مقالات
در حال خواندن
نانو ذرات مغناطیسی درابزارهای تصویر برداری پزشکی ؛ قسمت اول
0

ویژگی ها و مزایای منحصر به فرد نانو ذرات مغناطیسی برتری این ذرات به عنوان عوامل کنتراست در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)را موجب می شود. اساس کار MRI بر پایه بر هم کنش بین میدان مغناطیسی و پروتون های بافتی می باشد. بررسی ها نشان داده است که استفاده از نانوذرات مغناطیسی در MRI، کنتراست بهتری از تصاویر را به همراه دارد و امکان تصویربرداری در سطوح سلولی و ملکولی را فراهم می کند. در این مقاله توضیح مختصری از نحوه عملکرد MRI داده شده است، هم چنین مقایسه ای بین نانوذرات مغناطیسی و سایر عوامل کنتراست انجام شده است و علت برتری و افزایش کنتراست حاصل از نانوذرات مغناطیسی بحث شده است و در ادامه توضیحات کلی در مورد ساختار ذرات استفاده شده، داده شده است.

۱- تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)

نمایش جزئیات ویدیو (MRIتصویربرداری تشدید مغناطیس)

(MRI (magnetic resonance imagingیک ابزار قدرتمند پزشکی در زمینه تشخیص می باشد [۱]. استراژی اصلی برای درمان بیماری ها در تشخیص سریع آنها می باشد و هرچه بیماری در مراحل ابتدائی تر شناسایی شود امید به درمان موفقیت آمیز آن بیشتر است. MRI بر پایه پدیده رزونانس مغناطیسی هسته همراه با عامل کنتراست مناسب، امکان تشخیص زودهنگام سرطان وانواع بیماری ها را فراهم می آورد [۲].

۱-۱- اصول کنتراست MRI
در MRI یک میدان مغناطیسی قوی بکار می رود که ممان های مغناطیسی پروتون در نمونه را هم جهت می کند و یک مغناطیس پذیری به بزرگی M0 در راستای محور z (Mz) تولید می کند (شکل ۱). یک پالس فرکانس رادیویی(RF) در فرکانس تشدید و با قابلیت انتقال انرژی به پروتون، با چرخش ممان های مغناطیسی پروتون ها، باعث دور شدن آنها از محور Z و قرار گرفتن آنها در زاویه ای می شود که زاویه فلیپ نام دارد. انتخاب زاویه فلیپ وابسته به توالی تصویر برداری اعمالی می باشد، اما عموما در صفحه عرضی (صفحه xy) قرار می گیرد و باعث مغناطیس پذیری خالص Mxyمی شود. با برداشتن RF ممان های مغناطیسی پروتون به حالت اول (تعادل) آسایش می یابند. زمان مورد نیاز برای آسایش ممان های مغناطیسی به حالت تعادل، که اصطلاحا زمان آسایش نام دارد، به نوع بافت وابسته است[۳و۴].

شکل۱- رزونانس مغناطیسی برای تجمعی از پروتون ها با گشتاور مغناطیسی شبکه m در حضور میدان مغناطیسی خارجی B0

کنتراست MRI در بافت های نرم به علت تفاوت در دانسیته پروتون، زمان آسایش اسپین-شبکه (T1) و زمان آسایش اسپین-اسپین (T2) پروتون ایجاد می شود.T1ثابت زمانی فرآیند بازیابی نمایی M0 در راستای محور Z بعد از اعمال پالس RF می باشد. پروتون هایی که سریع آسایش می یابند (T1کوتاه دارند)، مغناطیس پذیری کامل در جهت محور Z را دوباره ایجاد می کنند و سیگنال با شدت های بالا تولید می کنند. برای پروتون هایی که آهسته تر آسایش می یابند (T2طولانی دارند)، مغناطیس پذیری کامل قبل از برداشتن پالس RF، مجددا ایجاد نمی شود و بنابراین این پروتون ها به طور ذاتی سیگنال ضعیف تری تولید می کتتد و منجر به ایجاد پدیده ای به نام اثر اشباع می شوند. تصاویر وزن T1 آناتومی را به خوبی نشان می دهند و هنگامی که تصاویر واضح از ساختار مورد نیاز است، ارجحیت دارند [۴].

