자기 입자 이미지

Magnetic particle imaging

자기입자영상(MPI)은 초파라믹 나노입자 추적기를 직접 검출하는 신흥 비침습 단층촬영 기법이다. 그 기술은 영상 진단과 재료 과학에 응용될 가능성이 있다. 현재는 나노입자의 3차원 위치와 농도를 측정하는 의학연구에 활용되고 있다. 영상촬영은 전리방사선을 사용하지 않으며 신체 내 어느 깊이에서도 신호를 생성할 수 있다. MPI는 함부르크의 로얄 필립스 연구소에서 일하는 과학자들에 의해 2001년에 처음 고안되었다. 첫 번째 시스템은 2005년에 설립되어 보고되었다. 그 이후로, 이 기술은 세계 여러 대학의 학술 연구자들에 의해 발전되었다. Magnetic Insight와 Bruker Biospin에서 최초의 상용 MPI 스캐너를 최근 사용할 수 있게 되었다.

MPI에 사용되는 하드웨어는 MRI와는 매우 다르다. MPI 시스템은 자기장을 바꾸는 것을 이용하여 초자성 산화철(SPIO) 나노입자에서 신호를 생성한다. 이 장들은 특별히 단일 자기장 자유 영역을 생성하도록 설계되었다. 신호는 이 지역에서만 생성된다. 샘플 간에 이 영역을 이동하면 이미지가 생성된다. 조직에는 자연적인 SPIO가 없으므로, 신호는 투여된 추적기에서만 감지된다. 이것은 배경 없이 이미지를 제공한다. MPI는 종종 추적자의 위치에 대한 정보를 제공하는 해부학적 영상 기술(CT 또는 MRI와 같은)과 함께 사용된다.

적용들

자기 입자 이미징은 높은 추적 민감도와 밀리미터 이하의 분해능을 결합한다. 이미징은 밀리초에서 초 사이의 범위에서 수행된다. MPI와 함께 사용되는 산화철 추적기는 단핵 세포 시스템을 통해 신체에 의해 자연적으로 제거된다. 산화철 나노입자는 간에서 분해되는데, 간에서 철을 저장하여 헤모글로빈 생성에 사용한다. SPIO는 이전에 철 보충제나 간 영상촬영을 위해 인간에게 사용되었다.

혈구 이미지

심혈관의

첫 번째 생체내 MPI 결과는 2009년에 뛰는 마우스 심장의 이미지를 제공했다. 추가 연구로, 이것은 결국 실시간 심장 촬영에 사용될 수 있을 것이다.[1]

종양학

MPI는 종양학 연구 분야에 수많은 응용 프로그램을 가지고 있다. 투과성 강화 및 보존 효과를 통해 고체종양 내에 추적기가 축적될 수 있다. 이것은 쥐 안의 종양 부위를 감지하는 데 성공적으로 사용되었다.[2] 이 기술의 높은 민감도는 암세포를 대상으로 한 나노입자의 개발을 통해 미세한 전이를 영상화하는 것도 가능함을 의미한다. MPI는 위험 인구에서 방사선 피폭을 줄이기 위해 핵의학의 임상 대체 선별 기법으로 조사되고 있다.

세포추적

MPI는 치료용 세포에 산화철 나노입자를 부착함으로써 그들이 몸 전체를 추적할 수 있게 한다. 이것은 재생의학과 암 면역치료에 응용된다. 이미징은 체내에서 이러한 세포들의 움직임을 따라 함으로써 줄기세포 치료의 성공을 향상시키는데 이용될 수 있다.[3] 추적기는 세포에 태그가 붙어 있는 동안 안정적이며 87일이 지나도 검출이 가능하다.[4]

기능성 뇌영상

MPI는 충분한 시간적 해결을 위해 짧은 스캔 시간뿐만 아니라 고도로 민감한 이미징을 필요로 하는 기능적 뇌 이미징을 위한 유망한 플랫폼으로 제안되어 왔다. 이를 위해 MPI는 신경활성화로 인한 뇌혈량 증가(CBV)를 감지하는 데 사용된다. MPI를 이용한 기능성 신경이미징은 설치류에서 성공적으로[5] 입증되었으며 다른 영상 촬영 양식에 비해 감도상 우위가 유망하다. 긴 관점에서, 이것은 잠재적으로 단일 환자 수준에서 기능 신경 활동을 연구할 수 있게 할 수 있고, 따라서 기능 신경 영상화를 임상 진단에 가져올 수 있다.

