Выявление заболевания до появления клинических симптомов может спасти жизнь. При появлении у пациента первых признаков и симптомов заболевания в большинстве случаев диагностика проводится с помощью медицинской визуализации в сочетании с лабораторным анализом биологических жидкостей ^1-3. Медицинская визуализация давно используется для неинвазивной диагностики заболеваний. В клиниках она используется как инструмент скрининга заболеваний. Скрининг позволяет, по крайней мере, предположить, что можно подразделить пациентов на подгруппы низкого, среднего и низкого риска, а также подгруппы высокого риска ^1,2. Кроме того, визуализация играет важную роль в мониторинге, планировании последующего лечения и подборе схем неинвазивного лечения с учетом индивидуальных особенностей пациента. Ожидается, что это приведет к изменениям в клинической практике, научных исследованиях и для будущих специалистов в области визуализации ^4,5.

Существует множество типов обработки изображений. К ним относятся позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), компьютерная томография (КТ), ультразвук, однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) и магнитно-резонансная томография (МРТ) ^6,7. Среди различных методов визуализации МРТ обеспечивает глубокую визуализацию мягких тканей, позволяя выявлять изменения молекулярных и структурных аномалий ⁸. В 1970-х годах Freeman et al. . впервые предложили идею использования магнетизма в медицине ⁹. Paul Lauterbur опубликовал первое МР-изображение в 1973 году, а первые исследования, проведенные на людях, были опубликованы в 1977 году ¹⁰. В начале 1980-х годов магнитно-резонансная томография (МРТ) была внедрена в клиники ^{16, 17.} За последние несколько десятилетий использование МРТ в клинической онкологии значительно расширилось. Кроме того, МРТ использовалась для выявления взаимодействия хозяина и патогена на животных моделях. Целью некоторых из этих исследований было понимание механизмов развития заболеваний для разработки лекарственных препаратов, а также понимание механизмов лекарственной устойчивости. МРТ также используется для исследования медицинских состояний, которые могут развиться после заражения и привести к тяжелым последствиям для здоровья пациентов ¹¹. Таким образом, МРТ обладает потенциалом диагностического инструмента для заболеваний, при которых поражаются сразу несколько систем органов ¹¹. Однако из-за меньшей чувствительности для визуализации используются контрастные вещества. МРТ с контрастным усилением позволяет идентифицировать и обнаруживать биомаркеры, связанные с заболеванием, в привязке к точной анатомической локализации. МРТ может выявить молекулярные события, лежащие в основе возникновения и течения заболевания, если использовать ее в сочетании с соответствующим образом подобранными контрастными веществами ¹⁰. В настоящее время с контрастными веществами используются наночастицы, а также развиваются нанотехнологии для синтеза нанозондов, которые могут быть использованы как для доставки лекарств, так и для диагностики ^12,13. Размер наночастиц варьируется от ~10 до 100 нм и не превышает 1000 нм ¹⁴. Системы доставки лекарств на основе нанотехнологий обеспечивают безопасную доставку лекарств в организм, поскольку их размер позволяет доставлять лекарство путем внутривенного введения или другими способами. Кроме того, наноразмеры снижают реакцию патогенов в месте инъекции ⁵. Их размер имеет большое преимущество для доставки большого количества материала в целевой участок ¹⁵. Существует несколько методов лечения и диагностики на основе наночастиц для лечения рака, сердечно-сосудистых заболеваний, аутоиммунных заболеваний, нейродегенеративных заболеваний, легочных заболеваний, а также инфекционных заболеваний ¹². В то время как использование нанотехнологий в области неинфекционных и инфекционных заболеваний является многообещающим, применение нанотехнологий в области целевой диагностики и сочетания терапии и визуализации, известных как нанотераностика, все еще находится в зачаточном состоянии ^16,17.

Наночастицы бывают разных типов - органические и неорганические. Среди неорганических наночастиц значительные перспективы в качестве контрастного вещества для МРТ продемонстрировали superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs). Многочисленные биомедицинские применения стали возможны благодаря присущим SPIONs свойствам: встроенному магнетизму, высокому запасу прочности, доступности технологий изготовления и поверхностного инжиниринга. Благодаря локализованному приложению внешнего магнитного поля к органу-мишени SPIONs могут достигать наивысшей среди других наноносителей эффективности таргетирования лекарственных средств, что способствует накоплению магнитных наночастиц в месте действия препарата 16,17. Такое сочетание МРТ и нанотехнологий может сыграть важную роль в мониторинге терапевтических результатов в режиме реального времени и тем самым снизить множественную лекарственную устойчивость при инфекционных заболеваниях, устойчивость к противомикробным препаратам при инфекционных заболеваниях и уменьшить токсичность лекарств. Однако, как показывают исследования, выживаемость пациентов, ответ на лечение и лекарственная токсичность у разных больных сильно различаются, что связано с факторами окружающей среды, генетическим профилем и сигнальными молекулами иммунной системы, состоящей из белков, метаболитов и кофакторов пациента. Поэтому современная стратегия лечения, основанная на принципе "один размер подходит всем", требует индивидуального подхода к пациенту, а именно "персонализированной медицины" (ПМ). Персонализированная медицина, представленная Leroy Hood, предлагает более точное понимание патологических состояний с использованием крови в качестве неинвазивного биообразца. Помимо крови, для разделения стадии заболевания и реакции на лечение используются и другие биологические жидкости, что позволяет выработать предиктивную, прогностическую, персонализированную и партисипативную стратегию лечения ³. Для успешной реализации этой стратегии лечения необходимо выявить биомаркеры, которые были бы достаточно надежными, чтобы коррелировать со стадией заболевания или ответом на лечение с учетом особенностей пациента и тем самым снижать неблагоприятную токсичность лекарств. В клинических условиях биомаркер должен быть количественно определяем в таких биообразцах, как кровь, пот, моча, ткани или спинномозговая жидкость (СМЖ). В конкретном контексте диагностических биомаркеров визуализации в отличие от биомаркеров, определяемых по биообразцам, о которых говорилось выше, биомаркерами визуализации считается экспрессия биосигнала, который может быть обнаружен и оценен с помощью электромагнитного, фотонного или акустического сигнала, излучаемого пациентом. Биомаркеры визуализации, будучи неинвазивными, могут заменить требования к оценке биомаркеров, предполагающие инвазивное исследование биообразцов, например, биоптатов тканей или СМЖ. Для технологии визуализации на основе МРТ биомаркеры также должны соответствовать некоторым характеристикам, например, быть чувствительными, специфичными и биологически значимыми, количественно определяемыми, воспроизводимыми и экономически эффективными ¹⁹. Благодаря вышеупомянутым благоприятным характеристикам SPIONs на основе оксида железа, а также их экономичности, они могут быть использованы в диагностике заболеваний, а также в качестве нанотераностики ^19,20. Учитывая важность этой технологии, в данной обзорной статье мы рассмотрели технологию МРТ и наночастицы, используемые для доставки лекарств и визуализации, а также их задачи в персонализированной медицине.

За последние 40 лет были проведены различные усовершенствования магнитно-резонансных (МР) методов, что позволило использовать эту технологию в качестве неинвазивного метода диагностики первичных заболеваний в клиниках ^21,22.

МРТ использует ядерный магнитный резонанс (ЯМР) для получения изображений высокого разрешения внутренних структур (тканей) организма. Любая ткань на 70-90% состоит из воды, содержащей молекулы протонов водорода, и в отсутствие внешнего магнитного поля протоны ориентированы случайным образом. Большинство заболеваний проявляется увеличением содержания воды. Таким образом, МРТ является чувствительным тестом для выявления заболеваний. Для получения изображения пациент или биомедицинский образец помещается в магнитно-резонансный томограф. МРТ-система состоит из основного магнита, градиентных катушек, радиочастотных катушек и компьютерной системы, которая управляет и взаимодействует с различными компонентами (рис. 1А). Каждый компонент взаимодействует с другими в сложной взаимосвязи ²³. На объект, помещенный в сканер, воздействует внешнее магнитное поле, обычно от 0,5 до 3 Тесла в клинических условиях и до 10,5 Тесла в научных исследованиях. В результате магнитные полюса протонов воды выравниваются с полем. Изображения создаются путем определения релаксации протонов в присутствии внешнего магнитного поля. Ориентация ядерных спинов водорода в присутствии сильного магнитного поля параллельна или антипараллельна направлению магнитного поля. Количество возбужденных протонов в высокоэнергетическом состоянии увеличивается за счет резонансного радиочастотного (РЧ) облучения, которое может передавать протонам энергию. После прекращения действия пульсирующего поля магнитные моменты (спины) протонов возвращаются в исходное состояние, что называется релаксацией ²⁴.

