Научный руководитель: канд. мед. наук О.Ю. Бородин,

Сибирский государственный медицинский университет, г. Томск

Эта работа была опубликована в cборнике материалов I Всероссийской научной студенческой конференции с международным участием «МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ», под редакцией проф., д-ра мед. наук С.И. Карася (г. Томск, 10-11 ноября 2011 года). 

Введение. Одним из главных направлений развития клинической МР-томографии является применение контрастных препаратов с пато­физиологически обоснованными особенностями биокинетики. До настоящего времени в исследованиях использовались контрастные вещества, основанные на соединениях-парамагнетиках, представляю­щих собой неметаболизируемые органические комплексы Gd³+ и Mn²+. В Т1 -взвешанном режиме визуализации данные препараты усиливают интенсивность сигнала в местах своего накопления за счет укорочения времени спин-решеточной релаксации. Сейчас в практику МРТ входят и суперпарамагнитные контрастные препараты на основе оксидов же­леза, подавляющие интенсивность Т2-взвешенного изображения от нормальной ткани за счет укорочения времени релаксации соседних атомов водорода. Микрочастицы Fe₂O₃, размером менее 20 мкм, ак­тивно применяют для визуализации ретикулоэндотелиальной системы печени, а так же для контрастированной МР-лимфографии. Но из-за больших размеров кинетика данных частиц в организме определяется главным образом механическими свойствами, а не наличием на по­верхности соответствующих биологически активных молекул. К тому же биоразрушение таких молекул - достаточно длительный процесс [1].

Поэтому в настоящее время особый интерес представляет воз­можность использования в качестве контраста для МРТ наночастиц железа размером 1-10 нм, созданные по аналогии с препаратами

USPIO, которые используются для визуализации печени, так как долго циркулируют в крови и захватываются купферовскими клетками, что является эффективным в диагностике объемных образований и вто­ричных изменений печени [3].

Цель работы: изучение визуализационных возможностей поверх­ностно модифицрованных суперпарамагнитных наночастиц железа с мономолекулярным углеродным слоем.

Материал и методы. Исследования проводились на МРТ-сканере Toshiba Vantage с напряженностью магнитного поля 1,5 Т.

Для исследования использовались 3 контрастных препарата кар­бонизированных наночастиц Fe, взвешенных в растворе полиэти-ленгликоля (PEG):

1)      Fe@C;

2)      4 - карбоксифенил (гидрофильный);

3)      4 - гексилфенил (липофильный).

Карбонизированные наночастицы получали путем поверхностной модификации. Было получено 3 соединения: наночастицы, покрытые углеродом, наночастицы железа, содержащие группировки СООН (кар-бофенил) и С6Н13 (гексофенил). В России нет аналогов данных препа­ратов. Карбонизированные наночастицы синтезированы в Екатерин­бургском университете. Контрастные препараты были созданы в Том­ском Политехническом университете на кафедре органического синте­за.

Изучение потенциальной эффективности контрастирования МР-изображений изучаемыми веществами на Т1 - и Т2-взвешенных изоб­ражениях проводили с помощью релаксивности - величине, обратно пропорциональной времени релаксации.

Указанный параметр измеряли в экспериментах с фантомами. Рассчитывали величину релаксивности для каждого фантома в Т1 - и Т2-взвешенных изображениях и рассчитывали величину R1 и R2 всего раствора путем линейной интерпаляции.

Релаксивность R1 определяли методом «инверсия-восстанов­ление»: в режиме turbo-spin-echo с инверсией-восстановлением при времени TI = 11 мс - 1500 мс, TR = 2000 мс, ТЕ = 10 мс, толщина среза 10 мм.

Апроксимация кривых проводилась с использованием зависимо­сти S = A+A1*(1-2*exp(-TI/t1)+exp(-2000/t1)).

Релаксивность R2 определяли в режиме Turbo-Spin-Echo при фик­сированном времени TR = 5000 мс и при изменении времени эхо ТЕ = 60 - 120 мс, толщина среза 10 мм. Апроксимация кривых проводилась с использованием зависимости y = A1*exp(-x/t1) + y0.

Для изучения кинетики контрастных препаратов в организме про­водились эксперименты на животных. Исследования были выполнены на 6 мышах-самках, массой 20-25 г, с экспериментальной опухолью Эрлиха в мягких тканях бедра, с введением 1 мл Fe@C, концентрацией 0,1 мг/мл непосредственно в опухоль и внутрибрюшинно. Также прово­дились исследования на 5 крысах-самцах породы Vistar, весом 270 -310 г, с внутривенным введением 1 мл контрастных препаратов Fe@C, Fe@C-COOH, Fe@C-C₆H₁₃ концентрацией 0,1 мг/мл.

Для обеспечения неподвижности использовался наркозный препа­рат Золетил-100 - препарат для общей анестезии. После проведения анестезии животных фиксировали в положении на спине и помещали в центр магнитного поля томографа. Для исследования использовалась жесткая катушка для позвоночника с высоким соотношением уровня сигнал/фон.

С учетом преобладания суперпарамагнитных свойств исследуе­мых препаратов динамика изменений интенсивности МР-изображения оценивалась преимущественно в Т2-взвешеннном режиме по протоко­лу Turbo-Spin-Echo при фиксированном времени TR = 3500 мс и при изменении времени эхо ТЕ = 60 - 120 мс, толщина среза 10 мм.

Общая продолжительность сканирования составляла от 40 до 60 минут. Сначала выполнялась нативная МРТ, без введения контрастно­го препарата, затем крысам внутривенно вводился контрастный препа­рат и сканирование продолжалось.

