Κολοκυθάς Ντούκας Αργύρης Α.Μ. 63

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ Μελέτη των Αλληλεπιδράσεων και των Ιδιοτήτων Μαγνητικών Νανοκρυσταλλιτών Πυκνής Διάταξης με Διπλά Υδρόφιλα Συμπολυμερή για Βιοϊατρικές Εφαρμογές Κολοκυθάς Ντούκας Αργύρης Α.Μ. 63 Π.Μ.Σ. ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ Δρ. ΜΠΑΚΑΝΔΡΙΤΣΟΣ ΑΡΙΣΤΕΙΔΗΣ (Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης των Υλικών) Πάτρα, Οκτώβριος 2014

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΠΥΚΝΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΜΕ ΔΙΠΛΑ ΥΔΡΟΦΙΛΑ ΣΥΜΠΟΛΥΜΕΡΗ ΓΙΑ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ Π.Μ.Σ. ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Κολοκυθάς Ντούκας Αργύρης Α.Μ. 63 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ Δρ. ΜΠΑΚΑΝΔΡΙΤΣΟΣ ΑΡΙΣΤΕΙΔΗΣ (Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης των Υλικών) ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Μπουρόπουλος Νικόλαος Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήματος Επιστήμης Υλικών Τοπογλίδης Εμμανουήλ Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης Υλικών Μπακανδρίτσος Αριστείδης Λέκτορας Τμήματος Επιστήμης Υλικών

4

5 Σε αυτούς που δεν τα παράτησαν και συνεχίζουν

6

7 Ευχαριστίες Η ολοκλήρωση της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας θα ήταν εξαιρετικά δύσκολη χωρίς την βοήθεια και την αμέριστη στήριξη που έλαβα από ένα πλήθος ανθρώπων. Αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών για την οικονομική υποστήριξη του μεγαλύτερου τμήματος των μεταπτυχιακών μου σπουδών, που έκανε την προσπάθεια αυτή απείρως πιο εύκολη. Ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω στον Λέκτορα του τμήματος Επιστήμης Υλικών και επιβλέποντα της μεταπτυχιακής εργασίας, Δρ. Αριστείδη Μπακανδρίτσο για την καθοδήγηση του σε όλα τα βήματα εκπόνησης της παρούσας εργασίας καθώς και για την εμπιστοσύνη που μου έχει δείξει σε αυτά τα τέσσερα παραγωγικά χρόνια της συνεργασίας μας. Επίσης, δε θα ήταν δυνατό να μην ευχαριστήσω όλα τα παιδιά με τα οποία περάσαμε (πολύ) χρόνο στο εργαστήριο και ιδίως τους Αντρέα Σεργίδη, Ηλία Ρουσάλη, Θάνο Σκανδάλη και Νίκο Παπαϊοάννου για την ευχάριστη ατμόσφαιρα που υπήρχε στο εργαστήριο καθώς και τον ερευνητή Ιωάννη Σαριγιάννη για τις πολύτιμες συμβουλές και υποδείξεις που μου παρείχε. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Καθηγητή και διευθυντή του Ινστιτούτου Βιολογικής και Ιατρικής Απεικόνισης (IBMI) του Helmholtz Zentrum στο Μόναχο, Βασίλειο Ντζιαχρίστο, για την ευκαρία πρακτικής άσκησης που μου πρόσφερε καθώς και τους ερευνητές Nicolas Beziere, Antonio Nunes και Josefine Reber για την επίβλεψη και βοήθεια τους στην διεξαγωγή πειραμάτων κατά την διάρκεια της πρακτικής μου, όπως επίσης και το πρόγραμμα Erasmus Placements για την υλοποίηση αυτής της πρακτικής. Τέλος, το μεγαλύτερο ευχαριστώ το χρωστάω σε αυτούς τους ανθρώπους που με στηρίζουν συνεχώς όλα αυτά τα χρόνια.

8

9 Η παρούσα διπλωματική εργασία μεταπτυχιακής ειδίκευσης χρηματοδοτήθηκε από το Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών στα πλαίσια της πράξης «Πρόγραμμα χορήγησης υποτροφιών ΙΚΥ με διαδικασία εξατομικευμένης αξιολόγησης ακαδημαϊκού έτους » από πόρους του Ε.Π. «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου (ΕΚΤ) και του ΕΣΠΑ ( )

10

11 Πίνακας συντομογραφιών NPs: Nanoparticles, Νανοσωματίδια EPR: Enhanced Permeability and Retention effect, φαινόμενο Ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης MagDDS: Magnetic Drug Delivery Systems, Μαγνητικά συστήματα στοχευμένης χορήγησης φαρμάκων DOX: Doxorubicin, Δοξορουβικίνη MDR: Multiple Drug Resistance, Πολλαπλή αντίσταση φαρμάκου MNPs : Magnetic Nanoparticles, Μαγνητικά νανοσωματίδια MRI: Magnetic Resonance Imaging, Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού XRD: Χ-Ray Diffraction, Περίθλαση ακτίνων Χ TEM: Transmission Electron Microscopy, Ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης HR-TEM: High-Resolution Transmission Electron Microscopy, Υψηλής ανάλυσης ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης DLS: Dynamic Light Scattering, Δυναμική σκέδαση φωτός ζp: Zeta Potential, ζ-δυναμικό AMF: Alternating Magnetic Field, Εναλλασσόμενο Μαγνητικό Πεδίο SLP: Specific Loss Power, Ειδικός συντελεστής Απωλειών Ενέργειας ILP: Intrinsic Loss Power, Εγγενής Απώλεια Ενέργειας IEP: IsoElectric Point, Iσοηλεκτρικό σημείο LDV: Laser Doppler Velocimetry UV Vis: Φασματοφωτομετρία Υπεριώδους Ορατού TGA: Thermo Gravimetric Analysis, Θερμοσταθμική ανάλυση VSM: Vibrating Sample Magnetometry, Μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος σ: Αγωγιμότητα I

12 II

13 Περίληψη Στο πεδίο της βιοϊατρικής νανοτεχνολογίας, και ειδικότερα στον τομέα που συνδέεται με την θεραπεία του καρκίνου, υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά με την ανάπτυξη πολυλειτουργικών συστημάτων ικανών να συνδυάσουν εφαρμογές διάγνωσης και θεραπείας (theranostics). Στην παρούσα διπλωματική μεταπτυχιακή εργασία έγινε αξιολόγηση υβριδικών μαγνητικών νανοφορέων οξειδίων του σιδήρου, πυκνής διάταξης ως προς την δυνατότητα τους να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές μεταφοράς βιοδραστικών ουσιών, μαγνητικής υπερθερμίας και απεικόνισης in-vivo μέσω οπτοακουστικών τεχνικών. Επίσης έγινε σύγκριση των μαγνητικών ιδιοτήτων τους σε σχέση με άλλους τύπους μαγνητικών κολλοειδών χαλαρής δόμησης μέσω μαγνητοφόρησης και μετρήσεων υπερθερμίας. Οι μαγνητικοί αυτοί νανοφορείς είχαν αναπτυχθεί και μελετηθεί, μερικώς, στην προπτυχιακή διπλωματική εργασία. Είχε διαπιστωθεί η ικανότητα των νανοφορέων να προσροφούν σημαντική ποσότητα ενός αντικαρκινικού μορίου, κατόπιν όμως το σύστημα έχανε την κολλοειδή του σταθερότητα. Το γεγονός αυτό ήταν αποτρεπτικό για την περαιτέρω μελέτη του ως φαρμοκοφορέα. Προκειμένου να βελτιωθεί η σταθερότητα του συστήματος παρουσία ηλεκτρολυτών (κατιόντων) και του φαρμάκου, αλλά και για να αποκτήσει ικανότητες αντίστασης στην προσρόφηση πρωτεϊνών, επιχειρήθηκε η επικάλυψη με ένα δεύτερο πολυμερικό φλοιό από πολυαιθυλενογλυκόλη μέσω ηλεκτροστατικής σύμπλεξης των νανοφορέων με διπλά υδρόφιλα δισυσταδικά συμπολυμερή PEG-πολυηλεκτρολύτη. Ο πρώτος πολυμερικός φλοιός είναι ένα φυσικός βιογενής πολυηλεκτρολύτης (αλγινικό οξύ). Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των προκυπτόντων συστημάτων μελετήθηκαν μέσω DLS, ηλεκτροκινητικών μετρήσεων και θολερομετρίας προκειμένου να αξιολογηθεί η σταθερότητα τους σε διαλύματα αυξημένης ιοντικής ισχύος, καθώς και μετά την προσρόφηση του αντικαρκινικού μορίου δοξορουβικίνη. Στο τρίτο μέρος της διπλωματικής εργασίας έγινε μελέτη της κυτταροσυμβατότητας των PEG-νανοφορέων, αλλά και in vivo μελέτη της βιοκατανομής τους σε ζωικά καρκινικά μοντέλα, με και χωρίς την εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, για την αξιολόγηση της ικανότητάς τους να στοχεύουν τον καρκινικό όγκο. III

