Tổng quan nghiên cứu tổng hợp hạt nano Chitosan-Polyacrylat chứa Gd-DTPA ứng dụng cho ảnh cộng hưởng từ
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
TỔNG HỢP HẠT NANO CHITOSAN-POLYACRYLAT
CHỨA Gd-DTPA ỨNG DỤNG CHO
ẢNH CỘNG HƯỞNG TỪ
Đất hiếm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó nguyên tố Gadolini
được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế. Thuốc đối quang từ với gốc “gadolinium”, dựa vào tính chất
thuận từ tác động lên các proton của phân tử nước, chất chứa nguyên tử Hydro (H) – là nguyên tố cơ
bản trong kỹ thuật chụp cộng hưởng từ, góp phần làm thay đổi độ tương phản của mô được khảo sát.
Hiện nay, công nghệ tổng hợp hợp chất tương phản từ Gd ngày càng được phát triển. Chúng
tôi giới thiệu một số tài liệu nghiên cứu về tổng hợp hạt nano Chitosan-PolyAcrylat chứa Gd-DTPA
cho ảnh cộng hưởng từ.
1. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG GD TRONG Gadolini được sử dụng làm chất tương phản trong
CHỤP CỘNG HƯỞNG TỪ (MRI)
hình ảnh cộng hưởng từ (MRI), để tăng khả năng
hiển thị của các cấu trúc cơ thể bên trong, tức là,
để tăng cường sự khác biệt tương đối của cường
độ tín hiệu giữa hai mô liền kề. Hợp chất của Gd3+
phù hợp với các thử nghiệm lâm sàng (Hình 1
và Bảng 1) và một số sản phẩm đã được thương
mại hóa từ những năm 1980 [1]. Hợp chất của
Gd (phức chất của Gd) đáp ứng một số yêu cầu
cho mục đích chẩn đoán MRI: khả năng sửa đổi
một số tính chất mô liên quan đến độ tương phản
hình ảnh, độ đặc hiệu của mô, thời gian bù hợp lý
(hình ảnh trong cộng hưởng từ), độc tính thấp và
thời gian bảo quản dài.
Chụp cộng hưởng từ (MRI) là một kỹ thuật được
sử dụng rộng rãi để thu được các chi tiết giải
phẫu của các mô mềm do các lợi ích sau: không
ion hóa, vô hại và hình ảnh có độ phân giải cao
với độ tương phản mô mềm khác biệt giữa các
mô khác nhau [1]. Sự tương phản giữa các mô
không giống nhau có thể được tăng cường bằng
cách sử dụng các hợp chất thuận từ. Ngày nay có
ba loại chất tương phản MRI: thuận từ (Gd), siêu
thuận từ (hạt nano oxit sắt) và từ tính. Gd (III)
là một tác nhân thuận từ, với các electron bên
ngoài không ghép cặp, khi ion Gd3+ này kết hợp
với các phân tử axit dietylentriamin penta axetic
(DTPA) tạo ra các cấu trúc dạng phức vòng chelat
Gd-DTPA. Trong quá trình hồi phục, sự tương
tác giữa mômen từ của proton với mômen từ của
các ion thuận từ khiến cho thời gian (T1) bị giảm,
nhờ vậy tốc độ hồi phục (R1) tăng lên.
2. CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HẠT
NANO CHITOSAN - POLYACRYLAT CHỨA
PHỨC GD-DTPA (NP-PATPA)
Hanns-Joachim Weinmann [2] và cộng sự đã
nghiên cứu và thử nghiệm chelat của nguyên tố
đất hiếm gadolini (gd) với diethylenetriamine-
pentaacetic acid (DTPA) tái tổ hợp một phức chất
thuận từ, ổn định mạnh, tương thích tốt ở động
vật. Các chelate gadolini được tổng hợp bằng cách
Việc sử dụng các chất tương phản này là phổ biến
trong hình ảnh y tế như chuẩn đoán ung thư và
khối u lành tính, quét mạch máu, xác định bất
thường tim và phát hiện vỡ hàng rào máu não.
