2 .3 TƢƠNG TÁC TRONG CHẤT LỎNG TỪ
3.2.ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ ÔXIT SẮT TỪ Fe3O4 VÀ CHẤT LỎNG TỪ TRONG
TRONG LĨNH VỰC Y SINH HỌC
Các ứng dụng của hạt nano từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể. Ở đây chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng
đã và đang được nghiên cứu. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể
nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.
3.2.1.Tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ
Để tăng cường độ tương phản của ảnh chụp MRI, người ta tạo ra sự khác biệt của T1 hoặc T2 bằng cách sử dụng chất tăng cường độ tương phản. Tác nhân tương phản có tác dụng lên thời gian hồi phục T1 hoặc T2 nhằm làm thay đổi hai thông số này:
+ Tác động lên T1để tạo ra sự tăng cường tín hiệu còn gọi là tương phản dương (+). + Tác động lên T2 gây nên sự giảm tín hiệu hay là tương phản âm (-).
Giá trị của T1 và T2 thay đổi do sự biến đổi thông số của từ trường dao động cận kề
một hạt nhân.
Tác nhân tương phản thuận từ phổ biến hiện nay chứa ion gel Gd có thể cung cấp một mômen từ vừa đủđể tạo nên hình ảnh rõ ràng hơn sau khi tiêm tĩnh mạch. Vật liệu thuận từ là vật liệu được sử dụng làm chất tương phản rộng rãi hiện nay vì nó có khả
năng làm giảm T1. Vật liệu này không tạo ra độ từ hoá dư sau khi ngưng tác dụng của từ trường ngoài và có độ từ cảm (+) nhưng độ từ cảm tương đối yếu. Các chất thuận từ
phổ biến là: Gd_BOPTA, Gd_EOB_DTPA, MnDPDP,... được các tế bào lành hấp thu vào và làm cho tín hiệu của những mô này thay đổi, trở nên sáng hơn so với mô bệnh, giúp tăng độ tương phản cho ảnh. Tuy nhiên, khi quét trên những mô nhỏ hay những tế
bào ung thư rắn đặc biệt trên cơ thể thì MRI cũng như chất tương phản thuận từ vấp phải một sự hạn chế vì khả năng định vị mục tiêu chữa trị khá kém.
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG Vật liệu sắt từ cũng là một loại vật liệu được sử dụng làm chất tăng cường độ tương phản và có khả năng làm giảm T2. Vật liệu sắt từ có độ từ cảm (+) và cao; tuy nhiên chúng lại có khả năng tạo ra độ từ dư ngay cả sau khi ngưng tác dụng của từ trường ngoài.
Lớp vật liệu từ thứ 3 được sử dụng làm chất tương phản được gọi là chất siêu thuận từ, vật liệu này có tác dụng làm giảm thời gian hồi phục T2. Giống như chất thuận từ, vật liệu siêu thuận từ không duy trì độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài nhưng có
độ từ cảm lớn gần bằng vật liệu sắt từ và lớn hơn nhiều so với vật liệu thuận từ. Nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung phát triển chất tương phản mới để tăng cường độ
tương phản cho ảnh chụp MRI bằng những hạt siêu thuận từ kích thước nanô. Sự có mặt của các hạt nano từ tính ảnh hưởng lên tần số cộng hưởng và sự phục hồi spin trong môi trường xung quanh các hạt nano từ tính. Có thể hiểu một cách đơn giản, các hạt nano này giống như các nam châm cực nhỏ, tạo ra một từ trường phụ tác động trực tiếp lên môi trường xung quanh làm thay đổi tính chất cộng hưởng từ. Vật liệu này có khả năng làm thay đổi thời gian hồi phục của proton và tăng cường độ tin cậy cho chẩn
đoán MRI. Chất tương phản mới còn được gọi là SPIO (hạt siêu thuận từ) hay SPION (hạt nanô siêu thuận từ). Chất tương phản siêu thuận từ SPIO hay SPION có đặc tính là không có độ từ hoá dư sau khi ngắt từ trường ngoài và có độ từ cảm lớn. Những hạt SPION có ảnh hưởng rất lớn vì chúng có thể truyền đi trên một khoảng cách rất xa và có khả năng tăng cường đáng kể ảnh cộng hưởng ở những cơ quan chuyên biệt nhờ
vào những mômen từ cực lớn của chúng. Những phân tử nước chứa trong mô hay bao phủ bên ngoài đóng vai trò như là một máy khuyếch đại hay thăm dò tín hiệu. Những nghiên cứu cũng chứng minh rằng SPION tương tác thuốc trong cơ thể tương đối giống với những chất tương phản khác.