14 IV

15 Abstract In the field of biomedical technology and especially in connection to cancer therapy, there is a special interest for the development of multifunctional nanoplatforms capable to combine simultaneously diagnosis and therapy (theranostics) The present MSc. thesis evaluates the ability and performance of hybrid condensed Colloidal Nanocrystal Clusters as theranostic systems in drug delivery, magnetic hyperthermia and in vivo imaging using Optoacoustic Imaging modalities. Furthermore a comparative study regarding the magnetic properties of the condensed colloidal nanoassemblies with respect to other structures of magnetic colloidal nanoclusters took place by means of hyperthermia and magnetophoresis measurements. These magnetic nanocarriers had been developed and partially studied in the framework of the undergraduate thesis. Their ability ability to adsorb significant quantities of an anticancer agent was evident, but their lack of colloidal stability upon drug loading was prohibiting for further studies as a potential drug nanocarrier. In order to enhance the systems colloidal stability in the presence of electrolytes (cations) as well to minimize its non-specific binding to plasma proteins, the installation of a second polymeric canopy of poly(ethyleneglycol) (PEG) onto the surface of the nanocolloids was successfully attempted through electrostatic self-assembly using double hydrophilic polycationic- PEG block copolymers. The first polymeric shell consists of the natural biogenic polyelectrolyte (alginic acid). The physicochemical properties of the PEGylated nanocarriers were studied through dynamic light scattering, electrokinetic measurements and turbidimetry in order to assess the colloidal stability in high ionic strength media, as well as after the adsorption of the anticancer agent doxorubicin. Cytotoxicity assays were performed in order to assess the biocompatibility of the PEGylated nanocarriers. In vivo experiments in animal cancer models were also performed in order to study the biodistribution of the products with or without the presence of external magnetic fields, and evaluate their tumor targeting ability. V

16 VI

17 Πίνακας Περιεχομένων Πίνακας συντομογραφιών... I Περίληψη... III Abstract... V 1 Εισαγωγικό μέρος Εισαγωγή Theranostics Συστήματα Theranostics βασισμένα σε νανοφορείς Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου Εφαρμογές των Theranostics Ελεγχόμενη χορήγηση μέσω φυσικής και μοριακής στόχευσης Εφαρμογές απεικόνισης Μαγνητική Υπερθερμία Μηχανισμοί απωλειών ισχύος μαγνητικών υλικών Μηχανισμοί υπερθερμίας μαγνητικών νανοσωματιδίων μονής μαγνητικής περιοχής Ειδικός συντελεστής απωλειών ενέργειας (Specific Loss Power-SLP) Εγγενής απώλεια ισχύος (Intrinsic Loss Power-ILP) Οξείδια του σιδήρου Μαγνητίτης και μαγκεμίτης Μορφολογία Μαγνητικές ιδιότητες VII

18 1.7.1 Γενικά Μαγνητικές περιοχές Weiss Σταθερά ανισοτροπίας και υπερπαραμαγνητισμός Κολλοειδή Κολλοειδής Σταθερότητα Μέθοδοι σύνθεσης μαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου Υδρολυτικές Τεχνικές Θερμολυτική μέθοδος Σταθεροποίηση ΜΝΣ μέσω της επιφανειακής τους τροποποίησης Άμεση επιφανειακή τροποποίηση Έμμεση επιφανειακή τροποποίηση (εγκλωβισμός σε κοίλες δομές) Σταθεροποίηση MNPs με διπλά υδρόφιλα συμπολυμερή μέσω μεθόδων αυτό-οργάνωσης και Layer-by-Layer Απόκριση σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία Οργάνωση σε πλειάδες πυκνής και χαλαρής διάταξης Βασικές τεχνικές χαρακτηρισμού Θεωρητικό υπόβαθρο Περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης (TEM) Δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) Επιφανειακό φορτίο κολλοειδών και ηλεκτροκινητικές μετρήσεις Φασματοφωτομετρία Υπεριώδους - Ορατού (UV Vis) Μαγνητομετρία Δονούμενου Δείγματος (VSM) Θολερομετρία (Turbidimetry) VIII

19 2.8 Οπτοακουστική Τομογραφία Πολλαπλών Φασμάτων (Multi Spectral Optoacoustic Tomography-MSOT) Μαγνητοφόρηση Πειραματικό μέρος ΟΡΓΑΝΑ Αντιδραστήρια Σύνθεση μαγνητικών κολλοειδών Σχόλια επί της σύνθεσης Διαδικασία ηλεκτροστατικής σύμπλεξης MagAlg με διπλά υδρόφιλα δισυσταδικά συμπολυμερή Τεχνικές χαρακτηρισμού μαγνητικών νανοφορέων Ανάλυση και επεξεργασία αποτελεσμάτων Φυσικοχημικές ιδιότητες συντιθέμενων νανοφορέων Μελέτη υπερθερμίας Επίδραση της συγκέντρωσης του νανοφορέα Βέλτιστη συγκέντρωση για in vivo εφαρμογή Κολλοειδής σταθερότητα μετά την εφαρμογή υπερθερμίας Αλληλεπίδραση του αλγινικού οξέος με τους μανγητικούς νανοκρυσταλλίτες Μελέτη της αλληλεπίδρασης των νανοφορέων MagAlg με δοξορουβικίνη Ικανότητα δέσμευσης δοξορουβικίνης Αποδέσμευση δοξορουβικίνης Κολλοειδής σταθερότητα νανοφορέων παρουσία NaCl Αλληλεπιδράση του MagAlg μέσω ηλεκτροστατικής σύμπλεξης με διπλά υδρόφιλα συμπολυμερή και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός IX

20 4.6.1 Παράμετροι αλληλεπίδρασης του MagAlg με τα συμπολυμερή Σταθερότητα παρουσία ηλεκτρολυτών Αλληλεπιδράσεις με DOX In vitro μελέτη κυτταροτοξικότητας In vitro και in vivo μελέτη των νανοφορέων με την μέθοδο MSOT In vitro μελέτη In vivo μελέτη Συζήτηση Συμπεράσματα Συζήτηση αποτελεσμάτων χαρακτηρισμού των μαγνητικών νανοφορέων MagAlg Συζήτηση ως προς την σταθεροποίηση των νανοφορέων MagAlg Συζήτηση αποτελεσμάτων in vitro και in vivo μελέτης Συμπεράσματα Μελλοντική εργασία Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι X

21

22

23 Κεφάλαιο 1 o 1 Εισαγωγικό μέρος 1.1 Εισαγωγή Η επιστήμη της νανοτεχνολογίας έχει εξελιχθεί σημαντικά τις τελευταίες δεκαετίες 1 αφού πλέον ο χειρισμός της ύλης στην νανοκλίμακα μπορεί να γίνει αποτελεσματικά και με ακρίβεια, παρέχοντας έτσι τα κατάλληλα εργαλεία στους επιστήμονες για τον σχεδιασμό καινοτόμων υλικών και νανοσυσκευών. Τέτοια νανοσυστήματα συχνά βασίζονται στα νανοσωματίδια. Ο όρος νανοσωματίδια (NPs) αναφέρεται σε σωματίδια των οποίων τουλάχιστον η μία εκ των διαστάσεων τους είναι μεταξύ 1 και 100 nm. Ο λόγος για τον οποίο υπάρχει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον για τα νανοσωματίδια έγκειται στο γεγονός ότι σε αυτά τα μεγέθη τα υλικά παρουσιάζουν ιδιότητες οι οποίες είναι διαφορετικές από αυτές των αντίστοιχων μακροσκοπικών υλικών. Οι δύο βασικότεροι λόγοι αυτής της διαφοράς είναι αφενός μεν η αύξηση της επιφάνειας τους σε σχέση με τον συνολικό όγκο και αφετέρου η επικράτηση των κβαντικών φαινομένων, με αποτέλεσμα να αλλάζουν σημαντικά οι οπτικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες του υλικού 2. Αυτή η εξέλιξη της νανοτεχνολογίας έχει βρει πολλές εφαρμογές σε ποικίλους επιστημονικούς τομείς από τα ηλεκτρονικά και την οπτική, μέχρι την κατάλυση χημικών αντιδράσεων και φυσικά την βιολογία και την ιατρική, διεισδύοντας όλο και περισσότερο στην καθημερινότητα του ανθρώπου 3. Στο σχήμα 1.1 απεικονίζονται μερικοί μόνο από τους τομείς στους οποίους έχουν βρει εφαρμογή τα νανοσωματίδια. Ειδικότερα η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στις επιστήμες της βιολογίας και της ιατρικής παρουσιάζει ολοένα και αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον την τελευταία δεκαετία. Αυτή η εξέλιξη έχει οδηγήσει στην εισαγωγή δύο νέων όρων, της νανοβιοτεχνολογίας που αναφέρεται στον συνδυασμό της νανοτεχνολογίας και της μοριακής βιολογίας και του συγγενικού όρου βιοϊατρική νανοτεχνολογία που περιγράφει την χρήση της νανοτεχνολογίας στον ιατρικό τομέα. Η ανάπτυξη της βιοϊατρικής νανοτεχνολογίας έχει εστιάσει στην ανίχνευση, απεικόνιση και θεραπεία για ασθένειες όπως για παράδειγμα είναι ο καρκίνος, ο διαβήτης και οι νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Ο καρκίνος είναι μία από τις πέντε σημαντικότερες ασθένειες που ευθύνεται για τον θάνατο εκατομμυρίων ανθρώπων κατά την διάρκεια του 20 ου αιώνα και παραμένει μία από τις κύριες αιτίες νοσηρότητας ή/και θνησιμότητας με περισσότερα από 10 εκατομμύρια νέα περιστατικά κάθε χρόνο. Πρόκειται για μία κακοήθη ασθένεια που χαρακτηρίζεται από την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη και διάδοση (μετάσταση) μη φυσιολογικών κυττάρων η οποία αν δεν ελεγχθεί, τότε μπορεί να προκαλέσει το θάνατο. Προκαλείται από εξωγενείς (κάπνισμα, χημικά, ακτινοβολία, κ.α.) αλλά και από ενδογενείς παράγοντες (κληρονομικές μεταλλάξεις, ορμόνες, παθήσεις του ανοσοποιητικού και μεταλλάξεις που προκαλούνται από τον μεταβολισμό). Αυτοί οι παράγοντες δρώντας συνεργατικά ή ξεχωριστά ο καθένας έχουν σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη της καρκινογένεσης 4. 1

