Imagem de partícula magnética - Magnetic particle imaging
A imagem de partículas magnéticas ( MPI ) é uma técnica tomográfica não invasiva emergente que detecta diretamente traçadores de nanopartículas superparamagnéticas . A tecnologia tem aplicações potenciais em diagnóstico por imagem e ciência de materiais . Atualmente, ele é usado em pesquisas médicas para medir a localização 3-D e a concentração de nanopartículas . A geração de imagens não usa radiação ionizante e pode produzir um sinal em qualquer profundidade do corpo. O MPI foi concebido pela primeira vez em 2001 por cientistas que trabalhavam no Royal Philips Research lab em Hamburgo . O primeiro sistema foi estabelecido e relatado em 2005. Desde então, a tecnologia foi desenvolvida por pesquisadores acadêmicos em várias universidades ao redor do mundo. Os primeiros leitores MPI comerciais foram disponibilizados recentemente pela Magnetic Insight e Bruker Biospin .
O hardware usado para MPI é muito diferente do MRI . Os sistemas MPI usam campos magnéticos variáveis para gerar um sinal de nanopartículas de óxido de ferro superparamagnético (SPIO). Esses campos são projetados especificamente para produzir uma única região livre de campo magnético. Um sinal é gerado apenas nesta região. Uma imagem é gerada movendo esta região através de uma amostra. Como não há SPIO natural no tecido , um sinal só é detectado a partir do traçador administrado. Isso fornece imagens sem fundo. O MPI é frequentemente usado em combinação com técnicas de imagem anatômicas (como TC ou RNM ), fornecendo informações sobre a localização do traçador.
Formulários
A imagem de partículas magnéticas combina alta sensibilidade do traçador com resolução submilimétrica . A geração de imagens é realizada em um intervalo de milissegundos a segundos. O traçador de óxido de ferro usado com MPI é eliminado naturalmente pelo corpo através do sistema de fagócitos mononucleares . As nanopartículas de óxido de ferro são decompostas no fígado , onde o ferro é armazenado e usado para produzir hemoglobina. SPIOs já foram usados em humanos para suplementação de ferro e imagens do fígado .
Imagem de piscina de sangue
Cardiovascular
Os primeiros resultados in vivo MPI forneceram imagens de um coração de rato batendo em 2009. Com mais pesquisas, isso poderia eventualmente ser usado para imagens cardíacas em tempo real .
Oncologia
O MPI tem inúmeras aplicações no campo da pesquisa oncológica. O acúmulo de um traçador dentro de tumores sólidos pode ocorrer por meio do aumento da permeabilidade e do efeito de retenção . Isso foi usado com sucesso para detectar locais de tumor em ratos. A alta sensibilidade da técnica significa que também pode ser possível obter imagens de micro-metástases por meio do desenvolvimento de nanopartículas direcionadas às células cancerosas. O MPI está sendo investigado como uma técnica de triagem clínica alternativa à medicina nuclear , a fim de reduzir a exposição à radiação em populações de risco.
Rastreamento de células
Ao marcar células terapêuticas com nanopartículas de óxido de ferro, o MPI permite que elas sejam rastreadas por todo o corpo. Isso tem aplicações em medicina regenerativa e imunoterapia contra o câncer . As imagens podem ser usadas para melhorar o sucesso da terapia com células-tronco , seguindo o movimento dessas células no corpo. O rastreador é estável enquanto marcado em uma célula e permanece detectável após 87 dias.
Imagens funcionais do cérebro
O MPI foi proposto como uma plataforma promissora para imagens cerebrais funcionais que requerem imagens altamente sensíveis, bem como tempos de varredura curtos para resolução temporal suficiente. Para isso, o MPI é utilizado para detectar o aumento do volume sanguíneo cerebral (VBC) decorrente da neuroativação. A neuroimagem funcional usando MPI foi demonstrada com sucesso em roedores e tem uma vantagem de sensibilidade promissora em comparação com outras modalidades de imagem. A longo prazo, isso poderia permitir o estudo da neuroativação funcional em um único paciente e, assim, trazer a neuroimagem funcional para o diagnóstico clínico.
