подготовки и<em> In Vitro</em> Характеристика дендримером на основе контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии
Summary
Этот протокол описывает получение и характеристика дендритного магнитно-резонансная томография (МРТ) контрастного агента, который несет Cyclen на основе макроциклических хелатов координирующие парамагнитные ионы гадолиния. В серии экспериментов МРТ в пробирке, этот агент произвел усиленный сигнал МРТ по сравнению с коммерчески доступным мономерного аналога.
Abstract
Парамагнитные комплексы гадолиния (III) с ациклическими или макроциклических хелатов являются наиболее часто используемые контрастные вещества (КАС) для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Их цель состоит в том, чтобы повысить скорость релаксации протонов воды в тканях, тем самым увеличивая MR контраст изображения и специфичность измерений МРТ. В настоящее время клинически апробирована контрастные агенты низкой молекулярной массой молекулы, которые быстро выводятся из организма. Использование дендримеров в качестве носителей парамагнитных энтеросорбенты могут играть важную роль в будущем развитии более эффективных MRI контрастных агентов. В частности, увеличение локальной концентрации парамагнитных результатов видов в более высокой контрастности сигнала. Кроме того, этот центр сертификации обеспечивает более длительное время удерживания ткани вследствие его высокой молекулярной массой и размером. Здесь мы демонстрируем удобную процедуру получения высокомолекулярных MRI контрастных агентов на основе поли (амидоамин) (ПАМАМ) дендримеров с monomacroциклические энтеросорбенты DOTA типа (DOTA – 1,4,7,10-тетраазациклодекана-1,4,7,10-тетраацетат). Устройство хелатирующий было приложено путем использования реакционной способности изотиоцианат (NCS) группы, к поверхности аминогруппами ПАМАМ-дендримера, с образованием тиомочевины мостов. Дендритные продукты очищают и анализируют с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрии и элементного анализа. И, наконец, высокое разрешение MR печатали изображения и сравнивали сигнал контрасты, полученные из подготовленного дендритный и коммерчески доступных мономерных агентов.
Introduction
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является мощным и неионизирующих метод визуализации широко используется в медико-биологических исследований и клинической диагностики благодаря своей неинвазивной природы и превосходной внутренней контраста мягких тканей. Наиболее часто используемые методы МРТ используют сигнал, полученный от протонов воды, обеспечивая изображения высокого разрешения и подробную информацию в тканях, основанных на различиях в плотности воды сигналов. Интенсивность сигнала и специфичность экспериментов МРТ может быть дополнительно улучшена с использованием контрастных агентов (КАН). Они являются парамагнитные или суперпарамагнитныо виды , которые влияют на продольную (Т 1) и поперечные (T 2) времена релаксации, соответственно 1,2.
Комплексы лантанидов иона гадолиния с полиаминокислоты лигандами поликарбоновых кислот являются наиболее часто используемыми T 1 центры сертификации. Гадолиния (III) укорачивает релаксации T 1Время протонов воды, тем самым увеличивая контраст сигнала в МРТ экспериментов 3. Тем не менее, ионная гадолиний токсичен; его размер приблизительно равен кальция (II), и это серьезно влияет на кальций-помощь сигнализации в клетках. Поэтому, ациклические и макроциклические хелаты используются для нейтрализации этой токсичности. Различные мультидентатные лиганды были разработаны до сих пор, что приводит к гадолиний (III) комплексов с высокой термодинамической устойчивостью и кинетической инертности 1. Те, которые основаны на 12-членных azamacrocycle циклена, в частности, его тетракарбоновой производное DOTA (1,4,7,10-тетраазациклодекана-1,4,7,10-тетраацетат) являются наиболее исследованные и прикладные комплексы этого класса СА.
Тем не менее, GdDOTA типа СА представляют собой системы с низким молекулярным весом, отображающие определенные недостатки, такие как низкая эффективность контраста и быстрой почечной экскреции. Макромолекулярные и многовалентного центры сертификации может быть хорошим решением 4 этих проблем. Так как CA biodistribuния в основном определяется их размерами, высокомолекулярные центры сертификации отображать гораздо более длительное время удерживания в тканях. Не менее важно то , что поливалентность этих агентов приводит к увеличению локальной концентрации мономерного MR зонда (например, GdDOTA комплекс), существенно улучшая полученного сигнала MR и качество измерений.
Дендримеров являются одними из наиболее предпочтительных подмостей для получения поливалентной КАС для МРТ 4,5. Эти высоко разветвленные макромолекулы с четко определенными размерами склонны к различным реакциям сочетания на их поверхности. В этой работе мы сообщаем о подготовке, очистку и характеристику дендритного CA для МРТ, состоящей из 4-го поколения (G4) поли (амидоамин) (ПАМАМ) дендример в сочетании с GdDOTA-как хелатов (DCA). Описаны синтез реакционно-способного производного DOTA и то его связь с ПАМАМ-дендримера. После комплексообразования с Gd (III), стандартной физико-химических характеристик процедуры, применяемыеповторное АКН была выполнена. Наконец, эксперименты были проведены МРТ, чтобы продемонстрировать способность DCA производить МР-изображений с более сильным контраст, чем полученные с низкой молекулярной массой УЦ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Подготовка дендритного МРТ контрастного агента требует соответствующего выбора мономерной единицы (т.е. хелатор для Gd (III)). Они снижают токсичность этого парамагнитного иона и, на сегодняшний день широкий спектр ациклических и макроциклических энтеросорбенты Этой цели служат …
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).
