Transcript 2011. szeptember 30. - Mágneses folyadékok Hajdú Angéla előadás

Mágneses folyadékok előállítása és
stabilizálása fiziológiás körülmények között
orvos-biológiai felhasználás céljából
Hajdú Angéla
Nanokémia Laboratórium
Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet
SOTE-ÁOK
1
Mágneses folyadékok
• Folyadékban szétoszlatott mágneses részecskék, külső
mágneses térrel manipulálhatók.
• Mágneses részecskék, gyakran vas-oxidok, mérete kicsi,
néhány tíz nanométertől (10-9 m) néhány mikrométerig (10-6 m)
terjed.
Magnetit (Fe3O4)
(mágnesvaskő)
Mágneses folyadék
„God created space and the devil created
2
surface.”
/Wolgang Pauli/
Orvosbiológiai felhasználás
Feltételei:
- Biokompatibilis, nem mérgező
- Kémiailag stabilak
- Egységes méretűek
- Vizes közegben ne aggregálódjon
Stabilitás, egyedi részecskék
– adszorpciós réteg
A részecskék összetapadását
meg kell akadályozni!
trombózis veszély –
rögképződés az érpályában
aggregáció
Intravénás bejuttatás vagy
közvetlen a tumorba injektálni...
C. Alexiou et
al.,JMMM, (2001)
3
Teranosztika
Borítás
Mágneses mag
Hatóanyag
Terápia +
Diagnosztika
Kontrasztanyag, festék
Funkciós csoport
pl: ligand antitest, effektor molekula
MRI
Hipertermia
Célzott hatóanyag
bejuttatás
Sun et al.,
Advanced Drug
Delivery Reviews,
2008
4
Magnetit előállítása
FeCl2, FeCl3
lúgos
hidrolízis
Fe3O4
XRD
ATR-FTIR
TEM
Fe3-xO4
DLS
5
Adszorpció magnetit felületén
n
Poliakrilát
(PAA)
Citrát
(CA)
Na-oleát
(NaOA)
6
Mágneses folyadékok
kölcsönhatása HeLa sejtekkel
Gyógyszerhatástani és Biofarmáciai
Tanszék, Szeged; Zupkó István
MTT
assay
NINCS
citotoxikus hatás
5, 20, 100 mg/ml
5, 20, 100 mg/ml
7
MRI - H-NMR
A különféle hidrofil réteggel burkolt szuperparamágneses
magnetit nanorészecskék proton relaxivitást csökkentő
hatásának tesztelése MRI diagnosztikai céllal
Euromedic Diagnostic Kft, Szeged, Babos Magor
Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék, Debrecen, Bányai István
Bruker MiniSpec Mq 20 (0,47 T)
GE Excite HD (1,5 T)
Bruker DRX
400 (9,47 T)
MRI-T1 (spin-rács) relaxáció
Különböző
stabilizátorok
Növekvő
koncentráció
GE Excite HD (1,5 T)
1600
0.003
1400
0.6 mmol CA/g magnetit
pH~7
0.002
1000
800
0.5 mg Fe/L
1 mg Fe/L
2.5 mg Fe/L
5 mg Fe/L
7.5 mg Fe/L
10mg Fe/L
600
400
200
R1=1/T1
R1, ms-1
Jelintezitàs
1200
Resovist
r1 relaxivitás
1,5 Tesla - MRI
20 oC
0.0025
Magnetit
0.0015
PAA-magnetit
0.001
CA- magnetit
0.0005
NaOA-magnetit
0
0
500
1000
1500 2000
TI, ms
I = Io ( 1 – f e
2500
3000
3500
–TI / T1)
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vas koncentráció, mg/L
9
10
9
11
12
MRI-T2 (spin-spin) relaxáció
Különböző
stabilizátorok
Növekvő
koncentráció
GE Excite HD (1,5 T)
1,0
0,8
0,7
Magnetit
0.07
r2 relaxivitiás
1,5 Tesla - MRI
20 oC
0.06
0,6
R2, ms-1
Normalizalt Jelintenzitas
0,9
0.08
0.5 mg Fe/L
1 mg Fe/L
2.5 mg Fe/L
5 mg Fe/L
7.5 mg Fe/L
10 mg Fe/L
0.6 mmol CA/g magnetit
pH~7
0,5
0,4
R2=1/T2
0,3
0,2
0,1
0.05
Resovist
PAA-magnetit
0.04
NaOA-magnetit
0.03
CA-magnetit
0.02
0.01
0,0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
TE, ms
I = Io e
–TE / T2
180
