Transcript wykład - Zakład Fizyki Medycznej

Nanocząstki magnetyczne w
medycynie
H. Figiel
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademia Górniczo-Hutnicza
Kraków
Sympozjum
"XX-lecie Fizyki Medycznej na Śląsku"
6-7 czerwiec 2014
Nanocząstki w medycynie
• Cząstki niemagnetyczne
– Metaliczne (np. złoto)
– Niemetaliczne (np..tlenki –TiO2)
• Cząstki magnetyczne
– Żelazo
– Magnetyt – Fe3O4
– Inne
•
•
•
•
•
Fe2O3
CoFe2O4
Stop Fe-30%Co
Stop Fe-Cr (47.68at.%Cr)
Stop Pt-Co
Nanocząstki magnetyczne - wymiary
(ultra-small spm)
(Micron-sized spm)
Nanokapsułki
Otoczki niemagnetyczne
Dla porównania - krwinki czerwone są dużo większe (6-9 μm).
Charakterystyka cząstek magnetycznych
Technologie produkcji:
metalurgiczne- proszkowe
lub chemiczne,
- powodują, że posiadają
charakterystyczny rozkład
objętości i kształt.
Kształt – w przybliżeniu
kulisty
Jednodomenowe – są na tyle małe, że wewnątrz nich mieści
się tylko jedna domena, a ich namagnesowanie
M = Σµat ~ Nµat ; N > 1000
Superparamagnetyczne – zachowują się w polu
magnetycznym jak atomy paramagnetyczne.
Charakterystyka cząstek jednodomenowych
Zagadnienia technologiczne
• Wymiary cząstek – w zależności od potrzeb i
technologii,
• Zbyt szerokie rozkłady wymiarów powodują
pojawienie się cząstek stabilnych – efekt
technologii,
• Aglomeracja
–
efekt
magnetycznych
oddziaływań dipolowych,
• Otoczki niemagnetyczne (d ~ rm):
- utrudniają aglomerację magnetyczną,
- eliminują oddziaływanie chemiczne
(utlenianie) rdzenia magnetycznego
- ułatwiają podłączanie molekuł funkcjonalnych
Otoczki niemagnetyczne
Materiał otoczki to:
- Polimery (problem – wysokie temperatury)
- Krzemionka (nietrwałe w roztworach
alkalicznych)
- aminosilan
- azotki boru
- węgiel - grafen (bardzo odporne chemicznie)
- białko BSA (surowicza albumina wołowa)
- inne
Do otoczek można przyłączać cząsteczki
funkcyjne:
- ligandy
- peptydy (krótkie łańcuchy aminokwasowe)
- proteiny
- micelle
- selenek kadmu - daje efekt świecenia
światłem fluorescencyjnym w szerokim
zakresie widma
Nanoproszki magnetyczne firmy Magnova
Zastosowania nanocząstek magnetycznych
• Kontrasty do OMR
• Hypertermia
• Transport leków
• Implanty
Obrazowanie Magnetyczno - Rezonansowe
Alternatywę dla stosowanych dotąd w obrazowaniu środków
kontrastowych na bazie Gadolinu stanowią
superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza
(SPION), których zastosowanie pozwala na uzyskanie dobrego
kontrastu przy znacznie niższych dawkach.
Istotny ich rozmiar:
- Cząstki o D > 200 nm po wprowadzeniu do organizmu są
łatwo wychwytywane przez śledzionę, a następnie usuwane,
- Cząstki o D < 10 nm są szybko wydalane z organizmu.
- Optymalne D ~10-100 nm. Takie nanocząstki najdłużej
pozostają w krwiobiegu i uzyskują równomierny rozkład w
organizmie pacjenta. Są podawane dożylnie.
Są dużo droższe od kontrastów gadolinowych, NFZ ich nie
finansuje.
Obrazowanie cząstek magnetycznych
• Nowa technika obrazowania opracowana
przez Bernharda Gleicha w 2001 roku
(Philips Researcg, Hamburg)
• Umożliwia określenie przestrzennego
rozkładu nanoczastek magnetycznych w
organizmie człowieka
• Ma wysoką czułość i rozdzielczość
przestrzenną i czasową.
• Może służyć do kontroli i obserwacji
docelowego dostarczania leków z
nanocząstkami magnetycznymi.
Hypertermia i termoablazja
- Technika precyzyjnego niszczenia nowotworów przez lokalne
zwiększenie ich temperatury (zlokalizowane ogrzewanie).
- Aby to osiągnąć do nowotworu wprowadza się nanoczastki
magnetyczne.
- Nanocząstki poddane działaniu zmiennego pola magnetycznego (fali em) podgrzewają się i stają się lokalnym źródłem ciepła.
- Odpowiednio dobierając amplitudę i częstotliwość można spowodować
lokalne podniesienie temperatury wystarczające do zniszczenia tkanki
nowotworowej.
- W zastosowaniach medycznych wykorzystuje się fale e-m o
częstościach z zakresu 10 – 100 kHz
- Pozwala to podgrzać nowotwór do temperatur 43-46°C (hypertermia)
albo „ugotować” w temperaturze 47-70°C (termoablazja). Otaczające
zdrowe tkanki nie nagrzewają się i nie są niszczone.
