तैयारी और<em> इन विट्रो</em> चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के लिए डेनड्रीमर आधारित कंट्रास्ट एजेंटों की विशेषता
Summary
इस प्रोटोकॉल की तैयारी और एक dendrimeric चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) विपरीत एजेंट Cyclen आधारित मैक्रोसाईक्लिक समचुंबक gadolinium आयनों समन्वय chelates किया जाता है कि के लक्षण वर्णन का वर्णन है। इन विट्रो में एमआरआई प्रयोगों की एक श्रृंखला में, इस एजेंट एक प्रवर्धित एमआरआई संकेत उत्पादित जब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध monomeric एनालॉग की तुलना में।
Abstract
gadolinium (तृतीय) अचक्रीय या मैक्रोसाईक्लिक chelates के साथ की समचुंबक परिसरों चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल विपरीत एजेंट (सीए) कर रहे हैं। उनका उद्देश्य, ऊतक में पानी प्रोटॉन की छूट दर को बढ़ाने के लिए इस प्रकार एमआर छवि के विपरीत और एमआरआई माप की विशिष्टता बढ़ रही है। वर्तमान चिकित्सकीय अनुमोदित विपरीत एजेंटों कम आणविक भार अणुओं है कि तेजी से शरीर से मंजूरी दे दी हो रहे हैं। समचुंबक chelators के वाहक के रूप में dendrimers का उपयोग अधिक कुशल एमआरआई इसके विपरीत एजेंटों के भविष्य के विकास में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। विशेष रूप से, एक उच्च संकेत विपरीत में समचुंबक प्रजातियों के परिणामों की स्थानीय एकाग्रता में वृद्धि हुई है। इसके अलावा, इस सीए एक लंबी ऊतक प्रतिधारण इसकी उच्च आणविक वजन और आकार के कारण समय प्रदान करता है। यहाँ, हम macromolecular एमआरआई इसके विपरीत एजेंटों पाली (amidoamine) पर आधारित (PAMAM) monomacro साथ dendrimers की तैयारी के लिए एक सुविधाजनक प्रक्रिया का प्रदर्शनचक्रीय DOTA प्रकार chelators (DotA – 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate)। chelating इकाई Thiourea पुलों के लिए फार्म PAMAM डेनड्रीमर के अमाइन सतह समूहों की ओर आइसोथियोसाइनेट (NCS) समूह की जेट शोषण से संलग्न किया गया था। Dendrimeric उत्पादों शुद्ध और परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी, मास स्पेक्ट्रोमेट्री, और मौलिक विश्लेषण के माध्यम से विश्लेषण किया गया। अंत में, उच्च संकल्प एमआर छवियों दर्ज किए गए और संकेत तैयार dendrimeric और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध monomeric एजेंटों से प्राप्त विरोधाभासों की तुलना में थे।
Introduction
चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) अपने noninvasive प्रकृति और उत्कृष्ट आंतरिक नरम ऊतक विपरीत होने के कारण एक शक्तिशाली और गैर ionizing इमेजिंग व्यापक रूप से जैव चिकित्सा अनुसंधान और नैदानिक निदान में इस्तेमाल तकनीक है। सबसे अधिक इस्तेमाल किया एमआरआई तरीकों संकेत पानी प्रोटॉन से प्राप्त का उपयोग, पानी संकेतों के घनत्व में अंतर के आधार पर ऊतकों के भीतर उच्च संकल्प छवियों और विस्तृत जानकारी प्रदान करते हैं। संकेत तीव्रता और एमआरआई प्रयोगों की विशिष्टता आगे विपरीत एजेंट (सीए) का उपयोग कर सुधार किया जा सकता है। ये समचुंबक या superparamagnetic प्रजाति है कि अनुदैर्ध्य (टी 1) और अनुप्रस्थ को प्रभावित (टी 2) छूट बार क्रमश: 1,2 हैं।
