La formación de imágenes por partículas magnéticas ( MPI ) es una técnica tomográfica no invasiva emergente que detecta directamente los trazadores de nanopartículas superparamagnéticas . La tecnología tiene aplicaciones potenciales en diagnóstico por imágenes y ciencia de materiales . Actualmente, se utiliza en la investigación médica para medir la ubicación y concentración tridimensional de nanopartículas . Las imágenes no utilizan radiación ionizante y pueden producir una señal a cualquier profundidad dentro del cuerpo. MPI fue concebido por primera vez en 2001 por científicos que trabajaban en el laboratorio de investigación Royal Philips en Hamburgo.. El primer sistema se estableció y se informó en 2005. Desde entonces, investigadores académicos de varias universidades de todo el mundo han avanzado la tecnología. Los primeros escáneres MPI comerciales están disponibles recientemente de Magnetic Insight y Bruker Biospin .
El hardware utilizado para MPI es muy diferente al de MRI . Los sistemas MPI utilizan campos magnéticos cambiantes para generar una señal a partir de nanopartículas de óxido de hierro superparamagnético (SPIO). Estos campos están diseñados específicamente para producir una única región libre de campos magnéticos. Solo se genera una señal en esta región. Se genera una imagen moviendo esta región a través de una muestra. Dado que no hay SPIO natural en el tejido , solo se detecta una señal del trazador administrado. Esto proporciona imágenes sin fondo. El MPI se usa a menudo en combinación con técnicas de imágenes anatómicas (como CT o MRI ) que brindan información sobre la ubicación del marcador.
Aplicaciones
Las imágenes de partículas magnéticas combinan una alta sensibilidad del trazador con una resolución submilimétrica . La formación de imágenes se realiza en un rango de milisegundos a segundos. El trazador de óxido de hierro que se utiliza con MPI se elimina de forma natural por el cuerpo a través del sistema de fagocitos mononucleares . Las nanopartículas de óxido de hierro se descomponen en el hígado , donde el hierro se almacena y se utiliza para producir hemoglobina. Los SPIO se han utilizado anteriormente en humanos para la suplementación con hierro y la obtención de imágenes hepáticas .
Imágenes del charco de sangre
Cardiovascular
Los primeros resultados de MPI in vivo proporcionaron imágenes de un corazón de ratón latiendo en 2009. Con más investigación, esto podría eventualmente usarse para imágenes cardíacas en tiempo real . [1]
Oncología
MPI tiene numerosas aplicaciones en el campo de la investigación oncológica. La acumulación de un marcador dentro de los tumores sólidos puede ocurrir a través del efecto mejorado de permeabilidad y retención . Esto se ha utilizado con éxito para detectar sitios de tumores en ratas. [2] La alta sensibilidad de la técnica significa que también es posible obtener imágenes de micro-metástasis mediante el desarrollo de nanopartículas dirigidas a las células cancerosas . La MPI se está investigando como una técnica de detección clínica alternativa a la medicina nuclear con el fin de reducir la exposición a la radiación en las poblaciones de riesgo.
Seguimiento celular
Al marcar las células terapéuticas con nanopartículas de óxido de hierro, MPI les permite rastrearlas por todo el cuerpo. Esto tiene aplicaciones en medicina regenerativa e inmunoterapia contra el cáncer . Las imágenes se pueden utilizar para mejorar el éxito de la terapia con células madre siguiendo el movimiento de estas células en el cuerpo. [3] El marcador es estable mientras está marcado en una célula y permanece detectable después de 87 días. [4]
Imágenes cerebrales funcionales
MPI se ha propuesto como una plataforma prometedora para imágenes cerebrales funcionales que requieren imágenes altamente sensibles, así como tiempos de escaneo cortos para una resolución temporal suficiente. Para ello, el MPI se utiliza para detectar el aumento del volumen sanguíneo cerebral (VBC) derivado de la neuroactivación. La neuroimagen funcional con MPI se ha demostrado con éxito [5] en roedores y tiene una ventaja de sensibilidad prometedora en comparación con otras modalidades de imagen. A largo plazo, esto podría permitir estudiar la neuroactivación funcional a nivel de un solo paciente y, por lo tanto, llevar la neuroimagen funcional al diagnóstico clínico.
