TIBBİ GÖRÜNTÜLEME VE TERAPİDE YENİ ÇÖZÜM: MANYETİK NANOPARÇACIKLAR

TIBBİ GÖRÜNTÜLEME VE TERAPİDE YENİ ÇÖZÜM: MANYETİK NANOPARÇACIKLAR

Manyetik nanoparçacıklar (MNP), kendilerine özgü fiziksel yapısı ve manyetik duyarlılığı sebebiyle çoğunlukla sağlık alanında tanı ve tedavi amaçlı kullanılmakla birlikte; manyetik ayırma, kimyasal ve biyolojik ajan tespiti, ısıtma ve sıcaklık görüntüleme gibi farklı uygulama alanlarında da kullanılabilmektedir. MNP’lerin yüksek çözünürlükte görüntü sağlama, dışarıdan uygulanan manyetik alan ile spesifik hedeflere yönlendirilme, derinlikten bağımsız olarak sinyal üretme, yüzey yapısı ile farklı moleküllere (örneğin ilaç, antikor, nükleik asit vb.) entegre edilme ve biyouyumlu olma gibi özellikleri bulunmaktadır. Bu nedenle, manyetik nanoparçacıklar tıbbi görüntüleme yöntemlerinde kullanılmak için oldukça uygundur. MNP’ler manyetik rezonans görüntülemede (MRG) görüntü çözünürlüğünü artırıcı yardımcı kontrast ajanı olarak kullanılabildikleri gibi, yeni bir yöntem olan manyetik nanoparçacık görüntüleme (MPG) yöntemi ile doğrudan görüntüleme amaçlı olarak da kullanılabilmektedir.

MANYETİK NANOPARÇACIKLAR VE ÖZELLİKLERİ

Manyetik nanoparçacıklar temel olarak paramanyetik özelliğe sahip bir çekirdek ve bu çekirdeği kaplayan işlevselleştirilmiş bir dış kaplamadan oluşmaktadır.

Merkezde bulunan manyetik çekirdek, dışarıdan bir manyetik alan uygulandığında, uygulanan alan yönünde hizalanarak manyetize olmakta, manyetik alanın olmadığı durumda ise rastgele yönelerek kalıcı bir manyetizasyon oluşturmamaktadır. Manyetik çekirdeğin bileşimi uygulamaya bağlı olmakla birlikte, genellikle yüksek manyetizasyona sahip paramanyetik gadolinyum bazlı kontrast ajanlar (GBKA) ve süperparamanyetik demir oksit (SPDO) nanoparçacıklar kullanılmaktadır. Manyetik nanoparçacıkların birleşmesini, birikmesini ve toksisitesini önlemek amacıyla, biyouyumlu bir dış katman kullanılır. Bu katman ayrıca, parçacıkların vücudun bağışıklık sistemi tarafından algılanarak yok edilmesini engeller. Dextran, carboxydextran veya başka polimerik karbonhidratlar kaplama malzemesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu polimerlere bağlanabilen antikor, ilaç, nükleik asit gibi moleküllerle nanoparçacıkların fonksiyonel hale getirilmesi ve başka uygulama alanlarında da kullanılabilmesi mümkündür. Polimer kaplı MNP’lerin boyutları uygulamaya bağlı olarak değişebilmektedir. Küçük boyutlu MNP’lerin kanda dolaşım süresi uzunken, daha büyük boyutlu polimerler karaciğer ve dalak tarafından tutuldukları için dolaşım süreleri kısadır. Klinik olarak onaylanmış MNP’ler genellikle 10-300 nm arasında büyüklüğe sahiptir.