Рисунок 1

МРТ-сканер (А) и графическое изображение процесса получения МР-сигнала (Б).

Transverse magnetization decay (T2-decay) и продольное восстановление намагниченности (Т1-восстановление) - два разных релаксационных процесса. Т1 - это время, необходимое для возвращения продольной намагниченности в равновесное состояние и достижения 63%, а Т2 - это время, необходимое для экспоненциального уменьшения поперечной намагниченности до 37% от ее начальной величины. Другими словами, время релаксации T1 - это скорость, с которой возбужденные вращающиеся протоны возвращаются в равновесие и выравниваются с внешним магнитным полем. Время релаксации Т2 - это скорость потери когерентности возбужденных протонов друг с другом. Время повторения (TR, или количество времени между повторениями радиочастотного импульса) и время эхо (TE, время между радиочастотным импульсом и первым измерением сигнала) - две важнейшие переменные, влияющие на интенсивность сигнала и контрастность изображения. Если для Т1-взвешенных изображений короткими считаются TE более 10 мс) и TR (более 250 мс), то для создания изображений в Т2-состоянии используются длинные TE (более 60 мс) и TR (более 2000 мс) (рис. 1В). Различные ткани имеют различный контраст ²⁵. Ткани с коротким Т1 создают яркие МРТ-изображения, а ткани с коротким Т2 - темные. При Т1-взвешенном сканировании все жировые отложения отображаются на изображении как пиксели высокой интенсивности. На T2-взвешенном изображении все жировые отложения и вода представлены в виде пикселей высокой интенсивности. Эти два типа изображений используются вместе для картирования органов и диагностики заболеваний. Большинство тканей не обладают достаточной собственной способностью к Т1- и Т2-релаксации, что сказывается на качестве получаемых изображений. Для увеличения времени релаксации и улучшения видимости изображений используются экзогенные контрастные вещества. Релаксационная способность (R1 и R2) является характеристикой, влияющей на эффективность контрастного вещества, и определяется как изменение скорости релаксации протонов воды растворителя (R1 = 1/T1 и R2 = 1/T2 в единицах с1) при наличии контрастного вещества. Наиболее часто в качестве контрастного вещества используются парамагнитные соединения, в частности гадолиний. Гадолиний является широко используемым (Т1) контрастным веществом, которое, сокращая период Т1-релаксации, увеличивает интенсивность сигнала и приводит к получению более ярких (Т1-взвешенных) изображений ²⁵. Однако появление новых контрастных материалов было вызвано низкой чувствительностью, ограничением кровотока и потенциальной токсичностью контрастных веществ на основе гадолиния ²⁴. Комплексы марганца (II), являющиеся еще одним контрастным (Т1) веществом, также обладают токсичностью для сердечно-сосудистых и легочных органов. Самым новым контрастным веществом, связанным с магнитоконтрастными средствами и нанотехнологиями, является SPION. SPIONs также известны как один из видов магнитных наночастиц (МНЧ) или железооксидных наночастиц (ЖОНЧ). Они являются Т2-контрастными веществами. Однако они могут быть модифицированы в Т1-контрастные агенты ²⁶. Подробнее о магнитных наночастицах на основе оксида железа и их применении в визуализации, диагностике и доставке лекарств рассказывается в следующих разделах.

Ранее упоминалось, что iron-oxide based nanoparticles (IONPs) используются в качестве Т2-контрастных агентов, однако их свойства могут быть изменены и использованы в качестве Т1-контрастного агента. В этом разделе мы подробно остановимся на IONPs.

Наночастицы оксида железа (IONPs) или magnetic nanoparticles (MNPs) выпускаются в нескольких формах. MNPs имеют широкий спектр форм, включая чистые металлы (Fe, Co, NI, Mn), оксиды металлов (Fe3O4, c-Fe2O3), сплавы металлов (FePt, CoPt) и ферриты (MFe2O4, где M=Co, Cu, Ni, Mn, Mg). Из-за окислительных свойств и высокой токсичности чистых металлов (несмотря на их более высокую Мс=намагниченность) они не подходят для использования in vivo. По этим причинам наиболее распространенными магнитными наночастицами оксида железа являются магнетит (Fe3O4) и маггемит (c-Fe2O3), которые имеют кубическую обратно-шпинельную структуру и используются в самых разных областях здравоохранения ²⁸. Они обладают высокой химической/коллоидной стабильностью и биосовместимостью, а при поверхностной модификации магнетита и маггемита образующиеся супероксидные наночастицы (SPIONs) способны сокращать время релаксации протонов T1 и T2. Эти свойства позволяют широко использовать SPIONs для повышения контрастности МР-изображений и применять их для магнитно-резонансной томографии, гипертермии, адресной доставки лекарств, белков, антител, нуклеиновых кислот, биосенсинга, восстановления тканей и разделения биомолекул ^16,29.

Физико-химические свойства IONPs, которые связаны с магнитным поведением и которые необходимо учитывать при диагностике заболеваний или доставке лекарств, - это форма, размер, заряд, модификация поверхности, покрытие, загрузка лекарств, приготовление, функционализация и таргетный подход. Наночастицы для использования в биомедицинских целях должны быть химически стабильными, однородными по размеру и хорошо распределяться в жидких средах. Исследователи также стремятся оптимизировать свойства магнитных частиц, чтобы увеличить их концентрацию в кровеносных сосудах, уменьшить ранний клиренс из организма, минимизировать неспецифические взаимодействия с клетками и тем самым минимизировать побочные эффекты, повысить эффективность интернализации в клетках-мишенях и уменьшить общую дозу препарата ^30,31. В ряде обзорных статей подробно описаны методы функционализации и получения препаратов ^16,29. Здесь мы рассмотрели некоторые свойства, которые определяют профиль распределения в крови и которые необходимо учитывать для применения в диагностике и доставке лекарств.

Одним из наиболее важных свойств наночастиц является их размер, который оказывает существенное влияние как на их биомедицинское применение, так и на магнитные свойства MNPs или IONPs. Размер IONPs зависит от метода получения и покрытия и может варьироваться от менее 10 нм до более 100 нм. IONPs размером менее 10 нм называются очень малыми суперпарамагнитными наночастицами оксида железа (VSPION), размером от 10 до 50 нм - сверхмалыми суперпарамагнитными наночастицами оксида железа (USPION), а размером от 50 до 180 нм - суперпарамагнитными наночастицами оксида железа (SPION)³².

Наночастицы гораздо более чувствительны к внешним магнитным полям, чем объемные материалы, поскольку в них больше электронов, вращающихся в одном и том же направлении. Кроме того, напряженность магнитного поля зависит от размера. Например, в IONPs диаметром менее 20 нм имеется один домен с электронами, вращающимися в одном направлении, а в IONPs размером более 20 нм - множество доменов с электронами, вращающимися в противоположных направлениях. Следовательно, по сравнению с другими парамагнитными материалами, IONPs обладают более сильной магнитной ответственностью перед внешним магнитным полем. При снятии внешнего магнитного поля IONPs также способны к размагничиванию, что очень важно для биомедицинских применений. Поскольку в присутствии внешнего магнитного поля IONPs создают локальные неоднородности, это сказывается на изображениях (рис. 2А)³²). На T2-взвешенных изображениях это приводит к снижению сигнала, в результате чего IONPs выглядят темными; однако небольшие IONPs могут также создавать положительный контраст на T1-взвешенных изображениях, делая их более яркими ²⁸. Более высокий контраст для МРТ достигается путем получения нанокристаллов диаметром 4, 6, 9 и 12 нм и воздействия на них магнитным полем 1,5 Т соответственно. Создание лучших IONPs для Т1-контрастирования предполагает увеличение соотношения маггемита (Fe2O3), обладающего меньшей намагниченностью, и магнетита (Fe3O4) ²⁶. Следует отметить, что маггемит и магнетит - два нанокристалла, которые широко используются в биомедицине. При температуре окружающей среды молекулярная структура магнетита (Fe3O4) позволяет электронам перескакивать между ионами Fe2+ и Fe3+ в октаэдрических сайтах, что делает его важным классом полуметаллических веществ. Небольшие размеры позволяют им также демонстрировать полезное распределение по организму. Наряду с превосходным Т1-контрастированием и нетоксичностью, IONPs позволяют более детально изучить механизмы развития заболеваний и терапевтическую эффективность лекарственных препаратов, чем традиционные контрастные вещества на основе Gd - Gd-DPTA и Gd-DOTA ^32,33.