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Vas koncentráció, mg/L
9
10
10
11
12
r1, r2 relaxivitás térerősség függése
r1, mM-1s-1
o
o
9.4 T, 25 C
-1 -1
r1 (mM s )
0.5
0.2
0.5
0.8
1.7
o
o
9.4 T, 25 C
r2 (mM-1s-1)
301.8
138.9
154
95.8
374.6
0.47 T, 25 C 1.5 T, 20 C
-1 -1
-1 -1
r1 (mM s ) r1 (mM s )
Magnetit
27.8
8.9
NaOA-magnetit
4.5
1.1
PAA-magnetit
17.7
3.9
CA-magnetit
15.7
3.5
Gd-DTPA
4.7
Resovist
40
14.4
40
Minták
35
0.47 T
30
1.5 T
9.4 T
25
20
0.47 T, 25 C 1.5 T, 20 C
r2 (mM-1s-1) r2 (mM-1s-1)
Magnetit
297.9
429.5
NaOA-magnetit
176.4
240.2
PAA-magnetit
186.5
232.4
CA-magnetit
143.9
155.7
Gd-DTPA
5.3
Resovist
291.8
305.8
15
Minták
10
5
0
Magnetit
NaOAmagnetit
PAAmagnetit
CA magnetit
Resovist
o
o
450
Gd-komplex:
r1 = 4,7 mM-1s-1; r2 = 5,3 mM-1s-1
0.47 T
1.5 T
9.4 T
400
Minták
r1 (mM-1s-1)
Magnevist (1.0 T)
3.4
Resovist (0.94 T, 62 nm)
12
MION (0.47 T)
3.7
PEG-ilált magneto-liposzóma (1.5
3
T, 40 nm)
r2 (mM-1s-1)
3.8
188
6.5
240
r2, mM-1s-1
350
300
250
200
150
100
Fehérjével borított magnetoferritin
(1.5 T, 25 oC, 12 nm)
8
218
50
Lumirem (300 nm, 0.47T)
3.2
72
0
Magnetit
Bonnemain,1996, Yan et al.,2007, Weissleder et al.,1990
NaOAmagnetit
PAAmagnetit
CAmagnetit
11
Resovist
A mágneses folyadékok
hipertermiás hatása
42oC,
30 perc
Fizika Intézet, Veszprém, Szalai István
a)
b)
Neél relaxáció
Brown relaxáció
Mornet et al., 2004
Oszcilloszkóp
Generátor
Erősítő
Tekercs
Hőmérő
1MHz,
5,4 AC
H=3,3 kA/m
800 kHz,
5,4 AC
H=2,1 kA/m
Vízhűtés
12
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
Soft corona
Hard corona
13
M. A. Dobrovolskaia,S. E. McNeil, Nature, Nanotechnology, 2007
Walczyk et al., JACS, 2010
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
Lynch et al., ACIS, 2007
Sun et al.,Advanced Drug Delivery Reviews, 2008
Sejtmembránon átjutás:
Mit lát a sejt?
1, fagocitózissal
2, makropinocitózissal
3, clathrin irányított endocitózissal
4, caveolin irányított endocitózissal
5, clathrin/caveolin független endocitózissal
Fehérjét
Nanorészecskét
14
M. A. Dobrovolskaia,S. E. McNeil, Nature, Nanotechnology, 2007
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
Fehérje koncentráció
Só koncentráció
pH
pH= 7,5
10 % ; 55 % humán plazma
10 % marha szérum albumin (sejt táptalaj)
10mM foszfát puffer + 100mM NaCl
sejt médium (só mellett növekedési
faktorok…stb)
Full corona
Hard corona
A nanorészecskék
szétoszlatása a biológai
médiumba, majd időprofil
felvétele
(0-24 h)
Nanorészecske + médium:
1 h inkubáció 25oC
Magnetit nanorészecskék
Stabilizátorok: citrát,
poliakrilát, oleát
Felesleg eltávolítása:
3 x centrifugálás, újra
diszpergálás foszfát
pufferben
Időprofil felvétele (0-24 h)
15
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
Részecskeméret meghatározás:
Részecskeméret
Eloszlás
Hidrodinamikai
átmérő
Aggregáció foka
Felületi töltés
Részecskeméret
Fehérje réteg
vastagsága
16
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
170
cMEM PDI: 0.26-0.23
160
150
<dH>, nm
140
CA coated magnetite
0.1 mg/ml
130
0.6 mmol CA/ g magnetite
120
55% hp hard corona PDI: 0.13
110
100
10 % hp full corona PDI: 0.28-0.3
90
80
in water PDI: 0.13-0.15
PBS PDI: 0.15-0.16
70
60
0
5
