NO173429B

NO173429B - Anvendelse av ferromagnetiske partikler i kontrastmidler for nmr-avbildning

Info

Publication number: NO173429B
Application number: NO85854765A
Authority: NO
Inventors: Trond Jacobsen; Jo Klaveness
Original assignee: Nycomed Imaging As
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1985-11-28
Publication date: 1993-09-06
Also published as: US4863715A; EP0177545B2; FI85442C; DK171526B1; DE3581871D1; WO1985004330A1; EP0177545A1; AU568740B2; NL960016I1; FI854488A0; DK528385A; EP0177545B1; NO854765L; FI854488A; DK528385D0; AU4215185A; ATE61001T1; FI85442B; NO173429C; GB8408127D0

Description

Denne oppfinnelse angår anvendelse av ferromagnetiske

partikler for fremstilling av kontrastmidler.

Nmr har funnet økende anvendelse siden den første del av 1970-tallet som et medisinsk diagnostisk hjelpemiddel, særlig som en avbildningsteknikk. Denne teknikk gir en høy oppspaltning og differensiering av mykt vev uten anvendelse av potensielt ska-delig stråling, i flere år antok radiologer at med den høye kontrast som oppnås ved nmr-avbildning i myke vev uten anvendelse av kontrastmidler, ville anvendelse av kontrastmidler ikke være nødvendig.

Det er imidlertid nylig funnet at paramagnetiske komplekser kan med fordel anvendes for å oppnå øket kontrast ved nmr-avbildning og således utvide den diagnostiske nytte av teknikken.

Kjernene i mange atomer har en egenskap som kalles spinn, som er knyttet til et lite magnetisk moment. I fravær av et

ytre magnetisk felt er fordelingen av orienteringene av de magnetiske momenter vilkårlige. I nærvær av et statisk magnetisk felt presesserer de kjernemagnetiske momenter om feltretningen, og det vil forekomme en netto orientering i feltet.

Som R.S. First beskriver i "Nmr in medicine in the 1980's"

(1983), ved nmr-avbildning anbringes en pasient i et statisk felt, og en kort pulse av radiofrekvens påsettes via en spole som omgir pasienten. Radiofrekvensen eller RF-signalet velges for de spesielle kjerner (f.eks. 1 H,1. 9F) som skal resoneres. RF-pulsen medfører at de magnetiske momenter i kjernene orienterer seg efter det nye felt og presesserer i fase, og ved avslutning av pulsen vender momentene tilbake til sin opprinnelige fordeling av orienteringer med hensyn til det statiske felt og til en vilkårlig fordeling av presesjonsfaser som avgir et kjernemagnetisk resonanssignal som kan opptas av en induksjonsspole. Nmr-signalet er vanligvis fra H kjerner og representerer et proton-tetthetskart over vevet som undersøkes.

To ytterligere verdier kan bestemmes når RF-pulsen slås av og de kjernemagnetiske momenter relakseres eller vender tilbake til likevektsorienteringer og -faser. Disse er T, og T2/ spinn-gitter og spinn-spinn relaksasjonstidene. T, representerer en tid som er karakteristisk for tilbakevendelse til likevekt for spinnfordeling, dvs. likevektsfordeling av de kjernemagnetiske momenter i det statiske felt. T2 representerer derimot en tid som er karakteristisk for tilbakevendelse til vilkårlig prese-sjonsfasefordeling for de kjernemagnetiske momenter.

Det nmr-signal som utvikles, inneholder således opplysning om proton-tetthet, T1 og T2, og de dannede bilder er vanligvis resultatet av en komplisert datamaskin-rekonstruksjon på grunn-lag av denne opplysning.

Den potensielle anvendelse av kontrastmidler for å utvide

den diagnostiske nytte av nmr-avbildning, er diskutert av R.C. Brasch i Radiology 147 (1981), 781. Selv om flere metoder for å øké nmr-kontråsten-.er tilgjengelig,<;...>er mange,, så som mani-pulering med vevtempératur, viskositet eller hydratisering, åpen-bart ikke klinisk praktiske, og den mest fordelaktige av de tidligere metoder synes å være anvendelse av paramagnetiske kontrastmidler for å redusere spinn-gitter-relaksasjonstiden .

Et paramagnetisk stoff er et som inneholder en eller flere elementærpartikler (elektroner, protoner eller néutroner) med et spinn hvis virkning ikke oppheves av en annen partikkel med likt spinn. Disse partikler skaper et lite magnetisk felt som kan re-agere med nærliggende kjernemagnetiske dipoler for å forårsake en reorientering av dipolen, dvs. en forandring av kjernespinn og presesjonsfase.

Efter som det magnetiske felt som skapes av et elektron,

er mye større enn det som skapes av et proton eller et neutron, vil i praksis bare ioner, molekyler, radikaler eller komplekser som er paramagnetiske på grunn av innhold av en eller flere uparede elektroner, bli anvendt som paramagnetiske nmr-kontrastmidler.

Kontrastvirkningen ved paramagnetiske ioner og komplekser

er hovedsakelig resultatet av reduksjon av T, (cf. tysk off.skr.

3 12 9 906). Imidlertid, som diskutert av R C Brasch i Radiology 14 7 (1981/ 781, vil paramagnetiske, stabile, frie radikaler også forårsake en viss reduksjon av 1^. Ikke desto mindre er den relative reduksjon av større enn for T2•

Anvendelse av paramagnetiske kontrastmidler ved nmr-avbildning er omhyggelig utforsket, og oppløsninger og kolloidale dispersjoner av slike midler er foreslått for oral og parenteral administrering i tilknytning til diagnostisk avbildning.

