title: Ultrasonic-Based Determination of the Spatial Distribution of Magnetic Nanoparticles in Magnetic-Drug-Targeting Applications
title: Ultraschallbasierte Bestimmung der räumlichen Verteilung magnetischer Nanopartikel bei Magnetic-Drug-Targeting-Anwendungen
Creators: name: Fink, Michael
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: Bildgebung
subject: Nanopartikel
subject: Magnetomotive Ultrasound
subject: Magnetic Drug Targeting
subject: Eisenoxid Partikel
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften

description: The side-effects of systemically administered drugs can be significantly reduced by local forms of therapy. In such cases, the pharmaceuticals release their therapeutic effect solely at the desired destination. One such local form of therapy is the so-called Magnetic-Drug-Targeting (MDT) procedure. In this process, the active ingredient is bound to iron oxide nanoparticles. The magnetic properties of the particles enable the medical drug to be guided inside the patient by the application of a controlled magnetic field. Thus, the drug can be accumulated in the target area. MDT is primarily intended to be used in the field of cancer therapy in order to reduce the serious side-effects of chemotherapeutic treatments. A necessary requirement for successful MDT treatment is the ability to monitor the drug accumulation process. Although imaging modalities do exist that are in principle capable of visualizing the local distribution of magnetic nanoparticles in biological tissue, for various reasons these imaging modalities are not suitable for detecting the drug accumulation during an MDT treatment. An exception is provided by the sonographic technique known as Magnetomotive-Ultrasound (MMUS). During this procedure, the drug carriers are stimulated to oscillate by an alternating magnetic field. This particle movement is transmitted to the surrounding tissue. The tissue movement in turn can be detected using conventional ultrasonic imaging modalities. Doing so, the particle distribution in the tissue can be estimated. However, the method only offers the possibility of a qualitative determination of the particle distribution in the image plane of the ultrasound transducer, whereas some therapeutic procedures require a quantitative information about the local particle content. Another problem to be mentioned is that MMUS imaging reveals image artifacts that can be caused by tissue movements that occur aside from the particle-induced movements. The cause of such off-particle motions can be, for example, naturally occurring motions, such as respiratory movements, or externally introduced disturbing motions in the patient’s environment. The goal of the present work is to further develop MMUS methods to enable quantitative imaging and to reduce motion artifacts. To this end, two approaches are discussed in this work: First, by modifying the magnetic excitation, the detection reliability of magnetically induced motions shall be increased. On the other hand, the locally resolved particle concentration distribution is to be represented by a calculation method based on the MMUS measurement. Both solution strategies mentioned represent essential tools for the MDT method and thus contribute to the further development of the therapeutic method.
description: Die Nebenwirkungen von systemisch verabreichten Arzneimitteln lassen sich durch lokale Therapieformen deutlich reduzieren. Dabei entfalten die Pharmazeutika ihre therapeutische Wirkung lediglich am gewünschten Wirkort. Eine solche lokale Therapieform stellt das sogenannte Magnetic-Drug-Targeting-Verfahren dar. Dabei wird der Wirkstoff an Eisenoxid-Nanopartikel gebunden. Die magnetischen Eigenschaften der Partikel ermöglichen durch gezieltes Einwirken eines Magnetfelds eine Lenkung des Wirkstoffs im Inneren des Patienten und damit eine Anreicherung in einem Zielgebiet. Magnetic-Drug-Targeting (MDT) soll vor allem im Bereich der Krebstherapie eingesetzt werden, um die teils schwerwiegenden Nebenwirkungen von chemotherapeutischen Behandlungen zu reduzieren. Voraussetzung für eine erfolgreiche MDT-Behandlung ist die Möglichkeit, den Wirkstoffanreicherungsprozess zu überwachen. Zwar existieren Bildgebungsmodalitäten, die prinzipiell dazu in der Lage sind, die örtliche Verteilung magnetischer Nanopartikel in biologischem Gewebe zu visualisieren, aus verschiedenen Gründen sind diese Bildgebungsmodalitäten allerdings nicht dazu geeignet, die Wirkstoffanreicherung während einer MDT-Behandlung zu erfassen. Eine Ausnahme bietet das als Magnetomotive-Ultrasound (MMUS) bekannte Sonographieverfahren. Dabei werden die Wirkstoffträger durch ein magnetisches Wechselfeld zu Bewegungen angeregt, die sich auf das umliegende Gewebe übertragen. Diese Bewegungen lassen sich mit herkömmlichen Ultraschallbildgebungsmodalitäten erfassen und lassen einen Rückschluss auf die Partikelverteilung im Gewebe zu. Das Verfahren bietet allerdings lediglich die Möglichkeit einer qualitativen Bestimmung der Partikelverteilung in der Bildebene des Ultraschallwandlers, wohingegen manche therapeutische Verfahren eine quantitative Aussage über den lokalen Partikelgehalt erfordern. Als weitere Problematik ist zu nennen, dass im Rahmen der MMUS-Bildgebung Bildartefakte zutage treten, die durch Fremdbewegungen hervorgerufen werden können, die abseits der partikelinduzierten Bewegungen auftreten. Die Ursache solcher Fremdbewegungen können beispielsweise in natürlich vorkommenden Bewegungen, wie etwa Atembewegungen, oder auch in von außen eingetragenen Störbewegungen im Umfeld des Patienten liegen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung von MMUS-Verfahren, um eine quantitative Bildgebung zu ermöglichen und um Bewegungsartefakte zu verringern. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit zwei Ansätze diskutiert: Zum einen soll durch Modifikation der magnetischen Anregung die Erkennungssicherheit magnetisch induzierter Bewegungen erhöht werden. Zum anderen soll durch ein auf der MMUS-Messung aufsetzendes Berechnungsverfahren die lokal aufgelöste Partikelkonzentrationsverteilung dargestellt werden. Beide genannten Lösungsstrategien stellen essentielle Werkzeuge für das MDT-Verfahren dar und tragen so zur Weiterentwicklung des therapeutischen Verfahrens bei.