Магнитные микродиски улучшат информативность исследования внутренних органов

Фото: open-dubna.ru

Учёные России и США разработали магнитные наноструктуры, регистрируемые индукционными методами с рекордной чувствительностью в организме лабораторных животных in vivo. Полученные магнитные микродиски позволят увеличить чувствительность и информативность различных методов визуализации органов и тканей, таких как магнитно-резонансная томография, MPQ и MPI (magnetic particle imaging).

При этом, для того, чтобы получать подобные сигналы, достаточно всего нескольких десятков пикограмм специально сконструированных наночастиц. Работа опубликована в журнале Nanoscale . Разработка велась международной группой учёных из МФТИ , ИОФ РАН, МИСИС и Аргоновской национальной лаборатории (США). Проведение исследований стало возможно благодаря грантам РНФ, Минобрнауки России и Министерства энергетики США.

Исследователям удалось продемонстрировать рекордную чувствительность регистрации специально приготовленных магнитных наноструктур, перспективных для разнообразных применений. Для этого они использовали объекты особой формы — железоникелевые микродиски нанометровых толщин. Такая геометрическая форма приводит к вихреобразной структуре магнитных моментов частиц, в результате чего они приобретают особые свойства. В частности, такие диски не имеют остаточной намагниченности, не агрегируют в растворах и обладают сильной нелинейной зависимостью намагниченности от величины слабого магнитного поля. Это обстоятельство позволило авторам за счёт ранее предложенного метода детекции магнитных наночастиц MPQ (magnetic particle quantification) уверенно обнаруживать от 39 пикограмм магнитного материала ("пико-" в 1000 раз меньше "нано-") в широком линейном диапазоне чувствительности — 7 порядков. Проведённые опыты по дистанционной регистрации подобных наноструктур в организме лабораторными животных in vivo и ex vivo подтвердили перспективность использования данного подхода в биологии и медицине.

Результаты прокомментировал первый автор данной работы, заведующий  лабораторией нанобиотехнологий МФТИ Максим Никитин : "Ранее нашими американскими коллегами из Аргоновской национальной лаборатории в США в экспериментах in vitro была показана возможность подавления клеток глиомных опухолей человека с помощью микродисков при воздействии на них слабых (не назревающих) низкочастотных магнитных полей (см. работу Kim et al., Nature Materials, 2010, 9, 165–171 ). Это вызвало бурный интерес к разнообразным биомедицинским применениям подобных наноструктур и большому числу важных публикаций. В нынешней работе мы продемонстрировали ещё одну интересную особенность таких наноструктур, а именно возможность их регистрации и топографирования индукционными методами, в том числе и в организме животных, с ультравысокой чувствительностью с помощью портативных устройств со сравнительно малыми возбуждающими магнитными полями. Это представляется важным и для метрологического обеспечения биомедицинских исследований с применением магнитных нанообъектов".

В ближайшем будущем наноматериалы существенно расширят возможности медицины в диагностике и лечении самых разных болезней. А некоторые из них, например, магнитные наночастицы, уже допущены во многих ведущих странах для внутривенных инъекций человеку — для улучшения качества изображения и контрастирования опухолей при магнитно-резонансной томографии (МРТ), восполнения недостатка железа при анемии и т.д. Также эти частицы в силу чувствительности к воздействию магнитных полей считаются одними из наиболее перспективных для разработки новых биомедицинских технологий визуализации различных новообразований внутри организма, направленной доставки лекарств или лечения опухолей.

В рамках работы учёные совместили разработанный ими ранее высокочувствительный метод детекции наночастиц MPQ и новый магнитный материал. В основе MPQ-метода лежит воздействие на наночастицы внешним переменным полем на двух разных частотах с последующей детекции сигнала на комбинаторных частотах (являющихся линейной комбинацией этих частот, например,   f1+2*f2). Метод позволяет регистрировать от 60 зептомолей (приставка "зепто-" означает 10 в минус двадцать первой степени!) обычных коллоидных магнитных наночастиц. Это сравнимо с порогом регистрации наночастиц на основе радиоактивных изотопов железа по сопутствующему гамма-излучению.