24 Σχήμα 1.1: Ορισμένες μόνο από τις εφαρμογές των νανοσωματιδίων 3. Οι σύγχρονοι τρόποι αντιμετώπισης του καρκίνου περιλαμβάνουν χειρουργικές επεμβάσεις, ακτινοβολία και χημειοθεραπεία. Ειδικότερα η χημειοθεραπεία, είναι η πιο συχνή μέθοδος αντιμετώπισης των καρκινικών όγκων 5. Οι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες είναι κυτταροτοξικές ενώσεις που χρησιμοποιούνται για την θεραπεία του καρκίνου, και οι οποίοι στοχεύουν τα γρήγορα αναπτυσσόμενα καρκινικά κύτταρα, μπλοκάροντας μερικές κρίσιμες διεργασίες της διαίρεσης του κυττάρου, σταματώντας έτσι την διαδικασία της μίτωσης και επιπλέον οδηγούν στην απόπτωση του κυττάρου. Οι ογκολόγοι που χορηγούν σήμερα συμβατικά χημειοθεραπευτικά φάρμακα πρέπει να ρυθμίζουν τη δόση του φαρμάκου λαμβάνοντας υπόψιν την σοβαρότητα των ανεπιθύμητων παρενεργειών 6. Όμως με τις συμβατικές μεθόδους χορήγησης τα φάρμακα διασπείρονται μη-ειδικά μέσα στο σώμα, επηρεάζοντας έτσι και καρκινικά αλλά και φυσιολογικά κύτταρα. Με αυτόν τον τρόπο περιορίζεται η δόση του φαρμάκου που φτάνει στον όγκο, επομένως και η αποτελεσματικότητα του. Επίσης η ανεξέλεγκτη δράση των φαρμάκων και στα υγιή κύτταρα προκαλεί τοξικότητα και τελικά χαμηλή ποιότητα ζωής των ασθενών Έτσι η αντιμετώπιση του καρκίνου με συμβατικά μέσα έχει κυρίως παρηγορητικό χαρακτήρα, με πολύ χαμηλά ποσοστά ίασης της ασθένειας και κύριο σκοπό να επάγει την ανακούφιση στον ασθενή. Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας για την ανάπτυξη μεθόδων και τρόπων με σκοπό την στοχευμένη μεταφορά αντικαρκινικών φαρμάκων και την μείωση των ανεπιθύμητων ενεργειών τους μελετάται εκτενώς την τελευταία δεκαετία καθώς επίσης σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον συγκεντρώνει και η ανάπτυξη συστημάτων για την ταυτόχρονη μεταφορά δραστικών ουσιών και απεικόνισης των καρκινικών περιοχών. Αυτή η νέα κατηγορία νανοσυστημάτων ονομάζεται Theranostics

25 1.2 Theranostics Ο όρος theranostics εμφανίστηκε για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία το και επινοήθηκε για να περιγράψει φάρμακα ή μεθόδους τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ταυτόχρονη διάγνωση και θεραπεία. Ένα απλός ορισμός του όρου theranostics που περιγράφηκε από την S. Warner είναι diagnostics plus therapy 14. Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην ιατρική έχει βοηθήσει στην γεφύρωση του χάσματος μεταξύ διάγνωσης και θεραπείας. Παράγοντες βασισμένοι σε νανοσωματίδια για την απεικόνιση και την θεραπεία έχουν διερευνηθεί ξεχωριστά και έχουν εξελιχθεί σε βαθμό όπου είναι πλέον δυνατή η δημιουργία theranostics βασισμένων σε νανοσωματίδια τα οποία είναι ικανά να επιτελέσουν και τις δύο αυτές λειτουργίες (σχήμα 1.2) Συστήματα Theranostics βασισμένα σε νανοφορείς Οι νανοφορείς είναι υπερμοριακά συστήματα (ειδικά σχεδιασμένα νανοσωματίδια) που συνήθως έχουν μέγεθος από nm, και μπορούν ανάλογα με τη σύστασή και τη δομή τους, να έχουν ιδιότητες κατάλληλα σχεδιασμένες για βιοϊατρικές εφαρμογές. Στην βιβλιογραφία υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία νανοφορέων οι οποίοι χρησιμοποιούνται σαν νανό-πλατφόρμες για την ανάπτυξη συστημάτων theranostics. Αν και διακρίνονται από ποικίλα χαρακτηριστικά, όσον αφορά στη σύνθεση τους μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο βασικές κατηγορίες. Σχήμα 1.2: Τα συστήματα theranostics μπορούν να συνδυάσουν πλήθος λειτουργιών με σκοπό την ενοποίηση απεικόνισης και θεραπείας με την χρήση ενός μόνο σύνθετου νανοσωματιδίου. 22 3

26 Οργανικοί νανοφορείς, η σύνθεση των οποίων είναι εξ ολοκλήρου από οργανικά μόρια. Παραδείγματα τέτοιων νανοφορέων είναι τα πολυμερικά νανοσωματίδια 23, τα λιποσώματα, τα μικύλλια, οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα δενδριμερή. Υβριδικοί νανοφορείς, οι οποίοι απαρτίζονται από οργανικά και ανόργανα τμήματα. Ο πιο χαρακτηριστικός τύπος υβριδικού νανοφορέα που χρησιμοποιείται στις βιοϊατρικές εφαρμόγες είναι της μορφής πυρήνα-περιβλήματος (core-shell), όπου ο ανόργανος πυρήνας επικαλύπτεται με έναν πολυμερικό φλοιό ώστε να καταστεί βιοσυμβατός και βιοχημικά ενεργός καθώς και για να ενισχυθεί η σταθερότητα του συστήματος. Οι σημαντικότεροι τύποι υβριδικών νανοφορέων είναι τα νανοσωματίδια χρυσού, οι κβαντικές τελείες, τα μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου και άλλων μετάλλων, μαγνητικά λιποσώματα καθώς και νανοσωματίδια πυριτίας (silica). Σχήμα 1.3: Διαφορετικές μορφές και είδη υβριδικών νανοφορέων Μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου Τα μαγνητικά νανοσωματίδια (MNPs) αποτελούνται κυρίως από οξείδια του σιδήρου και σε μικρότερο βαθμό από μεταλλικό σίδηρο καθώς και άλλα μαγνητικά στοιχεία Όταν το μέγεθος των μαγνητικών νανοσωματιδίων μειωθεί κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο ( ~20 nm για τα MNPs οξειδίων του σιδήρου) τότε τα νανοσωματίδια γίνονται μονής μαγνητικής περιοχής (single magnetic domain) και η μαγνητική διπολική ροπή του συνόλου των ασύζευκτων ηλεκτρονιών θα έχει μία προτιμητέα διεύθυνση 26. Περαιτέρω μείωση του μεγέθους των νανοσωματιδίων έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση του ενεργειακού φράγματος που απαιτείται για την περιστροφή της μαγνητικής ροπής, ώσπου τελικά η θερμική ενέργεια του περιβάλλοντος είναι αρκετή ώστε να προκαλέσει την περιστροφή της μαγνητικής ροπής των νανοσωματιδίων σε τυχαίες διευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται υπερπαραμαγνητισμός και θα αναλυθεί εκτενέστερα σε επόμενη παράγραφο (παρ ). Απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τα υπερπαραμγνητικά σωματίδια δεν εμφανίζουν φαινόμενα μαγνήτισης, ιδιότητα κρίσιμη για την κολλοειδή τους σταθερότητα. Με την εφαρμογή όμως εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, οι μαγνητικές διπολικές ροπές των νανοσωματιδίων ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση του πεδίου και φθάνουν στην μαγνήτιση κόρου σε σχετικά χαμηλές εντάσεις μαγνητικού πεδίου. Η πλειονότητα των μαγνητικών νανοφορέων που χρησιμοποιούνται σε βιοϊατρικές εφαρμογές αποτελούνται από μαγνητίτη και μαγκεμίτη εξαιτίας της πολύς καλής βιοσυμβατότητας που επιδεικνύουν. Η χρήση υπερπαραμαγνητικών νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου (SPIONs) σε εφαρμογές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging-MRI) σαν 4

