Magnetilised süsiniknanostruktuurid

Magnetilised süsiniknanostruktuurid (inglise keeles magnetic carbon nanostructures; lühend MCNs) on hübriidmaterjalid, mis koosnevad magnetist ja süsiniku (peamiselt sp2 hübridisatsiooniga) nanoallotropsetest komponentidest, mis on konjugeeritud erinevates konfiguratsioonides. Nende hübriidnanomaterjalide potentsiaalsed kasutamisvõimalused tuleviku meditsiinis leiavad kasutust ravimite suunatud manustamises, magnetosakeste või magnetvedelike poolt juhitud hüpertermia vähiravis ning magnetresonantstomogaafia piltdiagnostikas. Magnetilised süsiniknanostruktuuride süsiniknanostruktuurid esinevad erinevates dimensioonides: 0D-fullereen, 1D-süsiniknanotorud, 2D-grafeen jm. Magnetilised süsiniknanostruktuurid koosnevad kahest põhilisest konjugaatide klassist: süsiniknanostruktuurid, mis on seotud magnetnanoosakestega (inglise keeles carbon carbon nanostructure decorated with MNPs) magnetnanoosakesed, mis on kaetud süsinikuga (inglise keeles carbon encapsulated magnetic nanoparticles; lühend CEMNPs) Mõlemad grupid võivad olla esindatud erinevate morfoloogiatega, keemiliste kompositsioonide ja füsikokeemiliste võimalustega, mistõttu on neil ka erinevad kasutusvõimalused biomeditsiinis. Võrreldes teiste teadaolevate magnetilisete nanomaterjalidega on magnetiliste süsiniknanostruktuuridel fundamentaalne unikaalsus ning eelised nagu võimendatud keemiline reaktiivsus ning oluliste füsikokeemiliste omaduste häälestamise võime. Nende abil saab näiteks määrata minimaalset tsütotoksilisust, kontrollida hübriidmaterjali nanomagnetite koostist ning kinnitada ravimi molekule läbi kovalentsete sidemete sihtrakkudele. Süsinikuga kaetud magnetilised nanoosakesed on tuumraksed struktuurid, koosnedes magnetsüdamikust ning süsinikkestast. Üks põhiline eelis antud struktuuri puhul on see, et süsinikuga katmine väldib magneti korrosiooni ning võimalikud toksilised kõrvalnähud, mis võivad tekkida vabade magnetiliste nanoosakeste esinemisel bioloogilises keskkonnas. Neid heterostruktuure võib saada otse (nn in situ kapseldamisega), näiteks keemilise aur-sadestamisega, kuid ka kaudsel viisil, kasutades märgasid keemilisi tehnoloogiaid. Äärmiselt tähtis on kontrollida sünteesi ajal kapseldatud materjalide kuju, suurust ja spetsiifilist kompositsiooni, kuna kõik need parameetrid mõjutavad lõpliku hübriidmaterjali magnetilisi omadusi. Lisaks ei võimalda sünteesi viimane etapp selektiivsust ega ka korratavust. Viimasel ajal sünteesitud süsiniknanokapslid koosnevad nanotorudest, fullereenidest või nanosibulatest, kuid ka vähem uuritud nanostruktuuridest nagu nanoteemantid või nanokolvid. Esmased piirangud magnetilise täidismaterjalide puhul on määratud nanohübriidi sünteesi meetodiga. Levinuimad magnetilised tuuma materjalid on raud, nikkel, koobalt ja nende sulamid, kuid edukalt on sünteesitud süsinikuga kaetud magnetilisi nanoosakesi ka haruldaste metallidega. Magnetiliste nanoosakestega seotud nanosüsinikstruktuurid on esindatud laia valikuga eri dimensioonide süsinikstruktuuridega. Antud tüübi puhul pole magnetilised nanoosakesed enam kaitstud keskkonna eest süsinikkesta poolt, vaid nende hübriidmaterjalide süsinikstruktuurid käituvad pigem integreeriva kandjana magnetilistele nanoosakestele. See tähendab, et magnetiliste partnerite ulatus on vähenenud võrreldes süsinikuga kaetud magnetiliste nanoosakestega, välja arvatud juhul, kui edasine funktsionaliseerimine kindlustab neile olulise kaitse keskkonna kahjulike mõjude eest. Positiivse aspektina pole magnetiliste nanoosakeste jaotus piiratud süsinikkomponentide nanotühimikega. Süsinikkomponentide dekoreerimise meetodites domineerivad samm-sammult strateegiad ning soovitud magnetilised omadused on omandatakse valdavalt