균일한 크기의 미세철분기반 나노입자의 T1 자기공명영상조영제로서의 특성에 관한 연구

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :의과대학 의학과,2020. 2. 이활.연구배경 및 목적: 자기공명영상조영제는 자기장에 미치는 영향에 따라 상자성, 초상자성 제제로 구분이 되며, 현재 가장 널리 사용되는 조영제는 가돌리니움을 이용한 상자성 조영제이다. 가돌리니움은 유리이온의 형태에서 독성이 매우 높아서 가돌리니움-킬레이트의 형태로 사용이 되고 있다. 가돌리니움 조영제의 체내반감기는 정상인에서 약 90분이지만 만성신부전 환자에서는 30-120시간까지 연장되어있어, 체내 여러 조직에서 장기간 체류하면서 가돌리니움 유리이온이 배출되어 전신섬유화를 일으킬 수 있다. 이러한 배경에서, 가돌리니움 기반의 자기공명영상조영제는 신원성 전신섬유화의 원인 물질로 간주되어 왔다. 최근 거대고리를 가진 가돌리니움 기반의 자기공명영상조영제를 사용하게 됨에 따라 신원성 전신섬유화의 발생빈도가 상당히 감소하였지만, 고위험 환자에서의 사용 자제 및 과다한 용량의 투여를 제한한 것도 주요한 요인이라고 할 수 있다. 가돌리니움 기반의 자기공명영상조영제와는 달리 초상자성 제제는 다양한 크기의 산화철입자를 이용하는데, 만성신부전 환자에서 경정맥투여에 대한 안전성이 확립되어있으며, 이 중에서도 최근 50 nm이하의 크기를 가지는 제제가 개발되어 혈액저류 자기공명영상조영제로서의 이용에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구의 목적은 새롭게 합성된 3 – 4 nm 크기의 철분핵을 가진 균일한 미세철분기반 나노입자의 자기공명특성 및 자기공명혈관조영술 조영제로서의 적합성을 모형실험과 동물실험을 통하여 평가하는 데 있다. 방법: 7종의 철분기반 나노입자 (KEG1 – 7)를 이용하여 1.5T, 3T, 및 4.7T 자기공명영상장치에서 모형 및 동물실험을 시행하였다. 각 나노입자당 순차적으로 희석된 시료를 제작한 후, inversion-recovery turbo spin-echo (IR-TSE), multiple echo-spin echo (ME-SE), multislice multiecho (MSME) 시퀀스를 이용하여 자기공명특성을 분석하였다. 경사에코 시퀀스를 이용하여 모형실험에서 낮은 relaxivity ratio (r2/r1)를 보인 2종의 선택된 철분기반 나노입자 (KEG1, KEG5)의 다양한 숙임각 및 농도에서의 자기공명신호강도 변화를 평가하였다. 모형실험에서 낮은 relaxivity ratio (r2/r1)를 보인 3종의 선택된 철분기반 나노입자 (KEG1, KEG3, KEG5)를 이용하여, 총 8마리의 몸무게 3kg의 가토를 대상으로 체내 약동학적 특성 평가 및 체내교차시험을 시행하였다. 약동학적 특성 평가는 1종의 철분기반 나노입자 (KEG5)를 이용하였고, 가토에 투여한 후, 시간경과에 따른 혈관의 조영정도, 체내 장기의 조영증강 정도, 체외배출 등을 평가하였다. 체내교차시험은 2종의 철분기반 나노입자 (KEG1, KEG3)와 도타렘의 원액 (KEG1-S, KEG3-S – 0.093 mmol/kg; DOT-S – 0.1 mmol/kg) 및 1/2 희석된 시료 (KEG1-H, KEG3-H – 0.047 mmol/kg; DOT-H – 0.05 mmol/kg)를 제작하여 가토에 교차투여한 후, 시간경과에 따른 혈관의 조영증강 정도를 측정하고, 조영제 간의 차이를 linear-mixed effects model을 이용하여 분석하였다. 모형실험 및 동물실험에서 시판중인 자기공명 영상 조영제와 비교를 위하여 도타렘 (Gd-DOTA)을 대조군으로 사용하였다. 결과: 7종의 철분기반 나노입자들의 relaxivity ratio (r2/r1)가 1.5T (KEG1, 2.95; KEG2, 6.00; KEG3, 2.44; KEG4, 2.51; KEG5, 1.85; KEG6, 4.37; KEG7, 3.32)와 3T (KEG1, 3.01; KEG2, 5.72; KEG3, 2.68; KEG4, 3.40; KEG5, 3.17; KEG6, 3.76; KEG7, 4.78)에서 모두 6이하로 측정되어 자기공명혈관조영술에 이용이 가능하였다. Relaxivity ratio는 자기장의 세기가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 경사에코 시퀀스에서, 철분기반 나노입자의 농도가 가장 낮을 때의 최고 신호강도는 1.5T의 경우에 10°에서 20° 사이의 숙임각, 3T의 경우에 10°에서 15° 사이의 숙임각에서 각각 관찰되었다. 철분기반 나노입자의 농도가 증가함에 따라, 더 큰 숙임각에서 최고 신호강도를 보이는 경향이 있었다. 약동학적 특성 평가시에 KEG5는 초회통과 영상에서 최고 자기공명신호를 보인 후, 90분 지연 영상까지 지속적인 혈관의 조영증강을 보였다. KEG5 투여 후 초회통과 영상에서 체내 장기들은 도타렘과 비슷한 정도의 조영증강을 보였다. 1주일 지연 영상에서 KEG5는 거의 모두 체외로 배출되었다. 체내 교차실험에서 1/2 희석된 철분기반 나노입자는 희석이 되지 않은 철분기반 나노입자와 비교하여 유의하게 낮은 조영증강신호를 보였다 (대동맥궁, KEG1-S 대 KEG1-H – difference 70.167, p<0.001 및 KEG3-S 대 KEG3-H – difference 118.167, p<0.001; 하행흉부대동맥, KEG1-S 대 KEG1-H – difference 134.667, p<0.001 및 KEG3-S 대 KEG3-H – difference 131.333, p<0.001). 초회통과 영상에서 최고신호강도를 측정하였을 때, KEG3-S와 DOT-S 간의 유의한 차이는 보이지 않았고 (대동맥궁, difference -8.167, p=1.000; 하행흉부대동맥, difference -3.667, p=1.000), KEG3-S와 DOT-S는 KEG1-S 보다 높은 신호강도를 보였다 (대동맥궁 및 하행흉부대동맥, p<0.05). 