Egészségtudományi Közlemények, 2. kötet, 1. szám (2012), pp. 95–98.
A NANOMÉRETŰ SZUPERPARAMÁGNESES VAS-OXID RÉSZECSKÉK ELŐÁLLÍTÁSI LEHETŐSÉGEI JUHÁSZNÉ SZALAI ADRIENN1, DOJCSÁKNÉ KISS-TÓTH ÉVA1, KOSKA PÉTER1, DR. LOVRITY ZITA1, DR. EMMER JÁNOS1, DR. FODOR BERTALAN1 Összefoglalás: A nanoméretű részecskék biológiai felhasználása egyre nagyobb teret hódít. Ezek közül kiemelkednek azok, melyek toxikus hatásai minimálisak, vagyis biokompatibiltásuk nagy. Egyik ilyen anyag a nanoméretű vas-oxid részecske, mely kis méretének köszönhetően szuperparamágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Mivel nem okoz jelentékeny toxicitást, a szuperparamágneses jellegét kihasználva elsőként MRI (Magnetic Resonance Imaging) kontrasztannyagként került alkalmazásra, de fejlesztése jelenleg is folyik. Jelen összefoglalóban néhány gyakoribb módszer ismertetése a cél, melyek segíthetik a jobb diagnosztikát. Kulcsszavak: nanoméretű, vas-oxid, szuperparamágneses, MRI Bevezetés Az orvostudomány napjainkban számos nanotechnológiai vívmányt alkalmaz a megelőzésben, a diagnosztikában és a kezelésekben. Bár a nanomedicína tudománya még gyermekcipőben jár, máris vannak olyan nanoméretű (10-9 – 10-6 m) anyagok, melyeket már alkalmaznak bizonyos területeken az orvoslásban, és lehetséges további biológiai vonatkozású felhasználásuk széleskörű kutatások tárgyát képzi. Alapos vizsgálatuk fokozott biológiai aktivitásuk miatt nélkülözhetetlen, különös tekintettel esetleges citotoxikus hatásukra. Számos különböző klinikai célú felhasználhatóság szempontjából tesztelt nanoanyag létezik. Ezek közül az egyik legkomplexebb anyag a szuperparamágneses tulajdonságú, nanoméretű vas-oxid. Jelen összefoglaló célja, hogy bemutasson néhány módszert arra vonatkozóan, hogy milyen módon állítható elő a szuperparamágneses vas-oxid molekula, azzal a céllal, hogy MRI kontasztanyagként mind jobban megfeleljen a jobb képalkotási elvárásoknak. A szuperparamágneses vas-oxid jellemzői A nanoméretű szupermagnetikus vas-oxid vegyületek közül elsősorban a magnetit (Fe3O4) és a maghemit (γ Fe2O4) szerepel a biológiai vizsgálatok középpontjában. Egy anyag mágneses tulajdonságát a párosítatlan elektronjainak spinje határozza meg. Minél kevesebb mágneses domént tartalmaz a kérdéses anyag, annak megfelelően változik a mágneses tulajdonsága. Amikor már csak egyetlen mágneses domainből áll, akkor szuperparamágneses tulajdonságú lesz. Ez erős paramágneses jelleget jelent, – az atomok dipólus jellegének köszönhetően a mágneses térnek megfelelően rendeződnek el – míg a
1 Miskolci
Egyetem Egészségügyi Kar, Miskolc
96
Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Koska – Lovrity – Emmer – Fodor
mágneses tér hiányában diffúz eloszlásúak lesznek a Brown-mozgás következtében [1]. Ezek a szuperparamágneses vas-oxid részecskék csoportosíthatók méretük alapján. Az 50– 100 nm közötti részecskéket szuperparamágneses vas-oxidok (SPIO) csoportjába sorolják, míg az 50 nm alatti méretűeket ultrakicsi szuperparamágneses (USPIO) vas-oxidoknak nevezik [2]. A vas-oxid mag – mely az alábbiakban ismertetett módszerekkel előállítható – általában különböző burkolatokat kap, mely segíti a stabilitást és javítja a biokompatibilitást. Azért képzik ezek a vegyületek számos vizsgálat tárgyát, mert biokompatibilisek, a szervezetben le tudnak bomlani, az élő sejtekre kifejtett toxikus hatásuk vitatott, jól mágnesezhetőek, kémiailag stabilak és a szintézisük viszonylag egyszerű [2, 3]. Így terápiás