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.
1- تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) (MRI (magnetic resonance imagingیک ابزار قدرتمند پزشکی در زمینه تشخیص می باشد [1]. 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 [2].
1-1- 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 1). 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[3و4].
شکل1- 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 [4].
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[1]. دستگاه MRI لوله‌‌ای است که بوسیله آهنربای دایره‌ای شکل دواری احاطه شده است (شکل2). این آهنربا میدان مغناطیسی ایجاد می کند. در اینجا امواج رادیویی با طول موجهای متفاوت سطح نمونه را اسکن می کنند.
شکل2-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[3]. 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[1] 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 [3].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 [1].
• غیر هجومی است
• رزولوشن فضایی بالایی دارد
• توانایی توموگرافی چند بعدی دارد
و مشکل آن حساسیت پایین می باشد.
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 [SUP]+[/SUP]Mn[SUP]2+[/SUP],Fe [SUP]3[/SUP] یا شلات های نادر زمین مثل [SUP]+[/SUP]Gd[SUP]3[/SUP]می باشد که استفاده از اینها یکسری معایبی دارد.
3-1- 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 [5].
4-1- 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 [5].
• 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 [5].
5-1- 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 (شکل3) 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
• 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 (شکل4)
• کنتراست خوبی دارند [5]. شکل 5 کنتراست بهتر در تصاویر با استفاده از نانو ذرات مغناطیسی را نشان می دهد.
شکل 5 - 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 [7] و افزایش کنتراست و حساسیت می شود.
شکل 6 - 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 [3]. 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 [8]. 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 [8]. 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 [2]. 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[3]. در سال 2005 ایده استفاده از نانو ذرات آهن اکسید سوپرپارامغناطیس [SUP]3[/SUP](SPIO) در MRI مطرح شد [9].
پروب های نانو ذرات مغناطیسی برای کاربردهای تصویربرداری درزیست پزشکی شامل هسته SPIO های با اندازه نانو از نوع مگنتیت[SUP]4[/SUP](Fe3O4) و یا مگهمیت[SUP]5[/SUP](γ Fe2O3) .- با کاربرد بیشترازمگنتیت- همراه پوششی از پلی ساکارید، پلیمر و یا مونومر سنتزی می باشد [8 و9].
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 [8].
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[1].
اگرچه حدود 45 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.
4 - ویژگی های مورد نیاز برای نانوذرات در تصویربرداری مغناطیسی
گشتاور بالا و یکنواختی سوپرپارامغناطیسی
پایداری کلوییدی بالا در شرایط فیزیولوژیک (غلظت بالای نمک،تغییرات pH)
توانایی گریز از سیستم رتیکلواندوتلیال
سمیت پایین و زیست سازگاری بالا
قابلیت عملکردی شدن برای اتصال به گونه های فعال زیستی مثل پروتئین و نوکلئیک اسید [1]
۵-عوامل موثر در ویژگی های ذرات
کیفیت و ویژگی های مورد نیاز برای نانوذرات به عنوان عوامل کنتراست، به مواد هسته ای ذرات، توزیع اندازه ذره ای، بار سطحی ذرات، پایداری در محلول آبی ومایعات فیزیولوژیکی، شیمی فضایی نانو ذرات،خواص مغناطیسی مطلو بو خصوصیات شیمیایی ملکول های عملگر در سطح ذرات بستگی دارد [1و 2].
٥-۱-اندازه ذرات
آزمایشات نشان می دهد قطر نانوذرات مغناطیسی روی میزان تشدید سیگنال و نیمه عمر ذرات در بدن موثر است.
بررسی ها نشان داده است که ذرات با قطر 10 نانو متر نیمه عمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگتر دارند [3].
(1)
γ: نسبت ژیرومغناطیسی پروتون در آب، :M مولاریته محلول نانوذرات، :r شعاع ذرات، :Nعدد آووگادرو، µ: گشتاورمغناطیسی نانوذرات، :Ws فرکانس لارمور محلول الکترونیک و :wI فرکاانس لارمور پروتون های آب می باشد[6] )
طبق فرمول شماره 1 بین اندازه ذره و میزان کاهش T2و بنابراین کنتراست تصویر رابطه وجود دارد. ذراتی با سایز های 12، 9، 6 و 4 نانومتر داریم و هر کدام گشتاور مغناطیسی خاص خود را دارند به طوریکه تحت میدان T 1.5 ،گشتاور مغناطیسی به ترتیب 102، 80، 43 و 25 emug[SUP]-1[/SUP] Fe می باشد. گرادیان آسایش پذیرییاT2 /1از 56 به 106، 130 و 190افزایش می یابد که همان گرادیان کنتراست تصویراست. همانطور که سایز ذرات از 4 به 12 می رسد تفاوت رنگ از سفید تا سیاه دیده می شود و همانطور که سایز ذرات بزرگ می شود شدت سیگنال های MRI کاهش می یابد. شکل 7 ارتباط سایز و شدت سیگنال را نشان می دهد[3].
