Исследователи кафедры экспериментальной физики Уральского федерального университета впервые синтезировали наночастицы маггемита из немагнитного железного купороса. Вещество сделает МРТ сканирование доступнее и безопаснее, а качество изображения выведет на принципиально новый уровень

Группа ученых с кафедры экспериментальной физики Уральского федерального университета совместно с коллегами синтезировали наночастицы маггемита радиационно-химическим методом. Абсолютно нетоксичный магнитный материал перспективен для использования в самых разных сферах, включая медицину.

Исследование магнитного поля

Ровно 50 лет назад, в 1973 году, профессор химии и радиологии Нью-Йоркского университета Стоуни-Брук Пол Лотербур выпустил в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия: примеры на основе магнитного резонанса». Со временем эта работа перевернула медицину и позволила врачам получать высококачественные изображения органов человеческого тела. А обследование с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) стала неотъемлемой частью любой больницы.

Но до публикации революционного метода Пол Лотербур прошел длинный путь. Долгое время он изучал идею Роберта Габиллара о введении градиентов в магнитное поле, которую тот развил в своей докторской диссертации 1952 года. Данное действие позволяет определить происхождение радиоволн, излучаемых ядрами объекта исследования, что в свою очередь дает информацию для создания двумерных изображений.

Также в основу идеи МРТ был положен научный принцип ядерного магнитного резонанса (ЯМР), который в 1946 году независимо друг от друга описали Феликс Блох и Эдвард Перселл. В 1952 году за это открытие они получили Нобелевскую премию по физике. Явление ЯМР основано на поглощении энергии веществами, имеющими ядерный магнетизм, которые находятся во внешнем магнитном поле.

Большинство молекул элементов несут электрический заряд, который «вращается» относительно оси ядра. При переходе магнитного момента ядра из одного энергетического состояния в другое происходит резонансное поглощение электромагнитных волн атомными ядрами. Но долгое время магнитный резонанс не имел практической ценности и использовался основным образом для изучения химического строения веществ.

Упорство и труд

Кампус химического факультета университета Стоуни-Брук как раз имел отличный ЯМР-аппарат. Но Лотербуру приходилось посещать его по ночам. Ученый менял настройки прибора под свои эксперименты, а перед уходом раз за разом тщательно возвращал их в исходное положение.

Упорным трудом и настойчивостью профессору удалось сделать первые снимки с помощью магнитного резонанса. Это было изображение моллюска диаметром 4 мм, которого его дочь нашла на пляже в проливе Лонг-Айленд, а также стручка зеленого перца и пробирок с «тяжелой» водой в стакане с обычной водой. То есть ЯМР визуально показал отличия жидкостей, состоящих из легкого изотопа водорода – протия и тяжелого изотопа водорода – дейтерия.

Последнее достижение было особенно важно, ведь организм человека как раз в основном состоит из воды и различных других жидкостей. Но никакая другая техника на тот момент не была способна визуализировать смесь из разных типов жидкостей.

Но когда Пол Лотербур впервые представил статью о своих открытиях в журнал Nature, то редакция отклонила материал от печати. Там посчитали, что нечеткие фотографии, которые предоставил ученый, были слишком некачественными, хотя ничего подобного наука того времени просто не знала. Но профессор повторно отправил материал в редакцию и за счет упорства настоял на печати своей статьи.

Метод томографического отображения с помощью ЯМР-сигнала показал, как выглядят мягкие ткани, такие как мозг, сердце и другие мышцы и органы человека. Со временем МРТ развился до объемного отображения и зарекомендовал себя как исключительно информативный способ диагностики заболеваний.

Возможность быстро и четко видеть внутри тела привела к появлению передовых методов лечения и увеличению продолжительности жизни и здоровья человека. Это один из самых мощных диагностических инструментов в современной клинической медицине.

За прошедшие 50 лет томографы научились без хирургического вмешательства исследовать функции органов, кровотока, тока спинномозговой жидкости и урины, определять уровень диффузии в тканях. Но это далеко не предел.

Мощнее в тысячи раз

Первый МРТ-сканер Лотербура до сих пор хранится в Институте передовых наук и технологий Бекмана. Он имел силу 0,09 Тесла, что примерно в 2000 раз превышало магнитное поле Земли. Современные клинические МРТ-системы уже имеют мощность от 3 Тесла. Благодаря более высокой напряженности магнитного поля врачи могут четко и контрастно локализовать функции в мозге на расстоянии примерно 0,5 миллиметра.

МРТ – это гибкий метод визуализации, и многие врачи, ученые и инженеры продолжают его совершенствовать. Новые технологии визуализации позволяют увидеть, как тело меняется с возрастом и болезнями и как организм реагирует на вмешательства.

Одним из самых распространенных методов МРТ является неврологическая визуализация. Она широко используется для быстрой оценки инсульта. Этот тип обследования пациентов с острым инсультом можно провести меньше чем за 15 минут, что в итоге значительно расширяет возможности для принятия быстрых и правильных решения о лечении.

Часто на процедуре МРТ используют дополнительные контрастные вещества, которые усиливают визуализацию и дают более четкие изображения, например сосудистого русла или внутреннего рельефа органов. Для этого перед сеансом в организм внутривенно вводят препарат на основе редкоземельного элемента гадолиния. Раствор соединения гадолиния способен накапливаться в областях с повышенным кровоснабжением и давать более резкое изображение на магнитно-резонансной томографии. Впервые дополнительный контраст для МРТ исследований создали в компании Bayer в 1988 году. Ранние препараты имели ощутимую токсичность и могли вызывать побочные эффекты. Современные контрастные вещества имеют низкую токсичность и могут провоцировать лишь незначительные реакции. И все же такой тип МРТ имеет много противопоказаний.

