В работе представлены результаты морфологического исследования тканей внутренних органов и перевитой опухоли печени у крыс через сутки после внутривенного введения наночастиц магнетита для оценки возможности их использования в качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ). При внутривенном введении цитрат-стабилизированных наночастиц железа методами МРТ и атомно-адсобционной спектрофотометрии (ААС) было установлено накопление железа в опухоли только при внутривенном введении наночастиц магнетита в дозировке 16 мг/кг. Морфологические изменения в виде полнокровия и обратимой дистрофии, развивающиеся в печени и почках при введении данной дозировки, имеют обратимый характер. Установлено иммуностимулирующее действие наночастиц магнетита на белую пульпу селезенки и перибронхиальные лимфоидные фолликулы. Полученные результаты свидетельствуют, что предложенная стратегия внутривенного введения цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита является эффективной и перспективной для использования в магнито-резонансной томографии.
В настоящее время во всем мире активно проводятся исследования магнитных наночастиц для решения диагностических и терапевтических задач наномедицины [1-3]: для усиления контраста и повышения чувствительности магнитно-резонансной томографии [4,5], для направленной доставки [6,7] и гипертермии с использованием магнитного поля [8,9].
Для применения магнитных наночастиц в медицине наиболее важной характеристикой является их стабильность и биосовместимость, именно это определяет характер взаимодействия наночастиц с биологическими объектами [10]. Для улучшения биосовместимости поверхность наночастиц модифицируют с использованием органических [11] и неорганических материалов [12-14]. Покрытие препятствует агрегации и окисления магнетита во время циркуляции наночастииц в кровотоке, что снижает их наночастиц.
Магнитные наночастицы на основе оксидов железа имеют более низкую токсичность по сравнению с аналогичными частицами на основе никеля, кобальта и других элементов, но в тоже время сохраняют достаточно эффективные магнитные свойства [15-16]. Магнетит является наиболее оптимальной кристаллографической модификацией оксида железа из-за его магнитных свойств, вследствие чего стали активно проводиться исследования для применения наночастиц магнетита в медицине в качестве контрастных агентов для МРТ и для магнитотермической терапииопухолей.
Для получения магнитных наночастиц используются различные химические методы [17-21]. В данной работе нами был использован метод синтеза цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита путем осаждения солей двух- и трехвалентного железа в присутствии основания [22].
В литературе имеются работы, посвященные морфологическим изменениям во внутренних органах при различных методах введения непокрытых и покрытых магнитных наночастиц. В ряде работ показан умеренно выраженный токсический эффект непокрытых наночастиц [22-25], другие работы, посвященные модифицированным наночастицам магнетита, показали более низкую их токсичность для организма животных [26].
Изучение морфологических изменений во внутренних органах и перевитой опухоли печени у крыс после однократного внутривенного введения цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита и оценка возможности их применения для контрастирования в магнитно-резонансной томографии.
Эксперименты на животных проводились на базе Центра коллективного пользования НИИ фундаментальной и клинической уронефрологии. В исследовании использовались лабораторные белые беспородные крысы-самцы с перевитым раком печени РС-1 и наночастицы магнетита (Fe3O4, 20 nm ± 10), Zp = -30 mv, покрытые цитратной оболочкой. Работа с лабораторными животными осуществлялась в соответствии с международным руководством «International Guiding principles for Biomedical Research Involving Animals»[27] и рекомендациями комитета по этике СГМУ имени В.И. Разумовского.
Животные с перевитой опухолью печени РС-1 случайным образом были разделены на 3 группы – по 10 крыс в группе. Первой группе животных однократно внутривенно вводили раствор наночастиц магнетита в дозировке 20 мкг/кг веса; второй группе животных однократно внутривенно вводили наночастицы магнетита в дозировке 16 мг/кг. Третьей группе животных (группа сравнения) вводили однократно внутривенно 1мл физиологического раствора. Через сутки после введения наночастиц магнетита крысам проводилось магнитно-резонансная томография на высокопольном томографе Philips Achieva 1.5T с использованием фазированной катушки. Для наркоза животных использовали внутримышечные инъекции Золетила в дозе 40 мкг/кг веса животного.