شکل 7- ارتباط بین اندازه ذره و شدت سیگنال
از طرف دیگر بررسی ها نشان داده است که ذرات با قطر 10نانومتر نیمه عمر بیشتری نسبت به ذرات با قطر 30 و بزرگتر دارند[٣].
۵-۱-۱-دسته بندی ذرات
نانوذرات مغناطیسی بر اساس قطر کلی آنها که شامل هسته و پوشش می باشد به دسته بندی می شوند:
- SPIO های دهانی با سایز بین300nm وµ5 /3که از طریق مسیر دهانی مصرف می شوند و غالبا در جهت تصویربرداری سیستم گوارشی به کار می روند.
- SPIO های استاندارد(SSPIO) با اندازهnm 150-60
SPIO های خیلی کوچک (USPIO )با اندازه حدود nm100-40.
- نانو ذرات مونوکریستال آهن اکسید MION که زیر مجموعه USPIO می باشد با سایز حدود nm30-10
- ذرات بزرگتر از nm50 که شامل کریستال های چندگانه می باشند. ذرات با سایز کمتر ازnm 50 در کارهای تصویربرداری ملکولی در شرایط درون تن استفاده می شود، بنابراین SPIOها تمام انواع MIONT،USPIO و CLIO (MION هایی که با پوشش دکستران اتصال متقاطع دارند)را شامل می شود[4].
5-2-روش تهیه نانوذرات مغناطیسی به منظور استفاده در MRI
در روش های مرسوم ساخت نانو ذرات از جمله میکروامولسیون وسل – ژل کنترل دقیقی روی اندازه ومونودیسپرسیتی وجود ندارد. نانوذرات کریستالیتی نسبتا ضعیفی دارد و ترکیبات شیمی فضایی گسترده ای دارند. در مقابل، روش های با شرایط بدون آب و دمای بالا ، کنترل اندازه بهتری را نشان می دهند، تک کریستال های زیادی تولید می کنند و شیمی فضایی خوبی دارند . تنها مشکل این روش ها حلالیت کم در آب است بدین منظور از پوشش های مختلف استفاده می کنند[1].
۵-۳- پوشش ذرات
انواع پوشش برای افزایش زیست سازگاری، تغییر بار سطحی ذرات ، افزایش نیمه عمر آنها در خون و بهبود عملکرد و اختصاصیت ذرات استفاده می شود [2].
انواع پوشش ها (جدول1) از جمله لیگاند های دو عاملی، پلیمری، سیلوکسان (siloxane)، میسل های فسفولیپیدی پگیله شده (که این ذارت توانایی اتصال به پپتیدهای Tat برای نشانه گذاری سلولی را دارند) و در بعضی مواقع از 2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) استفاده می شود(شکل8). DMSA شلات های کربوکسیلات را به آهن متصل می کند، اتصال متقاطع دی سولفیدی بین لیگاند ها ایجاد می کند و همچنین گروه های تیول روی سطح می نشاند که امکان اتصال به مارکر های اختصاصی و عملکردی را بدنبال دارد. این ذرات پایداری بالایی در آب و بافر سالین فسفات و شرایط پر نمک دارند وبنابراین گزینه مناسبی برای اتصال به مارکر های سرطانی در شرایط درون تن و برون تن می باشند [1].
شکل 8- SPIO با پوشش DMSA
برای بهبود زیست سازگاری نانوذرات سوپر پارامغناطیس (SPM) برپایه اکسیدآهن، ذرات را با پلیمری از دکستران پوشش می دهند که بعد از درمان توسط کبد به راحتی دفع می شود [2].
جدول1- انواع پوششهای استفاده شده درSPIO 6
مواد پوشش
مزایا
Citric,gluconic,oleic
هسته SPIO بزرگ با پوشش نازک از ترکیب ارگانوفیلیک
Dextran
نیمه عمر پلاسمایی بالا
Polycarboxymethyl dextran
کاهش قطر، افزایش نیمه عمر پلاسمایی
Polyvinyl alcohol
نیمه عمر طولانی درپلاسمای خون
Starches
زیست سازگاری، دسترسی زیستی و پایدارنگه داشتن pH , همراه با قابلیت تغییر سطحی
PMMA
حامل دارو رسانی مغناطیسی
PLGA
پوشش زیست سازگار تایید شده توسط سازمان غذا و دارو
PAM
ماتریکس با قابلیت به دام انداختن ذرات چند گانه
PEG
افزایش نیمه عمر در پلاسمای خون، قابلیت تغییر شیمیایی سطح
PEG-lipid
پوشش نازک و الحاقات زیستی در دسترس
Silane
واکنش نسبت به الکل و عوامل جفت شدگی سیلان نشان می دهد
Silica
پوشش خنثی و زیست سازگار
یکی از پوشش هایی که برای افزایش آبدوستی نانو ذرات آهن اکسید استفاده شده است، سیلیکا است که مشکل آگلومره شدن در خون را داردکه به همین دلیل به جای آن از دکستران استفاده کردند که پایداری بیشتری در شرایط فیزیولوژیکی دارد و به این تربیت انواع اشکال SPIO ها ساخته شد.