MANYETİK NANOPARÇACIKLAR İLE TIBBI GÖRÜNTÜLEME

Manyetik Rezonans Görüntülemede MNP Kullanımı

Manyetik rezonans görüntüleme, statik manyetik alan ve radyo dalgaları kullanılarak anatomik görüntülerin oluşturulduğu, günümüzde radyolojide sıklıkla kullanılan bir görüntüleme yöntemidir. MRG’de kuvvetli bir mıknatıs ile statik manyetik alan oluşturularak hidrojen atomlarının manyetik momentlerinin manyetik alan yönünde hizalanması sağlanmaktadır. Bu hizalanma sonrası oluşan manyetizasyon longitudinal manyetizasyon olarak adlandırılmaktadır. Ardından, radyo dalgaları uygulanır. Protonlar uygulanan radyo dalgalarındaki enerjiyi alarak uyarılırlar ve manyetik hizalarından saparlar. Bu sırada oluşturdukları manyetizasyon ise transverse manyetizasyon olarak adlandırılır. Radyo dalgasının kesilmesi ile protonlar aldıkları enerjiyi dışarı vererek manyetik hizalarına geri dönerler. Bu geri dönüş sırasında, longitudunal manyetizasyonun yeniden kazanıldığı süre T1, transverse manyetizasyonun kaybolması için geçen süre ise T2 olarak adlandırılır. Bu süreler, doku tipine göre değişmekte ve MR görüntülerindeki kontrastı sağlamaktadır.

MRG’de kullanılan nanoparçacıklar doğrudan görüntülenememekte, ancak nanoparçacık kullanımı dokuların T1 ve T2 sürelerini değiştirebilmektedir. Böylece, MNP’lerin bulunduğu bölgede farklı bir kontrast yaratılarak, T1 veya T2 ağırlıklı görüntülemelerde açıkça seçilemeyen bölgelerin görüntülenebilmesi sağlanmış olur. Bu durum iltihaplı bölgelerin, tümörlerin, kan damarlarının ve bazı organlar için kan akışının görünürlüğünü iyileştirerek, tanısal doğruluğu artırmaktadır. GBKA, T1 süresini azaltarak, parçacık bulunan bölgede pozitif kontrast yaratarak daha parlak bir görüntü oluşmasını sağlarken, SPDO’lar T2 süresini kısaltmakta ve negatif kontrast yaratarak daha koyu renkte bir görüntüye neden olmaktadır.

GBKA son yirmi beş yılda ana kontrast ajanı olarak klinik uygulamalarda sıklıkla kullanılmıştır. Ancak, böbrek yetmezliği olan hastalarda GBKA uzun süre kan dolaşımında kalmakta ve biyouyumlu dış katman zamanla yok olmaktadır. Serbest kalan gadolinyum iyonları ise dokularda birikmekte ve toksik etki yaratmaktadır. Bu nedenle, GBKA hamilelerde, kanser hastalarında ve kronik böbrek hastalarında kullanılmamaktadır. SPDO nanoparçacıklar ise karaciğerde metabolize olduğu için hamileler ve kronik böbrek hastalarında dahi kullanımının güvenli olduğu değerlendirilmektedir. Bu nedenle SPDO’lar son yıllarda klinik uygulamalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Manyetik Nanoparçacık Görüntüleme (MPG)

Manyetik parçacık görüntüleme (MPG), Gleich ve Weizenecker tarafından 2005 yılında önerilen yeni bir görüntüleme yöntemidir. Bu yöntem henüz klinik çalışmalarda kullanılmamış olup, klinik öncesi deneysel çalışmalar fantom (doku benzeri) malzemeler ve küçük hayvan deneyleri ile yürütülmektedir. Bu görüntüleme yönteminde, genellikle SPDO nanoparçacıklar izleyici madde olarak kullanılmakta ve doğrudan görüntülenmektedir. Manyetik nanoparçacıkların uygulanan manyetik alana bağlı olarak oluşturdukları manyetizasyon tepkisi kullanılarak yüksek çözünürlük ve hassasiyette, gerçek zamanlı, üç boyutlu görüntüler elde edilebilmektedir.

MPG yönteminde, bobinler yardımıyla homojen olmayan ve içerisinde manyetik alan yoğunluğunun düşük olduğu, noktasal ya da çizgisel biçimde manyetik alansız bölge (MAB) oluşturulur. Statik alana ek olarak “sürüş alanı” adı verilen ve düşük frekanslı (kHz mertebesinde) zamana bağlı değişen bir manyetik alan uygulanır. MAB dışındaki nanoparçacıklar yüksek manyetik alan yoğunluğu nedeniyle doygun durumda olup sürüş alanına tepki veremez. MAB civarında bulunan nanoparçacıklar ise sürüş alanına hızlı bir şekilde tepki vererek manyetize olur. Bu manyetizasyon sinyali, alma bobinleri kullanılarak alınır. MAB, görüntüleme bölgesi içinde elektronik ve/veya mekanik olarak taranarak nanoparçacık yoğunluğu ile orantılı bir görüntü elde edilir.