Учёные получили и исследовали магнитные наночастицы в форме микродисков из пермаллоя — сплава никеля и железа. Для того чтобы сделать такие микродиски с диаметром 1,5 мкм, но разных толщин от 10 нм до 40 нм, исследователи воспользовались методом оптической литографии (рис.1). Благодаря необычной форме их физические свойства существенно отличаются от таковых для сферических наночастиц: магнитные моменты микродисков образуют вихреподобные структуры с нулевой суммарной остаточной намагниченностью. При увеличении внешнего магнитного поля такая структура трансформируются и магнитные моменты ориентируются по направлению поля. При уменьшении магнитного поля начальное распределение восстанавливается, а при смене направления магнитного поля — меняется на противоположное.

Рисунок 1. При отсутствии магнитного поля остаточная намагниченность равна нулю за счёт вихреподобного распределения магнитных моментов (центральное изображение), при насыщении намагниченности образуется однодоменная структура (изображения слева и справа при отрицательном и положительном направлениях магнитного поля соответственно).

Наличие такого перехода, приводящего к большей нелинейности намагничивания в сравнительно слабых полях, существенно увеличивает предел детекции методом MPQ, что явилось ключевым результатом работы. Исследователи получили беспрецедентную чувствительность, позволяющую индукционно регистрировать 39 пикограммам магнитного материала в сравнительно большом объёме. Следует отметить, что детектируемые сигналы существенно зависят от ориентации микродисков. Данное свойство, называемое анизотропией, связано с их особой геометрией. Если направление магнитного поля параллельно плоскости дисков, то значение MPQ-сигналов максимально. Увеличение угла между направлением магнитного поля и плоскостью дисков приводит к монотонному убыванию сигнала при достижении 90o.

Учёные провели и ряд биофизических экспериментов по изучению динамики полученных наночастиц в кровотоке лабораторных мышей in vivo и их поведению в тканях различных органов ex vivo. Предварительно микродиски были переведены в физиологический раствор. Для изучения скорости их выведения из кровотока раствор микродисков вводили системно, а их детекция проходила в хвостовой вене и артерии мыши при помещении хвоста в измерительную катушку MPQ-прибора (см. рис.2).

Рисунок 2. Иллюстрация проведения эксперимента: вся мышь (под анестезией) помещалась во внешнюю катушку, генерирующую постоянное магнитное поле при включении, в то время как хвост мыши помещался в измерительную катушку MPQ-прибора.

Время циркуляции наночастиц обычно составляет около 10 мин. Включение внешнего магнитного поля небольшой амплитуды 15 Эрстед (большая катушка на рис. 2) резко увеличивало MPQ-сигнал, что показало интересную возможность модуляции отклика микродисков и их переориентацию в живом организме. Для сравнения исследователи использовали магнитные микросферы — для них MPQ-сигнал не зависел от внешнего поля. Кроме того, было изучено биораспределение магнитных микродисков. Результаты опытов показали, что накопление происходило в печени, селезёнке и лёгких, что является характерным свойством наночастиц. Исследователи наблюдали также интересную зависимость: при воздействии внешним полем на диски в разных органах получали разную степень увеличения сигнала MPQ. Учёные предположили, что это связано с непохожестью свойств различных тканей (вязкости, плотности, жёсткости), что может быть, в свою очередь, использовано, например, для индукционного обнаружения опухолей в организме животных.

