BR102020005909B1 - Paramagnetic nanoparticles, their manufacturing process and uses. - Google Patents
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Abstract
NANOPARTÍCULAS PARAMAGNÉTICAS, PROCESSO DE FABRICAÇÃO E USO DAS MESMAS COMO CONTRASTE EM IMAGEM POR RESSONÂNCIA MAGNÉTICA. A presente invenção descreve agentes de contraste IRM baseados em nanopartículas de óxidos metálicos diamagnéticos amorfos com íons metálicos paramagnéticos ligados em sua superfície, que formam nanofluídos em meio aquoso, conjugadas com moléculas, biomoléculas, moléculas bioativas, derivados de polímeros e biopolímeros, e que apresentam aplicação como agentes de contraste T1 e T2, adequadas para o diagnóstico eficiente e seguro de doenças. A presente invenção se insere nos campos da química e da nanotecnologia aplicadas à medicina e, mais particularmente, se refere a agentes de contraste para diagnóstico por imagem de ressonância magnética.PARAMAGNETIC NANOPARTICLES, MANUFACTURING PROCESS AND USE THEREOF AS CONTRAST IN MAGNETIC RESONANCE IMAGING. The present invention describes MRI contrast agents based on amorphous diamagnetic metal oxide nanoparticles with paramagnetic metal ions bound to their surface, which form nanofluids in aqueous medium, conjugated with molecules, biomolecules, bioactive molecules, polymer derivatives and biopolymers, and which have application as T1 and T2 contrast agents, suitable for the efficient and safe diagnosis of diseases. The present invention falls within the fields of chemistry and nanotechnology applied to medicine and, more particularly, relates to contrast agents for magnetic resonance imaging diagnosis.
Description
[001] A presente invenção se encontra nos campos da nanotecnologia e da medicina e se refere a agentes de contraste para imagem de ressonância magnética que se caracterizam por serem baseados em nanopartículas amorfas de óxidos metálicos decoradas com íons/óxidos metálicos paramagnéticos acoplados em sua superfície, cuja relação das relaxividades transversal e longitudinal é controlada pela quantidade dos referidos íons paramagnéticos e espécies moleculares ligadas na superfície, para aplicação simultânea como meio de contraste T1 e T2 no campo de diagnóstico de doenças por imagem por ressonância magnética (IRM). A junção de nanopartículas de óxidos metálicos, íons de metais paramagnéticos e de biomoléculas, polímeros e fármacos foi realizada de maneira ímpar gerando uma nova classe de meios de contraste com alta especificidade, sensibilidade, e baixo custo. A invenção pode ser utilizadacomo alternativa mais segura, ou alternativa, aos meios de contraste baseados em quelatos de gadolínio, amplamente utilizados nas clínicas médicas.[001] The present invention is in the fields of nanotechnology and medicine and relates to magnetic resonance imaging contrast agents characterized by being based on amorphous metal oxide nanoparticles decorated with paramagnetic metal ions/oxides coupled to their surface, whose ratio of transverse and longitudinal relaxivities is controlled by the amount of said paramagnetic ions and molecular species bound to the surface, for simultaneous application as a T1 and T2 contrast medium in the field of disease diagnosis by magnetic resonance imaging (MRI). The combination of metal oxide nanoparticles, paramagnetic metal ions, and biomolecules, polymers, and drugs was achieved in a unique way, generating a new class of contrast media with high specificity, sensitivity, and low cost. The invention can be used as a safer alternative, or alternative, to gadolinium chelate-based contrast media, widely used in medical clinics.
[002] As imagens por Ressonância Magnética são amplamente utilizadas no diagnóstico médico. Utilizando intensos campos magnéticos, essa técnica não invasiva possibilita a avaliação dos tecidos moles com importante resolução espacial e de contraste. Através da combinação de diferentes técnicas de aquisição durante a realização do exame, os radiologistas avaliam as alterações e eventuais estadiamentos. Com o intuito de uma melhor avaliação estrutural e funcional, agentes de contraste podem ser utilizados nos exames, de modo a aumentar a diferenciação entre tecidos ou estruturas, além de permitir uma avaliação dinâmica durante sua passagem ou do acúmulo em determinadas regiões de interesse. Atualmente, os agentes de contraste mais utilizados na clínica são baseados em complexos paramagnéticos de gadolínio. Em casos específicos, como na insuficiência renal grave, seu uso é contraindicado, por aumentar a possibilidade de desenvolvimento da fibrose sistêmica nefrogênica, prejudicando o paciente. Devido à sua toxicidade, sucessivas doses em curto espaço de tempo também são contraindicadas, que limita reconvocações ou repetição de medidas, em especial em população não colaborativa, como crianças ou idosos. Portanto, o desenvolvimento de agentes de contraste biocompatíveis que não apresentem, ou apresentem efeitos adversos reduzidos, são importantes nesse cenário.[002] Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used in medical diagnosis. Using intense magnetic fields, this non-invasive technique allows for the evaluation of soft tissues with significant spatial and contrast resolution. Through the combination of different acquisition techniques during the examination, radiologists assess alterations and possible staging. In order to improve structural and functional evaluation, contrast agents can be used in examinations to increase differentiation between tissues or structures, as well as allowing dynamic evaluation during their passage or accumulation in specific regions of interest. Currently, the most commonly used contrast agents in clinical practice are based on gadolinium paramagnetic complexes. In specific cases, such as severe renal failure, their use is contraindicated because it increases the possibility of developing nephrogenic systemic fibrosis, harming the patient. Due to their toxicity, successive doses in a short period of time are also contraindicated, which limits recalls or repetition of measurements, especially in uncooperative populations such as children or the elderly. Therefore, the development of biocompatible contrast agents that do not present, or present reduced, adverse effects is important in this scenario.
[003] Nesse contexto, a nanotecnologia tem grande potencial para o desenvolvimento de novos materiais para aplicação na área da medicina. A nanotecnologia é uma plataforma promissora para o desenvolvimento de materiais que irão revolucionar as tecnologias atuais. As nanopartículas são os nanomateriais ideais para tais aplicações, visto que é possível controlar o seu tamanho, formato e carga superficial, características que influenciam diretamente suas propriedades. Além disso, a superfície das nanopartículas também podem ser modificadas com diferentes classes de moléculas, conferindo outras propriedades desejáveis.[003] In this context, nanotechnology has great potential for the development of new materials for application in the medical field. Nanotechnology is a promising platform for the development of materials that will revolutionize current technologies. Nanoparticles are the ideal nanomaterials for such applications, since it is possible to control their size, shape and surface charge, characteristics that directly influence their properties. In addition, the surface of nanoparticles can also be modified with different classes of molecules, conferring other desirable properties.
[004] Meios de contraste são substâncias capazes de melhorar, na imagem, a diferenciação de determinadas estruturas e/ou tecidos em relação ao seu entorno. Em equipamentos de IRM há uma ampla gama de materiais que podem ser utilizados para essa finalidade, principalmente no campo da pesquisa, como os metais de transição manganês (Mn), ferro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni) e cobre (Cu) e os lantanídeos európio (Eu), gadolínio (Gd), térbio (Tb) e disprósio (Dy) [1]. Uma propriedade em comum entre os meios de contraste é sua eficiência na redução dos tempos de relaxação T1 e T2 dos sinais referentes aos tecidos e fluídos na Ressonância Magnética (RM). Geralmente, os meios de contraste são classificados de acordo com suas atuações sobre os tipos de relaxação RM, onde há compostos que provocam uma redução significativa de T1, denominados meios de contraste T1, e os meios que reduzem o tempo de relaxação T2, denominados meios de contraste T2 [2]. De modo geral, a redução do tempo de relaxação T1 implica em hipersinal nas imagens ponderadas em T1 e a redução da relaxação T2 implica em hiposinal nas imagens ponderadas em T2, podendo ocorrer sobreposição dos efeitos.[004] Contrast media are substances capable of improving, in the image, the differentiation of certain structures and/or tissues in relation to their surroundings. In MRI equipment there is a wide range of materials that can be used for this purpose, mainly in the field of research, such as the transition metals manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and copper (Cu) and the lanthanides europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) and dysprosium (Dy) [1]. A common property among contrast media is their efficiency in reducing the T1 and T2 relaxation times of the signals relating to tissues and fluids in Magnetic Resonance Imaging (MRI). Generally, contrast media are classified according to their effects on the types of MRI relaxation, where there are compounds that cause a significant reduction in T1, called T1 contrast media, and media that reduce the T2 relaxation time, called T2 contrast media [2]. In general, a reduction in T1 relaxation time results in increased signal intensity on T1-weighted images, and a reduction in T2 relaxation time results in decreased signal intensity on T2-weighted images, with the effects potentially overlapping.
[005] Apesar de tóxico, o gadolínio é o elemento mais utilizado como meio de contraste, apresentando uma alta característica paramagnética, sendo magnetizável em altas temperaturas e contendo 7 elétrons desemparelhados em sua estrutura atômica. O uso do gadolínio como meio de contraste é realizado na forma de quelatos de gadolínio (III) que são denominados como gadodiamida, ácido gadopentético, ácido gadobênico, ácido gadoxético, gadoversetamida, gadoteridol, gadobutrol e ácido gadotérico. Estimativas não-oficiais mostram que 90 milhões de doses de quelatos do íon gadolínio foram administradas no mundo até 2008 [3]. Adicionalmente, a sensibilidade do gadolínio nas IRM é comprovadamente maior em relação ao uso de outros meios de contraste em outras técnicas de imagem, como o iodado na tomografia computadorizada, podendo ser utilizado volumes cerca de 5 a 15 vezes menores [3]. Essa característica é apontada como um dos motivos do uso do gadolínio ser relativamente mais seguro que o contraste iodado, utilizado na tomografia computadorizada.[005] Despite its toxicity, gadolinium is the most widely used contrast agent, exhibiting a high paramagnetic characteristic, being magnetizable at high temperatures and containing 7 unpaired electrons in its atomic structure. Gadolinium is used as a contrast agent in the form of gadolinium (III) chelates, which are known as gadodiamide, gadopentetic acid, gadobenic acid, gadoxetic acid, gadoversetamide, gadoteridol, gadobutrol, and gadoteric acid. Unofficial estimates show that 90 million doses of gadolinium ion chelates were administered worldwide up to 2008 [3]. Additionally, the sensitivity of gadolinium in MRI is demonstrably higher compared to the use of other contrast agents in other imaging techniques, such as iodinated contrast agents in computed tomography, and volumes approximately 5 to 15 times smaller can be used [3]. This characteristic is cited as one of the reasons why the use of gadolinium is relatively safer than iodinated contrast, which is used in computed tomography.