felhasználásuk is sokrétű lehet. Az 1980-as évektől használják MRI vizsgálatokban kontrasztanyagként, de alkalmazhatók a daganatok hipertermiás kezelésére, bioszenzorként, gyógyszer- és génhordozó rendszerként egyaránt [4]. A SPIO előállítási lehetőségei Neuberger és munkatársai az alábbi csoportosítást alkalmazták a szuperparamágneses vas-oxid részecskékre: 1. Bevonat- és modifikáció mentes SPIO, 2. Funkcionalizált SPIO (karboxil- vagy aminocsoporttal, dextránnal), mely esetben lehetőség van további molekulák hozzákapcsoláshoz, 3. Olyan SPIO, melyhez antitestek vagy gyógyszermolekulák vannak kapcsolva, tehát biológiai alkalmazásra kész [5]. A bevonatmentes SPIO szintézisére számos módszer létezik, melyek közül a legáltalánosabb – az MRI-ben használatos kontrasztanyagok leggyakoribb előállítási módja is – a ko-precipitációs módszer [3]. Ennek a módszernek az alapja az, hogy valamilyen bázikus közegben összekeverünk Fe2+: Fe3+-klorid oldatot 1:2 moláris arányban, mely fekete csapadékot eredményez és a pH-ja 9–14 közötti. Mindez nitrogéngáz átbuborékoltatása mellett történik az oxidáció elkerülésére, emellett a buborékok csökkentik a részecske méretét is. A pH és az ionerősség is jelentős hatással lehet a részecske méretére, mely általában ezt a módszert alkalmazva 2–15 nm közötti. A tiszta SPIO-hoz ezután különböző bevonatok köthetők, mint például a szilícium-dioxid. A módszer hátránya, hogy egyszerre csak kis mennyiségű vas-oxid állítható elő vele. [1, 2 ,6]. Egy másik lehetséges módszer a mikroemulziós módszer, mely homodiszperz vas-oxid részecskéket eredményez, mert jól szabályozható a keletkező részecskék mérete és alakja. Biológiai célú felhasználás esetén általában a „víz-az-olajban”-rendszert alkalmazzák. Ebben az esetben reverz micella belső, vizes magját használják fel a SPIO szintézisére. Deoxigenizált Fe2+ és Fe3+ sók 1:2 moláris arányú oldatát oldják be a micella vizes magjába. A csapadékképzéshez deoxigenizált NaOH-t használnak, majd oxigénmentes közegben keverik, mely eredményeként 15 nm vagy attól kisebb homodiszperz szemcsék képződnek [1, 6]. A harmadik lehetőséget az addíciós módszerek jelentik. Ezek közé tartozik a sonokémiai módszer, valamint a spray, illetve a lézer pyrolízis is [1, 2]. Stabilizáló bevonatok Általában a SPIO szintéziséhez alkalmaznak valamilyen stabilizáló ágenst is (1. táblázat), mivel a bevonat- és modifikáció mentes nanoméretű vas-oxid részecskék nem stabilak. Az aggregációs hajlam fokozott a részecskék nagy fajlagos felülete, valamint mágneses
A nanoméretű szuperparamágneses vas-oxid részecskék előállítási lehetőségei
97
tulajdonsága következtében [1]. Mindezek mellett a biológiai közegekben elektromos kettősréteg alakul ki az alkalmazni kívánt SPIO körül, mely szintén vezethet bizonyos fokú aggregációhoz [3]. A bevonatok különbözőek lehetnek: monomerek (pl. karboxilátok, foszfátok), szervetlen anyagok (pl. szilicium-dioxid, arany) vagy különböző polimerek (pl.: dextran, polietilén-glikol, polivinil-alkohol, alginát, chitosan), illetve más, a fenti csoportokba nem sorolható anyagok [7]. A számos bevonat közzül bizonyos esetekben a szilícium-dioxidot alkalmazzák. Kunzmann és munkatársai 30–50 nm átmérőjű részecskéket állítottak elő, melyet mint lehetséges MRI kontasztanyagot vizsgáltak. FeO(OH)-t olajsavval elegyítettek, majd a kapott olajsavval fedett részecskéket néhány cikluson át etanolos kicsapással szeparálták, majd a szilicium-dioxid burkot mikroemulziós módszerrel kötötték