Nanodiagnosztika: Nanopartikulum alapú in vivo képalkotás Kellermayer Miklós Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet
In vivo képalkotás
Hand mit Ringen, 1895
Papírtölcsér fluoroszkóp (1895-1905)
Show-fitting fluoroscope (1930-1950)
Röntgen átvilágítás (1940)
MRI (2000)
(1950)
nanoSPECT/CT (2013)
Multifoton mikroszkópia Vesekéreg
GERJESZTETT EXCITED STATE ÁLLAPOT
Emisszió
λ=350 nm
Emisszió λ=700 nm
Exc.
Exc.
Foton
Foton
GROUND STATE ALAPÁLLAPOT
EGYFOTON GERJESZTÉS (1P)
KÉTFOTON GERJESZTÉS (2P)
Objektív lencse Minta
Fókuszpont
Zöld: disztális tubulusok Sárga: primer vizelet Vörös: Albumin (véráramlás)
Multifoton mikroszkópia In situ szarkomerikus szerkezet Jelöletlen izomrost Kétfoton mikroszkópos képe
Jelforrás: miozin filamentum helikális szerkezete Gerjesztés: 1000 nm Második harmonikus generálás (SHG): 500 nm 20 µm 100 nm
100 nm
Fluoreszcencia tomográfia
Proteáz-aktivált fluorofór (ProSense680) felhalmozódása asztmás tüdőben (Nature Methods 5 2008)
•Felületi gerjesztés (otikai szál array) •Nagy gerjesztési hullámhossz •Számítógépes képrekonstrukció
Fotoakusztikus mikroszkópia ciklikus Arg-Gly-Asp (RGD): "v#3 integrinhez kapcsolódik (tumor angiogenezis)
PEG linker
SWNT Indocianin zöld (ICG).
de la Zerda et al. Nano Lett. 10, 2168, 2010.
NanoPET/MRI
Tandem PET - MRI (1T)
5.8MBq Na18F, egérben, 90 min, csontbeépülés
NanoPET/MRI 18F-Racloprid
Racloprid: D2 dopamin receptor antagonista
ürülési kinetika egér agyban
EKG-kapuzott 18FDG PET/MRI
NanoSPECT/CT Tl-201
99mTc-DTPA:
CT: 36 µm voxelméret Valós-idejű CT rekonstrukció (GPU)
“Dual-channel” SPECT
diethylenetriaminepentaacetic (BBB) - kék/vörös) 99mTc-HMPAO: hexamethylpropyleneamine oxime (perfúzió) - kék/vörös) 201Tl-DDC: diethylthiocarbamate (perfúzió) - zöld
NanoSPECT/CT
Boa constrictor
Osteomyelitis, 99mTc-MDP (methylene-diphosphonate)
Vizsgálati célok és paraméterek • Kísérleti célok: Szerkezet feltárása Folyamatok molekuláris mechanizmusainak megértése Klinikai (diagnosztikus terápiás) módszerek fejlesztése és validálása
• Mért paraméterek: Tér (lokalizáció, felbontás, szerkezet) Idő (folyamatok, változások) Erők (elektromos, kémiai, mechanikai)
Tér problematikája Tomográfiás képalkotás
Felbontás: leképezőrendszer geometriájától függ
Meikle et al., Phys. Med. Biol. 50 (2005) R45-R61
Diffrakciólimitált képalkotás
DE!
Felbontás: hullámhossztól függ
AFM: miozin filamentum
Fluoreszcencia: PGK - Alexa 488
Idő problematikája
DE!
Fluoreszcencia - időskála nanoszekundum
Erőtér problematikája • Kémiai “erőtér” koncentráció
• Elektromos erőtér feszültség, feszültségvektor-változások
• Mechanikai rugalmasság, erőgenerálás biológia elhanyagolt paramétere
Nanorészecskék Speciális tulajdonságú részecskék, melyek az 1-100 nanométeres mérettartományba esnek.
Szén nanocső
Liposzóma
Fullerén
Kvantumpont
Polimer nanorészecske
Vasoxid nanorészecske
Szén nanocsövek
Sumio Iijima, 1991
-nagy aspektus arány -nagy Young modulus -specifikus kémiai aktiválás nem triviális
Fullerének: focilabda 60 db szénatomból Nobel-díj, 1996
Robert F. Curl Jr
C60
Sir Harold W. Kroto
Richard E. Smalley
Buckminster Fuller
Vízmolekula csomagolás fullerénbe
Kurotobi and Murata, Science, 2011
Kvantumpontok (quantum dots) (CdSe) (ZnS)
20 nm
(kémiai aktiválás)
Félvezető nanokristályok: Emissziós spektrum a méret függvénye
Kvantumpont jelölés gerjesztési spektrum emissziós spektrum
Előnyök: -széles gerjesztési spektrum -hangolható emissziós spektrum -fotokifehéredéssel szemben rendkívül ellenállóak
Egér bélhám Vörös: aktin Zöld: Laminin Kék: sejtmag
Szuperparamágneses nanorészecskék
Polimer nanorészecskék
Polimer nanorészecske
Zrínyi Miklós (biodegradábilis polimérek, poly-Asp)
Liposzómák PEG védőréteg
200 nm
Ellenanyag
Kristályos vegyület a vizes fázisban
Lipid-oldékony vegyület Lipid kettős réteg
Gyógyszertári forgalomban: Liposzómába csomagolt doxorubicin (Doxyl)
SUV
MLV
MLV
Orvosi alkalmazás stratégiája Diagnosztika + Terápia = Teranosztika
Berlini-kék multimodális nanopartikulum I. Fe(II) – sárga Fe(III) – barna K+ – magenta C – szürke O2- - piros Diesbach (Berlin, cca. 1706)
AFM: 20-100 nm-es ovoid részecskék
Hokusai: The great wave off Kanagawa (cca. 1820)
MRI: koncentrációfüggő T1 kontraszt
Berlini-kék multimodális nanopartikulum II. •Stabilizálás citráttal •Jelölés 201Tl-al
2 órával a beadás után: felhalmozódás a vesében
Alkalmazás:
Véragygát-sérülés kimutatása (201Tl)
K. Szigeti, D. Máthé (US Patent 61/299,357)
nanoSPECT/CT
Berlini-kék multimodális nanopartikulum III. Hosszú időskálájú ürülés (nanoSPECT/CT)
C57BL6 egér
Májtumor volumetria nanopartikulumokkal • • • •
Kémiailag indukált hepatocelluláris carcinoma [99mTc]-MAA - makroaggregált albumin: Kupffer sejtek veszik fel (máj fagocita sejtek) Szegmentációval a tumortérfogat pontosan mérhető Tumor térfogat -ex vivo tumortömeg korreláció validálható
Köszönet
Bozó Tamás
Brennan Decker
Horváth Ildikó
Kispetik Katalin
Lakatos Eszter
Máthé Domokos
European Union's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° HEALTH-F2-2011-278850 (INMiND)
Szigeti Krisztián
