1 UNIVERSITATEA „AL. I. CUZA” FACULTATEA DE FIZICĂ Contribuții la studiul nanoparticulelor utilizate ca agenți de contrast în imagistica medicală de rezonanță nucleară - Rezumat - COORDONATOR ŞTIINŢIFIC: Prof. Univ. Dr. Ovidiu Florin CĂLȚUN DOCTORAND: Cristin-Petrică CONSTANTIN 2013
34
Embed
Contribuții la studiul nanoparticulelor utilizate ca ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
UNIVERSITATEA „AL. I. CUZA”
FACULTATEA DE FIZICĂ
Contribuții la studiul nanoparticulelor utilizate ca
Vă face cunoscut că în ziua de 26 septembrie 2013, orele 1000, în Sala L1,
drd. Cristin-Petrică Constantin va susține, în ședința publică, teza de
doctorat:
„Contribuții la studiul nanoparticulelor utilizate ca agenți de contrast
în imagistica medicală de rezonanță nucleară”
în vederea obținerii titlului științific de doctorat în domeniul Fizica.
Comisia de doctorat are următoarea componentă:
Președinte:
Prof. univ. dr. Diana Mardare, Universitatea „Alexandru Ioan
Cuza” din Iași
Conducător științific:
Prof. univ. dr. Ovidiu-Florin Călțun, Facultatea de Fizică,
Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iași
Referenți:
Prof. univ. dr. Alexandra-Raluca Iordan, Facultatea de Chimie,
Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iași
Prof. univ. dr. Simion Simon, Facultatea de Fizică, Universitatea
“Babeș Bolyai” din Cluj Napoca
Prof. univ. dr. Ioan Poeată, Universitatea de Medicină și
Farmacie „Gr. T. Popa” Iași;
4
Cuprins
Introducere 6 Capitolul 1 Principiile de bază RMN 7 1.1.Rezonanța magnetică nucleară 7 1.2.Precesia Larmor 7 1.3. Timpii de relaxare. Ecuațiile Bloch 8 1.3.1.Timpul de relaxare T1 8 1.3.2. Timpul de relaxare T2 8 1.4.Ecuațiile Bloch 8 1.5.Transformata Fourier 9 1.6.Formarea imaginii în imagistica de rezonanță magnetică 9 1.7.Spațiul k 9 1.8.Artefactele în imagistica de rezonanță magnetică 9 Capitolul II Stadiul actual al cercetărilor în domeniul
agenților de contrast utilizați în imagistica RMN
10 2.1. Agenții de contrast 10 2.1.1.Agenți de contrast pentru secvența T1 10 2.1.2.Agenți de contrast pentru secvența T2 10 2.2.Agenții de contrast cu Gadoliniu 10 2.2.1.Omniscan 11 2.2.2.Multihance 11 2.2.3.Stadiul actual al cercetării în domeniul
agenților de contrast
11 2.3.Nanoparticule de ferite ca agenți de contrast 11 2.4.Oxizii de fier ca agenți de contrast 11 Capitolul III Nanoparticule magnetice și ferofluide
utilizate ca agenți de contrast
12 3.1.Metode de sinteză ale nanoparticulelor magnetice 12 3.1.1. Metoda sol-gel 12 3.1.2. Metoda coprecipitării 12 3.2.Metode de caracterizare structurală a nanopulberilor
12 3.2.1.Difracția de radiație X 12 3.2.2. Microscopia electronică prin
transmisie
12 3.2.3.Microscopia electronică de baleaj 13 3.3.Metode de caracterizare a dispersiilor de nanoparticule 13 3.3.1.Nanosight LM20 13 3.4.Metode de caracterizare magnetică 13 3.4.1.Magnetometrul cu probă vibrantă 13 3.5.Sinteza și caracterizarea nanoparticulelor magnetice 13
5
3.5.1.Ferita de zinc 13 3.5.2.Ferita de cobalt 13 3.5.3.Ferita de zinc dopată cu nichel 13 3.5.4. Ferita de zinc dopată cu cobalt 15 Capitolul IV Rezultate experimentale de imagistică 17 4.1.Metode de obținere și prelucrare a imaginilor pe fantomuri 18 4.1.1.Ferite de tipul MFe2O4 ca agenți de
contrast
18 4.1.2. Nanoparticule din seriile CoxZn1-
xFe2O4 și NixZn1-xFe2O4 ca agenți de contrast
18 4.1.3.Studiul seriei CoxZn1-xFe2O4 ca agent
de contrast
20 4.2.Metode de prelucrare a imaginilor RMN a dispersiilor de
nanoparticule