در جدول 2 انواعی از نانوذرات بر پایه اکسید آهن قابل استفاده در MRI با ذکر ویژگی های کاربردی آنها دیده می شود.
جدول 2- انواع اشکال SPIO با پوشش های سطحی مختلف
عامل
اندازه هسته اکسید آهن (نانومتر)
اندازه کلی ذره (نانومتر)
مواد پوشاننده
آسایش T2
(L mol[SUP]-1[/SUP] S[SUP]-1[/SUP])
نیمه عمر در خون
AMI-121(Lumirem; Gastromark)
10
300
سیلیکون
72
کمتراز5 دقیقه
AMI-25 Feridex; Endorm
6-5
150-80
دکستران
98
6 دقیقه
(SHU 555A (Resorvist
4-2
62
کربودکستران
151
5,3
AMI-227(Combidex; Sinerem)
6-4
40-20
دکستران
53
کمتراز24ساعت
۶- انواع نانوذرات مغناطیسی برپایه SPIO
۶-۱-نانو ذرات آهن اکسید تک کریستال(MION) و آهن اکسید به صورت کراس لینک شده (CLIO)
دیده شده که ذرات آهن اکسید کوچکتر که شامل آهن اکسید مونوکریستال ( MION ) و یاآهن اکسید کراس لینک شده (CLIO) با پوشش دکستران می باشند نیمه عمر بیشتری داشته و قابلیت بیشتری برای اتصال به ملکول های فعال زیستی دارند، بنابراین برای کاربرد های پزشکی در شرایط درون تن کارایی بهتری دارند. در این ذرات اندازه مرکز آهن اکسید 2.8nmو اندازه با پوشش دکستران حدود10nm-30nmمی باشد[1].
۶-۲-مگنتو فریتین
فریتین یک پروتئین ذخیره کننده آهن در بدن می باشد که دارای هسته فری هیدراته 6 نانومتری(5Fe2O3_9H2O) و پوسته پلی پپتیدی آپوفریتین می باشد (شکل9). مگنتوفریتین در تصویر برداری نیز استفاده می شود و مقدار آسایش پذیری T[SUP]2[/SUP]حدود L mmol[SUP]_1[/SUP] s_1 157دارد و انتظار می رود زیست سازگاری و پایداری کلوئیدی بالایی در خون داشته باشد. اما نتایج،پاکسازی کمتر از 10 دقیقه را برای این ذرات نشان می دهد، زیرا توسط سیستم رتیکلواندوتلیال به کبد، طحال و گره های لنفی رفته و بنابراین برای تصویربرداری این اندام ها گزینه مناسبی است ولی برای تصویربرداری ملکولی مناسب نیست [1].
شکل 9-مراحل آماده سازی مگنتوفریتین
1-خارج کردن فری هیدارت از فریتین و تشکیل آپوفریتین
2- جایگذاری نانوذرات مغناطیسی در آپوفریتین و مگنتوفریتین تشکیل می شود.
۶-۳-مگنتودندریمر ساختار چندعملکردی بواسطه گروه های انتهایی و منفذ واحد، دندریمر ها را برای حمل دارو در دارو رسانی مطلوب کرده است که به طور مشابه می توانند حامل نانو ذرات مغناطیسی باشند این ذرات خواص مغناطیسی بیشتری را نشان می دهند (اشباعیت مغناطیسی حدود emu g[SUP]_1[/SUP] Fe 94 و میزان بالایی آسایش پذیری T2از 200 تا 406 L mmol[SUP]_1[/SUP] s[SUP]_1[/SUP] دارد و به راحتی بدون نیاز به عامل انتقالی به داخل سلول نفوذ می کنند(شکل10). بدین وسیله از این عوامل در نشانه گذاری سلولی و ردیابی سلولی می توان استفاده کرد. اندازه هسته آهن اکسید به 8nm-7nmو هسته همراه با پوشش دندریمری به 20nm-30nm می رسد [1].
شکل10-مگنتودندریمر
۶-۴-مگنتولیپوزوم
لیپوزوم نیز بسیار برای انتقال مواد دارویی استفاده می شود و پوشش خوبی برای هیدروفیل ساختن نانوذرات مغناطیسی است (شکل 11). ذرات در مرکز لیپوزوم قرار می گیرند که اندازه هسته آهن اکسیدی آن 16nmو اندازه ذرات در حالت لیپوزومی حدود 60nm است و در این ساختارآسایش پذیری T2 240 mmol[SUP]_1[/SUP] s[SUP]_1[/SUP]Lمی باشد [1].
شکل11-مگنتولیپوزوم
7- نحوه انتقال نانو ذرات مغناطیسی به بافت ها
۷-۱-انتقال غیر فعال
در انتقال غیر فعال قطر هیدرودینامیک و بار سطحی SPIO ها (که از فاکتور های وابسته به مواد پوشاننده سطح می باشد)، زمان گردش خون نانو ذرات، دسترسی به بافت، اپسونیزاسیون و میزان برداشت سلولی را تحت الشعاع قرار می دهد. در ادامه مواردی از انتقال غیر فعال پروب های مغناطیسی MRI بیان می شود [3].