Aparatura do hypertermii firmy MagForce
System MFH 300F
Nanocząstki są
wstrzykiwane do tkanki
nowotworowej w zawiesinie
koloidalnej.
Tkanka podgrzewana falą e-m.
o częstotliwości 100 kHz.
Hypertermia
Całkowity koszt leczenia jednego pacjenta systemem MFH 300F to nie
więcej niż 20 tys. euro (cena jednej dawki nanocząsteczek wynosi dziś
ok. 3 tys. euro).
Nanokapsułki
Kapsułki z otoczką z SiO2 z mikroporami do uwalniania leków
Transport leków z wykorzystaniem nanokapsułek z
nanoczastkami magnetycznymi i hipertermii
Kapsułki mogą być też z membran celulozowych. Membrana jest wtedy
poprzetykana elementami zbudowanymi z polimerowego hydrożelu PNIPAM (ang.
poly(N-isopropylacrylamide)), które pełnią funkcję nanozatyczek - zaworów.
PNIPAM w zależności od temperatury otoczenia kurczy się lub pęcznieje,
umożliwiając lub nie wydostania się na zewnątrz membrany związków
chemicznych zmagazynowanych wewnątrz kapsułki.
Przykładowe zastosowania „znaczonych”
nanocząstek magnetycznych
* Nanocząstki magnetyczne o zewnętrznej powłoce z selenku kadmu świecą światłem
fluorescencyjnym w szerokim zakresie widma (Cornell Univ, USA).
- w zależności od grubości otoczki świecą w zakresie 550 nm do 630 nm
- Zastosowanie: wykrywanie wirusów, bakterii czy komórek zmienionych
nowotworowo.
- na razie są toksyczne.
* Nanocząstki magnetyczne o zewnętrznej powłoce z białka BSA (surowicza albumina wołowa),
zmieszane z żywymi komórkami w polu magnetycznym wymuszają samoczynne ułożenie
komórek jedna po drugiej. Daje to możliwość szybkiego i taniego odtwarzania
skomplikowanych tkanek.
* Nanocząstki magnetyczne z przeciwciałami reagującymi na obecność określonych komórek
nowotworowych po wstrzyknięciu do organizmu, skupiają się przy komórkach
nowotwowych. Można je następnie zlokalizować dzięki polu magnetycznemu.
* Nanocząstki magnetyczne o zewnętrznej powłoce z peptydów posiadających zdolność do
wiązania receptora efryny A2 (jednego z białek, których nadmierną aktywność stwierdza się
często w raku jajnika) wprowadza się do chorej tkanki, a następnie wyciąga polem
magnetycznym.
Filtrowanie poza ciałem płynów ustrojowych przy
pomocy nanocząstek magnetycznych
Nanocząstki magnetyczne z
ligandami wiążącymi je z
komórkami rakowymi w
płynach ustrojowych są
pozaustrojowo separowane
magnetycznie.
Dostarczanie DNA
Sekwencje DNA są łączone z polietylenoiminą (PEI) będącą otoczką
nanocząstek magnetycznych. Następnie cząstki te kierowane są do
leczonych komórek mięśni gładkich za pomocą przyłożonego pola
magnetycznego. W komórkach DNA odłącza się od nanocząsteczki i
wbudowuje w genom gospodarza, wpływając na wzrost nowych
komórek.
Sterowanie magnetyczne
Separacja magnetyczna
Magnetyczne znakowanie komórek
Separacja pozytywna
Separacja negatywna
Nanocząstki magnetyczne na powierzchni
komórki
Nanocząstki magnetyczne
Aparat do separacji magnetycznej
nanocząstek
Podstawowym
elementem separatora
jest obszar w którym
wystepuje silny gradient
pola magnetycznego
wytwarzajacy siłę
działajacą na cząstki
magnetyczne i ich
oddzielenie.
Separatory przepływowe
Separatory statyczne
Nanocząstki magnetyczne w implantach
• Domieszkowanie niewielkich ilości
nanocząstek do materiału z którego
wykonany jest implant
• Cel – przyspieszenie procesu asymilacji
• Możliwość obserwacji przy pomocy
Obrazowania Magnetyczno-rezonansowego
Problem toksyczności nanocząstek
magnetycznych
• Technologie – szczególnie niebezpieczne
technologie „suche” z uwagi na możliwość
wdychania nanocząstek,
• Reaktywność chemiczna rdzenia,
• Biokompatybilność i trwałość otoczki lub
kapsułki,
• Trwałość w organizmie i wydalanie,
Dziękuję za uwagę
Medyczne zastosowania nanomateriałów
Dostarczanie leków
Dostarczanie protein i peptydów
Terapia nowotworów
Chirurgia
Obrazowanie
Inżynieria tkankowa
Odporność na antybiotyki
Odpowiedź immunologiczna
Artroskopia
Diagnostyka i urządzenia medyczne
Interfejsy neuro-elektroniczne
Zastosowania medyczne nanotechnologii molekularnej:
nanoroboty
naprawa komórek
zastosowanie nanotechnologii do funkcjonowania nerek