MPG yöntemi, MRG yöntemindeki gibi manyetik alan kullanımını içerdiği ve aynı manyetik nanoparçacıklar MRG’de kontrast ajanı olarak kullanılabildiği için bu iki yöntem sıklıkla karıştırılmaktadır. Ancak bu iki yöntem hem çalışma prensipleri hem de elde edilen görüntüler bakımından birbirinden tamamen farklıdır. MRG’de dokular anatomik olarak görüntülenirken MPG görüntülerinde dokular görünmez, sadece vücuda verilen manyetik nanoparçacıklar görüntülenir. MRG’de elde edilen sinyal hidrojen atomlarının manyetizasyonu kaynaklı oluşurken, MPG’de alınan sinyal ise sadece nanoparçacıkların manyetizasyonundan kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, anatomik görüntü ile nanoparçacık görüntüsü birbirine karışmamakta ve mutlak nanoparçacık yoğunluğuna bağlı görüntüleme yapılabilmektedir. Cihaz yapısı açısından bakıldığında ise, MRG yönteminde mıknatıslar tek yönlü homojen bir statik manyetik alan üretimi için kullanılırken, MPG yönteminde ise statik manyetik alan homojen değildir ve içerisinde manyetik alan yoğunluğunun az olduğu, manyetik alansız bir bölge bulunur. Yaratılan manyetik alanlar birbirinden farklı olduğu için bobin tasarımları birbirinden farklıdır. Ayrıca, manyetik nanoparçacıklar, 1.5 T manyetik alan içerisinde bulunan protonlara göre 10⁸ kat yüksek manyetizasyona ve 10⁴ kat daha hızlı relaksiyon süresine sahiptir. Bu nedenle hem gerçek zamanlı (saniyede yaklaşık 40 kare) hem de yüksek çözünürlüklü (<1 mm), üç boyutlu görüntüler elde edilebilmektedir.

MPG, özellikle damarların görüntülenmesi (anjiyografi) ve damar içi araçların (örn. kateter) vücuda yerleştirilmesi (anjiyoplasti) için umut vaat edici güvenli bir alternatif yöntem olarak görülmektedir. Günümüzde bu işlemler için X-ışınlarının kullanıldığı yöntemler standart olarak kabul edilmiş durumdadır. Ancak bu cihazların yaydığı iyonizan radyasyon potansiyel kanser riski teşkil etmektedir. Ayrıca, hamilelik durumunda bilgisayarlı tomografi (BT) veya X-ışınları ile anjiyografi ve anjiyoplasti yapılamamakta; kronik böbrek hastalarında da kontrastlı BT ve manyetik rezonans görüntüleme yöntemleri uygulanamamaktadır. MPG, biyouyumlu MNP’ler ve zararsız manyetik alanlar kullanarak görüntü sağladığı için güvenli bir yöntemdir. Ayrıca, MNP’lerin dış kaplamasına bağlı olarak, saat mertebesinde uzun süre kan dolaşımında kalma avantajı bulunmaktadır. Daha uzun dolaşım süresi, beyinde kan hacmi ve perfüzyon takibini sağlayarak, inmenin teşhis edilmesine ve tedavisinin planlamasına yardımcı olabilir.

Damar görüntülemeye ek olarak, MPG hücre etiketleme ve izleme için de etkin bir görüntüleme yöntemi olarak değerlendirilmektedir. Hücre etiketleme çalışmaları; dejeneratif durumları, genetik hastalıkları ve fiziksel travmayı iyileştirme potansiyeline sahip olduğu için özellikle kök hücreler üzerine yoğunlaşmıştır. Başarılı bir kök hücre tedavisi için, kök hücrelerin amaçlanan varış noktasına ulaştığının, zaman içerisinde ilgili bölgede kaldığının ve fonksiyonel doku veya organlar oluşturmak için canlılığını sürdürdüğünün doğrulanması gerekmektedir. Ancak kök hücrelerin doku içerisinde invazif olmayan yollarla izlenmesi zordur. Optik tekniklerde sınırlı derinlikleri görüntüleme, pozitron emisyon tomografisi (PET) veya tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi (SPECT) gibi nükleer görüntüleme tekniklerinde ise izleyicilerin sınırlı yarı ömrü ve kümülatif radyasyon dozu gibi etmenler bulunmaktadır. MPG yönteminde ise, MNP’ler ile derinlikten bağımsız, hassas ve yüksek çözünürlüklü bir görüntü oluşturulmaktadır. Damardan verilen kök hücrelerin takip edildiği hayvan deneyleri çalışmalarında, hava-doku arayüzlerinin neden olduğu artefaktlar nedeniyle geleneksel olarak MRG ve ultrason görüntüleme için zor olan akciğerlerde dahi kök hücreler görüntülenebilmiştir.

