磁共振成像造影剂的研究进展

磁共振成像造影剂的研究进展

1造影剂的使用磁共振成像（mri）具有无辐射损伤的安全性，可以同时扫描不同的方向感和回波，这可以实现材料密度、流畅性、化学步长率等技术的灵活性，并将高空间分辨率和高对比度结合起来。是现代临床诊断中最有效的检测手段之一。早期临床实践中未认识到使用造影剂的必要性,经历了一段时间临床应用,发现某些不同组织或肿瘤组织的弛豫时间相互重叠,导致诊断困难,不能进行动态扫描和测定器官功能等。为此,人们开始研究造影剂,增强信号对比度和提高软组织图像的分辨率。在MRI检查中,30%的诊断需要造影剂提高成像对比度。从1988年第一个MRI造影剂Gd-DTPA(钆-二乙三胺五乙酸)投入市场以来,人们对MRI造影剂进行了大量的研发,以满足提高磁共振成像的灵敏度、对比度和特异性的要求。2顺磁化合物的分类由于氢核的磁共振灵敏度高、信号强,因而成为首选的多组织的MRI信号源。MRI造影剂本身不产生信号,通过改变体内局部组织中水质子的弛豫效率,与周围组织形成对比,从而达到造影目的。MRI造影剂为顺磁性或超顺磁性物质,能同氢核发生磁性的相互作用。它们进入人体后,将引起纵向弛豫速率(1/T1)和横向弛豫速率(1/T2)的改变。在顺磁物质存在下,其抗磁和顺磁贡献具有加和性,即:在不存在溶质之间相互作用的情况下,溶剂的弛豫速率与所加顺磁物质的浓度(mmol/L)呈线性关系,即:其中ri为顺磁物质的弛豫效率(Relaxivity,单位mmol/L·s),求和是针对溶液中顺磁化合物的种类而言。T1类型造影剂,如Gd?类配合物,成像时相关部位变亮,又称为阳性造影剂;T2类型造影剂,如基于Fe3O4粒子的超顺磁性造影剂,成像时相关部位变暗,又称为阴性造影剂。3造影剂的分类在MRI造影剂的研究报道中,通过动物实验的化合物达数百种[2~6],它们均是通过内外界弛豫效应和磁化率效应间接地改变组织信号的强度达到造影目的。按照不同标准,造影剂有不同的分类方法。按造影剂作用机制,通常将MRI造影剂划分为顺磁性、铁磁性和超顺磁性。3.1造影剂的选择顺磁性造影剂一般由顺磁性金属离子和配体组成,又为T1类型造影剂。顺磁性金属离子主要有Gd3+,Dy3+,Mn2+和Fe3+等元素周期表中稳定价态的镧系和第四周期过渡元素,其中Gd3+具有7个不成对电子,电子自旋磁矩大,弛豫效率高,电场对称,易与水配位,且配位水分子可达7~8个,是MRI造影剂的最佳选择。但是,当Gd3+以离子形式注入生物活体时,易在肝、脾和骨中累积,具有很高的毒性。因此,必须选择合适的配体与Gd3+形成配合物来降低毒性,同时这些配体应具有较高的热力学和动力学稳定性。顺磁性造影剂数目众多,又可分为小分子顺磁性造影剂和大分子顺磁性造影剂。3.1.1骨细胞mri造影剂ms-33-g目前,临床应用的T1类型造影剂除MultiHance和Evoist以外,均为非特异性细胞外液间隙造影剂,它们在脑部成像较好,同时也可用于血管成像,但无靶向性。为此,科研人员尝试研制新的具有高弛豫效率的靶向MRI造影剂。向MRI造影剂中引入疏水基团,可增强靶向性能,如含苯基团或脂类衍生物等疏水基团的引入,可增加疏水性,从而增强亲脂性能,提高对肝脏的选择性。在DTPA上引入含苯基团,经肝的排出量约占50%,有较好的肝脏成像效果。MS-264-(Gd(1RS)-1-(P-butylbenzyl)-DTPA)是此类MRI造影剂的一种,主要通过肝胆系统排出体外,几乎不经肾脏排出。HOPO类和带有胆酸的缀合物的肝胆造影剂也有报道。