مسیرهای برداشت متفاوت نانوذرات مغناطیسی در بافت های مختلف کنتراست MRI را مشخص می کند. ذرات کوچک توسط سیستم رتیکلواندوتلیال جمع آوری می شوند در سلول های توموری به علت غیاب سیستم رتیکلواندوتلیال، زمان آسایش با وجود عوامل کنتراست MNP، تغییر نمی کند. بنابراین شناسایی بدخیمی گره لنفاوی، تومور کبد و مغز با مقایسه تصاویر کنتراست بدست آمده از MRI با کمک نانو ذرات مغناطیسی ممکن می شود [3]. پروب های SPIO فاقد اختصاصیت ملکولی برای تصویربرداری سیستم های بیولوژیکی، بوسیله پروسه های فیزیولوژیکی شامل برداشت سلولی غیر اختصاصی،به دام افتادن در داخل ماکروفاژهای فاگوسیت کننده بافتهای توموری و ملتهب و یا تجمع در طحال،کبد و گره های لنفاوی به صورت طبیعی هدایت می شوند [4].
7-1-1- تصویربرداری کبد و طحال
تحقیقات نشان داده است که ذرات بزرگتر از 150nmبا پوشش دکستران ، به صورت غیر اختصاصی بوسیله سلول های کوپفر در کبد سالم برداشت می شود. با توجه به نبود سلول های کوپفر در کبد های بدخیم امکان تشخیص بافت سالم ومعیوب فراهم می شود [4].
7-1-2-تصویربرداری گره های لنفاوی
کوچکترین ذرات با اندازه 30nm توسط عروق لنفاوی جمع آوری و در گره های لنفاوی مجتمع می شوند. تجمع SPIO در گره های نرمال با کاهش T2همراه است و غیاب SPIO ها در تصاویر MRI با دقت بالایی اختلال جریان و یا متاستازگره ها را نشان می دهد و بدین وسیله، بدون مارکر اختصاصی اجازه تمایز بین ساختارهای مبتلا و سالم را ممکن می سازد [4] بنابراین ماکروفاژی که حاوی ذرات باشد تصویر سیاهی را ایجاد می کند و بافت سرطانی روشن می باشد [1].
7-1-3-تصویربرداری سرطان
مطالعات زیادی نشان داده که علاوه بر تشخیص متاستاز گره های لنفاوی،SPIO ها می توانند تومورهای جامد را نیز به طور مستقیم شناسایی کنند. این ذرات می توانند بوسیله نشت از عروق و برداشت ماکروفاژی به صورت غیر فعال در محل حاضر شوند. میزان نشت، به میزان تخلخل عروق توموری بستگی دارد. در بررسی مغز استخوان از AMI-25 استفاده شده و آسیب مغز استخوان با حساسیت بالا تشخیص داده می شود.(AIM یک نوع از نانو ذرات مغناطیسی قابل استفاده در MRI می باشد که مشخصات آن در جدول شماره 2 ذکر شده است).
7-1-4-تصویربرداری ماکروفاژ
MRI در تشخیص التهاب و بیماری های تخریبی با فعالیت بالای ماکروفاژی، بر پایه برداشت موثر ذرات بوسیله ماکروفاژها و سایر سلول های فاگوسیت کننده عمل می کند و امکان شناسایی محل دفع پیوند، شناسایی محل صفحات آترواسکلروزیس و امکان تشخیص قبل از تنگی مجرا را ممکن می سازدکه یقینا درمان مطلوبتری را به همراه دارد. نقش ماکروفاژها در بافت های بیمار سیستم عصبی مرکزی امکان تصویر برداری برای تشخیص سکته، مالتیپل اسکلروزیس، تومور مغزی و آترواسکلروز کاروتید را فراهم می کند.
قابل ذکر است که کنتراست تصاویر، به طور وسیعی به زمان گردش خونی و بار سطحی ذرات بستگی دارد. تجربه نشان داده است که ذرات کوچک با سایز 30nm-15nmبا مدت گردش خون بیشتر، کنتراست بهتری در محل التهاب در مقایسه با ذرات بزرگتر نشان می دهند [4].