10분 지연 영상에서 KEG3-S와 KEG1-S 모두 DOT-S보다 유의하게 높은 신호강도를 보였다 (대동맥궁, KEG3-S 대 DOT-S – difference 150.667, p<0.001 및 KEG1-S 대 DOT-S – difference 71.667, p<0.001; 하행흉부대동맥, KEG3-S 대 DOT-S – difference 202.667, p<0.001 및 KEG1-S 대 DOT-S – difference 127.333, p<0.001). 결론: 1.5T와 3T 자기공명영상장치에서 시행한 모형실험에서 새롭게 합성된 3 nm 이하의 철분기반 나노입자는 모두 6이하의 relaxivity ratio (r2/r1)를 보여 우수한 T1 단축 효과를 보였다. 3T 자기공명영상장치에서 시행한 동물실험에서 3 nm의 철분핵과 10 nm의 전체 크기를 가진 철분기반 나노입자 (KEG3)는 시판중인 T1 자기공명영상 조영제 (도타렘)와 비교하여 초회통과 영상에서 유사한 조영증강 효과 및 지연영상에서 더 우수한 조영증강 효과를 보였다.Background and purpose: The magnetic resonance (MR) contrast agents are generally categorized into the paramagnetic and superparamagnetic agents according to their effects on the magnetic field. Contrast-enhanced magnetic resonance angiography (MRA) is usually performed using gadolinium-based paramagnetic agents. However, owing to the potential toxicity of gadolinium free ion, it must be bound to ligands for its use as contrast agent. Half-life of gadolinium-based contrast agents (GBCAs) is about 90 minutes in patients with normal renal function, but it is prolonged from 30 to 120 hours in patients with chronic renal failure. During this time, dissociated gadolinium ion can compete with calcium ion and cause nephrogenic systemic fibrosis (NSF). Therefore, GBCAs have been considered as the causative agent in NSF. Recently, with the use of macrocyclic GBCA, the incidence of NSF has considerably decreased. However, it was also attributed to the avoidance of GBCA in high risk patients and excessive dose administration. In contrast of GBCAs, iron oxide nanoparticles have no risk of NSF despite of its long half-life in the blood. Recently, small-sized iron nanoparticles with less than 50 nm crystalline iron oxide core were introduced in the contrast-enhanced MRA with the property of its T1 shortening effect. The purpose of this study was to evaluate the MR characteristics and the applicability of the new uniform and extremely small-sized iron oxide nanoparticles (ESIONs) with 3 – 4 nm iron core in the contrast-enhanced MRA through the phantom and animal experiments. Methods: Using the seven ESIONs (KEG1 – 7), phantom and animal study were performed with 1.5T, 3T, and 4.7T scanners. With the phantom prepared with wide range dilutions of ESIONs, MR imaging was performed to evaluate the MR characteristics of the ESIONs using inversion-recovery turbo spin-echo (IR-TSE), multiple echo-spin echo (ME-SE), and multislice multiecho (MSME) sequences. In gradient echo sequences, MR imaging was performed with the ESIONs selected by the phantom studies (KEG1, 5) to evaluate the signal intensity of ESIONs in variable flip angles and concentrations. With the ESIONs selected by the phantom studies (KEG1, 3, 5), in vivo kinetics evaluation and in vivo cross-over studies were performed in eight rabbits using three-dimensional fast low angle shot (3D FLASH) sequence. In vivo kinetics evaluation was performed with KEG5, and the contrast enhancement over time, organ enhancement, and elimination from the body were evaluated. The cross-over study was performed with two kinds of ESIONs (KEG1, 3) and Gd-DOTA (Dotarem®) with half-dilution (KEG1-H and KEG3-H: 0.047 mmol/kg; DOT-H: 0.05 