МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЕ И РЕНТГЕНОВСКОЕ КОНТРАСТНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
MAGNETIC RESONANT AND X-RAY CONTRAST AGENT, AND METHOD FOR PREPARING IT

Изобретение относится к области медицины, а именно к средству для магнитно-резонансной и рентгеновской диагностики, и может быть использовано в клинических исследованиях, проводимых с помощью стандартных методов магнитно-резонансной томографии (МРТ) и рентгеновской компьютерной томографии (РКТ).
Магнито-резонансное контрастное средство увеличивает чувствительность, специфичность и диагностическую надежность магнитно-резонансной томографии, способствует не только идентификации патологического процесса, но и более точному определению характеристик очага заболевания и степени его распространения. Основными направлениями применения МРТ с контрастными средствами являются выявление первичных и вторичных онкологических опухолей, диагностика рассеянного склероза, заболеваний сердечно-сосудистой системы (инсульты, инфаркты, стенозы артерий).
В современных магнитно-резонансных томографах основными характеристиками, позволяющими провести визуализацию объекта, являются времена релаксации Т1 и Т2. Т1 характеризует процесс продольной или спин-решеточной релаксации, а Т2 - время поперечной или спин-спиновой релаксации. С продолжительностью Т1 связана величина сигнала магнитного резонанса: чем короче Т1, тем сильнее сигнал и тем светлее выглядит данный участок при визуализации. Интенсивность Т2-взвешенного сигнала по-иному связана с длительностью Т2: чем короче Т2, тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость изображения. Итоговая картина МРТ, полученная на основе регистрации Т2, относится к изображению на основе Т1, как негатив к позитиву.
Основной задачей, решаемой с помощью введения контрастного средства, является увеличение разницы в значениях времени релаксации патологических тканей по сравнению с их нормальными аналогами. Наиболее оптимально для таких целей подходят контрастные средства на основе суперпарамагнитных наночастиц, с размером частиц близким к размеру магнитного домена. В этом случае при попадании частиц во внешнее магнитное поле домены выстраиваются в нем, не мешая друг другу, в результате поглощение и последующее испускание энергии электромагнитного поля происходят без лишних потерь.
В свою очередь, оптимизация рентгеноконтрастных свойств происходит за счет дополнительного малоуглового рассеяния, связанного с соизмеримостью размера наночастиц и длины волны рентгеновского излучения, приводящего к увеличению эффективной длины пути кванта излучения в области исследуемого объекта и, соответственно, к дополнительному поглощению. Данная особенность взаимодействия рентгеновского излучения и малых наночастиц приводит к повышению эффективности диагностики и снижению концентрации вводимого препарата.
Кроме того, полезность контрастного средства в большой степени определяется его токсичностью и другими побочными действиями, которые оно может оказать на субъекта, которому оно введено. При разработке средства учитывается возможность уменьшения воздействия на различные биологические механизмы клеток или всего организма, что может привести к снижению токсичности и уменьшению побочных клинических эффектов.
Среди существующих контрастных средств при рентгенодиагностике известно средство для контрастирования, содержащее в качестве рентгеноконтрастного компонента фосфат лантанида (US 4310507, 1982). Известное средство используется в форме водной суспензии с частицами фосфата лантанида, имеющими размер 0,1-10 мкм. В качестве связующего полимера может быть использован декстран. Способ получения средства состоит в получении раствора смеси оксидов лантана и тербия в хлористо-водородной кислоте, интенсивном перемешивании при температуре 90°C, отстаивании и отжиге полученного осадка. Для получения фосфата отожженный осадок добавляют к фосфорной кислоте и нейтрализуют раствор до pH 7. Известное средство требует высоких доз введения для достижения нужного уровня контрастности.
Также известно контрастное средство, содержащее физиологически приемлемое парамагнитное или сверхпарамагнитное вещество наряду с фармацевтическим носителем или наполнителем (WO 8800060, 1988), в качестве основы которого используется сложный оксид железа, размер частиц которого стабилизирован поверхностно-активным веществом в физиологически приемлемом водном носителе. Сверхпарамагнитные частицы получают из FeCl2, FeCl3 и декстрана, при этом средний размер частиц составляет 140 нм. Дисперсия для инъекций содержит сверхпарамагнитные частицы, покрытые декстраном, 20 мг, физиологический раствор до 10 мл. Сверхпарамагнитные частицы диспергируют в солевом растворе, суспензию обрабатывают ультразвуком перед применением, чтобы обеспечить полное диспергирование частиц. Основным недостатком данного средства является большой размер частиц, так как оптимальные магнитные свойства существуют при размере наночастиц, соизмеримом с размером магнитного домена, размер которого составляет для данного материала 5-12 нм. Кроме того, частицы такого размера не позволяют контрастировать малые сосуды (до 10 нм), в том числе в области сердца. Известны существенные ограничения по физиологическому применению декстрана.
