Гидродинамический стенд для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля
HYDRODYNAMIC TEST BENCH FOR EXAMINATION OF VASCULAR WALL PERMEABILITY FOR MAGNETIC NANOPARTICLES UNDER ACTION OF EXTERNAL MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к биотехнологии и области экспериментальной медицины, может быть использовано для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц (МНЧ) в заданном участке сосудистой системы под воздействием внешнего магнитного поля.
Наночастицы с магнитными свойствами в последние годы активно изучаются и находят применение в медицинской визуализации, диагностике и терапии: для использования контрастных веществ на основе МНЧ в магнитно-резонансной томографии [Wu Y., Briley-Saebo K., Xie J. et al. Inflammatory bowel disease: MR- and SPECT/CT-based macrophage imaging for monitoring and evaluating disease activity in experimental mouse model-pilot study // Radiology. - 2014. - Vol. 271, №2. - P. 400-406; Luciani A., Dechoux S., Deveaux V. et al. Adipose tissue macrophages: MR tracking to monitor obesity-associated inflammation // Radiology. - 2012. - Vol. 263, №3. - P. 786-878]; в экспериментальных исследованиях для направленной доставки противоопухолевых препаратов направленной термочувствительной химиотерапии [Pradhan Р., Giri J., Rieken F. et al. Targeted temperature sensitive magnetic liposomes for thermo-chemotherapy // J Control Release. - 2010. - Vol. 142, №1. - P. 108-129]; магнитной фотодинамической терапии и флуоресцентной визуализации [Yang L., Мао Н., Cao Z. et al. Molecular imaging of pancreatic cancer in an animal model using targeted multifunctional nanoparticles // Gastroenterology. - 2009. - Vol. 136, №5 - P. 1514-1538].
Для установления эффективности использования МНЧ в качестве транспортера лекарственных препаратов необходимо решить ряд задач, в частности определение проницаемости стенок сосудов для МНЧ под воздействием внешнего магнитного поля.
Изучение процесса определения проницаемости стенок сосудов для МНЧ правильнее начинать в модельных условиях in vitro. Для этого требуется разработка специализированного испытательного стенда, имитирующего участок системы кровообращения и позволяющего прилагать магнитное воздействие, а также осуществлять регистрацию накопления наночастиц. Подобные задачи частично решались при конструировании систем вспомогательного кровообращения. [Описание изобретения к авторскому свидетельству №685294. Стенд-имитатор системы кровообращения организма. / М.А. Локшин, Ю.Н. Гаврилов, В.И. Ковин, опубл. 15.09.79; Описание изобретения к авторскому свидетельству №936922. Стенд для моделирования системы кровообращения. / А.П. Осипов, В.М. Мордашев, В.А. Кремнев, Ю.М. Киселев, опубл. 23.06.82; Описание изобретения к авторскому свидетельству №939013. Устройство для моделирования гемодинамических явлений в системе кровообращения. / B.C. Бедненко, А.С. Нехаев, А.Н. Козлов, опубл. 30.06.82; Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 1029961 А. Стенд для испытания искусственного сердца. / М.А. Локшин, В.И. Копии, В.Г. Северин, А.В. Врубель, В.А. Стасенков, опубл. 23.07.83].
Таким образом, для исследования движения магнитных наночастиц в биологических жидкостях и определения магнитных и гидродинамических характеристик системы, обеспечивающих эффективную доставку магнитных наночастиц с лекарственными агентами в целевую область, используются различные модели, обязательными атрибутами которых являются замкнутая система трубок или капилляров и источник высокоградиентного магнитного поля [Кириленко А.В. и др. Движение магнитных наночастиц в потоке жидкости при наложении постоянного магнитного поля. 2012, 186-196, Доклады Национальной Академии Наук Украины, №2.] [Jon Dobson, Magnetic Nanoparticles for Drug Delivery, 67:55-60, 2006].
Однако к недостаткам этих стендов следует отнести их ограниченные функциональные возможности.
Известен «Стенд для исследования процесса магнитоуправляемой доставки наночастиц в сосудистую систему (варианты)» [патент RU на изобретение №2619854, опубликованный: 11.04.2017 Бюл. №11], принятый за прототип, с помощью которого проводится количественное измерение числа накопленных магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля в заданном участке сосудистой системы. Однако функциональные возможности известного стенда также ограничены.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является изучение процесса проницаемости стенок сосуда для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля.
Данная задача решается за счет того, что гидродинамический стенд для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля, включающий накопительную емкость, выход которой соединен с насосом, а также расходомер, датчик давления, источник магнитного поля и элемент для доставки магнитных наночастиц, снабжен сосудистым модулем, представляющим собой две емкости, одна из которых помещена в другую, и контура, образованного двумя канюлями, соединенными между собой фрагментом сосуда, имитирующий систему кровообращения, при этом контур помещен во внутреннюю емкость сосудистого модуля, под источником магнитного поля, причем конец одной канюли соединен через расходомер, с датчиком давления, элементом доставки магнитных наночастиц и насосом, конец другой канюли соединен с одним из входов накопительной емкости, образуя замкнутую систему, к другому входу накопительной емкости подключен газофикатор, подключенный также к внутренней емкости сосудистого модуля, а вход и выход внешней емкости сосудистого модуля соединены с термостатом.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков изобретения, является создание гидродинамического стенда для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля, сочетающего в себе модель участка системы кровообращения, систему исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц и источник магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - представлена блок-схема гидродинамического стенда с сосудистым модулем;
на фиг. 2 - представлена конструкция сосудистого модуля: а - вид сбоку, б - вид сверху.