MANYETİK NANOPARÇACIKLAR İLE TERAPİ

Manyetik Nanoparçacıklar ile Hipertermi

Hipertermi, ısıtma yoluyla tedavi anlamına gelen tıbbi bir terimdir. Bu tedavi yönteminde tümör bulunan bölge yüksek ısıya maruz bırakılarak sıcaklığının yaklaşık olarak 43 °C’ye çıkarılması sağlanır. Uygulanan ısı, tümörlü hücrelerde doğrudan ölüme (apoptoza) sebep olmakla beraber, hücreleri kemoterapi ve radyoterapiye de daha duyarlı hale getirmektedir. Ayrıca, tümörlü hücrelerin vücudun bağışıklık sistemi tarafından tanınmasını sağlayarak tümörlü hücrelere karşı daha etkin bir savunma sağlamaktadır. Hipertermi, uygulandığı bölgenin büyüklüğüne göre tüm vücut, bölgesel ve lokal hipertermi olmak üzere üç başlık altında sınıflandırılabilir. Vücut ve bölgesel hipertermide, uygulanan ısı homojen olarak dağılmamakta ve vücut yüzeyine zarar vermeden derin bölgelere ulaşmakta yetersiz kalmaktadır. Lokal hipertermide ise belirli bir bölge ısıtılmakta, çevresinde bulunan sağlıklı dokulara zarar verilmemektedir. Bu nedenle, hipertermi uygulamalarında ısıtılacak bölgenin belirlenmesi ve odaklı olarak ısıtılması amaçlanmaktadır. Manyetik nanoparçacıkların ısıtılabilme ve lokalize edilme özellikleri bulunduğu için lokal hipertermi için umut vaat edici güvenli bir alternatif yöntem olarak görülmektedir.

Manyetik nanoparçacıklarla hipertermi yönteminde, manyetik nanoparçacıklar tümörlü dokuya pasif ya da aktif hedefleme ile ulaşabilir. Pasif hedeflemede, tümör ve normal dokular arasındaki anatomik ve fizyolojik farklılıklar etkin olmaktadır. Tümörlü dokuları çevreleyen damarların çeperleri nanoparçacıkların sızabileceği şekilde boşluklu bir yapıda olduğu için yüksek geçirgenlik ve alıkoyma etkisine sahiptir. Dolayısıyla, tümörlü dokular sağlıklı dokulara göre daha fazla MNP tutabilir. Ayrıca tümör ortamında yeterli lenfatik drenaj olmamasından dolayı nanoparçacıklar tümörlerde birikebilmektedir. Aktif hedeflemede ise, MNP yüzeyine tümör hücresindeki spesifik işaretleri tanıyıp yüzeye tutunmasını sağlayan algılayıcılar (peptit, antikor, nükleik asit vb.) yerleştirilir. Örneğin, tümörlü bölgelerde normal dokulara nazaran çok daha yüksek oranda bulunan proteinlere (örn. damarlanmayı sağlayan Vasküler Endotelyal Büyüme Faktörü) bağlanan antikorlar nanoparçacıklara entegre edilerek birikim sağlanabilmektedir. Ayrıca, vücut dışından mıknatıslar yardımıyla manyetik alan oluşturularak MNP’lerin bölgesel olarak birikimi sağlanabilmektedir.