mittemodifitseeritud süsiniknanostruktuuride funktsionaliseerimise käigus. Lõplike nanostruktuuride jäikus on oluline tegur, mida saab kontrollida süsinikkandjate ja magnetiliste nanoosakeste vahelisi interaktsioone valides. Kõige levinumad magnetilised komponendid on superparamagnetilised raudoksiidi nanoosakesed (SPIONs). Magnetilisetel süsiniknanostruktuuridel on kaks võimalikku kasutusvaldkonda, mis töötavad terapeutilisel põhimõttel: magnetiline ravimi manustamise süsteem, magnetiline termoteraapia. Ravimi manustamise süsteem võimaldab ravimi suunatud liikumist sihtkohta ja seejärel ravimi kontrollitud vabastamist, optimeerides aktiivmolekulide kontsentratsiooni sihtkohas. Antud terapeutilise lähenemise peamisteks eelisteks on teraapias kasutatavate ravimite minimeeritud absoluutkogused, selle lokaliseerimine ja seega ravimi toime võimendamine. Need eelised tulevad kasuks eriti, kui tegemist on halvasti lahustuva ravimiga, samuti kiirelt in vivo laguneva või kõrge tsütotoksilisusega ravimiga (näiteks vähivastased ravimid). Sellistel juhtudel saab magnetilise ravimi manustamisega vältida ravimite negatiivseid toimeid tervetele kudedele. Välise magnetvälja mõju all olevate magnetilise süsiniknanoosakeste magnetilist käitumist saab kasutada ravimite kontsentreerimiseks märklaudkoesse ning hoida neid seal seni, kuni ravimit on soovitud tasemel vabastatud. Kiire magnetvälja nõrgenemise tõttu kudedes töötab antud magnetiline ravimi manustamise süsteem ainult pindmiste kudede puhul. On palju lähenemisi ravimite manustamiseks magnetiliste süsiniknanoosakeste abil, kuna ravimite molekule võib pookida suurte süsinikpindade külge või kanda need õõnes nanokonteinerite sisemistesse vagudesse. Nende tehnoloogiate puhul puuduvad tõenäoliselt ka tehnilised takistused. Kui potentsiaalne ravimi kandja vastab fundamentaalsetele biosobivus- ja tsütotoksilisuse nõuetele, saab neid laadida lõpliku suurusega terapeutiliste reagentidega. Magnetiline termoteraapia on üks kõige huvitavamaid tuleviku meditsiini rakendusvaldkondi, mida magnetilised süsiniknanoosakesed võimaldavad. See baseerub kasvajarakkude võimendatud tundlikkusel kõrgendatud temperatuuridel. Vähirakkude kuumutamine üle 40 °C põhjustab suure tõenäosusega rakkude apoptoosi. Ajukasvajaga patsientidele on leitud kõige ohutumaks termoteraapia temperatuurivahemikuks 42–49°, mille puhul on täheldatud väga vähe kõrvaltoimeid patsiendile, kuid samal ajal surmavat mõju vähirakkudele. Magnetiliste nanoosakeste kasvajakudedest läbitungimisele järgneb vahelduva välise magnetvälja esinemine, mis võimaldab märklaudkoe kontrollitud kuumutamist. Viimane põhjustab vähirakkude hukkumist. Üldiselt sõltub kuumutav efekt põhiliselt materjali magnetilisest käitumisest. Kuigi soojuse tootmise protsessi täpne kirjeldus hõlmab arvukaid tegureid, siis soojendamisel ferromagnetiliste nanomaterjalidega esinevad lihtsustatult ainult hüstereesi kaod, kuid soojendamisel superparamagnetiliste üksikdomeeni osakestega ilmnevad lisaks termilised relaksatsiooni protsessid. Parameeter, millega kõige enam võrreldakse eri materjalide kuumutamise efektiivsust, on spetsiifiline võimsuse kadu (inglise keeles SPL), mis väljendab massnormaliseeritud neelatud energia määra. Viimast mõõdetakse ühikutes W/g, kuid meditsiinialases kirjanduses nimetatakse spetsiifilist võimsuse kadu tihti spetsiifiliseks neeldumismääraks (inglise keeles SAR), mille ühikuks on W/kg. Spetsiifiline neeldumismäär sõltub erinevatest teguritest, mis on seotud nii materjali omadustega (kuju, suurus, kompositsioon) kui ka välise vahelduva magnetvälja parameetritega (sagedus, amplituud). Termoteraapia edasiseks arenguks on multimodaalsete magnetiliste nanoosakeste loomine, mida saab kasutada nii ravimite