stringtranslate.com

Магнитно-порошковая томография

Магнитно-частичная томография ( MPI ) — это новая неинвазивная томографическая технология, которая напрямую обнаруживает суперпарамагнитные наночастицы- трейсеры. Эта технология имеет потенциальные 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 может производить сигнал на любой глубине внутри тела. MPI была впервые задумана в 2001 году учеными, работающими в исследовательской лаборатории Royal Philips в Гамбурге . Первая система была создана и представлена ​​в 2005 году. С тех пор технология была усовершенствована академическими исследователями в нескольких университетах по всему миру. Первые коммерческие сканеры MPI недавно стали доступны от Magnetic Insight и Bruker Biospin.

Аппаратное обеспечение, используемое для MPI, сильно отличается от MRI . Системы MPI используют изменяющиеся магнитные поля для генерации сигнала от наночастиц суперпарамагнитного оксида железа (SPIO). Эти поля специально разработаны для создания одной области, свободной от магнитного поля. Сигнал генерируется только в этой области. Изображение генерируется путем перемещения этой области по образцу. Поскольку в ткани нет естественного SPIO , сигнал обнаруживается только от введенного трассера. Это обеспечивает получение изображений без фона. MPI часто используется в сочетании с методами анатомической визуализации (такими как КТ или МРТ ), предоставляя информацию о местоположении трассера.

Приложения

Магнитно-порошковая визуализация сочетает высокую чувствительность трассера с субмиллиметровым разрешением . Визуализация выполняется в диапазоне от миллисекунд до секунд. Трассер оксида железа , используемый с MPI, выводится организмом естественным образом через систему мононуклеарных фагоцитов . Наночастицы оксида железа расщепляются в печени , где железо хранится и используется для производства гемоглобина. SPIO ранее использовались у людей для добавления железа и визуализации печени .

Визуализация пула крови

Сердечно-сосудистые

Первые результаты MPI in vivo позволили получить изображения бьющегося мышиного сердца в 2009 году. При дальнейшем исследовании это в конечном итоге можно будет использовать для визуализации сердца в реальном времени . [1]

Онкология

MPI имеет многочисленные применения в области онкологических исследований. Накопление трассера внутри солидных опухолей может происходить за счет эффекта повышенной проницаемости и удержания . Это успешно использовалось для обнаружения опухолевых участков у крыс. [2] Высокая чувствительность метода означает, что также может быть возможным визуализировать микрометастазы посредством разработки наночастиц, нацеленных на раковые клетки. MPI исследуется как клиническая альтернатива скрининговому методу ядерной медицины с целью снижения воздействия радиации на группы риска.

Отслеживание клеток

Помечая терапевтические клетки наночастицами оксида железа, MPI позволяет отслеживать их по всему телу. Это имеет применение в регенеративной медицине и иммунотерапии рака . Визуализация может использоваться для улучшения успеха терапии стволовыми клетками путем отслеживания движения этих клеток в организме. [3] Трейсер стабилен, пока помечен к клетке, и остается обнаруживаемым в течение 87 дней. [4]

Функциональная визуализация мозга

MPI был предложен в качестве перспективной платформы для функциональной визуализации мозга , которая требует высокочувствительной визуализации, а также короткого времени сканирования для достаточного временного разрешения. Для этого MPI используется для обнаружения увеличения объема церебральной крови (CBV), возникающего в результате нейроактивации. Функциональная нейровизуализация с использованием MPI была успешно продемонстрирована [5] на грызунах и имеет многообещающее преимущество в чувствительности по сравнению с другими методами визуализации. В долгосрочной перспективе это может потенциально позволить изучать функциональную нейроактивацию на уровне одного пациента и, таким образом, привнести функциональную нейровизуализацию в клиническую диагностику.