Hittil har det imidlertid for nmr-avbildning ikke vært til-gjengelig noen nmr kontrastmidler som er i stand til selektivt å øke kontrasten mellom forskjellige vevstyper i T2 bildet.

Vi har nu overraskende funnet at ferromagnetiske partikler kan anvendes for fremstilling av kontrastmidler ved nmr-avbildning idet kontrast oppnås ved en betydelig reduksjon av T2 (ledsaget av en generelt lavere relativ reduksjon av T^).

Ferromagnetiske partikler inneholder atomer som innenfor volumer kalt doméner har sine magnetiske momenter (som skyldes deres uparede elektroner) orientert. Ferromagnetisme er således et kooperativt fenomen i motsetning til paramagnetisme og kan ba-re eksistere i aggregasjoner av atomer, dvs. partikler.

Ferromagnetiske partikler kan magnetiseres, dvs. at en partikkel som inneholder et stort antall atomer, kan danne et netto magnetisk felt selv i fravær av et ytre felt. _I paramagnetiske partikler som har et stort antall atomer, vil på den annen side de magnetiske dipoler i de individuelle paramagnetiske atomer eller molekyler orienteres vilkårlig i fravær av et ytre felt,

og det vil da ikke dannes noe netto felt.

Denne evne til å bli magnetisert og danne et relativt sterkt magnetisk felt er en hovedgrunn til at anvendelsen av ferromagnetiske partikler som kontrastmidler i nmr- avbildning har vært ansett som ikke tilrådelig, særlig ved in vivo diagnostisk avbildning. Ved nmr spektroskopi, som nmr-avbildning er utviklet fra, er tilstedeværelsen av ferromagnetiske partikler en velkjent kilde for unøyaktigheter, og det er ikke uvanlig å anvende en magnet for å fjerne små ferromagnetiske partikler fra prøver for å unngå en reduksjon i den målte spektrumoppspaltning og -nøyaktig-het som skyldes tilstedeværelse av lokale felt-inhomogeniteter som partiklene forårsaker i prøven.

Hvis de ferromagnetiske partikler blir magnetisert, skulle man tilsvarende vente at de klumpet seg sammen. Selv om paramagnetiske kontrastmidler kan gi en tilnærmet jevn fordeling av de paramagnetiske sentere enten de er i oppløsning eller i kolloidal dispersjon, kunne det derfor anses som sannsynlig at en dispersjon av ferromagnetiske partikler klumpet seg sammen slik at man ikke fikk noen jevn fordeling. Når det gjelder dispersjoner for parenteral administrering, ville forekomsten av slike sammenklumpninger bli ansett som farlig for pasienten, og anvendelse av ferromagne-

tiske partikler ville således ikke anses som egnet.

Dessuten er den styrke av feltet som dannes av en ferromagnetisk partikkel, så mye større enn det som dannes av paramagnetiske partikler, at det ville være å vente at den oppnådde kontrastvirkning i et nmr-bilde på grunn av tilstedeværelsen av ferromagnetiske partikler i prøven under undersøkelse, ville strekke seg over en slik strekning at den sannsynligvis ville tilsløre grensen på bildet mellom vev inneholdende ferromagnetiske partikler og vev ikke inneholdende slike partikler, f.eks. veggene i blodkar eller i mave-tarmkanalen for henholdsvis intra-venøst og oralt administrerte partikler.

P. Mansfield og P.G. Morris i "Advances in Magnetic Resonance - Supplement 2" Ed. J.S. Waugh (1982) side 234, Academic Press N.Y. har foreslått oral administrering av kolloidale partikler av rent jern i form av et jernmel, slik at dets bevegelse kunne oppspores ved hjelp av den sterkt lokaliserte in-homogenitet som ble fremkalt. Det er imidlertid ingen antydning om hvor vidt eller T2 kunne bestemmes og intet forslag om at jernpartiklene ville impregnere vev i forhold til det øvrige vev eftersom en plugg av ferromagnetisk materiale passerte gjennom fordøyelsessystemet.

Oralt administrerbare, partikkelformige ferromagnetiske pre-parater er også foreslått i britisk patent 1 339 537, selv om deres foreslåtte anvendelse er som røntgenkontrastmidler istedenfor vanlig bariumgrøt.

Anvendelse av visse ferromagnetiske polymerpartikler for terapeutiske og diagnostiske formål er generelt foreslått i internasjonal patentsøknad-publikasjon WO 83/03920 som beskriver fremstilling av monodisperse ferromagnetiske polymerpartikler. Denne publikasjon omtaler anvendelse av slike partikler ved (in vitro) celleseparering hvor separering ved sentrifugering kan erstattes med den mye enklere metode ved magnetisk uttrekning. Det fore-slås også at slike partikler kan anvendes som bæremidler for far-masøytiske stoffer som da kan transporteres til det ønskede sted under anvendelse av et magnetisk felt.

