Визуализация магнитных частиц ( MPI ) - это развивающийся неинвазивный томографический метод, который напрямую обнаруживает суперпарамагнитные индикаторы наночастиц . Эта технология имеет потенциальное применение в диагностической визуализации и материаловедении . В настоящее время он используется в медицинских исследованиях для измерения трехмерного местоположения и концентрации наночастиц . Визуализация не использует ионизирующее излучение и может генерировать сигнал на любой глубине внутри тела. Впервые MPI был разработан в 2001 году учеными, работающими в Королевской исследовательской лаборатории Philips в Гамбурге.. Первая система была создана и сообщена в 2005 году. С тех пор технология была усовершенствована академическими исследователями в нескольких университетах по всему миру. Первые коммерческие сканеры MPI недавно стали доступны от компаний Magnetic Insight и Bruker Biospin .
Аппаратное обеспечение, используемое для MPI, сильно отличается от MRI . Системы MPI используют изменяющиеся магнитные поля для генерации сигнала от наночастиц суперпарамагнитного оксида железа (SPIO). Эти поля специально разработаны для создания единственной области, свободной от магнитного поля. Сигнал генерируется только в этой области. Изображение создается путем перемещения этой области по образцу. Поскольку в ткани нет естественного SPIO , сигнал обнаруживается только от введенного индикатора. Это обеспечивает изображения без фона. MPI часто используется в сочетании с методами анатомической визуализации (такими как КТ или МРТ ), предоставляя информацию о местоположении индикатора.
Приложения
Магнитная визуализация частиц сочетает в себе высокую чувствительность индикатора с субмиллиметровым разрешением . Визуализация выполняется в диапазоне от миллисекунд до секунд. Индикатор оксида железа, используемый с MPI, выводится организмом естественным путем через систему мононуклеарных фагоцитов . Наночастицы оксида железа расщепляются в печени , где железо хранится и используется для производства гемоглобина. SPIO ранее использовались у людей для приема добавок железа и визуализации печени .
Визуализация пула крови
Сердечно-сосудистые
Первые результаты MPI in vivo предоставили изображения бьющегося сердца мыши в 2009 году. При дальнейших исследованиях это можно было бы в конечном итоге использовать для визуализации сердца в реальном времени . [1]
Онкология
MPI имеет множество приложений в области онкологических исследований. Накопление индикатора в солидных опухолях может происходить за счет повышенной проницаемости и удерживающего эффекта . Это было успешно использовано для обнаружения участков опухоли у крыс. [2] Высокая чувствительность метода означает, что также возможно получить изображение микрометастазов за счет разработки наночастиц, нацеленных на раковые клетки. MPI исследуются в качестве клинического альтернативного метода скрининга для ядерной медицины , с тем чтобы уменьшить воздействие радиации на уязвимых группах населения.
Отслеживание сотовых
Помечая терапевтические клетки наночастицами оксида железа, MPI позволяет отслеживать их по всему телу. Это имеет применение в регенеративной медицине и иммунотерапии рака . Для повышения эффективности лечения стволовыми клетками можно использовать визуализацию , отслеживая движение этих клеток в организме. [3] Индикатор стабилен, пока привязан к ячейке, и остается обнаруживаемым в течение 87 дней. [4]
Функциональная томография головного мозга
MPI был предложен в качестве многообещающей платформы для функциональной визуализации мозга, которая требует высокочувствительной визуализации, а также короткого времени сканирования для достаточного временного разрешения. Для этого MPI используется для обнаружения увеличения объема церебральной крови (CBV) в результате нейроактивации. Функциональная нейровизуализация с использованием MPI была успешно продемонстрирована [5] на грызунах и имеет многообещающее преимущество в чувствительности по сравнению с другими методами визуализации. В долгосрочной перспективе это потенциально может позволить изучить функциональную нейроактивацию на уровне отдельного пациента и, таким образом, внести функциональную нейровизуализацию в клиническую диагностику.