Суперпарамагнитный трассер

Трассеры, используемые в магнитно-частичной визуализации (MPI), представляют собой суперпарамагнитные наночастицы оксида железа ( SPION ). Они состоят из ядра магнетита (Fe 3 O 4 ) или маггемита (Fe 2 O 3 ), окруженного поверхностным покрытием (обычно декстраном , карбоксидекстраном или полиэтиленгликолем ). [6] [7] [8] [9]

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 можно использовать, поскольку человеческое тело не содержит ничего, что могло бы создать магнитные помехи при визуализации. Как единственный трейсер, свойства SPION имеют ключевое значение для интенсивности сигнала и разрешения MPI. Наночастицы оксида железа из-за своих магнитных диполей проявляют спонтанную намагниченность, которую можно контролировать приложенным магнитным полем. Поэтому производительность SPION в MPI критически зависит от их магнитных свойств, таких как намагниченность насыщения, магнитный диаметр и механизм релаксации. При приложении внешнего магнитного поля релаксация SPION может регулироваться двумя механизмами: неелевской и броуновской релаксацией. Когда вся частица вращается относительно окружающей среды, она следует броуновской релаксации, на которую влияет физический диаметр. Когда только магнитный диполь вращается внутри частиц, механизм называется релаксацией Нееля, на которую влияет магнитный диаметр. Согласно модели суперпарамагнетизма Ланжевена, пространственное разрешение MPI должно улучшаться кубически с диаметром магнетиков, что может быть получено путем подгонки кривой намагниченности против магнитного поля к модели Ланжевена. [10] Однако более поздние расчеты показывают, что существует оптимальный диапазон магнитных размеров SPION (~26 нм) для MPI. [6]Это происходит из-за размытия, вызванного броуновской релаксацией больших магнитных размеров SPION. Хотя магнитный размер критически влияет на производительность MPI, он часто плохо анализируется в публикациях, сообщающих о применении MPI с использованием SPION. Часто коммерчески доступные или самодельные трассеры используются без тщательной магнитной характеристики. Важно отметить, что из-за наклона спина и беспорядка на поверхности или из-за образования наночастиц смешанной фазы эквивалентный магнитный диаметр может быть меньше физического диаметра. А магнитный диаметр имеет решающее значение из-за реакции частиц на приложенное магнитное поле, зависящей от магнитного диаметра, а не от физического диаметра. Наибольший эквивалентный магнитный диаметр может быть таким же, как физический диаметр. Недавняя обзорная статья Чандрасекхарана и др. суммирует свойства различных контрастных агентов на основе оксида железа и их производительность MPI, измеренную с помощью их внутреннего спектрометра магнитных частиц, показанного на рисунке здесь. Следует отметить, что диаметр ядра, указанный в таблице, не обязательно является магнитным диаметром. В таблице приведено сравнение всех текущих опубликованных SPION для контрастных агентов MPI. Как видно из таблицы, LS017 с размером ядра SPION 28,7 нм, синтезированный путем нагревания термического разложения с постсинтезным окислением, имеет лучшее разрешение по сравнению с другими с меньшим размером ядра. Резовист (Ферукарботран), состоящий из оксида железа, полученного путем соосаждения, является наиболее часто используемым и коммерчески доступным трассером. Однако, как предполагают Глейх и др., только 3% от общей массы железа из Резовиста вносят вклад в сигнал MPI из-за его полидисперсности, что приводит к относительно низкой чувствительности MPI. Интенсивность сигнала MPI зависит как от диаметра магнитного ядра, так и от распределения размеров SPION. Сравнивая чувствительность MPI, указанную в таблице выше, LS017 имеет самую высокую интенсивность сигнала (54,57 В/г Fe), поскольку частицы монодисперсны и обладают большим магнитным диаметром по сравнению с другими.

