1. 1.3 Особенности применения контрастирующих суперпарамагнитных агентов на основе нанодисперсного оксида железа в молекулярной мрт

В большинстве случаев МР томограф настроен на получение изображений от протонов водорода, находящихся в теле пациента. Контраст в МРТ является результатом различия в сигнале от смежных пикселей или вокселей, сигнал в наибольшей степени зависит от трех основных параметров: протонной плотности, времени спин-решеточной релаксации T1, и времени спин-спиновой релаксацииT2. Плотность спинов, пропорциональная суммарной намагниченности спиновой системыM₀, отражает общее количество спинов, доступных для получения МР-изображения в пределах данной ткани (или пикселя).

Времена релаксации T1иT2описывают законы, по которым изменяется спиновая система.T1- закон, по которому система возвращается к равновесию после возбуждения энергией РЧ поля. Чем быстрее система возвращается к равновесию, тем больше доступных спинов для возбуждения следующим импульсом.

Спин-спиновая T2-релаксация описывает процесс расфазировки МР-сигнала из-за локальной неоднородности магнитного поля, возникающей за счет взаимодействия спинов друг с другом, в результате чего происходит потеря интенсивности МР-сигнала. В общем случае расфазировка спиновых прецессий ядерных моментов вызывается не только спин-спиновыми взаимодействиями, но и и наличием неоднородных локальных внешних магнитных полей в объеме образца, обусловленных или неоднородностью постоянного магнитного поляB₀, или градиентными магнитными полями, создаваемыми соседними магнитными моментами других ядер и неспаренных электронов. В этом случае говорят о времени поперечной релаксацииT2^*:

1/T2^* = 1/T2+γδB/π, (67)

где γ – гиромагнитное отношение, δB – неоднородность локального магнитного поля.

Времена T1иT2зависят от нескольких параметров [42]:- резонансной частоты (индукции магнитного поля);- температуры; - подвижности спинов (микровязкости); присутствия больших молекул; - присутствия парамагнитных молекул.

Контраст МР-изображений зависит в большей или меньшей степени от T1,T2или T2^*и протонной плотности. Таблица 3 [43] показывает времена релаксации различных тканей в магнитном поле 1.5 Tл и температуре 37°C. Хороший контраст мягких тканей на МР-томограммах (рис. 20) обусловлен в основном различными временами релаксации, как в случае МР-изображений тканей головного мозга, на которых можно легко различить серое и белое вещество.

Таблица 3. Типичные времена релаксаций различных тканей в магнитном поле 1.5 Tл и температуре 37°C. R1=1/T1, R2=1/T2– скорости релаксации([43]).

Ткань	Т1, мс	R1, с-1	Т2, мс	R2, с-1
серое вещество	950	1,05	100	10
белое вещество	600	1,67	80	12,5
мышечная ткань	900	1,11	50	20
спинномозговая жидкость (СМЖ)	4500	0,22	2200	0,45
жир	250	4,00	60	16,67
кровь	1200	0,83	100-200	5-10

Рис. 20. Примеры МР-изображений [43].

На изображениях взвешенных по протонной плотности более яркие пиксели соответствуют более высокой плотности спинов. Параметр T1влияет на контраст в белом и сером веществе (см. временаT1в таблице 3), наТ1-взвешенном изображении белое вещество с более коротким T1кажется более ярким. Из-за длинногоT2спинномозговая жидкость выглядит яркой наТ2-взвешенном изображении.

Так как T1иT2являются основными параметрами контраста МР-изображений, именно эти параметры должны быть изменены любым потенциальным контрастным агентом. Самыми распространенными МР контрастными агентами являются парамагнитные комплексы ионы гадолиния и суперпарамагнитные частицы оксида железа (см. Таблицу 4). Гадолиниевые контрастные агенты используются прежде всего для сокращения времени спин-решеточнойТ1релаксации, хотя при высоких концентрациях они могут оказывать существенное влияние и наT2релаксацию. Контрастные агенты на основе оксида железа, с другой стороны, оказывают меньшее влияние наT1и используются, прежде всего, для сокращенияT2^*.

Таблица 4: Значения релаксационной эффективности основных контрастных агентов [44].

МР контрастный агент	Главное использования	Молекулярная масса или размер частицы	Релаксивность, (мМ л)-1	Назначение (цель)
Gd-DTPA	Т1-агент	0,6 кДа	r1 = 3,7	Внеклеточный
Dextran-Gd-DTPA	Т1-агент	75 кДа	r1 = 11	Кровь (Blood-pool)
Carboxydextran-coated SPIO SHU-555	Т2-агент	62 нм	r1 = 12 r2 = 188 (0,94T)	Капиллярная проходимость
Dextran-coated SPIO AMI-25	Т2-агент	58 нм	r1 = 24 r2 = 107 (0,47T)	Органы MPS (печень)
Dextran-coated USPIO MION-46L	Т2-агент	18-24 нм (CLIO 30 -40 нм)	r1= 16 r2= 35 (0,47T)	Органы MPS
Dextran-coated USPIO AMI-227	Т2-агент	17 -20 нм	r1 = 23 r2 = 53 (0,47T)	Узлы лимфы
MION-encapsulated liposomes (MION-скрытые липосомы)	Т2-агент	170 - 300 нм	r1 = 23 r2 = 130 (0,47T)	Органы MPS (печень)
PEGylated magnetoliposomes	Т2-агент	40 нм	r1 = 3 r2 = 240 (1,5T)	Костный мозг
(Protein-coated) magnetoferritin	Т2-агент	12 нм	r1 = 8 r2 = 218 (1,5T)	Кровь (Blood-pool)

