הכנה<em> במבחנה</em> אפיון חומרי ניגוד מבוססי dendrimer עבור דימות תהודה מגנטית
Summary
פרוטוקול זה מתאר את ההכנה ואפיון של תהודה מגנטית dendrimeric חומר ניגוד (MRI) שנושא chelates macrocyclic המבוסס cyclen תיאום יוני גדוליניום פאראמגנטיים. בסדרת ניסויי MRI במבחנה, סוכן זה מיוצר אות MRI מוגברת בהשוואה האנלוגית monomeric הזמין המסחרי.
Abstract
מתחמי פאראמגנטיים של גדוליניום (III) עם אציקליות או chelates macrocyclic הם סוכנים בניגוד הנפוץ ביותר (CA) עבור הדמיה בתהודה מגנטית (MRI). מטרתם היא לשפר את שיעור הרפיה של פרוטונים מים ברקמות, ובכך להגדיל את הניגוד התמונה MR ואת הספציפיות של מדידות MRI. סוכנים בניגוד נוכחיים קליני שאושרו הם מולקולות משקל מולקולארי נמוכות, נמחקות במהירות מהגוף. שימוש dendrimers כנושאי chelators פאראמגנטיים יכול למלא תפקיד חשוב בהתפתחות העתידית של סוכנים בניגוד MRI יעילים יותר. באופן ספציפי, העלייה בריכוז המקומי של תוצאות מיני פאראמגנטיים ב ניגוד אות גבוה. יתר על כן, CA זה מספק זמן שמירת רקמות כבר בשל המשקל והגודל מולקולריים גבוהים. הנה, אנחנו מדגימים הליך נוח לעריכת חומר ניגוד MRI macromolecular מבוסס על פולי (amidoamine) (Pamam) dendrimers עם monomacrochelators DOTA מהסוג מחזורי (DOTA – 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate). היחידה chelating צורף על ידי ניצול תגובתיות של isothiocyanate (NCS) הקבוצה כלפי קבוצות משטח אמין של dendrimer Pamam להקים גשרים thiourea. מוצרי Dendrimeric היו מטוהרים ונותחו באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית, ספקטרומטריית מסה, ואת ניתוח יסודי. לבסוף, ברזולוציה גבוהה תמונות MR הוקלטו ניגודי האות המתקבל מן dendrimeric המוכן וסוכני monomeric הזמינים המסחרי הושוו.
Introduction
הדמיית תהודה מגנטית (MRI) היא טכניקת הדמיה עוצמה בלתי מייננת בשימוש נרחב מחקר ביו לדיאגנוסטיקה רפואית בשל אופיו פולשנית והניגודיות הרקמות הרכות הפנימית מעולה. שיטות MRI הנפוצות ביותר לנצל את האות המתקבל פרוטונים במים, מתן תמונות ברזולוציה גבוהה ומידע מפורט בתוך הרקמות על בסיס הבדלים בצפיפות של אותות מים. עוצמת האות ואת הספציפיות של ניסויי MRI ניתן לשפר עוד יותר באמצעות סוכנים בניגוד (CA). אלה הם מינים פאראמגנטיים או פאראמגנטי המשפיעים על האורך (T 1) ו רוחבי (T 2) פעמים הרפיה, בהתאמה 1,2.
קומפלקסים של גדוליניום lanthanide יון עם polyamino הליגנדים חומצה polycarboxylic הם את רשויות T 1 הנפוץ ביותר. גדוליניום (III) מקצר את ההרפיה T 1זמן של פרוטונים במים, ובכך להגדיל את ניגוד האות בניסויי MRI 3. עם זאת, גדוליניום יוני הוא רעיל; גודלו מדמה את הסידן (II), וזה ברצינות משפיע בסיוע סידן איתות תאי. לכן, chelates אציקליות ו macrocyclic מועסקים לנטרל רעילות זו. הליגנדים multidentate שונים פותחו עד כה, וכתוצאה מכך גדוליניום (III) קומפלקסים עם יציבות תרמודינמית גבוהה אדישות הקינטית 1. אלה המבוססים על cyclen azamacrocycle-membered 12, ב DOTA נגזרת tetracarboxylic שלה בפרט (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate) הם חקרו ביותר ויישומי קומפלקסים של המעמד אישורים זו.