نتیجه گیری:
در این مقاله مشاهده شد که کاهش اندازه نانو ذرات مغناطیسی موجب افزایش کنتراست و نیمه عمر ذرات می شود و ذرات بر اساس اندازه دسته بندی شدند. تهیه نانوذرات در شرایط بدون آب و دمای بالا کنترل بهتر بر اندازه ذره و کریستالیتی را به همراه دارد ولی حلالیت ذرات را کم می کند که برای رفع این نقیصه از پوشش بر سطح ذرات استفاده می کنند که البته انواع پوشش با کاربری های مختلف موجود است و منجر به تنوع در نانو ذرات شده است. پوشش فاکتور بسیار مهم و تاثیرگذار به ویژه در کاربردهای پزشکی می باشد و موجب کاهش سمیت ذرات، تسریع و تسهیل مکانیسم های دفع ذره،افزایش امکان عملکردی کردن سطح ذرات و تسهیل اتصال آنتی بادی و افزایش پایداری فیزیکوشیمیایی ذرات در بدن می شود. انواع نانو ذرات قابل استفاده شامل MION، CLIO ، مگنتوفریتین، مگنتودندریمر و مگنتولیپوزوم می باشد. این ذرات می توانند به صورت غیر فعال به بافت ها منتقل شوند و تصویربرداری از بافت های مختلف مثل کبد و طحال،گره های لنفاوی، سرطان و ماکروفاژ را امکان پذیر می کنند.
7-2-انتقال فعال پروب های سوپرپارامغناطیس
وقتی اندازه ذرات کوچک باشد از سیستم های فاگوسیتی فرار می کند به همین دلیل از این ذرات به همراه مارکرهای اختصاصی، برای انتقال هدفمند استفاده می کنند(شکل 12)[1] .انتقال هدفمند نسبت به حالت غیر فعال برتری دارد زیرا هم باعث افزایش کنتراست می شود و هم توانایی تشخیص ملکولی را پیدا می کند که علاوه بر اطلاعات فیزیولوژیکی، بینشی از مکانیسم ملکولی را فراهم می کند ومنجر به تشخیص سریعتر و دقیق تر می شود. تصویربرداری التهاب، انفارکتوس، آنژیوژنز، آپوپتوز، بیان ژن و سرطان با این روش تا به حال انجام شده است.
شکل 12- انتقال فعال نانوذرات مغنا طیسی بر اساس قرار دادن آنتی بادی مربوط به مارکر بیماری بر سطح به منظور دستیابی به انتقال هدفمند نانوذرات سوپرپارامغناطیس اکسید آهن (SPIO)، بیومارکرهای خاص هر بافت نیاز است. در مرحله اول عامل به طور مستقیم به سطح پوشش داده شده هیدروفیلیک متصل می شود. پوشش های پلیمری، گروه های عاملی فعال مختلف مثل آمین، سولفیدریل وکربوکسیل را دارند و باعث تسریع مراحل کانژوگاسیون می شوند. در مرحله بعد تجمع کافی ذرات در بافت، مورد نظر است. شاید بزرگترین مانع برای انتقال هدفمند، مکاندهی مقدار مناسبی از SPIO در محل آسیب، برای ایجاد کنتراست کافی می باشد. به همین منظور تکنیک های مختلفی برای افزایش تجمع ذرات در محل خاص استفاده می شود. روشی که بیشتر کاربرد دارد تله اندازی داخل سلولی است و از طریق برداشت با واسطه گیرنده ایجاد می شود و سطح بالایی از کنتراست را در سلول آسیب دیده ایجاد می کند. روش دیگر شامل روش های تقویت دو مرحله ای می باشد، مثل استفاده از آنتی بادی بیوتینه شده که در محل های بیماری مجتمع می شوند و SPIO متصل به استرپتوویدین در محیط قرار می گیرد(شکل13). از آنجایی که بیوتین و آویدین تمایل بالایی دارند، ذرات در محل مورد نظر مجتمع می شوند .
شکل 13-افزایش امکان تجمع ذرات بوسیله بیوتین و استرپتوویدین
پروب های MRI با آنتی بادی هدف سرطانی کانژوگه می شوند و گاهی این پروب ها ی مغناطیسی را با رنگ های فلورسنت همراه می کنند(شکل14)که امکان مطالعات درون تن و برون تن را فراهم می کند[2].
شکل 14-همراه کردن رنگ فلورسنت با پروب های مغناطیسی MRI
7-2-1- تصویربرداری قلبی-عروقی
علاوه بر فراهم آمدن امکان تشخیص آپوپتوز (مرگ برنامه ریزی شده سلولی) و تصویربرداری ملکولی، امکان تشخیص زود هنگام بیماری های قلبی عروقی مختلف از جمله آترواسکلروزیس، ترومبوز و نقایص میوکارد فراهم می شود.
تشخیص زود هنگام آترواسکلروز با SPIO هدفگذاری شده با anti-VCAM-1 و با پپتید اختصاصی VCAM-1 انجام می شود. عامل دیگری که در این مطالعات استفاده می شود E-selectin می باشد که یک مارکر پیش التهابی سلول های اندوتلیال است که در اترواسکلروزیس، تکثیر اندوتلیال عروق توموری و آنژیوژنز کاربرد دارد. با استفاده از SPIO کانژوگه شده با ضد E-selectin انسانی می توان بوسیله MRI میزان فاکتور نامبرده را در محیط کشت برون تن نمایش داد.
