Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti Facultatea de Inginerie Medicală

Magnetic drug targeting

Student: Speriatu Andreea-Margareta

Grupa 1442B

București, 2014

1

1. Introducere

Istoria magnetismului datează dinaintea anului 600 î. Hr., dar abia în secolul XX oamenii de

știință au început să înțeleagă fenomenul și să dezvolte tehnologii bazate pe acesta. Primii care

au utilizat roca magnetică (magnetita minerală) au fost grecii, aceștia numindu-l și magnet

datorită abilității de a atrage părți din același material sau fier.[1]

Nanoparticulele magnetice au câștigat atenție în aplicațiile biomedicale datorită

biocompatibilității, ușurinței modificărilor de suprafață, dar și proprietăților

magnetice.Proprietățile magnetice ale acestor particule permit manipularea prin aplicarea unui

câmp magnetic extern[2]. Magnetic drug targeting (MDT) se referă la atașarea

medicamentelor la particule magnetizabile, urmată de aplicarea unor câmpuri mecanice care să

le concentreze în locațiile bolilor: tumori solide, regiuni de infecție sau cheaguri de sânge[3].

De obicei, țintirea se realizează prin atașarea unei molecule care recunoaște o altă moleculă

specifică țintei dorite. [2]

Fig.1 Mecanismul de acțiune pentru MDT [5]

Deși în anumite cazuri specializate particulele magnetizabile pot fi introduse în organism în

afara fluxului sangvin (de exemplu, intranazal sau la nivelul urechii), în majoritatea cazurilor

particulele feromagnetice sunt injectate direct în circulație într-o venă sau arteră [3]. Particulele

astfel injectate vor circula prin vascularizația organismului pe măsură ce este încercată

prinderea în locațiile țintă cu ajutorul câmpului magnetic. În funcție de vasul în care au fost

injectate particulele (venă sau arteră), MDT va apărea înainte ca particulele să treacă prin ficat

sau după ce acestea au trecut de ficat, plămân și inimă [3]. Ultima metodă este cea mai comună,

deși reduce cantitatea de medicament disponibilă pentru țintire, acesta fiind filtrat prin ficat și

rinichi.

2. Sinteză

Elementele magnetice terapeutice au fost create prin atașarea agenților chimioterapeutici sau

agenților terapiei genice la particule feromagnetice, prin umplerea capsulelor polimerice sau

micelelor (capsule care se auto-asamblează din molecule lipidice) atât cu medicamente, cât și

cu materiale magnetice, sau prin creșterea celulelor într-un mediu de cultură cu nanoparticule

magnetice pentru a permite celulelor să ingereze particulele, devenind astfel magnetice [3].

Rutele chimice umede de sinteză pentru obținerea nanoparticulelor magnetice sunt mai simple,

mai maleabile și mai eficiente având și un control apreciabil asupra dimensiunii, compoziției și

chiar a formei nanoparticulelor.

2

Printre aceste rute de sinteză se numără:

co-precipitare – nanoparticulele sunt sintetizate din soluții saline apoase care devin

magnetice [6]

sol-gel – precursorii moleculari aflați în soluție (sol) sunt hidroxilați și condensați (gel)

[6]

descompunere termică – se desfășoară la temperaturi și presiuni mari, în medii umede

(reactoare, autoclave), unde apa deshidratează sărurile metalice [6].

Fig. 2 Procesele de prepare a particulelor magnetice pentru drug delivery [4]

Oxizii de fier având structură de nucleu/înveliș sunt cei mai utilizați ca surse de materiale

magnetice. Oxizii de fier au multiple polimorfisme cristaline cunoscute și ca: α-Fe2O3

(hematită), β-Fe2O3, γ-Fe2O3 (maghemită), ε-Fe2O3, Fe3O4 (magnetită) și alte forme amorfe

și de înaltă presiune [4].

Totuși, maghemita și magnetita sunt cele mai utilizate în bioaplicații, nanocristalele fiind

încorporate într-un nucleu polimeric si apoi acoperite cu un strat de molecule (polimeri, silica,

silan) pentru a deveni biocompatibile [4]. În particule mai sofisticate, acest înveliș este

optimizat pentru a ascunde particulele de sistemul imun uman, nanoparticulele având astfel un

parcurs mai lung în organism înainte să fie eliminate către ficat, rinichi și splină.

Acoperirea cu polimeri

Acoperirea cu polimeri conferă nanoparticulelor stabilitate împotriva oxidării, iar învelișul

polimeric biodegradabil transportă medicamentul și în eliberează gradual. Datorită atracțiilor

magnetice puternice de tip dipol-dipol, aceste particule tind să agrege, problemă evitată prin

acoperiri cu polimeri hidrofili (dextran, chitosan) [4].

Masa moleculară a polimerului este un factor important, polimerii cu masă moleculară mică

având o mai mare eficiență la încărcarea medicamentelor pe suprafață [4].

