钆类造影剂的研究进展
Advances in Gadolinium(Ⅲ) Chelates as MRI Contrast Agents
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从钆螯合物造影剂的原理、条件、研究进展、以及提高其弛豫效率的方法4个方面进行介绍与总结;在研究进展方面,着重介绍了荧光、生物敏感造影剂;并且从酶活性、金属离子活性、pH活性3个方面对生物敏感造影剂进行了论述。
关键词:
In this paper, the Gd(Ⅲ)-based contrast agents are reviewed from four aspects as followed:principles, conditions, research progresses and approaches for improving relaxivity. The research progresses in the fields of fluorescent and biological contrast agents are deeply introduced. Moreover, the activity of enzyme, pH and metal ions of biological contrast agents are discussed.
Keywords:
本文引用格式
段二月, 马建功, 程鹏.
DUAN Er-Yue, MA Jian-Gong, CHENG Peng.
图1
在人体中存在大量的水以及有机物,所以氢核的共振信号要比其他元素高,因此在进行检测时一般是测质子的磁共振现象。MRI图像的明暗程度与核磁信号强度有很大的关系,信号强度越大,图像越明亮;反之,则越暗。一般来说t1越短,共振信号越强,图像越亮;t2越短,共振信号越弱,图像越暗。MRI图像的分辨率主要与组织内水的含量有关,根据体内的水与组织中水的含量不同,不同器官组织显示不同的图像,因此可以通过磁共振技术,检查出病变组织。
但是人体内有部分组织器官与病变组织之间水分子的含量相差不多,需要较长的测试时间,但是成像效果并不好,不能有效地进行检测。经过一段时间的发展,研究者发现,加入某种顺磁物质后,不仅图像的清晰度增加,而且成像时间也明显缩短。人们把这类可以缩短成像时间、提高成像对比度的成像增强对比剂,叫做造影剂。它主要通过改变体内局部组织中水质子的弛豫速率,提高正常组织与患病部位的成像对比度,从而显示体内器官的功能状态。造影剂的研究发展极大地促进了磁共振技术的应用。
造影剂进入人体后,t1和t2都会发生改变,但是不同造影剂的作用效果不同,某些造影剂主要缩短t2,使病变部分变暗,这类称为t2造影剂,也叫做阴性造影剂,包括铁磁性和超磁性造影剂。同理,主要缩短t1,使病变部分变亮的造影剂称为t1造影剂,也叫做阳性造影剂,顺磁性物质都属于t1造影剂。t1造影剂的对比效果更明显,主要包括钆类造影剂、锰类造影剂、富勒烯类造影剂等。本文主要对Gd类造影剂进行介绍。
在磁造影方面,Gd类造影剂的研究发展最为迅速,有着重要的地位。Gd(Ⅲ)最外层有7个未成对电子,与其他元素相比,孤电子数目最多,电子的诱导作用最强,因此弛豫时间较长,有较大的优势。因此钆元素是人们研究最多的元素,目前在临床应用的造影剂也大都是钆的造影剂。
1 钆螯合物造影剂的作用原理
钆螯合物作为典型的造影剂,主要是用来缩短t1值,因为在不加造影剂的情况下,某些正常组织的t1与病变组织的t1相差不大,图像分辨率不够,不能进行诊断。如胰的t1值为140-170,胰腺瘤的t1值为275-400;肾的t1值为300-340,肾癌的t1值为400-450[2]。造影剂的加入可以缩短t1值,增强正常组织与病变组织之间的差异,提高图像的分辨率。钆造影剂本身不会产生信号,通过改变周围水分子的弛豫时间来达到造影效果。
所观察到的纵向弛豫速率(1/t1,obs)由两部分组成,即抗磁磁化率(1/t1,d,是在没有顺磁性物质时的纵向弛豫速率)和顺磁磁化率(1/t1,p,是由顺磁性物质产生的磁化速率),如式(1)所示[3]。