Связь спинов протонов с большими магнитными моментами суперпарамагнитных веществ увеличивает релаксивность воды, делая их полезными в качестве контрастных агентов для МРТ. В присутствии суперпарамагнитных веществ, таких как наночастицы оксида железа, времена релаксации ядерных спинов протонов воды, T1, T2иT2*, сокращаются [43]. Что касается T2иT2*, магнитные наночастицы действуют как магнитные моменты, производящие крошечные градиенты локального магнитного поля, через которые протоны осуществляют диффузию. Так как каждый протон будет иметь отдельный путь через градиентное поле, то разности фаз между протонами будут накапливаться. В результате будет происходить индуцированная различной восприимчивостью расфазировка МР сигнала протона с последующим уменьшениемТ2*. Это сокращениеT2* может быть использовано в МРТ-эксперименте, когда наночастицы сильно намагничены.

При использовании суперпарамагнитных частиц оксида железа релаксация вызвана время- или частотно-модулированными взаимодействиями между протонами и магнитными моментами частиц [44]. Связь может быть дипольного и скалярного характера, а временная или частотная модуляция возникает из-за трансляционной диффузии протонов, вращательной диффузии магнитных частиц и обмена между связанными протонами биомакромолекул и протонами свободной воды.

В настоящее время, теория, объясняющая сокращение T2* протонов воды парамагнитными ионами магнитных наночастиц может быть разделена на две группы: модели внутренней сферы (IS) и внешней сферы (OS) [45]. Теория внутренней сферы рассматривает обмен между координированными молекулами воды и молекулами объемной воды. Теория внешней сферы описывает релаксацию индуцированную диффузией молекул воды в пределах градиентного магнитного поля вокруг парамагнитного гидратированного иона.ISвклад состоит из протонов, физически взаимодействующих с парамагнитным ионом. В этом случае расстояние между ионом и координированной молекулой воды в среднем меньше, чем между гидратированным ионом и диффундирующей молекулой воды в моделиOS. Кроме того, координированные протоны находятся на местах связывания дольше, подвергаясь воздействию магнитных ионов в течение более длительного времени, чем в случае диффундирования протона в модели OS. Как результат, вкладIS, как правило, больше, чем вкладOS. Однако, для хелатных ионов и в отсутствие обмена протонов воды, механизм OS доминирует в релаксации.

Релаксацию, индуцируемую частицами магнетита (Fe₃O₄) в целом можно отнести к диффузии молекул воды вокруг суперпарамагнитного ядра железа. Она может быть в целом описываться теорией OS, адаптированной для учета анизотропии кристаллов магнетита [46]. ПрименениеISв сравнении с теорий OS может математически определяться критериемτ_DΔω_r, гдеτ_D=r²/D(г- радиус частиц,Dявляется коэффициентом диффузии воды, и Δω_rявляется среднеквадратическим сдвигом угловой частоты на поверхности частиц). Дляτ_DΔω_r<1 выполняется режим усреднения движения. Скорость релаксации тогда задается квантово-механической теорией внешней сферы:

(68)

где vявляется частью объема занимаемой наночастицами. Дляτ_DΔω_r> 1 работает режим статической расфазировки. Этот термин относится к расфазировке неподвижных магнитных моментов, но также остается справедливым и для медленного движения, где расфазировка проявляется в одиночном столкновении протона и сдвиг поля составляет больше, чем один радиан. В этом случае скорость релаксации для сферических частиц характеризуется уравнением:

, (69)

где Δω_rопределяется по формуле:

, (70)

где γ- протонное гиромагнитное отношение,B_eq- экваториальное магнитное поле частицы,μ- магнитный момент, иМ- ее намагниченность.

В случае синтезированных наночастиц оксида железа, вполне вероятно, что комбинирование процессов происходит в процессе расфазировки. В хорошо-дисперсном растворе, протоны будут диффундировать через магнитные градиенты, накапливая фазу Δω=γΔB, где ΔВ–градиентное магнитное поле частицы, воздействующее на протон. Однако, на границе между частицей и протонами воды, вполне вероятно, существуют несколько типов событий. Протоны могут физически обмениваться с протонами в молекулах, составляющих оболочку (покрытие) частиц. Такие взаимодействия, как правило, известны как химический обмен и были использованы для MTC- томографии (контрастирование с использованием переноса намагниченности) [47, 48] и в развитии класса соединений, известных как агенты переноса насыщения, зависящего от химического обмена (CEST) [49].