16 Số 66 - áng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Số 66 - áng 03/2021 17
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
ủ Gd2O3 và các phối tử tương ứng. Một huyền tích trong dung dịch axit. Các đặc tính từ tính
phù gồm 43,5 g Gd2O3 và 94,5 g DTPA trong 1,2L in-vitro (thử nghiệm trong ống nghiệm) của NP-
nước được khuấy, đồng thời được đun nóng đến PATPA đã được nghiên cứu để ước tính mức độ
90oC đến 100oC, trong 48 giờ. Vật liệu không hòa sử dụng của nó trong hình ảnh cộng hưởng từ.
tan sau đó được lọc bỏ, và dịch lọc được làm bay Khi sử dụng NP-PATPA trong MRI có kết quả
hơi cho đến khi khô. Việc bổ sung N-metylglu- tốt hơn về độ tương phản và nồng độ chất tương
camin thu được các muối tan trong nước của che- phản tăng lên ở gan và não theo thời gian. Do
late Gd. Dung dịch 0,5 mol/L của dimeglumine- đó, NP-PATPA có thể duy trì lưu thông dài, tốc
Gd-DTPA có áp suất thẩm thấu là 49,8 atm (1,94) độ lưu thông cao và là tác nhân phù hợp để chụp
osmol/kg và độ nhớt 2,9 mPa.s được đo ở 37oC. cộng hưởng từ trong in-vivo (thử nghiệm trong
Các ion gadolini tự do không thể phát hiện được cơ thể sinh vật sống).
(dưới 0,01%) bằng cách sử dụng xylenol da cam
làm chất chỉ thị. Dung dịch nước gadolini clorua
và diatrizoate được sử dụng làm dung dịch đối
chiếu. Phức gadolini có từ tính mạnh làm giảm
hydroproton ngay cả ở nồng độ thấp (dưới 0,01
Hình 2. Tổng hợp hạt nano CS–PAA NPs chứa
Gd-DTPA [2]
mmol/L). Dược động học của gadolini diethyl-
enetriaminepentaacetic (Gd-DTPA) tiêm tĩnh
mạch tương tự như các thuốc tương phản iốt nổi
tiếng được sử dụng trong chụp cắt lớp và chụp
động mạch, nó được bài tiết chủ yếu qua thận
hơn 90% trong 24 giờ. Liều gây chết trung bình
(LD50) tiêm tĩnh mạch của muối meglumine
(C7H17NO5) của Gd-DTPA là 10 mmol/kg đối với
chuột và cho thấy không có sự phân ly của ion
gadolini từ phối tử DTPA. Sự kết hợp của phức
chất với phục hồi proton mạnh, ổn định, bài tiết
nước tiểu nhanh và dung lượng cao tạo điều kiện
cho sự phát triển hơn nữa và tiềm năng ứng dụng
lâm sàng của gadolini-DTPA như một chất tăng
cường tương phản trong hình ảnh cộng hưởng từ.
Jeyarama S. Ananta [4] nghiên cứu chất tương
phản chứa hạt nano Gd để sử dụng làm tác nhân
tăng thời gian lưu giữ hình ảnh T1 trong MRI.
Các chất tương phản hình ảnh cộng hưởng từ
hiện đang được thiết kế bằng cách sửa đổi các đặc
tính cấu trúc và hóa lý của chúng để cải thiện tính
phục hồi và tăng cường độ tương phản hình ảnh.