Рисунок 2 Магнитное поведение IONPs (А), способ введения (Б) и биологическое распределение IONPs различных размеров (В).

В то время как размер является важным фактором для магнитных свойств и их использования в качестве контрастных агентов, размер также может влиять на клеточное поглощение, биораспределение, способ эндоцитоза и эффективность частицы в эндоцитарном пути ³⁰.

Путь поглощения IONPs человеком и животными - пероральный, местное введение или внутривенное введение (рис. 2В-С). После внутривенного введения человеку и животным свободные IONPs легко поглощаются ретикулоэндотелиальной системой (RES) в печени и макрофагами. Ретикулоэндотелиальная система (RES) склонна быстро распознавать крупные частицы (более 50 нм), которые впоследствии удаляются из кровотока. Преимущество большего диаметра заключается в том, что он увеличивает отрицательный контраст, обеспечиваемый на Т2-взвешенных изображениях. Однако это может изменить равномерность биораспределения по организму. Поскольку макрофаги являются одними из иммунных клеток, участвующих в процессе воспаления, поглощение IONPs макрофагами позволяет выявлять воспаление с помощью МРТ. IONPs с размером в диапазоне от 10 до 30 нм могут диффундировать через плазматическую мембрану и проникать в клетки через мембранные каналы. Более мелкие IONPs (~5 нм) быстро выводятся из организма через почечную систему. Более крупные IONPs не могут быть выведены таким путем, они остаются в организме на более длительный срок, что препятствует проведению продольного повторного исследования ³⁴. IONPs размером более 200 нм могут активировать систему комплемента, если только их поверхность не является инженерно обработанной ³².

Для биомедицинских применений, требующих проникновения в ткани, можно использовать IONPs размером менее 100 нм, однако IONPs размером менее 5 нм лучше проникают в опухоли. Размер также влияет на клеточные функции, такие как позиционирование внутри клетки, поглощение большего количества частиц и аффинность связывания молекул ^32,34.

Типичная система IONP состоит из (i) полимерной оболочки, обеспечивающей стабильность и биосовместимость, (ii) магнитного сердечника, повышающего контрастность, и (iii) часто связанных с поверхностью или встроенных молекул, придающих целевую специфичность и/или многофункциональность. Кроме того, в многофункциональный IONP, выполняющий одновременно функции терапевтического носителя и агента визуализации, могут быть добавлены терапевтические полезные нагрузки (рис. 3А)³⁵.



Figure 3 Multifunctional SPION (A), Different biocompatible coatings (B), Inorganic nanoparticles (C) and, SPIONs used is multimodal imaging (D)

Форма наночастиц влияет как на их способность к интернализации, так и на взаимодействие с мембранными рецепторами. Известно, что форма наночастиц Fe2O3 зависит от нескольких переменных, таких как катализаторы и условия реакции. Магнетит и маггемит имеют сферическую форму, а их однородная площадь поверхности позволяет наносить на них покрытия и конъюгировать терапевтические соединения или целевые лиганды. Форма IONPs напрямую связана с клеточной токсичностью. По сравнению с наностержнями и коллоидными нанокристаллами, клеточная токсичность IONPs с формой нанобусины, наночервя и наносферы выше ^30,32.

Поверхностный заряд имеет решающее значение для биораспределения наночастиц. Высокий поверхностный заряд (положительный или отрицательный) усиливает фагоцитоз, в то время как нейтральные частицы имеют наименьшее взаимодействие с белками плазмы (и меньшую опсонизацию), что увеличивает время циркуляции. Сильно отрицательно заряженные частицы захватываются системой печеночного клиренса, в то время как положительно заряженные частицы притягиваются белками и иммунной системой и быстро (в течение нескольких минут) выводятся из системной циркуляции. Поскольку на поверхности голых наночастиц оксида железа имеется всего несколько гидроксильных групп, они, как правило, заряжены отрицательно. Чаще всего поверхностный заряд приобретают твердые частицы, находящиеся в водном растворе электролита. Некоторые типы наночастиц (например, оксид железа и золото) обычно получают такой поверхностный заряд для повышения их устойчивости и предотвращения агрегации в водном растворе за счет электростатического отталкивания. Различные полимеры (см. ниже) могут функционализировать MNPs, добавляя к ним заряженные группы, которые не только делают частицы более растворимыми в воде и предотвращают их агрегацию, но и изменяют их взаимодействие с белками крови ³².

Одним из ключевых требований, предъявляемых к наночастицам в биомедицинских приложениях, является коллоидная стабильность. Из-за гидрофобных взаимодействий частицы голого оксида железа нестабильны в водной среде и склонны к агрегации. Агрегация значительно увеличивает размер наночастиц и снижает их эффективность. Коллоидная стабильность IONPs повышается в широком диапазоне рН и в присутствии большого количества электролитов за счет модификации поверхности IONPs путем прививки стабилизирующих агентов, природных или синтетических полимеров, что делает эти NPs биосовместимыми ³².

Важнейшим условием при загрузке лекарственного препарата является отсутствие нарушения его функциональности. Кроме того, лекарство должно высвобождаться из наночастиц с лекарственной нагрузкой в нужном месте и с нужной скоростью. Нагрузка лекарством может быть достигнута путем совместной инкапсуляции молекул лекарства с магнитными частицами внутри оболочки из материала покрытия или путем конъюгации терапевтических молекул на поверхности IONPs. Для конъюгации лекарств или таргетных лигандов на поверхности IONPs было исследовано несколько стратегий ³⁰.

Конъюгация может осуществляться с помощью расщепляемых ковалентных связей и с помощью физических взаимодействий. При ковалентном связывании терапевтический агент или молекула-мишень связываются непосредственно, например, с амино- или гидроксильными функциональными группами, расположенными на поверхности IONPs с полимерным покрытием. Препарат также может быть присоединен к частице с помощью линкерных групп, таких как иодоацетилы, малеимиды, а также линкер двойного назначения - пиридилдисульфид. Такая стратегия позволяет добиться более точного соединения частиц между собой, а также повысить их загрузочную способность, сохраняя функциональность и эффективность препарата. Дополнительным преимуществом использования линкеров является более мягкие условия связывания, что позволяет применять их для таких лекарственных препаратов, как терапевтические пептиды и белки, подверженные окислительной деструкции ³⁰.

Молекулы лекарственных препаратов могут связываться на поверхности IONPs также за счет физических взаимодействий. Это могут быть электростатические контакты, гидрофобные/гидрофильные взаимодействия, а также аффинные взаимодействия. Положительно заряженная ДНК электростатически взаимодействует с IONPs, покрытыми полиэтиленимином (PEI), катионным полимером, что подтверждает их пригодность в качестве агентов трансфекции ³⁰.

Аналогичные электростатические взаимодействия позволяют отрицательно заряженным функциональным группам на IONPs, покрытых декстраном, связываться с пептидными олигомерами. Благодаря гидрофобным взаимодействиям липофильные лекарственные препараты легко соединяются с IONPs, покрытыми гидрофобными полимерами. При разрушении покрытия лекарство высвобождается. При биоконъюгации целевых агентов или лекарств с IONPs могут также использоваться аффинные взаимодействия, например, стрептавидин-биотин. Аффинные взаимодействия, в отличие от электростатических и гидрофобных контактов, обеспечивают наиболее прочные нековалентные связи, на которые практически не влияют такие факторы окружающей среды, как изменение pH и ионной силы среды ³⁰.