Использовались быстрые «спин-эхо» протоколы (turbo spin echo – tse), взвешенные по Т2 и по Т1. Присутствие в исследуемом объекте контрастных веществ, таких как оксиды железа, уменьшает время поперечной релаксации Т2 и обуславливает появление гипоинтенсивного сигнала на Т2 взвешенных изображениях, что проявляется в более темном окрашивании накопивших контрастные вещества тканей.
После проведения МРТ все животные выводились из эксперимента путем декапитации, ткани внутренних органов и опухоли забирались для гистологических исследований, кроме того, проводился отбор образцов опухоли для определения концентрации железа на атомно-адсорбционном спектрофотометре (ААС).
Проводили стандартное морфологическое исследование тканей внутренних органов и опухоли с использованием окраски гематоксилином и эозином. Дополнительно проводилось иммуногистохимическое исследование маркера апоптоза в ткани опухоли с . Для дифференциальной диагностики гемосидерина и конгломератов наночастиц магнетита проводили реакцию Берлинской лазури (реакция Перлса).
Количественное определение содержания железа в ткани опухоли проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре Thermo Scientific iCE 3500 (Thermo Scientific, США) по интенсивности поглощения света с характерной длиной волны атомным паром определяемого элемента. Для Fe длина волны составляла 248,3 nm, ширина щели 0,2нм, ток лампы 75%. В качестве источника света использовали лампу полого катода. Для градуировки спектрометра использовались государственный стандартный образец ионов металлов ГСО 7330-96 (КС-1).
Исследовали следующие морфометрические показатели в органах – в печени: количество неизмененных гепатоцитов, количество гепатоцитов в состоянии дистрофии и некроза, количество лейкоцитов, количество непаренхиматозных элементов; в почках: высота эпителия извитых канальцев, периметр и площадь клубочков; в легких: толщина межальвеолярной перегородки, периметр и площадь перибронхиальных лимфоидных инфильтратов; в селезенке: толщина мантийной зоны во всех фолликулах, периметр и площадь лимфатических фолликулов и светлых центров.
Все морфометрические исследования и фотографирование проводились в 10 полях зрения при увеличении х774 с помощью Микровизора медицинского проходящего света µVizo-103 (ЛОМО).
Для обработки полученных в ходе исследований данных был использован пакет прикладных статистических программ «SPPS 17.0». Проверка соответствия формы распределения количественных признаков нормальному проводилась с помощью применения теста Колмогорова-Смирнова. Нулевую гипотезу отвергали в случае р<0,05. Показатель достоверности различий (Р) определялся с использованием критериев Стьюдента (t), различия оценивались как достоверные при вероятности 95% (Р<0,05) и выше.
Через сутки после внутривенного введении наночастиц магнетита было отмечено увеличение массы печени и почек, что, вероятно, объясняется увеличением степени выраженности венозного полнокровия сосудов.
При гистологическом исследовании печени после внутривенного введения обеих дозировок наночастиц магнетита, наблюдали увеличение полнокровия центральных вен и снижение полнокровия синусоидов (в большей степени при дозировке 16 мг/кг), появление феномена сепарации крови, а также увеличение выраженности дистрофических изменений в гепатоцитах (рис. 1). Следует также отметить, что при морфологическом исследовании накопления наночастиц магнетита и гемосидерина не обнаруживалось.
При морфометрическом исследовании печени было установлено, что при дозе 20 мкг/кг снижается среднее количество клеток Купфера в п/зр в 1.3 раза, лимфоцитов – в 1.9 раз, по сравнению с группой сравнения. В то же время значительно увеличивалось количество гепатоцитов в состоянии некробиоза и некроза - в 7.6 раз.