Acoperirea cu silan

Nanoparticulele magnetice pot fi modificate și cu acid oleic, acid sau organosilan. Împreună cu

grupările amino, silanii permit reglarea funcționalității suprafețelor nanoparticulelor de Fe3O4

în vederea conjugării cu proteine [4].

3

Acoperirea cu SiO2

Acoperirea cu silică îmbunătățește precizia dozajului și facilitatea operării, o metodă de

obținere fiind depunerea electroforetică pe un substrat electric conductiv flexibil de PET

(polietilentereftalat) [4].

Funcționalizarea cu molecule bioactive

Atașarea la suprafață a unor biomolecule precum proteine/peptide [4], lipide, vitamine,

anticorpi și acizi nucleici este numită convențional și metodă de bioconjugare. Moleculele

biologice sunt folosite ca liganzi, asigurând afinitatea biologică cu receptorii supraexprimați de

la suprafața țesuturilor bolnave.

3. Avantaje

”Cărăușii” magnetici localizează medicamentul în poziția-țintă bolnavă, având următoarele

avantaje [5]:

- Livrare eficientă a medicamentului la țesuturile-țintă

- Risc de toxicitate redus

- Micșorează riscul efectelor secundare

- Existența unei concentrații libere de medicament în fluxul sangvin este redusă până la 100%

- Nu afectează țesutul sănătos.

4. Magnetic drug targeting în terapia cancerului

Date fiind avantajele pe care le prezintă cărăușii magnetici în livrarea țintită a medicamentelor,

aceștia reprezintă o oportunitate importantă în tratarea cancerului.

Fig.3 MDT - schemă

Scopul MDT în terapia cancerului este concentrarea agenților chemoterapeutici într-o regiune

tumorală, simultan fiind redusă și doza globală. Nanoparticulele magnetice sunt aplicate intra-

arterial în apropierea regiunii tumorale și sunt concentrate în tumoră printr-un câmp magnetic

extern puternic. Interacțiunea acestor particule cu gradientul câmpului conduce la o acumulare

în regiunea de interes. Unul dintre agenții chemoterapeutici utilizați este Mitoxantron, acesta

fiind legate de nanoparticule superparamagnetice aflate în soluție apoasă (ferofluid). [7]

4

5. Concluzii

În ultimii ani, nanomedicina a permis revoluționarea livrării medicamentelor prin conjugarea

substanțelor medicamentoase, agenților imagistici/de contrast și celulelor cu dispozitive

capabile să le conducă la obiective din organism. Drug targeting-ul utilizând mijloace de

dimensiuni nanometrice prezintă interes pentru administrarea medicamentelor costisitoare,

toxice sau înclinate către producerea unor efecte secundare când sunt aplicate sistemic. Această

abordare asigură o concentrație locală mare a medicamentului în țesutul bolnav.

Magnetic drug targeting presupune două dispozitive și anume particulele magnetice și sursa

magnetică extracorporală, zona ce se dorește a fi tratată fiind necesar să se afle între vasul de

sânge în care sunt injectate particulele și sursa magnetică. Nanoparticulele magnetice pot fi

obținute prin diferite rute de sinteză (co-precipitare, sol-gel, descompunere termică),putându-le

fi aplicate ulterior tratamente în vederea îmbunătățirii stabilității la oxidare, preciziei dozajului,

facilității operării, dar și a afinității biologice cu receptorii de la suprafața țesuturilor bolnave

(prin funcționalizare cu molecule bioactive).

Date fiind avantajele pe care le prezintă, metoda și-a găsit o mare aplicabilitate în terapia

cancerului.

5

Bibliografie

1. M. Babincova, P. Babinec, Magnetic drug delivery and targeting: Principles and

Applications, 2009

2. S. Bucak, B. Yavuzturk, A. D. Sezer, Magnetic Nanoparticles: Synthesis, Surface

Modification and Application in Drug Delivery, 2012

3. A. Nacev, Magnetic Drug Targeting: Developing the basics, 2013

4. J. Chomoucka, J. Drbohlavova, D. Huska, V. Adam, R. Kizek, J. Hubalek, Magnetic

nanoparticles and targeted drug delivering, 2010

5. M. Ahmad, M.U. Minhas, M. Sohail, M. Faisal, H. Rashid, Comprehensive Review on

Magnetic drug Delivery Systems: A Novel Approach for Drug Targeting, 2013

6. S. F. Hasany, I. Ahmed, J. Rajan, A. Rehman, Systematic Review of the Preparation

Techniques of Iron Oxide Magnetic Nanoparticles, 2012

7. C. Alexiou, R. Tietze, E. Schreiber, R. Jurgons, H. Richter, L. Trahms, H. Rahn,

S. Odenbach, S. Lyer, Cancer therapy with drug loaded magnetic nanoparticles-

magnetic drug targeting, 2010