27 παράγοντες αντίθεσης Τ1 ή Τ2 έχει την δυνατότητα να βελτιώσει σημαντικά την ευαισθησία της συγκεκριμένης μεθόδου Ο χρόνος χαλάρωσης Τ2 των μαγνητικών νανοσωματιδίων καθορίζεται από την μαγνητική τους ροπή και τις ιδιότητες του μέσου που έχει χρησιμοποιηθεί σαν επιφανειακός τροποποιητής 29. Γενικά τα μαγνητικά νανοσωματίδια με υψηλή τιμή μαγνήτισης κόρου, διάμετρο νανοκρυσταλλίτη και λεπτό πολυμερικό φλοιό έχουν υψηλότερους χρόνους χαλάρωσης T2. Ειδικότερα τα SPIONs μεγάλου μεγέθους και υψηλής μαγνήτισης μπορούν να εμφανίσουν έως και 2 τάξεις μεγέθους υψηλότερους χρόνους χαλάρωσης T2 συγκρινόμενα με τα πρώτης γενιάς κλινικώς εγκεκριμένα SPIONs, ενώ ενδιαφέρον ακόμα παρουσιάζει η ιδιότητα τους να αυξάνουν επιπλέον τους χρόνους χαλάρωσης Τ2 μέσω του σχηματισμού νανο-πλειάδων (clustering) 30. Έντονο είναι επίσης το ερευνητικό ενδιαφέρον που έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια σχετικά με την χρησιμοποίηση των MNPs σε εφαρμογές μαγνητικής υπερθερμίας και στόχευσης. Τα μαγνητικά νανοσωματίδια έχουν την δυναμική να παράγουν θερμότητα μέσω της εφαρμογής εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων ιδιότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την in vivo επαγωγή υπερθερμίας Η μαγνητική στόχευση έχει χρησιμοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό σε ποικίλες in vitro εφαρμογές οι οποίες περιλαμβάνουν εφαρμογές κυτταρικού διαχωρισμού 33, διαμόλυνσης γονιδίων και εφαρμογές εμπλουτισμού δειγμάτων σε τεχνικές ανίχνευσης 34. Μεγαλύτερο όμως ενδιαφέρον παρουσιάζει η in vivo εφαρμογή της μαγνητικής στόχευσης καρκινικών όγκων η οποία μπορεί να αποδειχθεί πολύτιμη στην προσπάθεια μεταφοράς βιοδραστικών μορίων σε επιθυμητές in vivo περιοχές στόχους Παράλληλα το ερευνητικό ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συστημάτων ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων βασισμένων σε μαγνητικά νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου παραμένει αμείωτο την τελευταία δεκαετία Εφαρμογές των Theranostics Οι κυριότερες εφαρμογές των theranostics στην διάγνωση και θεραπεία του καρκίνου εστιάζονται στους τομείς της απεικόνισης, στοχευμένης χορήγησης και θεραπείας μέσω επαγωγής υπερθερμίας Ελεγχόμενη χορήγηση μέσω φυσικής και μοριακής στόχευσης Η ελεγχόμενη χορήγηση φαρμακοδραστικών μορίων επιτυγχάνεται μέσω της επιφανειακής τροποποίησης των νανοφορέων ούτως ώστε να καταστεί δυνατή η στοχευμένη και η εκλεκτική χορήγηση φαρμάκων στον πάσχοντα ιστό. Η στοχευμένη χορήγηση επιδιώκεται μέσω δύο κύριων προσεγγίσεων: της φυσικής (παθητικής) και της μοριακής (ενεργούς) στόχευσης ή και μέσω συνδυασμού αυτών Φυσική στόχευση Η φυσική στόχευση εκμεταλλεύεται τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της βιολογίας των καρκινικών όγκων που επιτρέπουν στους νανοφορείς να συσσωρεύονται στην περιοχή του όγκου. Ένα χαρακτηριστικό στο οποίο βασίζεται η φυσική στόχευση είναι το φαινόμενο ενισχυμένης διαπερατότητας και κατακράτησης EPR (Enhanced Permeability and Retention effect) 40. 5

28 Πιο συγκεκριμένα, οι περισσότεροι συμπαγείς όγκοι, εμφανίζουν ιδιαίτερα παθοφυσιολογικά χαρακτηριστικά που δεν παρατηρούνται στους φυσιολογικούς ιστούς, όπως εκτεταμένη αγγειογένεση προκειμένου να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες του όγκου σε οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά. Αυτή όμως η υπερ-αγγείωση που δημιουργείται έχει δομικές ατέλειες, με διεσταλμένα, ακανόνιστα ή διαπερατά αιμοφόρα αγγεία καθώς και κακή λεμφική παροχεύτευση. Επιπλέον τα ενδοθηλιακά κύτταρα των κυτταρικών τοιχωμάτων συχνά παρουσιάζουν μεγάλα κενά. Έτσι αυτή η ελαττωματική αρχιτεκτονική των αιμοφόρων αγγείων του όγκου, σε συνδυασμό με τον ευρύ αυλό τους, έχει σαν αποτέλεσμα την εκτεταμένη διαρροή συστατικών του πλάσματος του αίματος μέσα στον όγκο. Ενώ ταυτόχρονα η κακή λεμφική παροχέτευση του όγκου, οδηγεί στην κατακράτηση αυτών των συστατικών (μακρομόρια, νανοσωματίδια, λιπιδικά νανοσωματίδια) εντός του όγκου Μέσω αυτού του μηχανισμού λοιπόν, οι νανοφορείς μπορούν, όπως τα συστατικά του πλάσματος, να συγκεντρωθούν στον καρκινικό ιστό. Πολύ σημαντικό για την ικανοποιητική συγκέντρωση των νανοφορέων στον στόχο μέσω του EPR είναι η παρατεταμένη κυκλοφορία τους στο αίμα, ώστε σταδιακά να επιτευχθεί αυξημένη στατιστικά ποσότητα των νανοφορέων μέσω της διάχυσης από τα υψηλής διαπερατότητας αιμοφόρα αγγεία του όγκου. Σχήμα 1.4: (a) Απεικόνιση της in vivo κατανομής δεξτράνης (μετά από ενέσιμη χορήγηση της) που δείχνει την διαφορά της διαπερατότητας των αγγείων σε φυσιολογικό και καρκινικό ιστό. (b) Απεικόνιση αγγειακού συστήματος υγιούς (αριστερά) και καρκινικού (δεξιά) ιστού 40 Με βάση αυτό το φαινόμενο έχουν γίνει πολλές προσπάθειες στοχευμένης μεταφοράς και αποδέσμευσης φαρμάκων στην περιοχή του όγκου Έτσι είναι δυνατό να επιτευχθούν τοπικές συγκεντρώσεις φαρμάκων έως και φορές μεγαλύτερες στην περιοχή του όγκου συγκριτικά 6