Другой метод доставки лекарственного средства в целевую область предполагает загрузку молекул лекарственного средства и наночастиц оксида железа в материал с покрытием. Этот метод предлагает перспективные решения таких проблем, как нестабильность и низкая эффективность захвата. Магнитолипосомы (MLPs) (рис. 3В) представляют собой новый класс нанокомпозитов, обладающих повышенной стабильностью и магнитными характеристиками и обеспечивающих высокую эффективность захвата.MLPs представляют собой SPIONs, инкапсулированные в липосомы ^36-38. Размер, заряд и свойства поверхности липосом могут быть легко изменены для различных целей доставки in vivo путем простого введения новых компонентов в липидную смесь перед синтезом липосом или изменения технологии приготовления. Для эффективной стабилизации и увеличения времени пребывания в кровообращении в поверхность липосом могут быть включены гидрофильные полимеры, например polyethylene glycol (PEG). Кроме того, к липосомам могут быть присоединены таргетные лиганды (например, пептиды или антитела) для повышения их селективности по отношению к целевым тканям-мишеням ³⁷. Кроме того, липофильные препараты могут солюбилизироваться в липидном бислое, а гидрофильные - задерживаться в центральном водном ядре липосом. В любом случае лекарство удерживается внутри липосомы до тех пор, пока наночастица не достигнет целевого участка, например, опухоли ³⁹. Таким образом, липосомы представляют собой гибкие наночастицы с низкой токсичностью, которые могут быть изготовлены из различных природных и синтетических липидов биологического происхождения и использованы в качестве носителей лекарственных средств для снижения токсичности сильнодействующих препаратов, таких как доксорубицин, противораковые препараты платины, ингибитор протеазы катепсина, иринотекан, винорелбин, партенолид, диклофенак натрия, в нераковых клетках и тканях. Paclitaxel, нерастворимый в воде и трудно поддающийся изменению, может быть успешно помещен в липосомы для усиления терапевтического эффекта ⁴⁰. Липосомы также являются прекрасным примером нанодоставочной системы, которая может доставлять как лекарственные, так и визуализирующие вещества. Преимуществами липосом являются лучшая биосовместимость, биоразлагаемость, меньшая токсичность, а также возможность модификации размеров и свойств поверхности. Эти особенности отличают липосомы от других систем доставки ⁴⁰. MLPs, представляющие собой сферические наноструктуры размером от 100 до 150 нм, состоят из липосом и MNPs. При этом их конечный размер зависит от метода синтеза липосом. Везикулы MNPs, состоящие из магнитных наночастиц, заключены в бислой фосфолипидов ^37,38. Гидрофобные участки, которые могут быть использованы для инкапсуляции лекарств, сохраняются в MLPs. Насыщение IONPs в фосфолипидной оболочке фармацевтическими препаратами имеет различные преимущества. Во-первых, липосомы с магнитными частицами обеспечивают быстрое и дешевое изменение поверхности, что позволяет сфокусировать их на определенной ткани. Во-вторых, благодаря более высокой эффективности захвата, MLPs с высокой концентрацией IONPs обладают наилучшей магнитной отзывчивостью, а их наноразмер позволяет использовать эффект повышенной проницаемости и удержания (EPR) для таргетной терапии опухолей. Кроме того, в липосомный каркас вместе с IONPs можно поместить большее количество как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных препаратов. В-третьих, биосовместимость IONPs еще более повышается за счет липосомного инкапсулирования. В-четвертых, липосомальный барьер защищает лекарственные препараты от разрушающего воздействия окружающей среды ³⁰.

Загрузка IONPs в липосомы может осуществляться двумя способами: либо путем прямого осаждения IONPs в гидрофильное ядро липосом, что приводит к образованию высокооднородных наночастиц размером около 15 нм, либо путем инкубации предварительно приготовленных липосом и IONPs под действием внешней силы. При воздействии на MLPs сильного постоянного магнитного поля на ткани-мишени магнитные частицы в бислое выравниваются, в результате чего MLPs собираются, сплавляются и высвобождают лекарство именно там, где это необходимо ³⁰.

Другим типом нанокомпозитов, идеально подходящих для МРТ-визуализации миграции и перемещения клеток, являются магнитодендримеры. Растворы наночастиц оксида железа часто покрываются и стабилизируются карбоксилированными полиамидоаминовыми дендримерами. В общем случае окисление Fe (II) приводит к образованию очень стабильных и растворимых IONPs с дендримерами при высоких температурах и уровнях pH. Синтезированы дендронизированные наночастицы оксида железа для мультимодальной визуализации. Особым потенциалом для мечения флуоресцентным красителем обладают IONPs, покрытые дендримерами, имеющими гидродинамические размеры менее 100 нм и карбоксилатные или аммониевые группы на периферии. Было показано, что магнитно-резонансная и флуоресцентная визуализация возможны одновременно ³⁰.

Нацеливание железооксидных контрастных агентов на интересующий участок осуществляется путем конъюгации лигандов с функциональными группами на поверхности NPs (рис. 3А). Благодаря высокому отношению площади поверхности к объему, с одной NP можно связать множество копий лиганда. Сродство связывания NPs значительно увеличивается благодаря такому мультивалентному таргетингу, позволяющему каждой частице прикрепляться к нескольким копиям рецепторов, образующихся на поверхности клеток. Лиганды для таргетинга включают антитела или их иммуноспецифические фрагменты F (ab), аптамеры, пептиды или пептидомиметики малых молекул, полученные в результате фагового анализа или скрининга малых молекул ⁴¹. Наночастицы оксида железа функционализируются реакционноспособными поверхностными группами, такими как карбоновые кислоты или амины. Это позволяет ковалентно конъюгировать белки, антитела или небольшие пептидные лиганды на наночастицах. Наночастицы, функционализированные карбоновыми кислотами, требуют предварительной активации либо карбодиимидом, чаще всего 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) (EDC), либо комбинацией EDC и N-гидроксильного эфира сукцинимида (NHS). Наночастицы, функционализированные аминами, могут быть непосредственно соединены с реакционноспособными лигандами путем восстановительного аминирования альдегидов. Для конъюгации сульфгидрилсодержащих лигандов, таких как пептиды и антитела, поверхность амино-функционализированных наночастиц может быть изменена путем присоединения сшивающих агентов, таких как сукцинимидилйодоацетат (SIA), N-сукцинимидил-3-(2-пиридилдитио) пропионат (SPDP) или сукцинимидил-4-(N-малеимидометил) циклогексан-1-карбоксилат (SMCC) ^41,42.

IONPs могут быть синтезированы с помощью различных синтетических процессов, таких как проточно-инжекционный синтез, золь-гель синтез, сонохимические реакции, гидротермальные реакции, гидролиз и термолиз предшественников, электрораспылительный синтез. На IONPs необходимо наносить поверхностные комплексообразователи. После модификации необходимо предотвратить агрегацию наночастиц, снизить токсичность, добиться измененной фармакокинетики и биораспределения. Часто предпочтительным является выбор поверхностного покрытия, содержащего функциональные группы, способствующие прикреплению выбранных лигандов ³⁴.

Для клинического применения IONPs покрываются биосовместимым материалом (рис. 3В) ²⁸. Непокрытые IONPs размером 16 нм проявляют значительную тенденцию к агрегации или выпадению в осадок при концентрации 3 мг/мл в физиологическом растворе. Проводились многочисленные исследования по снижению цитотоксичности путем разработки покрытий, препятствующих выпадению осадка и агрегации. Поскольку покрытие может препятствовать высвобождению ионов железа и регулировать взаимодействие наночастиц с их биологическим окружением, оно оказывает существенное влияние на токсичность наночастиц (клетки, белки и т.д.). Способ клеточного поглощения и судьба IONPs внутри клетки зависят от размера и гидрофильности поверхностно-модифицирующих агентов. Частицы размером более 100 нм начинают усиленно фагоцитироваться, в то время как частицы размером менее 30 нм быстро захватываются пиноцитозом. Более высокая гидрофильность снижает пиноцитоз, так как не позволяет частице пройти через гидрофобный липидный бислой клетки ⁴².

Для создания покрытия могут быть использованы различные вещества, такие как декстран, полиэтиленгликоль (PEG), поливиниловый спирт (PVA), хитозан и другие полимеры. Эти гидрофильные молекулы на поверхности IONPs стабилизируют их в окружении воды. Сильное магнитное диполь-дипольное взаимодействие между ядрами оксидов железа блокируется высокомолекулярными покрытиями из PEG, PVA и декстрана, что препятствует агрегации IONPs. Еще одним преимуществом покрытия IONPs является то, что увеличение времени релаксации приводит к улучшению результатов визуализации. Кроме того, покрытие препятствует высвобождению Fe2+ при контакте с лизосомами и тем самым увеличивает срок хранения IONPs. Лучшие биосовместимые покрытия распадаются на частицы размером менее 5 нм, что минимизирует цитотоксичность при почечной экскреции ⁴³.