При дозе 16 мг/кг отмечали достоверное увеличение среднего числа клеток Купфера в п/зр в 1.5 раза и снижение количества лимфоцитов в 5 раз по сравнению с группой сравнения. Число гепатоцитов в состоянии некробиоза и некроза увеличивалось в 4.1 раза по сравнению с группой животных без воздействия (табл. 1, рис. 1).
В легких как при дозировке наночастиц магнетита 20 мкг/кг, так и при 16 мг/кг, обнаруживалось увеличение количества полнокровных сосудов крупного и среднего калибра, а также выраженности эмфиземы по сравнению с группой животных без воздействия. В 25% случаев развивался феномен сепарации крови. При анализе гистологических данных было отмечено, что при дозе 20 мкг/кг происходит истончение межальвеолярных перегородок легких по сравнению с группой животных без воздействия и увеличение площади лимфоидных инфильтратов вокруг бронхов в 8,5 раз. При дозе 16 мг/кг обнаруживалась та же тенденция, однако площадь перибронхиальных инфильтратов увеличивалась только в 3 раза (табл. 1.).
В селезенке при внутривенном введении наночастиц магнетита независимо от дозы мы наблюдали преобладание красной пульпы над белой в соотношении 2:1. В красной пульпе было выражено полнокровие. При проведении реакции Берлинской лазури в центре только одного из фолликулов и в красной пульпе обнаруживали скопления положительно окрашенного Fe3+. При этом все фолликулы имели менее четко оформленные контуры при дозировке 20 мкг/кг. В фолликулах обнаруживали единичные светлые активные центры площадью в среднем до 0,008 мм2 при дозе 20 мкг/кг и 0,014мм2 при дозе 16 мг/кг, что свидетельствует об активации Т-зависимой зоны. Кроме того выявили достоверное увеличение толщины мантийной зоны в среднем на 35% и 115%, соответственно при дозах 20 мкг/кг и 16 мг/кг, по сравнению с группой сравнения. Не обнаружили значимого изменения размеров самих фолликулов (табл. 1, рис. 1).
В сердце независимо от дозы при внутривенном введении наночастиц магнетита выявляли выраженное полнокровие сосудов среднего и малого калибра, умеренный отек миокарда, отмечали скопление черных гранул между кардиомиоцитами (рис. 1).
В веществе головного мозга при введении обеих доз наночастиц магнетита выявляли отек, полнокровие сосудов, преимущественно сосудов мягкой мозговой оболочки. В просвете сосудов появлялись мелкие гранулы черного цвета, что не встречалось в группе сравнения, а также пролиферация клеток эпендимы и диффузные, без четкой локализации дистрофические изменения клеток вещества головного мозга: набухание гигантских клеток Беца в ганглионарном слое коры головного мозга (рис. 1). В мозжечке во всех случаях патологических изменений не было выявлено.
Через сутки после внутривенного введения наночастиц магнетита в дозе 20 мкг/кг в перевитой опухоли видимые изменения не были отмечены. При внутривенном введении дозировки 16 мг/кг наблюдали увеличение площади некрозов опухолевой ткани (до 90%) и выраженное полнокровие сосудов (рис. 2).
При иммуногистохимическом исследовании после внутривенного введения наночастиц магнетита мы не обнаружили значимых изменений в ткани опухоли со стороны экспрессии маркера апоптоза р53 (рис. 2).
При проведении МРТ-исследования только при дозе наночастиц магнетита 16 мг/кг в печени проявился эффект контрастирования. Присутствие наночастиц в печени уменьшает время спин-спиновой релаксации протонов, что приводит к уменьшению интенсивности МР сигнала от печени на Т2-взвешенных томограммах. (рис. 2).
При проведении атомно-адсорбционной спектроскопии было установлено, что при дозировке наночастиц 20 мкг/кг содержание железа в опухоли составило 0,279±0,083 мг/г, а при дозировке 16 мг/кг – 0,436±0,065 мг/г.
