Группа ученых из Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, Института общей физики РАН и ряда других научных институтов установили, что происходит с магнитными наночастицами, используемыми для контрастирования МРТ, через продолжительное время после их введения, исследовали процессы их биотрансформации и деградации, изменение контрастирующих свойств, а также вопросы токсичности частиц для организма. Эти актуальные вопросы проясняет работа ученых, опубликованная в высокорейтинговом журнале Journal of Nanobiotechnology.
МРТ-изображения мышей в различные периоды времени после введения наночастиц. Видно накопление наночастиц в печени и селезенке и снижение контраста этих органов с течением времени
Высокий потенциал магнитных наночастиц для диагностики, визуализации и терапии различных заболеваний уже реализуется в клинике для лечения анемий и контрастирования при магнитно-резонансной томографии – одного из самых востребованных инструментов функциональной диагностики. Проходят клинические испытания для лечения рака простаты, остеосаркомы и отека роговицы. Однако трансформации магнитных наночастиц в организме могут привести к постепенному снижению их контрастирующих свойств при повторных МРТ-исследованиях и потенциальному проявлению токсичных свойств. В целом биотрансформация магнитных наночастиц – сложный и многоступенчатый процесс, в ходе которого они способны агрегировать между собой, менять свои магнитные свойства и перемещаться как между клетками, так и между органами.
В своей работе ученые исследовали полный жизненный цикл 40-нм магнитных частиц от их введения до полной деградации в лабораторных мышах и связанного с этим воздействия на организм. Оценивались биораспределение, снижение магнитных сигналов от наночастиц в печени и селезенке, а также изменение контрастных свойств наночастиц на МРТ-снимках в процессе их биоразложения. Влияние частиц на организм определялась по уровню экспрессии генов железосодержащих белков, гематологическим и биохимическим показателям крови, патоморфологическим изменениям ткани, а также по эволюции биораспределения железа в организме.
Было обнаружено, что за два часа наночастицы полностью выводились из кровотока, но их первоначальное биораспределение со временем менялось. Так, например, их количество в селезенке со временем увеличивалось, что может говорить о миграции из других органов. В течение первой недели почти все наночастицы были перенесены в печень и селезенку, где деградировали с периодом полураспада около 21 дня. МРТ выявила сохранение диагностического контраста в этих органах в течение более чем одного месяца (см. фото). При этом те наночастицы, которые все же оставались в других органах, исчезали уже за первую неделю после введения.
«Для точного измерения количества магнитных наночастиц в организме мы разработали новый магнитный метод детекции, который позволяет достоверно отличать сигналы магнитных частиц от окружающих тканей, в том числе природных форм железа. Неоспоримым преимуществом метода является его неинвазивность. Измерения можно проводить непосредственно в живом животном, сохраняя его жизнь и получая информацию о долговременной биодеградации частиц в каждой особи. Это позволяет нам проводить беспрецедентно масштабные и детальные исследования судьбы наночастиц в организме», – комментирует руководитель исследования, заведующий лабораторией ИОФ РАН и доцент МИФИ Петр Никитин.
Коллектив показал, что деградация частиц приводит к увеличению количества эритроцитов и уровня гемоглобина в крови из-за высвобождения железа, при этом не вызывая никакой токсичности в тканях. Кроме того, в ходе биодеградации магнитных наночастиц и постепенного высвобождения ионов железа исследователи обнаружили увеличение уровня экспрессии генов белков, ассоциированных с метаболизмом железа, таких как трансферрин, DMT1 и ферропортин в печени. Важным результатом стало отсутствие существенной долговременной токсичности магнитных частиц для организма.
«Наши исследования отвечают на крайне важный вопрос, волнующий пациентов в клинике: «Что происходит с контрастным агентом, который вводится в организм? Может ли он стать токсичным со временем?» Полученные нами данные уверенно показали безопасность магнитных частиц», – считает сотрудник лаборатории бионанофотоники ИФИБ НИЯУ МИФИ Иван Зелепукин.
Данное исследование является продолжением цикла работ ИФИБ, в которых изучаются механизмы взаимодействия частиц с организмом. Специалисты лаборатории бионанофотоники на протяжении многих лет разрабатывают различные малотоксичные наночастицы, способные осуществлять целевую доставку к опухолевым клеткам для эффективной диагностики и терапии заболеваний. Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования России.