Конструкция гидродинамического стенда для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля (фиг. 1) содержит накопительную емкость 1, выход которой соединен с насосом 2, в качестве которого использован роликовый насос, элемент для доставки магнитных наночастиц 3, представляющим собой шприц, датчик давления 4, расходомер 5, термостат 6, сосудистый модуль 7, источник магнитного поля 8 и газификатор 9. Сосудистый модуль 7 (фиг 2 а, б) представляет собой две емкости, одна из которых 10 помещена в другую 11, и контур, образованный двумя канюлями 12, 13, соединенными между собой фрагментом сосуда 14, имитирующий систему кровообращения, при этом контур помещен во внутреннюю емкость 10 сосудистого модуля 7, под источником магнитного поля 8 на расстоянии 1 см., причем конец канюли 12 соединен через расходомер 5, с датчиком давления 4, элементом доставки магнитных наночастиц 3, и насосом 2, конец канюли 13 соединен с одним из входов накопительной емкости 1, образуя замкнутую систему, к другому входу накопительной емкости 1 подключен газофикатор 9, подключенный также к входу 15 внутренней емкости 10 сосудистого модуля 7 (фиг 2 а, б), а вход 16 и выход 17 внешней емкости 11 сосудистого модуля 7 соединены с термостатом 6 (фиг 2 а). Крепления внутренней емкости 10 и внешней 11 обозначены позициями 18 и 19.
Канюли 12 и 13 изготовлены из полистирола. Все соединительные элементы представляют собой силиконовые трубки диаметром, соответствующим параметрам исследуемой модели сосудов.
Внутренняя 10 и внешняя 11 емкости сосудистого модуля 7 могут быть выполнены из полистирола.
В качестве источника магнитного поля использован постоянный магнит Nd-Fe-B в форме удлиненного цилиндра, размером 2×3 мм, намагниченный продольно.
Работа гидродинамического стенда для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под воздействием внешнего магнитного поля осуществляется следующим образом.
Предварительно заполняют пространство между внутренней 10 и внешней 11 емкостями сосудистого модуля 7 дистиллированной водой, которая циркулирует через термостат 6, поддерживая постоянную температуру, соответствующую естественной температуре исследуемого объекта. В проводимых экспериментах на сонных артериях - это температура равная 37°С. Внутреннюю емкость 10 наполняют раствором Кребса-Хенселейта, поддерживающего жизнедеятельность клеток фрагмента сосуда 14.
Движение модельной жидкости, в качестве которой использовали раствор Кребса-Хенселейта, из накопительной емкости 1 по замкнутой системе обеспечивается роликовым насосом 2. Давление в системе и расход жидкости определяются с помощью датчика давления 4 и расходомера 5.
Газификация карбогеном модельной жидкости в накопительной емкости 1 и во внутренней емкости 10 сосудистого модуля 7 осуществляется с помощью газификатора 9, в качестве которого использован баллон с карбогеном. Температурный режим в сосудистом модуле 7 поддерживается при помощи термостата 6. После установки фрагмента 14 сосуда на канюли 12 и 13 и его закрепления производится запуск роликового насоса 2. После чего в систему вводится при помощи шприца суспензия магнитных наночастиц. 3. Расположенный непосредственно над закрепленным фрагментом сосуда источник магнитного поля 8 обеспечивает захват и удержание магнитных наночастиц с последующим прохождением их сквозь стенки сосуда и проникновением во внутреннюю емкость 10 в раствор Кребса-Хенселейта. Через установленные экспериментатором промежутки времени осуществляют заборы жидкости Кребса-Хенселейта из внутреннего объема 10 для спектрофотометрических измерений с целью определения концентрации магнитных наночастиц.
Пример
Эксперимент по исследованию проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля, проводился для суспензии наночастиц магнетита в оболочке из полилактида в объеме 0.5 мл и концентрации 0.2 мг/мл. Суспензия наночастиц магнетита в оболочке вводилась в систему с характеристиками: суммарный внутренний объем накопительной емкости и соединительных трубок в контуре - 20 мл, внутренний объем в сосудистом модуле - 190 мл. Источник внешнего магнитного поля - постоянный магнит Nd-Fe-B размером в форме удлиненного цилиндра, размером 2×3 мм, намагниченным продольно. Располагался магнит на расстоянии 1 см над фрагментом сосуда, торцом к участку. Модельная жидкость - раствор Кребса-Хенселейта. Газификация проводилась карбогеном. В качестве фрагмента сосуда брался прямой участок сонной артерии лабораторной крысы. Температурный режим обеспечивал 37°С. Мощность роликового насоса была выставлена на 50%, что соответствует скорости 17 см/с. Контрольные измерения проводились в условиях отсутствия источника внешнего магнитного поля.
С учетом спектров поглощения суспензии наночастиц магнетита в оболочке из полилактида спектрофотометрические измерения проводились на длине волны 450 нм. В таблице представлены результаты измерений концентрации магнтитных наночастиц. Таким образом, данное устройство позволяет проводить исследования проницаемости стенок сосуда для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля.
С учетом спектров поглощения суспензии наночастиц магнетита в оболочке из полилактида спектрофотометрические измерения проводились на длине волны 450 нм. В таблице представлены результаты расчета массы МНЧ, прошедших через стенки сосуда, по измеренным концентрациям магнтитных наночастиц. Таким образом, данное устройство позволяет проводить исследования проницаемости стенок сосуда для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля.
Таким образом, предлагаемое изобретений позволяет изучать процесс исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля in vitro в зависимости от исследуемого объекта.
Заявитель просит рассмотреть представленные материалы заявки «Гидродинамический стенд для исследования проницаемости стенок сосудов для магнитных наночастиц под действием внешнего магнитного поля» на предмет выдачи патента РФ на изобретение.