22 4.3.Caracteristicile dispersiilor în diverse lichide 23 4.3.1.Ferita de zinc 23 4.3.2.Agentul de contrast Multihance 23 4.3.3.Agentul de contrast Omniscan 24 Capitolul V. Considerații cu privire la factorii care
influențează contrastul
25 5.1.Studiul influenței metodei de sinteză a nanoparticulelor de
ferită asupra imaginilor RMN
26 5.2.Studiul influenței microstructurii și dimensiunii medii de
particulă asupra contrastului imaginilor RMN
26 5.3.Studiul influenței magnetizației și a dimensiunilor medii de
particulă asupra imaginilor RMN
27 5.4.Studiul influenței susceptibilității asupra imaginilor RMN 28 Concluzii generale 28 Bibliografie 29 Lucrări în reviste cotate ISI 31 Lucrări in reviste non-ISI
33
6
Introducere
Rezonanța magnetică nucleară a cunoscut o vastă aplicație
în domeniul de cercetare cât și în cel medical, în special în scop de
diagnostic a unor patologii tumorale. Doarece țesutul tumoral și cel
patologic prezintă contrast asemănător în imagistica medicală de
rezonanță magnetică, s-a recurs la utilizarea de agenți de contrast.
Primii agenți de contrast utilizați sunt cei care au la bază
nanoparticule de gadoliniu, mai precis chelații de gadoliniu. Aceștia
sunt utilizați datorită proprietăților magnetice și biocompatibilității
cu țesutul uman. O altă categorie de agenți de contrast utilizați în
special în America sunt cei bazați pe nanoparticule de fier.
În ultimii ani cercetarea asupra agenților de contrast a
cunoscut o vastă dezvoltare, datorită și faptului că imagistica prin
rezonanță magnetică are aplicații din ce în ce mai ample. Tema de
cercetare a nanoparticulelor cu aplicație în imagistica medicală este
de actualitate internațională și prezintă multe arii de cercetare.
Această lucrare este structurată pe două părți: în prima
parte tratează fenomenul de rezonanță magnetică și stadiul actual al
cercetărilor agenților de contrast, iar în cea de a doua parte sunt
prezentate contribuțiile personale asupra studiului influenței
nanoparticulelor asupra contrastului în imagistica medicală de
rezonanță magnetică.
În Capitolul 1 sunt prezentate principiile de bază ale
fenomenului de rezonanță magnetică. De asemenea, sunt descrise
fenomenele de relaxare longitudinală și transversală a momentelor
magnetice supuse unui câmp magnetic, precum și principiul de
formare a imaginilor RMN.
În prima parte a Capitolului 2 este prezentat modul de
acțiune a agenților de contrast asupra momentelor magnetice ale
protonilor, iar în cea de a doua parte este detaliată o scurtă
prezentare a stadiului actual al cercetărilor asupra nanoparticulelor
utilizate ca agenți de contrast.
Capitolul 3 prezintă metodele de sinteză a nanoparticulelor
utilizate în studiul influenței asupra contrastului în imagistica
medicală. Sunt descrise proprietățile structurale și magnetice ale
feritei de zinc, cobalt și nichel, precum și a seriilor de ferită CoxZn1-
7
xFe2O4 și NixZn1-xFe2O4, cu x de la 0 la 1, sintetizate prin metoda
sol-gel autocombustie.
În Capitolul 4 sunt detaliate studiile realizate asupra
dispersiilor nanoparticulelor de ZnFe2O4, NiFe2O4, CoFe2O4 și
seriilor de ferită cu formula generală CoxZn1-xFe2O4 și NixZn1-
xFe2O4, (x de la 0 la 1) în fantomuri de agar. Din imaginile obținute
pentru aceste fantomuri s-au evidențiat contribuțiile momentelor
magnetice ale nanoparticulelor de ferită asupra timpilor de relaxare
longitudinali și transversali. În cazul feritei de zinc sintetizată prin
metoda sol-gel autocombutie s-a realizat un studiu al influenței
concentrației asupra contrastului în imagistica medicală.