Trazador superparamagnético
El trazador SPIO utilizado en la formación de imágenes de partículas magnéticas es detectable en fluidos biológicos , como la sangre . Este fluido responde muy bien incluso a campos magnéticos débiles , y todos los momentos magnéticos se alinearán en la dirección de un campo magnético inducido. Estas partículas se pueden utilizar porque el cuerpo humano no contiene nada que cree interferencias magnéticas en las imágenes. Como único trazador, las propiedades de SPION son de importancia clave para la intensidad de la señal y la resolución de MPI. Las nanopartículas de óxido de hierro, debido a sus dipolos magnéticos, exhiben una magnetización espontánea que puede ser controlada por un campo magnético aplicado. Por lo tanto, el rendimiento de las SPION en MPI depende fundamentalmente de sus propiedades magnéticas, como la magnetización de saturación, el diámetro magnético y el mecanismo de relajación. La figura de la derecha es una imagen representativa de una función de dispersión de puntos (PSF) obtenida usando el modo Relax en un escáner MPI, señalando la intensidad de la señal y el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) que corresponde a la resolución de la señal. Tras la aplicación de un campo magnético externo, la relajación de las SPION puede regirse por dos mecanismos, Néel y la relajación browniana. Cuando toda la partícula gira con respecto al medio ambiente, sigue la relajación browniana, que se ve afectada por el diámetro físico. Cuando solo el dipolo magnético gira dentro de las partículas, el mecanismo se llama relajación de Néel, que se ve afectado por el diámetro magnético. Según el modelo de superparamagnetismo de Langevin, la resolución espacial de MPI debería mejorar cúbicamente con el diámetro magnético, que se puede obtener ajustando la curva de magnetización versus campo magnético a un modelo de Langevin. [6] Sin embargo, cálculos más recientes sugieren que existe un rango óptimo de tamaño magnético de SPION (~ 26 nm) para MPI. [7] Esto se debe a la borrosidad causada por la relajación browniana de SPION de gran tamaño magnético. Aunque el tamaño magnético afecta críticamente el rendimiento de MPI, a menudo se analiza deficientemente en publicaciones que informan sobre aplicaciones de MPI que utilizan SPION. A menudo, los trazadores disponibles comercialmente o los trazadores caseros se utilizan sin una caracterización magnética completa. Es importante destacar que debido a la inclinación del giro y el desorden en la superficie, o debido a la formación de nanopartículas de fase mixta, el diámetro magnético equivalente puede ser menor que el diámetro físico. Y el diámetro magnético es crítico debido a la respuesta de las partículas a un campo magnético aplicado que depende del diámetro magnético, no del diámetro físico. El diámetro magnético equivalente más grande puede ser el mismo que el diámetro físico. Un artículo de revisión reciente de Chandrasekharan et al. resume las propiedades de varios agentes de contraste de óxido de hierro y su desempeño MPI medido usando su espectrómetro de partículas magnéticas interno, que se muestra en la imagen aquí. Cabe señalar que el diámetro del núcleo que se indica en la tabla no es necesariamente el diámetro magnético. La tabla proporciona una comparación de todas las SPION publicadas actualmente para los agentes de contraste MPI. Como se ve en la tabla, LS017, con un tamaño de núcleo SPION de 28,7 nm y sintetizado mediante calentamiento por descomposición térmica con oxidación post-síntesis, tiene la mejor resolución en comparación con otros con un tamaño de núcleo menor. Resovist (Ferucarbotran), que consiste en óxido de hierro obtenido por coprecipitación, es el trazador más comúnmente utilizado y disponible comercialmente. Sin embargo, como sugirieron Gleich et al., Solo el 3% de la masa de hierro total de Resovist contribuye a la señal de MPI debido a su polidispersidad, lo que conduce a una sensibilidad de MPI relativamente baja. La intensidad de la señal de MPI está influenciada tanto por el diámetro del núcleo magnético como por la distribución de tamaño de las SPION. Comparando la sensibilidad de MPI enumerada en la tabla anterior, LS017 tiene la intensidad de señal más alta (54,57 V / g de Fe) ya que las partículas son monodispersas y poseen un gran diámetro magnético en comparación con otras.