С пояснением выступил соавтор статьи и один из изобретателей MPQ-метода, заведующий лабораторией ИОФ РАН  Пётр Никитин   (выпускник МФТИ 1979 года):

"Проведённые эксперименты показали очень интересные и информативные особенности зависимости сигналов от соотношения диаметра к толщине дисков, их пространственной ориентации и т.д. Например, оказалось, что при слабых возбуждающих полях значительно проще регистрировать очень тонкие диски (с меньшей массой магнитного материала), чем толстые. Это связано с разными величинами полей размагничивания структур. Магнитные нанообъекты, регистрируемые с высокой чувствительностью, представляют большой интерес для применений в качестве нанометок в ДНК- и иммуноанализах, биосенсорике, антиконтрафактной защите важных препаратов и т.д. Кроме того, в настоящее время применение методов MPQ и МPI для биомедицинских исследований ограничивается опытами на мелких лабораторных животных. Предложенный подход к переходу от традиционных коллоидных наночастиц к специально сконструированным наноструктурам, возможно, окажется перспективным для увеличения размеров зон чувствительности методов MPQ и МPI для клинических исследований человека".

Таким образом, учёные разработали ультрачувствительный метод детекции сконструированных магнитных наноструктур, обладающих сильными зависимостями свойств дисков от размеров и состава. Это позволит создать наноагенты с наиболее выигрышными свойствами. Кроме того, данные объекты возможно дистанционно детектировать в сложном биологическом окружении (в кровотоке и тканях). Лежащая в основе подхода синергия нанотехнологий и медицины представляется перспективной для создания уникальных инструментов при решении конкретных задач тераностики и лечения заболеваний.

Пресс-служба МФТИ

Источник

Автор: Татьяна Небольсина

Последние новости Подмосковья по теме:
Магнитные микродиски улучшат информативность исследования внутренних органов

- Долгопрудный
Учёные России и США разработали магнитные наноструктуры, регистрируемые индукционными методами с рекордной чувствительностью в организме лабораторных животных in vivo.
12:30 23.07.2018 МФТИ
Магнитные микродиски улучшат информативность исследования внутренних органов - OpenDubna.Ru
Магнитные микродиски улучшат информативность исследования внутренних органов - Дубна
Учёные России и США разработали магнитные наноструктуры, регистрируемые индукционными методами с рекордной чувствительностью в организме лабораторных животных in vivo.
03:40 22.07.2018 OpenDubna.Ru
 
По теме
Свыше 30 подмосковных школьников будут досрочно сдавать ГИА в среду - Дмитровский вестник  Подмосковные девятиклассники досрочно проходят государственную итоговую аттестацию, они уже сдали математику, а в среду их ждут экзамены по физике, биологии, истории, географии и английскому языку,
24.04.2019
Кто такой депутат?  - Городской ритм Свой профессиональный праздник, День местного самоуправления, депутаты городского Совета каждый год проводят в школах.
24.04.2019
В университете «Дубна» прошла Всероссийская конференция «Инженерные кадры для MegaScience».
24.04.2019
 
В Люберцах прошли обсуждения реализации нацпроектов в сфере образования - Единая Россия Люберцы В Инженерной школе №6 руководитель фракции «Единая Россия» Александр Шлапак встретился с учителями люберецких школ, в числе которых – сторонники партии «Единая Россия».
24.04.2019
Приглашаем на игру - Администрация Воскресенского района 25 апреля муниципальное учреждение "Молодёжный центр "Олимпиец" проводит интеллектуальный чемпионат "Брейн-ринг".
24.04.2019
«Урок добра» прошёл в щёлковской школе № 2 - Газета Время Сегодня, 24 апреля, ученики кадетского класса встретились с людьми с ограниченными возможностями здоровья, членом Общественной палаты городского округа Щёлково Светланой Паршиной и мастером спорта международного класса,
24.04.2019
 
бизнесменам из Японии демонстрируют действие кардиокомплекса ECG Dongle разработки компании «Нордавинд» - Правительство Московской области Источник: Министерство инвестиций и инноваций Московской области Сотрудники группы компаний «Нордавинд», в которую входят две компании-резидента особой экономической зоны «Дубна»:
24.04.2019
 