אף על פי כן, GdDOTA מסוג CAs הם מערכות נמוכות משקל מולקולריים, מוצגות חסרונות מסוימים כגון יעילות ניגודיות נמוכה והפרשה כליות מהר. Macromolecular ו CAs רב-ערכית עשוי להיות פתרון טוב לבעיות אלה 4. מאז CA biodistribution נקבעת בעיקר על ידי גודלם, קאש macromolecular להציג פעמי שמירה עוד הרבה זמן בתוך רקמות. לא פחות חשוב, multivalency של תוצאות סוכנים אלה ריכוז מקומי גדילה של חללית MR monomeric (למשל, מורכבות GdDOTA), באופן משמעותי לשיפור אות MR שנרכשה ואת איכות המדידה.
Dendrimers הוא בין הפיגומים המועדפים ביותר לעריכת CAs רב-ערכית עבור MRI 4,5. מקרומולקולות מאוד מסועפות עם גדלים מוגדרים היטב נוטות לתגובות צימוד שונות על פני השטח שלהם. בעבודה זו, אנו מדווחים על הכנה, טיהור, ואפיון של CA dendrimeric עבור MRI המורכב פולי 4 דור (G4) (amidoamine) (Pamam) dendrimer מצמידים chelates דמוי GdDOTA (DCA). אנו מתארים את הסינתזה של נגזר DOTA מגבה הצימוד שלה אל dendrimer Pamam. עם complexation עם אלוקים (III), אפיון physicochemical תקן proceduמחדש של DCA בוצע. לבסוף, ניסויי MRI בוצעו כדי להדגים את היכולת של DCA להפיק תמונות MR עם ניגוד חזק מאלה המתקבלים CAs משקל מולקולרי נמוך.
Protocol
Representative Results
Discussion
הכנת חומר ניגוד MRI dendrimeric דורשת בחירה מתאימה של יחידת monomeric (כלומר, chelator לאלוקים (III)). הם מפחיתים את הרעילות של יון פאראמגנטיים זה, עד כה, מגוון רחב של אציקליות ו chelators macrocyclic לשרת מטרה זו 1-3. בין אלה, chelators DOTA מסוג macrocyclic להחזיק את היציבות התרמודינמית הגבוהה ביות?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The financial support of the Max-Planck Society, the Turkish Ministry of National Education (PhD fellowship to S. G.), and the German Exchange Academic Service (DAAD, PhD fellowship to T. S.) are gratefully acknowledged.
Materials
| Cyclen | CheMatech | C002 | |
| tert-Butyl bromoacetate | Alfa Aesar | A14917 | |
| N,N-Dimethylformamide | Fluka | 40248 | |
| Potassium carbonate | Sigma-Aldrich | 209619 | |
| 4-(4-Nitrophenyl)butryic acid | Aldrich | 335339 | |
| Thionyl chloride | Acros Organics | 382662500 | Note: Corrosive substance; toxic if inhaled |
| Bromine | Acros Organics | 402841000 | Note: causes severe skin burns, fatal if inhaled |
| Diethyl ether | any source | ||
| Sodium sulphate | Acros Organics | 196640010 | |
| Chloroform | VWR Chemicals | 22711.29 | |
| tert-Butyl 2,2,2-trichloroacetimidate | Aldrich | 364789 | Note: flammable substance; irritrant to skin and eyes |
| Boron trifluoride etherate | Acros Organics | 174560250 | 48 % BF3. Note: Flammable substance; causes skin burns, fatal if inhaled |
| Sodium bicarbonate | Acros Organics | 424270010 | |
| Ethyl-acetate | any source | For column chromatography | |
| n-Hexane | any source | For column chromatography | |
| Bulb-to-bulb (Kugelrohr) distillation apparatus | Büchi | Model type: Glass oven B-585 | |
| Silicagel | Carl Roth GmbH | P090.2 | |
| Methanol | any source | For column chromatography | |
| Dichloromethane | any source | For column chromatography | |
| Ethanol | VWR Chemicals | 20821.296 | |
| Ammonia | Acros Organics | 428381000 | 7N Solution in Methanol |
| Palladium | Aldrich | 643181 | 15 % wet |
| Hydrogenation apparatus PARR | PARR Instrument Company | ||
| Celite 503 | Aldrich | 22151 | |
| Sintered glass funnel | any source | ||
| Thiophosgen | Aldrich | 115150 | Note: irritrant to skin; toxic if inhaled |
| Triethylamine | Alfa Aesar | A12646 | |
| Dichloromethane | Acros Organics | 348460010 | Extra dry |