Ở đây, nhóm tác giả trình bày một phương pháp
chung để tăng tính phục hồi bằng cách giam giữ
chất tương phản từ vào bên trong cấu trúc nano
của các các hạt silicon. Tăng cường hiệu quả đã
được hiển thị cho ba Gd-CA khác nhau: Mag-
nevist (MAG), phức hợp polyaminocarboxylate
Gd3+ được sử dụng lâm sàng và hai tác nhân ưa
béo dựa trên cấu trúc nano cacbon, gadofuller-
enes (GFs) và gadonanotubes (GNTs) (Hình
3a–c). Các SiMP được chế tạo vi mô bằng cách
sử dụng kết hợp quang khắc và khắc điện hóa,
cho phép kiểm soát kích thước, hình dạng và độ
xốp của các hạt. Hình dạng có thể là bán cầu, bán
cầu hoặc hình đĩa, với đường kính hiệu dụng từ
600 nm đến vài micromet. Đường kính của các lỗ
có thể được điều chỉnh trong khoảng từ 3 nm (lỗ
nhỏ) đến 100 nm (lỗ lớn). Trong nghiên cứu này,
Arsalan Ahmed [3] và cộng sự đã tổng hợp và xác
định đặc tính của hạt nano Chitosan - Polyacrylat
chứa phức Gd-DTPA để chụp ảnh cộng hưởng từ.
Quá trình tổng hợp các hạt nano chitosan - poly-
acrylat chứa phức Gd-DTPA (NP-PATPA) được
tổng hợp dựa trên phương pháp trùng hợp điều
chế chitosan - polyacrylat, sau đó mới hấp phụ
phức Gd- DTPA (Hình 2). Tính chất của hạt NP-
PATPA là hạt hình cầu với kích thước hạt khoảng
220nm. NP-PATPA có đặc tính đảo ngược điện
18 Số 66 - áng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
các Gd-CA được nạp vào bên trong các lỗ nano trúc nano silicon, tốc độ hồi phục proton r1 tăng
của các hạt bán cầu (H-SiMP), với đường kính theo chiều dọc đã được quan sát: Magnevist, r1 ≈
danh nghĩa là 1,6 mm và dày 0,6 mm, và các hạt 14 mM-1.s-1 /Gd3+ (~8,15.10+7 mM-1 .s-1 /cấu trúc)
discoidal (D-SiMP), có đường kính danh nghĩa (Hình 3); gadofullerenes, r1 ≈ 200 mM-1.s-1 /Gd3+
1,0 mm và dày 0,4 mm (Hình 1d, e). Các lỗ rỗng (~7.10+9 mM-1 .s-1 /cấu trúc); gadonanotubes, r1 ≈
có đường kính trung bình nằm trong khoảng từ 150 mM-1.s-1 /Gd3+ (~2.10+9 mM-1 .s-1 /cấu trúc).
30 đến 40 nm đối với cả hai loại SiMP, con số này Các giá trị này lớn hơn khoảng 4 đến 50 lần so
lớn hơn một chút trong các hạt discoidal so với với phức chất đơn của Gd (~4 mM-1.s-1 /Gd3+). Sự
trong hạt bán cầu.
tăng cường độ tương phản được quy cho sự giam
giữ hình học của các tác nhân tương phản, ảnh
hưởng đến hành vi thuận từ của các ion Gd3+. Do
đó, việc giam giữ ở quy mô nano các chất tương
phản chứa gadolini đặt ra hướng nghiên cứu mới
để tăng cường độ tương phản trong chụp cộng
hưởng từ.
Gd-CAs được nạp bằng cách cho SiMPs khô tiếp
xúc với dung dịch nước đậm đặc của CAs, sau đó
được hút vào các lỗ xốp bằng hoạt động của mao
quản. Hai quy trình nạp khác nhau được sử dụng
trong nghiên cứu này, (i) một bước và (ii) nạp tuần
tự, trong đó SiMP được tiếp xúc nhiều lần với
dung dịch đậm đặc của Gd-CAs. Để phân tích độ a-c: Biểu diễn C14H18GdN3O10 ( Gd-DTPA hoặc
ổn định của cấu trúc nano, việc giải phóng GNT Magnevist) (a), ống nano cacbon chứa bất kì loại
từ SiMPs bão hòa được đo ở 2 và 24 giờ. Lượng Gd trong chụp cộng hưởng từ (gadofullerenes -
ion Gd3+ được giải phóng theo thời gian nằm dưới GFs) (b) và ống nano cacbon chứa Gd3+ (gadona-
giới hạn phát hiện của phép đo phổ phát xạ quang notubes – GNTs) (c).
