتصال آنتی‌بادی و افزایش پایداری فیزیکوشیمیایی ذرات در بدن می‌شود. انواع نانوذرات قابل استفاده شامل MION، CLIO، مگنتوفریتین، مگنتودندریمر و مگنتولیپوزوم هستند. این ذرات می‌توانند به صورت غیرفعال به بافت‎‌ها منتقل شوند و تصویربرداری از بافت‌های مختلف مثل کبد و طحال، گره‌های لنفاوی، سرطان و ماکروفاژ را امکان‌پذیر می‌‎کنند.