Polyamino polycarboxylic एसिड ligands के साथ lanthanide आयन gadolinium के परिसरों सबसे अधिक इस्तेमाल टी 1 सीए कर रहे हैं। Gadolinium (तृतीय) को छोटा टी 1 छूटपानी प्रोटॉनों के समय, इस प्रकार एमआरआई प्रयोगों 3 में संकेत विपरीत बढ़ रही है। हालांकि, आयनिक gadolinium विषैला होता है; इसका आकार (द्वितीय) कैल्शियम की है कि अनुमान लगाती है, और इसे गंभीरता से कैल्शियम की मदद से कोशिकाओं में संकेत प्रभावित करता है। इसलिए, अचक्रीय और मैक्रोसाईक्लिक chelates इस विषाक्तता को बेअसर करने के लिए कार्यरत हैं। विभिन्न multidentate ligands अब तक विकसित किया गया है, उच्च thermodynamic स्थिरता और गतिज जड़ता 1 के साथ gadolinium (तृतीय) परिसरों में जिसके परिणामस्वरूप। 12-अंग का azamacrocycle Cyclen उन पर आधारित, विशेष रूप से अपने tetracarboxylic व्युत्पन्न DOTA (1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetate) में इस CA वर्ग के सबसे जांच की और लागू परिसरों हैं।
फिर भी, GdDOTA प्रकार सीए इतनी कम विपरीत दक्षता और तेजी से गुर्दे उत्सर्जन के रूप में कम आणविक भार प्रणाली, कुछ नुकसान प्रदर्शित कर रहे हैं। Macromolecular और multivalent सीए इन 4 की समस्याओं के लिए एक अच्छा समाधान हो सकता है। सीए biodistribu के बादtion मुख्य रूप से उनके आकार के द्वारा निर्धारित किया जाता है, macromolecular सीए ऊतकों के भीतर बहुत लंबे समय तक प्रतिधारण बार प्रदर्शित करते हैं। समान रूप से महत्वपूर्ण, monomeric एमआर जांच (जैसे, GdDOTA जटिल), काफी हद तक हासिल कर ली एमआर संकेत और माप गुणवत्ता में सुधार लाने का एक बढ़ा स्थानीय एकाग्रता में इन एजेंटों परिणामों के multivalency।
डेनड्रीमर एमआरआई 4,5 के लिए multivalent सीए की तैयारी के लिए सबसे पसंदीदा scaffolds के बीच में हैं। अच्छी तरह से परिभाषित आकार के साथ ये अत्यधिक branched अणुओं उनकी सतह पर विभिन्न युग्मन प्रतिक्रियाओं से ग्रस्त हैं। इस काम में, हम तैयारी, शुद्धि, और एमआरआई के लिए एक dendrimeric सीए एक पीढ़ी 4 (जी -4) पाली (amidoamine) (PAMAM) डेनड्रीमर GdDOTA-तरह chelates (डीसीए) के लिए मिलकर से मिलकर के लक्षण वर्णन की रिपोर्ट। हम प्रतिक्रियाशील DOTA व्युत्पन्न के संश्लेषण और PAMAM डेनड्रीमर के लिए अपनी युग्मन का वर्णन है। जी.डी. (तृतीय), मानक भौतिक लक्षण वर्णन के साथ complexation पर proceduडीसीए की फिर से प्रदर्शन किया गया था। अंत में, एमआरआई प्रयोगों डीसीए की क्षमता एमआर छवियों कम आणविक भार सीए से प्राप्त उन लोगों की तुलना में मजबूत विपरीत के साथ उत्पादन करने के लिए प्रदर्शन करने के लिए प्रदर्शन किया गया।
Protocol
Representative Results
Discussion
Dendrimeric एमआरआई विपरीत एजेंट की तैयारी monomeric इकाई का उचित चयन की आवश्यकता है (यानी, जी.डी. के लिए chelator (तृतीय))। वे इस समचुंबक आयन की विषाक्तता अचक्रीय की एक विस्तृत विविधता को कम करने और, आज तक, और मैक्रोसाईक्ल…
Disclosures
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).