초파라믹 트레이서

자기 입자 이미징(MPI)에 사용되는 추적기는 초파라믹 산화철 나노입자(SPION)이다. 이들은 표면 코팅(일반적으로 덱스트란, 카르복시덱스트란 또는 폴리에틸렌 글리콜)으로 둘러싸인 자석(FeO34) 또는 마그헤마이트(FeO23) 코어로 구성된다.[6][7][8][9]

SPION 추적기는 혈액과 같은 생물학적 액체 내에서 검출할 수 있다. 이 액체는 약한 자기장에도 매우 반응하며, 모든 자기 모멘트는 유도된 자기장 방향으로 정렬될 것이다. 이러한 입자들은 인체에 이미징에 자기 간섭을 일으킬 만한 것이 없기 때문에 사용될 수 있다. 유일한 추적자로서, SPION의 특성은 MPI의 신호 강도 및 분해능에 중요한 역할을 한다. 산화철 나노입자는 자석 쌍극으로 인해 적용된 자기장에 의해 제어될 수 있는 자발적 자성을 나타낸다. 따라서 MPI에서 SPION의 성능은 포화 자기화, 자기 지름, 이완 메커니즘과 같은 자기 성질에 대단히 의존한다. 외부 자기장을 응용하면, SPION의 이완은 네엘과 브라운의 이완이라는 두 가지 메커니즘에 의해 조절될 수 있다. 입자 전체가 환경을 고려하여 회전할 때 물리적 직경의 영향을 받는 브라운의 이완을 따르고 있다. 입자 내에서 자성 쌍극자만이 회전할 때 이 메커니즘을 네엘 이완이라고 하는데, 이는 자경의 영향을 받는다. 랑게빈 슈퍼파라마 자석 모델에 따르면 MPI의 공간 분해능은 랑게빈 모델에 자화 대 자기장 곡선을 장착해 얻을 수 있는 자석 직경으로 입체적으로 개선해야 한다.[10] 그러나 보다 최근의 계산은 MPI에 대한 최적의 SPION 자기 크기 범위(~26nm)가 존재한다는 것을 시사한다.[6] 브라운이 대형 자석 크기 SPION의 이완으로 인해 흐릿해진 탓이다. 자기 크기가 MPI 성능에 치명적으로 영향을 미치지만, SPION을 이용한 MPI의 응용을 보고하는 출판물에서는 종종 제대로 분석되지 않고, 상업적으로 구할 수 있는 추적기나 가정용 추적기가 철저한 자기 특성화 없이 사용되는 경우가 많다. 중요한 것은 표면의 스핀 통조림과 장애로 인해, 또는 혼합상 나노입자의 형성으로 인해 등가 자기 직경이 물리적 직경보다 작을 수 있다는 점이다. 그리고 자기 직경은 물리적 직경이 아닌 자기 직경에 따라 적용된 자기장에 대한 입자의 반응 때문에 매우 중요하다. 가장 큰 등가 자기 직경은 물리적 직경과 같을 수 있다. Chandrasekharan 등의 최근 검토 논문은 여기 그림에 나타난 바와 같이 다양한 산화철 조영제의 특성과 자체 자기 입자 분광계를 사용하여 측정한 MPI 성능을 요약한 것이다. 표에 기재된 코어 지름이 반드시 자기 직경이 아니라는 점을 지적해야 한다. 이 표는 MPI 조영제를 위해 현재 발행된 모든 SPION의 비교를 제공한다. 표에서 보듯이 SPION 코어 크기가 28.7nm이고 합성 후 산화제로 열분해를 가열하여 합성하는 LS017은 코어 크기가 낮은 다른 것과 비교해 분해능이 가장 우수하다. 공동호출로 만들어진 산화철로 구성된 레소비스트(Perucarbotran)는 가장 보편적으로 사용되고 상업적으로 이용 가능한 트레이서다. 그러나 Gleich 등이 제시한 바와 같이 Resovist의 총 철질량의 3%만이 다산성으로 인해 MPI 신호에 기여하고 있어 상대적으로 낮은 MPI 민감도로 이어진다. MPI의 신호 강도는 자기 코어 직경과 SPION의 크기 분포에 의해 영향을 받는다. 위 표에 열거된 MPI 감도를 비교해 보면 LS017은 입자가 모노디사이즈로 되어 있고 다른 것과 비교했을 때 큰 자기 지름을 가지고 있어 신호 강도(54.57 V/g of Fe)가 가장 높다.

