Biozgodne nanocząstki tlenku żelaza do obrazowania NMR

(PROJEKT NR P-142)

Obrazowanie magnetycznego rezonansu jądrowego (ang. Magnetic Resonance Imaging, MRI) należy do najbardziej zaawansowanych technik tomograficznych wykorzystywanych w diagnostyce medycznej. Metoda ta pozwala na bezinwazyjne otrzymywanie przekrojów ciała pacjenta i znajduje szerokie zastosowanie m.in. w neurologii oraz diagnostyce nowotworowej. W obrazowaniu NMR często stosowane są środki kontrastowe, które mają na celu poprawę parametrów uzyskiwanego obrazu i uwidocznienie mniej wyraźnych struktur, w tym naczyń krwionośnych, ognisk zapalnych oraz guzów nowotworowych. Najczęściej stosowane środki kontrastowe zawierają kompleksy jonów gadolinowych, które ze względu na toksyczność niosą ryzyko powikłań i wymagają stosunkowo szybkiego usunięcia z organizmu.

Alternatywę dla stosowanych dotąd w obrazowaniu NMR substancji kontrastujących stanowią superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza (ang. SuperParamagnetic Iron Oxide Nanoparticles, SPION), których właściwości magnetyczne pozwalają na uzyskanie dobrego efektu przy znacznie niższych dawkach. Zastosowanie SPION wymaga jednak odpowiedniego doboru parametrów nanocząstek, a przede wszystkim ich rozmiaru. Cząstki o rozmiarze większym od 200 nm po wprowadzeniu do organizmu są łatwo wychwytywane przez śledzionę, a następnie usuwane przez komórki układu fagocytarnego; cząstki mniejsze niż 10 nm są natomiast szybko wydalane z organizmu. Optymalny rozmiar SPION podawanych dożylnie wynosi 10-100 nm, bowiem nanocząstki tych rozmiarów najdłużej pozostają w krwiobiegu i pozwalają na osiągnięcie równomiernego rozmieszczenia w organizmie pacjenta.

W celu zapewnienia stabilności nanocząstek oraz ich jak największej biozgodności stosowane jest opłaszczanie przy użyciu polimerów, przede wszystkim dekstranu i jego pochodnych. Dekstran jest naturalnym, biokompatybilnym polisacharydem szeroko wykorzystywanym w zastosowaniach biomedycznych. W procesie opłaszczania nanocząstek dekstranem w jednej strukturze polimerowej zamykanych jest razem wiele nanocząstek, co prowadzi do uzyskania układów o zróżnicowanej wielkości, w tym cząstek o rozmiarach rzędu mikrometrów i krótkim czasie cyrkulacji we krwi. Ponadto duży stosunek masy polimeru do masy nanocząstek skutkuje obniżeniem właściwości magnetycznych kontrastu, w związku z czym konieczne jest stosowanie większych dawek preparatu. Wiązanie nanocząstek z dekstranem jest często słabe, a rozcieńczanie materiału prowadzi do usuwania polimeru i niepożądanej agregacji nanocząstek.

Nowe rozwiązanie polega na opłaszczaniu SPION innym polisacharydem – chitozanem i jego pochodnymi. Chitozan to nietoksyczny, biokompatybilny i biodegradowalny polimer naturalny; podobnie jak dekstran jest już stosowany w medycynie, m.in. jako składnik materiałów opatrunkowych. Ważną zaletą chitozanu w porównaniu z innymi naturalnymi polisacharydami jest jego zdolność do chelatowania jonów metali, w wyniku czego powstają trwałe połączenia metal-polimer. Chitozan może zatem być wykorzystany do otrzymania stabilnych nanocząstek o wysokiej biozgodności, a ponadto może stanowić punkt wyjścia do dalszej selektywnej modyfikacji SPION.

Przedmiotem oferty jest nowy materiał kontrastowy do obrazowania NMR oparty na zmodyfikowanych superparamagnetycznych nanocząstkach tlenku żelaza, które charakteryzują się:

• niewielką zmiennością rozmiaru,
• trwałym i kontrolowanym ujemnym ładunkiem powierzchniowym,
• wysoką relaksywnością magnetyczną,
• biozgodnością,
• trwałością w zawiesinie wodnej.