R.S. Newbower (IEEE Transactions on magnetics Mag 9 (1973) 44 7) og M.P. Perry (Proceedings Int. Adv. Course Workshop (1977)) har beskrevet terapeutiske og diagnostiske anvendelser hvor en stabil kolloidal dispersjon av ferromagnetiske partikler innføres i blodstrømmen. Partiklene kan ledes magnetisk til et sted med kar-svikt, f.eks. en cerebral aneurisme, og kan holdes der ved hjelp av et magnetisk felt for å lukke defekten. Alternativt ved å anbringe en permanent magnet omkring en arterie, kan man få dannet en plugg av ferromagnetiske partikler som stanser blod-strømmen i arterien. Dette kan være gunstig under kirurgiske inngrep hvor arterien kunne bli skadet hvis den ble lukket med klemmer. En ytterligere anvendelse av den injiserte dispersjon er for å følge blodstrømmen efter som dispersjonen kan påvises ved hjelp av sin magnetisme alene.

Det har imidlertid ikke vært foreslått tidligere at ferromagnetiske partikler kan anvendes for fremstilling av T2 kontrastmidler for nmr-avbildning.

I henhold til oppfinnelsen tilveiebringes en anvendelse

av partikler av ferromagnetisk materiale med størrelse på 0,002-50 fj, m for fremstilling av et diagnostisk nmr-kontrastmiddel som kan benyttes ved MRl-diagnostikk hvor det dannes en T2-avhengig avbildning, med det forbehold at når kontrastmidlet er til bruk for parenteral administrering,'er det ferromagnetiske materiale ikke innesluttet i en karbohydratmatriks. Kontrastmidlet administreres hensiktsmessig i form av en dispersjon, og ved billeddannelse under anvendelse av slike partikler, kan det dannede T2-avhengige bilde, f.eks. være et T2-bilde.

Ved billeddannelsen er den T2-reduserende kontrastvirkning av ferromagnetiske partikler av særlig interesse, og selv om nmr-avbildning kan anvendes for å danne separat intensitet, T2 og T-^-bilder, kan en betydelig besparelse av nødvendig beregningstid og kapasitet oppnås ved å danne T2-bildet alene eller T2 og enten T2 eller intensitet-bildet.

Ved billeddannelsen vil den relative størrelse av kontrastvirkningen være avhengig av flere prøveuavhengige faktorer såsom partikkeltetthet, ferromagnetisk innhold i partikkelen og midlere partikkelstørrelse. Som en generell regel vil reduksjonen av både T1 og T2 som oppnås ved anvendelse av kontrastmidlet, øke med disse faktorer. Den relative reduksjon av Tx og T2 kan imidlertid være særlig følsom for magnetisk innhold og partikkelstørrelse, idet økende ferromagnetisk innhold forårsaker en forholdsvis høyere reduksjon av T2, mens den relative reduksjon av T2 er mindre efter som partikkelstørrelsen avtar.

Den midlere ferromagnetiske partikkelstrørrelse vil hensiktsmessig være fra 0,1 til 20 /im. For parenteral administrering vil den midlere ferromagnetiske partikkelstørrelse fortrinnsvis være i området fra 0,1 til 10 kim, mens for administrering direkte i fordøyelseskanalen (for eksempel oralt) eller i blæren, livmoren, galleveien eller spyttkanalen, vil det særlig foretrukne område være 15 til 20 nm. Det ferromagnetiske innhold i partiklene vil hensiktsmessig være fra 0,1 til 100 %, fortrinnsvis fra 0,5 til 50 %, efter vekt.

De ferromagnetiske partikler kan være av et hvilket som helst ferromagnetisk materiale, så som rent jern eller magnetiske jernoksyder så som magnetitt, yFe20.j, mangan-, kobolt- eller nik-kel-ferritter og kan eventuelt ha ikke-ferromagnetiske belegg eller grunnmasser, for eksempel polymerbelegg, for eksempel for å unngå kjemisk reaksjon mellom prøven og partiklene eller for å fremme dispersjonen. Når det ønskes å anvende partikler med polymerbelegg eller en grunnmasse som det ferromagnetiske materiale er fordelt i, fremstilles partiklene fortrinnsvis ved fremgangsmåten ifølge J.- Ugelstad et al. (se for eksempel internasjonal patentsøknad-publikasjon W0 83/03920). For å være egnet for ru-tine in vivo-avbildning, må partiklene ikke være radioaktive.

Nmr-avbildning er særlig verdifull som et diagnostisk hjelpemiddel, eftersom den gjør det mulig å avbilde vev og organer in vivo. Forskjellige organer og forskjellige vev, for eksempel cancerøse og normale vev i samme organ, oppviser forskjellige karakteristiske protonintensiteter og T. og T2 relaksasjonstider. Ferromagnetiske kontrastmidler er således egnet ved nmr-avbild-ningsdiagnose.

Administreringen av det ferromagnetiske kontrastmiddel kan være parenteral, hensiktsmessig oppnådd ved injeksjon (for eksempel i.v.), oral (for eksempel ved inntagelse), rektal eller ved innføring gjennom et kateter i blæren, livmoren, galleveiene eller spyttkanalen. Administrering til kroppsteder fra hvilke kontrastmidlet kan uttømmes fra kroppen uten å passere gjennom kroppsvevet, for eksempel administrering til tarmene, blæren, livmoren osv., blir imidlertid foretrukket. Når organene som skal avbildes, er leveren, milten, benmarv etc, foretrekkes i.v.-administrering. Det er funnet ved dyreforsøk at eliminering av intravenøst administrerte ferromagnetiske partikler fra blodet er meget rask.

