ייחוס ביולוגי של נשאי ננו-תרופות: יישומים של SEM

קשה להיפטר יתר על המידה בחשיבותם של חלקיקים (NPs) עבור יישומים רפואיים. הם משמשים כסמים, נשאי סמים, סוכני ניגוד וכו '. עם זאת, על מנת להשתמש בסוג מסוים של חלקיק יש צורך לדעת איך ואיפה זה יופץ בכל איבר לאחר היישום וכמה זמן זה ייקח לפני שעזב את האיבר, ולאחר מכן, את הגוף. זה נקרא ייחוס ביולוגי שלה.

תהליך אספקת התרופה ננו-חלקיק יכול להשתנות במידה רבה במורכבותו, החל מתרופות פסיביות שאינן מכוונות לרקמה אלא משתחררות לכל הגוף, ועד למיקוד פעיל יותר של תרופות לאיבר או למיקום מדויקים מאוד. רוב התרופות והטיפולים ישתמשו פילוח פסיבי, אשר עדיין מראה הצלחה רבה בשל חדור משופרת ושמירה (אפקט EPR) בגידולים עם כמויות גדולות של זרימת דם וכמויות גבוהות של דליפת כלי דם. מלבד פילוח פסיבי, פילוח פעיל יכול להיעשות בעיבוד הננו-חלקיקים באמצעות התקשרות של ליגנדים ספציפיים לאתר הגידול, או שניתן לעשות זאת לאחר ההזרקה באמצעות הוספת כוח מגנטי לננו-חלקיקים המגנטיים. שדה מגנטי זה מושך את הננו-חלקיקים מזרם הדם לכיוון האזור הפגוע, ובכך מנמיך את זמן התרופה במחזור הדם ומגדיל את המינון לאזור הפגוע. שיטות משלוח שונות אלה אמורות להשפיע במידה רבה על התפלגות הננו-חלקיקים לאחר הטיפול, וניסוי זה נועד לחקור הן את ההתפלגות הראשונית שלהם והן את הפצתם לאורך זמן.

השיטות הנוכחיות של מדידת התפלגות ננו-חלקיקים כרוכות בדרך כלל בהצמדה של חלקיקי פלואורסצנטיות אל הננו-חלקיקים. בהתאם לריכוז הננו-חלקיקים, גודל אזור היעד ועוצמת הפלואורסצנטיות, ניתן לנתח עכברים שקופים באמצעות הדמיה אופטית בעודם בחיים כדי לקבוע אם החלקיקים נמצאים באזור הנכון. פלואורסצנטיות לאחר המוות יכולה לשמש גם כדי לקבוע את רמות הננו-חלקיקים באיברים שונים של עכברים. עם זאת, שיטות אלה חסרות את הרזולוציה של חלקיקים והצהרה כי הפלואורסצנטיות לא התנתקה מהננו-חלקיקים.

ההדגמה הנוכחית מנצלת מיקרוסקופיית אלקטרונים אחורית (BEM) וניתוח מבוסס ספקטרוסקופיה מפזר אנרגיה (EDS) כדי להבין את ההבחנה הביולוגית של חלקיקים מגנטיים (MENs) בהתאם לגודלם ולזמן המושקע בגוף. MENs במדגם הם חלקיקים בריום וטיטניום magnetoelectric שהוכנסו לאיברים עכבר באמצעות הזרקה ולאחר מכן באופן פסיבי ממוקד לאיברים. העכברים נמצאו מחוסרי הכרה ואיבריהם הוסרו ונשמרו בשבוע, 4 שבועות ו-8 שבועות לאחר ההזרקה. האיברים: הכבד, הטחול, הריאות, הכליות והמוח, נותחו לאחר מכן באמצעות מכונת מיקרוטום והוכנו בשיטות הכנה לדוגמה המתוארות בסרטון החינוכי "הדמיית SEM של דגימות ביולוגיות".  כמצב של סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM), BEM יחד עם ניתוח EDS מספק ניתוח קומפוזיציה ברזולוציה גבוהה המאפשר לזהות חלקיקים בודדים בקוטר של עד 10 ננומטר. בינתיים, הדגמה זו יכולה להמחיש כיצד ניתן להשתמש בגלאים שונים כדי לזהות, לאשר ולמפה אלמנטים וחלקיקים שונים בסביבת מחקר וגם כיצד פרמטרים שונים יכולים להשפיע על התמונה המתקבלת.