[006] No entanto, existem riscos graves inerentes ao uso de meios de contraste baseados em gadolínio, como causar fibrose sistêmica nefrogênica segundo a consulta do Comitê dos Medicamentos para Uso Humano (CHMP), artigo 31° da diretiva 2001/83/CE. Esse problema é mais grave em pacientes que apresentam insuficiência renal, que dificulta a eliminação do meio de contraste injetado endovenosamente. Um outro problema relacionado ao uso de meios de contraste baseados em gadolínio é a acumulação permanente desse componente no fígado, rins, músculos e ossos, após sua administração. Além disso, estudos recentes têm demonstrado a acumulação permanente desses meios de contraste também no cérebro [4, 5]. Por meio de análises de amostras de cérebro em autópsias utilizando espectroscopia de massas com plasma acoplado indutivamente e monitorando o sinal de T1 de IRM, McDonald et al. [6] mostraram a presença de gadodiamida no cérebro de pacientes com função renal normal submetidos a exames de imagens de ressonância magnética [6]. Murata et al. [7] verificaram que os meios de contrastes gadoteridol, gadobutrol, gadobenato e gadoxetato estavam presentes nos ossos de pacientes com função renal normal em quantidade 23 vezes maiores do que nas regiões cerebrais, segundo estudo por meio de uma metodologia similar a descrita por McDonald et al [6].[006] However, there are serious risks inherent in the use of gadolinium-based contrast media, such as causing nephrogenic systemic fibrosis according to the Committee for Medicinal Products for Human Use (CHMP) consultation, Article 31 of Directive 2001/83/EC. This problem is more serious in patients with renal insufficiency, which makes it difficult to eliminate the intravenously injected contrast medium. Another problem related to the use of gadolinium-based contrast media is the permanent accumulation of this component in the liver, kidneys, muscles and bones after its administration. In addition, recent studies have demonstrated the permanent accumulation of these contrast media in the brain as well [4, 5]. Through analysis of brain samples in autopsies using inductively coupled plasma mass spectrometry and monitoring the T1 MRI signal, McDonald et al. [6] showed the presence of gadodiamide in the brain of patients with normal renal function undergoing magnetic resonance imaging [6]. Murata et al. [7] found that the contrast media gadoteridol, gadobutrol, gadobenate and gadoxetate were present in the bones of patients with normal renal function in quantities 23 times greater than in brain regions, according to a study using a methodology similar to that described by McDonald et al [6].
[007] Apesar da relativa eficácia dos meios de contrastes baseado em gadolínio em exames IRM, alternativas mais seguras e eficazes têm sido constantemente procuradas. Nesse sentido, nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro têm chamado a atenção como meios de contraste devidoà sua alta biodegradabilidade e não toxicidade em sistemas biológicos, quando comparados aos quelatos de gadolínio [810]. Há trabalhos bem-sucedidos de desenvolvimento de materiais baseado em óxido de ferro, com alta relaxividadede spin e alta seletividade pela funcionalização adequada com biomoléculas. Nanopartículas de spinélio de MFe2O4 comaltos valores de relaxividade transversal (r2) foram sintetizadas e aplicadas para IRM por Lee et. al [11]. Os valores obtidos de r2 foram 358, 218, 172 e 152 mM-1 s-1 paraas nanopartículas de MnFe2O4, FeFe2O4, CoFe2O4 e NiFe2O4, respectivamente. Além disso, as nanopartículas de MnFe2O4, quando associadas com um anticorpo, mostraram seletividade na detecção de pequenos tumores implantados em ratos promovendo um aumento de sinal após a injeção do meio de contraste. Cheng e colaboradores [12] desenvolveram nanopartículas de Fe3O4 biocompatíveis com alta estabilidade coloidal e grande potencial de aplicação em IRM por promover significativa redução dos tempos de relaxação T2 mostrandorelaxividade r1 e r2 de 7,2 e 82 mM-1 s-1, respectivamente,sob um campo magnético de 1.5T.[007] Despite the relative effectiveness of gadolinium-based contrast media in MRI examinations, safer and more effective alternatives have been constantly sought. In this sense, superparamagnetic iron oxide nanoparticles have attracted attention as contrast media due to their high biodegradability and non-toxicity in biological systems, when compared to gadolinium chelates [810]. There are successful works in the development of iron oxide-based materials with high spin relaxivity and high selectivity through appropriate functionalization with biomolecules. Spinel nanoparticles of MFe2O4 with high transverse relaxivity (r2) values were synthesized and applied to MRI by Lee et al. [11]. The r2 values obtained were 358, 218, 172 and 152 mM-1 s-1 for the MnFe2O4, FeFe2O4, CoFe2O4 and NiFe2O4 nanoparticles, respectively. Furthermore, MnFe2O4 nanoparticles, when associated with an antibody, showed selectivity in detecting small tumors implanted in rats, promoting a signal increase after injection of the contrast medium. Cheng and colleagues [12] developed biocompatible Fe3O4 nanoparticles with high colloidal stability and great potential for application in MRI by promoting a significant reduction in T2 relaxation times, showing r1 and r2 relaxivities of 7.2 and 82 mM-1 s-1, respectively, under a magnetic field of 1.5T.
[008] De fato, as nanopartículas de óxido de ferro são alternativas mais viáveis em termos de biocompatibilidade em relação aos meios de contraste baseados em quelatos de gadolínio, além de apresentarem altos valores de relaxividade transversal (r2). Entretanto, esses materiais ainda não são adequados para amplo uso clínico nas IRM por apresentarem valores de relaxatividade longitudinal (r1) baixos, ou seja, proporcionam importante efeito de contraste nas IRM ponderadas em T2, mas não em T1, limitando sua aplicação. Dessa forma, na presente patente reivindicamos a proteção sobre uma nova classe de materiais para atuaremcomo meios de contraste eficiente tanto em T1 como em T2,baseado em nanopartículas de óxidos metálicos com íons paramagnéticos adsorvidos em sua superfície. Esse tipo de design de material é altamente eficiente para promover relaxamento de spin T1 e T2 tendo grande potencial como alternativas aos meios de contraste baseados em quelatos degadolínio, óxido de ferro e quelatos de manganês em IRM nagrande maioria dos protocolos clínicos aplicados no diagnóstico. Explorando apenas o diagnóstico de tumores, o impacto socioeconômico de um novo meio de contraste diagnóstico IRM alternativo aos quelatos de Gd(III) será muito significativo, tendo-se em vista os cerca de 12 milhões de novos casos e cerca de 8 milhões de óbitos nomundo, sendo esperados cerca de 600 mil novos casos de câncer por ano para o biênio 2018-2019 somente no Brasil(INCA).[008] In fact, iron oxide nanoparticles are more viable alternatives in terms of biocompatibility compared to gadolinium chelate-based contrast media, in addition to exhibiting high transverse relaxivity (r2) values. However, these materials are not yet suitable for widespread clinical use in MRI because they have low longitudinal relaxivity (r1) values, i.e., they provide a significant contrast effect in T2-weighted MRI, but not in T1, limiting their application. Therefore, in this patent we claim protection for a new class of materials to act as efficient contrast media in both T1 and T2, based on metal oxide nanoparticles with paramagnetic ions adsorbed on their surface. This type of material design is highly efficient in promoting T1 and T2 spin relaxation, having great potential as an alternative to gadolinium chelate, iron oxide, and manganese chelate-based contrast media in MRI in the vast majority of clinical protocols applied in diagnosis. Focusing solely on tumor diagnosis, the socioeconomic impact of a new alternative diagnostic MRI contrast medium to Gd(III) chelates will be very significant, considering the approximately 12 million new cases and approximately 8 million deaths worldwide, with around 600,000 new cancer cases expected per year for the 2018-2019 biennium in Brazil alone (INCA).
[009] No contexto das técnicas de formação das imagens IRM, a sequência ToF (Time of Flight) é uma alternativa utilizada em exames clínicos onde o uso do quelato de gadolínio é contraindicado. A angiografia baseada na sequência ToF é amplamente utilizada nos exames cerebrais para avaliação de vasos, como artérias e veias. No entanto, regiões com fluxo no mesmo plano da aquisição, turbulentos ou vasos muito tortuosos são desvantagens dessa técnica para o diagnóstico. Nas angiografias por ressonância magnética, independentemente da técnica utilizada, a relaxação T1 é explorada para obtenção do hipersinal dos vasos. Nas angiografias utilizando contraste de quelato de gadolínio, técnicas de aquisição rápidas permitem melhores avaliações de malformação arteriovenosas, cardíacas, renais, entre outras regiões englobadas pelo sistema circulatório sanguíneo, ou seja, a presente invenção permite explorar mais essa importante classe de técnicas de avaliação diagnóstica devido à sua atuação também nos tempos de relaxação em T1.[009] In the context of MRI imaging techniques, the Time of Flight (ToF) sequence is an alternative used in clinical examinations where the use of gadolinium chelate is contraindicated. Angiography based on the ToF sequence is widely used in brain examinations for the evaluation of vessels, such as arteries and veins. However, regions with flow in the same plane as the acquisition, turbulent flow, or very tortuous vessels are disadvantages of this technique for diagnosis. In magnetic resonance angiography, regardless of the technique used, T1 relaxation is exploited to obtain hypersignal of the vessels. In angiographies using gadolinium chelate contrast, rapid acquisition techniques allow for better evaluations of arteriovenous, cardiac, renal, and other malformations encompassed by the blood circulatory system; that is, the present invention allows for further exploration of this important class of diagnostic evaluation techniques due to its action also on T1 relaxation times.