Не исключено, однако, что оболочка молекулы может влиять на протоны иными способами, чем прямой химический обмен. Диффузия протона может быть замедлена в областях вблизи частиц за счет молекулярных сил, а в некоторых случаях, таких, как фосфолипид-полиэтилен-гликолевая (PEG) оболочка частицы, не исключено, что протоны могут диффундировать в и из пространства между оболочками молекул [50] (рис. 21). В результате может происходить эффективное изменение в диффузии протонов вокруг частиц, которое приводит к изменению релаксационных характеристик наночастиц, основанных на специфических свойствах оболочки.

Рисунок 21 Различные схемы диффузии протонов и взаимодействия с наночастицами и их оболочкой. a) диффузия протонов мимо наночастицы представляет основной вклад в теорию внешней сферы (OS),b) диффундирующие протоны воды могут обмениваться с протонами на поверхности частиц; увеличение времени пребывания и сближение вплотную приводит к эффекту во внутренней сфере (IS),c) диффузия может быть ограничена оболочкой частиц, приводя к случаю где-то междуOSиIS.

Существующие теории сосредотачивают внимание или на диффузии протонов мимо наночастиц или на химическом обмене в качестве механизмов для релаксации. Взаимодействие между протонами и оболочкой наночастицы хотя и не до конца понятно, но, однако, может иметь значительное влияние на индуцированную релаксацию. Такие взаимодействия не в полной мере учитываются в современных теориях, и дальнейшее более глубокое понимание такого влияния может помочь в разработке более эффективных контрастирующих агентов-зондов. Это особенно важно в томографии in vivo, когда важно обеспечить малый размер зонда и усилить релаксационные характеристики.

Есть много факторов, которые потенциально могут повлиять на способность магнитных наночастиц индуцировать уменьшение T2*. К ним относятся физические размеры частицы и ее оболочки, химические свойства оболочки и окружающей среды, движение частиц и протонов, и неоднородности в самих частицах. Регулируя размер ядра, толщину оболочки, химию поверхности, и нацеленные на мишень лиганды, зонды наночастиц могут быть ориентированы, чтобы достигать конкретные мишени в виде определенных органов, клеток, или даже молекулярных маркеров различных заболеванийin vivo[51]. Релаксация магнитных наночастиц, как правило, модулируется размером ядра, часто в диапазоне 4-20 нм в диаметре. Однако, меньше известно о влиянии свойств оболочки на индуцированную наночастицами релаксацию. Поскольку многие из этих факторов могут взаимодействовать сложным образом, влияя на релаксацию, то выяснение влияния свойств оболочки на уменьшениеТ2* может обеспечить полезную основу для разработки более мощных зондов-наночастиц без необходимости увеличения размера зонда.

Для сферической частицы определенного размера ядра, можно представить себе силовые линии магнитного поля, распределенными в пространстве в соответствии с уравнением для диполя [50] (рис. 22а).

Рисунок 22 Оболочка частицы предотвращает приближение протонов к магнитному ядру. а) Протоны диффундируют через дипольное поле наночастицы (окрашенной в зеленый цвет). b) В связи с большой оболочкой (синий цвет), протоны не могут получить доступ к пространству вблизи частицы, где градиенты поля являются наибольшими.

Здесь мы касаемся только Z-компоненты магнитного поля. Магнитные наночастицы вызывают релаксациюТ2* протонов, проходящих через эти градиентные поля наночастиц. Протоны индивидуально накапливают изменения фазы в соответствии с Δφ=γ · B_z· Δt, где Δt– промежуток времени, в течение которого протон находится в градиентном поле. Поскольку протоны находятся первоначально в фазе, то спад сигнала, из-за расфазировки, происходит из-за градиентного поля частицы, а не от основного магнитного поля. На рисунке 22а, ядро частицы (зеленое) производит определенное магнитное поле, через которое частицы могут диффундировать. На рисунке 22b, то же самое ядро окружено оболочкой, которое физически исключает диффузию протонов из некоторой области вокруг ядра. Хотя ядро производит то же поле, протоны имеют меньший доступ к более высоким градиентам вблизи частицы. Как результат, предполагается, что протонная релаксация в ситуации частицы с оболочкой будет медленнее, что приводит к наблюдаемому уменьшениюR2с ростом размера оболочки.

Таким образом, результаты исследований могут привести к пониманию взаимосвязи между размерами оболочки и изменениями релаксации, и соответственно, к разработке оптимальных магнитных наночастиц – зондов для молекулярной МРТ.

Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа все чаще используются в разработке зондов МРТ из-за их влияния на релаксивность [51]. Эти наночастицы уже сейчас играют растущую роль в отслеживании стволовых клеток [52], в сортировке клеток и ДНК [53] и в доставке лекарств [54].

Особый интерес представляют исследования возможностей использования суперпарамагнитных наночастиц оксида железа в низкопольной МР-томографии.