suunatud manustamiseks, piltdiagnostikaks kui ka lokaalseks termoteraapiaks. Magnetiliste süsiniknanostruktuurid leiavad diagnostilises meditsiinis rakendust magnetresonantstomograafia (MRT) uuringutel kontrastainena. MRT on üks hinnatumaid mitteinvasiivseid piltdiagnostikatehnoloogiaid tänapäevases diagnostilises meditsiinis. Et parandada diagnostika usaldusväärsust, kasutatakse kontrastaineid, mille olulisem ülesanne on vähendada vee prootonite relaksatsiooniaega. Sõltudes relaksatsiooniprotsessi omadustest, T1 ja T2 kontrastained vähendavad vastavalt spinn-võre ja spinn-spinn relaksatsiooni aega. Seetõttu on kõige levinum kontrastainet iseloomustav parameeter relaksiivsus (r1, r2), mis kirjeldab vee prootonite relaksatsiooni muutuse määra molaarse kontsentratsioonina antud kontrastaines. Tänaseni on kõige levinum T1 kontrastaine kliinilises kasutuses tugev paramagnetiline Gd (III), mida tuleb enne kasutamis sekvestreerida oma toksilisuse tõttu. Laialdaselt kasutatakse T1 kontrastainena superparamagnetilisi raudoksiidi nanoosakesi (SPIONs) ja üliväikeseid superparamagnetilisi raudoksiidi nanoosakesi (USPIONs). Funktsionaliseeritud magnetilised nanoosakesed on konstrueeritud sihtima vähirakke, mida saab tuvastada MRT-uuringutel. Kasvajate standardvisualiseerimise korral võimaldavad magnetilised süsiniknanoosakesed kontrastainena MRT-s tuumorite tundlikumat piltdiagnostikat kui muud kontrastained. Boncel, Slawomir; Herman, Artur P.; Walczak, Krzysztof Z. (2012). "Magnetic carbon nanostructures in medicine". Journal of Materials Chemistry. 22: 31–37. DOI:10.1039/C1JM13734D. Korneva, G.; Gogotsi, Y.; Halverson, D. (2005). "Carbon nanotubes loaded with magnetic particles". Nano Letters. 5 (5): 879–884. DOI:10.1021/nl0502928. Liu, S.; Boeshore, S.; Fernandez, A. (2001). "Study of cobalt-filled carbon nanoflasks". The Journal of Physical Chemistry B. 105 (32): 7606–7611. DOI:10.1021/jp010083l. Thorek, D.; Chen, A.; Czupryna, J. (2006). "Superparamagnetic iron oxide nanoparticle probes for molecular imaging". Annals of biomedical engineering. 34 (1): 23–38. DOI:10.1007/s10439-005-9002-7. Duran, J. D.; Arias, L.J.; Gallardo, V. (2008). "Magnetic colloids as drug vehicles". Journal of pharmaceutical sciences. 97 (8): 2948–2983. DOI:10.1002/jps.21249. Sherlock, S.; Tabakman, S.M.; Xie, L. (2011). "Photothermally enhanced drug delivery by ultrasmall multifunctional FeCo/graphitic shell nanocrystal". ACS nano. 5 (2): 1505–1512. DOI:10.1021/nn103415x. Wust, P.; Hildebrandt, B. (2002). "Hyperthermia in combined treatment of cancer". The Lancet Oncology. 3 (8): 487–497. DOI:10.1016/S1470-2045(02)00818-5. Maier-Hauff, K.; Rothe, R.; Scholz, R. (2007). "Intracranial thermotherapy using magnetic nanoparticles combined with external beam radiotherapy: results of a feasibility study on patients with glioblastoma multiforme". Journal of neurooncology. 81 (1): 53–60. DOI:10.1007/s11060-006-9195-. Krupskaya, Y.; Mahn, C.; Taylor, A.; Kraemer, K (2009). "Magnetic study of iron-containing carbon nanotubes: Feasibility for magnetic hyperthermia". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 321 (24): 4067–4071. DOI:10.1016/j.jmmm.2009.08.005. Mahmoudi, K.; Hadjipanayis, C.G. (2014). "The application of magnetic nanoparticles for the treatment of brain tumors". Frontiers in chemistry. 2: 109. DOI:10.3389/fchem.2014.00109. Amstad, E.; Textora, M.; Reimhult, E. (2011). "Stabilization and functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications". Nanoscale. 3: 2819–2843. DOI:10.1039/C1NR10173K. Kumar, M.; Medarova, R.; Pantazopoulos, P. (2010). "Novel membrane-permeable contrast agent for brain tumor detection by MRI". Magnetic Resonance on Medicine. 63 (3): 617–624. DOI:10.1002/mrm.22216.