Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0060

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0060
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Фторуглеродные соединения в биомедицинских исследованиях in vivo с применением мультиядерной МРТ визуализации
Докладчик
Пирогов Юрий Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Настоящий проект направлен на решение двух задач:
- разработку новых научно-методических подходов к созданию бимодальных контрастирующих препаратов в магнитно-резонансной томографии (МРТ), предназначенных для медицинской диагностики на базе существующего лекарственного препарата Перфторан;
- разработку мультиядерных МРТ методик и создание нормативно-технических документов, регламентирующих МРТ исследования с функциями получения совместных изображений тканей, содержащих протоны, а также фтор и более тяжелые ядра.

На первом этапе проекта были разработаны приемо-передающие устройства для 0.5-Тл и 7-Тл томографов, настроенные на ларморову частоту 19F, с целью получения совместных протонных и фторных МРТ изображений сканируемого объекта. На втором этапе разработаны модифицированные фторуглеродные эмульсии (ФУЭС) с улучшенными контрастными свойствами для измерений как на ядрах 19F, так и на ядрах 1H. Синтезирован стабильный перфторированный радикал, показавший хорошие результаты в качестве МРТ-контрастного соединения для измерений на ядрах 19F. Для улучшения контраста изображений на ядрах 1Н разработаны методы включения различных контрастирующих агентов (в частности, хелатных комплексов гадолиния и наночастиц окиси гадолиния) во фторуглеродные эмульсии. На третьем этапе проекта разработаны лабораторные технологические регламенты получения модифицированных ФУЭС и исследована токсичность ФУЭС.

Основная цель работ в 2016 году (на 4-ом и 5-ом этапах проекта) состояла в изучении возможностей использования модифицированных ФУЭС для визуализации патологий различной этиологии, а также легких и желудочно-кишечного тракта малых лабораторных животных методом мультиядерной МРТ.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время в клинических исследованиях метод МРТ применяется только на ядрах водорода 1Н. Однако иногда возможности данного метода оказываются недостаточными для выявления некоторых патологий. Например, в случаях, когда интенсивность сигнала патологической ткани совпадает с интенсивностью сигнала окружающих ее нормальных тканей или, когда концентрация водородсодержащих молекул в органах недостаточна для визуализации их методом 1Н-МРТ. Один из способов решения этой проблемы состоит в дополнении 1Н-МРТ-изображений, дающих информацию об анатомической структуре организма, МРТ-изображениями на других ядрах. Наиболее перспективным ядром для этого является 19F, так как он способен давать сигнал ЯМР, сопоставимый с сигналом от протонов. Фтора практически нет в живом организме, что дает возможность наблюдать отклики фтористых соединений в отсутствие фоновых сигналов. Одним из наиболее перспективных фторсодержащих соединений для введения в организм в качестве контрастного агента является разрешенный для клинического применения кровезаменитель Перфторан, представляющий собой эмульсию фторуглеродов в воде, стабилизированную полимером. Капли ФУЭС способны накапливаться в зонах патологий различной этиологии, в частности, в воспалительных областях, опухолевых тканях и др., что позволит избирательно визуализировать эти области. ФУЭС могут также использоваться в качестве дыхательных смесей, что может оказаться полезным при МРТ диагностике дыхательных органов, для исследования которых в настоящее время применяют дорогостоящие гиперполяризованные инертные газы. Таким образом, проводимые в рамках проекта исследования представляются новыми и актуальными.
Описание исследования

Работа по проекту проводилась на томографах фирмы Bruker с существенно отличающимися магнитными полями – на слабопольном (0.5 Тл) медицинском МР-томографе Tomikon S50 и высокопольном (7 Тл) биоспектротомографе BioSpec 70/30 USR, предназначенном для исследования малых лабораторных животных (мышей и крыс). Эти томографы находятся в лаборатории магнитной томографии и спектроскопии  факультета фундаментальной медицины МГУ имени М.В. Ломоносова. Они входят в состав Уникального комплекса оборудования «Биоспектротомография» Центра коллективного пользования с тем же названием "Биоспектротомография" Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и зарегистрированы в федеральном реестре уникального научного оборудования. Получение и обработка ЯМР спектров и МРТ изображений проводилась с использованием технических и программных средств МР-томографов – программных пакетов XWINNMR v.1.0 и Paravision™ v.1.0 для 0.5 Тл томографа, а также TopSpin™ v.2.0 и ParaVision™ v.5.0 для 7 Тл томографа.