29 με τους φυσιολογικούς ιστούς, σε ένα διάστημα 1-2 ημερών. Νεότερα πολυμερικά σύμπλοκα, μικκύλια ή λιποσωμικά φάρμακα αντικαρκινικών παραγόντων βασίζονται στο φαινόμενο EPR. Όμως μελέτες έχουν δείξει ότι το φαινόμενο EPR δεν είναι εφαρμόσιμο σε χαμηλού μοριακού βάρους φάρμακα εξαιτίας της γρήγορης διάχυσης τους στην κυκλοφορία του αίματος, ακολουθούμενη από νεφρική κάθαρση 42. Αποτελέσματα ερευνών με λιποσώματα διαφορετικών μέσων μεγεθών, δείχνουν ότι το όριο μεγέθους των σωματιδίων που διεισδύουν στους όγκους είναι περίπου 400 nm, ενώ άλλες έρευνες δείχνουν ότι σωματίδια με διαμέτρους μικρότερες των 200 nm είναι πιο αποτελεσματικά 44. Παρόλο όμως που η φυσική στόχευση αποτελεί τη βάση για την κλινική θεραπεία, ταυτόχρονα παρουσιάζει αρκετούς περιορισμούς. Η στόχευση των κυττάρων μέσα σ έναν όγκο δεν είναι πάντα εφικτή εξαιτίας της μη αποτελεσματικής διάχυσης μερικών φαρμάκων και της τυχαίας φύσης αυτής της προσέγγισης. Αυτός ο περιορισμός βέβαια είναι κοινός με τη συμβατική θεραπεία. Επιπλέον η φυσική στόχευση περιορίζεται επειδή δεν παρουσιάζουν όλοι οι όγκοι το φαινόμενο EPR, και επειδή η διαπερατότητα των αιμοφόρων αγγείων δεν είναι η ίδια σε όλη την έκταση του όγκου Μοριακή στόχευση Η μοριακή στόχευση βασίζεται στη μοριακή τροποποίηση της επιφάνειας των νανοφορέων. Συνήθως μέσω χημικών μεθόδων, επιτυγχάνεται η σύνδεση τους με ποικιλία παραγόντων στόχευσης, οι οποίοι αναγνωρίζονται και συνδέονται από συγκεκριμένους υποδοχείς ή αντιγόνα της επιφάνειας των κυττάρων-στόχων. Αυτοί οι παράγοντες στόχευσης συνήθως είναι πρωτεΐνες (κυρίως αντισώματα και τα κλάσματα τους), κλάσματα νουκλεϊκών οξέων (aptamers), ή άλλοι συνδέτες υποδοχέων (πεπτίδια, βιταμίνες, υδατάνθρακες, κ.α.). Γενικά, όταν χρησιμοποιείται ένας παράγοντας στόχευσης για την πρόσδεση του νανοφορέα σε καρκινικά κύτταρα, είναι αναγκαίο ο συνδέτης να προσδένεται με υψηλή εκλεκτικότητα στα μόρια που εκφράζονται στην επιφάνεια των κυττάρων. Επίσης, για την βελτιστοποίηση της εκλεκτικότητας, κρίνεται σκόπιμο το μόριο στο οποίο θα προσδεθεί ο συνδέτης να είναι υπερεκφρασμένο στην επιφάνεια του κυττάρου στόχου, συγκριτικά με τα φυσιολογικά κύτταρα Μόλις οι νανοφορείς αναγνωριστούν και προσδεθούν στην επιφάνεια των κύτταρων στόχων (μέσω αλληλεπιδράσεων συνδέτη υποδοχέα) τότε, ανάλογα με τον συνδέτη τον οποίο φέρουν, είτε θα πραγματοποιηθεί ενδοκυττάρωση του νανοφορέα, είτε θα παραμείνει προσκολλημένος στην επιφάνεια του κυττάρου. Η 1 η περίπτωση κρίνεται αναγκαία όταν χρειάζεται να γίνει η αποδέσμευση του φαρμάκου εντός του κυττάρου. Ενώ αντίθετα, η δεύτερη περίπτωση πλεονεκτεί σε συμπαγείς όγκους, στους οποίους η αποδέσμευση του φαρμάκου στην επιφάνεια μπορεί να σκοτώσει και τα γειτονικά κύτταρα, τα οποία πιθανόν να μην εκφράζουν τον υποδοχέα με τον οποία θα μπορούσε να προσδεθεί ο νανοφορέας. Τα μειονεκτήματα όμως αυτής της θεραπευτικής οδού, είναι i) το ιδιαίτερα υψηλό της κόστος, αφού σχετίζεται με εξατομικευμένη μοριακή ανάλυση του πάσχοντα ιστού του ασθενούς και ii) η πιθανή επαγωγή αποκρίσεων του ανοσοποιητικού από τους παράγοντες στόχευσης. Δηλαδή έχει παρατηρηθεί ότι όταν οι νανοφορείς εκφράζουν στην επιφάνειά τους μόρια κατάλληλα για στόχευση, τότε μειώνεται ο χρόνος κυκλοφορίας τους στο αίμα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι νανοφορείς να μην προλαβαίνουν να συγκεντρωθούν και να αποδεσμεύσουν το 7

30 φάρμακο εκλεκτικά Η σημασία αυτού γίνεται ακόμα περισσότερο αντιληπτή λαμβάνοντας υπόψη πως η διαδικασία της μοριακής στόχευσης προϋποθέτει την συγκέντρωση των νανοφορέων μέσω του φαινομένου EPR στους συμπαγείς όγκους. Στο σχήμα 1.5 φαίνεται ο τρόπος δράσης των δύο αυτών φαινομένων (παθητικής και ενεργούς στόχευσης). Σχήμα 1.5: Σχηματική αναπαράσταση του μηχανισμού φυσικής στόχευσης (μέσω του φαινομένου EPR) και της μοριακής μέσω της πρόσδεσης συνδετών στην επιφάνεια των νανοφορέων Μαγνητική στόχευση Η προσέγγιση της μαγνητικής στόχευσης προσφέρει μία επιπλέον φυσική οδό στην θεραπεία του καρκίνου, κάνοντας χρήση συστημάτων ελεγχόμενης χορήγησης φαρμάκων βασισμένα σε μαγνητικά νανοσωματίδια. Η βασική αρχή της μαγνητικής στόχευσης, είναι η σύνδεση μίας φαρμακευτικής ένωσης με έναν μαγνητικό νανοφορέα, η ενδοφλέβια χορήγηση του στην κυκλοφορία του αίματος του ασθενούς και εν συνεχεία η ακινητοποίηση της, με την χρήση ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου στην περιοχή στόχο (σχήμα 1.6). Η μέθοδος της μαγνητικής στόχευσης μπορεί να αυξήσει την τοπική συγκέντρωση του φαρμάκου στην επιθυμητή περιοχή κατά αρκετές τάξεις μεγέθους, μειώνοντας έτσι την απαιτούμενη δόση χορήγησης και τις επακόλουθες ανεπιθύμητες ενέργειες από την συστημική κυκλοφορία των χημειοθεραπευτικών παραγόντων στην κυκλοφορία του αίματος. Μελέτες έχουν αναδείξει την αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου σε in vivo εφαρμογές Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η εργασία των C. Alexiou et al. 48 όπου μετά από ενδοαρτηριακή χορήγηση SPIONs συζευγμένων με το χημειοθεραπευτικό μόριο MTO και εφαρμογή μαγνητικής στόχευσης παρατήρησαν εξαπλάσια ποσότητα ΜΤΟ στην περιοχή του όγκου. Ο ex vivo χαρακτηρισμός δειγμάτων ιστού που ακολούθησε επιβεβαίωσε την αυξημένη ύπαρξη SPIONs στην περιοχή του όγκου (σχήμα 1.7). 8

31 Σχήμα 1.6: Η βασική ιδέα της μαγνητικής στόχευσης 49 Σχήμα 1.7: (a) Ακτινογραφία ακτίνων Χ καρκινικού ιστού τύπου VX-2 μετά από μαγνητική στόχευση, είναι ορατή η ύπαρξη νανοσωματιδίων στο αγγειακό σύστημα, (b) εγκάρσια τομή δείγματος επισημασμένου με χρωστική Prussian blue, τα νανοσωματίδια είναι ορατά σαν μπλε σκούρες περιοχές στο αγγειακό σύστημα του όγκου 48. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να συνδυαστεί και με απεικόνιση του ιστού μέσω μαγνητικού συντονισμού, και επομένως να αναδείξει ένα πλεονέκτημα της χρήσης συστημάτων theranostics βασισμένων σε μαγνητικά νανοσωματίδια 50. 9

32 1.4.2 Εφαρμογές απεικόνισης Η έγκαιρη διάγνωση της νόσου στα αρχικά στάδια μπορεί να συντελέσει στην θετική έκβαση ανεξαρτήτως του τύπου της θεραπείας που θα ακολουθηθεί. Οι κυριότερες μέθοδοι απεικόνισης ανατομικών περιοχών που χρησιμοποιούνται σε αυτόν τον τομέα είναι η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography-PET), η Αξονική Τομογραφία Ακτίνων Χ (X-Ray Computed Tomography), η Σπινθιρογραφική απεικόνιση (Single Photon Emission Computed Tomography-SPECT), η Μαγνητική Τομογραφία Πυρηνικού Συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging) και η απεικόνιση με χρήση φθοριζόντων ενώσεων, ενώ τα τελευταία χρόνια έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται και μέθοδοι Οπτο-ακουστικής Απεικόνισης (Photoacoustic ή Optoacoustic Imaging Tomography-PAT). Από τις προαναφερθέντες τεχνικές ιδιαίτερου ενδιαφέροντος χρίζουν οι MRI και PAT λόγω της μηιονίζουσας φύσης τους προσφέροντας έτσι ένα πλεονέκτημα όσον αφορά την ασφάλεια του ασθενούς ενώ ταυτόχρονα είναι σε θέση να παράγουν ανατομικές εικόνες υψηλής ανάλυσης Μαγνητική τομογραφία πυρηνικού συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging, MRI) H μαγνητική τομογραφία πυρηνικού συντονισμού βασίζεται στην ανίχνευση των διεργασιών χαλάρωσης των πυρηνικών σπιν ατόμων υδρογόνου που υπάρχουν στους μαλακούς ιστούς του σώματος (κυρίως από το νερό και το λίπος) μετά την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου παράγοντας στην συνέχεια μία εικόνα αντίθεσης φωτεινών και σκοτεινών περιοχών. Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια μπορούν να μειώσουν τον χρόνο αυτών των διεργασιών χαλάρωσης αυξάνοντας την ευαισθησία της μεθόδου. Παράλληλα μέσω της κατάλληλης τροποποίησης των νανοφορέων με φθορίζοντα μόρια μπορεί να γίνει συνδυασμός διαφορετικών μεθόδων απεικόνισης, ενώ η αύξηση της τοπικής τους συγκέντρωσης στην επιθυμητή περιοχή μπορεί να αξιοποιηθεί για επαγωγή μαγνητικής υπερθερμίας (σχήμα ). Σχήμα 1.8: Διαφορετικές προσεγγίσεις στην ανάπτυξη συστημάτων theranostics 51 10

