سطح مقاله
نویسندگان
حورا نکونام
(نویسنده اول)
اسماعیل میرزایی
(نویسنده مسئول)
کلمات کلیدی
لیپوزوم
MRI
دندریمر
امتیاز کاربران
نانوذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی (2)
در این مقاله عمده بحث بر روی خواص و ویژگیهای نانوذرات مغناطیسی در تصویربرداری پزشکی است. در ابتدا ویژگیهای مورد نیاز برای این ذرات نامبرده شده و در ادامه عوامل مؤثر در این خواص بحث شده است، که از جمله اندازه ذره و اثر آن بر کنتراست تصاویر، روش تهیه ذرات و اثر آن بر خواص فیزیکی و شیمیایی آنها و انواع پوششهای استفاده شده و مزایای آنها نامبرده شده است. در ادامه انواع نانوذرات مورد استفاده به صورت مختصر معرفی شدهاند و در نهایت نحوه انتقال ذرات به بافت هدف به صورت غیرفعال بررسی شده است.
4- 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].
۵- عوامل مؤثر در ویژگیهای ذرات
کیفیت و ویژگیهای مورد نیاز برای نانوذرات به عنوان عوامل کنتراست، به مواد هستهای ذرات، توزیع اندازه ذرهای، بار سطحی ذرات، پایداری در محلول آبی و مایعات فیزیولوژیکی، شیمی فضایی نانوذرات، خواص مغناطیسی مطلوب و خصوصیات شیمیایی مولکولهای عملگر در سطح ذرات بستگی دارد [1و2].
٥-۱- اندازه ذرات
آزمایشات نشان میدهد قطر نانوذرات مغناطیسی بر روی میزان تشدید سیگنال و نیمهعمر ذرات در بدن مؤثر است. بررسیها نشان داده است که ذرات با قطر 10 نانومتر نیمهعمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگتر دارند [3].
(1) 
γ: نسبت ژیرومغناطیسی پروتون در آب، M: مولاریته محلول نانوذرات، r: شعاع ذرات، N: عدد آووگادرو، µ: گشتاورمغناطیسی نانوذرات، Ws: فرکانس لارمور محلول الکترونیک و wI: فرکاانس لارمور پروتونهای آب است [6].طبق فرمول شماره 1 بین اندازه ذره و میزان کاهش T2 و بنابراین کنتراست تصویر رابطه وجود دارد. ذراتی با سایزهای 12، 9، 6 و 4 نانومتر داریم و هر کدام گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارند، به طوری که تحت میدان T 1.5، گشتاور مغناطیسی به ترتیب 102، 80، 43 و 25 emug-1 Fe است. گرادیان آسایشپذیری یا T2 /1 از 56 به 106، 130 و 190 افزایش مییابد که همان گرادیان کنتراست تصویر است. همانطور که سایز ذرات از 4 به 12 میرسد تفاوت رنگ از سفید تا سیاه دیده میشود و همانطور که سایز ذرات بزرگ میشود شدت سیگنالهای MRI کاهش مییابد. شکل 7 ارتباط سایز و شدت سیگنال را نشان میدهد [3].
شکل 7- 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].
1-1-5- 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].
2-5- 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 مونودیسپرسیتی 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].
3-5- پوشش ذرات
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 (شکل8). DMSA شلاتهای کربوکسیلات را به آهن متصل میکند، اتصال متقاطع دی سولفیدی بین لیگاندها ایجاد میکند و همچنین گروههای تیول را روی سطح مینشاند که امکان اتصال به مارکرهای اختصاصی و عملکردی را به دنبال دارد. این ذرات پایداری بالایی در آب و بافر سالین فسفات و شرایط پرنمک دارند و بنابراین گزینه مناسبی برای اتصال به مارکرهای سرطانی در شرایط درونتن و برونتن هستند [1].
شکل 8- 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 |
Citric,gluconic,oleic |
هسته SPIO بزرگ با پوشش نازک از ترکیب ارگانوفیلیک |
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 |
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.
در جدول 2 انواعی از نانوذرات بر پایه اکسید آهن قابل استفاده در MRI با ذکر ویژگیهای کاربردی آنها دیده میشود.