В рамках настоящего проекта в 2016 году разработаны две in vivo модели формирования изображений патологий различной этиологии: модель градиентного эхо (GE) и модель спинового эхо (SE). Обе модели основываются на методике селективного возбуждения спектральных линий ЯМР исследуемых соединений. Для обеих моделей предложены рекомендации по адаптации расчетного алгоритма с учетом конкретного спектра ЯМР исследуемого ФУЭС и технических возможностей конкретного оборудования. С помощью разработанного программного обеспечения было показано, что при исследовании патологий различной этиологии целесообразно использовать методы сканирования без выделения срезов (3D-сканирование) с узкой полосой возбуждения спиновой системы, параметры которой рассчитываются по разработанному алгоритму для каждого ФУЭС отдельно с учетом специфики его 19F спектра ЯМР и аппаратурных ограничений для конкретного оборудования.

Из двух разработанных моделей формирования изображений модель градиентного эхо GE предназначена для осуществления быстрого сканирования, а модель спинового эхо SE - для получения изображений с высоким отношением сигнал/шум. Быстрое сканирование (модель GE) может быть востребовано для визуализации, например, сосудистых патологий, зон кровоизлияния, картирования зон мозга при диагностике нейродегенеративных заболеваний. Во всех же случаях, когда быстрота сканирования не является определяющим фактором, более предпочтительна вторая модель - модель спинового эхо SE.

С учетом особенностей разработанных моделей был подготовлен план по проведению in vitro и in vivo экспериментов с использованием модифицированных ФУЭС. В рамках реализации плана были изготовлены ФУЭС на основе перфторуглеродов (перфтордекалина и перфторметилциклогексилпиперидина (компоненты препарата Перфторан) и перфтортрибутиламина (ПФТБА)), в полимерную оболочку капель которых были введены соединения гадолиния. Полученные ФУЭС могут использоваться в качестве бимодальных контрастных агентов для МРТ на ядрах водорода и фтора-19.

На 7 Тл томографе были проведены in vitro исследования, целью которых было измерение релаксационных характеристик синтезированных ФУЭС. В качестве ткань-эквивалентных субстанций использовали желатин, воду, кровь. Определено минимально возможное количество фторсодержащего препарата для его регистрации методом 19F МРТ с учетом длительности исследования и других факторов. На основании in vitro исследований были выбраны наиболее перспективные препараты для использования в in vivo экспериментах.

При проведении in vivo исследований были задействованы малые лабораторные животные (крысы, мыши). Процедуры с лабораторными животными (содержание животных, провоцирование патологий, анестезия, инъекция, утилизация) проводились в соответствии с нормативными документами. Для in vivo МРТ визуализации желудочно-кишечного тракта были изготовлены контейнеры (капсулы), содержащие исследуемые ФУЭС и приспособленные для целевой доставки в исследуемые зоны. Для in vivo визуализации легких лабораторных животных была создана установка для доставки газообразных ФУЭС к исследуемому объекту. В установке предусмотрены регулировка потока дыхательного газа, цикличность его подачи, возможность изменения состава дыхательной смеси фторсодержащего газа с кислородом. В качестве газовой ФУЭС для доставки в легкие применялся перфторциклобутан.

Результаты исследования

Проведены in vitro исследования экспериментальных образцов модифицированных ФУЭС. Обнаружено, что значения релаксивности эмульсий ПФТБА-Магневист, ПФТБА-Гадовист и Перфторан-Гадовист выше, чем для соответствующих фирменных контрастных агентов Магневиста и Гадовиста, что может быть связано с замедлением ротационного движения ионов гадолиния в результате их включения в полимерную оболочку на поверхности капель эмульсии. Наибольшее повышение релаксивности (более чем в 1,5 раза) наблюдается в случае эмульсии ПФТБА-Магневист. Полученные результаты имеют важное значение, так как позволяют без ущерба для качества МР-изображения уменьшить вводимый объем контрастного препарата, необходимый для проведения клинической диагностики, в 1,5 раза.

Проведены in vivo исследования экспериментальных образцов модифицированных ФУЭС. Показано, что селезенка мышей хорошо визуализируется через 1 час, а печень - через 3 часа после внутривенного введения ФУЭС. При внутрибрюшинном введении помимо печени и селезенки ФУЭС также концентрируется в тимусе.

