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Imágenes de partículas magnéticas

La obtención de imágenes de partículas magnéticas ( MPI ) es una técnica tomográfica no invasiva emergente que detecta directamente trazadores de nanopartículas superparamagnéticas . La tecnología tiene aplicaciones potenciales en diagnóstico por imágenes y ciencia de materiales . Actualmente, se utiliza en investigación médica para medir la ubicación tridimensional y la concentración de nanopartículas . Las imágenes no utilizan radiación ionizante y pueden producir una señal a cualquier profundidad dentro del cuerpo. MPI fue concebido por primera vez en 2001 por científicos que trabajaban en el laboratorio de investigación Royal Philips en Hamburgo . El primer sistema se estableció y se informó en 2005. Desde entonces, investigadores académicos de varias universidades de todo el mundo han avanzado en la tecnología. Los primeros escáneres MPI comerciales están disponibles recientemente a través de Magnetic Insight y Bruker Biospin.

El hardware utilizado para MPI es muy diferente al de MRI . Los sistemas MPI utilizan campos magnéticos cambiantes para generar una señal a partir de nanopartículas de óxido de hierro superparamagnético (SPIO). Estos campos están diseñados específicamente para producir una única región libre de campo magnético. Sólo en esta región se genera una señal. Se genera una imagen moviendo esta región a través de una muestra. Dado que no hay SPIO natural en el tejido , solo se detecta una señal del marcador administrado. Esto proporciona imágenes sin fondo. La MPI se utiliza a menudo en combinación con técnicas de imágenes anatómicas (como CT o MRI ) que proporcionan información sobre la ubicación del trazador.

Aplicaciones

Las imágenes de partículas magnéticas combinan una alta sensibilidad del trazador con una resolución submilimétrica . La obtención de imágenes se realiza en un rango de milisegundos a segundos. El trazador de óxido de hierro utilizado con MPI es eliminado naturalmente por el cuerpo a través del sistema de fagocitos mononucleares . Las nanopartículas de óxido de hierro se descomponen en el hígado , donde el hierro se almacena y se utiliza para producir hemoglobina. Los SPIO se han utilizado anteriormente en humanos para la suplementación con hierro y la obtención de imágenes del hígado .

Imágenes del charco de sangre

Cardiovascular

Los primeros resultados de MPI in vivo proporcionaron imágenes de un corazón de ratón latiendo en 2009. Con más investigaciones, esto podría eventualmente usarse para imágenes cardíacas en tiempo real . [1]

Oncología

MPI tiene numerosas aplicaciones en el campo de la investigación oncológica. La acumulación de un marcador dentro de tumores sólidos puede ocurrir debido al aumento de la permeabilidad y el efecto de retención . Esto se ha utilizado con éxito para detectar sitios tumorales en ratas. [2] La alta sensibilidad de la técnica significa que también puede ser posible obtener imágenes de micrometástasis mediante el desarrollo de nanopartículas dirigidas a células cancerosas. La MPI se está investigando como una técnica de detección clínica alternativa a la medicina nuclear para reducir la exposición a la radiación en poblaciones en riesgo.

Seguimiento celular

Al etiquetar células terapéuticas con nanopartículas de óxido de hierro, MPI permite rastrearlas por todo el cuerpo. Esto tiene aplicaciones en medicina regenerativa e inmunoterapia contra el cáncer . Las imágenes se pueden utilizar para mejorar el éxito de la terapia con células madre siguiendo el movimiento de estas células en el cuerpo. [3] El trazador es estable mientras está etiquetado en una célula y permanece detectable después de 87 días. [4]

Imágenes cerebrales funcionales

MPI se ha propuesto como una plataforma prometedora para la obtención de imágenes cerebrales funcionales que requieren imágenes altamente sensibles, así como tiempos de exploración cortos para una resolución temporal suficiente. Para ello, se utiliza MPI para detectar el aumento del volumen sanguíneo cerebral (VSC) derivado de la neuroactivación. La neuroimagen funcional utilizando MPI se ha demostrado con éxito [5] en roedores y tiene una ventaja de sensibilidad prometedora en comparación con otras modalidades de imagen. A largo plazo, esto podría permitir estudiar la neuroactivación funcional a nivel de un solo paciente y así llevar la neuroimagen funcional al diagnóstico clínico.