تشخیص ترومبوز بر پایه تشخیص اختصاصی αIIb-β3- می باشد که از پلاکت های فعال شده آزاد می شود. پلاکت فعال شده، از طریق SPIO کانژوگه شده با RGD شناسایی می شودRGD.یک پپتید اسیدی حلقه ای مشتمل از سه اسید آمینه آرژنین،گلایسین و اسپارتات می باشد که به طور اختصاصی اینتگرین αIIb-β3 را شناسایی می کند .SPIOهمراه با RGD تشخیص بهتری نسبت به SPIO بدون مارکر فراهم می کند و امکان مشاهده لخته با قطر 0.2mm در 0.2mm را ممکن می سازد.
از نانوذرات آهن اکسید تک کریستال (MION ) متصل شده با آنتی میوزین براساس جاذبه الکتروستاتیکی و یا کوالانتی بین گروه های لیزین آنتی بادی و گروه های هیدروکسیل سطحی فعال شده بوسیله پتاسیم پریودات در جهت تشخیص انفارکتوس قلبی استفاده می شود(شکل 15). یک سلول انفارکتوس شده قلبی، غشا متخلخل تری نسبت به سلول نرمال دارد. SPIO کانژوگه شده با Fab آنتی میوزین به صورت موثر وارد سلول آسیب دیده می شود و میوزین را شناسایی می کند و در تصاویر محل آسیب دیده به رنگ سیاه دیده می شود در حالیکه در نمونه بدون مارکر کنتراست خوبی دیده نمی شود [3].
شکل 15- تشخیص بهتر انفارکتوس قلبی به کمک تصویربرداری با نانوذرات مغناطیسی
7-2-2-التهاب
برای بررسی بافت های ملتهب نیز با اتصال آنتی بادی پلی کلونال ایمونوگلوبولین انسانی به سطح SPIO امکان شناسایی بافت فراهم می شود(شکل 16).
شکل 16- بررسی التهاب بافتی بوسیله نانوذرات مغناطیسی به عنوان عوامل کنتراست
7-2-3-آنژیوژنز
رگ زایی (آنژیوژنز)یک پروسه ضروری رشد رگ های خونی جدید برای توسعه، تکثیر و تعمیر بافت ها می باشد و البته از نشانه های آشکار رشد تومور نیز محسوب می شود. بنابراین بررسی شدت آنژیوژنز در تشخیص سرطان و بررسی مراحل بهبود موثر است. چندین ملکول در آنژیوژنز از جمله فاکتور رشد اندوتلیال عروقی(VEGF) ،فاکتور رشد فیبروبلاست (FGF)، فاکتور رشد سلول های اندوتلیال مشتق شده از پلاکت (PD-EDGF) ،گیرنده Tie2، اینتگرین و E-selectin(شکل17)دخیل هستند و در این بین گیرنده VEGF, Tie2، E-selectin و اینتگرین بیشتر بررسی شده اند[3].
شکل 17- ساختار های CLIO متصل شده به E-Selectin به منظور بررسی آنژیوژنز
7-2-4-آپوپتوز
بحث هدفمندسازی SPIO در تشخیص آپوپتوز نیز مطرح می باشد .آپوپتوز، خود تخریبی برنامه ریزی شده سلول ها می باشد و در پاتوژنی سرطان، تخریب بافتهای عصبی، انفارکتوس میوکارد حاد و التهاب مزمن دیده می شود و در جهت نمایش اثر بخشی دارو نیز کاربرد دارد[3].
از اولین مراحل این پروسه تخریب فسفاتیدیل سرین در غشا سلول می باشد. برای شناسایی این مرحله از synaptotagmin وannexin استفاده می کنند. استفاده از SPIO های متصل به ناحیه C2 از synaptotagmin، سلول آپوپتوز شده را شناسایی می کنند (شکل18) و رزولوشن 0.1nm دارد که در مقابل روشهای مرسوم 3 برابر بهبود داشته است .
روش دیگر در این بخش شامل استفاده از فسفولیپید فسفاتیدیل سرین و Annexin V. می باشد. استفاده از نانو ذرات کانژوگه شده با Annexin V. غلظت 0.1gµ در شرایط برون تن از سلول های آپوپتوز را تشخیص می دهد [3].
شکل 18- استفاده از SPIOها در بررسی آپوپتوز سلولی بر اساس synaptotagmin
7-2-5-بیان ژن
بررسی میزان و یا چگونگی بیان ژن، یکی از شاخه های در حال گسترش در علوم زیست پزشکی می باشد. روش های مختلفی برای بررسی بیان ژن وجود دارد ولی محدودیت هایی دارند از جمله در تصویربرداری های نوری عمق نفوذ کمی دارند و در تصویر بردادری ها به کمک رادیوایزوتوپ ها رزولوشن فضایی کمی وجود دارد.
به عنوان مثال بیان ژن گیرنده ترانسفرین در سلول های توموری را بررسی می کنند. بدین منظور بر سطح MION ها، ترانسفرین قرار می دهند، در صورت وجود گیرنده در محیط، این ذرات متصل می شوند (شکل 19).هرچه بیان آن بیشتر باشد گرادیان کاهشی در T2بیشتر دیده می شود..