33 Οπτοακουστική απεικόνιση Η μέθοδος της οπτοακουστικής απεικόνισης είναι μία μη-επεμβατική μέθοδος που συνδυάζει τα οφέλη της οπτικής και μέσω υπερήχων μεθόδων απεικόνισης. Μπορεί να προσφέρει μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης (50-70 mm) συγκριτικά με μεθόδους οπτικής απεικόνισης με μεγάλο πλεονέκτημα τον σχηματισμό εικόνων υψηλής ανάλυσης (~50 μm) σε πραγματικό χρόνο. Οι παράγοντες αντίθεσης που χρησιμοποιούνται σε μεθόδους οπτοακουστικής απεικόνιση μετατρέπουν την προσπίπτουσα ακτινοβολία σε θερμότητα, αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την θερμική διαστολή τους και την επακόλουθη εκπομπή υπερήχων οι οποίοι μπορούν να ανιχνευθούν μέσω αισθητήρων. Για in vivo εφαρμογές χρησιμοποιούνται παράγοντες αντίθεσης οι οποίοι επιδεικνύουν ισχυρή απορρόφηση στην NIR περιοχή του φάσματος. Σε αυτά τα μήκη κύματος η ενδογενής απορρόφηση του ιστού εμφανίζει ελάχιστο επομένως ο παράγοντας αντίθεσης είναι ευκολότερο να ανιχνευθεί 52. Σαν οπτοακουστικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται κυρίως νανοσωματίδια χρυσού εξαιτίας της υψηλής απορρόφησης που παρουσιάζουν καθώς και μόρια NIR χρωστικών συζευγμένα με νανοδομές. Ίδια χαρακτηριστικά απαιτούνται και για τους παράγοντες που χρησιμοποιούνται σε φωτοθερμικές μεθόδους κάνοντας έτσι δυνατό την συνδυασμό απεικόνισης και παραγωγής υπερθερμίας μέσω ακτινοβόλησης. Ταυτόχρονα, μέσω της σύνδεσης SPIONs με NIR χρωστικές μπορούν να παραχθούν παράγοντες αντίθεσης που συνδυάζουν τα οφέλη του MRI και της οπτοακουστικής απεικόνισης Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα υλοποίησης αυτής της ιδέας είναι η εργασία των Yanglong et al. όπου μετά από επικάλυψη νανοσωματιδίων καρβιδίου του σιδήρου με ένα λεπτό στρώμα άνθρακα και την μετέπειτα πρόσδεση πολύ(αιθυλενογλυκόλης) και στοχευτικών παραγόντων συνδύασαν τα οφέλη των υπερπαραμαγνητικών ιδιοτήτων του πυρήνα για MRI απεικόνιση και την ισχυρή απορρόφηση στο NIR του κελύφους άνθρακα για εφαρμογές φωτοθερμίας και οπτοακουστικής απεικόνισης (σχήμα 1.9). Σχήμα 1.9: Σχηματική απεικόνιση σχεδιασμού συστήματος για την ταυτόχρονη απεικόνιση και θεραπεία 54 11

34 1.4.3 Μαγνητική Υπερθερμία Η εφαρμογή εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων μπορεί να οδηγήσει στην αύξηση της θερμοκρασίας των μαγνητικών νανοσωματιδίων λόγω φαινομένων υστέρησης και χαλάρωσης των μαγνητικών διπολικών ροπών. Η εγγενής αυτή ιδιότητα των μαγνητικών νανοσωματιδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές μαγνητικής υπερθερμίας για την αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση του καρκίνου. Η τοπική αύξηση της θερμοκρασίας (~45 ο C) μπορεί να κάνει τα καρκινικά κύτταρα πιο ευαίσθητα στην δράση των χημειοθεραπευτικών παραγόντων 55 ή να προκαλέσει ακόμα και την απόπτωση τους. Επιπλέον, μελέτες αναφέρουν ότι οι υποξικές περιοχές των καρκινικών όγκων παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντίσταση στην ακτινοβολία όμως είναι πολύ πιο ευαίσθητες στην αύξηση της θερμοκρασίας 56. Επομένως ο συνδυασμός των παραδοσιακών μεθόδων με την εφαρμογή υπερθερμίας μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την ενίσχυση της αποτελεσματικότητας των φαρμακομορίων. Σε ένα πρόσφατο παράδειγμα οι Hayashi et al. 57 χρησιμοποιώντας μαγνητικά νανοσωματίδια συζευγμένα με τον χημειοθεραπευτικό παράγοντα δοξορουβικίνη μέσω ενός θερμο-αποκρινόμενου πολυμερούς πέτυχαν σχεδόν πλήρη υποχώρηση του καρκινικού όγκου σε ποντίκια μέσω του συνδυασμού υπερθερμίας και εκλεκτικής αποδέσμευσης του φαρμάκου λόγω της αυξημένης θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε. Στις φωτογραφίες του σχήματος 1.10 αποτυπώνεται η σταδιακή υποχώρηση του όγκου μετά την εφαρμογή υπερθερμίας. Σχήμα 1.10: (a) Φωτογραφία και θερμική εικόνα κατά την εφαρμογή υπερθερμίας. (b) Μέση θερμοκρασία που αναπτύσσεται στην περιοχή του όγκου κατά την διάρκεια AMF μετά την χορήγηση (κόκκινοι κύκλοι, μπλε τρίγωνα) και χωρίς την χορήγηση (γκρι ρόμβοι) μαγνητικών νανοσωματιδίων 57 Η χρήση των SPIONs σαν παράγοντες υπερθερμίας μπορεί να έχει ποικίλα οφέλη έχοντας την ικανότητα να συνδυάσει και απεικονιστικές τεχνικές (πχ MRI) συμβάλλοντας έτσι στην παρακολούθηση της ασθένειας και τον κατάλληλο προγραμματισμό συνέχισης της θεραπείας. 12

35 1.5 Μηχανισμοί απωλειών ισχύος μαγνητικών υλικών Η εφαρμογή εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων υψηλών συχνοτήτων μπορεί να επάγει την θέρμανση υλικών με μονήρη ηλεκτρόνια μέσα από τέσσερεις ανεξάρτητους μηχανισμούς: Ρεύματα Eddy, απώλειες υστέρησης καθώς και μέσω των μηχανισμών χαλάρωσης Neel και Brown. Στα μακροσκοπικά υλικά η παραγωγή των ρευμάτων Eddy επάγεται από την ταχεία εναλλαγή της μαγνητικής ροής και εξαρτάται κυρίως από την ηλεκτρική αντίσταση του υλικού (electrical resistivity) ενώ και η μετατόπιση των τοιχωμάτων bloch των μαγνητικών περιοχών (απώλειες λόγω φαινομένων υστέρησης) μπορεί να επάγει την μετατροπή της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου σε θερμότητα. Η σημασία όμως των ρευμάτων Eddy περιορίζεται σε υλικά μακροσκοπικών διαστάσεων και επομένως έχει μηδαμινή συνεισφορά στην υπερθερμία με την χρήση μαγνητικών νανοσωματιδίων. Οι απώλειες λόγω φαινομένων υστέρησης παραμένουν σημαντικές για νανοσωματίδια μονής μαγνητικής περιοχής (single domain). Όμως καθώς το συνεκτικό πεδίο και η παραμένουσα μαγνήτιση εξαρτώνται από τον όγκο του μαγνητικού νανοσωματιδίου υπάρχει ένα κρίσιμο μέγεθος (το υπερπαραμαγνητικό όριο) κάτω από το οποίο συμβαίνει μία απότομη εξαφάνιση των φαινομένων υστέρησης. Κάτω από αυτό το όριο τα φαινόμενα χαλάρωσης Neel και Brown είναι οι κυρίαρχοι μηχανισμοί για την επαγωγή θερμότητας 58. Στο σχήμα 1.11 περιγράφονται οι βασικοί μηχανισμοί απωλειών λόγω φαινομένων υστέρησης και χαλάρωσης που αναφέρθηκαν παραπάνω Μηχανισμοί υπερθερμίας μαγνητικών νανοσωματιδίων μονής μαγνητικής περιοχής Η επαγωγή θερμότητας σε νανοσωματίδια με μέγεθος μικρότερο αυτού του κρίσιμου ορίου επιτυγχάνεται μέσω της περιστροφή της μαγνητικής ροπής του κάθε σωματιδίου ενάντια σε ένα ενεργειακό φράγμα. Στον μηχανισμό χαλάρωσης Neel η εφαρμογή του μαγνητικού πεδίου είναι ικανή να προκαλέσει περιστροφή της μαγνητικής ροπής (χωρίς την φυσική περιστροφή του σωματιδίου) και η επαναφορά της στη θέση ισορροπίας μπορεί να απελευθερώσει θερμική ενέργεια σαν αποτέλεσμα της αναδιευθέτησης των ατομικών διπόλων της μαγνητικής ροπής εντός του κρυστάλλου. Ο χρόνος χαλάρωσης (ή χρόνος εφησυχασμού) του μηχανισμού Neel περιγράφηκε αρχικά από τον Neel 59 και στη συνέχεια από τον Brown 60 και περιγράφεται μέσω της εξίσωσης 1.1 τ Ν = τ ο 2 kt π ekv kt (εξίσωση 1.1) KV Όπου K είναι η σταθερά ανισοτροπίας, V ο όγκος του σωματιδίου, kτ η θερμική ενέργεια και το τ 0 ~ 10-6 sec. 13