| Magnetic stirrer | any source | ||
| PAMAM G4 Dendrimer | Andrews ChemService | AuCS – 297 | 10 % wt. solution in MeOH |
| Lipophylic Sephadex LH-20 | Sigma | LH20100 | |
| Thin-layer chromatography plates | Merck Millipore | 1.05554.0001 | |
| Formic acid | VWR Chemicals | 20318.297 | |
| Lophylizer | any source | ||
| Gadollinium(III) chloride hexahydrate | Aldrich | G7532 | |
| Sodium hydroxide | Acros Organics | 134070010 | |
| pH meter | any source | ||
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate | Aldrich | E5134 | |
| Mass spectrometer (ESI) | Agilent | Ion trap SL 1100 | |
| Acetate buffer | any source | pH 5.8 | |
| Xylenol orange | Aldrich | 52097 | 20 μM in acetate buffer |
| Hydrophylic Sephadex G-15 | GE Healthcare | 17-0020-01 | |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Unit | Merck Millipore | UFC900324 | Ultracel-3 membrane (MWCO 3000) |
| Centrifuge | any source | ||
| NMR spectrometer | Bruker | Avance III 300 MHz | |
| Topspin | Bruker | version 2.1 | |
| Combustion analysis instrument | EuroVector SpA | EuroEA 3000 Elemental Analyser | |
| MALDI-ToF MS instrument | Applied Biosystems | Voyager-STR | |
| Deuteriumoxid | Carl Roth GmbH | 6672.3 | |
| tert-Butyl alcohol | Carl Roth GmbH | AE16.1 | |
| Vortex mixer | any source | ||
| Norell NMR tubes | Deutero GmbH | 507-HP-7 | |
| NMR coaxial tube | Deutero GmbH | coaxialb-5-7 | |
| DLS instrument | Malvern | Zetasizer Nano ZS | |
| 0.20 μm PTFE filter | Carl Roth GmbH | KC94.1 | |
| HEPES | Fisher BioReagents | BP310 | |
| Plastic tube vials | any source | ||
| Dotarem | Guerbet | NDC 67684-2000-1 | |
| MRI scanner | Bruker | BioSpec 70/30 USR magnet (7 T). Note: potential hazards related to high magnetic fields | |
| RF coil | Bruker | dual frequency volume coil (RF RES 300 1H/19F 075/040 LIN/LIN TR) | |
| Paravision (software) | Bruker | Version 5.1 |
References
- Merbach, A. E., Helm, L., Tóth, &. #. 2. 0. 1. ;. . The chemistry of contrast agents in medical magnetic resonance imaging. 2nd ed. , (2013).
- Geraldes, C. F. G. C., Laurent, S. Classification and basic properties of contrast agents for magnetic resonance imaging. Contrast Media Mol. Imaging. 4 (1), 1-23 (2009).
- Caravan, P., Ellison, J. J., McMurry, T. J., Lauffer, R. B. Gadolinium(III) chelates as MRI contrast agents: Structure, dynamics, and applications. Chem. Rev. 99 (9), 2293-2352 (1999).
- Villaraza, A. J. L., Bumb, A., Brechbiel, M. W. Macromolecules, Dendrimers, and Nanomaterials in Magnetic Resonance Imaging: The Interplay between Size, Function, and Pharmacokinetics. Chem. Rev. 110 (5), 2921-2959 (2010).
- Langereis, S., Dirksen, A., Hackeng, T. M., van Genderen, M. H. P., Meijer, E. W. Dendrimers and magnetic resonance imaging. New J. Chem. 31 (7), 1152-1160 (2007).
- Gündüz, S., Power, A., Maier, M. E., Logothetis, N. K., Angelovski, G. Synthesis and Characterization of a Biotinylated Multivalent Targeted Contrast Agent. ChemPlusChem. 80 (3), 612-622 (2015).
- Pope, S. J. A., Kenwright, A. M., Heath, S. L., Faulkner, S. Synthesis and luminescence properties of a kinetically stable dinuclear ytterbium complex with differentiated binding sites. Chem. Commun. (13), 1550-1551 (2003).
- Vibhute, S. M., et al. Synthesis and characterization of pH-sensitive, biotinylated MRI contrast agents and their conjugates with avidin. Org. Biomol. Chem. 11 (8), 1294-1305 (2013).