Переход на нанопорошки

В последние годы ученые начали пристально изучать так называемые магнитные терапевтические наночастицы, которые имеют постоянный или наведенный магнитный момент. Такие микроскопические вещества на основе оксидов железа могут легко перемещаться по организму человека с помощью бесконтактного управления через внешнее магнитное поле. Врачи находят им все больше различных применений.

Например, наночастицы магнетита, покрытые специальными биоактивными слоями, можно внедрить в опухолевую область. Опухолевые клетки захватывают вещество, которое потом начинают разогревать внешним магнитным полем. При нагреве до 41-42 ℃ распадается объемная структура белковой молекулы, что приводит к дальнейшей гибели клетки. Поэтому современная магнитная гипертермия считается отличным микроинвазивным, адресным и локальным методом борьбы с раком.

Обычно наночастицы магнетита получают с помощью осаждения из газовой фазы или химическими методами. Этот процесс создает дополнительные примеси, которые влияют на качество материала. Также есть способ окисления чистого железа, чтобы получить эталонно чистый магнетит. Но существует другая проблема ­– измельчить его до наноразмеров. Все это приводит к удорожанию производства: 1 грамм вещества стоит до сотни тысяч долларов.

Но есть другая магнитная модификация окиси железа – маггемит. Он существует в естественной среде только в виде микроскопически мелких выделений в продуктах окисления других минералов. Российские ученые из Уральского федерального университета (УрФУ) совместно с коллегами Уральского отделения РАН (УрО РАН), Санкт-Петербургского государственного университета и Омского государственного технического университета при поддержке Российского научного фонда нашли способ синтезировать наночастицы маггемита из немагнитного исходного железного купороса.

К новым вершинам

Физики впервые смогли создать подобные частицы радиационно-химическим методом. Для этого ученые облучали водный раствор кристаллов железного купороса ускоренными электронами. Метод позволяет получать нанопорошки с высокой концентрацией структурных дефектов, от которых часто зависят многие интересные и полезные свойства.

В результате облучения российские ученые получили нанопорошок, содержащий как аморфную фазу маггемита, так и его сверхтонкие кристаллы размером около 2-3 нанометров. Подробное описание проведенных исследований и их результатов физики опубликовали в статье в журнале Ceramics International.

«Использование наночастиц маггемита позволит проводить МРТ более качественно, эффективно и безопасно. Во-первых, поскольку маггемит является магнитным материалом, несмотря на малый размер, его наночастицы хорошо различимы в магнитном поле. Во-вторых, наночастицы маггемита настолько малы, что при введении в организм человека не забивают кровеносные сосуды. В-третьих, маггемит, будучи модификацией оксида железа, хорошо взаимодействует с гемоглобином, который представляет собой железосодержащий белок. И самое главное: маггемит – абсолютно нетоксичное вещество, в отличие от гадолиния, который традиционно применяется в качестве контрастного вещества», – рассказывает Сергей Соковнин, руководитель исследовательского коллектива, профессор кафедры экспериментальной физики УрФУ, ведущий научный сотрудник Института электрофизики УрО РАН.

Наночастицы маггемита, полученные из железного купороса, могут широко применяться в различных сферах медицины. Физики предложили методы фото- и радиационно-индуцированного катализа, который ускоряет течение химических реакций под воздействием ультрафиолета или рентгена. Исследования показали, что наночастицы маггемита, используемые в качестве катализатора, увеличивают скорость реакций более чем вдвое. А для поддержания обычной скорости соответственно требуется меньшая доза облучения. Это снижает возможные побочные эффекты от процедуры, а также ее стоимость.

«Основные оксиды железа, такие как маггемит и гематит, постоянно находятся в центре внимания науки благодаря их выдающимся магнитным, оптическим и электрическим свойствам. Они используются не только в качестве нетоксичных контрастных веществ и фотокатализаторов, но и как наноконтейнеры для доставки лекарств, магнитные носители, датчики газа и так далее. Конкретно маггемит по праву считается одним из самых интересных оксидов железа. Он перспективен, в частности, для использования в биомедицине, в том числе в лечении онкологических заболеваний, так как, с одной стороны, не токсичен для здоровых клеток, с другой – негативно воздействует на раковые. В то же время синтез в водных растворах наночастиц оксида железа, магнитной модификацией которого является маггемит, по-прежнему остается сложной задачей», – объясняет Сергей Соковнин.

Профессор говорит, что в перспективе полезные свойства маггемита можно использовать, в частности, при очистке воды от химических примесей. В этой области магнитные наночастицы по эффективности не уступают наиболее продуктивному промышленному катализатору – оксиду титана.

Но основная глобальная цель исследования – новые высокотехнологичные методы неинвазивной медицинской визуализации. 50 лет назад магнитно-резонансная томография произвела настолько глубокую революцию в здравоохранении, что до сих пор для некоторых кажется каким-то чудом.

И на практике все эти десятилетия ученые со всего мира последовательно занимались расширением возможностей аппаратов. Что в итоге это привело к тому, что сейчас МРТ является одним из самых мощных диагностических инструментов в современной клинической медицине.

Однако его доступность и возможности визуализации еще далеки от пределов возможного. И новые поколения аппаратов для магнитно-резонансной томографии помогут в разработке минимально инвазивных методов лечения самых разных болезней. Что в конечном счете скажется и на продолжительности жизни человека, и на поиске подходов к неизлечимым заболеваниям.

Источник