התמונות הבאות ממחישות כיצד ניתן לחלץ את נתוני הייחוס הביולוגי מהתמונות. הניגודיות של הננו-חלקיקים מזוהה באמצעות גלאי ה-BSE, כפי שמוצג באיור 1. נתוני EDS, המוצגים באיור 2, מראים היכן אשכולות של טיטניום ובריום תואמים לאזורים בעלי ניגודיות גבוהה בתמונות שנאספו באמצעות גלאי ה-BSE.

איור 1: תמונת אלקטרונים משנית של הריאה (משמאל) ותמונת אלקטרונים backscatter של אותו אזור (מימין).

איור 2: נתוני EDS, המציגים אשכולות של טיטניום ובריום באמצע התחתון ובחלק העליון של התמונה, המתאימים לאזורים בעלי ניגודיות גבוהה שנראו באמצעות גלאי BSE.

בתמונה מורכבת, כפי שמוצג באיור 3, העיגולים האדומים מציינים אזורים בעלי ניגודיות גבוהה ומציעים את המיקומים המכילים חלקיקים. לאחר מכן ניתן לחשב את נפח אזורי הננו-חלקיקים הלבנים ולהיחשב בממוצע על פני גודל האיבר עצמו. זה מספק חישוב של האזור שנכבש על ידי חלקיקים. לאחר מכן, ניתן לצבור נתונים מאיברים מרובים במשך מספר שבועות כדי להראות את התפלגות החלקיקים הממוצעת במיקרון מרובע של התמונה. נתונים אלה מוצגים באיור 4, המציג ירידה כוללת בננו-חלקיקים בגודל 30 ננומטר במהלך 8 השבועות, אינדיקציה לאישור. דבר נוסף שיש לציין הוא הגידול של ריכוז הננו-חלקיקים בכבד לאחר 4 שבועות. זה נותן מידע על איך הגוף מעבד את הננו-חלקיקים, ואת הנדידה הגדולה של חלקיקים לכבד להראות כי הגוף עשוי להיות עיבוד הננו-חלקיקים כרעלנים. זהו מידע חשוב לדעת בעת פיתוח ובדיקת חלקיקים ב vivo.

באופן דומה, נתונים על התפלגות האיברים של חלקיקים בגדלים שונים מוצגים באיור 5. גרף זה מדגים כיצד הגודל המשתנה של הננו-חלקיקים יכול להגדיל את הספיגה הכוללת לתאים של הננו-חלקיקים או להגדיל את קצב הסיווג.

איור 3: מקטעים של התמונה המורכבת שנוצרה באמצעות תוכנת אטלס.

איור 4: Biodistribution של 30 ננו-חלקיקים ננומטריים בריאה, בכבד, בטחול ובכליות לאחר הזרקה בעכבר.

איור 5: ייחוס ביולוגי של חלקיקים בגודל משתנה לאורך זמן.

חלקיקים נמצאים בשימוש נרחב במחקר הנדסי ביו-רפואי ויש להם יישומים כסוכנים הדמיה, אבחון וטיפול. לדוגמה, חלקיקים מפותחים לשימוש באספקת חיסון. על ידי אנקפסולציה של החיסון בננו-חלקיקים, רכיבי החיסון מוגנים מפני השפלה וממריצים תגובה חיסונית מקסימלית.

ביישומי הדמיית תהודה מגנטית, חלקיקים מתכתיים משמשים לעתים קרובות כסוכני ניגוד כדי לדמיין את מבנה הרקמה ואת התפקוד. הם בדיקות אבחון שימושיות בזיהוי של לוחות artherosclerotic.

חלקיקים המשלבים יכולות אבחון וטיפול נקראים תרנוסטיקה. יש חלקיקים בו זמנית לזהות גידולים בשלב מוקדם ולספק סוכנים כימותרפיים.

ניסוי זה הדגים כיצד ניתן להשתמש ב- SEM על מנת לחשב את ההפצה הביולוגית של חלקיקים המוזרקים לגוף לאורך זמן. ניסוי זה ניתן לשכפל על דגימות חלקיקים אחרים או תרביות תאים שיש להם חלקיקים כדרך לנתח ריכוזים, חדירה לתא, או אישור של חלקיקים.

הדגמה זו התמקדה במחקר ומדידת ההפצה הביולוגית של חלקיקים באמצעות SEM. התוצאות של מדידות כאלה יכולות להיות חשובות בתחומים רבים. חברות תרופות ומתקני מחקר יכולים להשתמש במחקרים אלה לפיתוח תרופות ומחקר סוכן ניגודיות.

רשימת חומרים