Zdravotnické noviny

Spojení magnetických částic s polymery rozšiřuje možnosti diagnostiky i terapie.

Pokusy využít magnetické částice a magnetická pole jimi buzená k terapeutickým účelům provázejí lidskou společnost déle, než by se na první pohled zdálo. K nejstarším doloženým snahám – dnes často budícím úsměv – patří např. Avicenovo (10. století) doporučení k perorálnímu užití magnetitu jako protijedu při nahodilém polknutí rzi. Věřil, že suspenze drceného magnetitu v mléce na sebe dokáže nachytat jedovaté železo ze rzi a následně urychlit jeho vyloučení skrze střevo. Ještě před Avicenou však došlo k mnohem rafinovanějšímu použití přírodního magnetitu – k vyjmutí železné štěpiny z oka.

Poslední pokroky v miniaturizaci elektromagnetů a vývoji supravodivých magnetů spolu s nástupem nových typů silných trvalých magnetů velmi rozšířily terapeutické i technické možnosti rozmanitých medicínských disciplín, jako jsou stomatologie, onkologie, kardiologie, neurochirurgie, radiologie apod. Kupříkladu zavedení miniaturního silného trvalého magnetu do špičky katétru umožňuje jeho velmi přesné a citlivé vedení zvnějšku. Ve stereotaktické neurochirurgii se pomocí velmi silných supravodivých magnetů navádějí malé magnetické kapsle uvnitř mozku s přesností na dva milimetry. Navíc intravenózně zavedené magnetické mikro- a nanočástice lze pomocí vnějšího magnetického pole deponovat v cílovém orgánu. Akumulací částic nesoucích chemo- nebo radioterapeutikum v místě působení lze dosáhnout snížení systemické toxicity léčiva a zároveň i případné embolizace cév vedoucích do cílového orgánu. Pro onkologické účely je velmi zajímavá schopnost magnetických částic produkovat teplo ve střídavém magnetickém poli. Pomocí tzv. magnetické hypertermie je možné dosáhnout tepelné ablace hluboce uložených a rozptýlených nádorů.
Vedle aplikací uvedených výše je třeba se zmínit ještě o dvou dalších, kde magnetické částice velmi razantně zasáhly do rutinní praxe, a přesto se stále nedočkaly plného využití svého potenciálu. Jde o zobrazovací magnetickou rezonanci (MRI) a diagnostiku in vitro (laboratorní stanovení biochemických parametrů, enzymů, mikrobů apod.).

Superparamagnetické kouzlo malého rozměru
Pro použití magnetických částic jako nosičů v diagnostice in vitro a v MRI jako kontrastní látky je velmi výhodný zvláštní typ jejich magnetického chování, tzv. superparamagnetismus, který je typický pro částice vhodného složení o velikosti v řádu nanometrů.
Zjednodušeně lze toto chování popsat následovně: superparamagnetického stavu lze dosáhnout zmenšením rozměrů původně fero- nebo ferimagnetického materiálu (vykazuje vlastní spontánní magnetizaci a reaguje silně na okolní pole) pod jistou kritickou mez. Kdybychom tedy přírodní magnetit, přirozeně přitahující železné předměty, řezali na stále menší a menší kousky, dospěli bychom až k hranici kolem 30 nm, kde už materiál není schopen udržet vlastní spontánní magnetizaci (není schopen přitahovat předměty). Pokud jsou však superparamagnetické částice vloženy do vnějšího magnetického pole, vybudí v nich toto pole vnitřní magnetizaci přibližně stejné intenzity, jaké dosahoval původní kus magnetitu. Vybuzenou magnetizaci ovšem částice po vypnutí pole znovu ztratí (přestanou se vzájemně přitahovat) a chovají se podobně jako paramagnetika, která ale na rozdíl od superparamagnetik na vnější pole reagují s mnohem nižší intenzitou. Superparamagnetická částice je tedy magneticky aktivní jen tehdy, když to situace bezprostředně vyžaduje, např. pro její zobrazení nebo manipulaci s ní.