[010] A perfusão e permeabilidade são avaliações no nível da microcirculação sanguínea. Pelas IRMs se observa dinamicamente a passagem do agente de contraste de quelato de gadolínio e o comportamento dinâmico é relacionado com a integridade capilar dos órgãos e tecidos. A sequência ASL (Arterial Spin Labeling) é a técnica em desenvolvimento utilizada como alternativa no estudo das perfusões cerebrais sem o uso de agentes de contraste. No entanto, essa sequência é de alto custo de implementação, as resoluções das imagens são piores que nas medidas com contraste, a área de cobertura é limitada, aplica-se somente nas avaliações cerebrais, as medidas quantitativas são demoradas e fornecem mapas de perfusão com informações inferiores aos mapas gerados pela técnica com uso de agentes de contraste. Nesse contexto, a presente invenção oferece um agente de contraste alternativo que também apresenta redução dos tempos de relaxação em T2 equiparável ao dos contrastes comerciais baseados em quelatos de gadolínio (III), permitindo, principalmente pela sua atuação nos tempos de relaxação T1, ser uma alternativa que não necessita de adaptações ou utilização de recursos adicionais na rotina clínica já implementada.[010] Perfusion and permeability are assessments at the level of blood microcirculation. MRI dynamically observes the passage of the gadolinium chelate contrast agent, and this dynamic behavior is related to the capillary integrity of organs and tissues. The ASL (Arterial Spin Labeling) sequence is a technique under development used as an alternative in the study of cerebral perfusions without the use of contrast agents. However, this sequence is costly to implement, the image resolutions are worse than in contrast-enhanced measurements, the coverage area is limited, it is only applicable to cerebral assessments, quantitative measurements are time-consuming, and it provides perfusion maps with less information than the maps generated by the technique using contrast agents. In this context, the present invention offers an alternative contrast agent that also presents a reduction in T2 relaxation times comparable to that of commercial gadolinium chelate-based contrasts (III), allowing, mainly due to its action on T1 relaxation times, to be an alternative that does not require adaptations or the use of additional resources in the already implemented clinical routine.
[011] Face ao exposto, a nanotecnologia apresenta grande potencial para a construção de materiais para aplicação na área da medicina. Em particular, os nanobiomateriais são promissores para substituição dos agentes de contrastes atualmente utilizados. Graças ao recobrimento com espécies biocompatíveis e biomoléculas, os NBMs apresentam maior biocompatibilidade e toxicidade reduzida. Assim, a presente inovação está focada no desenvolvimento de nanoagentes de contraste de IRM baseados em nanopartículas com propriedades magnéticas adequadas, biocompatíveis e de baixa toxicidade. A junção entre nanopartículas de óxidos metálicos e íons de metais paramagnéticos traz vantagens tecnológicas porque acopla as propriedades de ligação de biomoléculas, polímeros e fármacos na superfície das nanopartículas somadas a outras propriedades intrínsecas do núcleo (core) da nanopartícula como, por exemplo, as propriedades magnéticas, assim promovendo o surgimento de uma nova classe de meios de contraste capazes de atuar no encurtamento dos tempos de relaxamentos tanto em T1 como em T2, pela alta especificidade e sensibilidade, por seu baixo custo e alto potencial para desenvolvimento posterior de agentes teranóstico.[011] In view of the above, nanotechnology presents great potential for the construction of materials for application in the field of medicine. In particular, nanobiomaterials are promising for replacing currently used contrast agents. Thanks to coating with biocompatible species and biomolecules, NBMs exhibit greater biocompatibility and reduced toxicity. Thus, the present innovation is focused on the development of MRI nanocontrast agents based on nanoparticles with suitable magnetic properties, biocompatibility and low toxicity. The combination of metal oxide nanoparticles and paramagnetic metal ions offers technological advantages because it couples the binding properties of biomolecules, polymers, and drugs on the surface of the nanoparticles with other intrinsic properties of the nanoparticle core, such as magnetic properties, thus promoting the emergence of a new class of contrast media capable of shortening relaxation times in both T1 and T2, due to their high specificity and sensitivity, low cost, and high potential for the subsequent development of theranostic agents.
[012] Idealmente, as nanopartículas para diagnóstico por ressonância magnética devem exibir comportamento paramagnético e induzir a maior mudança em T1 e T2 possível, sem apresentar agregação espontânea ou na presença de fluídos corpóreos. Verificou-se que este comportamento é apresentado por nanopartículas muito pequenas, particularmente nanopartículas com diâmetros menores que cerca de 10-20 nm, preferencialmente por nanopartículas ultrapequenas com diâmetros inferiores a 5 nm. Além disso, devem ser totalmente dispersáveis em água e em meio biológico, ser biocompatíveis para evitar resposta tóxica e imunológica, e devem apresentar algumas rotas químicas e/ou físicas para fixação/ligação de moléculas e biomoléculas em sua superfície, tais como anticorpos ou outras proteínas, ácidos nucleicos ou peptídeos, ou mesmo moléculas bioativas, de acordo com a aplicação desejada.[012] Ideally, nanoparticles for magnetic resonance imaging diagnostics should exhibit paramagnetic behavior and induce the greatest possible change in T1 and T2 without spontaneous aggregation or aggregation in the presence of body fluids. This behavior has been found to be exhibited by very small nanoparticles, particularly nanoparticles with diameters smaller than about 10-20 nm, preferably by ultrasmall nanoparticles with diameters less than 5 nm. In addition, they should be fully dispersible in water and biological media, be biocompatible to avoid toxic and immunological responses, and should have some chemical and/or physical pathways for the attachment/binding of molecules and biomolecules to their surface, such as antibodies or other proteins, nucleic acids or peptides, or even bioactive molecules, according to the desired application.
[013] Nesse contexto, a proposta ora apresentada atua em uma importante aplicação das IRM diagnósticas, que são amplamente exploradas no contexto geral dos exames por ressonância magnética e que visa resolver os problemas constantes no estado da técnica a partir de nanopartículas capazes de agir simultaneamente como eficientes agentes de contraste T1 e T2 para o diagnóstico por imagem por ressonância magnética.[013] In this context, the proposal presented here addresses an important application of diagnostic MRI, which is widely explored in the general context of magnetic resonance imaging examinations and aims to solve the problems inherent in the state of the art using nanoparticles capable of acting simultaneously as efficient T1 and T2 contrast agents for magnetic resonance imaging diagnosis.
[014] A busca pelo histórico da invenção em questão levou a alguns documentos relacionados ao tema do atual pedido de exclusividade.[014] The search for the history of the invention in question led to some documents related to the subject of the current exclusivity request.
[015] O documento de patente CN103007302A descreve a aplicação e a preparação de um compósito de nanopartículas constituído por Gd2O3 e TiO2 compreendendo 20 a 80 wt% de nanocristais de dióxido de titânio na fase anatase, em tamanhos de 25 a 200 nm para imagem de ressonância magnética. O documento CN103007302A descreve um material compósito, onde o dióxido de titânio se encontra na fase cristalina anatase e faixa de tamanho de 25 a 200 nm, significativamente diferente da presente invenção, onde o material é amorfo, contém íons paramagnéticos biocompatíveis, e onde o tamanho preferencial das nanopartículas é menor que 10 nm.[015] Patent document CN103007302A describes the application and preparation of a nanoparticle composite consisting of Gd2O3 and TiO2 comprising 20 to 80 wt% of titanium dioxide nanocrystals in the anatase phase, in sizes from 25 to 200 nm for magnetic resonance imaging. Document CN103007302A describes a composite material, where the titanium dioxide is in the anatase crystalline phase and in the size range of 25 to 200 nm, significantly different from the present invention, where the material is amorphous, contains biocompatible paramagnetic ions, and where the preferred size of the nanoparticles is less than 10 nm.
[016] O documento de patente CN104353075A relata a preparação e a aplicação de um dióxido de titânio magnético solúvel em água. O material é formado por dióxido de titânio dopado com óxido de ferro e funcionalizado por moléculas hidrofílicas. A fase cristalina do dióxido de titânio é rutilo ou anatase. As partículas de TiO2 magnético têm tamanho de 1 a 1000 nm. Os autores afirmam que o material pode ser aplicado em imagem por ressonância magnética. O documento mencionado relata um material tipicamente cristalino, na fase anatase ou rutilo, onde óxido de ferro se encontra disperso em todo o volume da estrutura cristalina, substituindo o TiO2 na rede cristalina, gerando um material totalmente diferente da presente invenção, baseado em nanopartículas amorfas de dióxido de titânio tendo íons Fe(III) quimicamente adsorvidos na superfície das nanoestruturas de TiO2, característica fundamental para conferir a combinação única de propriedades apresentadas pelos nanoagentes de contraste da presente invenção.[016] Patent document CN104353075A reports the preparation and application of a water-soluble magnetic titanium dioxide. The material is formed by titanium dioxide doped with iron oxide and functionalized by hydrophilic molecules. The crystalline phase of the titanium dioxide is rutile or anatase. The magnetic TiO2 particles have a size of 1 to 1000 nm. The authors state that the material can be applied in magnetic resonance imaging. The aforementioned document reports a typically crystalline material, in the anatase or rutile phase, where iron oxide is dispersed throughout the volume of the crystalline structure, replacing TiO2 in the crystalline lattice, generating a material entirely different from the present invention, based on amorphous titanium dioxide nanoparticles having Fe(III) ions chemically adsorbed on the surface of the TiO2 nanostructures, a fundamental characteristic to confer the unique combination of properties presented by the contrast nanoagents of the present invention.
[017] O documento de patente KR20070058358A descreve um material formado por nanopartículas de óxido de manganês ou de óxido de manganês com um outro metal presente em sua estrutura, que atua como agente de contraste para imagem de ressonância magnética. O material baseado em óxido de manganês relatado na referida anterioridade é totalmente diferente da presente invenção, por ser constituído de material distinto e não apresentar a nanoestruturação nem as características “i” a “v”, e “a” a “g”, relatadas na descrição da presente invenção.[017] Patent document KR20070058358A describes a material formed by manganese oxide nanoparticles or manganese oxide with another metal present in its structure, which acts as a contrast agent for magnetic resonance imaging. The manganese oxide-based material reported in the aforementioned prior art is entirely different from the present invention, as it is made of a distinct material and does not present the nanostructure nor the characteristics “i” to “v”, and “a” to “g”, reported in the description of the present invention.