نمایش جزئیات ویدیو (رزونانس مغناطیس هسته و زمان های آسایش)

T2ثابت زمانی از بین رفتن نمایی مغناطیس پذیری عرضی (Mxy) بعد از اعمال پالس RF می باشد. T2 مرتبط با مقدار زمان مورد نیاز ممان های مغناطیسی پروتون ها برای تغییر جهت و قرار گرقتن تصادفی در راستای صفحه xy بعد از اعمال RF می باشد و نهایتا منجر به ممان مغناطیسی خالص صفر در صفحه xy می شود. این فرآیند بی فاز شدن، می تواند به وسیله ترکیب شدن ناهمگونی های موضعی میدان مغناظیسی در نتیجه بر همکنش مولکول های مجاور و همچنین بوسیله اثرات ماکروسکوپیک مرتبط با تغییرات کوچک در میدان مغناطیسی خارجی ایجاد شود. وقتی که زمان بی فاز شدن هم برای برهمکنش های مولکولی و هم برای ناهمگونی های میدان مغناطیسی خارجی محاسبه شود، اصطلاحا به آن T2* گفته می شود و تصاویر تولید شده تصاویر با وزن T2* خوانده می شوند. تصاویر با وزن T2 با حذف اثرات بی فاز شدن مربوط به ناهمگونی های میدان خارجی تولید می شود و فقط برای برهمکنش های مولکولی محاسبه می شود. تصاویر وزن T2 زمانی که مایعات غیرنرمال در برابر زمینه بافت نرمال روشن ظاهر می شوند، اطلاعات پاتولوژیک خوبی می دهد.

از آنجایی که بین محتوای آب اندامها و بافتها تفاوت وجود دارد، و همچنین در خیلی از بیماریها روند آسیب رسانی منجر به تغییر در محتوای آب می شود، این روش تصویر برداری بطور وسیع در پزشکی بکار برده می شود[۱]. دستگاه MRI لوله‌‌ای است که بوسیله آهنربای دایره‌ای شکل دواری احاطه شده است (شکل۲). این آهنربا میدان مغناطیسی ایجاد می کند. در اینجا امواج رادیویی با طول موجهای متفاوت سطح نمونه را اسکن می کنند.

شکل۲-نمایی از دستگاه MRI

هنگامیکه یک میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می شود، هسته چرخشی در فرکانس لارمور (Larmor) دارد و از دو سطح انرژی بالا و پایین تشکیل می شود[۳]. نمونه با جذب انرژی از موج رادیویی هم فرکانس با تفاوت دو تراز، به حالت انرژی بالاتری می روند و در راستای میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند و با قطع میدان، این هسته ها به حالت اولیه خود برمی گردند[۱] و در برگشت به سطح قبلی امواج رادیویی ( (RFدر فرکانس Larmor را منتشر می کنند. سیگنال RF با سیم پیچ رادیوفرکانسی دریافت می‌شود و آن میزان تفاوت بین دو سطح را نشان می دهد [۳].سپس سیم امواج دریافتی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. این جریانها تقویت می‌شوند و به عنوان سیگنالهای MRI به رایانه داده می‌شود. رایانه با استفاده از سیستم تبدیلی به نام تبدیل فوریه این داده ها را به تصویر تبدیل می‌کنند. این تصویر بسیار دقیق است و تغییرات بسیار کوچک را نیز می‌تواند نشان دهد [۱].

نمایش جزئیات ویدیو (فرکانس لارمور در NMR و MRI)

۲-۱- مزایای MRI:

• غیر هجومی است
• رزولوشن فضایی بالایی دارد
• توانایی توموگرافی چند بعدی دارد
و مشکل آن حساسیت پایین می باشد.

نمایش جزئیات ویدیو (تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و آنالیز بافت های زنده)

توانایی تکنیک های مدرن MRI در تمایز بین بافت های بیمار، توموری وملتهب به عامل کنتراست استفاده شده بستگی دارد. عوامل کنتراست که غالبا استفاده می شده است شامل یون های فلزی پارامغناطیس مثل +Mn2+,Fe 3 یا شلات های نادر زمین مثل +Gd3 می باشد که استفاده از اینها یکسری معایبی دارد.