10
Time, h
15
20
25
17
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
47
cMEM
0.6 mmol CA/ g magnetite
CA coated magnetite
0.8 mg/ ml
pH~7.5
44
<dAP>, nm
41
38
35
sűrűség
32
CPS
8-24%sucrose
29
PBS
10 % hp full corona
26
23
55% hp full corona
55% hp hard corona
20
0
2
4
6
8
10 12
Time, h
14
16
55% hp full corona:~5 nm
55% hp hard corona: ~3.5-4 nm
10% hp full corona: 1.5-3 nm
18
20
22
24
18
Nanorészecske-fehérje kölcsönhatás
86
1
Percentage of particles
93
82
0.6 mmol CA / g
magnetite
pH~6; 1mg /ml
Nanosight
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
98
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275 300
Particle size, nm
100
1
Percentage of particles
25
0.6 mmol CA / g magnetite
55% human plasma-hard corona in PBS
2h
1mg/ml
pH~7.5
0.8
0.6
0.4
0.2
0
19
0
50
100
150
200 250 300
Particle size, nm
350
400
450
500
SDS-PAGE
55-10% human plasma
kDa
CA-MF
PAA-MF
OAOA-MF
55% 10%
55% 10%
55% 10%
230
150
100
80
60
50
40
30
25
20
15
20
SDS-PAGE
PAA-MF
CA-MF
kDa
5 min 1 h
4h
5 min 1 h
OAOA-MF
4h
5 min 1 h
230
150
100
80
60
50
40
4h
MS analízise a
fontosabb
feherjéknek
30
25
20
15
CA-MF
Time dependent
protein adsorption
Human plasma –
Cell medium
kDa
230
150
100
80
60
50
40
PAA-MF
OAOA-MF
10% cMEM 10% cMEM 10% cMEM
30
25
20
15
21
Magnetic Resonance Imaging
r1, r2 relaxivities
12
10.8
10
6.4
CA-MF-water
5.6
5.1
CA-MF-PBS
3.2
2.9CA-MF-hard corona
CA-MF-full corona
r1, mM-1s-1
8.2
5.3
3.5
2.9
2.3
1.6
5.1
r2, mM-1s-1
289
133.8
173
281.1
PAA-MF-water
PAA-MF-PBS
PAA-MF-hard corona
PAA-MF-full corona
10.8
5.6
3.2
6.4
490
236.3
202
377.4
8.2
r1, mM s
-1 -1
8
6
3.5
4
2
r2 / r1
35.2
38.2
59.7
55.1
95
-M
O
A
O
A
O
A
O
A
-M
Fw
F
-h
O
at
A
ar
er
O
d
A
co
-M
ro
Fna
fu
ll
co
ro
na
na
ro
ro
FA
-M
FPA
-M
fu
ll
co
ha
rd
-M
A
A
195.2
170
229.3 (37oC)
17.4 (37oC)
27.25 (37oC)
28.1 (25oC) 22
na
S
PB
er
F-
w
at
F-
-M
A
PA
PA
C
73.9
202
59.4
36.8
236.3
71.3 (37oC)
190 (37oC)
218 (37oC)
72.1 (25oC)
FPB
ha
S
rd
A
co
-M
ro
Fna
fu
ll
co
ro
na
F-
-M
A
C
A
-M
C
-M
Fw
at
er
100
170
173
95
195.2
PA
133.8
A
490
281.1
200
0.311 (37oC)0
10.9 (37oC)
8 (37oC)
2.6 (25oC)
45.4
42.2
63.1
59.0
377.4
co
289
300
2.3
1.6
5.3
C
Pluronic F127/OA-MNPs (71 nm)
Resovist (65 nm)
Protein coated-magnetoferritin(12 nm)
PVP grafted MNPs (~220 nm)
400
-1 -1
O
A
OAOA-MF-water
OAOA-MF-hard corona
OAOA-MF-full corona
500
r2, mM s
O
A
A
-M
O
A
O
-M
A
F-M
w
Fat
O
ha
er
A
r
O
d
A
c
-M
or
on
Ffu
a
ll
co
ro
na
S
co
ro
Fna
fu
ll
co
ro
na
PB
ar
d
PA
Fh
-M
F-
A
-M
PA
A
PA
PA
A
-M
F-
w
at
er
na
or
o
na
fu
l
lc
co
ro
A
-M
ha
rd
C
F-M
A
C
F-
F-
A
-M
C
C
A
-M
F-
w
at
er
PB
S
0
Yan et al., Radiography, 2007; Arsalani et al., Polymer Letter, 2010; Qin et al., Adv. Mater, 2007
Kiürülésük a szervezetből
• Fél-életidejük a vérben nagyon rövid –
méretükkel szintén befolyásolható a
keringési idő
• A májban és a lépben
halmozódnak fel:
RES sejtek
Kupffer sejtek
L.M.Lacava et al.,JMMM W. Möller et al.,JMMM
(2004)
(2005)
•Feltehetőleg a vörösvértestek szintézisébe
kapcsolódik a mágneses folyadék vastartalma
• Letális dózis fél-érték meghatározása, nincs klinikai
intolerancia vagy működési zavar
23
SANS
24