[018] O documento de patente CN102125699A relata a preparação e aplicação de compósito de TiO2/Fe2O3 como agente de contraste para imagem de ressonância magnética. O referido compósito de TiO2/Fe2O3 apresenta tamanho de 5 nm (pag. 8, Fig. 2) e o óxido de titânio e o óxido de ferro apresentamse nas fases cristalinas anatase e magnetita (pag. 8, fig. 3), respectivamente. Ou seja, em CN102125699A é apresentado material com estrutura cristalina bem definida (anatase (TiO2) e magnetita (Fe2O3)) indicando a presença de nanopartículas de anatase e de magnetita, enquanto na presente invenção, o material é baseado em nanopartículas ultrapequenas amorfas de dióxido de titânio com íons Fe (III) adsorvidos quimicamente na superfície.[018] Patent document CN102125699A reports the preparation and application of a TiO2/Fe2O3 composite as a contrast agent for magnetic resonance imaging. The said TiO2/Fe2O3 composite has a size of 5 nm (p. 8, Fig. 2) and the titanium oxide and iron oxide are in the anatase and magnetite crystalline phases (p. 8, Fig. 3), respectively. That is, in CN102125699A, a material with a well-defined crystalline structure (anatase (TiO2) and magnetite (Fe2O3)) is presented, indicating the presence of anatase and magnetite nanoparticles, while in the present invention, the material is based on ultrasmall amorphous titanium dioxide nanoparticles with Fe(III) ions chemically adsorbed on the surface.
[019] E por fim, o documento de patente US6530944B2 descreve uma metodologia de diagnóstico de entrega localizada de calor e materiais para imageamento in vitro e in vivo. O método envolve indução localizada de hipertermia na célula ou tecido pelo uso de nanopartículas, que absorvem os fótons de uma faixa de radiação convertendo a energia correspondente em calor. As nanopartículas utilizadas são constituídas por um núcleo de ouro de 60 nm revestida com uma camada de sílica de 5-20 nm. O material descrito em US6530944B2 apresenta constituição, estrutura e finalidade diferentes daquelas da presente invenção.[019] Finally, patent document US6530944B2 describes a localized heat delivery diagnostic methodology and materials for in vitro and in vivo imaging. The method involves localized induction of hyperthermia in the cell or tissue through the use of nanoparticles, which absorb photons from a range of radiation, converting the corresponding energy into heat. The nanoparticles used consist of a 60 nm gold core coated with a 5-20 nm silica layer. The material described in US6530944B2 has a different constitution, structure, and purpose than those of the present invention.
[020] A presente invenção se refere a nanopartículas amorfas de óxidos metálicos tais como sílica e silicatos, dióxido de titânio e titanatos, óxido de zinco, e outros óxidos insolúveis ou pouco solúveis em meio biológico, biocompatíveis e/ou de baixa toxicidade, decoradas com íons paramagnéticos de metais de transição, lantanídeos ou actinídeos, quimicamente ligados/adsorvidos em suasuperfície, para aplicação como meio de contraste para diagnóstico por imagem de ressonância magnética. A invenção pode ser utilizada como uma alternativa aos meios de contraste atualmente utilizados na clínica médica baseados em complexos de gadolínio (III), apresentando alto potencial econômico e tecnológico. Diferenciando-se assim de nanocompósitos de Fe3O4-TiO2 e materiais análogos constituídos por nanocristais dos referidos óxidos. Soluções e vantagens:[020] The present invention relates to amorphous nanoparticles of metal oxides such as silica and silicates, titanium dioxide and titanates, zinc oxide, and other oxides that are insoluble or poorly soluble in biological media, biocompatible and/or of low toxicity, decorated with paramagnetic ions of transition metals, lanthanides or actinides, chemically bonded/adsorbed on their surface, for application as a contrast medium for magnetic resonance imaging diagnosis. The invention can be used as an alternative to contrast media currently used in clinical medicine based on gadolinium (III) complexes, presenting high economic and technological potential. It thus differs from Fe3O4-TiO2 nanocomposites and analogous materials composed of nanocrystals of said oxides. Solutions and advantages:
[021] De fato, a junção de nanopartículas amorfas e ultrapequenas de óxidos metálicos diamagnéticos e íons de metais paramagnéticos, também na forma de materiais amorfos, possibilitou o acoplamento sinérgico das propriedades de adsorção de biomoléculas e fármacos com as propriedades paramagnéticas dos íons metálicos, levando ao aumento inesperado das propriedades de relaxação T1 enquanto preserva as propriedades de relaxação T2, tornando-os comparáveis ao dos complexos de gadolínio(III), assim gerando uma nova classe de meios de contrastes IRM com alta especificidade, sensibilidade e baixo custo.[021] In fact, the combination of amorphous and ultrasmall nanoparticles of diamagnetic metal oxides and paramagnetic metal ions, also in the form of amorphous materials, enabled the synergistic coupling of the adsorption properties of biomolecules and drugs with the paramagnetic properties of metal ions, leading to an unexpected increase in T1 relaxation properties while preserving T2 relaxation properties, making them comparable to those of gadolinium(III) complexes, thus generating a new class of MRI contrast media with high specificity, sensitivity and low cost.
[022] Inesperadamente, nanopartículas amorfas ultrapequenas, com diâmetros inferiores a 5 nm, amorfas e com íons paramagnéticos ligados e quimicamente adsorvidos na superfície, também possibilitaram o controle da relação T1/T2 por meio das concentrações relativas de íon paramagnético como o Fe e de Ti tornando-a preferencialmente igual ou inferior a cerca de 20, mais preferencialmente inferior a 6 (T1/T2=5,3), além de torná-las altamente eficientes como agentes de contraste IRM.[022] Unexpectedly, ultrasmall amorphous nanoparticles, with diameters less than 5 nm, amorphous and with paramagnetic ions bound and chemically adsorbed on the surface, also made it possible to control the T1/T2 ratio through the relative concentrations of paramagnetic ions such as Fe and Ti, making it preferably equal to or less than about 20, more preferably less than 6 (T1/T2=5.3), in addition to making them highly efficient as MRI contrast agents.
[023] Outra vantagem desta classe de materiais é a sua capacidade de se acumular em regiões de interesse diagnóstico ou terapêutico quando modificados com moléculas que tenham alta especificidade/seletividade por essas regiões, estruturas expressas por exemplo por tumores, após sua administração intravenosa. Formulações combinando nanopartículas com diferentes conjugações, funcionalizações, podem adicionar componente importante e inédito para o diagnóstico e tratamento personalizado, e acompanhamento terapêutico.[023] Another advantage of this class of materials is their ability to accumulate in regions of diagnostic or therapeutic interest when modified with molecules that have high specificity/selectivity for these regions, structures expressed for example by tumors, after their intravenous administration. Formulations combining nanoparticles with different conjugations, functionalizations, can add an important and novel component for personalized diagnosis and treatment, and therapeutic monitoring.
[024] Para uma melhor visualização dos resultados e do objeto da presente invenção, são apresentadas as tabelas e figuras as quais se faz referência, conforme se segue.[024] For a better visualization of the results and the object of the present invention, the tables and figures to which reference is made are presented, as follows.
[025] A FIGURA 1 mostra uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de nanopartículas amorfas de TiO2 sobre um suporte de “ultra-thin carbon”.[025] FIGURE 1 shows a transmission electron microscopy (TEM) image of amorphous TiO2 nanoparticles on an “ultra-thin carbon” support.
[026] A FIGURA 2 mostra um histograma de distribuição de tamanhos de nanopartículas amorfas de TiO2 com íons ferro(III) ligados, quimicamente adsorvidos na superfície, em função da percentagem em volume. A medida foi realizadana concentração de 10 mg de TiO2 por 1 mL de água.[026] FIGURE 2 shows a histogram of the size distribution of amorphous TiO2 nanoparticles with iron(III) ions chemically adsorbed on the surface, as a function of volume percentage. The measurement was performed at a concentration of 10 mg of TiO2 per 1 mL of water.
[027] A FIGURA 3 apresenta os difratogramas de Raio-Xdas nanopartículas de TiO2 com e sem íons ferro(III) adsorvidos quimicamente na superfície, em comparação com o difratograma do TiO2.[027] FIGURE 3 shows the X-ray diffractograms of TiO2 nanoparticles with and without iron(III) ions chemically adsorbed on the surface, compared with the diffractogram of TiO2.
[028] A FIGURA 4 mostra os espectros FTIR das nanopartículas de TiO2 recobertos com íons paramagnéticos de ferro(III) e ligados aos agentes de funcionalização tiron, dopamina, glicose-1-fosfato, fosfoetanolamina, glicerol-3fosfato e citrato.[028] FIGURE 4 shows the FTIR spectra of TiO2 nanoparticles coated with paramagnetic iron(III) ions and linked to the functionalizing agents tiron, dopamine, glucose-1-phosphate, phosphoethanolamine, glycerol-3-phosphate and citrate.
[029] A FIGURA 5 apresenta IRMs de dois ratos Wistar machos, após a injeção endovenosa do contraste comercial de quelato de gadolínio (imagem à esquerda) e do meio de contraste TiO2NP@Fe (imagem à direita), objeto do presente pedido de patente.[029] FIGURE 5 shows MRIs of two male Wistar rats, after intravenous injection of the commercial gadolinium chelate contrast medium (image on the left) and the TiO2NP@Fe contrast medium (image on the right), which is the subject of this patent application.
[030] A FIGURA 6 mostra a variação do sinal T1 no coração em função do tempo, dado pela passagem do meio de contraste. A medida foi realizada em quatro animais, dois utilizando contraste de quelato de gadolínio e dois utilizando o meio de contraste TiO2NP@Fe. As linhas de base foram corrigidas através da subtração da média do sinal no período anterior à injeção de contraste. O sinal foi calculado pela média de sinal da região de interesse, obtida manualmente para o coração de cada animal.[030] FIGURE 6 shows the variation of the T1 signal in the heart as a function of time, given by the passage of the contrast medium. The measurement was performed on four animals, two using gadolinium chelate contrast and two using TiO2NP@Fe contrast medium. Baselines were corrected by subtracting the average signal in the period prior to contrast injection. The signal was calculated by averaging the signal of the region of interest, obtained manually for the heart of each animal.
[031] A FIGURA 7 mostra a variação do sinal T1 no fígado em função do tempo, dado pela passagem do meio de contraste. A medida foi realizada em quatro animais, dois utilizando contraste de quelato de gadolínio e dois utilizando o novo meio de contraste TiO2NP@Fe. As linhas de base foram corrigidas através da subtração da média do sinal no período anterior à injeção de contraste. O sinal foi calculado pela média de sinal da região de interesse, obtida manualmente para o fígado de cada animal.[031] FIGURE 7 shows the variation of the T1 signal in the liver as a function of time, given by the passage of the contrast medium. The measurement was performed on four animals, two using gadolinium chelate contrast and two using the new TiO2NP@Fe contrast medium. The baselines were corrected by subtracting the average signal in the period prior to contrast injection. The signal was calculated by averaging the signal of the region of interest, obtained manually for the liver of each animal.
