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

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Leitura adicional

links externos