Capitolul 5 conține un studiu comparativ al factorilor ce țin
de contrastul în imagistica medicală. Aici sunt prezentate comparații
între metodele de sinteză, agentul de combustie, dimensiunea medie
și morfologia nanoparticulelor și proprietățile magnetice.
În încheiere sunt prezentate Concluziile generale ale
acestui studiu.
Capitolul I. Principiile de bază RMN
1.1. Rezonanța magnetică nucleară
Conceptul de rezonanță magnetică a fost utilizat o dată cu
descoperirea spinului nuclear (George Uhlenbeck și Samuel
Goudsmit, 1925), urmat apoi de studiul interacțiunii dintre spin și
câmpul magnetic [1]. Fenomenul de rezonanță magnetică a fost
aplicat pentru prima dată în chimie și fizică în studiul moleculelor
[2]. Posibilitatea utilizării rezonanței magnetice în studiul țesutului
viu a crescut, în special atunci când s-a observat că țesuturile
normale și cele anormale pot fi diferențiate cu ajutorul acesteia.
Aproximativ patru decenii au trecut până la dezvoltatea unei
instalații de rezonanță magnetică, care a cunoscut un succes foarte
mare. Acest lucru a început din anul 1922, când Otto Stern și Walter
Gerlach au observat experimental cuantificarea spinului electronic.
În 1937, Isidor I. Rabi (premiul Nobel în Fizică, 1944) a observat
fenomenul de rezonanță magnetică nucleară (RMN) în fascicul
molecular.
8
1.2. Precesia Larmor
Ecuațiile Larmor descriu precesia magnetizației în procesul
de magnetizare și sunt deduse din teoria electromagnetismului
clasic. Utilizând relația momentului magnetic, momentul de torsiune
( ) este dat de produsul vectorial dintre momentul magnetic ( ) și
câmpul magnetic aplicat ( ) [3].
1.3 Timpii de relaxare. Ecuațiile Bloch
1.3.1. Timpul de relaxare T1
Magnetizația de echilibru ( ) se obține atunci când
vectorul magnetizație este aliniat de-a lungul câmpului magnetic
aplicat . Dacă asupra sistemului se acționează cu un câmp
magnetic sub forma unui puls de radiofrecvență, orientat sub un
unghi de 90o, atunci valoarea magnetizației Mz scade până la
valoarea 0. Energia pulsului RF trebuie să fie mai mare sau egal cu
energia dintre cele două stări energetice ale spinilor. Timpul necesar
ca magnetizația să revină la valoarea de echilibru se numește
timp de relaxare spin-rețea sau timp de relaxare longitudinal (T1).
1.3.2. Timpul de relaxare T2
După oprirea pulsului RF, are loc fenomenul invers –
magnetizația transversală Mxy descrește rapid, până la valoarea de
echilibru, fiind caracterizată de timpul de relaxare transversal T2 sau
timpul de relaxare spin-spin.
1.4. Ecuațiile Bloch
Până în prezent nu s-au luat în considerare interacțiunile
dintre spin și mediul în care se află. A fost discutat doar cazul ideal.
În practică, este necesar să se țină cont și de câmpurile magnetice și
electrice interne cauzate de aceste interacțiuni, deoarece acestea pot
induce mișcări adiționale magnetizației. Această problemă a fost
9
studiată de către Bloch [4]. Acesta a propus un set de ecuații care
descriu evoluția unui sistem de spini.
1.5. Transformata Fourier
Transformata Fourier conține informații despre partea reală
și cea imaginară pentru o fază bine definită. Pentru scurtarea
timpului în metoda Fourier, se scanează spațiul k pe jumătate și apoi
se reconstruește cealaltă jumătate utilizând proprietățile simetriei
Hermitiene a transformatei Fourier pentru semnalul RMN, S(-k) =
S*(k).