[032] A FIGURA 8 mostra a variação do sinal T1 nos rins em função do tempo, dado pela passagem do meio de contraste. A medida foi realizada em quatro animais, dois utilizando contraste de quelato de gadolínio e dois utilizando o novo meio de contraste TiO2NP@Fe. As linhas de base foram corrigidas através da subtração da média do sinal no período anterior à injeção de contraste. O sinal foi calculado pela média de sinal da região de interesse, obtida manualmente para os rins de cada animal.[032] FIGURE 8 shows the variation of the T1 signal in the kidneys as a function of time, given by the passage of the contrast medium. The measurement was performed on four animals, two using gadolinium chelate contrast and two using the new TiO2NP@Fe contrast medium. The baselines were corrected by subtracting the average signal in the period prior to contrast injection. The signal was calculated by averaging the signal of the region of interest, obtained manually for the kidneys of each animal.
[033] A FIGURA 9 mostra a variação do sinal T1 em função do tempo, em minutos, antes e após a injeção de contraste de quelato de gadolínio e do novo meio de contraste TiO2NP@Fe. As setas indicam o hipersinal nos rins, indicando essa via de excreção também pelo novo meio de contraste baseado em TiO2NP@Fe, inesperadamente, ocorrendo 10 minutos após o início do observado para o quelato de gadolíneo.[033] FIGURE 9 shows the variation of the T1 signal as a function of time, in minutes, before and after the injection of gadolinium chelate contrast and the new TiO2NP@Fe contrast medium. The arrows indicate the hypersignal in the kidneys, indicating this excretion pathway also by the new TiO2NP@Fe-based contrast medium, unexpectedly occurring 10 minutes after the onset of the observed for gadolinium chelate.
[034] A FIGURA 10 mostra a dependência inesperada das relaxatividades r1 e r2, em função do tipo de molécula funcionalizante ligada à superfície das nanopartículas amorfas de TiO2@Fe, na concentração de 4 mg/mL em meio de agarose.[034] FIGURE 10 shows the unexpected dependence of the relaxivities r1 and r2, as a function of the type of functionalizing molecule attached to the surface of the amorphous TiO2@Fe nanoparticles, at a concentration of 4 mg/mL in agarose medium.
[035] A presente invenção tem como base nanopartículas diamagnéticas amorfas de óxidos metálicos diamagnéticos, preferencialmente de dióxido de titânio (TiO2), com íons/óxidos paramagnéticos, preferencialmente de Fe(III) e Mn(III), quimicamente adsorvidos/ligados na superfície. Esta estratégia pode ser estendida para outros tipos de nanopartículas nanoestruturadas ou amorfas de óxidos inorgânicos, de elevada área superficial, como dióxido de silício (SiO2), silicatos, titanatos, e óxido de zinco (ZnO), ou mesmo de nanopartículas poliméricas, que apresentem grande capacidade de adsorção, por ligação física ou química, ou de coordenação, de uma grande variedade de íons paramagnéticos como Mn2+, Mn3+, Mn4+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Eu2+, Eu3+, Gd2+, Gd3+ e Tb3+, formando materiais amorfosparamagnéticos quimicamente adsorvidos/ligados nasuperfície dos núcleos ultrapequenos. Isso permite a modulação das propriedades magnéticas dos nanomateriais resultantes por meio do controle da concentração relativa e da natureza dos íons metálicos paramagnéticos. Além disso, a superfície exposta das nanopartículas de óxidos metálicos é fértil para funcionalização/ligação de diversas classesde moléculas e biomoléculas permitindo ajustar a eficiência e especificidade desses novos meios de contrastes IRM, demodo a se ligar/concentrar em alvos fisiológicos específicos do corpo. Na literatura está descrita a utilização de nanopartículas do tipo core-shell e/ou nanocompósitos para atuar como meio de contraste em IRM. De forma distinta, em nossa invenção verificamos, inesperadamente, que íons metálicos paramagnéticos adsorvidos na superfície de núcleos de óxidos metálicos diamagnéticos e amorfos, apresentam alta capacidade de adsorção ou ligação, preferencialmente de íons/óxidos de metais de transição paramagnéticos biocompatíveis, de forma a permitir uma maior interação desses últimos com moléculas de água reduzem adequadamente os tempos de relaxação T1 e T2, onde a relação r1/r2 é controlada pela quantidade relativa de íons paramagnéticos. Estas características são primordiais para a eficiência de um meio de contraste para IRM, os quais são reivindicados no presente pedido.[035] The present invention is based on amorphous diamagnetic nanoparticles of diamagnetic metal oxides, preferably titanium dioxide (TiO2), with paramagnetic ions/oxides, preferably Fe(III) and Mn(III), chemically adsorbed/bound on the surface. This strategy can be extended to other types of nanostructured or amorphous inorganic oxide nanoparticles with high surface area, such as silicon dioxide (SiO2), silicates, titanates, and zinc oxide (ZnO), or even polymeric nanoparticles, which exhibit a high adsorption capacity, through physical or chemical bonding, or coordination, of a wide variety of paramagnetic ions such as Mn2+, Mn3+, Mn4+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Eu2+, Eu3+, Gd2+, Gd3+, and Tb3+, forming amorphous paramagnetic materials chemically adsorbed/bound on the surface of the ultrasmall nuclei. This allows the modulation of the magnetic properties of the resulting nanomaterials by controlling the relative concentration and nature of the paramagnetic metal ions. Furthermore, the exposed surface of metal oxide nanoparticles is fertile ground for functionalization/binding of various classes of molecules and biomolecules, allowing the efficiency and specificity of these new MRI contrast media to be adjusted so that they bind/concentrate on specific physiological targets in the body. The literature describes the use of core-shell nanoparticles and/or nanocomposites as contrast media in MRI. In contrast, in our invention, we unexpectedly found that paramagnetic metal ions adsorbed on the surface of diamagnetic and amorphous metal oxide cores exhibit a high adsorption or binding capacity, preferentially of biocompatible paramagnetic transition metal ions/oxides, allowing for greater interaction of the latter with water molecules and adequately reducing T1 and T2 relaxation times, where the r1/r2 ratio is controlled by the relative amount of paramagnetic ions. These characteristics are essential for the efficiency of an MRI contrast medium, which are claimed in the present application.
[036] Adicionalmente, a presente invenção toma como exemplo preferencial, nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2NP) de diâmetros menores que 20 nm, totalmente amorfas, dispersáveis e estáveis em meio aquoso, modificadas com íons paramagnéticos de metais de transição, preferencialmente da primeira série de transição como Fe(III) e Mn(III), e moléculas em sua superfície, que conferem, respectivamente, propriedade paramagnética ao núcleo e estabilidade coloidal ao nanoagente de contraste.[036] Additionally, the present invention takes as a preferred example, titanium dioxide nanoparticles (TiO2NP) with diameters smaller than 20 nm, totally amorphous, dispersible and stable in aqueous medium, modified with paramagnetic ions of transition metals, preferably from the first transition series such as Fe(III) and Mn(III), and molecules on their surface, which confer, respectively, paramagnetic properties to the core and colloidal stability to the nano-contrast agent.
[037] São apresentadas nanopartículas de dióxido de titânio ultrapequenas, com tamanhos médios menores que 20 nm de diâmetro médio, preferencialmente de 1 a 4 nm e funcionalizadas simultaneamente com íons paramagnéticos de Fe(III) e com moléculas, biomoléculas, polímeros, biopolímeros e moléculas bioativas neutras ou iônicas, como, por exemplo, PEG, derivados de PEG, gelatina, colágeno, celulose, gomas e outros polímeros naturais, glicerol, aminoetilfosfato, dopamina, glicose, biotina, ácido fólico, tiron, citrato, dentre outras, as quais são totalmente dispersáveis em meio aquoso, não apresentam toxicidade ou apresentam toxicidade suficientemente baixa para aplicação como agente de contraste IRM.[037] Ultrasmall titanium dioxide nanoparticles are presented, with average sizes less than 20 nm in average diameter, preferably from 1 to 4 nm, and simultaneously functionalized with paramagnetic Fe(III) ions and with neutral or ionic molecules, biomolecules, polymers, biopolymers and bioactive molecules, such as PEG, PEG derivatives, gelatin, collagen, cellulose, gums and other natural polymers, glycerol, aminoethyl phosphate, dopamine, glucose, biotin, folic acid, thiron, citrate, among others, which are fully dispersible in aqueous medium, have no toxicity or have sufficiently low toxicity for application as an MRI contrast agent.
[038] Visando o desenvolvimento de materiais alternativos para fabricação de meios de contraste IRM, verificou-se também, inesperadamente, que a estratégia de ligação, adsorção química de íons paramagnéticos de metais de transição em núcleos de óxidos metálicos diamagnéticos e amorfos formando material também amorfo e paramagnético pode ser usada para controlar com sucesso os efeitos induzidos sobre os tempos de relaxação spin-rede T1 e spinspin T2. Este representa um avanço significativo em relação aos materiais baseados em nanopartículassuperparamagnéticas de óxido de ferro (magnetita, maghemita e ferritas) nos quais o efeito sobre T1 é muito menor que sobre T2, diminuindo as possibilidades de aplicação dos mesmos como meios de contraste. Assim, esforços foram concentrados no sentido de compreender e controlar o efeito, de modo a diminuir o efeito sobre T2 e aumentar sobre T1 por meio do aumento da área superficial, diminuição do acoplamento spin-spin e aumento do acoplamento spin-rede de íons paramagnéticos. Assim, foi desenvolvida uma estratégia eficiente para controlar os parâmetros fundamentais para o desenvolvimento de meios de contraste IRM, como mostrado na TABELA 1.[038] Aiming at the development of alternative materials for the fabrication of MRI contrast media, it was also unexpectedly found that the strategy of chemical adsorption of paramagnetic ions of transition metals onto diamagnetic and amorphous metal oxide cores, forming an amorphous and paramagnetic material, can be used to successfully control the effects induced on the T1 and T2 spin-lattice relaxation times. This represents a significant advance compared to materials based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles (magnetite, maghemite, and ferrites) in which the effect on T1 is much smaller than on T2, reducing the possibilities of their application as contrast media. Thus, efforts were concentrated on understanding and controlling the effect, in order to decrease the effect on T2 and increase it on T1 by increasing the surface area, decreasing the spin-spin coupling, and increasing the spin-lattice coupling of paramagnetic ions. Thus, an efficient strategy was developed to control the fundamental parameters for the development of MRI contrast media, as shown in TABLE 1.
