Recent Development of Magnetic Particle Imaging Tracers

doi:10.7503/cjcu20220375

Abstract

Abstract:

Magnetic particle imaging（MPI） is a tracer method based on functional and tomography imaging techniques to detect the spatial distribution of magnetic nanoparticles（MNPs）， the contrast of positive signal， low background， infinite tissue penetration depth， non-invasive imaging as well as the advantages of no ionizing radiation， which is a promising biomedical imaging technology in recent years. The MPI signal is generated by switching the magnetic spin vector of MNPs at field-free points（FFP）. The imaging sensitivity and spatial resolution of MPI are highly dependent on the magnetic properties of MNPs themselves as MPI tracers， so the current research is mainly focused on the design and synthesis of MNPs. This review focuses on the latest research progress of MPI tracers， and summarizes the types， synthesis methods， properties and biomedical applications of MNPs that can be used as MPI tracers， in order to provide reference for the future development of MPI.

Key words: Magnetic particle imaging, Magnetic nanoparticles, Biomedical application, Imaging tracer

CLC Number:

O657

TrendMD:

ZHANG Qingpeng, GUAN Guoqiang, LIU Huiyi, LU Chang, ZHOU Ying, SONG Guosheng. Recent Development of Magnetic Particle Imaging Tracers[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220375.

Figures/Tables 14

Table 1 Comparison of different imaging modalities

Imaging modality	Input	Penetration depth	Spatial resolution	Temporal resolution	Sensitivity/（mol·L^-1）
MPI	Radio frequency	Unlimited	~500 mm	ms	10^-6
MRI	Radio frequency	Unlimited	25—100 mm	min—h	10^-3—10^-5
Optical	Light	<2 cm	2—3 mm	s—min	10^-9—10^-12
Photoacoustics	Light	<6 cm	5 μm—1 mm	s—min	10^-9—10^-11
CT	X⁃Rays	Unlimited	25—200 μm	s—min	10^-3
PET	Radionuclide	Unlimited	<1 mm	s—min	10^-11—10^-12
SPECT	Radionuclide	Unlimited	0.5—2 mm	min	10^-10—10^-11
Ultrasound	Sound waves	Meter	10—100 mm	s—min	10^-6—10^-9

Fig.1 Schematic diagram of MPI signal generation[13]（A） The upper left curve exemplifies the relation between the external magnetic drive field HD（usually measured in A/m or mT/μ0） and the magnetization of the particle M. The spectrum Sn of the signal s（t） generated by the changing magnetization then contains higher harmonics of the excitation frequency；（B） a selection field generated by 2 magnets in Maxwell configuration， that is， with opposing poles. Copyright 2012， Society of Cardiovascular Computed Tomography.

Fig.2 Schematic diagram of magnetic relaxation mechanism and X⁃space image reconstruction technique[16]（A） Schematic representation of the magnetic relaxation mechanisms；（B） top figure shows magnetization of SPIONs modelled using a Langevin function； bottom figure shows the point spread function（PSF） as the derivative of the Langevin function；（C） X-space reconstruction involving a two-step process of velocity compensation and gridding of the instantaneous signal to the position of the FFP to form a native MPI image. Copyright 2012， John Wiley and Sons， Inc.

Table 2 Comparison of MPI performance of different MNPs

MNPs	Composition	Size/nm	Sharp	M_s/（emu·g^-1）*	MPI Signal（MNPs/Vivotrax）	Ref.
Vivotrax	Fe	ca. 10	Amorphous	54	1.0	［17］
SIONs⁃17	Fe	17	Sphere	32	0.5	［18］
CIONs⁃22	Fe	22	Cube	54	4.2	［18］
CIONs⁃26	Fe	26	Cube	72	3.5	［18］
CIONs⁃46	Fe	46	Cube	61	0.5	［18］
ZnFe₂O₄/C	Zn， Fe， C	7—9	Spindle	32	4.7	［17］
CoFe₂O₄/C	Ni， Fe， C	7—9	Spindle	36	1.8	［17］
MnFe₂O₄/C	Mn， Fe， C	7—9	Spindle	50	2.1	［17］
ZnFe₂O₄	Zn， Fe	7—9	Sphere	48	0.6	［17］
γ⁃Fe₂O₃/C	Fe， C	7—9	Spindle	48	1.9	［17］
FeCo@C	Fe， Co， C	10	Core⁃shell	192	6.8	［19］
Fe@Fe₃O₄	Fe	14	Core⁃shell	176	0.8	［20］