جدول 2- انواع اشکال SPIO با پوششهای سطحی مختلف
عامل |
اندازه هسته اکسید آهن (نانومتر) |
اندازه کلی ذره (نانومتر) |
مواد پوشاننده |
آسایش T2 (L mol-1 S-1)
|
نیمهعمر در خون |
AMI-121(Lumirem; Gastromark) |
10 |
300 |
سیلیکون |
72 |
کمتر از 5 دقیقه |
AMI-25 Feridex; Endorm |
6-5 |
150-80 |
دکستران |
98 |
6 دقیقه |
(SHU 555A (Resorvist |
4-2 |
62 |
کربودکستران |
151 |
5,3 |
AMI-227(Combidex; Sinerem) |
6-4 |
40-20 |
دکستران |
53 |
کمتر از 24 ساعت |
6- انواع نانوذرات مغناطیسی برپایه SPIO
1-6- 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].
2-6- 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 (شکل9). 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].

شکل 9- مراحل آمادهسازی مگنتوفریتین
1- خارج کردن فری هیدارت از فریتین و تشکیل آپوفریتین
2- جایگذاری نانوذرات مغناطیسی در آپوفریتین و مگنتوفریتین تشکیل میشود.
3-6- مگنتودندریمر
ساختار چندعملکردی به واسطه گروههای انتهایی و منفذ واحد، دندریمرها را برای حمل دارو در دارورسانی مطلوب کرده است، که به طور مشابه میتوانند حامل نانوذرات مغناطیسی نیز باشند؛ این ذرات خواص مغناطیسی بیشتری را نشان میدهند (اشباعیت مغناطیسی حدود emu g_1 Fe 94) و میزان بالای آسایشپذیری T2 از 200 تا 406 L mmol_1 s_1 دارد و به راحتی بدون نیاز به عامل انتقالی به داخل سلول نفوذ میکنند (شکل10). بدین وسیله از این عوامل در نشانهگذاری سلولی و ردیابی سلولی میتوان استفاده کرد. اندازه هسته آهن اکسید به 8nm-7nm و هسته همراه با پوشش دندریمری به 20nm-30nm میرسد [1].

شکل10-مگنتودندریمر
4-6- مگنتولیپوزوم
لیپوزوم نیز بسیار برای انتقال مواد دارویی استفاده میشود و پوشش خوبی برای هیدروفیل ساختن نانوذرات مغناطیسی است (شکل 11). ذرات در مرکز لیپوزوم قرار میگیرند که اندازه هسته آهن اکسیدی آن 16nm و اندازه ذرات در حالت لیپوزومی حدود 60nm است و در این ساختارآسایشپذیری T2 240 mmol_1 s_1L است [1].

شکل11- مگنتولیپوزوم
7- نحوه انتقال نانوذرات مغناطیسی به بافتها
1-7- 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. در ادامه مواردی از انتقال غیرفعال پروبهای مغناطیسی MRI بیان میشود [3].
مسیرهای برداشت متفاوت نانوذرات مغناطیسی در بافتهای مختلف، کنتراست MRI را مشخص میکند. ذرات کوچک توسط سیستم رتیکلواندوتلیال جمعآوری میشوند. در سلولهای توموری به علت غیاب سیستم رتیکلواندوتلیال، زمان آسایش با وجود عوامل کنتراست MNP، تغییر نمیکند. بنابراین شناسایی بدخیمی گره لنفاوی، تومور کبد و مغز با مقایسه تصاویر کنتراست به دست آمده از MRI با کمک نانوذرات مغناطیسی ممکن میشود [3]. پروبهای SPIO فاقد اختصاصیت مولکولی برای تصویربرداری سیستمهای بیولوژیکی، به وسیله پروسههای فیزیولوژیکی شامل برداشت سلولی غیراختصاصی، به دام افتادن در داخل ماکروفاژهای فاگوسیتکننده بافتهای توموری و ملتهب یا تجمع در طحال، کبد و گرههای لنفاوی به صورت طبیعی هدایت میشوند [4].