شکل 19- بررسی بیان ژن به کمک نانوذرات مغناطیسی در MRI
7-2-6- تصویربرداری سرطان
تشخیص غیر هجومی سرطان بسیار قابل توجه است که می تواند در افزایش درصد حیات بیماران موثر باشد. روش های مرسوم MRI جرم 1 cm را شناسایی می کند اما به کمک نانوذرات می توان محدوده تشخیص را به ملکولی و برهم کنش های ملکولی وارد کرد و جرم های خیلی کوچک سرطان را از بافت نرمال تشخیص داد .
بسیاری از مارکر های سرطانی به عنوان اهدافی از لیگاند مستقیم SPIO ها مطرح هستند. مارکرهایی که برای انتقال هدفمند انتخاب می شوند علاوه بر داشتن سطح بیان بالاتر در سلول های سرطانی باید امکان تجمع بالاتر در داخل سلول از روش اندوسیتوز بواسطه گیرنده را فراهم کنند(شکل 20).
یکی از این مارکرها گیرنده های ترانسفرین می باشند که بیان بالایی روی سطح اکثر سلول های سرطانی علی الخصوص سرطان سینه دارند و با استفاده از SPIO های متصل شده به ترانسفرین، نمایش بیان و تنظیم گیرنده ترانسفرین در شرایط درون تن و برون تن فراهم می شود.
از طرف دیگر قرار دادن فولات (فولیک اسید) به سطح SPIO امکان برداشت سریع و موثر توسط سلول های سرطانی که سطح بالایی از گیرنده فلات را دارند فراهم می کند و کاهش 38% در شدت T2 را نشان می دهد.
مارکر دیگری که به وسیله SPIO ها شناسایی می شود شامل آنتی ژن توموری MUC-1 می باشد که عامل معمول در بسیاری از آدنوکارسینومای سلول های اپیتلیال می باشد و در سرطان سینه، پانکراس،کلرکتال، ریه، پروستات و معده وجود دارد و با پپتید EPPT1 ردیابی می شود. مارکرهای زیادی در این زمینه استفاده شده اند از جمله متالوپروتئیناز ماتریکسی2، اندوپپتید متصل شده به غشا که در گلیوما سطح بیان بالایی دارد.
شکل 20 - اتصال اخنصاصی نانوذرات مغناطیسی با مارکر Her-2 در جهت تشخیص مارکراختصاصی سرطان سینه به کمک MRI
راه دیگر برای شناسایی بافت سرطانی، هدفمند کردن ذرات با گیرنده های اختصاصی در سطح سلول نرمال می باشد که در سلول سرطانی بیان نمی شود .مثلا گیرنده CCK در سطح SPIO متصل شده و گیرنده ACCK در سطح سلول نرمال پانکراس شناسایی می شود و با توجه به کاهش T2 در بافت های سالم می توان به محدوده بافت توموری پی برد .
سرطان کبد غالبا بدنبال متاستاز ناشی از سرطان های سینه، ریه، رکتوم و کلون می باشد. پژوهشگران بدنبال مارکر خاص برای عامل کنتراست در تصویربرداری MR برای مشخصه یابی سرطان کبد بودند. گیرنده(ASG(asialoglycoprotein در هپاتوسیت های نرمال وجود دارد و در سلول هایی ابتدائی و فرم متاستاز سلول های سرطانی از بین می رود. بدین منظور SPIO ها را به ارابینوگالاکتان AG) ) که لیگاند پلی ساکاریدی ASG می باشد متصل می کنند. تصاویر MR نشان می دهد که استفاده از AG-SPIO در تصویربرداری هدفمند کنتراست خوبی بین دو بافت نرمال و سرطانی ایجاد می کند [3].
7-2-7-ردیابی سلولی
یکی از کاربردهای SPIO بررسی توزیع سلولی در شرایط درون تن است. در حال حاضر از SPIO ها برای ردیابی سلول های بنیادی بسیار استفاده می شود و به طور کلی امکان شناسایی سلول به صورت منفرد را فراهم می کند. برای این منظور از روش های مختلفی استفاده می کنند که عبارتند از:
- جایگذاری SPIO های همراه سلول در بدن موجود زنده وردیابی حرکت و مکان یابی آنها در بافت خاص
- همراه کردن این ذرات با سلول های T
-ورود ذرات از طریق اندوسیتوز وابسته به گیرنده به سلول و بررسی مهاجرت سلول. به عنوان مثال آنتی بادی ضد گیرنده ترانسفرین را به نانوذره کانژوگه کردند و نانوذره از طریق اندوسیتوز وابسته به گیرنده وارد سلول می شوند که امکان بررسی حرکت سلول های الیگودندرسیت فراهم میشود. نتایج کار مهاجرت10mm ذرات در 14 روز را نشان دهند [3].