Chong等研究了一系列关于胆酸为基础的MRI造影剂Gd(NE3TA),Gd(NE3TABn)及Gd(CA-NE3TA)(图1),它们在体内具有较好的组织分布,对肝脏具有很好的靶向性作用。同时由于结合水的数目提高,具有较高的弛豫效率。Kubicek等合成的Gd-BPAMD(图2)可于骨成像MRI造影剂,弛豫效率高于Gd-DOTA。羟磷灰石制作骨骼模型的研究表明,1h内吸收达95%,且在3d内得以恢复,并且与磷灰石结合后,弛豫效率增加至24.0L/(mmol·s),成为潜在的骨细胞MRI造影剂。MS-325是一种含芳香基团的小分子血池造影剂,可与血清蛋白靶向结合,是第一个充分利用受体诱导磁化增强机制的造影剂,目前已经进入三级临床试验阶段。Aime等设计合成了表面带有疏水基团的Gd造影剂B22956(图2),此化合物由于与HSA的亲和性能很高,减缓了向冠状动脉附近的胞外区快速分布,在血管的滞留时间较长,且弛豫效率高达27.6L/(mmol·s),是一种良好的潜在的血池MRI造影剂。一些金属卟啉类化合物在对心脏、肝脏等器官造影中显示出很好的效果,但由于毒性大,限制了其在临床MRI检测中的应用。过渡金属杂多配合物具有体内体外的抗病毒、抗肿瘤活性以及较好的稳定性和水溶性等优点,被认为是纯粹的无机卟啉类似物。这类化合物具有多种结构、配位形式、不同的净电荷和分子大小,并且有不同的弛豫增强作用。本课题组选择了1种W型K9GdW10O36(GdW10),4种P-W型K11[Gd(PW11O39)2](Gd(PW11)2),Gd2(P2W18O62)(Gd2P2W18),K17[Gd(P2W17O61)2]·27H2O(Gd(P2W17)2),K15[(GdO)3(PW9O39)2](Gd3(PW9)2),2种Si-W型K13[Gd(SiW11O39)2](Gd(SiW11)2),K11H6[Gd3O3(SiW9O34)2](Gd3(SiW9)2)以及其它类型K15[Gd(BW11O39)2]·28H2O(Gd(BW11)2),K17[Gd(CuW11O39)2]·28H2O(Gd(CuW11)2)杂多酸配合物,研究了它们作为MRI造影剂的各种性质[17~22]。它们的弛豫效率均高于GdDTPA,其中含3个Gd?的Gd3(PW9)2和Gd3(SiW9)2的弛豫效率为Gd-DTPA的4倍左右(11.2和12.6L/(mmol·s)),可能与含3个H2O有关。夹心型Gd(BW11)2和Gd(CuW11)2的弛豫效率为17.1和20.0L/(mmol·s),这可能与带较高负电有关,有利于增加结合水分子的寿命。它们均表现出对肝脏有选择性,其中Gd3(PW9)和Gd3(SiW9)的肝成像增强效果约为Gd-DTPA的2.5和3倍;4个夹心型配合物Gd(PW11)2,Gd(SiW11)2,Gd(BW11)2和Gd(CuW11)2的增强因子为Gd-DTPA的1.5~2倍。顺磁性杂多酸配合物有望成为肝选择性MRI造影剂,但临床研究前,尚需进行降低毒性的研究。提高MRI造影剂的弛豫效率,可提高成像对比度,从而降低给药量。有效途径有:在保证配合物稳定性的前提下,增加结合水的数目;增加分子中Gd的数目;减慢分子旋转速率。在保证配合物稳定性的前提下,增加结合水的数目,可提高造影剂弛豫效率。目前获准临床应用的Gd配合物造影剂均为八配位体,即q=1的配合物。其原因在于结合水数目增加时,配体配位数也因此减少,这样可能导致其热力学和动力学稳定性的降低和毒性的增强。