[039] A TABELA 1 apresenta as medidas de T1 e T2 realizadas com nanoagentes de contraste IRM baseados em nanopartículas amorfas de dióxido de titânio (TiO2NP) incorporando diferentes proporções de íons Fe(III) quimicamente adsorvidos em sua superfície, tendo um quelato de Gd (III) atualmente utilizado na clínica como referência.[039] TABLE 1 presents T1 and T2 measurements performed with MRI nanocontrast agents based on amorphous titanium dioxide nanoparticles (TiO2NP) incorporating different proportions of Fe(III) ions chemically adsorbed on their surface, using a Gd(III) chelate currently used in the clinic as a reference.
[040] Nos ensaios foram realizados procedimento de imagem de RM utilizando ratos machos, como modelo animal. O procedimento consistiu em realizar uma injeção bolus do agente de contraste comercial e da presente invenção, separadamente, em ratos de linhagem Wistar através da veia peniana durante uma aquisição dinâmica de IRM. Desta maneira, foi provado que a invenção oferece um contraste de imagem similar aos de agentes de contrastes baseados em quelato de gadolínio (III), como pode ser observado na FIGURA 5 a 9, assim demonstrando o elevado potencial do TiO2NP@Fe, objeto do presente pedido de patente, como agentes de contraste IRM. [040] In the tests, MRI imaging procedures were performed using male rats as an animal model. The procedure consisted of performing a bolus injection of the commercial contrast agent and the present invention, separately, into Wistar rats via the penile vein during a dynamic MRI acquisition. In this way, it was proven that the invention offers image contrast similar to that of gadolinium (III) chelate-based contrast agents, as can be seen in FIGURES 5 to 9, thus demonstrating the high potential of TiO2NP@Fe, the subject of this patent application, as MRI contrast agents.
[041] Nota-se claramente que os valores de T1 e T2 podem ser modulados em uma ampla faixa de maneira a influenciar muito mais o primeiro que o segundo. Assim, foi possível realizar nanopartículas dispersáveis em meio aquoso e que tenham efeitos similares ao dos quelatos de gadolínio quando injetado via intravenosa. De fato, foi possível observar o deslocamento do bolus enquanto caminhava pela veia peniana em direção ao coração, e depois para todo o corpo do rato. Uma imagem típica é mostrada na FIGURA 5 onde pode-se verificar claramente os resultados e as perspectivas altamente favoráveis, tendo-se em vista a inesperada eficiência comparável, ou mesmo superior, ao dos quelatos de gadolínio. Além disso, o escalonamento produtivo foi realizado com sucesso e o baixo custo de produção confirmado.[041] It is clearly noted that the T1 and T2 values can be modulated over a wide range in such a way as to influence the former much more than the latter. Thus, it was possible to produce aqueous dispersible nanoparticles that have effects similar to those of gadolinium chelates when injected intravenously. In fact, it was possible to observe the displacement of the bolus as it traveled through the penile vein towards the heart, and then throughout the rat's body. A typical image is shown in FIGURE 5 where the results and highly favorable prospects can be clearly seen, considering the unexpected efficiency comparable to, or even superior to, that of gadolinium chelates. Furthermore, production scaling was successfully carried out and the low production cost was confirmed.
[042] Todas as imagens de ressonância magnética e medidas de T1 e T2 aqui apresentadas foram obtidas em um equipamento de 7 Tesla, com potência máxima de gradiente de 70 mT/m @ 200 T/m/s e bobina de cabeça com 1 canal de transmissão e 32 de recepção. O bom funcionamento do equipamento é avaliado periodicamente através de um programa de controle de qualidade específico e conta com manutenção preventiva regular.[042] All magnetic resonance images and T1 and T2 measurements presented here were obtained on a 7 Tesla scanner, with a maximum gradient power of 70 mT/m @ 200 T/m/s and a head coil with 1 transmission channel and 32 reception channels. The proper functioning of the equipment is periodically evaluated through a specific quality control program and has regular preventive maintenance.
[043] O estudo apresentado foi aprovado pela Comissão de Ética no Uso de Animais (CEUA) da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (FMUSP), registros sob números 1193/2018 e 966/2019.[043] The study presented was approved by the Ethics Committee on the Use of Animals (CEUA) of the Faculty of Medicine of the University of São Paulo (FMUSP), registration numbers 1193/2018 and 966/2019.
[044] Os parâmetros gerais das imagens adquiridas nesse estudo foram:[044] The general parameters of the images acquired in this study were:
[045] Imagens Ponderadas em T1 (T1w): 2D-TSE; TR = 750 ms; TE = 9 ms; Nex = 2; ETL = 4; Resolução espacial de 0,5 x 0,5 x 1,0 mm3 e 1 x 1 x 3 mm3. Com e Sem saturação de gordura.[045] T1-Weighted Images (T1w): 2D-TSE; TR = 750 ms; TE = 9 ms; Nex = 2; ETL = 4; Spatial resolution of 0.5 x 0.5 x 1.0 mm3 and 1 x 1 x 3 mm3. With and without fat saturation.
[046] Imagens Ponderadas em T2 (T2w): 2D-TSE; TR = 5000 ms; TE = 50-70 ms; Nex = 1; ETL = 9; Resolução espacial de 0,5 x 0,5 x 1,0 mm3 e 1 x 1 x 3 mm3.[046] T2-Weighted (T2w) Images: 2D-TSE; TR = 5000 ms; TE = 50-70 ms; Nex = 1; ETL = 9; Spatial resolution of 0.5 x 0.5 x 1.0 mm3 and 1 x 1 x 3 mm3.
[047] Imagens Dinâmicas TurboFlash: 2D-TurboGRE; TR = 200 ms; TE = 1,3 ms; FA = 20°; Resolução espacial 0,5 x 0,5 x 3,0 mm3; 80 dinâmicos com amostragem de 0,6Hz.[047] TurboFlash Dynamic Images: 2D-TurboGRE; TR = 200 ms; TE = 1.3 ms; FA = 20°; Spatial resolution 0.5 x 0.5 x 3.0 mm3; 80 dynamics with 0.6Hz sampling.
[048] Imagens TWIST: TR = 3 ms; TE = 1,4 ms; FA = 12°; Resolução espacial 0,5 x 0,5 x 0,5 mm3;[048] TWIST images: TR = 3 ms; TE = 1.4 ms; FA = 12°; Spatial resolution 0.5 x 0.5 x 0.5 mm3;
[049] Imagens Dinâmica TWIST: TR = 3,3 ms; TE = 1,2 ms; FA = 14°; Resolução espacial 0,75 x 0,75 x 1, 0 mm3; 60dinâmicos com amostragem de 0,5Hz.[049] Dynamic TWIST Images: TR = 3.3 ms; TE = 1.2 ms; FA = 14°; Spatial resolution 0.75 x 0.75 x 1.0 mm3; 60 dynamic images with 0.5Hz sampling.
[050] Exemplo 1 - As nanopartículas de TiO2 foramproduzidas utilizando um precursor de titânio selecionadodentre cloreto de titânio, etóxido de titânio, isopropóxido de titânio e butóxido de titânio com a adição de um ácidoorgânico de cadeia saturada ou insaturada com 1 a 18 carbonos e um solvente que pode ser água, metanol, etanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, propanotriol, polietilenoglicol, benzeno, tolueno,heptadecano e acetona, dentre outros solventes, e aquecendo- se o sistema em temperaturas que podem variar entre 25 e 250 oC durante o período de 15 a 360 minutos. Após essa etapa, as nanopartículas foram funcionalizadas com moléculas orgânicas selecionadas dentre fosfonatos com 1 a 16 carbonos, polifosfonatos, fosfatos ou ácidos orgânicos de cadeia saturada ou insaturada com 1 a 18 átomos de carbono, aminas, catecóis, carboidratos, derivados de polietilenoglicol, polivinilalcoois, oligômeros, polímeros, biopolímeros, biomoléculas, derivados de colágeno,gelatina, carboxicelulose, ácido polilactico, ácido poliglicólico, gomas naturais, goma xantana, quitosana, derivados de carboidratos, alginato, polissacarídeos, peptídeos, glicoproteínas, antígenos, anticorpos,aptâmeros, tiron, dopamina, glicose-1-fosfato,fosfoetanolamina, glicerol-3fosfato e policarboxilatos, citrato, glicolato, gluconato, derivados de silício, silanos, siloxanos, dentre outras, e combinações das mesmas.[050] Example 1 - TiO2 nanoparticles were produced using a titanium precursor selected from titanium chloride, titanium ethoxide, titanium isopropoxide and titanium butoxide with the addition of a saturated or unsaturated chain organic acid with 1 to 18 carbons and a solvent which can be water, methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, propanetriol, polyethylene glycol, benzene, toluene, heptadecane and acetone, among other solvents, and heating the system at temperatures that can vary between 25 and 250 °C for a period of 15 to 360 minutes. After this stage, the nanoparticles were functionalized with selected organic molecules from among phosphonates with 1 to 16 carbons, polyphosphonates, phosphates or saturated or unsaturated chain organic acids with 1 to 18 carbon atoms, amines, catechols, carbohydrates, polyethylene glycol derivatives, polyvinyl alcohols, oligomers, polymers, biopolymers, biomolecules, collagen derivatives, gelatin, carboxycellulose, polylactic acid, polyglycolic acid, natural gums, xanthan gum, chitosan, carbohydrate derivatives, alginate, polysaccharides, peptides, glycoproteins, antigens, antibodies, aptamers, tyron, dopamine, glucose-1-phosphate, phosphoethanolamine, glycerol-3-phosphate and polycarboxylates, citrate, glycolate, gluconate, silicon derivatives, silanes, siloxanes, among others, and combinations thereof.