El recubrimiento superficial de SPIONs también es de importancia clave, ya que influye en la estabilidad, el comportamiento farmacocinético y la biodistribución de partículas en entornos biológicos. La biodistribución de carboxidextrano y SPION modificadas con PEG fueron estudiadas por Keselman et al. utilizando MPI. Los resultados sugirieron que las SPION modificadas con PEG tenían una vida media en sangre relativamente larga de 4,2 h antes de la captación por el hígado y el bazo, en comparación con las SPION recubiertas de carboxi-dextrano que se aclaraban rápidamente en el hígado. La elección del revestimiento de la superficie influye en las posibles aplicaciones de MPI. Una SPION recubierta de carboxidextrano es útil para obtener imágenes del hígado, mientras que las partículas modificadas con PEG son más preferidas para la circulación a largo plazo.
Teniendo en cuenta todos estos conceptos e información, podemos comenzar a definir que las partículas "ideales" en el contexto de producir una mejor sensibilidad y resolución de MPI deben poseer las siguientes características:
- tamaño del núcleo magnético alrededor de 26 nm y cercano al diámetro físico
- monodisperso
- revestimiento de superficie adecuado
Ventajas
- Alta resolución (~ 0,4 mm)
- Resultados de imagen rápidos (~ 20 ms)
- Sin radiacion
- Sin yodo
- Sin ruido de fondo (alto contraste)
Congresos, talleres
- Reunión del grupo de interés de WMIS MPI
- Página de inicio del Taller Internacional Anual sobre MPI
Referencias
- ^ Weizenecker, J .; Gleich, B .; Rahmer, J .; Dahnke, H .; Borgert, J. (1 de enero de 2009). "Imágenes tridimensionales de partículas magnéticas in vivo en tiempo real". Física en Medicina y Biología . 54 (5): L1 – L10. Código Bibliográfico : 2009PMB .... 54L ... 1W . doi : 10.1088 / 0031-9155 / 54/5 / L01 . ISSN 0031-9155 . PMID 19204385 .
- ^ Yu, Elaine Y .; El obispo Mindy; Zheng, Bo; Ferguson, R. Matthew; Khandhar, Amit P .; Kemp, Scott J .; Krishnan, Kannan M .; Goodwill, Patrick W .; Conolly, Steven M. (8 de marzo de 2017). "Imágenes de partículas magnéticas: una novedosa plataforma de imágenes in vivo para la detección del cáncer" . Nano Letras . 17 (3): 1648-1654. Código bibliográfico : 2017NanoL..17.1648Y . doi : 10.1021 / acs.nanolett.6b04865 . ISSN 1530-6984 . PMC 5724561 . PMID 28206771 .
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- ^ Zheng, Bo; Vazin, Tandis; Goodwill, Patrick W .; Conway, Anthony; Verma, Aradhana; Saritas, Emine Ulku; Schaffer, David; Conolly, Steven M. (11 de septiembre de 2015). "Magnetic Particle Imaging rastrea el destino a largo plazo de los implantes de células neurales in vivo con alto contraste de imagen" . Informes científicos . 5 (1): 14055. Código Bibliográfico : 2015NatSR ... 514055Z . doi : 10.1038 / srep14055 . ISSN 2045-2322 . PMC 4566119 . PMID 26358296 .
- ^ Hierba, Konstantin; Mason, Erica; Mattingly, Eli; Mandeville, Joseph; Mandeville, Emiri; Cooley, Clarissa; Wald, Lawrence (2020). "MPI funcional (fMPI) de hipercapnia en cerebro de roedor con imágenes de series de tiempo MPI". Revista internacional de imágenes de partículas magnéticas . 6 (2/1). doi : 10.18416 / IJMPI.2020.2009009 .