36 Σχήμα 1.11: Μηχανισμοί που εμπλέκονται στις διεργασίες απωλειών ενέργειας των μαγνητικών νανοσωματιδίων υπό την εφαρμογή εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων 61 Στην περίπτωση όμως που η μαγνητική ανισοτροπία του σωματιδίου είναι αρκετά ισχυρή τότε η εφαρμογή του εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου μπορεί να προκαλέσει την φυσική περιστροφή του σωματιδίου με την μαγνητική ροπή να παραμένει σταθερή ως προς τον κρυσταλλικό άξονα του σωματιδίου. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται χαλάρωση Brown και η παραγωγή θερμότητας είναι αποτέλεσμα των τριβών που αναπτύσσονται κατά την περιστροφή του σωματιδίου με το περιβάλλον υγρό λόγω της ιξώδους αντίστασης. Ο χρόνος χαλάρωσης Brown εξαρτάται κατά κύριο λόγο από το ιξώδες η του διαλύματος και από τον υδροδυναμικό όγκο VH του σωματιδίου και περιγράφεται από την εξίσωση 1.2 τ Β = 3ηV H kt (εξίσωση 1.2) Στην πραγματικότητα είναι δυνατή η ταυτόχρονη εμφάνιση και των δύο μηχανισμών με τον χρόνο χαλάρωσης του συστήματος να περιγράφεται από την εξίσωση = (εξίσωση 1.3) τ τ Β τ Ν Από την εξίσωση 1.3 γίνεται εμφανές ότι ο γρηγορότερος μηχανισμός χαλάρωσης είναι και ο κυρίαρχος του συστήματος. Έτσι ο μηχανισμός χαλάρωσης Brown ευνοείται για σωματίδια με μεγάλο όγκο σε υγρά που εμφανίζουν μικρό ιξώδες, ενώ ο μηχανισμός Neel για μικρότερα σωματίδια σε πιο ιξώδη διαλύματα. Το σχήμα 1.12 αποτυπώνει την συνεισφορά των μηχανισμών 14

37 Neel και Brown στον συνολικό χρόνο χαλάρωσης ενός σφαιρικού νανοσωματιδίου μαγνητίτη σε νερό θερμοκρασίας δωματίου 62. Σχήμα 1.12: Χρόνοι χαλάρωσης Neel (τ Ν ) και Brown (τ Β ) για μαγνητικά νανοσωματίδια μονής μαγνητικής περιοχής, με διακεκομμένη γραμμή συμβολίζει τον συνολικό χρόνο χαλάρωσης που δίνεται από την εξίσωση Ειδικός συντελεστής απωλειών ενέργειας (Specific Loss Power-SLP) Ο R. E. Rosenweig με την θεωρητική μελέτη που δημοσίευσε το επιχείρησε να αναπτύξει αναλυτικές σχέσεις και ένα θεωρητικό μοντέλο που να συνδέει την διάχυση των απωλειών ισχύος ενός μαγνητικού νανοσωματιδίου που προκύπτουν σαν αποτέλεσμα της εφαρμογής εναλλασσόμενων μαγνητικών πεδίων. Σε αυτό το μοντέλο, ως ειδικός ρυθμός απορρόφησης (Specific Absorption Rate-SAR) ή ειδικός συντελεστής απώλειας ισχύος (Specific Loss Power-SLP) ορίζεται η ενέργεια που διαχέεται από ένα μαγνητικό νανοσωματίδιο ανά μονάδα μάζας και δίνεται από την εξίσωση 1.4. P = 1 2 ωμ 0χ 0 Η 2 ωτ 1+ω 2 τ2 (εξίσωση 1.4) όπου ω (ω=2πf) και Η η γωνιακή συχνότητα και το μέγεθος του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου αντίστοιχα, μο η μαγνητική διαπερατότητα του κενού και τ ο συνολικός χρόνος χαλάρωσης. Το υλικό θεωρείται ότι αποτελεί ένα σύνολο νανοσωματιδίων με μαγνητική ροπή m, όπου το κάθε ένα από αυτά, απουσία πεδίου, προσανατολίζεται τυχαία στο χώρο. Ως χ0 ορίζεται η μαγνητική επιδεκτικότητα του συνόλου αυτού. Η εξίσωση 1.4 μπορεί να μετασχηματιστεί στην μορφή της εξίσωσης 1.5, η οποία και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμού του πειραματικού SLP στην πλειοψηφία των βιβλιογραφικών αναφορών 64. SLP = Cv Vs dt dt ( 1 m ox ) (εξίσωση 1.5) 15

38 Ο SLP υπολογίζεται σε W/g και στην παραπάνω σχέση mox είναι η μαγνητική μάζα του υλικού η οποία είναι διεσπαρμένη σε μέσο ειδικής θερμοχωρητικότητας Cv, Vs ο όγκος του δείγματος και dt/dt ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας. Ο κλασματικός όρος της εξίσωσης 1.4 οδηγεί σε ένα καθολικό μέγιστο SAR για ωt=1, και συνεπώς η εξίσωση αυτή ορίζει την «κρίσιμη συχνότητα» του συστήματος. Για τιμές αρκετά μικρότερες της κρίσιμης συχνότητας (ωt<<1), η εξίσωση 1.4 μετατρέπεται σε Pωt<<1= ½(ω 2 τμ0χ0η 2 ) και οι απώλειες αυξάνονται εκθετικά από το τετράγωνο τόσο της συχνότητας, όσο και του μεγέθους του εφαρμοζόμενου πεδίου. Για συχνότητες αρκετά υψηλότερες της κρίσιμης (ωt>>1), η εξίσωση 1.4 μετατρέπεται σε Pωt>>1=μ0χ0Η 2 /2τ και κατά συνέπεια το SAR γίνεται ανεξάρτητο της συχνότητας. Οι τυπικές τιμές συχνοτήτων των μαγνητικών πεδίων που χρησιμοποιούνται σε πειραματικές μελέτες έχουν συνήθως εύρος από KHz και ευνοούν χρόνους χαλάρωσης της τάξης των 10-6 sec, επομένως ο μηχανισμός χαλάρωσης Neel τείνει να είναι ο κυρίαρχος για single-domain νανοσωματίδια. Το μοντέλο Rosenweig προβλέπει την εξάρτηση του SLP από ένα πλήθος παραμέτρων όπως το μέγεθος των νανοσωματιδίων, η συχνότητα του μαγνητικού πεδίου, το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου καθώς και η σταθερά ανισοτροπίας των νανοσωματίδιων. Στο σχήμα 1.13 αναπαρίσταται η εξάρτηση του SLP από την συχνότητα του μαγνητικού πεδίου και την διάμετρο του νανοσωματιδίου όπως προβλέπεται από το μοντέλο Rosenweig. Σχήμα 1.13: Ο συντελεστής SLP σαν συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου και της διαμέτρου νανοσωματιδίου μονής μαγνητικής περιοχής στο μοντέλο Rosenweig. Η διακεκομμένη γραμμή αναπαριστά την συνθήκη ωτ = 1 όπου ο SLP μεγιστοποιείται 62 Γενικά όπως προκύπτει από την εξίσωση 1.4 ο SLP είναι ευθέως ανάλογος με το τετράγωνο της έντασης του μαγνητικού πεδίου και όντως υπάρχουν αρκετές πειραματικές μελέτες που επιβεβαιώνουν αυτή την συμπεριφορά Η συνεισφορά της συχνότητας του μαγνητικού πεδίου είναι περισσότερο πολύπλοκη από ότι της έντασης, γενικά όμως για συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε θεραπευτικές εφαρμογές ( KHz) οι διακυμάνσεις που προκύπτουν από την συχνότητα είναι μικρές. Η διάμετρος των νανοσωματιδίων παίζει επίσης πολύ σημαντικό ρόλο αφού το μέγεθος καθορίζει σε μεγάλο βαθμό ποιος μηχανισμός χαλάρωσης θα είναι ο κυρίαρχος, με τον μηχανισμό χαλάρωσης Neel να ευνοείται για μεγέθη από 7-15 nm, 16

