作者： 来源： 阅读量： 发布时间：2022-11-16 17:37:37
已知钆基磁共振成像（MRI）造影剂（GBCAs）都是顺磁性，生物医学工程学院沈折玉教授课题组近期研发的大分子钆螯合物则完全不同，是一种铁磁性GBCAs。已知铁磁的磁性都很强，但该铁磁性大分子钆螯合物的磁性很弱（Ms < 1.0 emu/g）。已知钆螯合物的纵向磁豫率(r1)都很小（~ 4 mM-1 s-1, 3.0T），但该铁磁性大分子钆螯合物的r1值大于50 mM-1 s-1 (3.0 T)。
MRI具有无辐射、无损伤、软组织对比度高、成像参数多、图像分辨率高以及可任意方位断层扫描成像等诸多优势。在临床应用中，为了提高某些疾病的MRI图像质量，会优先使用造影剂。T1造影剂产生明亮的图像效果，T2造影剂产生的图像较周围正常组织更暗。而基于磁性氧化铁纳米颗粒（MIONs）的T2造影剂由于固有的暗信号、体内降解和清除速率慢、高磁矩引起磁敏感伪影等缺点不利于实际临床应用。2008年肝特异性T1造影剂普美显（Gd-EOB-DTPA）的上市加速了T2造影剂的退市。目前，T1造影剂几乎占据了整个MRI造影剂的市场。
南方医科大学沈折玉教授长期聚焦于MRI造影剂相关研究。在近期工作基础上（Nano Today 2022, https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101663; Small 2022, 18, 2202705; Nanoscale Horiz. 2022, 7, 403-413; Nano Lett. 2021, 21, 9551-9559; Small 2020, 16, 1906870; Nat. Commun. 2019, 10, 1241; Small 2019, 15, 1903422; ACS Nano 2018, 12, 11355-11365; ACS Nano 2018, 12, 8129-8137; Adv. Mater. 2018, 30, 1803163; Adv. Mater. 2018, 30, 1704007; ACS Nano 2017, 11, 10992-11004），沈折玉教授课题组开发了一种基于大分子钆螯合物的新型MRI造影剂，具体地，通过Gd3+与大分子（如：聚丙烯酸（PAA）和聚天冬氨酸（PASP））的羧基和/或氨基进行配位反应，成功合成了组分简单的大分子钆螯合物Gd-PAA和Gd-PASP。Gd-PAA和Gd-PASP由于其超高的r1值（> 50 mM-1 s-1, 3.0 T）和低r2/r1比值（< 1.6, 3.0 T），具有优异的T1加权MRI成像性能。此外，这些大分子钆螯合物是铁磁性GBCAs，与传统GBCAs的顺磁性完全不同；这些铁磁性大分子钆螯合物的磁性很弱，Ms < 1.0 emu/g。
更为重要的是，相比较于传统的小分子钆螯合物，这些大分子钆螯合物的生物安全性较高，且合成方法简单，易于放大，具有临床转化潜力。该研究成果以“Facile Synthesis of Weakly Ferromagnetic Organogadolinium Macrochelates-Based T1-Weighted Magnetic Resonance Imaging Contrast Agents”为题发表于TOP期刊Advanced Science（影响因子17.521）。
大分子钆螯合物Gd-PAA和Gd-PASP的结构式如图1A、B所示，并与商业GBCA Gadavist的结构相比较（图1C）。根据配位化学，Gd3+与PAA的羧基反应生成大分子钆螯合物Gd-PAA，或与PASP的羧基和氨基螯合生成大分子钆螯合物Gd-PASP。Gd3+很难从Gd-PAA或Gd-PASP中释放，因为Gd-PAA过剩的羧基和Gd-PASP过剩的羧基和氨基会很快捕获并配位游离Gd3+，确保了体内应用的生物安全性。此外，这些大分子钆螯合物的合成方法简单，易于放大生产（图1D-G）。Gd-PAA和Gd-PASP分别在20 mL、2.0 L以及20 L反应釜中逐步放大合成后仍具有相近的突出的弛豫性能（r1 > 50 mM-1 s-1， r2/r1 < 1.6, 3.0 T）。因此，这些弱铁磁性大分子钆螯合物作为T1加权MRI 造影剂应用具有巨大潜力。
图1 大分子钆螯合物的结构及大规模合成场景
将这些大分子钆螯合物Gd-PAA12和Gd-PASP11的T1加权MRI图像与商业Gadavist、纯水进行比较（图2A-D），灰度图像和相应的伪彩图像显示，大分子钆螯合物Gd-PAA12和Gd-PASP11的MRI成像效果均明显优于商业Gadavist。定量分析结果显示，Gd-PAA12或Gd-PASP11的信噪比（ΔSNR）显著高于Gadavist（P < 0.0001，图2E, F），进一步证明大分子钆螯合物Gd-PAA12和Gd-PASP11具有较强的T1加权成像性能。图2G, H显示，大分子钆螯合物Gd-PAA12和Gd-PASP11的磁性均为弱铁磁性（Ms < 1.0 emu/g）。大分子钆螯合物Gd-PAA12和Gd-PASP11的生物安全性和T1加权MRI性能在细胞和小鼠实验中得到了进一步的证实。
图2 大分子钆螯合物的T1加权MRI图像和磁性表征结果
综上所述，该工作研发了一种基于弱铁磁性大分子钆螯合物的新型MRI造影剂，由于超高r1值和低r2/r1比值而具有优异的T1加权MRI成像性能，而且合成方法简单，易于放大生产，具有良好的应用前景。
南方医科大学硕士研究生卢玉蝶为本文的第一作者，南方医科大学沈折玉教授为本文的通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目和广州市重点研发计划项目的资助。
原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202205109
