МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЕ И РЕНТГЕНОВСКОЕ КОНТРАСТНОЕ СРЕДСТВО НА ОСНОВЕ СЛОЖНОГО ОКСИДА ЖЕЛЕЗА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
MAGNETIC RESONANT AND RADIOPAQUE CONTRAST AGENT BASED ON COMPLEX FERRIC OXIDE AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF

Изобретение относится к медицине, к средствам 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. T1 характеризует процесс продольной или спин-решеточной релаксации, а Т2 - время поперечной или спин-спиновой релаксации. С продолжительностью T1 связана величина сигнала магнитного резонанса: чем короче T1, 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 изменение (уменьшение) времен релаксации исследуемых объектов по сравнению с окружающей средой. Наиболее оптимально для таких целей подходят контрастные средства на основе суперпарамагнитных наночастиц. 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°С, отстаивании и отжиге полученного осадка. Для получения фосфата отожженный осадок добавляют к фосфорной кислоте и нейтрализуют раствор до рН 7. Известное средство требует высоких доз введения для достижения нужного уровня контрастности.
Известна также магнитно-резонансная и рентгеновская контрастная композиция (RU 2308290, 2007) на основе водных растворов гадолиния. Композицию готовят получая комплекс гадолиния взаимодействием оксида гадолиния с диэтилентриаминопентауксусной кислотой в водной суспензии. Композиция улучшает контрастность и упрощает контроль качества, однако использование гадолиния вызывает непереносимость у некоторых пациентов и повышает риск развития серьезных побочных реакций.
2
3
В качестве прототипа средства и способа его получения выбрано 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 FeCl, FeCl 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.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в преодолении перечисленных выше недостатков известных ранее средств и состоит в повышении эффективности проводимых диагностических исследований за счет одновременной визуализации по временам релаксации Т1 и Т2, что существенно повышает объем и достоверность диагностической информации, а также состоит в существенном уменьшении концентрации контрастного средства, вводимого в организм человека, что повышает безопасность исследований и снижает их себестоимость.
Поставленная задача решается тем, что в магнитно-резонансном и рентгеновском контрастном средстве на основе сложного оксида железа, размер частиц которого стабилизирован поверхностно-активным веществом, в физиологически приемлемом водном носителе, согласно изобретению 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.
Предпочтительно, чтобы в контрастном средстве сложный оксид железа был получен реакцией Элмора при рН раствора 7 единиц.
Концентрация лимонной кислоты в контрастном средстве может составлять 2,4 мг/мл.
Изобретение также предусматривает способ получения магнитно-резонансного и рентгеновского контрастного средства 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.
На фиг.1 приведено изображение наночастиц сложного оксида железа с помощью просвечивающей электронной микроскопии; на фиг.2 представлено контрастное МРТ изображение сосудов головного мозга крысы путем анализа времен релаксации Т1 после введения заявленного средства; на фиг.3 представлено контрастное МРТ изображение внутренних органов крысы путем анализа времен релаксации Т2 через 30 минут после введения заявленного средства.
3
4
6
8
7
Для получения суперпарамагнитного средства необходимо остановить рост наночастиц и стабилизировать их размер в процессе химического синтеза с помощью специально выбранных поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве основного магнитного материала выбран сложный оксид железа (FeO) - магнетит, наиболее приемлемый и естественный с биологической точки зрения. При выборе ПАВ основным фактором являлась их биологическая совместимость с живой тканью, поэтому стандартно используемые реагенты, например лауриновая кислота, не пригодны. В качестве ПАВ, останавливающего рост зародышей, использовалась лимонная кислота (2-гидрокси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота) (CHO), а в качестве вещества, стабилизирующего водный раствор суперпарамагнитной жидкости, был выбран цитрат натрия. Использование наночастиц сложного оксида железа в сочетании с цитратом позволяет проводить диагностику патологий без использования применяемых в настоящее время гадолинийсодержащих или йодсодержащих контрастных средств, которые имеют ряд ограничений.
Магнитные жидкости представляют собой взвесь однодоменных микрочастиц ферро- и ферримагнетиков в жидкой среде (керосине, воде, толуоле, минеральных и кремнийорганических маслах и т.п.). Дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 10 нм), находятся в интенсивном броуновском движении. Агрегативная устойчивость коллоидных систем с магнитными частицами обеспечивается адсорбционными слоями, препятствующими сближению частиц на такие расстояния, при которых энергия притяжения будет больше, чем разупорядочивающая энергия теплового движения. С этой целью, для предотвращения укрупнения частиц вследствие их слипания, в коллоид вводится определенное количество стабилизатора - ПАВ. Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, которые и создают на поверхности дисперсных частиц адсорбционно-сольватные слои. Установлено, что оптимизация магнитных свойств происходит при размере частиц, близком или равном по величине размеру магнитного домена (5-10 нм).
В качестве основной химической реакции для получения наполнителя магнитной жидкости выбрана реакция Элмора:
3
2
4
3
4
4
2
2FeCl+FeCl+8NHOH→FeO↓+8NHCl+4HO
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.
4
2
3
2
В качестве исходных реактивов использовались соли трех- и двухвалентного железа. FeSO·4HO в количестве 3 г растворяли в 12,5 мл воды и 6 г FeCl·6HO 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 рН 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.
Стабилизация структуры магнитной жидкости в предлагаемом решении осуществляется с помощью цитрата натрия в количестве 190 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.
При разработке контрастного средства учитывался тот факт, что диагностирование является оптимальным в случае одновременной визуализации по Т1 и Т2.
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 (фиг.2, 3). Следовательно, предлагаемое контрастное средство, полученное на основе наночастиц сложного оксида железа, является биологически безопасным.
Предложенное контрастное средство позволяет увеличить объем диагностической информации за счет одновременной визуализации по Т1 и 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.
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.