39 με τον μηχανισμό χαλάρωσης Brown να ευνοείται για μεγαλύτερα μεγέθη. Η σταθερά ανισοτροπίας των νανοσωματιδίων επίσης έχει σημαντική επίδραση στην θερμική συμπεριφορά των νανοσωματιδίων. Σε νανοσωματίδια με σφαιρική συμμετρία δεν θα υπήρχε κάποιος προτιμητέος προσανατολισμός της μαγνητικής ροπής. Στα πραγματικά νανοσωματίδια όμως πάντα υπάρχει μία ανισοτροπία (είτε κρυσταλλική, είτε σχήματος) η οποία οδηγεί σε κατάσταση ελάχιστης ενέργειας κατά μήκος ενός συγκεκριμένου κρυσταλλικού άξονα. Η ενέργεια μαγνητικής ανισοτροπίας (KV) αναφέρεται στο ενεργειακό φράγμα που απαιτείται να ξεπεραστεί προκειμένου να περιστραφεί (εκτραπεί) η μαγνητική ροπή του μαγνητικού νανοσωματιδίου γύρω από τον αυτόν τον προτιμητέο άξονα συμμετρίας. Αυτό το ενεργειακό φράγμα ευθύνεται και για την περιστροφή Brown αφού όταν είναι αρκετά υψηλό τότε κατά την εφαρμογή εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου είναι πιθανό ολόκληρο το νανοσωματίδιο περιστραφεί ενάντια στις ιξώδεις αντιστάσεις του μέσου όπου βρίσκεται. Ο ρόλος της ανισοτροπίας όμως έχει ισχυρότερη επίδραση στον μηχανισμό χαλάρωσης Neel αφού επηρέαζει εκθετικά το τ Ν, όπως προκύπτει από την εξίσωση 1.1 Στο σχήμα 1.14 αποτυπώνεται η εξάρτηση του SLP και των χρόνων χαλάρωσης Neel και Brown σαν συνάρτηση της διαμέτρου και της σταθεράς ανισοτροπίας νανοσωματιδίων μαγνητίτη. Αξίζει να σημειωθεί η επίδραση που έχει η μεταβολή της σταθεράς ανισοτροπίας (πχ από τα 10 KJ/m 3 στα 25 KJ/m 3 ) στο SLP για δεδομένο μέγεθος νανοκρυσταλλίτη. Σχήμα 1.14: Η επίδραση της σταθεράς ανισοτροπίας K στον χρόνο χαλάρωσης (κάτω διάγραμμα) και τον SLP σαν συνάρτηση του μεγέθους. Η σκιασμένη περιοχή του κατώτερου γραφήματος αντιπροσωπεύει τους χρόνους χαλάρωσης για τους οποίους ισχύει η συνθήκη ωτ = 1 για φάσμα συχνοτήτων khz 62 Ένα ακόμη σημείο στο οποίο πρέπει να δοθεί έμφαση είναι η εξάρτηση του SLP από τον χρόνο χαλάρωσης μόνο μέσω του κλασματικού όρου της εξίσωσης 1.4 και η μεγιστοποίηση αυτού του όρου όταν ικανοποιείται η συνθήκη ωτ = 1. Στο γράφημα του σχήματος 1.15 απεικονίζεται η εξάρτηση του SLP από την μεταβολή του όρου ωτ. Για τιμές ωτ μικρότερες της μονάδας ο χρόνος χαλάρωσης είναι αρκετά γρήγορος επιτρέποντας έτσι την χαλάρωση της 17

40 μαγνητικής ροπής λόγω της θερμικής ενέργειας μέσα στο χρονικό διάστημα που απαιτείται για μία ταλάντωση του μαγνητικού πεδίου. Για τιμές ωτ μεγαλύτερες της μονάδας ο χρόνος που απαιτείται για την χαλάρωση της μαγνητικής ροπής είναι μεγαλύτερος από την ταχύτητα ταλάντωσης του μαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των φαινομένων χαλάρωσης Neel. Άρα για τιμές ωτ >>1, ο κύριος μηχανισμός χαλάρωσης γίνεται ο μηχανισμός Brown. Η μεγιστοποίηση του SLP πραγματοποιείται όταν ωτ=1, όταν δηλαδή ο χρόνος χαλάρωσης της μαγνητικής ροπής ταυτίζεται με την περίοδο της ταλάντωσης του μαγνητικού πεδίου. Σχήμα 1.15: Διάγραμμα μεταβολής του (κανονικοποιημένου) SLP σαν συνάρτηση του γινομένου της συχνότητας και του χρόνου χαλάρωσης ωτ ενός μαγνητικού νανοσωματιδίου σύμφωνα με το μοντέλο Rosenweig. Ο SLP μεγιστοποιείται για ωτ = Εγγενής απώλεια ισχύος (Intrinsic Loss Power-ILP) Αν και η παράμετρος του SLP χρησιμοποιείται ευρέως στην βιβλιογραφία για να αξιολογήσει την αποτελεσματικότητα των μαγνητικών νανοσωματιδίων σαν παράγοντες υπερθερμίας, εντούτοις η εξάρτηση του από εξωγενείς παράγοντες, όπως το μέγεθος και η συχνότητα του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου κάνει την σύγκριση μεταξύ πειραμάτων που έχουν διεξαχθεί σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες εξαιρετικά δύσκολη υπόθεση. Αυτός ο σημαντικός περιορισμός οδήγησε στην εισαγωγή μιας νέας παραμέτρου, η οποία ονομάζεται εγγενής απώλεια ισχύος (Intrinsic Loss Power-ILP) 67 και ορίζεται μέσω της παρακάτω σχέσης (εξίσωση 1.6): ILP = SLP H 2 f (εξίσωση 1.6) Η παράμετρος ILP ουσιαστικά είναι μία κανονικοποιήση του δείκτη SLP και φυσικά δεν είναι πλήρως ενδογενής ιδιότητα του υλικού όμως παραμένει μία καλή προσέγγιση για την αξιολόγηση της ικανότητας μαγνητικών υλικών να επάγουν υπερθερμία για εντάσεις μαγνητικών πεδίων και συχνότητες εφαρμογής μέσα στα θεραπευτικά όρια. Στο διάγραμμα του σχήματος 1.16 απεικονίζεται η εξάρτηση του SLP και του ILP για μαγνητικά νανοσωματίδια 13 nm από την ένταση του μαγνητικού πεδίου (η συχνότητα παρέμενε σταθερή) 68. Παρατηρώντας την μεταβολή του SLP από την αύξηση της έντασης γίνεται εμφανής η σημασία της προσέγγισης του ILP, καθώς παρατηρείται ότι για αρκετά μεγάλο εύρος εντάσεων μαγνητικού πεδίου το ILP μένει σταθερό, σε αντίθεση με το SAR(SLP). 18

41 Σχήμα 1.16: Η μεταβολή των δεικτών SLP και ILP από την ένταση του μαγνητικού πεδίου Οξείδια του σιδήρου Ο μαγνητίτης (Fe3O4), είναι ένα από τα τρία σημαντικότερα οξείδια του σιδήρου μαζί με τον αιματίτη (Fe2O3) και τον βουστίτη (FeO) Μαγνητίτης και μαγκεμίτης Ο μαγνητίτης ανήκει σε μια σημαντική κατηγορία μεταλλικών οξειδίων, που ονομάζονται φερρίτες, και εμφανίζει τις εντονότερες μαγνητικές ιδιότητες από οποιοδήποτε άλλο οξείδιο του σιδήρου. Αποτελεί ένα από τα κυριότερα μεταλλεύματα του σιδήρου. Το σημαντικότερο δομικό χαρακτηριστικό του μαγνητίτη, είναι ότι διαθέτει ιόντα σιδήρου σε δισθενή και τρισθενή οξειδωτική βαθμίδα, με αποτέλεσμα να μπορεί να λειτουργήσει και ως οξειδωτικό και ως αναγωγικό μέσο. Το ορυκτό αυτό είναι μέλος της ομάδας των σπινελίων ΑΒ2Ο4 ( Α= δισθενές άτομο και Β= τρισθενές άτομο) και περιέχει περίπου 72,4% κ.β. σίδηρο (Fe) και 27,6% οξυγόνο (O2). Ο μαγνητίτης κρυσταλλώνεται σε ολοεδρία κατά το κυβικό σύστημα (σχήμα 1.17), έχει χρώμα σκούρο καφέ έως μαύρο και μεταλλική λάμψη. Βρίσκεται σε κοκκώδη και φλοιώδη συσσωματώματα υπό μορφή κόκκων με το όνομα «μαγνητίτης άμμος»