표면 코팅은 또한 SPION의 동작을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 산화철 코어 간 원치 않는 상호작용을 최소화(예를 들어 입자 간 매력적인 힘에 대항하는 작용 등)하고 생물학적 환경과의 안정성과 호환성을 높이며, 특정 영상 애플리케이션에 SPION 성능을 맞춤화하는 데도 사용할 수 있다.[9][11] 서로 다른 코팅은 세포 흡수, 혈액 순환, 면역 시스템과의 상호작용에 변화를 일으키며, 트레이서가 시간이 지남에 따라 어떻게 몸 전체에 분포하게 되는지에 영향을 준다.[11] 예를 들어 카복시덱스트란으로 코팅된 SPION은 주사 직후 거의 간으로 맑아지는 반면 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 코팅된 것들은 혈액에서 맑아지기 전에 몇 시간 동안 순환하는 것으로 나타났다. 이러한 행동은 카르복시덱스트란 코팅된 SPION 추적기를 간 이미징에 더 잘 최적화시키고 PEG 코팅된 SPION 추적기를 혈관 이미징에 더 적합하게 만든다.[6][7]

이점

  • 고해상도(~0.4mm)
  • 빠른 이미지 결과(~20ms)
  • 방사선 없음
  • 요오드 없음
  • 배경 노이즈 없음(고대조도)