a vasmag felületére. A kapott SPIO jó mágneses tulajdonságokkal rendelkezik és alacsony citotoxicitású, és nem váltott ki pro-inflomatikus citokintermelést, valamint a makrofágok nagyobb hatékonysággal fagocitálták, mint a dextrán bevonatú kontrasztanyagot [8]. Hong és munkatársai a SPIO felületét dextránnal vonták be egylépcsős módszerrel: dextránt és FeCl3·6H2O-ot oldottak fel deionizált vízben, hidrazin-hidrátot adtak az elegyhez, majd alapos keverés után némi FeSO4·7H2O-ot adtak hozzá és tovább keverték, hogy a szulfát teljesen feloldódjon. Majd aktív keverés mellett némi ammóniaoldatot cseppentettek gyorsan az elegyhez argon atmoszféra védelme mellett, majd lassú cseppekben addig adagolták az ammóniát, míg az oldat pH-ja elérte a 10-et. A kapott fekete szuszpenziót lehűtötték és lecentrifugálták, majd a felülúszót dializáták és megszárították. Az előállított SPIO-n a dextrán bevonat fokozta a stabilitást – a dextrán moláris aránynak, illetve méretének növelésével javult a bevonási hatékonyság – , viszont a mágneses tulajdonság romlott. A hidrazin-hidrát alkalmazása viszont csökkentette a részecskeméretet (13–50 nm) és növelte a mágneses tulajdonságot. Az így kapott anyag jól használható MRI kontarasztanyagként, mely – állatkísérletekkel igazoltan – különösen alkalmas tumorok diagnosztizálására [4]. Lee és munkatársai sonokémiai módszert alkalmaztak a SPIO – kitozán (azaz glükózamin, mely 50–1000 μm átmérőjű molekula) komplex kialakításához, melyet daganatok embolikus terápiájában lehet alkalmazni, és így lehetőség nyílik a kezelés MRI általi nyomonkövetésre is. Az eljárás során FeCl3·6H2O-t és FeCl2·4H2O-t kevertek össze és ultrahangfürdőben kezelték az elegyet, majd gyorsan NH4OH-t adtak hozzá, mely szobahőmérsékleten fekete részecskék megjelenéséhez vezetett. A részecskéket deionizált vízzel anionmentesre mosták, majd megszárították, végül ecetsavas kitozán oldattal elegyítették, és újabb ultahangfürdős kezelés után lecentrifugálták az elegyet. A ferrofluidot ezután alkáli oldat (NAOH/etanol/víz) felületére fújták, ahol komplex mikrogömbökké formálódott. A kapott SPIO részecskék átlagosan 15 nm-es átmérőjűek lettek, a mikrogömb komplex (100–150 μm) pedig olyan mágneses tulajdonsággal rendelkezik, mely lehetővé teszi a jobb képalkotást (T2- súlyozott kép esetén), így jobb nyomonkövetést tesz lehetővé a terápia során [9]. A targetált gyógyszer- és génhordozó SPIO-k áttekintésére jelen összefoglaló keretében nincs lehetőség. Áttekintés A nanoméretű vas-oxidot szuperparamágneses tulajdonságának köszönhetően alkalmazzák, MRI kontasztanyagként. Előállítása nem bonyolult, de szintézisére különböző módszerek léteznek. Mindegyik módszer célja a minél jobb mágneses tulajdonsággal ren-
98
Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Koska – Lovrity – Emmer – Fodor
delkező vas-oxid előállítása, melyet elsősorban a méret kontrollálásával lehet szabályozni. A fejlesztések elsődleges célja a kis méret és a homodiszperz rendszer elérése. A különböző módszerek hatékonysága nem egyforma, emellett esetlegesen ugyanannál a módszernél is felmerül a különböző bevonatok alkalmazásának hatása a végtermékre. Így az egyik bemutatott módszer esetén [8] a kapott szilícium-dioxid bevonatú részecske jobb eredményeket mutatott in vivo mint a hagyományos dextrán bevonatú kontrasztanyag. Ez arra utal, hogy a témában számos fejlesztés van folyamatban a mind hatékonyabb nyomonkövetés érdekében, mely a jobb klinikai alkalmazást célozza.
