Магниттік бөлшектер бейнелеуі: Жаңа диагностикалық технология
Magnetic particle imaging
Магниттік бөлшектерді бейнелеу (MPI) – бұл инвазив емес томографиялық әдіс. Медициналық зерттеулерде нанобөлшектерді анықтауға, 3D бейнелеуге қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Магниттік бөлшекті бейнелеу (МПИ) – суперпарамагниттік нанобөлшектерді тікелей анықтайтын, инвазивті емес томографиялық техника. Бұл технология диагностикалық бейнелеу және материалтану салаларында қолданылуы мүмкін. Қазіргі уақытта ол медициналық зерттеулерде нанобөлшектердің 3D орналасуы мен концентрациясын өлшеу үшін пайдаланылады. Бейнелеуде иондаушы сәулелену қолданылмайды және сигнал денедегі кез келген тереңдіктен алынуы мүмкін. МПИ алғаш рет 2001 жылы Гамбургтегі Royal Philips Research зертханасындағы ғалымдар тарапынан ұсынылды. Алғашқы жүйе 2005 жылы құрылып, нәтижелері жарияланды. Содан бері технологияны әлемнің көптеген университеттеріндегі ғылыми қызметкерлер жетілдіріп келеді. МПИ сканерлерінің алғашқы коммерциялық үлгілері Magnetic Insight және Bruker Biospin компанияларынан жақында қолжетімді болды. МПИ үшін қолданылатын аппарат МРТ-дан мүлдем өзгеше. МПИ жүйелері суперпарамагниттік темір оксидінің (SPIO) нанобөлшектерінен сигнал алу үшін өзгермелі магниттік өрістерді пайдаланады. Бұл өрістер нақты бір аймақта магниттік өріс болмауын қамтамасыз ету үшін арнайы жасалған. Сигнал тек осы аймақта ғана пайда болады. Үлгі бойынша осы аймақты жылжыту арқылы бейне жасалады. Тіндің құрамында табиғи SPIO болмағандықтан, сигнал тек енгізілген ізгіштен ғана анықталады. Бұл фондық сигналсыз бейнелерді қамтамасыз етеді. МПИ көбінесе анатомиялық бейнелеу әдістерімен (мысалы, КТ немесе МРТ) бірге қолданылады, бұл ізгіштің орналасуы туралы ақпарат береді.
Magnetic particle imaging (MPI) is an emerging non invasive tomographic technique that directly detects superparamagnetic nanoparticle tracers. The technology has potential applications in diagnostic imaging and material science. Currently, it is used in medical research to measure the 3 D location and concentration of nanoparticles. Imaging does not use ionizing radiation and can produce a signal at any depth within the body. MPI was first conceived in 2001 by scientists working at the Royal Philips Research lab in Hamburg. The first system was established and reported in 2005. Since then, the technology has been advanced by academic researchers at several universities around the world. The first commercial MPI scanners have recently become available from Magnetic Insight and Bruker Biospin. The hardware used for MPI is very different from MRI. MPI systems use changing magnetic fields to generate a signal from superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticles. These fields are specifically designed to produce a single magnetic field free region. A signal is only generated in this region. An image is generated by moving this region across a sample. Since there is no natural SPIO in tissue, a signal is only detected from the administered tracer. This provides images without background. MPI is often used in combination with anatomical imaging techniques (such as CT or MRI) providing information on the location of the tracer.
Қолданбалар
Магниттік бөлшектерді суретке түсіру жоғары трассирлік сезімталдықты субмиллиметрлік ажыратымдылықпен үйлестіреді. Суретке түсіру миллисекундтардан секундтарға дейін созылады. МПИ-де қолданылатын темір оксидінің іздеушісі организмде мононуклеарлы фагоциттер жүйесі арқылы табиғи түрде шығарылады. Темір оксидінің нанобөлшектері бауырда ыдырайды, онда темір сақталып, гемоглобин өндіруге қолданылады. SPIO бұрын адамдарда темірмен толықтыру және бауырды суретке түсіру үшін пайдаланылған.