Tümörlü bölgede toplanan parçacıkların lokalize olarak ısıtılması için statik ve dinamik (zamana bağlı değişen) manyetik alanlar kullanılır. Lokalizasyon için, içerisinde manyetik alan yoğunluğunun düşük olduğu manyetik alansız bölge (MAB) bulunan statik bir manyetik alan uygulanır. MAB dışındaki nanoparçacıkların manyetizasyonları yüksek manyetik alan yoğunluğu nedeniyle doygun durumda olup ek olarak uygulanan dinamik manyetik alana tepki veremezler. MAB içerisinde bulunan manyetik nanoparçacıklar ise doyuma ulaşmadığı için, uygulanan manyetik alana tepki verebilir. Değişken manyetik alan uygulandığında, MAB’da bulunan parçacıkların manyetik momentleri manyetik alanı takip edecek şekilde hızla değişir. Bu sırada sürtünmeden ve manyetizma eğrisinden kaynaklı enerji kaybı ortama ısı olarak yayılır ve ortam sıcaklığının artmasına neden olur. Böylece, sadece MAB içerisinde bulunan parçacıkların ısıtılması, yani odaklı ısıtma sağlanmış olur.

Manyetik nanoparçacıklarla hipertermide doku derinliğinden bağımsız; odaklı ve kontrollü ısıtma ile tümörlü dokuların tedavisi veya mevcut tedaviye (kemoterapi gibi) yardımcı olmak hedeflenmektedir. Kullanılan nanoparçacıklar biyouyumlu olup, halihazırda klinik geçmişi bulunan parçacıklardır. Ayrıca, MNP’ler MRG ya da MPG ile görüntülenme özelliğine de sahiptir. MPG ile parçacıkların ilgili bölgeye ulaşıp ulaşmadığı, ne kadar süreyle tümörlü bölgede kaldığı ve sıcaklık bilgisi takibi yapılabilmektedir. Bu nedenlerle, manyetik nanoparçacıklarla hipertermi ve tümörlü dokulara etkisi araştırmacılar tarafından yoğun olarak çalışılmaktadır. Manyetik nanoparçacıklarla hiperterminin ilk klinik deneyleri 2003 yılında başlamış olup günümüzde FDA (Food Drug Administraton) onayı alınmıştır; MPG sistemi kullanılarak gerçekleştirilmesi üzerine ise hayvan deneyleri devam etmektedir.

Manyetik Nanoparçacıklar ile Hedefli İlaç İletimi

İlaç tedavisi; doğal, yarı sentetik ve sentetik kimyasalların kullanılması ile hastalığa sebep olan hücrelere zarar verip (ya da öldürüp), hastalığı iyileştirmeyi amaçlayan bir tedavi yöntemidir. Geleneksel olarak kullanılan ilaç uygulama yöntemlerinin (örn. ağızdan ya da damardan alınan ilaçların) bazı yan etkileri vardır. Hastaya verilen ilaçlar, insan vücudu tarafından yabancı madde olarak algılandığı için henüz hastalıklı hücreye etki etmeden boşaltım sistemi tarafından dışarı atılmaya çalışılmaktadır. Dolayısıyla, hastalığın iyileşmesi için gereken dozdan daha fazlasının vücuda verilmesi gerekmektedir. Ayrıca, verilen ilaçlar hastalıklı hücrelerle beraber sağlıklı hücrelere de zarar vermektedir. Bu yan etkileri aşmak için hedefli ilaç iletimi yöntemi önerilmektedir. Hedefli ilaç iletimi yöntemi; ilacın sadece hastalıklı hücrelere etki etmesi için, ilacın hastalıklı bölgeye kontrollü olarak taşınmasını ve ilgili bölgeye ulaştığında aktif hale gelmesini amaçlayan bir yöntemdir. Manyetik nanoparçacıklar, sentezleri sırasında terapötik maddelerle ile birleştirilebilme ve dışardan uygulanan manyetik alan ile yönlendirilebilme özelliklerinden dolayı hedefli ilaç iletimi için potansiyel aday olarak görülmektedir.

Hedefli ilaç iletiminde, terapötik maddeler manyetik nanoparçacıkların biyouyumlu dış kaplamasına entegre edilebildiği gibi, MNP’leri de içeren ortak bir biyouyumlu kapsül içerisinde de sentezlenebilir. Bu sayede ilacın hastalıklı bölgeye ulaşana kadar toksik etki göstermesi veya vücut tarafından dışarı atılması en aza indirilmiş olur.