Traçador superparamagnético
O rastreador SPIO usado na imagem de partículas magnéticas é detectável em fluidos biológicos , como o sangue . Este fluido é muito responsivo até mesmo a campos magnéticos fracos , e todos os momentos magnéticos se alinham na direção de um campo magnético induzido. Essas partículas podem ser usadas porque o corpo humano não contém nada que crie interferência magnética na imagem. Como o único traçador, as propriedades dos SPIONs são de importância fundamental para a intensidade do sinal e a resolução do MPI. Nanopartículas de óxido de ferro, devido aos seus dipolos magnéticos, apresentam magnetização espontânea que pode ser controlada por um campo magnético aplicado. Portanto, o desempenho de SPIONs em MPI é criticamente dependente de suas propriedades magnéticas, como magnetização de saturação, diâmetro magnético e mecanismo de relaxamento. A figura à direita é uma imagem representativa de uma Point Spread Function (PSF) obtida usando o Relax Mode no MPI scanner, apontando a intensidade do sinal e largura total na metade do máximo (FWHM) que corresponde à resolução do sinal. Após a aplicação de um campo magnético externo, o relaxamento de SPIONs pode ser governado por dois mecanismos, relaxamento de Néel e browniano. Quando toda a partícula gira em relação ao meio ambiente, ela segue o relaxamento browniano, que é afetado pelo diâmetro físico. Quando apenas o dipolo magnético gira dentro das partículas, o mecanismo é chamado de relaxamento de Néel, que é afetado pelo diâmetro magnético. De acordo com o modelo de superparamagnetismo de Langevin, a resolução espacial do MPI deve melhorar cubicamente com o diâmetro magnético, que pode ser obtido ajustando a curva de magnetização versus campo magnético a um modelo de Langevin. No entanto, cálculos mais recentes sugerem que existe uma faixa de tamanho magnético de SPIONs ideal (~ 26 nm) para MPI. Isso se deve ao embaçamento causado pelo relaxamento browniano de SPIONs magnéticos grandes. Embora o tamanho magnético afete criticamente o desempenho do MPI, muitas vezes é mal analisado em publicações que relatam aplicações de MPI usando SPIONs. Freqüentemente, traçadores disponíveis comercialmente ou traçadores caseiros são usados sem caracterização magnética completa. É importante ressaltar que devido à inclinação de rotação e desordem na superfície, ou devido à formação de nanopartículas de fase mista, o diâmetro magnético equivalente pode ser menor do que o diâmetro físico. E o diâmetro magnético é crítico por causa da resposta das partículas a um campo magnético aplicado dependente do diâmetro magnético, não do diâmetro físico. O maior diâmetro magnético equivalente pode ser igual ao diâmetro físico. Um artigo de revisão recente de Chandrasekharan et al. resume as propriedades de vários agentes de contraste de óxido de ferro e seu desempenho MPI medido usando seu espectrômetro de partícula magnética interno, mostrado na imagem aqui. Deve-se ressaltar que o diâmetro do núcleo listado na tabela não é necessariamente o diâmetro magnético. A tabela fornece uma comparação de todos os SPIONs publicados atuais para agentes de contraste MPI. Como visto na tabela, LS017, com um tamanho de núcleo SPION de 28,7 nm e sintetizado através do aquecimento da decomposição térmica com oxidação pós-síntese, tem a melhor resolução em comparação com outros com tamanho de núcleo inferior. Resovist (Ferucarbotran), consistindo de óxido de ferro feito por coprecipitação, é o marcador mais comumente usado e disponível comercialmente. No entanto, como sugerido por Gleich et al., Apenas 3% da massa total de ferro do Resovist contribui para o sinal de MPI devido à sua polidispersidade, levando a uma sensibilidade relativamente baixa do MPI. A intensidade do sinal do MPI é influenciada pelo diâmetro do núcleo magnético e pela distribuição do tamanho dos SPIONs. Comparando a sensibilidade MPI listada na tabela acima, LS017 tem a maior intensidade de sinal (54,57 V / g de Fe), pois as partículas são monodispersas e possuem um grande diâmetro magnético em comparação com outras.