2 钆螯合物应具备的特征
2.1 弛豫效率高
为了能更好地提高显像效果,要求所用的钆类造影剂可以提高病变部分被测核的弛豫效率。弛豫效率是钆造影剂合成并应用的一个重要指标。影响弛豫效率的因素有很多,外在因素包括温度和螯合物的浓度等,内在因素如螯合物的结构特点等都会对弛豫效率产生影响,其中水分子的交换速率、内配位水分子数和旋转相关时间是主要的影响因素。因此在保证化合物结构稳定的前提下,降低水分子的交换速率、增加内配位水分子数以及增大旋转相关时间是提高弛豫效率的重要方法,在下文中将会进行比较详细的介绍[6]。
2.2 在体内稳定、低毒
图2
造影剂进入人体后,人体内的金属离子尤其是锌离子,会取代少量Gd(Ⅲ)与配体结合,使Gd(Ⅲ)成为游离态,因此这些造影剂不仅要具有热力学稳定性,还要具有动力学稳定性,其中Gd-DOTA的动力学稳定性相对较高[7]。
2.3 具有靶向性
造影剂进入人体后会改变周围质子的弛豫效率,使信号增强。理想的造影剂进入人体后能够选择性分布,主要集中在病变组织,使靶组织的被测核的弛豫效率显著增强,增强显像效果。
然而目前临床造影剂大都不具有专一性,造影技术主要用在脑、肾和血液的检查方面,对肝胆的选择性很低。因此可以向钆造影剂引入疏水基团,如苯基或者脂类物质,这样可以增强其亲脂性,从而提高肝脏成像效果[8]。
另外,可以使造影剂与靶向细胞表面的物质进行特异性结合。例如某些病变细胞在其表面有大量的单糖唾液酸残基,它的多少与病变组织的恶化程度有很大关系,目前对单糖唾液酸残基的检查是通过切片观察,这种方法有一定的局限性。根据硼酸与单糖唾液酸残基上的醇能够特异性结合的特点,Djanashvili等[9]设计了一种可以识别单糖唾液酸残基病变细胞的结构,该结构将Tb-DTPA-双胺与硼酸结合在一起,可以与单糖唾液酸残基的醇进行特异性结合,从而达到检查的目的。
2.4 易排出体外
造影剂的毒性与其排出体外的速率有关,在人体内存在一定的时间达到检测要求后,要易于排出体外,否则在人体内累积,时间久了就会使人中毒。
而通过改变配合物的结构则可以使其通过不同的途径排出体外。例如:一些亲水性的小分子螯合物一般由肾脏排出;亲脂性高的螯合物大部分通过肝胆排出体外;既有亲水性又有亲脂性的螯合物则由肾、肝、胆选择性排出。
2.5 水溶性好
造影剂以静脉注射为主要的给药方式,因此要求其有较好的水溶性。造影剂的水溶性应该在0.5 mol·L-1(人体血浆的渗透压和粘度的近似值)左右。
3 影响弛豫效率的因素及提高弛豫效率的方法
理论上,在磁场强度为0.5 T时,只含有一个内配水的Gd(Ⅲ)螯合物的弛豫效率大约为100 L·mmol-1·s-1,但是目前临床应用的钆造影剂弛豫效率仅在5 L·mmol-1·s-1左右,因此有很大的可提升空间。
要提高造影剂的效率,最有效的方式就是提高弛豫效率。影响弛豫效率的因素主要有内配位水分子数q,水的滞留时间τm和分子旋转时间τR。弛豫效率与q之间是线性关系,即水分子数越多,弛豫效率越高。而由公式
3.1 旋转相关时间
影响弛豫效率的最关键因素是旋转相关时间,即τR。在溶剂中相对分子质量较大的物质的τR较长,而小分子Gd(Ⅲ)螯合物的τR在100 ps左右,要远远低于理想值[10]。因此,现在的研究热点就是如何增大造影剂的相对分子质量,大多是将钆的螯合物与大分子(例如蛋白质、糖类以及脂类等)结合以增大相对分子质量。
图3
需要注意的是,在增加τR的时候,要尽可能不使水的交换速率降低,水交换速率太慢,也会影响弛豫效率,因此相对分子质量要适中。
3.2 配位水的滞留时间
影响弛豫效率的第二个因素是配位水的滞留时间τm,也可以称作配位水分子的交换速率的倒数(kex)。由于在人体内,质子的交换时间是由水分子的交换时间决定的,因此水的滞留时间决定了质子的弛豫时间。