1.6. Formarea imaginii în imagistica de rezonanță magnetică
Pentru achiziția unei imagini RMN se excită o mică felie
din eșantion. Aceasta se poate face aplicând simultan un gradient de
câmp magnetic și un puls selectiv. Modularea amplitudinii în timp
este necesară pentru a excita doar o secțiune limitată din spectru de
frecvențe. În prezența unui gradient de câmp magnetic un astfel de
puls va excita doar o porțiune îngustă din probă (vom folosi
denumirea de slice pentru o secțiune mică din proba de scanat).
Grosimea slice-ului este proporțională cu lățimea spectrului. Acest
efect se poate observa pentru variația spațială a magnetizării, în
urma aplicării unui puls rectangular pe durata de timp, th, în prezența
gradientului pe aza z, Gz.
1.7. Spațiul k
Spațiul k este un concept deosebit în tehnica de imagistică
RMN, acesta fiind utilizat pentru achiziția datelor și reconstrucția
acestora pentru vizualizare. Spațiul k poate fi definit ca o platformă
abstractă pe care se achiziționează datele, poziționează și apoi sunt
transformate în imagine. Spațiul k trebuie să fie completat cu toate
datele înainte ca imaginea să fie reconstruită. [5].
1.8. Artefactele în imagistica de rezonanță magnetică
Artefactele sunt zgomote suprapuse peste semnalul dat de
relaxarea spinilor și pot afecta imaginea obținută. Artefactele depind
de mai mulți factori, cum ar fi artefactele datorate pacientului și cele
10
datorate tehnicii. Artefactele datorate pacientului țin strict de
mișcările voluntare sau de mișcările involuntare ale organelor
interne ale pacientului. Artefactele de tehnică provin de la alegerea
incorectă a parametrilor de scanare și/sau defecțiuni ale instalației
RMN [6].
1.9. Echipamentul RMN utilizat în diagnosticul medical
Instalația de rezonanță magnetică nucleară este formată din
următoarele componente: magnetul, sistemul de bobine care creează
gradienți de câmp magnetic, sistemele de detecție (antenele de
radiofrecvență), sistemul de recepție și computerul [7].
Capitolul II. Stadiul actual al cercetărilor în
domeniul agenților de contrast utilizați în imagistica
RMN
2.1. Agenții de contrast
Agenții de contrast joacă un rol important în imagistica
medicală de rezonanță magnetică nucleară. Produșii de contrast sunt
în principal utilizați pentru a crește contrastul imaginilor RMN.
Sunt mai multe tipuri de produși de contrast utilizați în prezent:
înglobați în fluidul extracelular (ECF), agenți intravenoși și agenți
specifici pentru anumite țesuturi sau organe.
2.1.1 Agenți de contrast pentru secvența T1
Agenți de contrast utilizați pentru secvența T1 sunt în
general ioni metalici paramagnetici. În prezent, cel mai utilizat ion
paramagnetic este gadoliniu (Gd). Acesta posedă 7 electroni
neîmperecheați ceea ce conduce la un moment magnetic mare a
fiecărei particule. Ionii metalici de Mn2+
și Fe2+
prezintă un bun
contrast în secvența T1 deoarece prezintă și ei momente magnetice
mari [8].
2.1.2 Agenți de contrast pentru secvența T2
Substanțele superparamagnetice sau cele feromagnetice,
induc neomogenități ale câmpului magnetic, acestea accelerând
11
defazajul protonilor, deci diminuând timpul de relaxare T2. De
multe ori este mai ușor să influențăm scăderea timpului de relaxare
spin-spin (T2) utilizând agenți superparamagnetici. Unele dintre
aceste substanțe de contrast sunt nanoparticule oxidice de fier,
magnetită (Fe3O4) sau maghemită (γ-Fe2O3) cu diametrul mediu
situat în intervalul 5-50 nm.
2.2. Agenții de contrast cu Gadoliniu
Gadoliniu este paramagnetic din punct de vedere magnetic.
Suspensiile de chelați de gadoliniu sunt utilizate ca agenți de
contrast în imagistica de rezonanță magnetică. Nanoparticulele de
chelați de Gd au dimensiuni cuprinse în intervalul 5-100 nm și sunt
dispersate într-o soluție injectabilă.