Trazador superparamagnético

Los trazadores utilizados en la obtención de imágenes de partículas magnéticas (MPI) son nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro ( SPION ). Están compuestos por un núcleo de magnetita (Fe 3 O 4 ) o maghemita (Fe 2 O 3 ) rodeado por un revestimiento superficial (comúnmente dextrano , carboxidextrano o polietilenglicol ). [6] [7] [8] [9]

El trazador SPION es detectable en fluidos biológicos , como la sangre. Este fluido responde muy bien incluso a campos magnéticos débiles , y todos los momentos magnéticos se alinearán en la dirección de un campo magnético inducido. Estas partículas se pueden utilizar porque el cuerpo humano no contiene nada que pueda crear interferencias magnéticas en las imágenes. Como único trazador, las propiedades de SPION son de importancia clave para la intensidad de la señal y la resolución de MPI. Las nanopartículas de óxido de hierro, debido a sus dipolos magnéticos, exhiben una magnetización espontánea que puede controlarse mediante un campo magnético aplicado. Por lo tanto, el rendimiento de los SPION en MPI depende críticamente de sus propiedades magnéticas, como la magnetización de saturación, el diámetro magnético y el mecanismo de relajación. Tras la aplicación de un campo magnético externo, la relajación de los SPION puede estar gobernada por dos mecanismos, Néel y la relajación browniana. Cuando toda la partícula gira con respecto al medio ambiente, sigue la relajación browniana, que se ve afectada por el diámetro físico. Cuando dentro de las partículas sólo gira el dipolo magnético, se produce el mecanismo llamado relajación de Néel, que se ve afectado por el diámetro magnético. Según el modelo de superparamagnetismo de Langevin, la resolución espacial de MPI debería mejorar cúbicamente con el diámetro magnético, lo que se puede obtener ajustando la curva de magnetización versus campo magnético a un modelo de Langevin. [10] Sin embargo, cálculos más recientes sugieren que existe un rango de tamaño magnético óptimo de SPION (~26 nm) para MPI. [6]Esto se debe a la borrosidad causada por la relajación browniana de los SPION de gran tamaño magnético. Aunque el tamaño magnético afecta críticamente el rendimiento de MPI, a menudo se analiza mal en publicaciones que informan sobre aplicaciones de MPI que utilizan SPION. A menudo, los trazadores disponibles comercialmente o los trazadores caseros se utilizan sin una caracterización magnética exhaustiva. Es importante destacar que, debido a la inclinación del espín y al desorden en la superficie, o debido a la formación de nanopartículas de fase mixta, el diámetro magnético equivalente puede ser menor que el diámetro físico. Y el diámetro magnético es fundamental debido a que la respuesta de las partículas a un campo magnético aplicado depende del diámetro magnético, no del diámetro físico. El diámetro magnético equivalente más grande puede ser el mismo que el diámetro físico. Un artículo de revisión reciente de Chandrasekharan et al. resume las propiedades de varios agentes de contraste de óxido de hierro y su rendimiento MPI medido utilizando su espectrómetro de partículas magnéticas interno, que se muestra en la imagen aquí. Cabe señalar que el diámetro del núcleo que figura en la tabla no es necesariamente el diámetro magnético. La tabla proporciona una comparación de todos los SPION publicados actualmente para agentes de contraste MPI. Como se ve en la tabla, LS017, con un tamaño de núcleo SPION de 28,7 nm y sintetizado mediante calentamiento por descomposición térmica con oxidación post-síntesis, tiene la mejor resolución en comparación con otros con un tamaño de núcleo más bajo. Resovist (Ferucarbotran), que consiste en óxido de hierro obtenido mediante coprecipitación, es el marcador más comúnmente utilizado y disponible comercialmente. Sin embargo, como sugieren Gleich et al., solo el 3% de la masa total de hierro de Resovist contribuye a la señal MPI debido a su polidispersidad, lo que lleva a una sensibilidad MPI relativamente baja. La intensidad de la señal de MPI está influenciada tanto por el diámetro del núcleo magnético como por la distribución de tamaño de los SPION. Comparando la sensibilidad MPI enumerada en la tabla anterior, LS017 tiene la intensidad de señal más alta (54,57 V/g de Fe) ya que las partículas son monodispersas y poseen un diámetro magnético grande en comparación con otras.

El revestimiento de la superficie también juega un papel clave a la hora de determinar el comportamiento de los SPION. Minimiza las interacciones no deseadas entre los núcleos de óxido de hierro (por ejemplo, contrarrestando las fuerzas de atracción entre las partículas para evitar la agregación), aumenta la estabilidad y la compatibilidad con el entorno biológico y también se puede utilizar para adaptar el rendimiento de SPION a aplicaciones de imágenes particulares. [9] [11] Los diferentes recubrimientos provocan cambios en la absorción celular, la circulación sanguínea y las interacciones con el sistema inmunológico, lo que influye en cómo se distribuye el marcador por todo el cuerpo con el tiempo. [11] Por ejemplo, se ha demostrado que los SPION recubiertos con carboxidextrano desaparecen en el hígado casi inmediatamente después de la inyección, mientras que aquellos con un recubrimiento de polietilenglicol (PEG) permanecen en circulación durante horas antes de eliminarse de la sangre. Estos comportamientos hacen que el trazador SPION recubierto de carboxidextrano esté mejor optimizado para imágenes del hígado y que el trazador SPION recubierto de PEG sea más adecuado para imágenes vasculares. [6] [7]