Суперпарамагнитный индикатор
Индикатор SPIO, используемый в визуализации магнитных частиц, обнаруживается в биологических жидкостях , таких как кровь . Эта жидкость очень чувствительна даже к слабым магнитным полям , и все магнитные моменты выстраиваются в направлении индуцированного магнитного поля. Эти частицы можно использовать, потому что человеческое тело не содержит ничего, что могло бы создавать магнитные помехи при визуализации. Как единственный индикатор, свойства SPION имеют ключевое значение для интенсивности сигнала и разрешения MPI. Наночастицы оксида железа благодаря своим магнитным диполям проявляют спонтанную намагниченность, которой можно управлять с помощью приложенного магнитного поля. Следовательно, производительность SPION в MPI критически зависит от их магнитных свойств, таких как намагниченность насыщения, магнитный диаметр и механизм релаксации. На рисунке справа представлено репрезентативное изображение функции рассеяния точки (PSF), полученное с использованием режима Relax Mode в сканере MPI, с указанием интенсивности и полной ширины сигнала на полувысоте (FWHM), что соответствует разрешению сигнала. При приложении внешнего магнитного поля релаксация SPION может управляться двумя механизмами: неелевской и броуновской релаксацией. Когда вся частица вращается относительно окружающей среды, происходит броуновская релаксация, на которую влияет физический диаметр. Когда внутри частиц вращается только магнитный диполь, этот механизм называется релаксацией Нееля, на который влияет магнитный диаметр. Согласно ланжевеновской модели суперпарамагнетизма, пространственное разрешение MPI должно улучшаться кубически с увеличением диаметра магнетизма, что может быть получено путем подбора кривой зависимости намагниченности от магнитного поля модели Ланжевена. [6] Однако более поздние расчеты показывают, что существует оптимальный диапазон магнитных размеров SPION (~ 26 нм) для MPI. [7] Это происходит из-за размытия, вызванного броуновской релаксацией СПИОНов большого размера. Хотя магнитный размер критически влияет на производительность MPI, он часто плохо анализируется в публикациях, сообщающих о приложениях MPI с использованием SPION. Часто коммерчески доступные индикаторы или самодельные индикаторы используются без тщательной магнитной характеристики. Важно отметить, что из-за скоса вращения и беспорядка на поверхности или из-за образования наночастиц смешанной фазы эквивалентный магнитный диаметр может быть меньше физического диаметра. А магнитный диаметр имеет решающее значение, поскольку реакция частиц на приложенное магнитное поле зависит от магнитного диаметра, а не от физического диаметра. Наибольший эквивалентный магнитный диаметр может совпадать с физическим диаметром. В недавней обзорной статье Чандрасекхарана и др. суммирует свойства различных контрастных агентов на основе оксида железа и их характеристики MPI, измеренные с помощью собственного спектрометра магнитных частиц, показанного на рисунке здесь. Следует отметить, что диаметр сердечника, указанный в таблице, не обязательно является магнитным диаметром. В таблице представлено сравнение всех опубликованных в настоящее время SPION для контрастных агентов MPI. Как видно из таблицы, LS017 с размером ядра SPION 28,7 нм, синтезированный путем термического разложения при нагревании с окислением после синтеза, имеет лучшее разрешение по сравнению с другими с меньшим размером ядра. Ресовист (Ферукарботран), состоящий из оксида железа, полученного путем соосаждения, является наиболее часто используемым и коммерчески доступным индикатором. Однако, как предполагают Gleich et al., Только 3% от общей массы железа из Resovist вносит вклад в сигнал MPI из-за его полидисперсности, что приводит к относительно низкой чувствительности MPI. На интенсивность сигнала MPI влияют как диаметр магнитопровода, так и распределение SPION по размерам. Сравнивая чувствительность MPI, указанную в приведенной выше таблице, LS017 имеет самую высокую интенсивность сигнала (54,57 В / г Fe), поскольку частицы монодисперсны и обладают большим магнитным диаметром по сравнению с другими.
