Polymeric Nanostructures in MRI Contrast Agents
No Thumbnail Available
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-09-19
Department
Major/Subject
Bioinformaatioteknologia
Mcode
ELEC-3016
Degree programme
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
32
Series
Abstract
Magnetic resonance imaging MRI is a popular non-invasive technique for injury and disease diagnosis, and the clarity of the images is enhanced with contrast agents (CAs). Metal elements, such as gadolinium (Gd), manganese (Mn), and iron (SPION-particles) are used as the base of MRI CAs. Gd exposure is linked to health risks, such as nephrogenic systemic fibrosis (NSF). Therefore, polymeric nanoparticles are researched to improve the performance and safety of the commercial CAs. Several polymeric nanoparticles are suitable for medicine due to their small size, biocompatibility, reduced toxicity, targeted delivery possibilities, effective biodistribution, and the ability to carry a variety of physiochemically different drugs. Polymeric nanoparticles are either synthetic or natural, and this thesis focuses on the synthetic ones. The CAs are most often incorporated into hollow nanocapsules, solid nanospheres, or radially expanded micelles. The CA is conjugated with covalent bonds to the polymer, adsorbed to the nanoparticle surface, or encapsulated inside the particle. Additionally, SPIONs are often modified with polymer coating on the surface. The conjugation site and chemical bonds determine the stability of the polymer-CA particle. A possible controlled release of the CA particle can be adjusted to detail, to target a specific tissue, organ, tumor, or injury. Poly(Lactic acid)-Poly(Glycolic acid) (PLA-PEG) is a commonly used copolymer in medical nanotechnology due to its safety, amphiphilicity, and strength. PLA-PEG is already used in a variety of therapeutic drugs. The properties are easy to modify by adjusting the PLA/PEG ratio. PLA-PEG is researched for Gd, Mn, and SPIONs in different nanoparticles, and the results report improved efficiency compared to pure CA particles. Polymeric nanoparticles provide a possibility for perfectly personalized imaging and therapy since tumor-targeting drugs can be incorporated into the same carrier as the polymer. Nanotechnology is an advantageous tool to improve health and well-being, but the most promising findings are related to cancer therapy. Non-modified agents still dominate the market, and nanotechnology on CAs can reach the clinical state with a substantial financial commitment to research.Magneettikuvantamista (MRI) hyödynnetään laajasti sairauksien sekä vammojen diagnosointiin ja hoitoon, sillä menetelmä tuottaa tarkkoja kolmiulotteisia kuvia ilman ionisoivaa säteilyä. Magneettikuvan kontrastia tehostetaan annostelemalla elimistöön varjoainetta, joka reagoi kuvantamislaitteen indusoimiin magneettikenttiin. Kliiniseen käyttöön hyväksytyt varjoaineet sisältävät lantanoidimetalleja, joiden irtoaminen varjoainekompleksista voi aiheuttaa terveydellisiä haittoja. Käytetyin metalli MRI-varjoaineissa on gadolinium (Gd), jolle pitkäaikainen altistuminen voi aiheuttaa nefrogeeninen systeeminen fibroosi -oireyhtymän (NSF). Mangaania (Mn) ja superparamagneettisia rautaoksidipartikkeleita (SPION) hyödynnetään myös MRI-varjoaineissa. Nanoteknologian avulla kyseisiä varjoaineita voidaan muokata edelleen niin, että haittavaikutukset pienenevät, magneettikuvan kontrasti paranee ja kuvan analysointi helpottuu. Tämä kandidaatintyö tarkastelee MRI-varjoaineiden muokkauksessa käytettäviä polymeerisiä nanopartikkeleita vertaillen niiden topologisia ominaisuuksia ja kemiallisia sidoksia varjoainekompleksien kanssa. Tavoitteena on tunnistaa tutkituista partikkeleista käyttökelpoisimpia ja tarkastella niiden haasteita mahdollisessa potilaskäytössä. Polymeeriset nanopartikkelit toimivat varjoaineen kantajina ja aktiivinen metallikompleksi voidaan liittää nanopartikkeliin kovalenttisella sidoksella, sulkemalla partikkelin kuoren sisälle tai imeyttämällä se kantajan pinnan rakenteeseen. Polymeeriset nanopartikkelit jaotellaan rakenteeltaan kiinteisiin, onttoihin ja säteittäisiin. Tutkimusnäyttöä on sekä luonnollisten että synteettisten polymeerien käytöstä, ja tämä kandidaatintyö käsittelee synteettisten polymeerien rakenteellisia ja toiminnallisia eroja. Polymeeristen nanopartikkelien käytöstä on lupaavaa näyttöä siitä, kuinka varjoaineen kohdistaminen elimistössä voidaan tehdä yksilöllisesti potilaan tarpeet huomioiden. Nanokantajien kemialliset ominaisuudet mahdollistavat varjoaineen kohdistamisen elimistössä esimerkiksi kasvaimeen. Nanopartikkelit muokataan bioyhteensopiviksi elimistön kanssa, jotta varjoaineen kulku kuvattavaan kudokseen on sujuvaa, metallin liittyminen soluihin estyy ja varjoaineen konsentraatio elimistössä säilyy riittävän suurena koko kuvantamisen ajan. Tutkimustietoa polymeeristen nanopartikkeleiden varjoainekäytöstä on jo noin kolmen vuosikymmenen ajalta, mutta yleisten standardien puuttumisen takia markkinoilla ei ole valmiita komplekseja, jotka sisältäisivät sekä varjoaineen että polymeerin. Kaupalliset, muokkaamattomat varjoaineet ovat edelleen tutkituin ja suosituin työkalu kontrastin parantamiseen. Nanoteknologian avulla diagnostiikkaa ja hoitomenetelmiä voidaan parantaa merkittävästi, ja alan kehittyminen oikeaan suuntaan parantaa kansanterveyttä pitkällä aikavälillä. Polymeerinanoteknologia on kehittynyt huomattavasti sen noin 30-vuotisen historian aikana ja mahdollistaa esimerkiksi MRI-teknologian edistysaskeleita. Suuri osa lääketieteellisen nanoteknologian rahoituksesta suuntautuu syöpälääkkeiden kehittämiseen, sillä syövän hoito on yleisesti kiinnostava ja yhteiskunnallisesti hieman merkittävämpi aihe verrattuna MRI:n varjoaineisiin. Toteutetun kirjallisuustutkimuksen perusteella polymeeriset nanopartikkelit ovat käytännöllinen ja turvallinen keino parantaa MRI-teknologiaa. Nanopartikkeli-varjoaineyhdistelmien kehittäminen kliinisesti hyväksytyiksi aineiksi on mahdollista, kun tutkimuksiin sitoudutaan ajallisesti ja rahoituksellisesti.Description
Supervisor
Turunen, MarkusThesis advisor
Paganelli, ZoeKeywords
polymeric nanoparticle, MRI, contrast agent, polymeeri, nanopartikkeli, varjoaine