2.2.1 Omniscan
Agentul de contrast Omniscan conține 287 mg
gadodiamide dizolvată în soluție injectabilă și este utilizat în general
pentru diagnosticarea tumorilor sistemului nervos central.
2.2.2 Multihance
Fiecare mililitru de agent de contrast Multihance conține
0,529 g de gadobenate dimeglumină dizolvată în soluție injectabilă.
2.2.3 Stadiul actual al cercetării în domeniul agenților de
contrast
Numeroase articole, în special cele publicate în reviste din
domeniul medicină, descriu importanța agenților de contrast în
diagnosticarea diferitelor tumori sau leziuni vasculare, chiar și cele
de dimensiuni de ordinul milimetrilor [9].
2.3. Nanaoparticule de ferite ca agenți de contrast
Tendința în domeniul medical este de a dezvolta în
permanență aparatură și accesorii medicale pentru a vizualiza cât
mai bine regiunile anatomice, tumorile și infiltrațiile acestora. O
12
nouă gamă de agenți de contrast care sunt în prezent în cercetare și
dezvoltare sunt feritele.
2.4. Oxizii de fier ca agenți de constrast
Agenții pe bază de gadoliniu, de ferite și de oxizi de fier care au fost
studiați au efect asupra timpului de relaxare, ceea ce confirmă că
aceștia pot să fie utilizați în tehnica RMN. Pentru a fi utilizate ca
agent de contrast aceste substanțe trebuie să treacă testele de
biocompatibilitate cu organismul uman. Cu scopul de a obține o
biocompatibilitate ridicată o tehnică importantă este aceea a învelirii
lor în polimeri. Din cauza toxicității ridicate unele ferite pot fi
acceptate în cantități mici în corpul uman. Toate studiile descrise
mai sus s-au realizat în laboratoare, utilizând instalații RMN cu
intensități ale câmpului magnetic mare și diluând cantități diferite
de nanoparticule magnetice în apă.
Capitolul III. Nanoparticule magnetice și ferofluide utilizate ca
agenți de contrast
3.1. Metode de sinteză ale nanoparticulelor magnetice
3.1.1. Metoda sol-gel
Metoda de sinteză sol-gel este cea mai des utilizată în
sinteza nanostructurilor metalice oxidice. În sinteza sol-gel, pe lângă
procesele fizice și chimice întâlnite se mai asociază și fenomene
precum hidroliza, polimerizarea, gelifierea, condensarea, uscarea și
densificarea [10].
3.1.2 Metoda coprecipitării
Metoda coprecipitării este cea mai utilizată în sinteza
oxidului de fier (Fe3O4 sau γFe2O3) din soluție apoasă de sare de
Fe2+
/Fe3+
adăugând o bază. Coprecipitarea este utilizată și în
medicină pentru a lega un antigen împreună cu un complex antigen-
anticorp [11].
3.2. Metode de caracterizare structurală a nanopulberilor
3.2.1. Difracția de radiație X
13
Difracția de radiație X este o tehnică nedestructivă pentru
determinarea proprietăților structurale: parametrul de rețea,
dimensiunea grăunților, compoziția fazelor. Cu ajutorul acestei
metode se mai pot obține informații despre faza cristalină,
aranjamentul atomic și se poate măsura grosimea filmelor subțiri sau
a structurilor multi-strat [12].
3.2.2. Microscopia electronică prin transmisie
Microscopia electronică prin transmisie (TEM) oferă date
despre proprietățile structurale sau ultrastructurale ale structurii
interne a solidelor, ceea ce cu un microscop optic nu este posibil de
vizualizat.
3.2.3 Microscopia electronică de baleaj
Cu ajutorul tehnicii SEM se pot analiza probe de dimensiuni
mari, de ordinul milimetrilor. Probele trebuie să fie conductoare
electric, deoarece în cazul în care nu sunt în timpul procesului de
scanare se vor încărca electrostatic dând naștere unui potențial
negativ [13].