然而,一些稳定的包含2个结合水的Gd配合物已经被发现并进行了细致的研究。Raymond等合成的Gd-HOPO配合物,特有的结构使得2个结合水不易与其它配体结合,是一种很稳定的具有七配位,2个结合水的配合物,具有较高的弛豫效率。另外一种七配位Gd-PCP2A(图5),弛豫效率是Gd-DTPA的2倍左右,这是由于具有2个结合水和膦酸酯基团的贡献。Aime等研究的Gd-AAZTA(图3),具有较高的弛豫效率7.1L/(mmol·s),较快的交换速率(τm=90ns)和极高的稳定性,有望成为新型的具有高弛豫效率的MRI造影剂。Livramento等设计合成的三配位中心的Gd3L,其配体H12L(图3)以亲脂性基团苯核为中心,通过亚甲基连接3个小配体,具有较高的动力学稳定性。由于2个结合水的贡献,弛豫效率高达21.6L/(mmol·s)。增大分子体积可使旋转变慢,旋转相关时间延长,从而达到提高弛豫效率的目的。如Parac-Vogt等制备了一种双配位中心的Gd3+配合物Gd2-3,在20MHz和37℃时,它的弛豫效率为6.8L/(mmol·s),高于临床所有造影剂,Gd2-3与人血清白蛋白(HSA)作用后,弛豫效率高达15.2L/(mmol·s)。Livramento等根据含有2个结合水的体系设计出异三足配体(H3L,图4),它具有良好的热力学和动力学稳定性及水交换速率,弛豫效率高达33.6L/(mmol·s)。Jabasingh等报道了四配位中心的环状化合物Gd4(4)(H2O)8,弛豫效率为28.13L/(mmol·s),远高于临床所用造影剂Gd-DO3A。3.1.2半乳糖和葡聚糖的磁流变成像影剂目前临床应用的MRI造影剂均为分子量在600~800Da范围的小分子Gd配合物。对这种多胺多羧配合物而言,弛豫效率主要由旋转相关时间决定,故增大配合物分子的体积可提高弛豫效率。将小分子Gd造影剂共价或者非共价的与单克隆抗体,血红细胞,血清白蛋白,多糖,激素和聚氨基酸及人工合成的生物可相容高分子相结合时,可提高弛豫效率。同时由于大分子本身的特点或向大分子中引入对人体某一组织器官具有亲和性的基团,还能增强选择性或靶向性。最早研究的载体为单克隆抗体,但是由于抗体在使用过程中的不稳定性和体内的免疫反应等原因限制了在临床应用的可能性。为此选择稳定性好,易于提取制备的天然大分子作为载体。如将GdDTPA连接到聚赖氨酸侧链的ε-氨基上,获得所有残基上共价连接的含70个Gd配合物的缀合物,弛豫效率可达13.1L/(mmol·s),半衰期较Gd-DTPA显著延长,是一种较好的MRI血池造影剂。糖类作为四大类生物分子之一,在自然界中分布广泛,在分子识别,调控等过程中具有重要的生理作用。以多糖为载体的MRI造影剂的研究比较集中在葡聚糖,它在血液中的半衰期长,是较好的血池造影剂。近年来,以淀粉和菊糖为载体的磁共振成像造影剂已见报道。本课题组选择并合成了以阿拉伯半乳糖(AG),西洋参多糖(PQPS)和树舌多糖(GAPS)等天然多糖及葡聚糖(CMD)修饰物为载体的MRI像造影剂,研究了它们的各种性质[31~34]。它们的分子量在7~54kDa,每个多糖分子结合6~40个Gd,有较高的弛豫效率7.6~9.2L/(mmol·s),约为Gd-DTPA的2~2.5倍。大鼠实验表明,此类造影剂能在短时间内对肝脏产生明显信号,并且信号在较长时间内无明显减弱趋势,对肝脏具有良好的成像效果,其中AG为载体的造影剂对肝脏的成像效果最佳,这可能是AG上的半乳糖残基与肝脏表面的去唾液酸糖酐蛋白受体的专一性识别有关。