Magnetic particle imaging combines high tracer sensitivity with submillimeter resolution. Imaging is performed in a range of milliseconds to seconds. The iron oxide tracer used with MPI are cleared naturally by the body through the mononuclear phagocyte system. The iron oxide nanoparticles are broken down in the liver, where the iron is stored and used to produce hemoglobin. SPIOs have previously been used in humans for iron supplementation and liver imaging.
Жүрек- қан тамырлары
MPI-ның алғашқы in vivo нәтижелері 2009 жылы соққан тышқан жүрегінің суреттерін көрсетті. Қосымша зерттеулермен, бұл жүрек томографиясын нақты уақыт режимінде жүргізуге мүмкіндік беруі мүмкін.
The first in vivo MPI results provided images of a beating mouse heart in 2009. With further research, this could eventually be used for real time cardiac imaging.
Онкология
MPI онкологиялық зерттеулер саласында көптеген қолданысқа ие. Белгілі бір заттың қатты ісіктерде жиналуы жоғары өткізгіштік және тоқтату эффектісі арқылы жүзеге асуы мүмкін. Бұл әдіс егеуқұйрықтарда ісік ошақтарын анықтау үшін сәтті қолданылған. Техниканың жоғары сезімталдығы, рак жасушаларына бағытталған нанобөлшектерді жасау арқылы микрометастаздарды бейнелеуге де мүмкіндік береді. MPI, қауіп тобындағы адамдардағы радиациялық әсерді азайту мақсатында, ядролық медицинаға клиникалық балама ретінде қарастырылып жатыр.
MPI has numerous applications to the field of oncology research. Accumulation of a tracer within solid tumors can occur through the enhanced permeability and retention effect. This has been successfully used to detect tumor sites within rats. The high sensitivity of the technique means it may also be possible to image micro metastasis through the development of nanoparticles targeted to cancer cells. MPI is being investigated as a clinical alternative screening technique to nuclear medicine in order to reduce radiation exposure in at risk populations.
Ұяшықты бақылау
Терапиялық жасушаларды темір оксиді нанобөлшектерімен таңбалау арқылы MPI оларды организмде қадағалауға мүмкіндік береді. Бұл регенеративті медицина және қатерлі ісіктерге қарсы иммунотерапия салаларында қолданылады. Бейнелеуді денедегі осы жасушалардың қозғалысын қадағалау арқылы дің жасушалық терапияның сәттілігін арттыру үшін пайдалануға болады. Белгіленген кезде трассер жасушамен тұрақты болады және 87 күннен астам уақыт бойы анықталады.
By tagging therapeutic cells with iron oxide nanoparticles, MPI allows them to be tracked throughout the body. This has applications in regenerative medicine and cancer immunotherapy. Imaging can be used to improve the success of stem cell therapy by following the movement of these cells in the body. The tracer is stable while tagged to a cell and remains detectable past 87 days.
Мүсіндік мидың функционалды бейнелеуі
MPI функциялық миды бейнелеудің перспективті платформасы ретінде ұсынылды, бұл үшін жоғары сезімтал бейнелеу қабілеті және жеткілікті уақыт шешімі үшін қысқа сканерлеу уақыты қажет. Осы мақсатта, MPI нейроактивациядан туындайтын ми қан көлемінің (МҚК) өсуін анықтау үшін қолданылады. MPI-ді пайдаланатын функционалдық нейробейнелеу шақылдарда сәтті көрсетілді және басқа бейнелеу әдістерімен салыстырғанда сезімталдық артықшылығына ие. Алдағы уақытта бұл бір науқастың деңгейінде функционалдық нейроактивацияны зерттеуге және функционалдық нейробейнелеуді клиникалық диагностикаға енгізуге мүмкіндік беруі мүмкін.
MPI has been proposed as a promising platform for functional brain imaging that requires highly sensitive imaging as well as short scan times for sufficient temporal resolution. For this, MPI is used to detect the increase of cerebral blood volume (CBV) arising from neuroactivation. Functional neuroimaging using MPI has been successfully demonstrated in rodents and has a promising sensitivity advantage compared to other imaging modalities. In the long perspective, this could potentially allow to study functional neuroactivation on a single patient level and thus bring functional neuroimaging to clinical diagnostics.
