При этом понадобится не более 39 пикограммов наноструктур.
Ученые из МФТИ, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, НИТУ «МИСиС» и Аргоннской национальной лаборатории (США) создали магнитные наноструктуры, пригодные для введения в организм и повышения чувствительности и информативности разных методов визуализации внутренних органов. С их помощью можно будет заметно поднять разрешение магнитно-резонансной томографии. Соответствующая статья опубликована в Nanoscale. Исследование стало возможно благодаря грантам РНФ, Минобрнауки России и Министерства энергетики США.
Авторы работы создали железоникелевые (сплав пермаллой) микродиски диаметром в 1,5 микрометра и толщиной в несколько нанометров. Каждый диск благодаря своей форме создает вихреобразное магнитное поле, которое придает ему необычные свойства. В частности, такие диски не имеют остаточной намагниченности — ее магнитные моменты у них направлены противоположно и гасят друг друга. А это значит, что диски создают мало магнитного «шума», неизбежного для объектов с остаточной намагниченностью.
За счет всех этих особенностей их можно обнаружить в организме лабораторных животных уже при массе в 39 пикограммов (триллионных грамма). Проведенные эксперименты по дистанционной регистрации подобных наноструктур в организме лабораторных животных in vivo (когда они еще живы) и ex vivo (после извлечения органа или ткани из организма) подтвердили перспективность использования нового метода как в биологических исследованиях, так и медицине.
Чтобы обнаружить магнитные микродиски в организме животных, использовалось воздействие на наночастицы внешним переменным магнитным полем на двух различающихся частотах. После такой обработки наноструктура обеспечивала «ответный» сигнал в виде их линейной комбинации. Новый метод позволяет регистрировать от 60 зептомолей (секстиллионных долей) обычных коллоидных магнитных наночастиц. Это беспрецедентная для магнитных методов чувствительность, сравнимая с порогом регистрации радиоактивных гамма-меток наночастиц на основе ряда изотопов железа.
Вероятность обнаружить магнитные микродиски существенно зависит от их ориентации в пространстве. Если направление магнитного поля параллельно плоскости дисков, то значение вторичных сигналов, улавливаемых внешней аппаратурой, максимально. Увеличение угла между направлением магнитного поля и плоскостью дисков приводит к монотонному убыванию сигнала.
Ученые провели и ряд биофизических экспериментов по изучению динамики полученных наночастиц в кровотоке лабораторных мышей in vivo и их поведению в тканях различных органов ex vivo. Их наблюдение происходило в хвостовой вене и артерии мыши (под анестезией) при помещении ее хвоста в измерительную катушку. Включение внешнего магнитного поля небольшой напряженности (15 эрстед) резко усиливало сигнал магнитного отклика. Аналогичная операция с использованием вместо микродисков магнитных микросфер из того же материала не дала существенного усиления сигнала-отклика.
Результаты опытов показали, что накопление дисков происходило в печени, селезенке и легких. При воздействии внешним магнитным полем на микродиски в разных органах получали разную степень увеличения сигнала-отклика. Исследователи предполагают, что это связано с отличиями в свойствах различных тканей (вязкости, плотности, жесткости). Теоретически за счет этого можно обнаруживать опухоли — их свойства заметно отличаются от обычных тканей.
Подобные магнитные нанообъекты, регистрируемые с высокой чувствительностью, представляют большой интерес для применения в качестве нанометок в ДНК- и иммуноанализе, биосенсорике и защите от подделки медицинских препаратов, маркируемых такими микродисками.