XIV ЛЕВИТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ - МГОУ  17 и 18 апреля 2019 года кафедра начального образования под руководством д.п.н., профессора,
24.04.2019 МГОУ
«Урок добра» прошёл в щёлковской школе № 2 - Газета Время Сегодня, 24 апреля, ученики кадетского класса встретились с людьми с ограниченными возможностями здоровья, членом Общественной палаты городского округа Щёлково Светланой Паршиной и мастером спорта международного класса,
24.04.2019 Газета Время
Более полутора тысяч руководителей колледжей и техникумов из 72 регионов нашей страны, а также 62 руководителя органов управления образованием регионов России стали участниками мероприятия.
24.04.2019 Красногорские вести
Подольское ИА, Борис Чубатюк У нее статус юбилейной, приуроченной к 85-летию мэтра – личности мощного творческого потенциала, многогранного дарования.
24.04.2019 Подольский рабочий
В рамках Всероссийской акции «Дети России - 2019» сотрудники полиции УМВД России по Коломенскому городскому округу провели профилактическое мероприятие в одной из общеобразовательных школ города.
23.04.2019 МВД Московской области
Пропала Баранова Екатерина Сергеевна, 2003 года рождения, которая 16 апреля около 8:15 ушла из дома в г. Фрязино и до настоящего времени ее местонахождение неизвестно.
23.04.2019 Газета Ключ
"Библионочь" прошла в Звенигороде - Звенигородские ведомости В рамках Всероссийской акции «Библионочь – 2019» в Центральной городской библиотеке Звенигорода прошли яркие и интересные мероприятия.
24.04.2019 Звенигородские ведомости
Музей – в реале и онлайн - Красное знамя Рузский краеведческий музей с января возглавляет Валентина ЩЕМЕЛЕВА (на снимке).
24.04.2019 Красное знамя
За высокий профессионализм! - Администрация Воскресенского района Торжественное мероприятие в честь Праздника труда состоялось в ДК «Юбилейный».
24.04.2019 Администрация Воскресенского района
Побывать сразу на нескольких материках Земли и увидеть животных, которые там обитают, познакомиться с традициями разных народов мира и насладиться красотой их танцев – и всё это в течение полутора часов.
23.04.2019 Пущинская среда
Футбол в Орехово-Зуеве: Завтра была война - Орехово-Зуевская правда В первый день сентября 1939 года началась Вторая мировая война — самая черная страница в истории человечества, немецкие войска пересекли границу Польши, в Азии Япония воевала с Китаем,
24.04.2019 Орехово-Зуевская правда
В Подмосковье со среды начнут проводить матчи финала студенческой хоккейной лиги - Серебряно-Прудский вестник © pixabay.com В Дмитрове в среду откроется всероссийский финал студенческой хоккейной лиги, турнир будет развернут на площадке спортивного комплекса «Дмитров»,
24.04.2019 Серебряно-Прудский вестник
ЛЮБЕРЦЫ. 24 апреля. INLYBERTSY.RU - В Люберецком информагентстве состоялось подписание договора о сотрудничестве между РОО «РосМолСпорт МО» и присоединившейся к нему Федерации шахмат Московской области (ФШМО),
24.04.2019 Люберецкая панорама
В регионе запускается акция «Мострансавто» «Расписание на месте», в рамках которой «Мострансавто» вместе с пассажирами в Подмосковье возьмет под особый контроль наличие расписания движения автобусов по маршрутам предприя
24.04.2019 Шаховские вести
Минтранс области назвал худшего перевозчика общественного транспорта - Министерство транспорта и дорожной инфраструктуры По рейтингу министерства транспорта и дорожной инфраструктуры Московской области перевозчик ООО «ЭСКОМАВТО», обслуживающий  муниципальный маршрут №13 «Птицефабрика – ул.
24.04.2019 Министерство транспорта и дорожной инфраструктуры
Заявки на субсидии - Myreutov.Ru Заявки на жилищные субсидии молодые семьи Подмосковья могут подать с 3 по 21 июня.
24.04.2019 Myreutov.Ru