В качестве прототипа выбрано магнитно-резонансное и рентгеновское контрастное средство и способ его получения (RU 2419454), основанное на сложном оксиде железа, размер частиц которого стабилизирован поверхностно-активным веществом в физиологически приемлемом водном носителе, при этом в качестве поверхностно-активного вещества для стабилизации размера частиц сложного оксида железа в диапазоне 5-10 нм содержится лимонная кислота, а в качестве поверхностно-активного вещества для стабилизации структуры контрастного средства добавлен цитрат натрия, при этом концентрация сложного оксида железа, стабилизированного лимонной кислотой, составляет 600 мг/мл, концентрация цитрата натрия - 190 мг/мл и воды для инъекций - 460 мг/мл.
Получение магнитно-резонансного и рентгеновского контрастного средства осуществляется путем смешивания исходных реактивов и добавления физиологически приемлемого водного носителя, при этом в качестве исходных реактивов используют соли трех- и двухвалентного железа, растворенные в воде, и интенсивно перемешивают их на скорости 800 об/мин, затем при интенсивном перемешивании добавляют гидрат аммония и получают высокодисперсный порошок магнетита, перемешивают с ним поверхностно-активное вещество для стабилизации размера частиц в виде лимонной кислоты в количестве, достаточном для формирования размера частиц сложного оксида железа в диапазоне 5-10 нм, и проводят промывание водой полученных частиц порошка, после чего в качестве поверхностно-активного вещества для стабилизации структуры контрастного средства добавляют разбавленный в воде цитрат натрия при интенсивном перемешивании и последующем охлаждении и фильтровании нерастворенного цитрата натрия (RU 2419454).
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в повышении эффективности проводимых диагностических исследований, что обеспечивается за счет усиления визуализации по времени релаксации Т2, что существенно повышает объем и достоверность диагностической информации. Кроме того, использование заявленного средства позволяет существенно уменьшить концентрацию контрастного средства, вводимого в организм человека, что повышает безопасность исследований и снижает их себестоимость.
Поставленная задача решается тем, что заявленное средство, в отличие от прототипа, содержит цитрат натрия в концентрации 140 мг/мл и дополнительно содержит полиэтиленгликоль (ПЭГ) в концентрации 160 г/л.
Неожиданно было обнаружено, что введение в контрастную композицию ПЭГ позволяет существенно снизить концентрацию стабилизатора - цитрата натрия - с 190 мг/мл на 140 мг/мл, по сравнению с прототипом, при достижении необходимой стабильности структуры композиции. Снижение концентрации цитрата натрия в композиции приводит к увлечению релаксирующей способности контрастной композиции вследствие более оптимальных свойств основной среды. Таким образом, с использованием ПЭГ, который позволяет существенно снизить концентрацию цитрата натрия в контрастном средстве, нам удалось усилить визуализацию по времени релаксации Т2, что приводит к повышению эффективности диагностических исследований.
Процесс синтеза высокодисперсной магнитной жидкости включает в себя следующие этапы.
1. Смешивание исходных реактивов.
2. Добавление гидрата аммония и образование сложного оксида.
3. Стабилизация размера частиц магнетита с помощью добавления ПАВ.
4. Удаление из магнитной жидкости лишних продуктов реакции.
5. Стабилизация структуры магнитной жидкости с помощью добавления органического ПАВ.
В качестве исходных реактивов использовались соли трех- и двухвалентного железа. FeSO4·4H2O в количестве 3 г растворяли в 12,5 мл воды и 6 г FeCl3·6H2O в 12,5 мл воды, каждую по отдельности в течение 15 мин интенсивно перемешивая. Затем оба раствора перемешиваются в течение 1 часа с рекомендуемой скоростью 800 об/мин.
Аммиак добавляли со средней интенсивностью в количестве 25 мл, в течение 15 мин интенсивно перемешивая. При этом pH раствора должно было составить 7. После чего добавляется ПАВ, и раствор интенсивно перемешивается в течение 1 часа.
Стабилизация размера частиц магнетита достигается добавлением специального ПАВ при интенсивном перемешивании раствора. Установлено, что высокая концентрация ПАВ приводит к снижению магнитных свойств, так как мешает магнитному взаимодействию системы частиц, а снижение концентрации приводит к слипанию частиц и потере суперпарамагнитных свойств, поэтому была подобрана такая концентрация лимонной кислоты, которая наиболее полно отвечала поставленной задаче, а именно - 2,4 мг/мл.
Наиболее сложный и в то же время важный этап синтеза магнитной жидкости касается удаления из магнитной жидкости лишних продуктов реакции. Побочные продукты реакции (образовавшиеся кислоты и остатки солей) и неиспользованный аммиак могут впоследствии серьезно повлиять на магнитные свойства и ограничить применение магнитной жидкости. В предлагаемом способе, спустя 1 час после добавления ПАВ и перемешивания, добавляли 50 мл воды, перемешивали в течение 15 минут и давали осесть осадку, а лишнюю воду сливали. Операцию повторяли три раза.