IONPs, покрытые декстраном, демонстрируют высокую биосовместимость и не вызывают цитотоксичности и воспаления при дозах 11,3 мкг/мл. Железо из сердцевины IONPs поступает в запасы железа организма, прежде чем стать компонентом гемоглобина, но декстран медленно разрушается и 89% его выводится с мочой в течение 56 дней, что еще раз доказывает безопасность использования IONPs с декстрановым покрытием. Гибкость IONPs с декстрановым покрытием проявляется в их способности воздействовать на различные физиологические системы. IONPs с декстрановым покрытием могут быть функционализированы для получения изображений лимфоцитов человека, инфаркта миокарда, мониторинга Т-клеток, раннего выявления хронического отторжения аллотрансплантата, а также для визуализации макрофагов в артритных суставах 25.

Другим типичным покрытием, используемым для уменьшения взаимодействия с клетками или белками и нейтрализации поверхности IONPs, является полиэтиленгликоль (PEGs). PEGs обладает наибольшей растворимостью, является гидрофильным (HD) и цвиттерионным. PEGs обладает хорошей биосовместимостью и не имеет потенциально токсичных групп. После пегилирования размер IONPs, покрытых PEGs, уменьшается до 10-15 нм от 40 до 50 нм. Это зависит от молекулярной массы используемого PEGs. Пегилированные IONPs могут значительно сохранять контрастность на основе релаксации Т2 и Т2* при МР-томографии. Дезоксигенированный гемоглобин, метгемоглобин или гемосидерин в тканях могут быть обнаружены с помощью Т2*-взвешенной визуализации. Такое пегилирование эффективно снижает цитотоксичность до 1 мг/мл в отличие от IONPs без покрытия. Нанесение покрытия также увеличивает размер IONPs и циркуляцию крови. Это заметно повлияло на биораспределение и период полураспада в крови. IONPs могут быть соединены в единое покрытие для получения нанокластеров PEGs-IONPs, обладающих большей МРТ-контрастностью. Пегилирование IONPs защищает их от ферментов и антител, которые могут вызывать деградацию, секрецию и клиренс иммунной системой. Интересно, что IONPs, покрытые PEGs, могут по-прежнему распознаваться макрофагами и другими иммунными клетками. Скрытое покрытие PEGs также приводит к маскировке мембраны тромбоцитов, что снижает поглощение клетками и активацию комплемента ^25,33.

Поливиниловый спирт (PVA) - еще один высоко биосовместимый агент для нанесения покрытий. IONPs, покрытые PVA, практически не захватываются клетками, если к ним не приложено магнитное поле. IONPs, покрытые PVA, очень полезны, так как способны предотвращать образование комочков внутри узких сосудов диаметром 7-8 мкм ³³.

Другие покрытия для IONPs, такие как диоксид кремния, также продемонстрировали большие возможности благодаря биосовместимости, низкой стоимости и устойчивости к широкому диапазону рН. Защитное действие диоксида кремния проявляется в уменьшении количества ионов Fe3+, высвобождающихся из IONPs, замедлении метаболизма и экскреции IONPs, в то же время не снижая скорости их поглощения. Пористые силикагелевые инкапсуляции обеспечивают тесный контакт между молекулами воды и ядром оксида железа для усиления МРТ-контраста, устраняют токсичность IONPs и обеспечивают основу для присоединения различных типов лигандов к IONPs, таких как 64Cu и 111In ^35,43. В табл. 1 приведены некоторые материалы покрытий, используемых в IONPs, и их клиническое применение.

Table 1 Properties of some of the iron oxide nanoparticles used in clinics

После синтеза исследованы возможности использования IONPs для МР-томографии. С помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и МР-сканеров изучено время продольной (T1), поперечной (T2) и эффективной поперечной (T2*) релаксации и соответствующие им скорости релаксации R1, R2 и R2*, являющиеся инверсиями T1, T2 и T2* соответственно. Соответствующие релаксации (r1 и r2) рассчитываются путем построения графиков изменения R1 и R2 контрастных веществ для МРТ в зависимости от их концентрации и обычно представляются в мМ-1с-1. Продольная и поперечная релаксивности наночастиц оксида железа зависят от различных факторов, таких как размер ядра IONPs, форма, гидродинамический диаметр, распределение по размерам, покрытие наночастиц, агрегация. R1 практически не изменяется для частиц размером более 8 нм, в то время как r2 обычно линейно возрастает при увеличении размера ядра частицы от 4-5 до 18 нм. Поскольку IONPs равномерно рассеиваются в воде, а протоны диффундируют между магнитопроводами, влияние гидродинамического диаметра и агрегации на релаксивность показывает, что r2 постепенно увеличивается с ростом гидродинамического диаметра (примерно до 80 нм) для малых кластеров. Если размер огромного кластера превышает 90 нм, то r2 уменьшается с увеличением размера в результате снижения скорости обмена протонов, обусловленного уменьшением доступности поверхности. Сила приложенного магнитного поля, температура и вещество, в котором растворено контрастное вещество, влияют на величину релаксации в дополнение к характеристикам самого контрастного вещества ^31,32.

IONPs также могут подвергаться различным модификациям поверхности (например, добавлению флуоресцентной метки), что позволяет использовать их для мультимодальной визуализации (рис. 3B-D) ⁴⁴. IONPs могут использоваться в сочетании с NIRF (ближней инфракрасной флуоресценцией) с использованием красителя Cy5.5 (цианин 5.5)-SPION, а также с агентами КТ (компьютерной томографии), PET (позитронно-эмиссионной томографии) и SPECT (однофотонной эмиссионной томографии). Конструкция core-shell с двумя отдельными модальностями визуализации повышает чувствительность и надежность диагностики. Возможны следующие модификации:

В этом случае ядро IONP может быть либо непосредственно связано с флуорофорами, либо покрыто биосовместимой оболочкой, функционализированной флуоресцентным зондом (например, декстраном, полиэтиленгликолем, диоксидом кремния и т.д.). Родамин В, изотиоцианат флуоресцеина и Cy5 - три наиболее широко используемых оптических агента. Такой гибридный зонд одновременно обладает разрешением МРТ и чувствительностью оптической визуализации ²⁵. MLPs являются хорошим примером нанодоставочной системы для такого типа мультимодальных конструкций. Благодаря широкому разнообразию типов липидов и липидных конъюгаций MLPs могут быть разработаны как мультимодальные контрастные агенты. Покрытия в сочетании с интуитивно понятным процессом синтеза позволяют использовать MLs в широком спектре интригующих приложений. Бимодальные контрастные агенты для МРТ/оптической визуализации могут быть разработаны путем мечения липидных бислоев ML различными флуорофорами. Процесс синтеза может быть просто модифицирован для добавления флуоресцентно меченых липидных конъюгатов в любой из слоев ML. Примером такой конструкции являются аннексин А5-функционализированные MLs, которые были разработаны в качестве бимодальных контрастных агентов для выявления апоптоза в клеточной линии Т-лимфомы с помощью флуоресценции и МРТ ³⁷. Используя эти бимодальные MLs, можно было оценить биораспределение и фармакокинетику частиц in vivo, а также влияние PEGилирования на ткани мыши ⁴⁵. В отдельном исследовании взаимодействие MLs с клеточной линией аденокарциномы простаты человека PC3 изучалось in vitro путем добавления флуоресцентных зондов.

Полученные результаты позволили установить, что PEGилированные MLs сильно взаимодействуют с раковыми клетками PC3 при применении их в качестве бимодальных контрастных агентов, что было выявлено с помощью двух взаимодополняющих процедур - флуоресцентной микроскопии и магнитофореза ⁴⁶.

PET - чрезвычайно чувствительный метод визуализации, который создает изображения, используя сигналы от молекул радиоактивных трассеров (11C, 18F, 64Cu, 68Ga и 124I), но имеет низкое разрешение. Если радионуклид прививается к SPION, покрытому полимером, это позволяет получить изображение с высоким разрешением, феноменальным и количественным подходом, не имеющим ограничений по проникновению ²⁵.

КТ - распространенный метод медицинской визуализации, при котором изображения создаются на основе рентгеновских лучей, прошедших компьютерную обработку. В отличие от МРТ, КТ позволяет получать изображения различных органов с большим временным разрешением, однако из-за низкой чувствительности она ограничена в возможности получения изображений мягких тканей. Поэтому комбинация этих двух режимов может смягчить их недостатки. Для этого используются йод, наиболее распространенный агент для получения изображений при КТ, и благородные металлы (золото и серебро). Эти вещества могут быть либо непосредственно нанесены на поверхность IONPs, либо нанесены в виде покрытия, либо рассматриваться как гетероструктурные наночастицы ²⁶.