De ferromagnetiske partikler kan inneholde frie ferromagnetiske partikler eller ferromagnetisk materiale innleiret i eller belagt med en ikke-ferromagnetisk grunnmasse eller belegg. For parenteral administrering er belegg- eller grunnmassematerialet fortrinnsvis en biologisk nedbrytbar polymer, mens for administrering direkte til fordøyelseskanalen eller i blæren, livmoren osv., er materialet fortrinnsvis en biologisk godtagbar polymer og særlig foretrukket en ikke-biologisk nedbrytbar polymer, f.eks. et cellulosederivat.

Kontrastmididlet, hvis det anvendes for parenteral administrering, er hensiktsmessig en dispersjon i et sterilt, fysiologisk godtagbart medium, for eksempel isoton-iske, vandige oppløsninger som kan inneholde overflateaktive midler så som for eksempel polysorbat 80. For parenteral administrering er de ferromagnetiske partikler fortrinnsvis innleiret i eller belagt med en biologisk nedbrytbar polymer, hvis nedbrytningsprodukter er fysiologisk godtagbare.

Kontrasmidlet, hvis det er for administrering direkte til fordøyelseskanalen (for eksempel oralt) eller til blæren, livmoren osv., er hensiktsmessig dispergert i et fysio-

logisk godtagbart medium, for eksempel vandige oppløsninger inneholdende overflateaktive midler og/eller viskositetsøkende stoffer som for eksempel cellulosederivater.

Under anvendelse av et slikt viskositetsøkende middel, kan kontrastmidlet bringes til å belegge veggene i fordøyelseskanal-en og således muliggjøre kontrastforsterkning av bilder av tarmene. Under anvendelse av oralt administrerte, paramagnetiske kontrastmidler oppnår man ikke lett noen kontrastforsterkning av fordøyelseskanalen utenfor mavesekken.

Når kontrastmidlet er for administrering direkte i fordøyel-seskanalen (for eksempel oralt) eller i blæren, livmoren osv., foretrekkes det særlig at de ferromagnetiske partikler har om-trent den samme spesifikke vekt som den omgivende væske (gastro-intestinal væske eller urin), og partikler med en spesifikk vekt på ca. 1,07 foretrekkes.

For administrering i fordøyelseskanalen eller blæren blir de ferromagnetiske partikler fortrinnsvis innleiret i eller belagt med en biologisk godtagbar polymer, dvs. en polymer som er fysiologisk godtagbar og enten ikke-biologisk nedbrytbar eller biologisk nedbrytbar for å danne nedbrytningsprodukter som er fysiologisk godtagbare. Ikke-biologisk nedbrytbare polymerer er særlig foretrukket, eftersom det ferromagnetiske materiale som frigjøres ved polymer-nedbrytning, kan være oppløselig i den gastro-intesti-nale væske og kan absorberes av kroppen hvis det er meget fint. Oppløsning av det ferromagnetiske materiale kan frigjøre paramagnetiske ioner og derved redusere kontrastvirkningen i proton-intensitetsbildet eftersom den T^-reduserende virkning av paramagnetisk materiale har en tendens til å øke proton-intensiteten, mens den T2-reduserende virkning av ferromagnetisk materiale har en tendens til å redusere proton-intensiteten (se nedenfor med hensyn til avhengigheten av proton-intensitet I overfor T. og T2)• Særlig hensiktsmessig omfatter kontrastmidlene ferromagnetiske partikler innleiret i eller belagt med en polymer som er uten adsorberte eller absorberte legemidler.

De ferromagnetiske partikkelstørrelser og ferromagnetisk innhold er fortrinnsvis innenfor de ovenfor angitte områder.

De ferromagnetiske partikler i nmr-kontrastmidlene administreres dispergert i et dispersjonsmedium. i Før administrasjonen oppnås således en jevn partikkeldispersjon fortrinnsvis med risting og lyd-behandling. Av praktiske grunner benyttes uttrykket "dispersjon" her for å betegne både virkelige dispersjoner, suspensjoner og kolloider.

Konsentrasjonene av det ferromagnetiske materiale i kontrastmidlet vil være avhengig av administreringsformen og de spesielle organer eller vev som skal undersøkes. Hensiktsmessig bør doseringen være tilstrekkelig til å gi en konsentrasjon på ca. 0,1 mmol av det ferromagnetiske metall (for eksempel Fe) pr. kilogram av organet som skal undersøkes ved det aktuelle organ. Gene-.slt vil de totale doser være i området 10~<4> til IO<1> mmol av det ferromagnetiske metall (f.eks. Fe) pr. kg kroppsvekt, fortrinnsvis

-3 -1 10 til 10 mmol/kg. Dispersjonene selv inneholder hensiktsmessig 0,1 til 10 vekt-% ferromagnetisk materiale som helhet.

De ferromagnetiske partikler i de parenteralt admini-strerbare kontrastmidler er fortrinnsvis av tilnærmet jevn partikkelstørrelse for å oppnå jevn kontrast i likeverdige vevsområder. Vanligvis varierer partikkeldiameteren fra 0,002 til 50 nm, og for parenteral administrering foretrekkes særlig en standard-awikelse i diameter på mindre enn 10 %.

For administrering direkte i fordøyelseskanalen bør partikkel-størrelsen ikke være så lav, eftersom dette muligens kan føre til at partiklene blir absorbert fra kanalen.

Ved diagnose under anvendelse av nmr-bilder, kan nmr-avbild-ningen eller -bildet som dannes, baseres på de forskjellige T-verdier for nabovev. Ved å redusere T2 i et vev, vil det være mulig å oppnå en kontrastforsterkning.