С целью снижения интенсивности процессов поглощения наночастиц сложного оксида железа ретикулоэндотелиальной системой наращивается дополнительная оболочка для наночастиц из ПЭГ, при этом концентрация его составляет 160 мг/мл.
Стабилизация структуры магнитной жидкости в предлагаемом решении осуществляется с помощью цитрата натрия в количестве 140 мг/мл. Этот способ предпочтителен с точки зрения дальнейшего использования в медицине.
После добавления цитрата натрия раствор интенсивно перемешивается в течение трех часов и оставляется на двое-трое суток, по истечении которых на дне оседает крупная фракция, которая отделяется от основной жидкости.
Основным преимуществом предлагаемого контрастного средства является использование суперпарамагнитных наночастиц сложного оксида железа с геометрическим размером 5-10 нм, что позволяет существенно повысить контрастные свойства и безопасность применения препарата путем снижения концентрации вводимого вещества (фиг.1). Использование наночастиц столь малого размера открывает новые возможности для проведения диагностических исследований. Так, например, диагностика заболеваний сердечно-сосудистой системы возможна только в том случае, когда контрастное средство свободно циркулирует по кровеносным сосудам малого диаметра (5-20 нм). Исследования показали, что наночастицы определенного диаметра (около 25 нм) захватываются клетками ретикулоэндотелиальной системы и позволяют контрастировать патологические образования в печени, а частицы очень маленьких размеров (около 5 нм) имеют иную релаксирующую (контрастирующую) способность и позволяют визуализировать сосуды, а затем мочевыделительную систему. С помощью магнитного поля можно будет направленно аккумулировать наночастицы оксида железа и затем их использовать для магнитной гипертермической абляции опухолевой ткани.
Проведенные исследования перекисного окисления липидов гомогената печени крыс в присутствии наночастиц сложного оксида железа показали, что наночастицы сложного оксида железа существенно не влияют на перекисное окисление липидов гомогената печени крыс, что указывает на их фармакологическую инертность. Полученные результаты свидетельствуют о биологической совместимости используемых наночастиц и тканей организма. Следовательно, предлагаемое контрастное средство, полученное на основе наночастиц сложного оксида железа, является биологически безопасным.
Предложенное контрастное средство позволяет увеличить объем диагностической информации за счет усиленной визуализации по Т2. Использование суперпарамагнитных наночастиц оксида железа обеспечивает повышенную биологическую безопасность за счет использования биологически совместимых реагентов и приводит к снижению объема вводимого в организм человека препарата. Использование ПЭГ позволяет существенно снизить концентрацию стабилизатора цитрата натрия.
Кроме того, стабилизированные наночастицы можно использовать для контрастирования полостей и патологических очагов внутренних органов с помощью РКТ, обеспечивая накопление наночастиц в нужных участках с помощью внешних магнитных устройств.
ПРИМЕРЫ
1. В качестве примера можно привести сравнительный анализ (фиг.1) диагностики очага онкологического заболевания с введением контрастного средства без ПЭГ и с ведением контрастного средства с ПЭГ на лабораторных животных (крысах), со средней массой 120 г, при дозе введения препарата 0,1 мл внутривенно. Исследование показало наличие интенсивного процесса накопления контраста в очаге онкологического заболевания при введении контрастного средства с ПЭГ.
2. Также, в ходе лабораторных исследований, проведен сравнительный анализ способности уменьшать времена релаксации Т1 и Т2, для предлагаемой контрастной композиции и ее прототипа. Исследования показали, что в случае разбавления водой средства в соотношение 1:1000 - до концентрации железа 0,6 мг/мл времена релаксации составили: Т1=(29±3) мсек и Т2=(5,3±0,4) мсек для предлагаемого состава и Т1=(34±3) мсек и Т2=(6,2±0,4) мсек для прототипа. Начальное значение времен релаксации для воды в рамках эксперимента Т1=(850±43) мсек и Т2=(71±5) мсек. Результаты свидетельствуют об увеличение контрастирующей способности композиции, по сравнению с прототипом, за счет снижения концентрации цитрата натрия и добавления ПЭГ.
3. Кроме того, проводили исследование времени полувыведения заявляемой композиции относительно времени полувыведения аналоговой композиции. Предлагаемая композиция и ее прототип были введены внутривенно, в объеме 0,3 мл лабораторным линейным мышам, без явных патологий. С помощью исследовательского томографа был исследован процесс выведения контраста из организма животного, по средствам анализа изменения контрастности мочевого пузыря во времени. Исследования показали увеличение времени полувыведения (полужизни) препарата в 3 раза для предлагаемой контрастной композиции с применением ПЭГа по сравнению с аналогом.