إعداد و<em> في المختبر</em> توصيف وكلاء التباين القائم Dendrimer للتصوير بالرنين المغناطيسي
Summary
يصف هذا البروتوكول إعداد وتوصيف وكيل النقيض dendrimeric التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) الذي يحمل يخلب macrocyclic أساس cyclen للتنسيق بين أيونات ممغطس الجادولينيوم. في سلسلة من التجارب التصوير بالرنين المغناطيسي في المختبر، أنتج هذا العامل إشارة التصوير بالرنين المغناطيسي تضخيم بالمقارنة مع التناظرية أحادى متاحة تجاريا.
Abstract
المجمعات ممغطس الجادولينيوم (III) مع اسيكليك أو يخلب macrocyclic هي عوامل التباين الأكثر شيوعا (CAS) للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). الغرض منها هو تعزيز معدل استرخاء البروتونات الماء في الأنسجة، وبالتالي زيادة تباين الصورة MR وخصوصية القياسات التصوير بالرنين المغناطيسي. الحالي عوامل التباين وافق سريريا ومنخفضة الوزن الجزيئي الجزيئات التي يتم تطهيرها بسرعة من الجسم. استخدام dendrimers كحاملات للchelators ممغطس يمكن أن تلعب دورا هاما في التنمية المستقبلية أكثر كفاءة عوامل التباين التصوير بالرنين المغناطيسي. على وجه التحديد، فإن الزيادة في تركيز المحلية من نتائج الأنواع ممغطس في أعلى النقيض إشارة. وعلاوة على ذلك، يوفر هذا CA أطول فترة بقاء الأنسجة المقرر أن الوزن الجزيئي المرتفع والحجم. هنا، علينا أن نبرهن إجراء مناسب لإعداد dendrimers مع monomacro الجزيئات وكلاء التصوير بالرنين المغناطيسي النقيض من ذلك على أساس بولي (amidoamine) (PAMAM)دوري DOTA من نوع chelators (DOTA – 1،4،7،10-tetraazacyclododecane-1،4،7،10-tetraacetate). تم إلحاق وحدة مخلبية من خلال استغلال التفاعل من مجموعة ثيوسيانات (سي إس) نحو الجماعات سطح أمين من dendrimer PAMAM لتشكيل الجسور ثيوريا. وتنقيته المنتجات Dendrimeric وتحليلها باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، قياس الطيف الكتلي، وتحليل العناصر. وأخيرا، تم تسجيل عالية الدقة صور الرنين المغناطيسي وتم مقارنتها التناقضات إشارة تم الحصول عليها من dendrimeric استعداد وكلاء أحادى متاحة تجاريا.
Introduction
التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هي تقنية قوية وغير المؤين التصوير المستخدمة على نطاق واسع في البحوث الطبية الحيوية والتشخيص السريري نظرا لطبيعتها موسع وممتازة جوهري على النقيض من الأنسجة الرخوة. أساليب التصوير بالرنين المغناطيسي الأكثر شيوعا الاستفادة من إشارة تم الحصول عليها من البروتونات المياه، وتوفير صور عالية الدقة ومعلومات مفصلة داخل الأنسجة على أساس الاختلافات في كثافة إشارات المياه. كثافة إشارة وخصوصية التجارب التصوير بالرنين المغناطيسي يمكن تحسينها باستخدام عوامل التباين (CAS). وهذه هي الأنواع ممغطس أو مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic التي تؤثر على الطولي (T 1) وعرضية (تي 2) مرات الاسترخاء على التوالي 1،2.
مجمعات للالجادولينيوم اللانثينيدات أيون مع polyamino بروابط حمض كاربوكسيلية هي الأكثر شيوعا تي 1 المصدقة. الجادولينيوم (III) تقصير الاسترخاء T 1الوقت من البروتونات المياه، مما يزيد من النقيض إشارة في تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي 3. ومع ذلك، الجادولينيوم الأيونية هي سامة. حجمه يقارب ذلك من الكالسيوم (II)، وأنه يؤثر بشكل خطير يشير في الخلايا بمساعدة الكالسيوم. لذلك، يتم توظيف اسيكليك وmacrocyclic يخلب لتحييد هذه السمية. وقد وضعت مختلف بروابط متعدد الأسنان حتى الآن، مما أدى الجادولينيوم (ثالثا) المجمعات مع الاستقرار الحرارية العالية وهمود الحركي 1. تلك التي تستند إلى cyclen azamacrocycle 12 membered، ولا سيما في DOTA مشتق tetracarboxylic (1،4،7،10-tetraazacyclododecane-1،4،7،10-tetraacetate) هي المجمعات الأكثر التحقيق والتطبيقية لهذه الفئة كاليفورنيا.
ومع ذلك، GdDOTA من نوع المصدقة وانخفاض أنظمة الوزن الجزيئي، وعرض بعض العيوب مثل كفاءة التباين المنخفض وإفراز الكلى سريع. الجزيئات ومتعددي المصدقة قد يكون حلا جيدا لهذه المشاكل 4. منذ CA biodistribuنشوئها يتحدد أساسا من حجمها، عرض المصدقة الجزيئات مرات الاحتفاظ أطول بكثير داخل الأنسجة. بنفس القدر من الأهمية، وmultivalency من هذه العوامل يؤدي إلى زيادة تركيز المحلية لجنة التحقيق أحادى MR (على سبيل المثال، مجمع GdDOTA)، وتحسين كبير في إشارة MR المكتسبة وجودة القياس.
Dendrimers هي من بين السقالات الأكثر تفضيلا لإعداد متعددي المصدقة للتصوير بالرنين المغناطيسي 4،5. هذه الجزيئات تشعبت للغاية مع أحجام محددة جيدا عرضة لمختلف ردود الفعل اقتران على سطحها. في هذا العمل، ونحن التقرير إعداد وتنقية، وتوصيف CA dendrimeric للتصوير بالرنين المغناطيسي تتكون من الجيل 4 (G4) بولي (amidoamine) (PAMAM) dendrimer بالإضافة إلى يخلب GdDOTA مثل (DCA). وصفنا توليف مشتق DOTA على رد الفعل واقتران بها إلى dendrimer PAMAM. على complexation مع كلمة المدير العام (III)، وتوصيف الفيزيائية القياسية proceduإعادة من DCA تم تنفيذها. وأخيرا، أجريت تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي لإظهار قدرة DCA لإنتاج صور الرنين المغناطيسي مع تباين أقوى من تلك التي تم الحصول عليها من انخفاض الوزن الجزيئي المصدقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
إعداد وكيل التصوير بالرنين المغناطيسي النقيض dendrimeric يتطلب الاختيار المناسب للوحدة أحادى (أي خالب للكلمة المدير العام (III)). أنها تقلل من سمية هذه أيون ممغطس، وحتى الآن، ومجموعة متنوعة واسعة من اسيكليك وchelators macrocyclic تخدم هذا الغرض 1-3. ومن بين هؤلاء، macrocyclic chelato…
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).