Szerző
Módszer
Alapanyagok
Alkalmazott hőmérséklet o C
Centrifugálási paraméterek
Eredmény
Lehetséges felhasználási terület
Kunzman [8]
Módosított egy edényes módszer
320
nincs
szilícium-dioxid bevonatú , 30–50 nm átmérőjű vas-oxid részecskék
MRI kontrasztanyag
Hong [4]
Egylépcsős módszer
60
7000 rpm, 20 min.
Dextrannal bevont SPIO (13–50 nm)
MRI kontrasztanyag
Lee [9]
Sonokémiai módszer
FeO(OH), olajsav, etanol, ciklohexan, víz, TritonX100, hexanol, tetraetilortoszilikát, ammóniumhidroxid Dextran, FeCl3 6H2O, deionizált víz, hidrazinhidrát, FeSO4 7H2O, NH3, argon FeCl3 6H2O, FeCl2 4H2O, NH4OH, deionizált víz, , etanol, kitozán, ecetsav, NaOH Aerosol-OT/n-hexane reverz micella, deoxigenizált Fe2+, Fe3+ sók, nitrogén, NaOH, aceton, methanol, víz
80
3000 rpm 20 min.
SPIO – chitosan komplex
4
nincs
Erős mágneses tulajdonságú, homodiszperz, (pl. szilícium-dioxid bevonatú) vas-oxid részecskék (2–15 nm)
Daganatok embolikus terápiája MR nyomonkövetéssel MRI kontrasztanyag
Gupta [6]
Mikroemulziós módszer
1. táblázat A vas-oxid különböző előállítási módszereinek összehasonlítása
100
Juhászné Szalai – Dojcsákné Kiss-Tóth – Koska – Lovrity – Emmer – Fodor
Köszönetnyilvánítás Jelen munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió résztámogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék [1] [2] [3] [4] [5]
[6] [7] [8]
[9]
D.L.J. Thorek, A.K. Chen, J. Czupryna, A. Tsourkas: Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticle Probes for Molecular Imaging. Annals of Biomedical Engineering, 2006, 34 (1), 23–38. p. C. Boyer, M.R. Whittaker, V. Bulmus, J. Liu, T.P. Davis: The design and utility of polymer-stabilized iron-oxide nanoparticles for nanomedicine applications. NPG Asia Mater. 2010, 2(1) 23–30. p. A. Figuerola, R. Di Coratob, L. Mannaa, T. Pellegrino: From iron oxide nanoparticles towards advanced iron-based inorganic materials designed for biomedical applications. Pharmacological Research, 2010, 62, 126–143. p. doi:10.1016/j.phrs.2009.12.012 R.Y. Hong, B. Feng, L.L. Chen, G.H. Liu, H.Z. Li, Y. Zheng, D.G. Wei: Synthesis, characterization and MRI application of dextran-coated Fe3O4 magnetic nanoparticles. Biochemical Engineering Journal, 2008, 42, 290–300. p. T. Neuberger, B. Schöpf, H. Hofmann, M. Hofmann, B. von Rechenberg: Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2005, 293, 483–496. p. A. K. Gupta, M. Gupta: Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials, 2005, 26, 3995–4021. p. S. Laurent, D. Forge, M. Port, A. Roch, C. Robic, L. V. Elst, and R. N. Muller: Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Vectorization, Physicochemical Characterizations, and Biological Applications. Chem. Rev. 2008, 108, 2064–2110. p. A. Kunzmann, B. Andersson, C. Vogt, N. Feliu, F. Ye, S. Gabrielsso, M. S. Toprak, T. Buerki-Thurnherr, S. Laurent, M. Vahter, H. Krug, M. Muhammed, A. Scheynius, B. Fadeel: Efficient internalization of silica-coated iron oxide nanoparticles of different sizes by primary human macrophages and dendritic cells. Toxicology and Applied Pharmacology, 2011, 25381–93. p. H. S. Lee, E. H. Kim, H. Shao, B. K. Kwak: Synthesis of SPIO-chitosan microspheres for MRI-detectable embolotherapy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2005, 293, 102–105. p.