MRI a diagnostika in vitro – rozdílné nároky na povrch částice
Aby mohl být potenciál superparamagnetických částic, vyplývající z jejich fyzikálních vlastností, plně využit, je nutné částice povrchově upravit s ohledem na specifické požadavky aplikace. Polymery se k uvedenému účelu hodí ideálně, protože nabízejí široké možnosti pro nastavení fyzikálně-chemických vlastností povrchů.
Pokud mají magnetické nanočástice sloužit jako kontrastní látka pro MRI, musí polymer na jejich povrchu především zabránit shlukování a následné sedimentaci částic. Zároveň je nutné pomocí polymeru skrýt nanočástice před imunitním systémem, a prodloužit tak jejich cirkulaci v krevním oběhu. Kontrastní látky na bázi nanočástic oxidů železa (magnetitu a maghemitu) s obálkou tvořenou dextranem (přírodním větveným polymerem glukózy) se dnes již rutinně používají k zobrazování jater, sleziny, kostní dřeně a mízních uzlin. Dextranový obal však není zdaleka ideální pro všechny případy použití MRI.
Rozšíření poznatků a technik v oboru buněčné terapie brání mimo jiné to, že implantované buňky nelze prakticky odlišit od okolní tkáně. Při pokusu „nakrmit“ kmenové buňky připravené k implantaci částicemi s dextranovým obalem se však zjistilo, že jejich schopnost proniknout do buňky není dostatečná. Logicky vyvstala otázka, zda se nedá schopnost proniknutí částic do buněk při kultivaci zlepšit použitím jiného obalu. Výsledkem intenzivní spolupráce Laboratoře polymerních částic Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR s Centrem buněčné terapie a tkáňových náhrad jsou tři nové způsoby pokrytí magnetických částic právě pro účely značení buněk a jejich následného postimplantačního zobrazení pomocí MRI.
Výhoda magnetických částic pro diagnostiku in vitro spočívá především v možnosti manipulace částicemi pomocí vnějšího magnetického pole. Tím lze částice shromažďovat na určitém místě a snadno je separovat z původního vzorku k následné analýze. Lze tedy velmi výrazně redukovat jak množství potřebného vzorku, tak i čas nutný k jeho zpracování. Způsob pokrytí nanočástic pro tento účel se však velmi liší od způsobů užívaných k úpravě částic pro MRI.
Na rozdíl od částic pro MRI, kde je důležité, aby každá jednotlivá nanočástice byla pokryta polymerem zvlášť, pro použití v diagnostice in vitro je třeba, aby bylo uvnitř jedné polymerní částice o velikosti kolem 0,5 až 2 µm soustředěno více superparamagnetických jadérek o velikosti přibližně 6 nm. Pokud mikročástice na svém povrchu nese dostatečné množství reaktivních funkčních skupin, lze tyto skupiny snadno použít k imobilizaci enzymů, protilátek, hormonů a jiných biologicky aktivních látek. Mikročástice nesoucí na povrchu chelatující skupiny lze využít k separaci a stanovení některých kovů. Pro analýzu tělních tekutin je důležité, aby magnetická mikročástice měla hydrofilní povrch potlačující nežádoucí nespecifickou adsorpci bílkovin. Bílkoviny, které se „přilepí“ na povrch mikročástice, totiž mohou zakrýt specifickou aktivní skupinu nebo navázanou biologicky aktivní látku, a tím znemožnit specifické stanovení látky nebo mikrobu.
Velmi speciálním případem magnetické částice, jejímuž vývoji se Laboratoř polymerních částic věnuje, je částice připravená z polymerů citlivých na teplotní změny. Tyto polymery totiž se vzrůstající teplotou mění vratně svůj původně hydrofilní charakter na lipofilní – toho lze efektivně využít k separaci a frakcionaci bílkovin a nukleových kyselin. Magnetické nanočástice uvnitř mikročástice z daného polymeru pak umožňují nejen manipulaci mikročásticí díky působení magnetického pole, ale navíc dokážou vyvolat pomocí střídavého magnetického pole zahřátí mikročástice zevnitř, aniž by bylo třeba zahřívat celý vzorek.
Spojením magnetických částic s polymery se tedy daří nejen usnadňovat zavedené postupy, ale také nabízet řešení, která byla dosud prakticky nerealizovatelná.
Ing. Michal Babič, Ing. Hana Macková, Ing. Daniel Horák, CSc., Ústav makromolekulární chemie, Akademie věd České republiky, v. v. i.