3.3. Metode de caracterizare a dispersiilor de nanoparticule
3.3.1 Nanosight LM20
În studiul dimensiunilor nanoparticulelor, cei de la NanoSight
au dezvoltat un instrument unic care permite urmărirea particulelor
aflate în mișcare Browniană într-o suspensie lichidă. Această
tehnică este o alternativă la tehnica DLS (Dynamic Light
Scattering). Tehnica de analiză a nanoparticulelor aflate în mișcare
(NTA – Nanoparticle Tracking Analysis) este o metodă directă de
vizualizare și analizare în timp real a nanoparticulelor. Mișcarea
Browniană a nanoparticulelor este analizată cu ajutorul unui
microscop iluminat cu un fascicol laser (30 mW, 635 nm), prevăzut
cu o cameră CCD. Cu ajutorului softului dedicat, se analizează
fiecare particulă în parte, permițând determinarea dimensiunii
nanoparticulelor (a diametrului hidrodinamic).
3.4. Metode de caracterizare magnetică
3.4.1 Magnetometrul cu probă vibrantă
14
Magnetometrul cu probă vibrantă (VSM – Vibrating
Sample Magnetometer) a fost dezvoltat de către S. Foner în anul
1956. Cu ajutorul acestei instalații se pot măsura proprietățile
magnetice ale materialelor.
3.5. Sinteza și caracterizarea nanoparticulelor magnetice
3.5.1 Ferita de zinc
Nanoparticulele de ferită de zinc, cu formula generală,
ZnFe2O4, au fost sintetizate prin metoda sol-gel auto-combustie în
laboratorul Facultații de Chimie, Universitatea “Al. I. Cuza” Iași,
sub îndrumarea domnului Prof. Dr. Nicolae Palamaru. În acest sens,
s-au utilizat ca precursori nitrați metalici, iar ca agent chelator de
combustie acidul citric.
Din analiza difractogramelor XRD pentru proba tratată
termic la 900oC (Fig. 3.7) s-a observat că ferita de zinc este de tip
spinel.
Fig. 3.7. Difractograma XRD pentru proba tratată termic
la temperatura de 900oC [14].
3.5.2 Ferita de cobalt
Nanoparticulele de ferita de cobalt, cu formula generală,
CoFe2O4, au fost sintetizate prin procesul de combustie la
temperatură joasă, în laboratorul Facultații de Chimie, Universitatea
“Al. I. Cuza” Iași, sub îndrumarea dl. Prof. Dr. Nicolae Palamaru.
Parametrii de rețea obținuți din difractogramele XRD, Fig.
3.9, pentru pulberile de ferită de Co sunt a=8.3802 Å, aceștia fiind
in concordanță cu literatura de specialitate [15]. În urma
15
măsurătorilor de structură se constată că ferita de cobalt sintetizată
prin combustie prezintă o structură spinelică cubică cu fcc.
Măsurătorile magnetice ne arată că ferita de cobalt prezintă
proprietăți magnetice care recomandă utilizarea lor în aplicații
practice, Fig. 3.10. Tratamentul termic la care a fost supusă proba a
dus la creșterea dimensiunii medii de grăunte și scăderea valorii
câmpului coercitiv.
20 30 40 50 60 70 80
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
CoFe2O
4
[440]
[511]
[422]
[400]
[311]
[220]
Inte
ns
ity
(a
u)
theta (degree)
Fig.3.9. Difractograma XRD pentru ferita de cobalt tratată
la temperatura de 850oC[16].
a)
-8000 -4000 0 4000 8000
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
M
(em
u/g
)
H (Oe)
CoFe2O
4
b)-4000 0 4000
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
125
M
(em
u/g
)
H (Oe)
CoFe2O
4
Fig. 3.10. Curba de histerezis pentru CoFe2O4 calcinată la
temperatura de: a) 650oC și b) 850
oC [16].
3.5.3 Ferita de zinc dopată cu nichel
Ferita de zinc dopată cu nichel a fost obținută prin metoda de
combustie sol-gel, utilizând ca agent de combustie acidul tartric, în
laboratorul Facultații de Chimie, Universitatea “Al. I. Cuza” Iași,
sub îndrumarea dl. Prof. Dr. Nicolae Palamaru. Formula generală
16
pentru ferita de zinc dopată cu nichel este: NixZn1-xFe2O4 (x=0, 0.2,