۳-۱- عوامل کنتراست در MRI
در بیشتر بافت ها، تغییرات ذاتی T1 و T2 کوچک است و اغلب در کاربرد های بالینی، مواد خارجی برای تقویت کنتراست بین بافت هدف و بافت های اطراف بکار می روند. در حالی که تقریبا تمام عوامل کنتراست MRI بر هر دو زمان T1 و T2تاثیر دارند، اما اثر عوامل کنتراست معمولا بر روی یکی از زمان های T1 یا T2 برجسته تر است که منجر به تقسیم بندی این پروب ها به عوامل کنتراست T1 یا T2می شود. عوامل کنتراست T1برای افزایش شدت سیگنالی بکار می رود که با عث تقویت کنتراست مثبت در تصاویر وزن T1می شود، در حالی که عوامل کنتراست T2شدت سیگنال را کاهش می دهد و منجر به تقویت کنتراست منفی در تصاویر وزن T2می شود. در حال حاضر بیشتر عوامل کنتراست مورد استفاده در بالین، مبتی بر شلاته های پارامغناطیس فلزات لانتانید مانند گادولینیم می باشد .حضور یون های پارامغناطیس نزدیک پروتون های آب، زمان آسایشT1 آنها را از طریق هماهنگی با مولکول های آب کاهش می دهد و باعث افزایش کنتراست می شود. با وجود اینکه که شلاته های گادولینیم به طور وسیع استفاده می شوند اما زمان کوتاه در گردش خون آنها، حساسیت ردیابی ضعیف و نگرانی های مربوط به سمیت، منجر به توسعه پیوسته نانوذرات مغناطیسی ها به عنوان تقویت کننده های کنتراست شده است [۵].

۴-۱- معایب عوامل کنتراست معمول در MRI
• سمیت
منگنز آزاد مشکلاتی در سیستم های مختلف بدن از جمله قلبی عروقی، سیستم عصبی مرکزی، ریه،کبد، سمیت روی تولیدمثل و جنین را بدنبال دارد و گادولونیوم سمیت زیادی بر عملکرد کلیه دارد [۵].
• زمان حضور در بدن بسیار کوتاهی دارند که بررسی را مشکل می کند.
• توانایی مشخص کردن کامل بافت ملتهب اترواسکلروزیس، متاستاز سرطان و نشان دادن مراحل بهبود حاصل از درمان را ندارد.
• این عوامل عملکرد منفردی دارند و قابلیت های دیگر مثل انتقال دارو را ندارند [۵].

۵-۱-محاسن نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست
• سمیت پایینی دارند و زیست سازگارهستند مثلا در استفاده ازآهن اکسید چون مقدار آن نسبت به آهن بدن بسیار کمتر است طبق مکانیسم های هموستاتیک آهن فیزیولوژیک متابولیزه می شود و تغییر چندانی در میزان آنزیم های کبدی و استرس اکسیداتیو به همراه ندارد (شکل۳) وعلاوه بر این استفاده از پوشش روی سطح سمیت آن را کمتر می کند .

 

شکل ٣- تاثیر نانوذرات مغناطیسی بر استرس اکسیداتیو و میزان آنزیم های کبدی

شکل ٣- تاثیر نانوذرات مغناطیسی بر استرس اکسیداتیو و میزان آنزیم های کبدی

• مدت زمان حضور بالایی در خون دارند و با استفاده از پوشش در سطح می توان کلیرانس ذرات را به تعویق انداخت و مدت زمان حضور خونی را افزایش داد.
• توانایی حمل انواع داروهای هیدروفوب مثلpaclitaxel ,doxorubicin به بافت را نیز دارند (شکل۴)

 

شکل4- امکان همراهی دارو با نانو ذرات

شکل۴- امکان همراهی دارو با نانو ذرات

• کنتراست خوبی دارند [۵]. شکل ۵ کنتراست بهتر در تصاویر با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی را نشان می دهد.