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- ^ Chandrasekharan, P (2018). "Una perspectiva sobre una modalidad de formación de imágenes de trazador rápido y sin radiación, formación de imágenes de partículas magnéticas, con promesa para la traducción clínica" . Revista británica de radiología . 91 (1091). doi : 10.1259 / bjr.20180326 . PMC 6475963 . PMID 29888968 .
Otras lecturas
- Primera imagen de partículas magnéticas in vivo de perfusión pulmonar en ratas . Zhou XY, Jeffris K, Yu E, Zheng B, Goodwill P, Nahid P, Conolly S. Phys Med Biol. 2017 20 de febrero.
- Seguimiento de la biodistribución a corto plazo y el aclaramiento a largo plazo de trazadores SPIO en imágenes de partículas magnéticas . 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. 2017 febrero 8
- Evaluación de nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de PEG como trazadores de depósitos de sangre para imágenes preclínicas de partículas magnéticas . Khandhar AP, Keselman P, Kemp SJ, Ferguson RM, Goodwill PW, Conolly SM, Krishnan KM. Nanoescala. 19 de enero de 2017; 9 (3): 1299-1306.
- Combinando imágenes de partículas magnéticas e hipertermia de fluidos magnéticos en una plataforma teranóstica . Hensley DW, Tay ZW, Dhavalikar R, Zheng B, Goodwill P, Rinaldi C, Conolly S. Phys Med Biol. 2016 29 de diciembre.
- Relajación magnética finita en imágenes de partículas magnéticas en el espacio x: Comparación de medidas y modelos ferrohidrodinámicos. Dhavalikar R, Hensley D, Maldonado-Camargo L, Croft LR, Ceron S, Goodwill PW, Conolly SM, Rinaldi C. J Phys D Appl Phys. 2016 3 de agosto; 49 (30)
- Un espectrómetro y relaxómetro MPI de alto rendimiento, forma de onda arbitraria, para una completa optimización y caracterización de partículas magnéticas . Tay ZW, Goodwill PW, Hensley DW, Taylor LA, Zheng B, Conolly SM. Sci Rep.2016 30 de septiembre; 6: 34180.
- Relaxómetro de espacio-x protegido contra corrientes de Foucault para caracterización de nanopartículas magnéticas sensibles . Bauer LM, Hensley DW, Zheng B, Tay ZW, Goodwill PW, Griswold MA, Conolly SM. Rev Sci Instrum. Mayo de 2016; 87 (5): 055109.
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- Imágenes de partículas magnéticas (MPI) para investigadores de RMN y RMN . Saritas EU, Goodwill PW, Croft LR, Konkle JJ, Lu K, Zheng B, Conolly SM. J Magn Reson. Abril de 2013; 229: 116-26. doi: 10.1016 / j.jmr.2012.11.029. Revisar.
- Proyección de reconstrucción de imágenes de partículas magnéticas . Konkle JJ, Goodwill PW, Carrasco-Zevallos OM, Conolly SM. IEEE Trans Med Imaging. Febrero de 2013; 32 (2): 338-47. doi: 10.1109 / TMI.2012.2227121.
enlaces externos
- Magnetic Insight, Inc. - Comercialización de tecnología MPI desarrollada originalmente en la Universidad de California, Berkeley 11/2014
- Comprensión de las imágenes de partículas magnéticas
- El sistema de imágenes de partículas magnéticas MOMENTUM
- J.-P. Gehrcke. Caracterización de la señal de formación de imágenes de partículas magnéticas basada en teoría, simulación y experimentación . M. Sc. tesis, Universidad de Würzburg, 2010.
- Imágenes de partículas magnéticas: avanzando, medicalphysicsweb.org 12 de abril de 2011
- "Travelling Wave MPI en la Universidad de Würzburg"
- "Imágenes de partículas magnéticas (MPI) en RWTH Aachen University"
- "Trabajo de MPI en la Universidad de California, Berkeley"
- "Investigación de MPI en la Universidad de Lübeck"
- "Philips anuncia un gran avance en la tecnología de imágenes médicas"
- Lo que ves es lo que tienes
- Abriendo nuevos caminos en imágenes moleculares
- Voltear buenas imágenes. Radiología en la actualidad Mayo de 2017