học - plasma kết hợp cảm ứng (ICP-OES). Đối
với tất cả các chất tương phản giam giữ trong cấu
d, e: Quét các vi sóng điện tử của Gd được đặt
Hình 3. Các cấu trúc nano MRI mới
Số 66 - áng 03/2021 19
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
trong cấu trúc xốp của vi hạt silicon tiêm nội mạch và nước, sau đó làm đông khô. Đo phổ hồng ngoại
hạt hình bán cầu (H-SiMP): đường kính, 1,6 mm; Fourier Transformation (FT-IR) được ghi lại trên
độ dày, 0,6 mm) (d) và hình đĩa (D-SiMP): đường máy quang phổ FT-IR của Nicolet (6700, ermo
kính, 1,0 mm; độ dày, 0,4 mm) (e).
Nicolet Corporation, Waltham, MA, USA). Kết
quả được mô tả trong Hình 4.
f: Phim chụp cho thấy Magnevist, GF và GNTs
(trái sang phải) được đặt trong cấu trúc xốp của
vi hạt silicon tiêm nội mạch (SiMPs). Sự giam giữ
hình học của các chất tương phản hóa học chứa
Gd giúp tăng cường độ tương phản của tác nhân
T1 bằng cách thay đổi cả các đóng góp bên trong
và bên ngoài hình cầu. [4]
Hình 4. Phổ FT-IR của các hạt nano Gd-DTPA, chi-
tosan và Gd @ chitosan được điều chế bằng cách hòa
tan 2,5% (w/v) chitosan trong dung dịch nước 23%
Gd-DTPA ở tốc độ 30.000 vòng/phút trong 9 phút
(Hình A). Hình ảnh TEM của hạt nano Gd- chitosan
được điều chế bằng 23% Gd-DTPA (Hình B)
Hình 5. (a) Cấu trúc của chitosan [poly (β1-4-d-
glucosamine)]. (b) Cấu trúc của chitosan liên kết
ngang [5]
Chitosan là polyamit thẳng (Hình 5), có hằng
số phân ly axit (pKa) khoảng từ 6,1 đến 6,3 tùy
thuộc vào khối lượng phân tử, nồng độ và mức
độ ion hóa. Các nhóm amin có sẵn trong cấu
trúc phân tử phản ứng hóa học với axit tạo thành
muối. Chitosan không tan ở pH kiềm (pH > 7 ở
25oC) và trung tính (pH = 7 ở 25oC); ở pH axit
(pH < 7 ở 25oC), các nhóm amin bị proton hóa và
điều này chuyển chitosan thành một polyme đa
hóa, do đó thúc đẩy khả năng hòa tan. Chitosan ở
cấu trúc nano, với tính năng quan trọng là tương
thích sinh học và có khả năng phân hủy sinh học,
có thể được sử dụng như một chất dẫn thuốc tiềm
năng [5]. Để tạo cấu trúc nano chitosan gắn các
loại phức chất khác nhóm nghiên cứu đã sử dụng
phương pháp nhỏ giọt (Hình 6). Chính những
hạt chitosan này là cơ sở cho các nghiên cứu gắn
các nhóm chức, các chất tương phản hóa học như
Gadolini, oxit sắt từ,… để ứng dụng trong chụp
Các hạt nano chitosan nạp Gd-DTPA được điều
chế theo phương pháp liên kết giọt nhũ tương do
Tokumitsu và cộng sự phát triển. Jie-Jun Cheng
cùng cộng sự đã áp dụng [7] và có một số thay
đổi nhỏ: 2,5% (w/v) chitosan được hòa tan trong
dung dịch nước Gd-DTPA (thay đổi nồng độ Gd-
DTPA từ 5 - 23%) có chứa 1% (v/v) axit axetic. 5
mg dung dịch này được thêm vào 60 mL parafin
lỏng chứa 5% (v/v) Span-85 và khuấy mạnh bằng
máy khuấy có cánh khuấy hoặc máy đồng hóa tốc
độ cao (T10, IKA, Staufen, Đức) trong 3-5 min ở
1500 - 30.000 vòng/phút để tạo thành nhũ tương
nước trong dầu (w/o). Một nhũ tương w/o khác
chứa 5 –15% NaOH 3M được điều chế theo quy
trình tương tự. Hai nhũ tương w/o được trộn bằng
cách khuấy trong 3-9 phút ở 1500 - 30.000 vòng/