O revestimento de superfície das SPIONs também é de fundamental importância, pois influencia a estabilidade, o comportamento farmacocinético e a biodistribuição de partículas em ambientes biológicos. A biodistribuição de carboxi-dextrano e SPIONs modificados por PEG foram estudados por Keselman et al. usando MPI. Os resultados sugeriram que as SPIONs modificadas com PEG tinham uma meia-vida sanguínea relativamente longa de 4,2 h antes da absorção pelo fígado e baço, em comparação com as SPIONs revestidas com carboxidextrano que se dissiparam rapidamente para o fígado. A escolha do revestimento de superfície influencia as aplicações potenciais usando MPI. Um SPION revestido com carboxi-dextrano é útil para a imagem do fígado, enquanto as partículas modificadas com PEG são mais preferidas para a circulação de longo prazo.
Levando em consideração todos esses conceitos e informações, podemos começar a definir que as partículas "ideais" no contexto de produção de melhor sensibilidade e resolução de MPI devem possuir as seguintes características:
- tamanho do núcleo magnético em torno de 26 nm e próximo ao diâmetro físico
- monodisperso
- revestimento de superfície adequado
Vantagens
- Alta resolução (~ 0,4 mm)
- Resultados de imagem rápidos (~ 20 ms)
- Sem radiação
- Sem iodo
- Sem ruído de fundo (alto contraste)
Congressos, workshops
Referências
- ^ Weizenecker, J .; Gleich, B .; Rahmer, J .; Dahnke, H .; Borgert, J. (01-01-2009). "Imagem tridimensional de partículas magnéticas in vivo em tempo real". Física em Medicina e Biologia . 54 (5): L1 – L10. Bibcode : 2009PMB .... 54L ... 1W . doi : 10.1088 / 0031-9155 / 54/5 / L01 . ISSN 0031-9155 . PMID 19204385 .
- ^ Yu, Elaine Y .; Bispo, Mindy; Zheng, Bo; Ferguson, R. Matthew; Khandhar, Amit P .; Kemp, Scott J .; Krishnan, Kannan M .; Goodwill, Patrick W .; Conolly, Steven M. (08-03-2017). "Magnetic Particle Imaging: A Novel in Vivo Imaging Platform for Cancer Detection" . Nano Letters . 17 (3): 1648–1654. Bibcode : 2017NanoL..17.1648Y . doi : 10.1021 / acs.nanolett.6b04865 . ISSN 1530-6984 . PMC 5724561 . PMID 28206771 .
- ^ Zheng, Bo; Veja, Marc P. von; Yu, Elaine; Gunel, Beliz; Lu, Kuan; Vazin, Tandis; Schaffer, David V .; Goodwill, Patrick W .; Conolly, Steven M. (2016). "Quantitative Magnetic Particle Imaging Monitors the Transplantation, Biodistribution, and Clearance of Stem Cells In Vivo" . Teranóstica . 6 (3): 291–301. doi : 10.7150 / thno.13728 . PMC 4737718 . PMID 26909106 .
- ^ Zheng, Bo; Vazin, Tandis; Goodwill, Patrick W .; Conway, Anthony; Verma, Aradhana; Saritas, Emine Ulku; Schaffer, David; Conolly, Steven M. (11/09/2015). "Magnetic Particle Imaging rastreia o destino de longo prazo de implantes de células neurais in vivo com alto contraste de imagem" . Relatórios científicos . 5 (1): 14055. bibcode : 2015NatSR ... 514055Z . doi : 10.1038 / srep14055 . ISSN 2045-2322 . PMC 4566119 . PMID 26358296 .