mmol/kg) and without dilution (KEG1-S and KEG3-S: 0.093 mmol/kg; DOT-S: 0.1 mmol/kg). The between-group differences of contrast enhancement were assessed by using linear-mixed effects model. Commercially available contrast media (Dotarem®) was used in phantom and animal studies as a control group. Results: All ESIONs were applicable for MRA with the relaxivity ratios (r2/r1) 6 or less than 6 at 1.5T (KEG1, 2.95; KEG2, 6.00; KEG3, 2.44; KEG4, 2.51; KEG5, 1.85; KEG6, 4.37; KEG7, 3.32) and 3T (KEG1, 3.01; KEG2, 5.72; KEG3, 2.68; KEG4, 3.40; KEG5, 3.17; KEG6, 3.76; KEG7, 4.78). The relaxivity ratio (r2/r1) increased with increasing magnetic field strengths. In gradient echo sequence, the peak signal intensities of the ESIONs in lowest concentration were observed in flip angles between 10° and 20° at 1.5T, and 10° and 15° at 3T, respectively. The peak signal intensities were observed in higher flip angles with an increase of concentration of ESIONs at 1.5T and 3T. In the in vivo kinetics study, KEG5 showed peak signal intensity at the first-pass images and persistent vascular enhancement until 90 minute delayed images. KEG5 showed similar organ enhancement compared to Dotarem® at all regions in the first-pass images. On the one week follow up images, KEG5 was nearly washed out from the vascular structures and the organs. In the in vivo cross-over study, all half-diluted ESIONs showed significantly lower signal intensities than their non-diluted ones at all regions in immediate post-contrast images (KEG1-S vs. KEG1-H – difference 70.167, p<0.001 and KEG3-S vs. KEG3-H – difference 118.167, p<0.001 at aortic arch; KEG1-S vs. KEG1-H – difference 134.667, p<0.001 and KEG3-S vs. KEG3-H – difference 131.333, p<0.001 at descending thoracic aorta). In terms of peak signal intensities on the first-pass images, there was no statistical difference between KEG3-S and DOT-S (difference -8.167, p=1.000 at aortic arch; difference -3.667, p=1.000 at descending thoracic aorta), but KEG3-S and DOT-S showed significantly higher peak signal intensities than KEG1-S at all regions (p<0.05 at aortic arch and descending thoracic aorta). On the post-contrast 10 minute images, KEG3-S and KEG1-S showed significantly higher signal intensities than DOT-S at all regions (KEG3-S vs. DOT-S – difference 150.667, p<0.001 and KEG1-S vs. DOT-S – difference 71.667, p<0.001 at aortic arch; KEG3-S vs. DOT-S – difference 202.667, p<0.001 and KEG1-S vs. DOT-S – difference 127.333, p<0.001 at descending thoracic aorta). Conclusions: On the phantom study, the ESIONs with 3 – 4 nm iron oxide cores showed good T1 shortening effect with the relaxivity ratios (r2/r1) 6 or less than 6 at 1.5T and 3T. On in vivo experiment, the ESION with 3 nm iron core and 10 nm overall size (KEG3) showed comparable performance on the first-pass imaging and superior performance on delayed imaging to the commercially available T1 MR contrast agent (Dotarem®) at 3T.Introduction 1 Materials and methods 3 Results 11 Discussion 35 References 42 국문초록 50Docto

스텐트 순응도의 물리적 해석에 대한 연구

학위논문(석사) --서울대학교 대학원 :의학과 방사선과학,2008.2.Maste