t1值的一个主要影响因素是配位水分子数,在一定程度上,如果配位水与周围游离水的交换速率越快,弛豫效率也就越高,获得图像的分辨率也会相应增强。但是如果水的交换速率过快,配位水与Gd(Ⅲ)之间的反应时间不足,则难以使弛豫效果达到最好;同样,如果水的滞留时间过长,当弛豫结束后,水依然与钆(Ⅲ)结合,则使弛豫效率降低。所以水的滞留时间也要适中。水的解离速度是影响水交换速率的一个关键因素,而其解离需要很高的活化势能。因此,如果可以减弱Gd(Ⅲ)和水的氧原子之间的键能,则可以增加水的交换速率。同时,也要考虑τR的影响,综合以上因素,在临床磁强度(1-3 T)时,造影剂最佳的τm应该为10-20 ns[13, 14]。
3.3 内层配位水分子数
4 钆的螯合物造影剂的研究进展
MRI技术开始在医学上使用后,造影剂也开始慢慢地发展起来。最早研究的造影剂是EDTA的配合物,对Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)等顺磁性金属的EDTA的配合物进行了研究。随着对影响弛豫效率因素的探索,钆(Ⅲ)以其优势吸引了很多研究者,对钆螯合物的合成与研究也成为热点。
4.1 小分子钆螯合物
表1 临床应用的Gd-DTPA类造影剂的商用名称、配体结构、相对分子质量和弛豫效率
造影剂名称 | 商用名称 | 配体结构 | Mw/(g·mol-1) | r1/(L·mmol-1·s-1) |
Gd-DTPA | Magnevist | R1=OH;R2=R3=H | 547 | 3.8 |
Gd-DTPA-BMA | Omniscan | R1=NHCH3;R2=R3=H | 573 | 3.8 |
Gd-DTPA-BMEA | OptiMARK | R1=NH(CH2)OCH3;R2=R3=H | 661 | 4.1 |
Gd-BOTPA | MultiHance | R1=OH;R2=H;R3=CH2OCH2C6H5 | 711 | 4.8 |
Gd-EOB-DTPA | Primovist | R1=OH;R2=C6H5OCH2CH3;R3=H | 682 | 5.5 |
表2 临床应用的Gd-DOTA类造影剂的商用名称、配体结构、相对分子质量和弛豫效率
造影剂名称 | 商用名称 | 配体结构 | Mw/(g·mol-1) | r1/(L·mmol-1·s-1) |
Gd-DOTA | Dotarem | R=COOH | 558 | 3.5 |
Gd-HP-DO3A | ProHance | R=CH2CH(OH)CH3 | 558 | 3.6 |
Gd-DO3A-butrol | Gadovist | R=CH(CH2OH)CH(OH)CH2OH | 604 | 3.7 |
4.2 大分子钆螯合物
小分子造影剂渗透压偏高,弛豫效率较低,因此人们开始用一些大的基团对小分子造影剂进行修饰。近年来对t1类造影剂的研究主要集中在对Gd-DTPA和Gd-DOTA这两种物质的修饰上。将其与单克隆抗体、血红细胞、血清白蛋白、多糖、激素和聚氨基酸等天然大分子材料及人工合成的生物可相容高分子相结合,可以有效地增大体积,降低分子的旋转速率,提高弛豫效率。同时由于大分子本身的特点,向大分子中引入对人体某一组织器官具有亲和性的基团,还能增强选择性或靶向性。
聚乳糖可以分解为H2O和CO2,利用这一特点,Zhang等[34]将聚乳酸引入Gd-DTPA的衍生物中,所形成的造影剂弛豫效率为7.9 L·mmol-1·s-1。由于大分子体内的生物降解过程极其复杂,此类造影剂在临床上的应用还有待深入研究。
4.3 双功能造影剂
近年来,一些新型的造影剂相继被合成,双功能造影剂的合成及研究逐渐成为热点。
4.3.1 荧光造影剂
荧光探针是生物学上一种微量的检测方法,可将荧光活性基团引入钆造影剂中,制备含有荧光探针的造影剂。
例如,对姜黄素修饰的Gd-DTPA进行荧光检测不仅可以选择性地识别β-淀粉样蛋白斑(阿尔茨海默氏病的标志物之一),而且在磁场强度为1.4 T、温度为37 °C时,在pH为7.4的缓冲溶液中,其弛豫效率高达13.63 L·mmol-1·s-1,远远高于Gd-DTPA的弛豫效率。上述配合物在检测神经系统疾病方面具有较好的优势,但是在合适的浓度范围内,该配合物无法穿越血脑障碍,限制了其在临床上的应用。