Визуализация в реальном времени с помощью диагностической сонографии является доступной, чрезвычайно безопасной и позволяет получать изображения, основанные на различной скорости прохождения ультразвуковых волн через различные ткани. Из-за ограничения проникающей способности она может применяться только для поверхностных и эхогенных тканей. Сильное контрастирование при МРТ и УЗИ достигается за счет использования в качестве контрастных агентов микропузырьков, функционализированных SPIONs ²⁸.

С момента появления первых сообщений в 1980-х годах о SPIONs привлекли значительное внимание к бионаучным исследованиям. В 1990-х годах SPIONs были впервые использованы для диагностики ^47,48. Однако лишь небольшое количество SPIONs, произведенных фармацевтическими компаниями, прошло несколько раундов клинических испытаний, а некоторые из них получили одобрение регулирующих органов ^48,49. Resovist® (Ferucarbotran, Resovist®, Bayer Healthcare, Германия) и Feridex® (Ferumoxides, Feridex® IV, Berlex Laboratories, Endorem®, Франция) получили одобрение регулирующих органов в США, Европе и Японии соответственно. Препарат Feridex® (Endorem®) был снят с рынка из-за отсутствия потребителей, а препарат Resovist® в настоящее время доступен только в небольшом количестве стран, включая Японию (Resovist®; FUJIFILM RI Farma Co., Ltd., Kyobashi, Tokyo, Japan). NC100150 (Clariscan®, Nycomed, Норвегия) и (VSOP C184, Ferropharm, Германия) были произведены и поступили на клинические испытания для МР-ангиографии и визуализации кровяного бассейна, соответственно, они не были одобрены регулирующим органом. Ферумоксил (Lumirem®, или GastroMARK®) с кремнеземным покрытием SPIONs получил одобрение регулирующего органа, но также был снят с продажи из-за отсутствия спроса. Ферумокситол (Feraheme®, AMAG Pharmaceuticals, Cambridge, MA), который был одобрен для лечения дефицита железа, был отозван из Европы для использования в качестве контрастного вещества ^50-52. Помимо биомедицинских применений, IONPs находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая сельское хозяйство и пищевую промышленность, восстановление окружающей среды, энергетику, оборонную и аэрокосмическую промышленность, строительство, автомобилестроение, текстильную промышленность и электронику ^49,53. Мы ограничимся рассмотрением вопросов диагностики заболеваний и применения SPIONs в тераностике.

Рак является одной из основных причин смерти во всем мире ⁵⁴. МРТ используется в программах скрининга рака молочной железы, печени, легких и толстой кишки ^55,56.

Определение стадии лимфатических узлов необходимо для определения типа рака и выбора оптимальных планов лечения. Знание того, сколько лимфатических узлов было поражено метастатической колонизацией и сколько лимфатических узлов поражено, может помочь предвидеть, как долго проживет пациент. Стадирование лимфатических узлов часто проводится с помощью визуализации дозорных лимфатических узлов или хирургического иссечения с последующим гистологическим анализом нескольких близлежащих лимфатических узлов, дренирующих первоначальную локализацию опухоли. Стандартное неинвазивное стадирование по размеру лимфатических узлов имеет недостатки, включая низкую частоту обнаружения очень мелких метастазов и неточную положительную оценку набухших, воспаленных лимфатических узлов как метастазов. С другой стороны, операция диссекции является инвазивной и часто трудновыполнимой. Она проводится только в определенной области, окружающей первичную опухоль, что может привести к пропуску отдаленных метастазов в лимфатических узлах, которые чаще всего проявляются в параректальной и внутренней подвздошной областях, и недооценке наличия местных метастазов в лимфатических узлах. Кроме того, обычно не удается обнаружить очень маленькие лимфатические узлы. Неинвазивными методами оценки состояния лимфатических узлов являются ультразвуковое исследование (УЗИ), компьютерная томография (КТ) и МРТ с неконтрастным усилением. Эти методы широко используются в клинических условиях для классификации лимфатических узлов на основании изменения их размеров и морфологии, однако они менее точны, специфичны и чувствительны, чем МРТ с усилением IONPs. IONPs с гидродинамическим диаметром 20-30 нм имеют длительный период циркуляции, что делает их полезными для визуализации лимфографии, воспаления и кровяных скоплений. При внутривенном введении IONPs циркулируют в кровотоке, со временем частично экстравазируются в ткани, а затем выводятся лимфатической системой и накапливаются в макрофагах лимфатических узлов. Это приводит к снижению интенсивности сигнала на Т2- и Т2*-взвешенных МР-томограммах и/или к увеличению интенсивности сигнала на Т1-взвешенных томограммах. Снижение концентрации узловых макрофагов и нарушение функции лимфатических узлов являются следствием проявления метастазов в лимфатических узлах. Кроме того, метастазы могут приводить к снижению функции макрофагов и фагоцитарной активности. В результате на Т2/Т2*-взвешенных изображениях можно увидеть более низкое поглощение IONPs и более светлые злокачественные лимфатические узлы ¹⁶.

В клинических исследованиях для визуализации лимфатических узлов с целью изучения метастатической колонизации использовались ферумокситол (Feraheme®, США) и ферумокстран (Combidex®, США, Sinerem®, ЕС) на основе SPIONs. Ферумокстран используется для выявления макрофагальной инфильтрации. Использование ферумокстрана по сравнению с неконтрастно-усиленной МР-томографией показало заметно более высокую чувствительность при определении характеристик лимфатических узлов у пациентов с раком предстательной железы, у которых выявление метастазов с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) является сложной задачей ²⁴.

МР-лимфография с усилением ферумокстраном показала высокую чувствительность в выявлении метастазов в лимфатических узлах, хотя в клинических условиях она пока не используется из-за противоречивых результатов. Однако МРТ с контрастным усилением на основе USPIO оказалась полезной для стадирования заболевания и выбора терапии при раке молочной железы, головы и шеи, пищевода и таза, при которых происходит колонизация лимфатических узлов ¹⁶.

IONPs также широко используются для визуализации первичных поражений печени, таких как гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК) и метастазы в печени, благодаря их высокой абсорбции макрофагами mononuclear phagocytic system (MPS) ⁵⁵.

Помимо использования в стадировании лимфатических узлов, контрастные вещества на основе SPIONs нашли применение для характеристики функции печени с помощью МРТ во время лучевой терапии. Печеночные клетки Купфера (KC) в печени фагоцитируют суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (SPIONs), которые укорачивают МР-сигналы в функциональном объеме паренхимы печени (ФПП), содержащем KC. Однако злокачественные опухоли, не содержащие КС, практически не изменяют сигнал, что приводит к увеличению гетерогенности печени. Чтобы отличить FLP от не-FLP, было проведено исследование, в котором изучалось, усиливают ли SPIONs неоднородность печени на R2*-МРТ (т.е. опухоль, печеночные сосуды, фиброз и рубцевание печени, связанные с циррозом печени, предшествующей терапией, направленной на лечение печени, или резекцией печени). В ходе двух сеансов МРТ с внутривенным введением SPIONs и без него была усилена неоднородность печени, и объем FLP был распознан в системе автоконтурирования. Это перспективное средство для получения более точных характеристик функции печени и опухоли при планировании лучевой терапии ⁵⁷.

Table 2 shows some of the MRI biomarkers that are validated and used in clinics for cancer.

Клетки Купфера имеют решающее значение для регенерации печени. Не существует клинически безопасного и надежного способа оценки функции клеток Купфера, хотя она и связана с плохим исходом заболевания. После введения SPIONs, которые захватываются клетками Купфера, для оценки функции клеток Купфера в здоровой печени или при обструктивной желтухе использовалась магнитно-резонансная томография. Каждые 4 минуты в течение 60 минут после введения SPIONs проводился анализ интенсивности Т1-взвешенного сигнала в паренхиме печени. После накопления железа в печени в обеих группах уровень интенсивности сигнала постепенно снижался. В обеих группах наблюдалось одинаковое и значительное повышение уровня железа в сыворотке крови. Однако через 8-20 мин после введения суперпарамагнитного оксида железа относительное усиление, или процентное отношение интенсивности сигнала до и после контрастирования, в группе с обструктивной желтухой было значительно выше, чем в контрольной, что свидетельствует о дисфункции клеток Купфера в печени с обструктивной желтухой. Полученные результаты позволили предположить, что функция клеток Купфера у лиц с обструктивной желтухой может быть оценена с помощью хрономагнитно-резонансной томографии с SPIONs ⁵⁸.