Các hạt nanô siêu thuận từ SPION tạo thành từ ôxit sắt thường được sử dụng như
tác nhân làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từứng dụng trong y – sinh học vì ôxit sắt rất thân thiện với thế giới sinh học, trong đó có con người, ít gây độc hại khi hoạt động trong cơ thể, tự phân hủy qua đường gan. Mặt khác, độ từ hóa bão hòa của chúng lớn nên dễđiều khiển bằng từ trường ngoài.
Hạt nano ôxit sắt có tính siêu thuận từ gây ra sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 được thay thế bằng giá trị T2* với :
2 B Δ γ T 1 T 1 2 * 2 + = (3.5) Trong đó:
ΔB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từ
trường hoặc do sự thay đổi của độ từ cảm.
là thời gian hồi phục ngang khi chưa có SPIO. T2
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG T2* là thời gian hồi phục ngang khi có dùng SPIO, ảnh hưởng đến sự lệch pha nhanh hơn của các spin, cường độ tín hiệu bị suy giảm nên SPIO được gọi là chất tương phản âm (tín hiệu thu được là tối).
Nguyên nhân gây ra T2*: Do các spin tiến động không cùng pha, nên sau một thời
gian độ từ hóa ngang sẽ bằng 0 (các spin không còn kết hợp) nên tín hiệu bị suy giảm. SPIO góp phần làm cho các pha giữa các spin khác biệt nhiều hơn, các spin bị mất pha nhanh hơn, gây ra độ tương phản rõ hơn, là vì SPIO đã tồn tại từ trường riêng xung quanh nó. Khi đặt trong một từ trường ngoài, các mômen từ của spin prôtôn sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài. Vì mômen từ của SPIO không tiến động cùng tần số
với mômen từ của prôtôn nước trong mô tế bào (tần số Larmor), gây ra sự tiến động không đồng nhất với từ trường, các spin bị lệch pha nhanh hơn (không còn kết hợp), sự hồi phục T2 tăng nhanh hơn dẫn đến cường độ tín hiệu suy giảm nhanh.
Các hạt nanô ôxít sắt Fe3O4, γ-Fe2O3 được các tế bào lành hấp thu vào và làm cho cường độ tín hiệu của những mô này suy giảm. Còn các tế bào bệnh thì không hấp thu hạt, do đó cường độ tín hiệu vẫn không đổi. Nhờ gia tăng sự khác biệt giữa tế bào lành và tế bào bệnh mà SPION được xem là chất tăng tính tương phản cho ảnh cộng hưởng từ.
Dựa trên đặc tính của từng mô trên cơ thể, tùy loại mô mà độ hấp thụ hạt nanô mạnh hay yếu. Ví dụ, hạt nanô có kích thước 30nm được bao phủ Dextran có thể
nhanh chóng đi vào gan và lách trong khi các cơ quan khác thì chậm hơn. Như vậy, mật độ hạt nanô ở các cơ quan khác nhau là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn từ
trường địa phương cũng khác nhau, sẽ làm tăng độ tương phản của ảnh cộng hưởng từ
do thời gian hồi phục thay đổi khi đi từ mô này sang mô khác. Phương pháp thông thường để tổng hợp chất tăng cường tương phản siêu thuận từ là đồng kết tủa dung dịch các muối sắt có sự hiện diện của chất phủ polyme, trong đó Sodium Oleate và Dextran là thông dụng nhất.
Rõ ràng, chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) không chỉ là một kỹ thuật chụp ảnh y khoa
được sử dụng một cách rộng rãi để thu được những hình ảnh 3 chiều chất lượng cao của những nội quan trong cơ thể con người trong quá trình chẩn đoán lâm sàng. MRI còn có khả năng cung cấp những hình ảnh có độ nét về chi tiết giải phẫu và nội mô, tạo sự thuận lợi trong quá trình định vị và xác định những mô bệnh trong cơ thể. MRI rất hữu dụng để phát hiện và dò tìm mô ác tính khi có được sự hỗ trợ của tác nhân tương phản.
Khả năng nhận biết tế bào ung thư chuyên biệt thông qua ảnh chụp cộng hưởng từ
với chất tương phản được tiến hành bằng cách gắn kết một số loại kháng nguyên phù hợp lên trên bề mặt của những hạt nanô siêu thuận từ Fe3O4 hay γ-Fe2O3, đã được bao phủ bên ngoài bởi chất có hoạt tính sinh học, mà các kháng nguyên này có thể tạo liên
Luận văn Thạc sĩ BÙI ĐỨC LONG kết với một vị trí đặc biệt trên bề mặt tế bào gây ung thư. Vị trí liên kết đặc biệt trên bề
mặt tế bào sẽ được các kháng thể tìm thấy. Đây là một phương pháp mới đang được chú trọng như là một liệu pháp chẩn đoán chính xác bệnh ung thư thậm chí ngay từ
giai đoạn ủ bệnh.