При внутривенном введении наночастиц магнетита у животных отметили развитие дистрофических процессов в печени. Нельзя исключить, что данные изменения могут быть обусловлены как нарушением кровообращения за счет циркуляции в просвете сосудов наночастиц магнетита, так и за счет интоксикации вследствие роста перевитой опухоли. Необходимо отметить, что ряд авторов описывают схожие изменения в печени при внутривенном введении наночастиц магнетита: расширение желчных и синусоидных капилляров печени, полнокровие центральной вены и краевое стояние лейкоцитов [28,29].
В почках развиваются дистрофические изменения в эпителии извитых канальцев, вероятно, обусловленные наличием интоксикации из-за растущей перевитой опухоли. Другие авторы изучавшие морфологию почек крыс при внутривенном введении наночастиц магнетита, отмечали также полнокровие сосудов мозгового вещества и расширение капсулы Шумлянского-Боумена, которого в нашем эксперименте мы не наблюдали, что может быть это обусловлено различием в размерах и покрытии наночастиц [29,30].
Выявленные изменения в легких и селезенке свидетельствуют об активации иммунных процессов при внутривенном введении наночастиц магнетита, что совпадает с данными ряда авторов [31, 32].
При количественном определении содержания железа методом атомно-адсорбционной спектроскопии через сутки после внутривенного введения наночастиц магнетита было выявлено накопление железа неэндогенного происхождения в ткани опухоли, при этом не отмечалось выраженных изменений опухолевых клеток по сравнению с группой животных без воздействия.
Установлено, что внутривенное введение цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита только при дозировке 16 мг/кг приводит к нарушению кровенаполнения в органах, в основном за счет полнокровия, при этом отмечаются дистрофические повреждения клеток в двух основных органах детоксикации: печени и почках. Установлено иммуностимулирующее действие наночастиц магнетита на белую пульпу селезенки и перибронхиальные лимфоидные фолликулы. При внутривенном введении наночастиц магнетита только при дозировке 16 мг/кг через сутки выявлено накопление наночастиц в опухоли (по данным МРТ и ААС). Полученные результаты свидетельствуют, что предложенная стратегия внутривенного введения цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита является эффективной и перспективной для использования в магнито-резонансной томографии.
Таблица 1. Морфометрические изменения в органах при внутривенном введении цитрат-стабилизированных наночастиц магнетита
Орган |
Показатель |
Контр. группа |
Группа сравнения |
Дозировка НЧ Fe 20 мкг/кг |
Дозировка НЧ Fe 16 мг/кг |
Печень |
Клетки Купфера и Ито |
8.37±2.7 |
8.9±0.523 |
6.82±0.47 |
13.27±0.89 ** |
Лимфоциты |
3.1±1.4 |
5.5±0.54 |
2.85±0.31 ** |
1.09±0.33 ** |
|
Некротизированные гепатоциты |
0.87±0.7 |
3.5±0.454 |
26.8±0.818 ** |
14.36±1.7 ** |
|
Легкие |
S инфильтратов (мм2) |
0.017± 0.001 |
0.068± 0.00529 |
0.58±0.161 ** |
0.21±0.02 ** |
Толщина межальвеолярных перегородок (мм) |
0.0057± 0.0021 |
0.0092± 0.00062 |
0.0053± 0.000226 *** |
0.011± 0.0006 * |
|
Почки |
S клубочков (мм2) |
0.0032± 0.0001 |
0.0096± 0.00038 |
0.0063± 0.00016 *** |
0.0073± 0.0005 *** |
Высота эпителиоцитов (мм) |
0.0094± 0.0001 |
0.0099± 0.00025 |
0.0179± 0.00031 *** |
0.017± 0.00049 *** |
|
Селезенка |
S фолликулов (мм2) |
0.107±0.016 |
0.167±0.018 |
0.136±0.019 |
0.22±0.027 *** |
Толщина маргинальной зоны (мм) |
8.37±2.7 |
0.0139± 0.0018 |
0.0189±0.0012 * |
0.03±0.039 *** |
Примечание: различия достоверны при сравнении значений опытной и контрольной групп при * - Р<0.05, **Р<0.005, *** - Р<0.001