- ^ Erva, Konstantin; Mason, Erica; Mattingly, Eli; Mandeville, Joseph; Mandeville, Emiri; Cooley, Clarissa; Wald, Lawrence (2020). "Functional MPI (fMPI) of hypercapnia in roedor brain with MPI time-series imaging". International Journal on Magnetic Particle Imaging . 6 (2/1). doi : 10.18416 / IJMPI.2020.2009009 .
- ^ Goodwill, Patrick (2012). "X-Space MPI: Nanopartículas magnéticas para imagens médicas seguras". Materiais avançados . 24 (28): 3870–7. doi : 10.1002 / adma.201200221 . hdl : 11693/53587 . PMID 22988557 .
- ^ Chandrasekharan, P (2018). "Uma perspectiva de uma modalidade de imagem de rastreamento rápido e livre de radiação, imagem de partícula magnética, com promessa de tradução clínica" . British Journal of Radiology . 91 (1091). doi : 10.1259 / bjr.20180326 . PMC 6475963 . PMID 29888968 .
Leitura adicional
- Primeira imagem de partícula magnética in vivo de perfusão pulmonar em ratos . Zhou XY, Jeffris K, Yu E, Zheng B, Goodwill P, Nahid P, Conolly S. Phys Med Biol. 20 de fevereiro de 2017.
- Rastreamento de biodistribuição de curto prazo e depuração de longo prazo de traçadores SPIO em imagens de partículas magnéticas . Keselman P, Yu E, Zhou X, Goodwill P, Chandrasekharan P, Ferguson RM, Khandhar A, Kemp S, Krishnan K, Zheng B, Conolly S. Phys Med Biol. 8 de fevereiro de 2017
- Avaliação de nanopartículas de óxido de ferro revestidas com PEG como traçadores de pool de sangue para imagens de partículas magnéticas pré-clínicas . Khandhar AP, Keselman P, Kemp SJ, Ferguson RM, Goodwill PW, Conolly SM, Krishnan KM. Nanoscale. 19 de janeiro de 2017; 9 (3): 1299-1306.
- Combinando imagens de partículas magnéticas e hipertermia de fluido magnético em uma plataforma teranóstica . Hensley DW, Tay ZW, Dhavalikar R, Zheng B, Goodwill P, Rinaldi C, Conolly S. Phys Med Biol. 29 de dezembro de 2016.
- Relaxamento magnético finito em imagens de partículas magnéticas no espaço x: comparação de medidas e modelos ferrohidrodinâmicos. Dhavalikar R, Hensley D, Maldonado-Camargo L, Croft LR, Ceron S, Goodwill PW, Conolly SM, Rinaldi C. J Phys D Appl Phys. 3 de agosto de 2016; 49 (30)
- Um Espectrômetro MPI e Relaxômetro de alto rendimento, forma de onda arbitrária para otimização e caracterização abrangente de partículas magnéticas . Tay ZW, Goodwill PW, Hensley DW, Taylor LA, Zheng B, Conolly SM. Sci Rep. 30 de setembro de 2016; 6: 34180.
- Relaxômetro de espaço x protegido por corrente parasita para caracterização de nanopartículas magnéticas sensíveis . Bauer LM, Hensley DW, Zheng B, Tay ZW, Goodwill PW, Griswold MA, Conolly SM. Rev Sci Instrum. Maio de 2016; 87 (5): 055109.
- Baixa amplitude campo carro para uma melhor resolução de imagem em imagem de partículas magnéticas . Croft LR, Goodwill PW, Konkle JJ, Arami H, Price DA, Li AX, Saritas EU, Conolly SM. Med Phys. Janeiro de 2016; 43 (1): 424. doi: 10.1118 / 1.4938097.