Jang等[35]设计了一类造影剂(图4),在没有Cu(Ⅱ)的存在时,在Gd(Ⅲ)浓度为0.2 mmol·L-1时,弛豫效率为2.01 L·mmol-1·s-1,随着Cu(Ⅱ)的加入,由于配位水分子数增多,弛豫效率逐渐增大,当Cu(Ⅱ)的浓度为Gd(Ⅲ)的2倍时,弛豫效率增大至4.01 L·mmol-1·s-1(这比现有的铜造影剂要大得多)。这可能是因为加入的Cu(Ⅱ)与羧基氧结合,使Gd(Ⅲ)可以与游离的水分子结合,增加了q,弛豫效率增大。此外,实验证明,人体内其他离子如Ca(Ⅱ)、Na(I)、K(I)、Zn(Ⅱ)对其弛豫效率没有影响。在荧光性能测试中,由图5可以看出Zn(Ⅱ)的加入没有改变其荧光强度,而随着Cu(Ⅱ)的加入荧光强度逐渐减弱,也进一步证实了Cu(Ⅱ)会与羧基氧配位。
图4
图5
在加入一些发光基团的基础上,现在很多研究者也致力于加入一些金属离子。2010年,Song等[36]将锌卟啉化合物与Gd-DO3A结合在一起,合成了一类造影剂。由于锌卟啉的存在,在近红外区出现了激发波长,同时弛豫效率也显著增大,在A、B、C 3个化合物中每个Gd(Ⅲ)的弛豫效率分别为4.2 L·mmol-1·s-1、10.5 L·mmol-1·s-1、12.8 L·mmol-1·s-1,即3个造影剂的弛豫效率分别为4.2 L·mmol-1·s-1、42 L·mmol-1·s-1、102.4 L·mmol-1·s-1。其结构如图6所示。在图7所示的结构中,TiGd3金属配合物在380 nm的激发波长下,在400-750 nm处有一个宽的发射光谱,并且在490 nm处发射强度最强,由于τR的增大,弛豫效率有所增加,每个Gd(Ⅲ)的弛豫效率为12.3 L·mmol-1·s-1,整个化合物的弛豫效率达到了36.9 L·mmol-1·s-1 [37]。EuGd3金属配合物也表现出了弛豫性能和荧光性能,在615 nm处有一个比较尖锐的峰,在磁场强度为0.47 T、温度为37 °C时,弛豫效率达到了28.8 L·mmol-1·s-1 [38]。RuGd3在525-850 nm处有一个宽的发射光谱,并且在610 nm处发射强度最强。在0.47 T和37 °C时,其弛豫效率为36 L·mmol-1·s-1 [39]。
图6
图7
4.3.2 具有生物活性的钆造影剂
人体内的一些生化过程发生改变时,可能会引起一些疾病。基于此,很多可以对生化条件作出反应的造影剂开始被设计与合成,即存在某种刺激的时候,造影剂的弛豫效率就会显著增强。这类造影剂可以对多种刺激作出反应,例如离子浓度、酶活性、温度以及pH等,并且可以通过不同的机理进行激活。
图8
图9
图10
人体内一些离子浓度的改变也能引起疾病,因此通过造影剂检测体内的离子浓度变化是十分必要的,Meade等[46, 47]合成了第一例此类型的造影剂Gd-DOPTA(图11A)。该螯合剂是用钙螯合剂1,2-双(2-氨基苯氧基)-乙烷-N,N,N',N'-四乙酸(BAPTA),将两个Gd-DO3A连接到一起。在没有钙离子时,BAPTA中的羧基氧与Gd(Ⅲ)结合,无配位水。当Ca(Ⅱ)浓度增大时,与BAPTA结合,Gd(Ⅲ)则可以与水结合,如图11B所示,该过程在Ca(Ⅱ)的生理浓度下就可以完成,Ca(Ⅱ)的浓度为0.1-10 μmol·L-1(生理相关浓度)时,Ca(Ⅱ)敏感剂DOPTA-Gd的弛豫效率增大75%。随后,很多Ca(Ⅱ)活性探针也相继被合成,Peters等[48]设计合成了一种造影剂,该造影剂可以通过金属Ca(Ⅱ)聚合,增大了τR,弛豫效率也有效地增大。
图11
图12
图13
图14
图15
5 结语
钆螯合物的应用发展极大地促进了核磁造影技术的发展,但是目前应用于临床的造影剂弛豫效率并不高,选择性与生物兼容性也有待加强。多功能造影剂的合成为这一研究领域开辟了新的途径,但是由于种种原因还是不能用于临床,因此研制新的理想的造影剂仍是比较热门的研究课题。
参考文献
Contrast Media Mol
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