Поверхностное покрытие SPION также имеет ключевое значение, поскольку оно влияет на стабильность, фармакокинетические характеристики и биораспределение частиц в биологической среде. Биораспределение карбокси-декстрана и SPION, модифицированных ПЭГ, было изучено Keselman et al. используя MPI. Результаты показали, что SPION, модифицированные ПЭГ, имели относительно длительный период полужизни в крови, составляющий 4,2 часа до поглощения печенью и селезенкой, по сравнению с SPION, покрытыми карбоксидекстраном, которые быстро выводились в печени. Выбор покрытия поверхности влияет на потенциальные области применения MPI. SPION, покрытый карбоксидекстраном, полезен для визуализации печени, тогда как частицы, модифицированные ПЭГ, более предпочтительны для длительного кровообращения.
Принимая во внимание все эти концепции и информацию, мы можем начать определять, что «идеальные» частицы в контексте повышения чувствительности и разрешения MPI должны обладать следующими характеристиками:
- размер магнитопровода около 26 нм и близок к физическому диаметру
- монодисперсный
- подходящее покрытие поверхности
Преимущества
- Высокое разрешение (~ 0,4 мм)
- Быстрые результаты изображения (~ 20 мс)
- Нет радиации
- Без йода
- Без фонового шума (высокая контрастность)
Конгрессы, мастер-классы
- Заседание группы интересов WMIS MPI
- Домашняя страница Ежегодного международного семинара по MPI
Рекомендации
- ^ Weizenecker, J .; Gleich, B .; Rahmer, J .; Dahnke, H .; Боргерт, Дж. (1 января 2009 г.). «Трехмерная визуализация магнитных частиц in vivo в реальном времени». Физика в медицине и биологии . 54 (5): L1 – L10. Bibcode : 2009PMB .... 54L ... 1W . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 54/5 / L01 . ISSN 0031-9155 . PMID 19204385 .
- ^ Ю, Элейн Й .; Бишоп, Минди; Чжэн, Бо; Фергюсон, Р. Мэтью; Khandhar, Amit P .; Кемп, Скотт Дж .; Кришнан, Каннан М .; Гудвилл, Патрик В .; Конолли, Стивен М. (2017-03-08). «Магнитная визуализация частиц: новая платформа визуализации in vivo для обнаружения рака» . Нано-буквы . 17 (3): 1648–1654. Bibcode : 2017NanoL..17.1648Y . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.6b04865 . ISSN 1530-6984 . PMC 5724561 . PMID 28206771 .
- ^ Чжэн, Бо; См. Marc P. von; Ю, Элейн; Гюнель, Белиз; Лу, Куан; Вазин, Тандис; Шаффер, Дэвид В .; Гудвилл, Патрик В .; Конолли, Стивен М. (2016). «Количественная визуализация с помощью магнитных частиц отслеживает трансплантацию, биораспределение и клиренс стволовых клеток in vivo» . Тераностика . 6 (3): 291–301. DOI : 10.7150 / thno.13728 . PMC 4737718 . PMID 26909106 .
- ^ Чжэн, Бо; Вазин, Тандис; Гудвилл, Патрик В .; Конвей, Энтони; Верма, Арадхана; Саритас, Эмине Улку; Шаффер, Дэвид; Конолли, Стивен М. (11 сентября 2015 г.). «Магнитная визуализация частиц отслеживает долгосрочную судьбу имплантатов нервных клеток in vivo с высокой контрастностью изображения» . Научные отчеты . 5 (1): 14055. Bibcode : 2015NatSR ... 514055Z . DOI : 10.1038 / srep14055 . ISSN 2045-2322 . PMC 4566119 . PMID 26358296 .