- Vogel, A. I., Furniss, B. S. . Vogel’s textbook of practical organic chemistry. 5th ed. , (1989).
- Lundanes, E., Reubsaet, L., Greibrokk, T. . Chromatography : basic principles, sample preparations and related methods. , (2013).
- Barge, A., Cravotto, G., Gianolio, E., Fedeli, F. How to determine free Gd and free ligand in solution of Gd chelates. A technical note. Contrast Media Mol. Imaging. 1 (5), 184-188 (2006).
- Keeler, J. . Understanding NMR spectroscopy. 2nd ed. , (2010).
- Hillenkamp, F., Peter-Katalinić, J. . MALDI MS : a practical guide to instrumentation, methods and applications. , (2007).
- Peters, J. A., Huskens, J., Raber, D. J. Lanthanide induced shifts and relaxation rate enhancements. Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 28, 283-350 (1996).
- Averill, D. J., Garcia, J., Siriwardena-Mahanama, B. N., Vithanarachchi, S. M., Allen, M. J. Preparation, Purification, and Characterization of Lanthanide Complexes for Use as Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (53), e2844 (2011).
- Hagberg, G. E., Scheffler, K. Effect of r1 and r2 relaxivity of gadolinium-based contrast agents on the T1-weighted MR signal at increasing magnetic field strengths. Contrast Media Mol. Imaging. 8 (6), 456-465 (2013).
- Boswell, C. A., et al. Synthesis, characterization, and biological evaluation of integrin alpha(v)beta(3)-targeted PAMAM dendrimers. Mol. Pharmaceut. 5 (4), 527-539 (2008).
- Sherry, A. D., Caravan, P., Lenkinski, R. E. Primer on Gadolinium Chemistry. J. Magn. Reson. Imaging. 30 (6), 1240-1248 (2009).
- Cakić, N., Gündüz, S., Rengarasu, R., Angelovski, G. Synthetic strategies for preparation of cyclen-based MRI contrast agents. Tetrahedron Lett. 56 (6), 759-765 (2015).
- Polasek, M., Hermann, P., Peters, J. A., Geraldes, C. F. G. C., Lukes, I. PAMAM Dendrimers Conjugated with an Uncharged Gadolinium(III) Chelate with a Fast Water Exchange: The Influence of Chelate Charge on Rotational Dynamics. Bioconjugate Chem. 20 (11), 2142-2153 (2009).
- Ali, M. M., et al. Synthesis and relaxometric studies of a dendrimer-based pH-responsive MRI contrast agent. Chem. Eur. J. 14 (24), 7250-7258 (2008).
- Jackson, C. L., et al. Visualization of dendrimer molecules by transmission electron microscopy (TEM): Staining methods and Cryo-TEM of vitrified solutions. Macromolecules. 31 (18), 6259-6265 (1998).
- Jain, K., Kesharwani, P., Gupta, U., Jain, N. K. Dendrimer toxicity: Let’s meet the challenge. Int. J. Pharm. 394 (1-2), 122-142 (2010).
- Rudovsky, J., et al. PAMAM dendrimeric conjugates with a Gd-DOTA phosphinate derivative and their adducts with polyaminoacids: The interplay of global motion, internal rotation, and fast water exchange. Bioconjugate Chem. 17 (4), 975-987 (2006).
- Xu, H., et al. Toward improved syntheses of dendrimer-based magnetic resonance imaging contrast agents: New bifunctional diethylenetriaminepentaacetic acid ligands and nonaqueous conjugation chemistry. J. Med. Chem. 50 (14), 3185-3193 (2007).
- Nwe, K., Bryant, L. H., Brechbiel, M. W. Poly(amidoamine) Dendrimer Based MRI Contrast Agents Exhibiting Enhanced Relaxivities Derived via Metal Preligation Techniques. Bioconjugate Chem. 21 (6), 1014-1017 (2010).
- Livramento, J. B., et al. First in vivo MRI assessment of a self-assembled metallostar compound endowed with a remarkable high field relaxivity. Contrast Media Mol. Imaging. 1 (1), 30-39 (2006).
- Norek, M., Kampert, E., Zeitler, U., Peters, J. A. Tuning of the Size of Dy2O3 Nanoparticles for Optimal Performance as an MRI Contrast Agent. J. Am. Chem. Soc. 130 (15), 5335-5340 (2008).
