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Magnetostructural characterisation of biological materials: Detection and quantification of nanometric iron-containing species = Caracterización magnetoestructural de materiales biológicos: Detección y cuantificación de especies nanométricas que contienen hierro

by Gutiérrez Marruedo, Lucía

Abstract (Summary)
En esta tesis se ha investigado la especiación del hierro en sistemas biológicos prestando especial atención a las especies en las que el hierro se encuentra formando parte de partículas de óxidos y oxohidróxidos de tamaño nanométrico tanto biogénicas (ferritina y hemosiderina) como no biogénicas (suplementos de hierro y agentes de contraste). Se han caracterizado ocho suplementos de hierro utilizados en el tratamiento de la anemia ferropénica. El estudio de estos fármacos, además de proporcionar información estructural de cada compuesto, que puede estar relacionado con sus propiedades farmacocinéticas, es el paso previo necesario para su posterior monitorización en el organismo. Las especies minerales de hierro de origen biogénico se han estudiado en el marco de las enfermedades de sobrecarga de hierro para lo que se han utilizado dos modelos animales distintos. El primer modelo estudiado se ha generado a partir de la administración de una dosis única de un suplemento de hierro (hierro dextrano) a ratas. Este fármaco está constituido por nanopartículas de un oxohidróxido de hierro llamado akaganeita. Las transformaciones sufridas por el fármaco en el hígado y músculo de la zona cercana a la inyección se han monitorizado magnéticamente a lo largo de tres meses, observándose la disminución de la cantidad de partículas de akaganeita y el aumento de la cantidad de hierro en forma de ferritina. Además, se ha detectado también la acumulación de hierro en el bazo, corazón y riñones de los animales. La identificación de este tipo de especies en los tejidos a partir de la caracterización magnética ha sido posible gracias al estudio de las propiedades magnéticas tanto del fármaco inyectado como de la ferritina de hígado de rata. El segundo modelo animal de sobrecarga de hierro utilizado ha consistido en ratones modificados genéticamente (knockout Hfe-/-) que, a pesar de tener una dieta normal, acumulan grandes cantidades de hierro en el organismo. Este modelo simula mejor las enfermedades humanas y de ahí su especial interés para el estudio de los depósitos de hierro en patologías de sobrecarga de hierro. Se han estudiado magnéticamente tres tejidos diferentes: Hígados, bazos y corazones, habiéndose encontrado una acumulación anómala de hierro en el tejido hepático. Mediante el estudio por microscopía electrónica de transmisión se han observado depósitos de hierro en forma de ferritina o lisosomas que contienen ferritina parcialmente degradada. Sin embargo, se ha detectado también la presencia de otro tipo de depósitos, con un tamaño y una estructura cristalina diferente a los usualmente observados en estos procesos de sobrecarga, que necesitan un mayor estudio ya que podrían estar relacionados con el aspecto sano de los tejidos a pesar de la gran cantidad de hierro acumulada. Se incluye también en esta tesis un estudio de la monitorización magnética de un agente de contraste comúnmente utilizado en imagen por resonancia magnética nuclear. El interés del estudio de la biodistribución de este compuesto por medios magnéticos radica en que, debido a que la cantidad de hierro administrada con el fármaco es muy pequeña en comparación con el hierro biogénico, su estudio por otras técnicas es complicado de realizar. La presencia del agente de contraste ha sido detectada en el hígado y el bazo pero no se ha observado en el corazón ni en los riñones. Además, se ha desarrollado un protocolo para la cuantificación de la cantidad de hierro que está formando parte tanto del agente de contraste como de la ferritina biogénica presente en los tejidos a partir de las medidas magnéticas, que ha servido para proporcionar información cuantitativa sobre la cantidad de hierro que forma parte de estas dos especies en los tejidos. El estudio de la influencia de las interacciones dipolares en muestras del agente de contraste de diferentes concentraciones ha permitido, además, obtener información acerca del grado de agregación de este compuesto en los tejidos, observándose diferencias entre hígado y bazo. El estudio de las propiedades magnéticas de los tejidos, especialmente en situaciones de sobrecarga de hierro, es de especial interés para el desarrollo de tecnologías no invasivas basadas en el magnetismo para la cuantificación de los depósitos de hierro. In this thesis, the iron speciation in biological systems has been investigated paying special attention to those species in which iron is found forming part of nanometric oxides and oxyhydroxides, from biogenic (ferritin and haemosiderin) and non-biogenic (iron supplements and contrast agents) origin. Eight iron supplements used for the treatment of iron deficiency anaemia have been characterised. The study of these drugs, besides providing structural information about each compound, which can be related to their respective pharmacological properties, is the necessary previous step for their monitorisation in the organism. Mineral iron species from biogenic origin have been studied in the frame of iron-overload pathologies for which two different animal models have been used. The first studied model has been generated by the single administration of an iron supplement (iron dextran) to rats. This drug contains nanoparticles of an iron oxide called akaganéite. The transformations of the drug in the liver and the muscle near the place of injection have been magnetically monitorised during three months. The decrease of the number of akaganéite particles, and the increase of the amount of iron in the form of ferritin has been observed. Besides, the accumulation of iron in the spleen, heart and kidneys of the animals has been detected. It has been possible to identify this kind of species in the tissues by magnetic means because the magnetic properties of the injected drug and rat liver ferritin where previously characterised. The second animal model of iron overload consists on genetically modified mice (Hfe-/- knockout) that, besides having a normal diet, accumulate a great amount of iron in the organism. This model simulates in a better way the human disease so it is of special interest for studies of the iron deposits in overload pathologies. Three different tissues have been magnetically characterised: Liver, spleen and heart, and an anomalous accumulation of iron in the hepatic tissue has been detected. Ferritin and lysosomes containing partially degraded ferritin have also been observed by transmission electron microscopy. However, the presence of a different kind of deposit, with a size and crystalline structure different from the typical deposits in overload situations, needs deeper studies as they may be related with the healthy aspect of the tissues in spite of the big amount of iron accumulated. It has also been included in this thesis a study of the magnetic monitorisation, in biological tissues, of a contrast agent commonly used for magnetic resonance imaging. Due to the small amount of iron administered with this drug in comparison with the biogenic iron, the study of its biodistribution by techniques different from the magnetic characterisation is more complicated. The presence of the contrast agent has been detected in the liver and the spleen but not in the heart and kidneys. Besides, a protocol for the quantification of the amount of iron that is forming part of the contrast agent and the biogenic ferritin present in the tissues has been developed from the magnetic measurements, providing quantitative information about the amount of iron in these two species in the tissues. The study of the influence of dipolar interactions in samples of different concentrations of the contrast agent has allowed to analyse the degree of aggregation of this compound in the tissues providing different results for liver and spleen. The study of the magnetic properties of the tissues, especially in iron overload situations, is of special interest for the development of non-invasive techniques based on magnetism for the quantification of iron deposits.
Bibliographical Information:

Advisor:Lázaro Osoro, Francisco J.

School:Universidad de Zaragoza

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:ciencia y tecnología de materiales fluidos

ISBN:

Date of Publication:12/05/2008

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