의회, 워크샵

참조

  1. ^ Weizenecker, J.; Gleich, B.; Rahmer, J.; Dahnke, H.; Borgert, J. (2009-01-01). "Three-dimensional real-time in vivo magnetic particle imaging". Physics in Medicine and Biology. 54 (5): L1–L10. Bibcode:2009PMB....54L...1W. doi:10.1088/0031-9155/54/5/L01. ISSN 0031-9155. PMID 19204385.
  2. ^ Yu, Elaine Y.; Bishop, Mindy; Zheng, Bo; Ferguson, R. Matthew; Khandhar, Amit P.; Kemp, Scott J.; Krishnan, Kannan M.; Goodwill, Patrick W.; Conolly, Steven M. (2017-03-08). "Magnetic Particle Imaging: A Novel in Vivo Imaging Platform for Cancer Detection". Nano Letters. 17 (3): 1648–1654. Bibcode:2017NanoL..17.1648Y. doi:10.1021/acs.nanolett.6b04865. ISSN 1530-6984. PMC 5724561. PMID 28206771.
  3. ^ Zheng, Bo; See, Marc P. von; Yu, Elaine; Gunel, Beliz; Lu, Kuan; Vazin, Tandis; Schaffer, David V.; Goodwill, Patrick W.; Conolly, Steven M. (2016). "Quantitative Magnetic Particle Imaging Monitors the Transplantation, Biodistribution, and Clearance of Stem Cells In Vivo". Theranostics. 6 (3): 291–301. doi:10.7150/thno.13728. PMC 4737718. PMID 26909106.
  4. ^ Zheng, Bo; Vazin, Tandis; Goodwill, Patrick W.; Conway, Anthony; Verma, Aradhana; Saritas, Emine Ulku; Schaffer, David; Conolly, Steven M. (2015-09-11). "Magnetic Particle Imaging tracks the long-term fate of in vivo neural cell implants with high image contrast". Scientific Reports. 5 (1): 14055. Bibcode:2015NatSR...514055Z. doi:10.1038/srep14055. ISSN 2045-2322. PMC 4566119. PMID 26358296.
  5. ^ Herb, Konstantin; Mason, Erica; Mattingly, Eli; Mandeville, Joseph; Mandeville, Emiri; Cooley, Clarissa; Wald, Lawrence (2020). "Functional MPI (fMPI) of hypercapnia in rodent brain with MPI time-series imaging". International Journal on Magnetic Particle Imaging. 6 (2/1). doi:10.18416/IJMPI.2020.2009009.
  6. ^ a b c Chandrasekharan, Prashant; Tay, Zhi Wei; Zhou, Xinyi Yedda; Yu, Elaine; Orendorff, Ryan; Hensley, Daniel; Huynh, Quincy; Fung, K. L. Barry; VanHook, Caylin Colson; Goodwill, Patrick; Zheng, Bo (November 2018). "A perspective on a rapid and radiation-free tracer imaging modality, magnetic particle imaging, with promise for clinical translation". The British Journal of Radiology. 91 (1091): 20180326. doi:10.1259/bjr.20180326. ISSN 1748-880X. PMC 6475963. PMID 29888968.
  7. ^ a b Keselman, Paul; Yu, Elaine Y.; Zhou, Xinyi Y.; Goodwill, Patrick W.; Chandrasekharan, Prashant; Ferguson, R. Matthew; Khandhar, Amit P.; Kemp, Scott J.; Krishnan, Kannan M.; Zheng, Bo; Conolly, Steven M. (2017-05-07). "Tracking short-term biodistribution and long-term clearance of SPIO tracers in magnetic particle imaging". Physics in Medicine and Biology. 62 (9): 3440–3453. doi:10.1088/1361-6560/aa5f48. ISSN 1361-6560. PMC 5739049. PMID 28177301.
  8. ^ Makela, Ashley V.; Gaudet, Jeffrey M.; Murrell, Donna H.; Mansfield, James R.; Wintermark, Max; Contag, Christopher H. (2021-10-15). "Mind Over Magnets - How Magnetic Particle Imaging is Changing the Way We Think About the Future of Neuroscience". Neuroscience. 474: 100–109. doi:10.1016/j.neuroscience.2020.10.036. ISSN 1873-7544. PMID 33197498.
  9. ^ a b Talebloo, Nazanin; Gudi, Mithil; Robertson, Neil; Wang, Ping (2020). "Magnetic Particle Imaging: Current Applications in Biomedical Research". Journal of Magnetic Resonance Imaging. 51 (6): 1659–1668. doi:10.1002/jmri.26875. ISSN 1522-2586.
  10. ^ Goodwill, Patrick (2012). "X-Space MPI: Magnetic Nanoparticles for Safe Medical Imaging". Advanced Materials. 24 (28): 3870–7. doi:10.1002/adma.201200221. hdl:11693/53587. PMID 22988557.
  11. ^ a b Billings, Caroline; Langley, Mitchell; Warrington, Gavin; Mashali, Farzin; Johnson, Jacqueline Anne (January 2021). "Magnetic Particle Imaging: Current and Future Applications, Magnetic Nanoparticle Synthesis Methods and Safety Measures". International Journal of Molecular Sciences. 22 (14): 7651. doi:10.3390/ijms22147651. PMC 8306580. PMID 34299271.

추가 읽기

외부 링크