- ^ Херб, Константин; Мейсон, Эрика; Маттингли, Эли; Мандевиль, Джозеф; Мандевиль, Эмири; Кули, Кларисса; Уолд, Лоуренс (2020). «Функциональный MPI (fMPI) гиперкапнии в головном мозге грызунов с визуализацией временного ряда MPI». Международный журнал по визуализации магнитных частиц . 6 (2/1). DOI : 10.18416 / IJMPI.2020.2009009 .
- ^ Гудвилл, Патрик (2012). «X-Space MPI: магнитные наночастицы для безопасной медицинской визуализации». Современные материалы . 24 (28): 3870–7. DOI : 10.1002 / adma.201200221 . hdl : 11693/53587 . PMID 22988557 .
- ^ Чандрасекхаран, П. (2018). «Перспективы быстрого и безызлучательного метода визуализации с индикатором, магнитной визуализации частиц, с перспективой для клинического перевода» . Британский журнал радиологии . 91 (1091). DOI : 10.1259 / bjr.20180326 . PMC 6475963 . PMID 29888968 .
дальнейшее чтение
- Первое исследование перфузии легких с помощью магнитных частиц in vivo у крыс . Zhou XY, Jeffris K, Yu E, Zheng B, Goodwill P, Nahid P, Conolly S. Phys Med Biol. 2017 20 февраля.
- Отслеживание краткосрочного биораспределения и долгосрочного удаления трассеров SPIO при визуализации магнитных частиц . Keselman P, Yu E, Zhou X, Goodwill P, Chandrasekharan P, Ferguson RM, Khandhar A, Kemp S, Krishnan K, Zheng B, Conolly S. Phys Med Biol. 8 февраля 2017 г.
- Оценка наночастиц оксида железа, покрытых ПЭГ, в качестве индикаторов пула крови для доклинической визуализации магнитных частиц . Khandhar AP, Keselman P, Kemp SJ, Ferguson RM, Goodwill PW, Conolly SM, Krishnan KM. Наноразмер. 2017, 19 января; 9 (3): 1299-1306.
- Сочетание магнитной визуализации и гипертермии магнитной жидкости в тераностической платформе . Hensley DW, Tay ZW, Dhavalikar R, Zheng B, Goodwill P, Rinaldi C, Conolly S. Phys Med Biol. 2016 29 декабря.
- Конечная магнитная релаксация в визуализации магнитных частиц в x-пространстве: Сравнение измерений и феррогидродинамических моделей. Дхаваликар Р., Хенсли Д., Мальдонадо-Камарго Л., Крофт Л. Р., Серон С., Гудвилл П. У., Конолли С. М., Ринальди К. J. Phys D Appl Phys. 3 августа 2016; 49 (30)
- MPI-спектрометр и релаксометр с высокой пропускной способностью и произвольной формой волны для комплексной оптимизации и определения характеристик магнитных частиц . Тай З.В., Гудвилл П.В., Хенсли Д.В., Тейлор Л.А., Чжэн Б., Конолли С.М. Sci Rep.30 сентября 2016; 6: 34180.
- Релаксометр в x-пространстве с вихретоковой защитой для определения характеристик чувствительных магнитных наночастиц . Бауэр Л.М., Хенсли Д.В., Чжэн Б., Тай З.В., Гудвилл П.В., Гризволд М.А., Конолли С.М. Rev Sci Instrum. 2016 Май; 87 (5): 055109.
- Низкая амплитуда управляющего поля для улучшенного разрешения изображения при визуализации магнитных частиц . Croft LR, Goodwill PW, Konkle JJ, Arami H, Price DA, Li AX, Saritas EU, Conolly SM. Med Phys. 2016 Янв; 43 (1): 424. DOI: 10.1118 / 1.4938097.
- Выпуклая формулировка для реконструкции X-пространства с помощью визуализации магнитных частиц . Конкл Дж. Дж., Гудвилл П. У., Хенсли Д. В., Орендорф Р. Д., Лустиг М., Конолли С. М.. PLoS One. 2015 23 октября; 10 (10): e0140137. DOI: 10.1371 / journal.pone.0140137.