Ventajas

Mejora de la señal

Resonador pasivo de doble bobina

Recientemente, en la Universidad RWTH de Aquisgrán se desarrolló un dispositivo que proporciona una mejora de la señal selectiva en frecuencia . El resonador pasivo de doble bobina (pDCR) es un inserto de bobina receptora puramente pasiva para un sistema MPI preclínico. El pDCR tiene como objetivo mejorar los componentes de frecuencia asociados con altos órdenes de mezcla, que son críticos para lograr una alta resolución espacial . [12]

congresos, talleres

Referencias

  1. ^ Weizenecker, J.; Gleich, B.; Rahmer, J.; Dahnke, H.; Borgert, J. (1 de enero de 2009). "Imágenes tridimensionales de partículas magnéticas in vivo en tiempo real". Física en Medicina y Biología . 54 (5): L1–L10. Código Bib : 2009PMB....54L...1W. doi :10.1088/0031-9155/54/5/L01. ISSN  0031-9155. PMID  19204385. S2CID  2635545.
  2. ^ Yu, Elaine Y.; Obispo, Mindy; Zheng, Bo; Ferguson, R. Mateo; Khandhar, Amit P.; Kemp, Scott J.; Krishnan, Kannan M.; Buena voluntad, Patrick W.; Conolly, Steven M. (8 de marzo de 2017). "Imágenes de partículas magnéticas: una nueva plataforma de imágenes in vivo para la detección del cáncer". Nano Letras . 17 (3): 1648-1654. Código Bib : 2017NanoL..17.1648Y. doi : 10.1021/acs.nanolett.6b04865. ISSN  1530-6984. PMC 5724561 . PMID  28206771. 
  3. ^ Zheng, Bo; Ver, Marc P. von; Yu, Elaine; Gunel, Belice; Lu, Kuan; Vazin, Tandis; Schaffer, David V.; Buena voluntad, Patrick W.; Conolly, Steven M. (2016). "Las imágenes cuantitativas de partículas magnéticas monitorean el trasplante, la biodistribución y la eliminación de células madre in vivo". Teranóstica . 6 (3): 291–301. doi :10.7150/thno.13728. PMC 4737718 . PMID  26909106. 
  4. ^ Zheng, Bo; Vazin, Tandis; Buena voluntad, Patrick W.; Conway, Antonio; Verma, Aradhana; Saritas, Emine Ulku; Schaffer, David; Conolly, Steven M. (11 de septiembre de 2015). "Las imágenes de partículas magnéticas rastrean el destino a largo plazo de los implantes de células neurales in vivo con un alto contraste de imagen". Informes científicos . 5 (1): 14055. Código bibliográfico : 2015NatSR...514055Z. doi :10.1038/srep14055. ISSN  2045-2322. PMC 4566119 . PMID  26358296. 
  5. ^ Hierba, Konstantin; Masón, Erica; Mattingly, Eli; Mandeville, José; Mandeville, Emiri; Cooley, Clarisa; Wald, Lawrence (2020). "MPI funcional (fMPI) de hipercapnia en cerebro de roedor con imágenes de series temporales de MPI". Revista internacional sobre imágenes de partículas magnéticas . 6 (2/1). doi :10.18416/IJMPI.2020.2009009.
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  7. ^ ab Keselman, Paul; Yu, Elaine Y.; Zhou, Xinyi Y.; Buena voluntad, Patrick W.; Chandrasekharan, Prashant; Ferguson, R. Mateo; Khandhar, Amit P.; Kemp, Scott J.; Krishnan, Kannan M.; Zheng, Bo; Conolly, Steven M. (7 de mayo de 2017). "Seguimiento de la biodistribución a corto plazo y la eliminación a largo plazo de los trazadores SPIO en imágenes de partículas magnéticas". Física en Medicina y Biología . 62 (9): 3440–3453. Código Bib : 2017PMB....62.3440K. doi :10.1088/1361-6560/aa5f48. ISSN  1361-6560. PMC 5739049 . PMID  28177301. 
  8. ^ Makela, Ashley V.; Gaudet, Jeffrey M.; Murrell, Donna H.; Mansfield, James R.; Marca de invierno, Max; Contag, Christopher H. (15 de octubre de 2021). "Mind Over Magnets: cómo las imágenes de partículas magnéticas están cambiando la forma en que pensamos sobre el futuro de la neurociencia". Neurociencia . 474 : 100–109. doi : 10.1016/j.neuroscience.2020.10.036. ISSN  1873-7544. PMID  33197498. S2CID  226842684.
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Otras lecturas

enlaces externos