В экспериментах на крысах с острым гнойным воспалением показано, что при наличии мест воспаления в организме модифицированные ФУЭС захватываются макрофагами и следуют не только в печень, селезенку и тимус, но также и в область воспаления. Это позволяет использовать модифицированные ФУЭС в качестве маркера, с помощью которого можно в кратчайшие сроки обнаруживать воспаления.

В экспериментах на мышах со спонтанными опухолями молочных желез обнаружено, что сразу после введения модифицированной ФУЭС наблюдается накопление эмульсии вблизи сосудистой сети ангиогенеза вокруг опухоли, что отражается в виде ярких 19F-ЯМР-сигналов эмульсии на 19F-МРТ-изображениях в этой области.

В экспериментах на крысах с глиомой С6 в головном мозге показано, что эффект по 1H-МРТ-контрастированию глиомы путем введения модифицированных ФУЭС ПФТБА-Магневист и Перфторан-Гадовист оказывается выше, чем при использовании коммерческих препаратов Магневист и Гадовист, в 1,5 раза и 1,44 раза, соответственно.

В ходе проведения МРТ экспериментов in vivo было определено, что модель SE эффективна при исследовании патологий различной этиологии, например, воспалительных и опухолевых процессов, а модель GE лучше подходит для исследования легких. 

МРТ эксперименты по исследованию легких вызывают особый интерес. Применявшиеся ранее фторсодержащие газы обладали значительной олеофобностью, вследствие чего они практически не взаимодействовали с фосфолипидными мембранами альвеол. Это приводило к тому, что с помощью таких газов получалась информация только об анатомической структуре легких, хотя основная цель МРТ визуализации состояла в определении их функционального состояния. В наших экспериментах по МРТ визуализации легких мы использовали перфторциклобутан C4F8, имеющий ряд серьезных положительных отличий от исследованных до настоящего времени фторсодержащих газов. Прежде всего, он имеет большее количество (восемь) магнитно эквивалентных атомов фтора, формирующих интенсивный синглетный сигнал ЯМР, который по сравнению с ранее применявшимися фторсодержащими газами обеспечивает значительное увеличение отношения сигнал/шум. Другим важным преимуществом использования перфторциклобутана является его липофильность, что позволяет ему растворяться в липидных мембранах альвеол и предоставлять по данным 19F МРТ информацию о функциональном состоянии легочных тканей.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость проведенных работ состоит в расширении представлений о возможностях применения фторуглеродных соединений для медико-биологических и диагностических приложений. Показано, что модифицированные ФУЭС могут служить контрастными агентами для МРТ визуализации, в частности, легких и желудочно-кишечного тракта. Это стало возможным благодаря разработанным моделям и проведенным экспериментам по апробации этих моделей, а также оптимизации состава ФУЭС. Особое значение имеет тот факт, что апробация разработанных методов исследования выполнена на стандартном МРТ оборудовании. То же самое относится и к программному обеспечению, поскольку разработанный алгоритм расчета моделей формирования изображений патологий различной этиологии реализован на типовой платформе персонального компьютера и распространенной операционной системе.

Полученные результаты дают основание считать, что фторуглеродные эмульсии на основе Перфторана и ПФТБА с введенными хелатами гадолиния могут быть востребованы в качестве бимодальных контрастных агентов. Обнадеживающие результаты были также получены при использовании газовых смесей на основе перфторциклобутана в качестве наполнителя легких, что открывает возможности исследования патологий дыхательных путей методом 19F МРТ без использования дорогостоящих гиперполяризованных газов, ныне предлагаемых для этой цели. Предварительные результаты на лабораторных животных показывают отсутствие побочных действий со стороны вводимых ФУЭС, что дает основание считать их потенциально пригодными для медицинских применений в ближайшей перспективе.

Можно полагать, что разрабатываемые методики позволят усовершенствовать медицинскую диагностику не только в России, но и в странах, в которых будет разрешено применение препарата Перфторан или других перфторуглеродов. Ожидается, что за счет повышения информативности получаемых МРТ изображений удастся выявлять патологии на более ранних этапах их развития, что, в свою очередь, приведет к снижению риска смертности населения не только в России, но и в других странах мира. В связи с этим следует ожидать выход российских контрастирующих препаратов на основе перфторуглеродов на международный рынок и/или создание их аналогов в других странах.