MNP’lere hastalıklı hücreye özgü algılayıcılar bağlanarak, parçacıkların hastalıklı bölgeye tutunması sağlanabilir. Buna ek olarak, dışarıdan uygulanan bir manyetik alan ile MNP’lerin hastalıklı bölgede toplanmaları ve istenilen süre boyunca o bölgede kalmaları sağlanabilir. Ayrıca, parçacıkların dinamik bir manyetik alan ile ısıtılmasıyla, terapötik maddenin salınımı gerçekleştirilebilir (Şekil 4). Böylece ilacın doğrudan hastalıklı hücreye etki etmesi sağlanır ve sağlıklı hücrelerin gördüğü zarar en aza indirgenmiş olur. İlaç salınım süresi ve ilacın miktarı kontrollü bir şekilde ayarlanarak ilacın etkinliği artırılır. Manyetik nanoparçacıklarla hedefli ilaç iletiminin başarısı hayvan deneylerinde gösterilmiş olup, klinik çalışmalar ise devam etmektedir.

ASELSAN’DA MANYETİK NANOPARÇACIKLARLA GÖRÜNTÜLEME VE TERAPİ

ASELSAN Araştırma Merkezinde, kenarları açık sistem mimarisi önerilmiş ve özgün bir prototip MPG sistemi geliştirilmiştir (Şekil 5). Kenarları açık konfigürasyon, girişimsel operasyonlara imkân sağlamakla birlikte, hastalar için kapalı sistemlere göre daha konforlu bir ortam yaratmaktadır. Bu sistemde, çizgisel bir manyetik alansız bölge elektronik olarak hızlı bir şekilde taranmaktadır. Bu sayede yüksek sinyal gürültü oranı elde edilmekte ve geniş bölgeler kısa sürede taranabilmektedir. 60 mm çaplı bir bölgede tarama yapabilen ASELSAN MPG prototip sisteminde küçük hayvan deneylerinin yapılması mümkün olabilecektir. Sistemde çözünürlük ve hassasiyet ölçümleri yapılmış, damar tıkanıklığı tespitinin yapılabilirliğini göstermek için fantom deneyleri gerçekleştirilmiştir.

Ağustos 2020’de başlatılan öz kaynaklı bir proje ile insan boyutuna uygun bir MPG tarayıcı geliştirmeye yönelik çalışmalara başlanmıştır. Bu tarayıcının manyetik rezonans görüntüleme için kullanımına yönelik araştırmalar da yürütülmeye başlamıştır. Bu sayede, MR görüntüleri ile anatomik bilgi elde edilirken MPG ile de nanoparçacıkların görüntülenmesi mümkün olabilecektir. ASELSAN Araştırma Merkezinde görüntüleme çalışmalarına ek olarak, manyetik nanoparçacıklarla tedavi üzerine çalışmalara da başlanmıştır. Umut vaat eden nanoteranostik ajanlardan biri manyetik nanoparçacık (MNP) yüklü nanokabarcıklardır. Manyetik nanokabarcıklar, manyetik kuvvet ile tümörde birikim sağlamak ve ultrason ve/veya MRG altında tümör ablasyonu için önerilmiştir. Vücuda damardan verilen sıvı dolu nanokabarcıklar buharlaştırılarak mikrokabarcıklara dönüştürülebilmektedir. Bu dönüşüm sırasında veya sonrasında mikrokabarcıklar ile stabil ve ataletsel kavitasyon oluşturularak töropatik etki yaratılabilmektedir. Ancak nanokabarcıkların buharlaştırılması için yüksek frekanslı ve yüksek genlikli ultrason uygulanması gerekmektedir. Proje kapsamında yapılması planlanan çalışmalarla manyetik parçacık görüntüleme ve odaklı ultrason alanında sahip olduğumuz bilgi birikimi ile dünyada ilk defa manyetik parçacık görüntülemeye uygun manyetik nanoparçacık (MNP) yüklü nanokabarcıklar geliştirilecek, düşük frekans ve düşük genlikli ultrason ile odaklı terapi ve görüntüleme uygulamalarının yapılabilirliği araştırılacaktır.