[051] Exemplo 2 - Foi adicionado cloreto de titânio eisopropóxido de titânio em proporção 10:3,3 sobre ácido oleico seguido pela adição de heptadecano como descrito na referência [14], e a mistura reacional aquecida a 110 oC por uma hora. As nanopartículas foram lavadas e separadas por precipitação pela adição de etanol. Foram obtidas nanopartículas amorfas de TiO2 de 2 a 3 nm de diâmetro, funcionalizadas com moléculas lipofílicas.[051] Example 2 - Titanium chloride and titanium isopropoxide were added in a 10:3.3 ratio to oleic acid followed by the addition of heptadecane as described in reference [14], and the reaction mixture was heated to 110 °C for one hour. The nanoparticles were washed and separated by precipitation by the addition of ethanol. Amorphous TiO2 nanoparticles of 2 to 3 nm in diameter, functionalized with lipophilic molecules, were obtained.
[052] Exemplo 3 - Em adaptação ao procedimentopreviamente descrito na literatura [15], 1,1 mL de TiCl4 foiadicionado em 12 g de polietilenoglicol (PEG 600) em temperatura ambiente, e o sistema aquecido em um balão volumétrico à 150 °C por até 6 horas sob agitação. As nanopartículas foram funcionalizadas com ligantes orgânicos como fosfoetanolamina, citrato, glicerol fosfato e glicose. Foram obtidas nanopartículas de TiO2 na fase anatase, de 5 nm, funcionalizadas com moléculas hidrofílicas.[052] Example 3 - Adapting the procedure previously described in the literature [15], 1.1 mL of TiCl4 was added to 12 g of polyethylene glycol (PEG 600) at room temperature, and the system was heated in a volumetric flask at 150 °C for up to 6 hours under stirring. The nanoparticles were functionalized with organic ligands such as phosphoethanolamine, citrate, glycerol phosphate, and glucose. TiO2 nanoparticles in the anatase phase, 5 nm in size, functionalized with hydrophilic molecules, were obtained.
[053] Exemplo 4 - O procedimento descrito no exemplo 3 foi repetido substituindo-se polietileno glicol por glicerol. Foram obtidas nanopartículas de TiO2 de 5 nm na fase anatase e com funcionalização hidrofílica.[053] Example 4 - The procedure described in example 3 was repeated, replacing polyethylene glycol with glycerol. 5 nm TiO2 nanoparticles in the anatase phase with hydrophilic functionalization were obtained.
[054] Exemplo 5 - Os procedimentos descritos nosexemplos 3 e 4 foram realizados adicionando-se um ou mais ácidos orgânicos de cadeia saturada ou insaturada contendode 1 a 18 átomos de carbono. Foram obtidas nanopartículasde TiO2 de diâmetros médios na faixa de 1 a 200 nm, com funcionalização/revestimento hidrofílico, e núcleos de óxido de titânio nas fases anatase, rutilo ou amorfa, em função da temperatura da reação na faixa de 50 a 250 °C.[054] Example 5 - The procedures described in examples 3 and 4 were carried out by adding one or more saturated or unsaturated chain organic acids containing from 1 to 18 carbon atoms. TiO2 nanoparticles with average diameters in the range of 1 to 200 nm were obtained, with hydrophilic functionalization/coating, and titanium oxide cores in the anatase, rutile or amorphous phases, depending on the reaction temperature in the range of 50 to 250 °C.
[055] Exemplo 6 - A adsorção de íons/óxidos metálicosna superfície das nanopartículas amorfas de TiO2 foi realizada por uma metodologia que consiste na dispersão das nanopartículas na presença de solução de sal do metal de transição, por exemplo de Fe(III), em um solvente que pode ser água, metanol, etanol, propanol, propanotriol, butanol, benzeno, tolueno e acetona, dentre outros. O tempo de adsorção pode variar de 1 a 300 minutos, a temperatura de10 a 150 oC, e o potencial hidrogeniônico pH de 2 a 12.[055] Example 6 - The adsorption of metal ions/oxides on the surface of amorphous TiO2 nanoparticles was carried out using a methodology that consists of dispersing the nanoparticles in the presence of a salt solution of the transition metal, for example Fe(III), in a solvent that can be water, methanol, ethanol, propanol, propanetriol, butanol, benzene, toluene and acetone, among others. The adsorption time can vary from 1 to 300 minutes, the temperature from 10 to 150 °C, and the hydrogen ion potential pH from 2 to 12.
[056] Exemplo 7 - A concentração de ferro e de titâniofoi determinada diretamente nas amostras secas, ou em suspensão aquosa, pela técnica de fluorescência de raio-X(EDX), ou por fluorescência de raio-X por reflexão total (TRXF). As concentrações de ligantes fosfonato, fosfato, e sulfonato em relação aos elementos metálicos foram determinadas quantitativamente pelas técnicas acima mencionadas. Além disso, técnicas como espectroscopia infravermelho e Raman, e espectroscopia eletrônica UV-Vis, ICP-OES, e calorimetria foram utilizadas para a determinação dos teores de Fe e dos ligantes/moléculas, demodo a determinar e monitorar a composição e estrutura dosnanoagentes de contraste IRM. Técnicas tais como espalhamento de luz dinâmica (DLS) e medidas de potencial zeta foram utilizadas para determinação da distribuição de tamanhos, densidade de carga elétrica (potencial zeta) e potencial de carga zero das nanopartículas.[056] Example 7 - The concentration of iron and titanium was determined directly in the dry samples, or in aqueous suspension, by the X-ray fluorescence (EDX) technique, or by total reflection X-ray fluorescence (TRXF). The concentrations of phosphonate, phosphate, and sulfonate ligands in relation to the metallic elements were quantitatively determined by the aforementioned techniques. In addition, techniques such as infrared and Raman spectroscopy, and UV-Vis electronic spectroscopy, ICP-OES, and calorimetry were used to determine the Fe and ligand/molecule contents, in order to determine and monitor the composition and structure of the MRI contrast nanoagents. Techniques such as dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements were used to determine the size distribution, electric charge density (zeta potential), and zero charge potential of the nanoparticles.
[057] Exemplo 8 - A morfologia e estrutura das NPsultrapequenas baseadas em nanopartículas amorfas de dióxido de titânio recobertas com íons paramagnéticos de metais de transição foram caracterizadas por diversas técnicas. As imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) mostram que os nanoagentes de contraste da presente invenção são constituídos por nanopartículas esféricas de tamanho médio de cerca de 3 nm (pontos escuros), monodispersas, não aglomeradas, individualmente dispersas em suporte de “ultrathin carbon”, conforme mostrado na FIGURA 1. O histograma de distribuição de tamanhos das nanopartículas em função da percentagem em volume foi obtido por espalhamento dinâmico de luz (DLS) e apresentou distribuição unimodal com diâmetro médio de 3,6 nm, FIGURA 2 e TABELA 2, um pouco maior que o diâmetro médio determinado por TEM, como esperado pela presença de moléculas funcionalizantes e camada de hidratação. Além disso, a presente invenção é caracterizada pela alta afinidade das nanopartículas por água formando nanofluídos, ou seja, fluídos contendo nanopartículas individualmente dispersas. O grau de cristalinidade das nanopartículas de TiO2 com e sem íons ferro adsorvidos na superfície em comparação com nanopartículas de TiO2 comercial P25 de referência foi determinada por difração de Raio-X e mostrado na FIGURA 3. O material comercial apresentou picos de difração referentes aos planos cristalinos característicos dos materiais nas fases anatase (A(101); A(004); A(200); A(105); A(211);A(204); A(116); A(220)) e rutilo (R(110); R(101); R(111)).Por outro lado, as nanopartículas de TiO2 de 3 nm com e semíons ferro(III) adsorvido na superfície, objeto da presenteinvenção, não apresentaram nenhum pico de difração de raio-X característico de material cristalino, incluindo os picosdos materiais nas fases anatase e rutilo, indicando terem estrutura totalmente amorfa. Além disso, a ausência de picos referentes a óxidos de ferro cristalino na amostra TiO2NP 3nm/Fe sugere que os íons ferro(III) adsorvidos sobre os núcleos de TiO2 amorfos também não apresentam estruturacristalina organizada gerando material totalmente amorfo,consistente com a estratégia de adsorção de íons ferro(III) individuais sobre as nanopartículas de dióxido de titânioamorfo conforme descrito. Os espectros FTIR de TiO2NP@Fe funcionalizadas por tiron, dopamina, glicose-1-fosfato, fosfoetanolamina, glicerol-3-fosfato e citrato sãomostrados na FIGURA 4, onde podem ser observadas os picos característicos correspondentes a ligações O-H na superfície do TiO2 em 3340cm-1 e 1640 cm-1; ligações de tipoTi-O-Ti na região entre 490 e 700 cm-1; anéis aromáticos em1630, 1590,1470 e 1430cm-1; O-H que não estão na superfíciedo TiO2 em 1370 cm-1; ligações C-O em 1200 cm-1; grupos fenolem 1240 e 1290 cm-1; ligações O-S-O em 1100 cm-1 e oxigêniosarílicos da ligação Ti-O em 1170 e 1270 cm-1.[057] Example 8 - The morphology and structure of ultrasmall NPs based on amorphous titanium dioxide nanoparticles coated with paramagnetic transition metal ions were characterized by various techniques. Transmission electron microscopy (TEM) images show that the contrast nanoagents of the present invention consist of spherical nanoparticles with an average size of approximately 3 nm (dark spots), monodisperse, non-agglomerated, individually dispersed on an “ultrathin carbon” support, as shown in FIGURE 1. The histogram of nanoparticle size distribution as a function of volume percentage was obtained by dynamic light scattering (DLS) and showed a unimodal distribution with an average diameter of 3.6 nm, FIGURE 2 and TABLE 2, slightly larger than the average diameter determined by TEM, as expected by the presence of functionalizing molecules and a hydration layer. Furthermore, the present invention is characterized by the high affinity of the nanoparticles for water, forming nanofluids, that is, fluids containing individually dispersed nanoparticles. The degree of crystallinity of TiO2 nanoparticles with and without iron ions adsorbed on the surface, compared to commercial reference TiO2 nanoparticles P25, was determined by X-ray diffraction and shown in FIGURE 3. The commercial material showed diffraction peaks corresponding to the crystalline planes characteristic of materials in the anatase (A(101); A(004); A(200); A(105); A(211); A(204); A(116); A(220)) and rutile (R(110); R(101); R(111)) phases. On the other hand, the 3 nm TiO2 nanoparticles with and without iron(III) semi-ions adsorbed on the surface, the subject of the present invention, did not show any X-ray diffraction peaks characteristic of crystalline material, including the peaks of materials in the anatase and rutile phases, indicating that they have a completely amorphous structure. Furthermore, the absence of peaks corresponding to crystalline iron oxides in the TiO2NP 3nm/Fe sample suggests that the iron(III) ions adsorbed onto the amorphous TiO2 cores also do not present an organized crystalline structure, generating a completely amorphous material, consistent with the adsorption strategy of individual iron(III) ions onto the amorphous titanium dioxide nanoparticles as described. The FTIR spectra of TiO2NP@Fe functionalized with thion, dopamine, glucose-1-phosphate, phosphoethanolamine, glycerol-3-phosphate, and citrate are shown in FIGURE 4, where characteristic peaks corresponding to O-H bonds can be observed on the TiO2 surface at 3340 cm-1 and 1640 cm-1; Ti-O-Ti type bonds in the region between 490 and 700 cm-1; Aromatic rings at 1630, 1590, 1470 and 1430 cm-1; O-H groups not on the surface of TiO2 at 1370 cm-1; C-O bonds at 1200 cm-1; phenolic groups at 1240 and 1290 cm-1; O-S-O bonds at 1100 cm-1 and saryl oxygens of the Ti-O bond at 1170 and 1270 cm-1.