Поверхностное покрытие также играет ключевую роль в определении поведения SPION. Оно минимизирует нежелательные взаимодействия между ядрами оксида железа (например, противодействует силам притяжения между частицами для предотвращения агрегации), повышает стабильность и совместимость с биологической средой, а также может использоваться для адаптации производительности SPION к конкретным приложениям визуализации. [9] [11] Различные покрытия вызывают изменения в клеточном поглощении, кровообращении и взаимодействии с иммунной системой, влияя на то, как трассер распределяется по всему телу с течением времени. [11] Например, было показано, что SPION, покрытые карбоксидекстраном, выводятся в печень почти сразу после инъекции, в то время как те, которые покрыты полиэтиленгликолем (ПЭГ), остаются в кровотоке в течение нескольких часов, прежде чем будут выведены из крови. Такое поведение делает трассер SPION, покрытый карбоксидекстраном, более оптимизированным для визуализации печени, а трассер SPION, покрытый ПЭГ, более подходящим для визуализации сосудов. [6] [7]

Преимущества

Улучшение сигнала

Пассивный резонатор с двойной катушкой

Устройство, обеспечивающее частотно-селективное усиление сигнала, было недавно разработано в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена . Пассивный резонатор с двойной катушкой (pDCR) представляет собой чисто пассивную приемную катушку для доклинической системы MPI. Цель pDCR — усиление частотных компонентов, связанных с высокими порядками смешивания, которые имеют решающее значение для достижения высокого пространственного разрешения . [12]