phút. Hỗn dịch thu được được ly tâm ở 3000 vòng
phút trong 60 phút, rửa ba lần bằng toluen, etanol
20 Số 66 - áng 03/2021
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Hình 6. Sơ đồ điều chế hạt chitosan bằng phương pháp nhỏ giọt và hình ảnh chụp hạt chitosan được
tạo ra bằng kính hiển vi điện tử
cộng hưởng từ.
Tại Việt Nam, cho đến nay việc chế tạo các hạt
nano nói chung và hạt nano từ nói riêng đã được
tập trung nghiên cứu theo hai phương diện:
Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu định hướng
ứng dụng. Các kết quả nghiên cứu sâu sắc được
công bố chủ yếu từ các cơ sở nghiên cứu mạnh
như: Trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học
Bách khoa Hà Nội và Viện Hàn lâm Khoa học và
công nghệ Việt Nam. Gần đây các ứng dụng của
hạt nano từ trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt
là trong chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cộng
hưởng từ MRI đã thu hút được sự quan tâm của
các nhà khoa học trong nước. Nhóm nghiên cứu
tại học viện khoa học công nghệ đã chế tạo chất
lỏng từ trền nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng
ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [8].
Nghiên cứu đã chế tạo thành công chất lỏng từ
trên nền hạt Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt
bọc bằng polyme tự nhiên chitosan (CS) và đã tối
ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất từ.
Mẫu chất lỏng Fe3O4 – CS tạo thành có độ bền
cao trong môi trường sinh lý [9,10].
Tác nhân tương phản (CA) đóng một vai trò nổi
bật trong hình ảnh cộng hưởng từ trong y học.
CA MRI chủ yếu được sử dụng để cải thiện phát
hiện bệnh bằng cách tăng độ nhạy và độ tin cậy
chẩn đoán. Nhóm nghiên cứu hợp chất nano của
ion Gd3+ trong các ống nano carbon đơn vách siêu
ngắn (Hình 7); các loại ống chứa Gd3+ này là nam
châm phân tử siêu thuận từ tuyến tính với hiệu
quả chụp cộng hưởng từ (MRI) lớn hơn 40 đến
90 lần so với chất tương phản chứa Gd3+ trong sử
dụng lâm sang hiện nay [6].
Hình 7: (a) Mô tả về một ống nano carbon được
nạp các ion Gd3+ ngậm nước. (b) Hình ảnh HR-
TEM của các ống chứa Gd3+ n hiển thị các cụm
(mũi tên) Gd3+ n được hình thành trong các ống
được xác nhận bằng các phép đo EDS. (c) Hình
ảnh Cryo-TEM của các ống Gd3+ n từ dung dịch
chất hoạt động bề mặt SDBS 1%
3. KẾT LUẬN
Công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, nhưng các
nghiên cứu chủ yếu xoay quanh các nguyên tố quý
Số 66 - áng 03/2021 21
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
hiếm (Ag), các nguyên tố bán dẫn và một số kim agents. Chem. Commun., 2005, 3915–3917. DOI:
loại thông dụng (Fe). Trong khi đó phức Gadolini 10.1039/b504435a
được sử dụng làm chất tương phản trong hình
[7] Jie-Jun Cheng (2012) Gadolinium-chitosan
ảnh cộng hưởng từ (MRI), để tăng khả năng hiển
nanoparticles as a novel contrast agent for poten-
thị của các cấu trúc cơ thể bên trong. Nghiên cứu
tial use in clinical bowel-targeted MRI: a feasibil-
tổng hợp hạt nano Chitosan-Polyacrylat chứa Gd-
ity study in healthy rats. Acta Radiol; 53(8):900-7.