Fig.3 IONPs of different sizes and shapes act as MPI tracers[18]（A） Schematic diagram of IONPs shape and size effects on MPI performance；（B） TEM images of SIONs-17 and CIONs of different sizes；（C） MPI performance of SIONs-17 and CIONs of different sizes at 1.7 mmol/L Fe concentration；（D） CIONs-22 versus commercial Vivotrax MPI performance. Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.4 Carbon loading and metal doping improve the performance of MPI tracers[17]（A） Schematic diagram of the synthesis progress of MFe2O4/C@PDA；（B） vibrating sample magnetometer （VSM） measurement for all samples；（C） MPI images of γ-Fe2O3/C@PDA， ZnFe2O4/C@PDA， and Vivotrax at series concentrations；（D） the plot and （E） slope of MPI signals of all samples. Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.5 Order⁃of⁃magnitude mass sensitivity and resolution gains using superferro magnetic chains(SFMIOs)[25]（A） Schematic of the SFMIO nanoparticle design compared to standard SPIOs；（B） MPI point spread function shows SFMIO signal peak is orders-of-magnitude taller and sharper than standard multi-core SPIO ferucarbotran；（C） imaging phantom of 0.3 mm radii wells with varying well-to-well spacing（mm）；（D） MPI images of panel （C）. Copyright 2021， Wiley-VCH GmbH.

Fig.6 Representation and MPI performance of FeCo@C⁃PEG[19]（A） TEM image of FeCo@C-PEG before density gradient separation；（B—F） TEM images of FeCo@C-PEG after density gradient separation；（G） HR-TEM and HAADF-STEM images of FeCo@C and element mapping；（H） MPI signals of FeCo@C-PEG and Vivotrax versus the nanoparticle core mass. Copyright 2020， the authors.

Fig.7 Representation and MPI performance of zero valent iron core⁃iron oxide shell nanoparticles[20]

Fig.8 Synthesis and MPI performance of Janus MNPs[35]（A） Schematic of the preparation of Fe3O4@PFODBT Janus nanoparticles through nanoprecipitation；（B） TEM image of Fe3O4@PFODBT Janus nanoparticles；（C） DLS size of Fe3O4 and Fe3O4@PFODBT in PBS；（D） UV-Vis absorption spectra of PFODBT in THF， and Fe3O4 and Fe3O4@PFODBT in PBS；（E） fluorescence spectrum of Fe3O4@PFODBT（excited at 540 nm）；（F） two-dimensional projection MPI scanning of Fe3O4 and Fe3O4@PFODBT with the same amount of Fe（8 μg） in 200 μL of H2O， and their corresponding linear scanning MPI spectrum；（G） plot of MPI signals of Fe3O4@PFODBT versus amounts of Fe in 200 μL of H2O. Copyright 2018， American Chemical Society.

Fig.9 MPI tracers for quantification of lipoprotein uptake in vivo[37]（A） Scheme shows quantification of lipoprotein uptake in vivo using MPI；（B） representative cryo-TEM image of IONP-loaded ACM. Dashed line outlines the circumference of the ACM. （C） Representative cryo-TEM image of IONP-loaded ACM. Dashed line outlines the circumference of the ACM. （D） Representative whole-body MRI and MPI images of mice injected with ZnMNP-ACM after exposure to either 23 or 4 ℃；（E） representative MPI images of the interscapular area（red box） with MRI overlay.Copyright 2020 American Chemical Society.

Fig.10 MPI tracers for cellular tracking[35]

Fig.11 MPI tracers for cancer imaging and MHT[50]（A） In vivo dynamic MPI of mice intratumorally injected with Vivotrax， IOs， and IOs-CREKA NPs， respectively；（B） MPI signal calculation and comparison between groups；（C） increase in the temperature induced by the MHT with different NPs treatment；（D） therapeutic efficacy of the magnetic hyperthermia dynamically monitored by BLI in different groups；（E， F） the calculation and comparison of the tumor bioluminescence intensity（E） and tumor volume changes（F）. Copyright 2019， American Chemical Society.

Fig.12 Rapid detection of intracranial hemorrhage with MPI[54]（A） Early detection and expansion of the intracranial hemorrhage after the tracer injection at several time points on fused MPI/MRI slices（upper row： coronal sections； middle row： transversal sections； lower row： sagittal sections； the white asterisk indicates the hemorrhage in MRI and MPI； the signal information from these data sets was converted into a concentration⁃time curve on a voxel by pixel basis）；（B） only （1.80±0.3） min passed between the tracer bolus arrival in the brain and the hemorrhage detection （bleeding continued up to 100 min； the extravasation of the tracer and expansion of the hemorrhage could be monitored in real time）；（C） color coding the tracer arrival time allowed for the differentiation of bleeding areas of different age（the needle tip of the syringe marks the collagenase injection site for hemorrhage induction）. Copyright 2020， American Chemical Society.

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