Введение
Магнитно-частичная томография (МПИ) – это новая неинвазивная томографическая техника, непосредственно обнаруживающая суперпарамагнитные наночастицы-трассеры. Технология обладает потенциалом для применения в диагностической визуализации и материаловедении. В настоящее время она используется в медицинских исследованиях для измерения трехмерного местоположения и концентрации наночастиц. Визуализация не использует ионизирующее излучение и способна генерировать сигнал на любой глубине в теле. Идея МПИ впервые была предложена в 2001 году учеными из исследовательской лаборатории Royal Philips в Гамбурге. Первая система была создана и представлена в 2005 году. С тех пор технология была усовершенствована академическими исследователями в различных университетах по всему миру. Первые коммерческие сканеры МПИ недавно стали доступны от компаний Magnetic Insight и Bruker Biospin. Аппаратное обеспечение, используемое для МПИ, существенно отличается от МРТ. Системы МПИ используют изменяющиеся магнитные поля для генерации сигнала от наночастиц сверхпарамагнитного оксида железа (SPIO). Эти поля специально разработаны для создания единственной области, свободной от магнитного поля. Сигнал генерируется только в этой области. Изображение формируется путем перемещения этой области по образцу. Поскольку естественного SPIO в тканях нет, сигнал обнаруживается только от введенного трассера, что обеспечивает получение изображений без фонового шума. МПИ часто используется в сочетании с анатомическими методами визуализации (такими как КТ или МРТ) для получения информации о локализации трассера.
Приложения
Магнитная визуализация частиц сочетает в себе высокую чувствительность трассера с субмиллиметровым разрешением. Визуализация выполняется в диапазоне от миллисекунд до секунд. Трассер на основе оксида железа, используемый в МПИ, естественным образом выводится из организма через мононуклеарную фагоцитарную систему. Наночастицы оксида железа расщепляются в печени, где железо запасается и используется для производства гемоглобина. SPIO ранее применялись у людей для восполнения дефицита железа и визуализации печени.
Сердечно-сосудистые заболевания
Первые результаты МПИ in vivo позволили получить изображения бьющегося сердца мыши в 2009 году. При дальнейших исследованиях это может быть использовано для визуализации сердца в реальном времени.
Онкология
MPI имеет многочисленные применения в области онкологических исследований. Накопление трассера в солидных опухолях может происходить благодаря повышенной проницаемости и эффекту удержания. Это успешно применялось для выявления опухолей у крыс. Высокая чувствительность метода позволяет также визуализировать микрометастазы посредством разработки наночастиц, ориентированных на раковые клетки. MPI изучается в качестве клинической альтернативы методам ядерной медицины для скрининга с целью снижения радиационной нагрузки у групп риска.
Отслеживание клеток
При маркировке терапевтических клеток наночастицами оксида железа, MPI позволяет отслеживать их распространение по всему организму. Это находит применение в регенеративной медицине и противораковой иммунотерапии. Визуализация может быть использована для повышения эффективности терапии стволовыми клетками, позволяя наблюдать за перемещением этих клеток в организме. Маркер остается стабильным в связанном с клеткой состоянии и обнаруживается в течение как минимум 87 дней.
Функциональная визуализация мозга
МПИ предлагается в качестве перспективной платформы для функциональной визуализации мозга, требующей высокочувствительной визуализации и короткого времени сканирования для обеспечения достаточного временного разрешения. С этой целью МПИ используется для обнаружения увеличения объема церебрального кровотока (ОЦК), возникающего при нейроактивации. Функциональная нейровизуализация с использованием МПИ успешно продемонстрирована на грызунах и обладает перспективным преимуществом в чувствительности по сравнению с другими методами визуализации. В долгосрочной перспективе это потенциально может позволить изучать функциональную нейроактивацию на индивидуальном уровне пациента и, таким образом, внедрить функциональную нейровизуализацию в клиническую диагностику.
Суперпарамагнитный трассировщик
Трейсерами, используемыми в магнитной визуализации частиц (MPI), являются суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPION). Они состоят из ядра магнетита (Fe3O4) или маггемита (Fe2O3), окруженного поверхностным покрытием (обычно декстраном, карбоксидекстраном или полиэтиленгликолем). Трейсер SPION обнаруживается в биологических жидкостях, таких как кровь. Эта жидкость очень чувствительна даже к слабым магнитным полям, и все магнитные моменты выстраиваются в направлении индуцированного магнитного поля. Эти частицы могут быть использованы, поскольку в человеческом теле нет веществ, создающих магнитные помехи при визуализации. Поскольку SPION является единственным трейсером, его свойства имеют ключевое значение для интенсивности сигнала и разрешения MPI. Наночастицы оксида железа, благодаря своим магнитным диполям, проявляют спонтанную намагниченность, которую можно контролировать приложенным магнитным полем. Поэтому эффективность SPION в MPI критически зависит от их магнитных свойств, таких как насыщенная намагниченность, магнитный диаметр и механизм релаксации. При воздействии внешнего магнитного поля релаксация SPION может определяться двумя механизмами: релаксацией Нееля и броуновской релаксацией. Если вся частица вращается относительно окружающей среды, это соответствует броуновской релаксации, на которую влияет физический диаметр. Если вращается только магнитный диполь внутри частиц, механизм называется релаксацией Нееля, на которую влияет магнитный диаметр. Согласно модели суперпарамагнетизма Лангевина, пространственное разрешение MPI должно улучшаться кубически с увеличением магнитного диаметра, который можно определить путем аппроксимации кривой зависимости намагниченности от магнитного поля моделью Лангевина. Однако более поздние расчеты показывают, что для MPI существует оптимальный диапазон магнитных размеров SPION (~26 нм). Различные покрытия влияют на клеточное поглощение, кровообращение и взаимодействие с иммунной системой, что сказывается на распределении трейсера по организму с течением времени.