Synteza nanocząstek odbywa się w środowisku wodnym i przebiega bez użycia rozpuszczalników organicznych, toksycznych prekursorów oraz trudnych do usunięcia surfaktantów. Właściwości magnetyczne materiału są znacznie lepsze niż w przypadku komercyjnie dostępnych środków kontrastowych.

Oferowane rozwiązanie jest przedmiotem zgłoszenia patentowego, a na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego prowadzone są dalsze badania nad rozwojem przedstawionej technologii. Obecnie Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu poszukuje podmiotów zainteresowanych uzyskaniem licencji na opisany materiał oraz jego zastosowania.

Dalsze informacje:

dr Radosław Rudź                                                    tel. 12 663 3832, fax: 12 663 3831

Specjalista ds. Transferu Technologii                  e-mail: radosław.rudz@uj.edu.pl

CITTRU, Uniwersytet Jagielloński

www.cittru.uj.edu.pl

 ____________________________________________________________________________________________________

Biocompatible IRON OXIDE nanoparticles FOR magnetic resonance IMAGING

(PROJECT No. P-142)

Imaging based on nuclear magnetic resonance (also called Magnetic Resonance Imaging, MRI) is one of the most advanced tomography techniques used in medical diagnostics. This method of noninvasive scanning of patient’s body is widely used, e.g. in neurology and to diagnose cancer. The NMR-based imaging often requires using contrast agents, which improve the parameters of produced image and enhance appearance of certain structures, including blood vessels, inflammatory sites and cancer tumours. The most commonly used contrast agents contain gadolinium ion complexes, which carry the risk of complications due to inherent toxicity and require relatively rapid removal from the body.

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are an alternative to currently used MRI contrast agents as their magnetic properties can result in a good imaging effect at much lower doses. The application of SPION, however, requires appropriate selection of the parameters of nanoparticles, especially their size. Particles larger than 200 nm after entering the body are easily taken up by the spleen and then removed by reticuloendothelial system cells; on the other hand particles smaller than 10 nm are rapidly excreted from the body. The optimal size of SPION administered intravenously is 10-100 nm, because nanoparticles of that size show the longest lifetime in the bloodstream and help to achieve an equal distribution in the patient’s body.

In order to improve stability of the nanoparticles and provide high biocompatibility, SPION can be coated with polymers, mainly dextran and its derivatives. Dextran is a natural, biocompatible polysaccharide widely used in biomedical applications. However, in the process of coating with dextran several nanoparticles can be trapped in a single polymer structure, which leads to variability of size; particles in the size range of micrometers can be produced, resulting in shortened circulation lifetime. Moreover, larger doses are needed as the high polymer-to-nanoparticles mass ratio has a negative impact on the magnetic contrasting properties. Binding of nanoparticles with dextran is often weak and diluting of the material leads to the removal of the polymer layer and aggregation of the nanoparticles.

The new solution is based on SPION coating with another polysaccharide – chitosan and its derivatives. Chitosan is a nontoxic, biocompatible and biodegradable natural polymer; likewise dextran it is already used in medicine, including wound dressing applications. An important advantage of chitosan, comparing with other natural polysaccharides, is its ability to chelate metal ions, resulting in the formation of stable metal-polymer complexes. Chitosan coating can therefore produce stable nanoparticles with high biocompatibility, and can be a starting point for further selective modification of SPION.

The offer is a new MRI contrast agent based on modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles, which are characterized by:

• small variability of size,
• permanent and controlled negative surface charge,
• high magnetic relaxivity,
• biocompatibility,
• stability in aqueous suspension.

Synthesis of nanoparticles is performed in the aquatic environment and does not require use of organic solvents, toxic precursors or surfactants. Magnetic properties of the material are significantly better than those of the commercially available contrast agents.

The offered solution is subject to a patent application, while R&D efforts are continued at the Faculty of Chemistry of the Jagiellonian University. Currently the Centre for Innovation, Technology Transfer and University Development (CITTRU) is searching for companies and institutions interested in licensing of the material described above and its applications.

For detailed information please contact with:

Radosław Rudź, PhD – CITTRU UJ

Phone: +48 12 663 38 32, e-mail: radoslaw.rudz@uj.edu.pl