Суперпарамагниттік трассирлеуші
Магниттік бөлшектерді бейнелеуде (MPI) қолданылатын трассирлер – суперпарамагниттік темір оксидінің нанобөлшектері (SPION). Олар магнит (Fe3O4) немесе маггемит (Fe2O3) ядросынан және оны қоршаған беттік қаптамадан (әдетте декстран, карбоксидекстран немесе полиэтиленгликоль) тұрады. SPION трассирін қан сияқты биологиялық сұйықтықтарда анықтауға болады. Бұл сұйықтық тіпті әлсіз магнит өрістеріне де өте сезімтал, сондықтан барлық магниттік моменттер туындаған магнит өрісінің бағытына қарай бағытталады. Адам организмінде бейнелеу кезінде магниттік кедергі тудыратын ештеңе болмағандықтан, осы бөлшектерді пайдалануға болады. SPION-дардың қасиеттері MPI сигналының қарқындылығы мен ажыратымдылығы үшін маңызды. Темір оксидінің нанобөлшектері магниттік дипольдерінің арқасында магниттік өріс арқылы басқарылатын спонтанды магниттелуді көрсетеді. Сондықтан, SPION-дардың MPI-дегі тиімділігі олардың қанығу магниттелуі, магниттік диаметрі және релаксация механизмы сияқты магниттік қасиеттеріне тікелей байланысты. Сыртқы магнит өрісін қолданғанда, SPION-дардың релаксациясы екі механизммен – Нель және Браун релаксациясымен басқарылады. Егер бөлшектің өзі қоршаған ортаға қатысты айналса, онда физикалық диаметріне байланысты Браун релаксациясы жүреді. Ал егер бөлшектер ішінде тек магниттік диполь айналса, онда магниттік диаметріне байланысты Нель релаксациясы жүреді. Лангевиннің суперпарамагнетизм моделіне сәйкес, MPI-дің кеңістіктік ажыратымдылығы магниттік диаметрдің кубымен пропорционалды түрде жақсаруы тиіс, бұл Лангевин моделіне сәйкес магниттелуге қарсы магнит өрісі қисығын сәйкестендіру арқылы анықталады. Дегенмен, соңғы есептеулер MPI үшін SPION-дардың шамамен (~26 нм) магниттік мөлшерінің ең қолайлы екенін көрсетеді. Әртүрлі қаптамалар жасушалардың сіңіру қабілетіне, қан айналымына және иммундық жүйемен өзара әрекеттесуге әсер етеді, соның салдарынан трассирдің уақыт өте келе организмде таралу жолы өзгереді.
The tracers used in magnetic particle imaging (MPI) are superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). They are composed of a magnetite (Fe3O4) or maghemite (Fe2O3) core surrounded by a surface coating (commonly dextran, carboxydextran, or polyethylene glycol). The SPION tracer is detectable within biological fluids, such as the blood. This fluid is very responsive to even weak magnetic fields, and all of the magnetic moments will line up in the direction of an induced magnetic field. These particles can be used because the human body does not contain anything which will create magnetic interference in imaging. As the sole tracer, the properties of SPIONs are of key importance to the signal intensity and resolution of MPI. Iron oxide nanoparticles, due to their magnetic dipoles, exhibit a spontaneous magnetization that can be controlled by an applied magnetic field. Therefore, the performance of SPIONs in MPI is critically dependent on their magnetic properties, such as saturation magnetization, magnetic diameter, and relaxation mechanism. Upon application of an external magnetic field, the relaxation of SPIONs can be governed by two mechanisms, Néel, and Brownian relaxation. When the entire particle rotates with respect to the environment, it is following Brownian relaxation, which is affected by the physical diameter. When only the magnetic dipole rotates within the particles, the mechanism is called Néel relaxation, which is affected by the magnetic diameter. According to the Langevin model of superparamagnetism, the spatial resolution of MPI should improve cubically with the magnetics diameter, which can be obtained by fitting magnetization versus magnetic field curve to a Langevin model. However, more recent calculations suggest that there exists an optimal SPIONs magnetic size range (~26 nm) for MPI. Different coatings cause changes in cellular uptake, blood circulation, and interactions with the immune system, influencing how the tracer becomes distributed throughout the body over time.