8- تغییر آسایش مغناطیسی
تجمع SPIO ها یک پدیده مغناطیسی به نام تغییر آسایش مغناطیسی(MRS) را ایجاد می کند. در این شرایط تجمعی از نانو ذرات منفردSPIO در دفاز کردن اسپین پروتون های محیط اطراف موثرتر می شوند که موجب افزایش زمان آسایش اسپین-اسپین T2 می شود. اخیرا از این تکنیک برای تشخیص بیوملکول ها در آزمایش هموژن استفاده می کنند و امکان تشخیص الیگونوکلئوتید، پروتئین، آنزیم و انانتیومر با حساسیت بالایی را فراهم می کند. دقت تشخیص این روش حدود 500 اتم می باشد.
مزیت MRS نسبت به دیگر روش های تشخیصی این است که تغییرات مغناطیسی در شرایط کدر و لیز شده سلولی بدون نیاز به تخلیص پروتئینی را ممکن می کند و از طرف دیگر در MRS امکان بررسی SPIO ها در عمق بافت وجود دارد. بنابراین اهمیت آن در کاربرد های درون تن افزایش می یابد [3].
8-1- تشخیص الیگونکلئوتید
اولین کاربرد سیستم MRS در تشخیص نوکلئیک اسید در محلول بوده است. دو گروه از SPIO ها ی کانژوگه شده با الیگونوکلئوتید سنتز می شوند که بر اساس مکمل رشته هدف بودن طراحی می شوند. هیبرید شدن با رشته DNA یک تغییر قابل توجه در زمان آسایش T2 را ایجاد می کند و یکی از کاربرد های این روش در بررسی میزان بیان ژن تلومراز می باشد که مشخصه بافت های توموری است و می توان به دقت در حد تک رشته از ژن تلومراز دست یافت [3].
8-2- تشخیص پروتئین وآنزیم
پروب MRS در بیوسنسورها قادر به تشخیص پروتئین خاص و حتی ویروس ها بر اساس برهم کنش خاص آنتی بادی می باشد.
سطح SPIO را با آنتی بادی سطحی مخصوص آدنوویروس و یا هرپس متصل می کنند و قادر است تعداد 5 عدد ویروس در lµ10 را شناسایی کند. از تکنیک مشابهی در جهت جستجوی پروتئین خاص مثل پروتئین فلورسنت سبز(GFP ) در ترکیب لیز شده سلولی استفاده می کنند. بعضی روش ها نیز در جستجوی آنزیم ها مثل اندونوکلئاز، متیلاز و پروتئاز می باشند، مثلا برای اندونوکلئاز دو گروه از SPIO های متصل به رشته الیگونوکلئوتیدی مکمل تهیه می شوند. وقتی ذرات باهم مجتمع شوند زمان آسایش T2 کاهش می یابد و چنانچه آنزیم اندونوکلئاز در محیط وجود داشته باشد دو ذره از هم جدا می شوند و منجر به افزایش زمان آسایش T2می شوند.
میلوپراکسیداز آنزیمی(MPO )است که در اترواسکلروزیس و التهاب نقش دارد برای تشخیص این آنزیم از SPIO نشانه گذاری شده با سروتونین استفاده شده است. MPO بین این ذرات اتصال متقاطع ایجاد می کند و این تجمع کاهش T2را به همراه دارد [3].
8-3- تشخیص انانتیومر
با توجه به تفاوت های زیاد در فعالیت فارموکولوژیکی انانتیومر های خاص، نیاز به سیستم های متمایز کننده انانتیومر ها با سرعت،حساسیت و میزان محصول بالا ضروری است. امروزه نانو ذرات MRS به عنوان سنسور های بسیار حساس به ناخالصی های انانتیومری کاربرد دارند.
به عنوان نمونه SPIO ها با فنیل آلانین D ( (D-Pheنشانه گذاری شدند سپس از محلول حاوی آنتی بادی D-Phe استفاده کردند که منجر به ایجاد شاخه هایی از ذرات و بدنبال آن کاهش T2 می شود چنانچه محلول راسمیکی از D-Phe و L-Phe داشته باشیم از این اتصال به صورت رقابتی ممانعت کرده بنابراین افزایش قابل توجه T2 را خواهیم داشت [3].
نتیجه گیری:
انتقال ذرات به بافت به صورت فعال و غیر فعال امکانپذیر است که با توجه به خصوصیات و روش های انتقال در هر بافت انجام می شود. انتقال فعال از غیر فعال کنتراست بیشتری را موجب می شود و در روش های ملکولی کارامدتر است و تشخیص سریعتر و دقیق تر بیماری را به ارمغان می آورد . بحث پوشش هیدروفیلیک ذرات و چگونگی تجمع آنها در بافت هدف به صورت جزئی در هر بخش مطرح شده است. از طرف دیگر تجمع ذرات باعث افزایش سیگنال می شود و با فراهم کردن شرایط تجمع ذرات می توان به کنتراست مطلوب تری دست یافت و تشخیص الیگو نوکلئوتید، پروتئین ،آنزیم و انانتیومر فراهم می شود.