Для сравнительной оценки контрастирующей активности исполь­зовалось отношение контраст-фон (CNR), рассчитываемое для печени. CNR рассчитывалось как отношение интенсивности области интереса (ткань печени) к величине стандартного отклонения от фона [1, 2, 3].

Результаты и обсуждения. При проведении релаксометрии, были получены следующие результаты: релаксивность R1 для Fe@C со­ставляет 13,294 мМ^-1с^-1, для 4 - карбоксифени (гидрофильный) - 3,153 мМ^-1с^-1, для 4 - гексилфенил (липофильный) - 91,558 мМ^-1с^-1, для Feridex (SPIOs) - 10 мМ^-1с^-1, для Combidex (USPIOs) - 15 мМ^-1с^-1. Ре­лаксивность R2 для Fe@C составляет 130 мМ^-1с^-1, для 4 - карбоксифе­ни (гидрофильный) - 38,16 мМ^-1с^-1, для 4 - гексилфенил (липофиль­ный) - 362,26 мМ^-1с^-1, для Feridex (SPIOs) - 104 мМ^-1с^-1, для Combidex (USPIOs) - 97 мМ^-1с^-1. Соотношение R2/R1 для Fe@C составляет 9,78, для 4 - карбоксифени (гидрофильный) - 12,1, для 4 - гексилфенил (липофильный) - 3,96, для Feridex (SPIOs) - 10,4, для Combidex

(USPIOs) - 6,5.

Высокая релаксивность указывает на лучшее взаимодействие кон­трастных средств с соседствующими протонами воды. Это результат быстрой релаксации протонов и усиления сигнала. Если вещество имеет высокую релаксивность, то теоретически возможно понизить до­зу контрастного агента с сохранением эффекта релаксации.

Таким образом, исходя из полученных данных, видно, что наибольшей релаксивностью R1 обладает липофильное контрастное вещество 4-гексилфенил, наименьшей - гидрофильный препарат 4-карбоксифенил. Также все контрастные препараты имеют высокую ре-лаксивность R2, причем у контрастного вещества 4-гексилфенил она значительно выше. Контрастные препараты Feridex (SPIOs) и Combidex (USPIOs) синтезированы в США, данные взяты из литературы и пред­ставлены в работе для сравнения [3].

Также важно соотношение R2/R1, показывающее во сколько раз релаксивность R2 превышает релаксивность R1. Чем больше данное отношение, тем в большей степени контрастное вещество подавляет интенсивность Т2-взвешенных изображений, при отсутствии значимого эффекта на Т1 -взвешенных изображениях. Наибольшим соотношени­ем R2/R1 обладает гидрофильное вещество 4-карбоксифенил, наименьшим - липофильный препарат 4-гексилфенил.

Изучение кинетики контрастных препаратов производилось в пи­лотных экспериментах на животных. При введении карбонизированных наночастиц железа мышам с экспериментальной опухолью Эрлиха непосредственно в строму опухоли, отмечалось хорошо визуализируе­мое подавление Т2-взвешенного изображения центральной кистозной области практически до уровня фона.

При введении контрастных препаратов крысам было также уста­новлено легко визуализируемое подавление интенсивности Т2-взвешенного изображения практически до уровня фона во всём объё­ме распространения контрастных препаратов.

Зависимость изменения параметра сигнал/шум от времени разли­чаются у исследуемых контрастных препаратов. Так, исходя из полу­ченных данных, можно предположить, что вещества Fe@C и 4-карбоксифенил кумулируются в печени на 3 и 21 минуте соответствен­но, тогда как контрастный препарат 4-гексилфенил циркулирует в крови в течение всего времени проведения исследования.

Выводы.

1.       Релаксивность поверхностно модифицированных растворов Fe@C-С6Н4-COOH, Fe@C-С6Н4-C6H13 отличается от релаксивности Fe@C, поверхностная модификация изменяет параметры фармакокинетики;

2.       Полученные контрастные препараты Fe@C, Fe@C-С6Н4-COOH, Fe@C-С6Н4-C6H13 наиболее эффективно влияют на время Т2-релаксации, что позволяет их отнести к суперпарамагнитным Т2-негативным контрастным соединениям;

3.       Соединение Fe@C-С6Н4-C6H13 скорее всего достаточно стойкое и длительно циркулирует в крови;

4.       Требуется дальнейшее детальное статистическое исследование по­лученных результатов.

5. Экспериментальные животные не погибли в рамках пилотных испы­таний после проведенного исследования, следовательно контрастные препараты вероятнее всего безопасны, однако требуется дальнейшее детальное исследование токсичности.

Список литературы:

1.              Бородин О.Ю., Белянин М.Л., Филимонов В.Д., Ермаков А.Е., Федущак Т.А., Постников П.С., Антипов С.А., Усов В.Ю. Возможность применения суперпара­магнитных поверхностно карбонизированных наносфер в качестве контрастного препарата для Т2-взвешенных МР-томографических исследований. // Медицин­ская визуализация. Спец.выпуск. - 2009. - С. 69-70.

2.              Чижиков В.И. Практикум по магнитному резонансу / В.И. Чижиков. - СПб.: Изд. С.-Петербургского университета, 2009. - 254 с.

3.              Jin Hyung Lee, Sarah P. Sherlock, Masahiro Terashima. High-contrast in vivo visual­ization of microvessels using novel FeCo/GC magnetic nanocrystals. Magnetic Res-onanse in Medicine, 2008 62:1497 - 1509 (2009).