شکل 5 - کنتراست خوب تصاویر حاصل از نانوذرات مغناطیسی

شکل ۵ – کنتراست خوب تصاویر حاصل از نانوذرات مغناطیسی

-چگونه نانوذرات مغناطیسی کنتراست تصاویر را بهبود می بخشند؟
این ذرات با ساختار کوچک خود منجر به کاهش زمانT1و T2 می شوندکه منجر به تیره شدن زمینه تصویر [۷] و افزایش کنتراست و حساسیت می شود.

شکل 6 - تاثیر نانو ذرات مغناطیسی در افزایش کنتراست تصاویر

شکل ۶ – تاثیر نانو ذرات مغناطیسی در افزایش کنتراست تصاویر

نانوذرات سوپر پارامغناطیس(SPM) در میدان مغناطیسی به کاررفته در MRI، اشباع مغناطیسی شده و قادر به تولید میدان دوقطبی مختل کننده موضعی می باشند و بدین شکل مقدار T1,T2 را کاهش می دهند [۳]. واژه سوپرپارامغناطیس از طبیعت پارامغناطیس قوی ذرات با این سایز ناشی می شود. این ذرات وقتی تحت میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند مومنتوم ذرات در راستای میدان قرار می گیرد و جریان مغناطیسی را افزایش می دهد.

بنابراین، تصویرسازی از ذرات SPIO ها نیست بلکه اثر آن روی آسایش طولی و عرضی از هسته های محیط اطراف می باشد [۸]. SPIO به ذرات آهن اکسید با خصوصیات سوپرپارامغناطیسی می گویند که از اندازه آنها در محدوده نانو منشا می گیرد. وقتی ذرات به محدوده سوپرپارامغناطیسی وارد می شوند لوپ هیسترزیس را از دست می دهند، بنابراین شدیدا از میدان مغناطیسی خارجی تاثیر می پذیرند.

بعد از حذف میدان مغناطیسی، در جهت حذف پسماند های میدان، حرکات براونی جهت دهی تصادفی SPIO ها را موجب می شود. حرکات براونی از تجمع SPIO ها به دلیل جاذبه مغناطیسی جلوگیری می کند [۸]. هم چنین با ایجاد پوشش در سطح نانوذرات با گروه های عملکردی خاص مثل آنتی بادی مونوکلونال و پروتئین اختصاصیت تشخیص و هیدروفیلیسیتی را درکاربری های MRI افزایش می دهند [۲]. به همین دلایل برای تقویت سیگنال از نانوذرات و نانوکریستال های مغناطیسی (با ویژگی هایی مثل اندازه کوچک، مغناطیس قوی، زیست سازگاری و عملکرد فعال برای گیرنده) استفاده می کنند[۳]. در سال ۲۰۰۵ ایده استفاده از نانو ذرات آهن اکسید سوپرپارامغناطیس ۳(SPIO) در MRI مطرح شد [۹].

پروب های نانو ذرات مغناطیسی برای کاربردهای تصویربرداری درزیست پزشکی شامل هسته SPIO های با اندازه نانو از نوع مگنتیت۴(Fe3O4) و یا مگهمیت۵(γ Fe2O3) .- با کاربرد بیشترازمگنتیت- همراه پوششی از پلی ساکارید، پلیمر و یا مونومر سنتزی می باشد [۸ و۹].