МРТ позволяет визуализировать нейровоспаление in vivo. SPIONs фагоцитируются гематогенными макрофагами при системном введении в циркуляцию и благодаря своему парамагнитному эффекту позволяют in vivo отслеживать с помощью МРТ инфильтрацию в ЦНС при экспериментальных заболеваниях ЦНС, а также при рассеянном склерозе (РС) и инсульте. Таргетирование воспалительных, активационно-зависимых ферментов, таких как миелопероксидаза или молекулы иммунной функции, с помощью МР-контрастных средств представляет собой молекулярный подход к визуализации критических этапов развития поражения, вызванного нейровоспалением ⁵⁸.

Динамика нейрального воспаления может быть лучше понята с помощью клеточной и целевой молекулярной визуализации. Учитывая решающую роль, которую воспаление играет в патогенезе многих заболеваний нервной системы, оно также будет иметь большое значение для таких процессов восстановления, как регенерация периферических нервов. Перед клиренсом в ретикулоэндотелиальной системе (РЭС) печени, селезенки и лимфатических узлов моноциты преимущественно фагоцитируют SPIONs. Благодаря суперпарамагнитным свойствам оксида железа, вызывающим потерю сигнала на Т2-взвешенных изображениях и/или сильный контраст на Т1-взвешенных изображениях, эти макрофаги, содержащие оксид железа, становятся различимыми на МРТ при острой миграции в поврежденную неврологическую систему. С помощью SPIONs стало возможным проводить in vivo визуализацию клеточного воспаления при Wallerian дегенерации, экспериментальном аутоиммунном неврите и энцефаломиелите, инсульте у грызунов, а также инсульте и РС у пациентов. Молекулярная МРТ может быть расширена путем соединения антител со SPIONs, и она была использована для определения молекул клеточной адгезии, опосредующих воспаление ⁵⁸.

МРТ довольно часто используется в диагностике и стадировании рассеянного склероза (РС) для оценки целостности гематоэнцефалического барьера (BBB) и выявления воспалительных очагов в головном мозге. Способность наночастиц оксида железа визуализировать инфильтрацию моноцитами/макрофагами, которая совпадает с продолжающейся демиелинизацией и является отличительной чертой прогрессирования рассеянного склероза, в данном контексте является значительным преимуществом перед контрастными веществами на основе гадолиния. Соединения на основе гадолиния визуализируют увеличение проницаемости BBB, предоставляя при этом относительно общую и косвенную визуализационную информацию о воспалении. Кроме того, наночастицы USPIO поглощаются макрофагами ЦНС и, как следствие, позволяют получить подробную информацию о содержании и колонизации макрофагов. Таким образом, по сравнению с использованием только гадолиния, применение USPIO в сочетании с хелатами гадолиния у больных РС позволяет выявить более активные поражения. Комбинация этих двух препаратов обеспечивает более высокую точность обнаружения поражений, что повышает возможность выявления пациентов с активным РС. Очаги поражения, видимые на изображениях, усиленных как гадолинием, так и USPIO, оказались крупнее и агрессивнее в плане способности вызывать повреждение тканей, чем очаги, усиленные только одним из двух агентов. В будущем этот метод МРТ с двумя агентами визуализации может найти применение в клинической практике в качестве маркера активности заболевания РС ¹⁶.

Иммунная система состоит из малых молекул, растворимых белков (таких как антитела, цитокины, хемокины, белки комплемента и др.), белков клеточной поверхности (таких как рецепторы, молекулы адгезии и др.) и иммунных клеток (макрофагов, моноцитов, дендритных клеток, естественных киллеров, Т-клеток и В-клеток). Эта сложная система выполняет функции уничтожения инвазивных патогенов, удаления поврежденных клеток и мусора, а также борьбы с раковыми клетками. Компоненты иммунной системы подразделяются на врожденный и адаптивный иммунные ответы. Компоненты врожденного иммунного ответа одинаковы у разных людей и, как правило, направлены на консервативные молекулы, экспрессируемые патогенами. И наоборот, когда хозяин подвергается воздействию чужеродных молекул, адаптивные иммунные реакции трансформируются. В результате набор рецепторов адаптивной иммунной системы у разных людей неодинаков и меняется с течением времени ^59,60. Распознавание вторгшихся патогенов клетками хозяина, что позволяет мгновенно активировать иммунную систему, является важнейшей функцией как врожденного, так и адаптивного звеньев иммунной системы. Однако иммунные клетки реагируют и на местном уровне. Это может приводить к воспалению и повреждению тканей в различных ситуациях. Иммунная система воздействует на хозяина, вызывая воспаление. Например, при некоторых хронических инфекциях иммунная система не в состоянии уничтожить инфекцию, и постоянная воспалительная реакция может вызвать серьезное повреждение тканей, что приводит к аутоиммунным заболеваниям. При аутоиммунных заболеваниях адаптивная иммунная система реагирует на эпитопы хозяина как на чужеродные, и такой иммунный ответ может привести к необратимому повреждению органов-мишеней. Мутации в адаптивных системах потенциально могут приводить к развитию аутоиммунных заболеваний. Существует более 100 различных аутоиммунных заболеваний ^59,60. Пациенты с аутоиммунными заболеваниями имеют широкий спектр симптомов, что затрудняет диагностику. Для определения характера заболевания можно использовать визуализацию ⁶⁰.

Примером такого подхода является визуализация инсулита - аутоиммунного заболевания, характеризующегося инфильтрацией лейкоцитами и воспалительным повреждением островковых клеток поджелудочной железы. В островках находятся бета-клетки, вырабатывающие инсулин, и при повреждении этих клеток у человека развивается диабет 1-го типа (СД1). Для раннего выявления СД1 хорошим вариантом является мониторинг инсулита с помощью визуализации воспаления поджелудочной железы. Для мониторинга лейкоцитарной (макрофагальной) инфильтрации использовался метод USPIO на основе ферумокстрана. У пациентов с инсулитом наблюдалось изменение микрососудов поджелудочной железы, вызванное воспалением, известное как повышенная сосудистая негерметичность. Циркулирующий USPIO экстравазирует в воспалительную ткань и поглощается макрофагами, что приводит к обогащению USPIO, которое можно наблюдать на МРТ. Это позволяет отличить больных диабетом от здоровых людей на ранней стадии заболевания ^16,61.

Церебральный инсульт остается одной из основных причин смертности и тяжелой инвалидности в развитых странах. Воспаление мозга является потенциально значимым патомеханизмом ишемического повреждения мозга в подостром периоде после начала инсульта. В пост-ишемическом воспалении преобладает система мононуклеарных фагоцитов, включающая резидентные микроглии/мозговые макрофаги, а также гематогенные макрофаги. Гематогенная макрофагальная инфильтрация происходит с задержкой, но активация микроглии происходит быстро, через несколько минут после нападения. Точный временной интервал различается в разных исследованиях и моделях. Предпринятые ранее попытки лечения ишемического инсульта противовоспалительными препаратами в клинических условиях оказались безуспешными. Поэтому методы не-инвазивной детекции воспаления имеют большой потенциал для разработки новых терапевтических средств ⁶². USPIONs, которые являются специфичными для макрофагов и могут вводиться внутривенно, показали различия в интенсивности сигнала при МРТ. Это наблюдалось и у пациентов. У трех из девяти обследованных пациентов наблюдалось паренхимное усиление SPIONs, которое было заметно в первую очередь на Т1-взвешенной спин-эхо томограмме. Вариации SPION-зависимых изменений сигнала отражали различия в характере гематогенной макрофагальной инфильтрации при различных типах поражения. Для более точного назначения противовоспалительной терапии у пациентов с инсультом может быть полезна МРТ с SPION-усилением.

Исследования как экспериментальной ишемии, так и клинического инсульта показали, что макрофаги, содержащие SPIONs, могут генерировать обычные изменения сигнала при МРТ ишемизированной паренхимы мозга. Таким образом, участие макрофагов в формировании ишемических повреждений может быть рассмотрено с научной и клинической точек зрения с помощью МРТ, усиленной SPIONs³⁴.