- Влияние длительности импульса на пороги магнитостимуляции .Saritas EU, Goodwill PW, Conolly SM. Med Phys. 2015 июн; 42 (6): 3005-12. DOI: 10.1118 / 1.4921209.
- Мультимодальная визуализация магнитных частиц (MPI) in vivo с использованием специально подобранных магнито / оптических контрастных агентов . Арами Х., Кхандхар А.П., Томитака А., Ю Э, Гудвилл П.В., Конолли С.М., Кришнан К.М. Биоматериалы. 2015 июн; 52: 251-61. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2015.02.040.
- Получение изображений магнитных частиц с помощью специальных индикаторов наночастиц оксида железа. Фергюсон Р.М., Кхандхар А.П., Кемп С.Дж., Арами Х., Саритас ЕС, Крофт Л.Р., Конкл Дж., Гудвилл П.В., Халкола А., Рамер Дж., Боргерт Дж., Конолли С.М., Кришнан К.М. IEEE Trans Med Imaging. 2015 Май; 34 (5): 1077-84. DOI: 10.1109 / TMI.2014.2375065.
- Двадцатикратное ускорение реконструкции трехмерной проекции MPI . Konkle JJ, Goodwill PW, Saritas EU, Zheng B, Lu K, Conolly SM. Биомед Тек (Берл). 2013 декабрь; 58 (6): 565-76. DOI: 10.1515 / bmt-2012-0062.
- Пределы магнитостимуляции при визуализации магнитных частиц . Saritas EU, Goodwill PW, Zhang GZ, Conolly SM. IEEE Trans Med Imaging. 2013 сентябрь; 32 (9): 1600-10. DOI: 10.1109 / TMI.2013.2260764 ..
- Линейность и инвариантность сдвига для количественной визуализации магнитных частиц . Лу К., Гудвилл П.В., Саритас ЕС, Чжэн Б., Конолли С.М. IEEE Trans Med Imaging. 2013 сентябрь; 32 (9): 1565-75. DOI: 10.1109 / TMI.2013.2257177.
- Визуализация магнитных частиц (MPI) для исследователей ЯМР и МРТ . Saritas EU, Goodwill PW, Croft LR, Konkle JJ, Lu K, Zheng B, Conolly SM. Дж. Магн Резон. 2013 Апрель; 229: 116-26. DOI: 10.1016 / j.jmr.2012.11.029. Рассмотрение.
- Магнитно-порошковая визуализация с реконструкцией проекции . Конкл Дж. Дж., Гудвилл П. У., Карраско-Зеваллос О. М., Конолли С. М.. IEEE Trans Med Imaging. 2013 Февраль; 32 (2): 338-47. DOI: 10.1109 / TMI.2012.2227121.
Внешние ссылки
- Magnetic Insight, Inc. - Коммерциализация технологии MPI, первоначально разработанной в Калифорнийском университете в Беркли 11/2014
- Понимание магнитной визуализации частиц
- Система магнитной визуализации MOMENTUM
- Ж.-П. Герке. Характеристика сигнала изображения магнитных частиц на основе теории, моделирования и экспериментов . M. Sc. Диссертация, Вюрцбургский университет, 2010.
- Магнитная визуализация частиц: движение вперед, medicalphysicsweb.org, 12 апреля 2011 г.
- "MPI бегущей волны в Вюрцбургском университете"
- «Магнитная визуализация частиц (MPI) в RWTH Aachen University»
- «Работа MPI в Калифорнийском университете в Беркли»
- «Исследования MPI в Любекском университете»
- «Philips объявляет о прорыве в технологии медицинской визуализации»
- То, что вы видите, это то, что у вас есть
- Открывая новые горизонты в молекулярной визуализации
- Переворачивание хорошего изображения. Радиология сегодня май 2017