- Uma Formulação Convexa para Reconstrução do Espaço X por Imagiologia de Partículas Magnéticas . Konkle JJ, Goodwill PW, Hensley DW, Orendorff RD, Lustig M, Conolly SM. PLoS One. 23 de outubro de 2015; 10 (10): e0140137. doi: 10.1371 / journal.pone.0140137.
- Efeitos da duração do pulso nos limiares da magnetostimulação .Saritas EU, Goodwill PW, Conolly SM. Med Phys. Junho de 2015; 42 (6): 3005-12. doi: 10.1118 / 1.4921209.
- Imagem de partícula magnética multimodal (MPI) in vivo com agentes de contraste magneto / óptico personalizados . Arami H, Khandhar AP, Tomitaka A, Yu E, Goodwill PW, Conolly SM, Krishnan KM. Biomateriais. Junho de 2015; 52: 251-61. doi: 10.1016 / j.biomaterials.2015.02.040.
- Imagem de partícula magnética com traçadores de nanopartículas de óxido de ferro sob medida. Ferguson RM, Khandhar AP, Kemp SJ, Arami H, Saritas EU, Croft LR, Konkle J, Goodwill PW, Halkola A, Rahmer J, Borgert J, Conolly SM, Krishnan KM. IEEE Trans Med Imaging. Maio de 2015; 34 (5): 1077-84. doi: 10.1109 / TMI.2014.2375065.
- Aceleração de 20 vezes da reconstrução de projeção 3D MPI . Konkle JJ, Goodwill PW, Saritas EU, Zheng B, Lu K, Conolly SM. Biomed Tech (Berl). Dezembro de 2013; 58 (6): 565-76. doi: 10.1515 / bmt-2012-0062.
- Limites de magnetostimulação em imagens de partículas magnéticas . Saritas EU, Goodwill PW, Zhang GZ, Conolly SM. IEEE Trans Med Imaging. Set 2013; 32 (9): 1600-10. doi: 10.1109 / TMI.2013.2260764 ..
- Linearidade e invariância de deslocamento para imagens quantitativas de partículas magnéticas . Lu K, Goodwill PW, Saritas EU, Zheng B, Conolly SM. IEEE Trans Med Imaging. Set 2013; 32 (9): 1565-75. doi: 10.1109 / TMI.2013.2257177.
- Imagem de partículas magnéticas (MPI) para pesquisadores de RMN e RM . Saritas EU, Goodwill PW, Croft LR, Konkle JJ, Lu K, Zheng B, Conolly SM. J Magn Reson. Abril de 2013; 229: 116-26. doi: 10.1016 / j.jmr.2012.11.029. Análise.
- Imagem de partículas magnéticas de reconstrução por projeção . Konkle JJ, Goodwill PW, Carrasco-Zevallos OM, Conolly SM. IEEE Trans Med Imaging. Fev 2013; 32 (2): 338-47. doi: 10.1109 / TMI.2012.2227121.
links externos
- Magnetic Insight, Inc. - Comercializando tecnologia MPI desenvolvida originalmente na Universidade da Califórnia, Berkeley 11/2014
- Compreendendo imagens de partículas magnéticas
- O Sistema de Imagem de Partículas Magnéticas MOMENTUM
- J.-P. Gehrcke. Caracterização do sinal de imagem de partículas magnéticas com base na teoria, simulação e experimento . M. Sc. tese, Universidade de Würzburg, 2010.
- Imagem de partículas magnéticas: avançando, medicalphysicsweb.org 12 de abril de 2011
- "Travelling Wave MPI na Universidade de Würzburg"
- "Magnetic Particle Imaging (MPI) at RWTH Aachen University"
- "MPI work at University of California, Berkeley"
- "Pesquisa MPI na Universidade de Lübeck"
- "Philips anuncia inovação em tecnologia de imagens médicas"
- O que você vê é o que você tem
- Abrindo novos caminhos em imagens moleculares
- Lançando uma boa imagem. Radiologia hoje maio de 2017