SPIONs также могут быть использованы для выявления воспаления сосудов в атеросклеротических бляшках. Многочисленные исследования продемонстрировали возможность визуализации атеросклеротических бляшек кроликов с помощью SPIONs для получения изображений in vivo с помощью МРТ ⁵⁸. Разрыв атеросклеротической бляшки может привести к закупорке артерии, вызывающей инфаркт миокарда, инсульт или стеноз почечной артерии, поэтому такие события должны тщательно и скрупулезно отслеживаться. Если у контрольных животных никакого эффекта не наблюдалось, то поглощение SPIONs в стенке сосудов атеросклеротических кроликов приводило к значительному снижению очагового сигнала на градиентных эхо-картинах. Группа исследователей создала новое контрастное вещество для молекулярной диагностики атеросклеротических бляшек. Пептид был привит к USPIO после отбора с помощью фагового дисплея. USPIO-PEG-R832 - это новая наносистема, которая сначала была протестирована на HUVEC (эндотелиальных клетках пупочной вены человека), а затем с помощью МРТ на мышах Apo E-/- ⁵⁸.

P904, еще один вид векторизованных SPIONs, был исследован на кроличьей модели индуцированного атеросклероза аорты. После введения P904 и эталонного препарата ферумокстран-10 новозеландским белым кроликам с гиперлипидемией проводили ангиографию in vivo и Т2*-взвешенную МР-томографию бляшек. Анализ бляшек с помощью МР-томографии in vivo был возможен уже через 24 часа после введения P904. Авторы обнаружили, что после введения P904 площадь стенки сосуда увеличивается за счет артефактов восприимчивости на 27,75% на 2-й день и на 38,81% на 3-й день, в отличие от 44,5% на 7-й день и 34,8% на 10-й день после введения ферумокстрана-10. Эти артефакты коррелировали с внутриплевральным поглощением железа в соответствующих гистологических срезах. Таким образом, SPIONs могут быть использованы для выявления воспаления сосудов в атеросклеротической бляшке ^34,58.

Атеросклероз может также приводить к образованию аневризм. Аневризма - это выпячивание кровеносного сосуда. Благодаря своей способности выделять протеиназы макрофаги играют центральную роль в росте и разрыве аневризмы. Поэтому не-инвазивная визуализация макрофагов может дать ценную информацию о патогенезе аневризматической болезни. Были проведены исследования поглощения макрофаг-специфического контрастного вещества SPIONs в стенках аневризм и аорты нормального размера. Было отмечено, что поглощение SPIONs ограничено или отсутствует в стенке аорты нормальных размеров и большинства аневризм. Однако отдельные аневризмы брюшной аорты демонстрируют высокий уровень поглощения SPIONs, что свидетельствует об обширной макрофагами инфильтрации в стенке аневризмы. Будущие исследования должны быть направлены на изучение прогностического значения поглощения SPIONs для роста и разрыва аневризм ⁵⁸.

Сепсис - одна из форм синдрома системного воспалительного ответа, вызванного инфекциями, - все чаще приводит к госпитализации в отделения реанимации и имеет высокий уровень смертности еще в больнице. При отсутствии медицинской помощи сепсис быстро переходит в септический шок, синдром множественных органных дисфункций (СМОД) и смерть. Распространенность сепсиса продолжает расти в связи с появлением инфекций, устойчивых к лекарственным препаратам, и широким применением иммунодепрессантов. В связи с острым характером сепсиса для снижения заболеваемости и смертности, а также улучшения результатов соответствующих терапевтических мероприятий необходимы своевременная диагностика и лечение. Сепсис является одним из заболеваний с широчайшим спектром симптомов и патогенеза, что делает его диагностику чрезвычайно сложной. Кроме того, до сих пор не создан диагностический инструмент, позволяющий определить развитие сепсиса в клинических условиях. Быстрота и точность, необходимые для постановки быстрого и точного диагноза с целью своевременного лечения, порой отсутствуют в реальных первичных диагностических тестах, результаты которых основаны на измерении жизненных показателей и баллов. Хотя для диагностики сепсиса установлено множество биомаркеров в сыворотке крови, требуемые чувствительность и надежность все еще недостаточны. Для диагностики сепсиса рекомендованы микробиологические тесты, позволяющие оценить основное заболевание. Однако для получения положительного бактериального роста в микробиологических культурах обычно требуется длительное время - иногда даже несколько дней, и только 30-40% случаев "сепсиса" являются культурно-положительными. Другими словами, сепсис редко подтверждается микробиологически для оказания оперативной медицинской помощи. Поэтому существует острая необходимость в разработке точных методик ранней диагностики сепсиса ⁶⁴.

При развитии сепсиса системный воспалительный ответ, как правило, вызывается активированной иммунной системой хозяина. На ранних стадиях сепсиса образуется большое количество реактивных форм кислорода (ROS), таких как гипохлорит-ионы (ClO-), гидроксильные радикалы (OH-), супероксид-анион-радикалы (O2-) и пероксинитрит (ONOO-). Сепсис обычно приводит к повышению системного уровня ROS как в кровообращении, так и в пораженных органах, в отличие от местного воспаления и инфекций, при которых ROS в больших количествах образуются в определенных воспаленных тканях и органах. Кроме того, существенным фактором, способствующим развитию MODS при сепсисе, является системная гиперпродукция ROS. Таким образом, ROS может быть использован в качестве альтернативного и прогностического биомаркера сепсиса. Чувствительный и своевременный подход к мониторингу системной ROS в биологических системах также полезен для изучения сепсиса и биологии ROS. Реактивные формы кислорода (ROS), которые также называют биомаркерами сепсиса, в избытке образуются в крови и в пораженных органах при сепсисе. Однако отслеживание ROS с неограниченной глубиной визуализации in vivo для диагностики сепсиса является сложной задачей, поскольку большая часть ROS, образующихся при сепсисе, избыточно генерируется в глубоких тканях и органах, таких как печень и почки. Это связано с плохой проникающей способностью и низкой чувствительностью к мягким тканям технологий визуализации на основе оптических приборов ⁶⁴. Для исследования ROS методом МРТ в мышиной модели сепсиса, вызванного липополисахаридом (ЛПС), в качестве контрастного вещества недавно была использована клинически разрешенная гадолиний-диэтилентриамин-пентауксусная кислота (Gd-DTPA) с ядром из оксида железа, декорированного НА (SPIONs). Сверхчувствительная (0,2Ч10-6 м) визуализация ROS in vivo стала возможной благодаря неограниченной глубине проникновения нанозондов SPION в ткани, механизму распада ROS, инициированному HA, и последующему высвобождению Gd-DTPA ⁶⁴.

Это инфекция тканей и синовиальной жидкости сустава. Сустав может быть инфицирован многочисленными видами бактерий, вирусов и грибков ⁵⁸. В новом исследовании для визуализации макрофагов с помощью SPIONs использовалась экспериментальная кроличья модель бактериальной инфекции коленного сустава. Во всех инокулированных коленных суставах наблюдался инфекционный синовит и сильная макрофагальная инфильтрация. Через 24 часа после введения SPIONs на Т1-взвешенных, Т2-взвешенных и Т2*-взвешенных изображениях в инфицированных коленях наблюдалось качественное и количественное снижение сигнала, что свидетельствовало о наличии в синовии макрофагов, нагруженных SPIONs. В контрольных коленных суставах, в которых наблюдалась нормальная синовиальная жидкость, лишенная инфильтрации макрофагами, нагруженными железом, не было выявлено значительных изменений МР-сигнала при контрастировании ^58,65.

Это бактериальная инфекция кости, вызываемая Staphylococcus aureus ⁵⁸. Было проведено исследование по оценке МР-томографии, усиленной SPION (SE), для различения стерильного воспаления и инфекционного остеомиелита позвонков в двух группах кроликов. В МРТ-исследованиях использовались неинтенсивные и усиленные гадолинием жиронасыщенные Т1-взвешенные последовательности SE. Повторное МРТ-исследование проводилось через 24 часа после введения SPION, когда на Т1-последовательности, усиленной гадолинием, появлялось усиление концевых пластинок. Результаты гистопатологического исследования были сопоставлены с результатами МРТ. В обеих группах наблюдалось значительное увеличение концевых пластинок позвонков на Т1-последовательностях, усиленных гадолинием, без видимой разницы между ними. На Т1-последовательностях, усиленных SPION, только в группе инфекции наблюдалось значительное увеличение SNR, причем между группами инфекции и стерильного воспаления наблюдалась достоверная разница в SNR. В инфицированных участках наблюдалась выраженная инфильтрация костного мозга макрофагами, некоторые из которых были нагружены железом. При стерильном воспалении костный мозг был замещен воспалительной тканью, в которой было очень мало макрофагов. Инфекционный остеомиелит и стерильное воспаление позвонков можно отличить с помощью визуализации, усиленной SPIONs, благодаря различному распределению макрофагов в этих двух поражениях ⁵⁸.