1-1-7- تصویربرداری کبد و طحال
تحقیقات نشان داده است که ذرات بزرگتر از 150nm با پوشش دکستران، به صورت غیراختصاصی به وسیله سلولهای کوپفر در کبد سالم برداشت میشود. با توجه به نبود سلولهای کوپفر در کبدهای بدخیم امکان تشخیص بافت سالم ومعیوب فراهم میشود [4].
2-1-7- تصویربرداری گرههای لنفاوی
کوچکترین ذرات با اندازه 30nm توسط عروق لنفاوی جمعآوری و در گرههای لنفاوی مجتمع میشوند. تجمع SPIO در گرههای نرمال با کاهش T2 همراه است و غیاب SPIOها در تصاویر MRI با دقت بالایی اختلال جریان یا متاستازگرهها را نشان میدهد و بدین وسیله، بدون مارکر اختصاصی، اجازه تمایز بین ساختارهای مبتلا و سالم را ممکن میسازد [4]؛ بنابراین ماکروفاژی که حاوی ذرات باشد تصویر سیاهی را ایجاد میکند و بافت سرطانی روشن است [1].
3-1-7- تصویربرداری سرطان
مطالعات زیادی نشان داده که علاوه بر تشخیص متاستاز گرههای لنفاوی، SPIOها میتوانند تومورهای جامد را نیز به طور مستقیم شناسایی کنند. این ذرات میتوانند به وسیله نشت از عروق و برداشت ماکروفاژی به صورت غیرفعال در محل حاضر شوند. میزان نشت، به میزان تخلخل عروق توموری بستگی دارد. در بررسی مغز استخوان از AMI-25 استفاده شده و آسیب مغز استخوان با حساسیت بالا تشخیص داده میشود (AIM یک نوع از نانوذرات مغناطیسی قابل استفاده در MRI است که مشخصات آن در جدول شماره 2 ذکر شده است).
4-1-7- تصویربرداری ماکروفاژ
MRI در تشخیص التهاب و بیماریهای تخریبی با فعالیت بالای ماکروفاژی، بر پایه برداشت مؤثر ذرات به وسیله ماکروفاژها و سایر سلولهای فاگوسیتکننده عمل میکند و امکان شناسایی محل دفع پیوند، شناسایی محل صفحات آترواسکلروزیس و امکان تشخیص قبل از تنگی مجرا را ممکن میسازد که یقیناً درمان مطلوبتری را به همراه دارد. نقش ماکروفاژها در بافتهای بیمار سیستم عصبی مرکزی، امکان تصویربرداری برای تشخیص سکته، مالتیپل اسکلروزیس، تومور مغزی و آترواسکلروز کاروتید را فراهم میکند.
قابل ذکر است که کنتراست تصاویر، به طور وسیعی به زمان گردش خونی و بار سطحی ذرات بستگی دارد. تجربه نشان داده است که ذرات کوچک با سایز 30nm-15nm با مدت گردش خون بیشتر، کنتراست بهتری در محل التهاب در مقایسه با ذرات بزرگتر نشان میدهند [4].
نتیجهگیری
در این مقاله مشاهده شد که کاهش اندازه نانوذرات مغناطیسی موجب افزایش کنتراست و نیمهعمر ذرات میشود و ذرات بر اساس اندازه دستهبندی شدند. 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 آنتی بادی 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.
منابـــع و مراجــــع
1.CA Mirkin and CM Niemeyer. Nanobiotechnology, I. Wiley-VCH, Weinheim, As i an J 2, 1363 (2007).
2.SHI Y. Superparamagnetic Nanoparticle for magnetic Resonance Imaging(MRI)Diagnosis. School of Chemical Engineering.(2006)
3.Varadan VK, Chen L, Xie J. NANOMEDICINEDESIGN AND APPLICATIONS OFMAGNETIC NANOMATERIALS,NANOSENSORS AND NANOSYSTEMS. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication. 2008.
4.Thorek, D. L., Chen, A. K., Czupryna, J. & Tsourkas, A. Superparamagnetic iron oxide nanoparticle probes for molecular imaging. Annals of biomedical engineering 34, 23-38 (200