Nanodiagnosztika: Nanopartikulum alapú in vivo képalkotás Kellermayer Miklós Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet
In vivo képalkotás Hand mit Ringen, 1895 Papírtölcsér fluoroszkóp (1895-1905) Röntgen átvilágítás (1940) (1950) Show-fitting fluoroscope (1930-1950) MRI (2000) nanospect/ct (2013)
Multifoton mikroszkópia GERJESZTETT ÁLLAPOT EXCITED STATE Vesekéreg Emisszió Exc. Emisszió λ=350 nm λ=700 nm Exc. Foton Foton GROUND ALAPÁLLAPOT STATE EGYFOTON GERJESZTÉS (1P) KÉTFOTON GERJESZTÉS (2P) Objektív lencse Minta Fókuszpont Zöld: disztális tubulusok Sárga: primer vizelet Vörös: Albumin (véráramlás)
Multifoton mikroszkópia In situ szarkomerikus szerkezet Jelöletlen izomrost Kétfoton mikroszkópos képe 20 µm Jelforrás: miozin filamentum helikális szerkezete Gerjesztés: 1000 nm Második harmonikus generálás (SHG): 500 nm 100 nm 100 nm
Fluoreszcencia tomográfia Proteáz-aktivált fluorofór (ProSense680) felhalmozódása asztmás tüdőben (Nature Methods 5 2008) Felületi gerjesztés (otikai szál array) Nagy gerjesztési hullámhossz Számítógépes képrekonstrukció
Fotoakusztikus mikroszkópia ciklikus Arg-Gly-Asp (RGD): " v # 3 integrinhez kapcsolódik (tumor angiogenezis) PEG linker SWNT Indocianin zöld (ICG). de la Zerda et al. Nano Lett. 10, 2168, 2010.
NanoPET/MRI Tandem PET - MRI (1T) 5.8MBq Na 18 F, egérben, 90 min, csontbeépülés
NanoPET/MRI 18 F-Racloprid ürülési kinetika egér agyban EKG-kapuzott 18 FDG PET/MRI Racloprid: D 2 dopamin receptor antagonista
NanoSPECT/CT Tl-201 Dual-channel SPECT CT: 36 µm voxelméret Valós-idejű CT rekonstrukció (GPU) 99m Tc-DTPA: diethylenetriaminepentaacetic (BBB) - kék/vörös) 99m Tc-HMPAO: hexamethylpropyleneamine oxime (perfúzió) - kék/vörös) 201 Tl-DDC: diethylthiocarbamate (perfúzió) - zöld
NanoSPECT/CT Boa constrictor Osteomyelitis, 99m Tc-MDP (methylene-diphosphonate)
Vizsgálati célok és paraméterek Kísérleti célok: Szerkezet feltárása Folyamatok molekuláris mechanizmusainak megértése Klinikai (diagnosztikus terápiás) módszerek fejlesztése és validálása Mért paraméterek: Tér (lokalizáció, felbontás, szerkezet) Idő (folyamatok, változások) Erők (elektromos, kémiai, mechanikai)
Tér problematikája Tomográfiás képalkotás Felbontás: leképezőrendszer geometriájától függ Diffrakciólimitált képalkotás Meikle et al., Phys. Med. Biol. 50 (2005) R45-R61 DE! Felbontás: hullámhossztól függ AFM: miozin filamentum Fluoreszcencia: PGK - Alexa 488
Idő problematikája DE! Fluoreszcencia - időskála nanoszekundum
Erőtér problematikája Kémiai erőtér koncentráció Elektromos erőtér feszültség, feszültségvektor-változások Mechanikai rugalmasság, erőgenerálás biológia elhanyagolt paramétere
Nanorészecskék Speciális tulajdonságú részecskék, melyek az 1-100 nanométeres mérettartományba esnek. Szén nanocső Fullerén Kvantumpont Liposzóma Polimer nanorészecske Vasoxid nanorészecske
Szén nanocsövek Sumio Iijima, 1991 -nagy aspektus arány -nagy Young modulus -specifikus kémiai aktiválás nem triviális
Fullerének: focilabda 60 db szénatomból Nobel-díj, 1996 Robert F. Curl Jr Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley Buckminster Fuller C60
Vízmolekula csomagolás fullerénbe Kurotobi and Murata, Science, 2011
Kvantumpontok (quantum dots) (CdSe) (ZnS) 20 nm (kémiai aktiválás) Félvezető nanokristályok: Emissziós spektrum a méret függvénye
Kvantumpont jelölés gerjesztési spektrum emissziós spektrum Előnyök: -széles gerjesztési spektrum -hangolható emissziós spektrum -fotokifehéredéssel szemben rendkívül ellenállóak Egér bélhám Vörös: aktin Zöld: Laminin Kék: sejtmag
Szuperparamágneses nanorészecskék
Polimer nanorészecskék Polimer nanorészecske Zrínyi Miklós (biodegradábilis polimérek, poly-asp)
Liposzómák PEG védőréteg Ellenanyag 200 nm Kristályos vegyület a vizes fázisban Lipid kettős réteg Lipid-oldékony vegyület Gyógyszertári forgalomban: Liposzómába csomagolt doxorubicin (Doxyl) SUV MLV MLV
Orvosi alkalmazás stratégiája Diagnosztika + Terápia = Teranosztika
Berlini-kék multimodális nanopartikulum I. Fe(II) sárga Fe(III) barna K+ magenta C szürke O2- - piros Diesbach (Berlin, cca. 1706) AFM: 20-100 nm-es ovoid részecskék Hokusai: The great wave off Kanagawa (cca. 1820) MRI: koncentrációfüggő T1 kontraszt
Berlini-kék multimodális nanopartikulum II. Stabilizálás citráttal Jelölés 201 Tl-al 2 órával a beadás után: felhalmozódás a vesében Alkalmazás: Véragygát-sérülés kimutatása ( 201 Tl) K. Szigeti, D. Máthé (US Patent 61/299,357) nanospect/ct
Berlini-kék multimodális nanopartikulum III. Hosszú időskálájú ürülés (nanospect/ct) C57BL6 egér
Májtumor volumetria nanopartikulumokkal Kémiailag indukált hepatocelluláris carcinoma [ 99m Tc]-MAA - makroaggregált albumin: Kupffer sejtek veszik fel (máj fagocita sejtek) Szegmentációval a tumortérfogat pontosan mérhető Tumor térfogat -ex vivo tumortömeg korreláció validálható
Köszönet Bozó Tamás Brennan Decker Horváth Ildikó Kispetik Katalin Lakatos Eszter Máthé Domokos Szigeti Krisztián European Union's Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n HEALTH-F2-2011-278850 (INMiND)