[058] A TABELA 2 apresenta os dados de distribuição típica de tamanho das nanopartículas amorfas de TiO2 com íons ferro(III) adsorvidos na superfície, em função das respectivas percentagens em volume. [058] TABLE 2 presents typical size distribution data for amorphous TiO2 nanoparticles with iron(III) ions adsorbed on the surface, as a function of their respective volume percentages.
[059] Exemplo 9 - Foi avaliado o potencial de utilização das TiO2NP 3nm/Fe como meios de contraste IRM in vitro e in vivo, assim demonstrando a prova de conceito e a alta eficiência desses materiais para a aplicação em vista. Para a avaliação in vitro, foi preparado um meio de composição agarose 3% (m/v) e NaCl 0,5% (m/v) em concentraçõescrescentes de NPs. As amostras foram preparadas de maneira a mimetizar as condições de tecidos biológicos. Os resultados de imagem de IRM e medidas de T1 e T2 são apresentados na TABELA 1. Para fins de comparação, foi utilizado o agente de contraste, também conhecido como ácido gadotérico (AG), que é baseado em quelato de gadolínio (III), uma espécie paramagnética capaz de interferir no tempo de relaxação magnética T1, diminuindo o tempo de relaxação longitudinal e levando a um hipersinal nas IRM ponderadas em T1. O AG também foi preparado em meio de agarose 3% e NaCl 0,5% para fins de comparação. Analisando- se os resultados apresentados na TABELA 1 verificou-se inesperadamente que o T1 e o T2 do meio de contraste baseadoem TiO2NP@Fe na concentração de 4 mg/mL em meio de agaroseprovocam maior contraste que AG na concentração de 5 mM emmeio de agarose, uma concentração aproximadamente 5 vezesmaior que a concentração de AG após injeção intravenosa em humanos.[059] Example 9 - The potential use of 3nm TiO2NPs/Fe as MRI contrast media in vitro and in vivo was evaluated, thus demonstrating the proof of concept and high efficiency of these materials for the intended application. For the in vitro evaluation, a medium composed of 3% (w/v) agarose and 0.5% (w/v) NaCl in increasing concentrations of NPs was prepared. The samples were prepared to mimic the conditions of biological tissues. The MRI image results and T1 and T2 measurements are presented in TABLE 1. For comparison purposes, the contrast agent, also known as gadoteric acid (GA), which is based on gadolinium (III) chelate, a paramagnetic species capable of interfering with the T1 magnetic relaxation time, decreasing the longitudinal relaxation time and leading to a hypersignal in T1-weighted MRI, was used. The AG was also prepared in 3% agarose and 0.5% NaCl medium for comparison purposes. Analyzing the results presented in TABLE 1, it was unexpectedly found that the T1 and T2 of the TiO2NP@Fe-based contrast medium at a concentration of 4 mg/mL in agarose medium produced greater contrast than AG at a concentration of 5 mM in agarose medium, a concentration approximately 5 times higher than the AG concentration after intravenous injection in humans.
[060] Exemplo 10 - Comparando-se as relaxividades dasTiO2NP@Fe na concentração de 4 mg/mL com diferentes funcionalizações, em meio de agarose, tambéminesperadamente verificou-se que r2 varia pouco, mas que r1 é significativamente dependente da camada funcionalizante, como mostrado na FIGURA 10.[060] Example 10 - Comparing the relaxivities of TiO2NP@Fe at a concentration of 4 mg/mL with different functionalizations, in agarose medium, it was also unexpectedly found that r2 varies little, but that r1 is significantly dependent on the functionalizing layer, as shown in FIGURE 10.
[061] Exemplo 11 - Para demonstrar a prova de conceitoda invenção, foi realizado procedimento de imagem de RM utilizando ratos machos, como modelo animal. Brevemente, o procedimento consistiu em realizar uma injeção bolus do agente de contraste comercial e da presente invenção, separadamente, em ratos de linhagem Wistar através da veiapeniana durante uma aquisição dinâmica de IRM. Desta maneira, foi provado que a invenção oferece um contraste deimagem similar aos de agentes de contrastes baseados em quelato de gadolínio (III), como pode ser observado na FIGURA 5 a 9, assim demonstrando o elevado potencial do TiO2NP@Fe, objeto do presente pedido de patente, como agentes de contraste IRM.REFERÊNCIAS1. Sanchez, T.A., Caracterização e aplicação preliminares deum agente de contraste oral natural para imagens por ressonância magnética do trato gastrintestina, in Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto. 2005,Universidade de São Paulo: Ribeirão Preto.2. Frey, N.A., et al., Magnetic nanoparticles: synthesis,functionalization, and applications in bioimaging and magnetic energy storage. Chemical Society Reviews, 2009. 38(9): p. 2532-2542. 3. Elias Junior, J., et al., Complications from the use ofintravenous gadolinium-based contrast agents for magnetic resonance imaging. Radiol Bras, 2008. 41: p. 263-267.4. Ramalho, J., et al., Gadolinium-Based Contrast AgentAccumulation and Toxicity: An Update. American Journal ofNeuroradiology, 2016. 37(7): p. 1192-1198.5. Rogosnitzky, M. and S. Branch, Gadolinium-based contrastagent toxicity: a review of known and proposed mechanisms.Biometals, 2016. 29: p. 365-376.6. McDonald, R.J., et al., Intracranial Gadolinium Depositionafter Contrast-enhanced MR Imaging. Radiology, 2015. 275(3): p. 772-782.7. Murata, N., et al., Macrocyclic and Other Non-Group 1Gadolinium Contrast Agents Deposit Low Levels of Gadolinium in Brain and Bone Tissue: Preliminary Results From 9Patients With Normal Renal Function. Investigative Radiology, 2016. 51(7): p. 447-453.8. Xu, C. and S. Sun, New forms of superparamagneticnanoparticles for biomedical applications. Advanced Drug Delivery Reviews, 2013. 65(5): p. 732-743.9. Bin, N.H., S.I. Chan, and H. Taeghwan, InorganicNanoparticles for MRI Contrast Agents. Advanced Materials, 2009. 21(21): p. 2133-2148.10. Bulte, J.W.M. and D.L. Kraitchman, Iron oxide MR contrast agents for molecular and cellular imaging. NMR in Biomedicine, 2004. 17(7): p. 484-499.11. Lee, J.H., et al., Artificially engineered magnetic nanoparticles for ultra-sensitive molecular imaging. Nature Medicine, 2007. 13(1): p. 95-99. 12. Cheng, F.Y., et al., Characterization of aqueous dispersions of Fe3O4 nanoparticles and their biomedical applications. Biomaterials, 2005. 26(7): p. 729-738.13. Zeng, L., et al., Multifunctional Fe3O4-TiO2 nanocomposites for magnetic resonance imaging and potential photodynamic therapy. Nanoscale, 2013. 5(5): p. 2107-2113.14. Menzel, R., et al., Two-stage, non-hydrolytic synthesis for improved control of TiO2 nanorod formation. Journal of Materials Chemistry, 2012. 22(24): p. 12172-12178.15. Goncalves, R.H., W.H. Schreiner, and E.R. Leite, Synthesis of TiO2 Nanocrystals with a High Affinity for Amine Organic Compounds. Langmuir, 2010. 26(14): p. 11657-11662.[061] Example 11 - To demonstrate the proof of concept of the invention, an MRI imaging procedure was performed using male rats as an animal model. Briefly, the procedure consisted of performing a bolus injection of the commercial contrast agent and the present invention, separately, into Wistar rats via the penile vein during a dynamic MRI acquisition. In this way, it was proven that the invention offers image contrast similar to that of gadolinium (III) chelate-based contrast agents, as can be observed in FIGURES 5 to 9, thus demonstrating the high potential of TiO2NP@Fe, the subject of this patent application, as MRI contrast agents. REFERENCES 1. Sanchez, T.A., Preliminary characterization and application of a natural oral contrast agent for magnetic resonance imaging of the gastrointestinal tract, in Faculty of Philosophy, Sciences and Letters of Ribeirão Preto. 2005, University of São Paulo: Ribeirão Preto. 2. Frey, N.A., et al., Magnetic nanoparticles: synthesis, functionalization, and applications in bioimaging and magnetic energy storage. Chemical Society Reviews, 2009. 38(9): p. 2532-2542. 3. Elias Junior, J., et al., Complications from the use of intravenous gadolinium-based contrast agents for magnetic resonance imaging. Radiol Bras, 2008. 41: p. 263-267.4. Ramalho, J., et al., Gadolinium-Based Contrast Agent Accumulation and Toxicity: An Update. American Journal ofNeuroradiology, 2016. 37(7): p. 1192-1198.5. Rogosnitzky, M. and S. Branch, Gadolinium-based contrast agent toxicity: a review of known and proposed mechanisms.Biometals, 2016. 29: p. 365-376.6. 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