٣- تصویربرداری ملکولی
تکنولوژی در حال گسترش تصویر برداری ملکولی نقش اساسی در بخش پژوهشی و کاربردی علوم زیستی دارد. تصویر برداری ملکولی حد فاصل علوم زیستی و فیزیک است و با تسهیل برهم کنش تکنیک استفاده شده با ساختار زیستی در سطح ملکولی تصویر ایجاد می کند.
تصویربرداری ملکولی تعاریف مختلفی دارد و به عنوان روشی غیر هجومی،کمی وتکرار پذیر، تصویربرداری از ماکروملکول های مورد نظر و یا پروسه های زیستی در موجودات زنده را فراهم می کند. با توجه به اینکه بسیاری از پروسه های بیماری زا با تغییر پروفایل ملکولی و یا تغییر رفتار سلولی قبل از آثار آناتومی مشخص می شود، این روش
-امکان تشخیص سریع بیماری
– پیش بینی با دقت بیشتر از سطح بیماری وامکان درمان توسط خود بیمار در جهت کاهش پروسه های درمانی
– توانایی نمایش تاثیر عامل درمانی
و بهبود فهم ما از برهم کنش سلول با محیط اطراف را فراهم می آورد.
بنابراین قابل پیش بینی است که تصویر برداری ملکولی در هر دو بخش آزمایشگاهی و درمانی تاثیر ژرفی خواهد داشت [۸].
تکنیک های مختلف تصویربرداری نوری، تصویر برداری هسته ای و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی از گسترده ترین تکنیک های تصویر برداری ملکولی قابل استفاده هستند که بحث ما در مورد تصویر برداری رزونانس مغناطیسی می باشد. MRI اطلاعات آناتومیکی و مورفولوژیکی با رزولوشن فضایی بالا و عمق نفوذ بدون محدودیت را فراهم می کند که با استفاده ازعوامل افزایش دهنده تضاد مثل MNP ها تا سطح سلولی و ملکولی بهبود می یابد[۱].
اگرچه حدود ۴۵ سال است که ازذرات آهن اکسید به عنوان عامل کنتراست استفاده شده است اما توسعه سنتز و پوشش نانو ذرات مغناطیسی در دهه اخیر افزایش کاربرد های آنها را در مطالعات زیستی از جمله ادغام خونی، به عنوان عوامل کنتراست اختصاصی سلول و بافت در تصویربرداری مغناطیسی، ردیابی سلولی و تشخیص بیوملکول ها ممکن ساخته است.

نتیجه گیری: MRI بر پایه بر هم کنش امواج رادیویی با سطح نمونه در حضور میدان مغناطیسی می باشد و با دریافت و تبدیل امواج منتشر شده از پروتون های بافتی تصاویر دقیقی از بافت می توان تهیه کرد. عوامل کنتراستی که به طور معمول استفاده می شوند، یکسری معایبی از جمله سمیت، نیمه عمر پایین و عدم امکان عملکرد چندگانه دارند، در مقابل نانوذرات مغناطیسی با سمیت پایین، نیمه عمر بالا و عملکرد چندگانه و از همه مهمتر کنتراست بهتر، گوی سبقت را از دیگر عوامل کنتراست ربوده اند. ساختار این ذرات شامل هسته مگنتیت و مگهمیت همراه با پوششی از پلی ساکارید، پلیمر و یا مونومر می باشد. استفاده از این ذرات زمان T1و T2 را کاهش داده و موجب افزایش کنتراست تصاویر می شود.

منابع و مراجع

۱.http://fa.wikipedia.org/wiki/

۲.SHI Y. Superparamagnetic Nanoparticle for magnetic Resonance Imaging(MRI)Diagnosis. School of Chemical Engineering.(2006)

۳.Varadan VK, Chen L, Xie J. NANOMEDICINEDESIGN AND APPLICATIONS OFMAGNETIC NANOMATERIALS,NANOSENSORS AND NANOSYSTEMS. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication. 2008

۴.Zachary R. Stephen, F. M. K., and Miqin Zhang. Magnetite nanoparticles for medical MR imaging. Department of Materials Science and Engineering 14 (2011).

۵.Labhasetwar V, Leslie-Pelecky D, Jain T. Multifunctional Magnetic Nanoparticles for Imaging and Drug Delivery. The Science of innovation.( 2007).

۶.http://www.rxlist.com/feridex-iv-drug.htm

۷.CA Mirkin and CM Niemeyer Nanobiotechnology I. Wiley-VCH, Weinheim, As i an J 2, 1363 (2007).

۸.Thorek, D. L., Chen, A. K., Czupryna, J. & Tsourkas, A. Superparamagnetic iron oxide nanoparticle probes for molecular imaging. Annals of biomedical engineering 34, 23-38 (2006).

۹.Goodwill, P. W. et al. X-Space MPI: Magnetic Nanoparticles for Safe MedicalImaging. Advanced Materials 24, 3870-3877, doi:10.1002/adma.201200221(2012).

۱۰.edu.nano.ir

واکنش شما چیست؟
I like it
100%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
محسن نادری
دانشجوی مهندسی مکانیک - برنامه نویس و کارشناس امنیت شبکه

پاسخ بدهید