Partikkelformen av det ferromagnetiske materiale i kontrastmidlet gjør det mulig for midlet å være vevsspesifikt. Særlig egnede målorganer for intravaskulært administrerte partikler er leveren og milten på grunn av det reticulo-endoteliale system.

En mulig anvendelse av parenteral administrerte partikler kan være å diagnostisere primær cancer og metastaser i leveren.

Leveren er det organ i underlivet med de korteste relaksasjonstider (T1 og muligens også T2)• Generelt har tumorer leng-re relaksasjonstider (T1 og T^) enn normale vev. 40 % av lever-cellene utgjøres av reticuloendoteliale celler. Intravenøst injiserte partikler fordeles makroskopisk jevnt i en normal lever. I både hepatomer og metastaser er evnen til å oppta partikler redusert eller eksisterer ikke. Intravenøst administrerte ferromagnetiske partikler kan således selektivt redusere T i normalt levervev. T i normalt levervev er mindre enn T2 i levercancer-vev og i omgivende vev, og en videre reduksjon av T2 i det normale levervev ved anvendelse av ferromagnetiske kontrastmidler vil øke kontrasten mellom normalt levervev og cancerlevervev, hvilket gjør diagnosen enklere. Evnen til å diagnostisere metastaser i leveren på et tidlig trinn er meget viktig, fordi mer enn 30 % av alle cancerformer fører til levermetastaser, og det er ofte mulig å diagnostisere metastasene i leveren før den pri-mære tumor kan påvises.

Virkningen av anvendelsen av ferromagnetiske kontrastmidler ved diagnose av levercancere under anvendelse av nmr-avbildning er illustrert skjematisk på de ledsagende tegninger, hvor: Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av et T^-avhengig bilde av et tverrgående snitt av kroppen gjennom en lever som inneholder en metastase; Figur 2 er en skjematisk illustrasjon av et T2~avhengig bilde av tverrsnittet fra figur 1 efter innføring av et ferromagnetisk kontrastmiddel i leveren; Figur 3 er en skjematisk illustrasjon av et T2~avhengig bilde av et tverrsnitt av kroppen gjennom blæren efter innføring av et ferromagnetisk kontrastmiddel i blæren gjennom et kateter; og Figur 4 er en skjematisk illustrasjon av det T2~avhengige bilde av et tverrgående snitt av en kanin-buk.

Når det gjelder figurene 1 og 2, viser disse et tverrsnitt gjennom underlivet 1, armer 4 og lever 2. Leveren er vist å inneholde en metastase 3. Skraveringene av de kroppsområder som svarer til den lokale T2~verdi med lett skravering, viser en T2 på ca. 70 ms, middels skravering ca. 40 ms og kraftig skravering ca. 10 ms.

Når det gjelder figur 3, vil urinen 5 som inneholder de ferromagnetiske partikler, gjøre det mulig å se konturen av blæreveggen 6, og tilstedeværelsen av en tumor 7 kan påvises.

Når det gjelder figur 4, viser denne en skjematisk illustrasjon av et nmr-bilde dannet ved en scandering gjennom en kanain-buk under anvendelse av spinn-ekko-teknikken (repe-tisjonstid 500 ms (TR), ekkotid 50 ms (TE)) efter oral administrering til kaninen av 100 nntol Fe/kg av suspensjonen i det nedenstående eksempel 6. Scanderingen muliggjør at tykktarmen 9 og tynntarmen 10 som inneholder kontrastmidlet, kan skjelnes klart fra muskelen 8.

Kontrastforsterkningen som oppnås med de ferromagnetiske partikler, er avhengig av pulse-sekvensene og pulse-parameterne som anvendes ved målingen av det aktuelle nmr-bilde. I tillegg til. virkningen på T2~bildet, kan de ferromagnetiske partikler forandre proton-intensitetsbildet. Proton-intensiteten er en funksjon av både T-^ og T2:

Hvor H er den lokale hydrogenkonsentrasjon, a og b er parametere for nmr-instrumentet, og f(v) er en funksjon av både den hastighet som hydrogenkjernene beveger seg med gjennom det området som avbildes, og den fraksjon av det totale antall kjerner som beveger seg. Således vil en økning av T^ redusere intensiteten, mens en økning av T2 øker intensiteten. Et selektivt T2~middel vil således forandre proton-intensiteten.

Oppfinnelsen skal nu illustreres ytterligere ved hjelp av de følgende ikké-begrensende eksempler:

Eksempler 1- 6

Fremstilling av ferromagnetiske dispersjoner

Ferromagnetiske polymerpartikler fremstilt i henhold til fremgangsmåten ifølge J. Ugelstad et al (W0 83/03920) og med de egenskaper som er angitt i den nedenstående tabell I, ble anvendt ved fremstilling av kontrastmidlene.

Generell fremgangsmåte for eksempel 1- 3

De ferromagnetiske partikler ble suspendert i 8 ml sterilt vann (0,5 % polysorbat 80). Suspensjonen ble lydbehandlet og ristet i 30 minutter, sentrifugert, og partiklene ble suspendert på ny i en oppløsning av storfe-serumalbumin (200 mg) i sterilt

vann (8 ml). Efter risting i 3 timer ble suspensjonen sentrifugert, partiklene ble vasket med 0,9 % NaCl (0,1 % polysorbat 80)

(2 x 8 ml) og suspendert på ny i det samme suspensjonsmedium til 10 ml.

Eksempel 1

57,7 mg partikler (type 1) (19,4 % Fe)

10 mg polysorbat 80

ad 10 ml 0,9 % vandig NaCl oppløsning

Eksempel 2

1000 mg partikler (type 2) (30,2 % Fe)

20 mg polysorbat 80

ad 20 ml 0,9 % vandig NaCl oppløsning

Eksempel 3

1000 mg partikler (type 3) (28,2 % Fe)

20 mg polysorbat 80

ad 20 ml 0,9 % vandig NaCl oppløsning

Generell fremgangsmåte for eksempel 4 og 5

De ferromagnetiske partikler ble suspendert i 0,9 % NaCl (0,3 % polysorbat 80) til 10 ml. Suspensjonene ble lydbehandlet og ristet i 10 minutter.

Eksempel 4

765 mg partikler (type 3) (29,2 % Fe)

30 mg polysorbat 80

ad 10 ml 0,9 % vandig NaCl oppløsning

Eksempel 5

740 mg partikler (type 2) (30,2 % Fe)

30 mg polysorbat 80

ad 10 ml 0,9 % vandig NaCl oppløsning

Eksempel 6

(Suspensjon for administrering direkte til fordøyelses-kanalen eller blæren.)

Karboksymetylcellulose (92 mg) og polysorbat 80 (4 mg) ble satt til vann (3,5 ml). Den omrørte blanding ble oppvarmet til 80°C.

Efter avkjøling ble 1187 mg partikler (type 3) tilsatt, og suspensjonen ble homogenisert ved kraftig risting og 15 mi-nutters lydbehandling.

Eksperimentelle resultater

Målinger av T1 og T2

Nmr-målinger ble foretatt for protoner ved en frekvens på 10,7 MHz med pulsesekvenser:

(90° - x - 90°) og (90° - x - 180° - x) for henholdsvis

Tl °g T2 *

Temperaturen var 37°C.

De ferromagnetiske suspensjoner ble homogenisert ved lydbehandling og kraftig risting.

In vitro forsøkene ble foretatt med de følgende oppløsninger:

5) 1% metylcellulose i vann.

In vivo-forsøkene ble foretatt som følger:

Partikkelsuspensjoner ble injisert i.v. i rotter og kaniner. Blodprøver ble tatt på forskjellig tidspunkt. Dyrene ble avliv-et, og relaksasjonstidene (T-^ og T2) i både blodprøvene og de forskjellige organer ble målt.

In vitro- målinger

Relaksasjonstidene (T1 og T2) ble målt i forskjellige prøver med forskjellige ferromagnetiske monodisperse polymerpartikler og med forskjellige kommersielt tilgjengelige ferromagnetiske partikler og er oppsummert i tabellene II, III og IX nedenfor. Det ferromagnetiske materiale i partiklene omfatter forskjellige magnetiske jernoksyder og andre ferritter. Størrelsen av partiklene varierte fra 0,01 nm til 100 nm, og deres ferromagnetiske innhold fra 0,5 til 100 %.

Som vist i tabell IV nedenfor, var virkningen av de ferromagnetiske partikler på spinn-gitter-relaksasjonshastighetene

(R^ som er lik 1/T-^) moderat, mens spinn-spinn-relaksasjonshastighetene (R2 = 1/T2) ble øket mange ganger. En interessant ob-servasjon er den relativt konstante verdi for forholdet R2r</r>ir ^T2T1^T2T1 °^ T<2> er relalcsa-s jonstidene i fravær av kontrastmidlet) i hver oppløsning. Hvis det magnetiske materiale er konsentrert i få partikler, så som type 2, er ingen virkning på R1 observert, mens R2 økes 4 til 5 ganger. Når de magnetiske materialer fordeles mer homogent gjennom prøven, som med type 6, iakttas virkninger både på R-^ og R2.

Finpulveriserte magnetiske materialer viser også en bemer-kelsesverdig virkning på T2, mens monodisperse polymerpartikler med mangan-ferritt synes å øke både R^ og R2 (tabell III ovenfor).

Tabell IV nedenfor viser de relative relaksasjonshastig-heter (<R>lR og R2R) og forholdet <r>2r</R>1R 1 forskjellige suspensjoner av monodisperse ferromagnetiske polymerpartikler. Kon-sentrasjonen er 0,1 mmol Fe/kg (5,6 ppm).

Mens således paramagnetiske forbindelser er særlig effektive til å redusere spinn-gitter-relaksasjonstiden (T^), har vi funnet at ferromagnetiske partikler er særlig effektive til å redusere spinn-spinn-relaksasjonstiden (T2).

Den observerte økning for R2 i nærvær av ferromagnetiske partikler kan forklares som følger: Ved T2-relaksasjonsprosessen, overføres ingen energi fra kjernene til gitteret. Kjernene eksiteres og grunn-spinn-til-stander utveksler energi med hverandre, idet de gjennomgår en spinn-overgang som gjør at den netto spinn-tilstand for hele sys-temet blir uforandret: mens en kjerne absorberer energi vil den samarbeidende kjerne frigjøre energi.

Det er hastigheten av tapet av transversal magnetisering

som bestemmer T2~relaksasjonstiden. Den transversale magnetisering avtar fordi de kjernemagnetiske momenter kommer ut av fase. Dette tap av sammenheng skyldes at alle kjernemagnetiske momenter ikke har nøyaktig samme presesjonsfrekvens (på grunn av forskjellige lokale magnetfelt). Den observerte nedbrytningshastighet

(R2<*>) er et resultat av den virkelige spinn-spinn-relaksasjonshas-tighet (R2) sammen med et bidrag som skyldes den lokale inhomoge-nitet i det magnetiske felt (R2inh ^

<*> *

Den iakttatte T2 (dvs. l/Rj) i et system er alltid mindre enn den virkelige verdi på grunn av de forskjellige magnetiske omgivelser for kjernene. Ved å innføre ferromagnetisk materiale øker de lokale magnetfelt-inhomogeniteter hvilket fører til en reduksjon v den observerte T<*>.

In vivo- målinqer

Forskjellige suspensjoner av monodisperse ferromagnetiske polymerpartikler er administrert intravenøst til rotter og kaniner, og relaksasjonstidene (T^ og Tj) i forskjellige organer er målt (post mortem). De oppnådde relaksasjonstider er oppsummert i tabell V og VI nedenfor. Ved å ta blodprøver og måle relaksasjonstider ved forskjellige tidspunkt, kunne man følge elimine-ringen av partiklene fra det vaskulære system. Partiklene ble eliminert fra blodet meget raskt: 5 minutter efter i.v.-administrering var partiklene tilnærmet eliminert fra det vaskulære system.

Som vist i tabell VI ble relaksasjonstidene (T2) i lever, milt og lunger sterkt redusert. Relaksasjonstidene (T2) i nyre-ne ble også redusert.

Virkningen av forskjellige mengder av ferromagnetiske partikler på relaksasjonstidene (T^ og T2) er undersøkt. Det ble funnet at reduksjonshastigheten for de observerte relaksasjonstider avtok med økende konsentrasjoner av ferromagnetiske partikler .

Toksisitet

( a) Intravenøs administrering

Magnetisk reagerende mikrosfærer har vært anvendt for bio-fysisk merking av antitumor-midler og andre midler. Toksisiteten av intravenøst administrerte mikrosfærer har vært omhyggelig un-dersøkt. Partiklenes toksisitet er funnet å være avhengig av både partiklenes størrelse og form.

Det er hittil ikke publisert noen undersøkelser vedrørende toksisiteten av intravenøst administrert magnetitt. Imidlertid har intense menneskeforsøk blitt foretatt for å vurdere virkningen av inhalert materiale. Disse undersøkelser viste at inntak gjennom åndedrettet av moderat store mengder av jernoksyder ikke forårsaker noen vesentlig inflammasjon, fibrose eller forandring av pulmonar funksjon. Basert på disse resultater kan det være rime-lig å anta at intravaskulært administrerte ferromagnetiske forbindelser også vil fremkalle minimal inflammatorisk reaksjon.

Vi har undersøkt den akutte toksisitet av intravenøst administrerte, monodisperse ferromagnetiske partikler. Dødelig-heten er oppsummert i tabell VII nedenfor, mens tabell VIII nedenfor viser den omtrentlige i.v. LD^Q for forskjellige partikler i mus.

Alle injeksjoner ble foretatt på hannmusm stamme NMRI,

vekt 18-33 g, som kom fra Bomholtgaard, Danmark. Injeksjonssted: halevener. Injeksjonshastighet: 0,20 ml/10 sek. Observasjons-periode: En uke.

Partikkeloppløsningene ble behandlet med lyd (15 minutter) før injeksjonen.

De spesielt lave LD^Q-verdier med partikkel-type 2 sammenlignet med type 3 og med type 7 sammenlignet med typene 4, 5 og 6, kan skyldes fnokkdannelse av partiklene.

Hvis alle partiklene ble opptatt av de reticulo-endoteliale celler i leveren, kunne ca. 0,14 mg Fe/kg kroppsvekt være tilstrekkelig til å gi en kontrastforsterkning. (0,1 mmol Fe/kg lever, og leveren utgjør ca. 2,6 % av kroppsvekten). Som vist i tabell VIII, er den antatte "sikkerhetsfaktor" (omtrentlig LD5Q/effektiv dose (ED)) stor.

( b) Oral administrering

De toksiske egenskaper hos oralt administrerte, partikkelformige ferromagnetiske stoffer så som magnetitt og ferritter er beskrevet. Ingen forandringer i noen av de biokjemiske og

fysiologiske parametere ble iakttatt da en enkel dose på

2,0 g/Kg kroppsvekt eller 20 g/kg som gjentatte doser ble gitt til rotter og mus.

Vi har undersøkt toksisiteten av oralt administrerte monodisperse ferromagnetiske partikler (type 3). Ingen tegn på toksisk virkning ble iakttatt efter 7,8 g partikler/kg kroppsvekt.

I løpet av de første 24 timer ble 92,4 % av dosen funnet

i faeces.

Materialet er uoppløselig i vann og absorberes derfor ikke fra mave/tarm-kanalen. (Polymergrunnmassen for type 3-partikler er ikke biologisk nedbrytbar).

Oppfinnelsen illustreres også ved de følgende ikke-begrensende eksempler:

Eksempel 61

(Fremstilling av en suspensjon for oral administrering)

Metyl-parahydroksybenzoat ble oppløst i varmt vann (90°C): Oppløsningen ble avkjølt og xantangummi ble tilsatt, og blandingen ble omhyggelig omrørt i 1 time. Natrium-polymetafosfat, sakkarin-natrium, kaliumsorbat og peppermynteolje ble oppløst, og til slutt ble partiklene suspendert. Suspensjonen ble fylt i en 1 liter flaske. Suspensjonen inneholdt 1,0 mg Fe/g.

Eksempel 62

(Fremstilling av en suspensjon for oral anvendelse)

Veegum ble dispergert i vann ved 60°C ved høyhastighetsbland-ing i 1 time. Flytende sorbitol og sitronsyre ble tilsatt under kontinuerlig omrørin g. En oppløsning av metyl-parahydroksybenzoat og appelsinessens i etanol ble tilsatt, og partiklene ble suspendert under kraftig omrøring.. Suspensjonen ble fylt i en 1 liter flaske. Suspensjonen inneholdt 1 mg Fe/g.

Eksempel 63

(Fremstilling av en suspensjon for oral administrering)

Hvdroksyetyhlcellulose ble dispergert i vann ved omrøring i 2 timer. Sakkarin-natrium og en oppløsning av essensene, metyl- og propyl-parahydroksybenzoat i etanol ble langsomt tilsatt. Partiklene ble dispergert i oppløsningen under kraftig omrøring. Suspensjonen inneholdt 0,05 mg Fe/g.

Eksempel 64

(Fremstilling av en suspensjon for rektal administrering (klyster)).

Metyl-parahydroksybenzoat (85 mg) og propyl-parahydroksybenzoat (15 mg) ble oppløst i vann (100 ml) ved 90°C. Efter avkjøling til 30°C metylcellulose (2 g) tilsatt og blandingen ble omrørt i 2 timer. 1,0 g partikler (type 5) ble suspendert. Suspensjonen ble fylt i et 100 ml rør. Suspensjonen inneholdt 0,2 mg Fe/ml.

Eksempel 65

(Fremstilling av en suspensjon for anvendelse i sialografi/nmr-undersøkelse av urinblæren og/eller hysterosalpingografi)

Partiklene ble aseptisk suspendert i en steril blanding av natriumklorid og Pluronic i vann. Suspensjonen ble fylt i enkeltdose-beholdere. Suspensjonen inneholdt 52 mg Fe/l.

Eksempel 66

(Fremstilling av suspensjon av belagte partikler for oral administrering)

Talkum ble suspendert i en oppløsning av Eudragit RS i isopro-panol under omrøring.

100 g av oppløsningen A ble sprøytet på 500 g magnetitt-partikler (eksempel 26). Partiklene ble rotert i et apparat med fluidisert lag. Mengdene og temperaturen av innløpsluften ble regulert slik at partiklene ble holdt ved en temperatur på 30°C og ble sprøytet kontinuerlig. Sprøytingen ble fortsatt inntil tilstrekkelig belegg var oppnådd. Partiklene ble tørket natten over ved omgivelsestemperatur og fylt i enkeltdose-beholdere .

Cellulosegummien, natriumklorid og peppermynteolje og metyl-parahydroksybenzoat i etanol ble oppløst i vann.

Fremstilling av slutt-suspensjonen:

100 ml av oppløsning B ble satt til 2,8 g av de belagte partikler, og beholderen ble rystet inntil man fikk en homogen suspensjon. Suspensjonen inneholdt 20 mg Fe/ml..

Eksempel 6 7

(Fremstilling av entero-oppløselig belagte partikler for oral anvendelse)

Denne suspensjon ble fremstilt som beskrevet i eksempel 66. Eudragit S ble anvendt istedenfor Eudragit RS. pH i suspende-ringsoppløsningen (oppløsning B) ble regulert til 4 med IN HC1.

Claims

1. Anvendelse av partikler av ferromagnetisk materiale med størrelse på 0,002-50 for fremstilling av et diagnostisk nmr-kontrastmiddel som kan benyttes ved MRl-diagnostikk hvor det dannes en T2-avhengig avbildning, med det forbehold at når kontrastmidlet er til bruk for parenteral administrering, er det ferromagnetiske materiale ikke innesluttet i en karbohydratmatriks.

2. Anvendelse ifølge krav 1 av partikler av ferromagnetisk materiale innleiret i eller belagt med en ikke-ferromagnetisk grunnmasse eller belegg av en ikke-biologisk nedbrytbar, biologisk godtagbar polymer.

3. Anvendelse ifølge ett av kravene 1 og 2 av nevnte partikler og et viskositetsforøkende middel og/eller et overflateaktivt middel for fremstilling av nevnte kontrastmiddel.

4. Anvendelse ifølge ett av kravene 1-3 av partikler av et ferromagnetisk materiale med en størrelse på 0,01-0,6 jum.

5. Anvendelse ifølge krav 4 av partikler av et ferromagnetisk materiale med en størrelse på 0,01-0,02 ^m.

6. Anvendelse ifølge ett av kravene 4-5 av ubelagte partikler av et ferromagnetisk materiale.

7. Anvendelse ifølge ett av kravene 1-6 av partikler av et ferromagnetisk materiale som er partikler av et magnetisk jern-oksyd.

8. Anvendelse ifølge krav 7 av partikler av en ferritt.

9. Anvendelse ifølge krav 7 av partikler av en magnetitt eller "Y-Fe203.

10. Anvendelse ifølge ett av kravene 1-9 for fremstilling av nevnte middel i en form egnet for parenteral administrering.

11. Anvendelse ifølge krav 1 av partikler med en maksimum-dimensjon i området 0,1-20 /xm og med et ferromagnetisk innhold på 0,5-50 vekt%.