Конгрессы, семинары

Ссылки

  1. ^ Weizenecker, J.; Gleich, B.; Rahmer, J.; Dahnke, H.; Borgert, J. (2009-01-01). "Трехмерная визуализация магнитных частиц в реальном времени in vivo". Physics in Medicine and Biology . 54 (5): L1–L10. Bibcode : 2009PMB....54L...1W. doi : 10.1088/0031-9155/54/5/L01. ISSN  0031-9155. PMID  19204385. S2CID  2635545.
  2. ^ Ю, Элейн Й.; Бишоп, Минди; Чжэн, Бо; Фергюсон, Р. Мэтью; Кхандхар, Амит П.; Кемп, Скотт Дж.; Кришнан, Каннан М.; Гудвилл, Патрик У.; Конолли, Стивен М. (2017-03-08). «Магнитная визуализация частиц: новая платформа визуализации in vivo для обнаружения рака». Nano Letters . 17 (3): 1648–1654. Bibcode :2017NanoL..17.1648Y. doi :10.1021/acs.nanolett.6b04865. ISSN  1530-6984. PMC 5724561 . PMID  28206771. 
  3. ^ Чжэн, Бо; См., Марк П. фон; Ю, Элейн; Гунель, Белиз; Лу, Куан; Вазин, Тандис; Шаффер, Дэвид В.; Гудвилл, Патрик В.; Конолли, Стивен М. (2016). «Количественная визуализация магнитных частиц контролирует трансплантацию, биораспределение и клиренс стволовых клеток in vivo». Theranostics . 6 (3): 291–301. doi :10.7150/thno.13728. PMC 4737718 . PMID  26909106. 
  4. ^ Чжэн, Бо; Вазин, Тандис; Гудвилл, Патрик В.; Конвей, Энтони; Верма, Арадхана; Саритас, Эмине Улку; Шаффер, Дэвид; Конолли, Стивен М. (11.09.2015). «Магнитно-частичная визуализация отслеживает долгосрочную судьбу имплантатов нейронных клеток in vivo с высокой контрастностью изображения». Scientific Reports . 5 (1): 14055. Bibcode :2015NatSR...514055Z. doi :10.1038/srep14055. ISSN  2045-2322. PMC 4566119 . PMID  26358296. 
  5. ^ Херб, Константин; Мейсон, Эрика; Мэттингли, Эли; Мандевиль, Джозеф; Мандевиль, Эмири; Кули, Кларисса; Уолд, Лоуренс (2020). «Функциональный MPI (fMPI) гиперкапнии в мозге грызунов с визуализацией временных рядов MPI». Международный журнал по визуализации магнитных частиц . 6 (2/1). doi :10.18416/IJMPI.2020.2009009.
  6. ^ abc Chandrasekharan, Prashant; Tay, Zhi Wei; Zhou, Xinyi Yedda; Yu, Elaine; Orendorff, Ryan; Hensley, Daniel; Huynh, Quincy; Fung, KL Barry; VanHook, Caylin Colson; Goodwill, Patrick; Zheng, Bo (ноябрь 2018 г.). «Перспектива быстрого и безрадиационного метода визуализации с использованием трассеров, визуализации магнитных частиц, с перспективой клинического применения». The British Journal of Radiology . 91 (1091): 20180326. doi :10.1259/bjr.20180326. ISSN  1748-880X. PMC 6475963 . PMID  29888968. 
  7. ^ ab Кесельман, Пол; Ю, Элейн Ю.; Чжоу, Синьи Ю.; Гудвилл, Патрик У.; Чандрасекхаран, Прашант; Фергюсон, Р. Мэтью; Кхандхар, Амит П.; Кемп, Скотт Дж.; Кришнан, Каннан М.; Чжэн, Бо; Конолли, Стивен М. (2017-05-07). «Отслеживание краткосрочного биораспределения и долгосрочного выведения трассеров SPIO в магнитно-частичной визуализации». Физика в медицине и биологии . 62 (9): 3440–3453. Bibcode : 2017PMB....62.3440K. doi : 10.1088/1361-6560/aa5f48. ISSN  1361-6560. PMC 5739049. PMID  28177301 . 
  8. ^ Makela, Ashley V.; Gaudet, Jeffrey M.; Murrell, Donna H.; Mansfield, James R.; Wintermark, Max; Contag, Christopher H. (15.10.2021). «Mind Over Magnets — как визуализация магнитных частиц меняет наши представления о будущем нейронауки». Neuroscience . 474 : 100–109. doi : 10.1016/j.neuroscience.2020.10.036. ISSN  1873-7544. PMID  33197498. S2CID  226842684.
  9. ^ ab Talebloo, Nazanin; Gudi, Mithil; Robertson, Neil; Wang, Ping (2020). «Магнитная томография: современные приложения в биомедицинских исследованиях». Журнал магнитно-резонансной томографии . 51 (6): 1659–1668. doi : 10.1002/jmri.26875. ISSN  1522-2586. PMID  31332868. S2CID  198169801.
  10. ^ Гудвилл, Патрик (2012). «X-Space MPI: Магнитные наночастицы для безопасной медицинской визуализации». Advanced Materials . 24 (28): 3870–7. Bibcode : 2012AdM....24.3870G. doi : 10.1002/adma.201200221. hdl : 11693/53587 . PMID  22988557. S2CID  554405.
  11. ^ ab Биллингс, Кэролайн; Лэнгли, Митчелл; Уоррингтон, Гэвин; Машали, Фарзин; Джонсон, Жаклин Энн (январь 2021 г.). «Магнитная визуализация частиц: текущие и будущие применения, методы синтеза магнитных наночастиц и меры безопасности». Международный журнал молекулярных наук . 22 (14): 7651. doi : 10.3390/ijms22147651 . PMC 8306580. PMID  34299271 . 
  12. ^ Пантке, Деннис; Мюллер, Флориан; Рейнарц, Себастьян; Филиппс, Йонас; Мохаммадали Дадфар, Сейед; Петерс, Максимилиан; Франке, Йохен; Шранк, Франциска; Кисслинг, Фабиан; Шульц, Фолькмар (17.05.2022). "Частотно-селективное усиление сигнала с помощью пассивного двухкатушечного резонатора для визуализации магнитных частиц". Physics in Medicine & Biology . 67 (11): 115004. Bibcode :2022PMB....67k5004P. doi : 10.1088/1361-6560/ac6a9f . ISSN  0031-9155. PMID  35472698. S2CID  248404124.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки