Browsing by Author "Figiel, Henryk"
Results Per Page
Sort Options
Item Application of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Piędzia, Weronika; Węglarz, Władysław; Burda, Květoslava; Figiel, HenrykPraca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM). Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby. Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1. Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi. Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi. Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo. Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego. Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.Item Magnetic resonance imaging of theranostic drug carriers – from relaxation studies to image contrast assessment(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Łopuszyńska, Natalia; Węglarz, Władysław; Warszyński, Piotr; Figiel, Henryk; Harańczyk, Hubert; Tritt-Goc, JadwigaSzybkie postępy w dziedzinie nanotechnologii umożliwiają połączenie chemioterapeutyków ze środkami do obrazowania i innymi czynnikami terapeutycznymi, co może prowadzić do znacznego ograniczenia przeszkód w wykrywaniu i leczeniu nowotworów. Połączenie środków diagnostycznych i terapeutycznych w jednym nanonośniku określa się mianem „teranostyki”. Zastosowanie dobrze zaprojektowanych środków teranostycznych pozwala na podawanie środków terapeutycznych i diagnostycznych w pojedynczej dawce, dzięki czemu obserwuje się znaczne ograniczenie niekorzystnych różnic w biodystrybucji i selektywności obu czynników, które występują przy wykorzystaniu standardowej dwuetapowej procedury. Głównym celem teranostycznego podejścia w dostarczaniu substancji terapeutycznych jest zatem osiągnięcie znacznie większej kontroli i precyzji w dostosowaniu dawki do indywidualnych potrzeb pacjenta. Celem pracy była ocena potencjału teranostycznego różnych nanonośników pod kątem ich działania kontrastującego w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego. Ze względu na skład i zastosowanie można wyróżnić dwie klasy badanych środków, a mianowicie polielektrolitowe nanokapsułki z wielowarstwowymi otoczkami do dostarczania leków przeciwnowotworowych (paclitaxel lub 5-FU) oraz nanocząsteczki typu rdzeń-powłoka do terapii fototermicznej. W grupie polielektrolitowych nanokapsułek badane były nanonośniki zawierające zarówno standardowe środki kontrastowe skracające czasy relaksacji (środki negatywne i pozytywne), jaki i środki które są wykrywane bezpośrednio poprzez obrazowanie MR na jądrach 19F. W szczególności były to: nanonośniki polielektrolitowe znakowane gadolinem; magnetyczne nanonośniki polikaprolaktonowe z nanocząsteczkami Fe3O4; teranostyczne nanokapsułki z powłoką zawierającą fluorowany polimer (Nafion™), oraz nanokapsułki polielektrolitowe z 5-fluorouracylem, gdzie 5-FU był stosowany zarówno do obrazowania, jak i jako środek terapeutyczny. Natomiast w przypadku nanocząstek typu rdzeń-powłoka Fe3O4@SiO2@Au przetestowano różne warianty kształtu rdzenia i grubości powłoki. W celu wyboru najbardziej optymalnego składu każdego rodzaju analizowanych nanocząsteczek, zbadano skuteczność zsyntetyzowanych nanonośników jako środków kontrastowych do obrazowania MR. W przypadku nanocząstek ze środkami kontrastowymi standardowego typu, opartymi o cząsteczki gadolinu i F3O4, właściwości kontrastowe oceniono za pomocą pomiarów specyficznych relaksywności r1 i r2. Następnie przeprowadzono obrazowanie fantomów żelowych lub wodnych z nanocząsteczkami, aby zaprezentować potencjał kontrastowy badanych nanonośników do obrazowania magnetyczno-rezonansowego i ustalić optymalne parametry sekwencji obrazowania. Dodatkowo, w celu lepszego zrozumienia i wyjaśnienia uzyskanych wyników uwzględniono dane ze spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID. W przypadku nanokapsułek opartych o środki do bezpośredniej detekcji, efekt kontrastowy uzyskano poprzez obrazowanie na jądrach 19F i nałożenie obrazu MR ich rozkładu przestrzennego na standardowy obraz anatomiczny na wykonany na protonach. Skuteczność kontrastowania tych środków (tzw. hot-spot) oceniano na podstawie wartości stosunku sygnału do szumu (SNR) uzyskanego dla obrazów 19F MR. Z tego względu, głównym celem eksperymentów związanych z obrazowaniem na jądrach 19F była optymalizacja warunków obrazowania w celu wiarygodnego określenia lokalizacji środków zawierających 19F. Wykazano, że wszystkie badane teranostyczne nanonośniki wytwarzają wystarczający kontrast do ich wiarygodnego wykrywania za pomocą obrazowania MR. W przypadku relaksacyjnych środków kontrastowych, właściwości kontrastowe oceniano poprzez pomiary specyficznych relaksywności r1 i r2 oraz poprzez ocenę kontrastu bezpośrednio na obrazach MR. Uzyskane wyniki są bardzo obiecujące, ponieważ wartości r1 lub r2 dla prawie wszystkich proponowanych nanonośników były wyższe niż w przypadku zatwierdzonych klinicznie środków kontrastowych. W przypadku środków zawierających fluor kontrast oceniano za pomocą analizy SNR, a uzyskane wyniki sugerują, zwłaszcza w przypadku nanokapsułek z 5-FU, możliwość ich detekcji in vivo w dawce terapeutycznej. Praca składa się z 6 rozdziałów. W pierwszym rozdziale wprowadzającym nakreślono problem badawczy. Rozdział drugi „Podstawy fizyczne i stan wiedzy” przedstawia teoretyczne podstawy przeprowadzonych eksperymentów. Rozpoczyna się on opisem aktualnej wiedzy na temat badanego zagadnienia, prezentując kompleksowy przegląd podobnych badań prowadzonych w tej tematyce. Następnie opisano fizyczne zasady obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, oraz przedstawiono przegląd dostępnych środków kontrastowych MR sklasyfikowanych pod względem mechanizmu ich działania. W rozdziale trzecim „Materiały i metody” przedstawiono opis badanych nanonośników wraz z krótkim opisem składu chemicznego i procesu syntezy. Następnie opisano wykorzystywany sprzęt badawczy oraz zastosowane metody pomiaru i analizy. Rozdział czwarty, „Wyniki eksperymentów”, podzielony jest na trzy części. Pierwsza część poświęcona jest nanonośnikom zawierającym relaksacyjne środki kontrastowe typu superparamagnetycznego. W drugiej części przedstawiono wyniki uzyskane dla nanokapsułek zawierających jony gadolinu, które określane są mianem pozytywnych środków kontrastowych typu relaksacyjnego. W trzeciej części przedstawiono wyniki obrazowania nanonośników zawierających środki kontrastowe do bezpośredniej detekcji oparte na atomach 19F. Rozdział szósty „Dyskusja” zawiera interpretację uzyskanych wyników eksperymentalnych. Składa się z dwóch podrozdziałów: pierwszego, dotyczącego nanonośników opartych na relaksacyjnych środkach kontrastowych; oraz drugiego, dotyczącego obrazowania 19F MR. Rozważania uzupełniono o wyniki spektroskopii Mössbauera i magnetometrii SQUID oraz informacje o potencjale terapeutycznym badanych materiałów (wyniki testów żywotności komórek). Ostatni rozdział, „Wnioski”, stanowi podsumowanie pracy oraz wskazuje najważniejsze wyniki, a cała rozprawa zakończona jest listą odpowiednich odniesień literaturowych.