DTPA cho ảnh cộng hưởng từ có ý nghĩa thực tế.
doi: 10.1258/ar.2012.110017
Tuy nhiên để có thể cạnh tranh với các sản phẩm
[8] Lê ế Tâm (2019). Nghiên cứu chế tạo chất
thương mại trên thị trường đòi hỏi những điều
lỏng từ trên nền oxit sắt siêu thuận từ định hướng
kiện vô vùng khắt khe, vì vậy nghiên cứu cần có
ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ MRI. Luận án
thời gian và sự hỗ trợ của các ban ngành.
tiến sỹ.
Ngô Quang Huy, Lưu Xuân Đĩnh
[9] Vu i u, An Ngoc Mai, Le e Tam,
Trung tâm Công nghệ đất hiếm
Hoang Van Trung, Phung i u, Bui Quang
Tien, Nguyen Tran uat, Tran Dai Lam. Fabri-
cation of PDMS-Based microfluidic devices: Ap-
pliaction for synthesis of magnetic nanoparticles.
Journal of electronic materials (SCI), Q2, IF2017
1.579. Vol 45, Issue 5, 2016, pp 2576-2581. DOI
10.1007/s11664-016-4424-6.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Peter Caravan (1999) Gadolinium(III) Che-
lates as MRI Contrast Agents: Structure, Dynam-
ics, and Applications. Chem. Rev. 99, 2293−2352
[10] Le e Tam, Nguyen Hoa Du, Le Trong
Lu, Phan i Hong Tuyet, Nguyen Quoc ang,
Nguyen i Ngoc Linh, Nguyen i Hai Hoa,
Tran Dai Lam. Magnetic Fe3O4 nanoparticle im-
aging T2 contrast agent synthesized by optimized
hydrothermal method. Submited to Royal Society
of Chemistry Advances (SCI), 2019, Q1, IF2017
2.936 (Under Review).
[2] Hanns-Joachim Weinmann, (1984) Charac-
teristics of Gadolinium-DTPA Complex: A Po-
tential NMR Contrast Agent. AJR: 142. 619-623.
[3] Arsalan Ahmed (2015) Fabrication and Char-
acterization of Gd-DTPA-Loaded Chitosan–
Poly(Acrylic Acid) Nanoparticles for Magnetic
Resonance Imaging, Macromol. Biosci. DOI:
10.1002/mabi.201500034.
[4] Jeyarama S. Ananta (2010) Geometrical con-
finement of gadolinium-based contrast agents in
nanoporous particles enhances T1 contrast. Na-
ture nanotechnology. Vol 5: 815-821
[5] Sunil A. Agnihotri (2004) Recent advances on
chitosan-based micro- and nanoparticles in drug
delivery. Journal of Controlled Release 100: 5–28
doi:10.1016/j.jconrel.2004.08.010
[6] B. Sitharaman (2005) Superparamagnetic ga-
donanotubes are high-performance MRI contrast
22 Số 66 - áng 03/2021
Bạn đang xem tài liệu "Tổng quan nghiên cứu tổng hợp hạt nano Chitosan-Polyacrylat chứa Gd-DTPA ứng dụng cho ảnh cộng hưởng từ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tong_quan_nghien_cuu_tong_hop_hat_nano_chitosan_polyacrylat.pdf