同时也研究了不同分子量造影剂对成像效果的影响,选择分子量分别为500,200和100kDa的沙枣多糖,成像实验表明,随着分子量的增加,对肝脏的成像效果呈现出升高趋势。多糖的分子量大小影响其在肝脏的分布,分子量越大,越易于在肝脏中积累。以天然多糖为载体的化合物有望成为有前景的肝脏选择性造影剂。由于大分子在体内排泄较慢限制了在临床中的应用。人们开始研究在体内可降解的大分子造影剂,如将二硫键,聚乳酸等可生物降解物质,引入大分子含Gd配合物中,此类造影剂以大分子的形式进入体内,在脉管系统和肿瘤组织处具有很好的造影效果之后,在体内可较快、较容易地分解为小分子,从而快速排除体外[34~36]。本课题组将葡聚糖和Gd-DTPA通过含二硫键的胱胺相连,利用哺乳动物体内含有能与二硫键作用的自由硫醇的特点,在磁共振成像检查后,在硫醇作用下断开二硫键,释放出可由肾脏迅速排除的小分子Gd-DTPA配合物,但在实验过程中显示出了较大的毒性,原因可能为本身的高电荷产生较高的渗透压,导致了其较高的毒性,能否作为血池造影剂还有待于进一步研究。Zhang等利用聚乳酸在体内可降解为H2O和CO2这一特点,向谷氨酸的聚合物中引入聚乳酸后与Gd-DTPA相连所形成的造影剂,弛豫效率为7.9L/(mmol·s)。由于大分子体内的生物降解过程极其复杂,此类MRI造影剂在临床上的应用还有待研究。近年来,树形大分子(dendrimer)在MRI造影剂研究中备受关注。与线性大分子相比,分子量及构型较易控制,本身骨架刚性增强,分子旋转相关时间延长,显著提高了弛豫效率,大部分树形大分子为球状形态易于排出体外。聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子是一类由中心向外对称发散而高度分枝的纳米大分子化合物,以不同代数(G)进行分类。研究表明,此类造影剂在肾,淋巴系统,血池造影中均具有较好的效果,其中G6大分子在淋巴系统中有很好的成像效果,并且已应用于临床研究。G7和G8由于分子尺寸很大,可作为血池造影剂。对PAMAM树状大分子进行化学修饰可以提高靶向性,如用叶酸连接的PAMAM树形大分子钆配合物比用自由叶酸加PAMAM树形大分子的螯合剂在肿瘤细胞中的弛豫效率增加了110%。Kaneshiro等合成的由赖氨酸和Gd-DOTA-monoamide形成的分子粒径为3.2nm的G3大分子化合物,弛豫效率为10L/(mmol·s),对血管具有良好的增强效果,在心脏和脉管系统成像中药剂量为目前临床所用造影剂剂量的1/10,是一种潜在的血池MRI造影剂。3.2氧化铁晶体的动态磁性成像技术超顺磁性造影剂一般由纳米氧化铁晶体核与稳定包裹材料构成,氧化铁晶体核成分为Fe3O4,γ-Fe2O3,FeOOH。研究较多的包裹材料为葡聚糖,葡聚糖衍生物,淀粉,硅油,阿拉伯半乳糖,白蛋白等。氧化铁核的尺寸通常为3~6nm,包裹后流体力学动力直径为50~200nm。氧化铁晶体的大小,磁学性质,所带电荷及包裹材料的性质等影响其稳定性、组织分布、分布速率及成像效果[45~47]。目前,对超顺磁性氧化铁粒子(SPIO)的研究较多,原因为磁矩比其它顺磁性物质高,对邻近组织中的氢核的弛豫效率有明显的加速作用,给药量可大大减小,主要选择葡聚糖为包裹材料,此类造影剂对于肝和脾肿瘤有着很好的靶向作用。国外已经成功开发出AMI-25,MION,AMI-121等型号的超顺磁性造影剂,其中AMI-25以葡聚糖为包裹材料,平均粒径为150nm,主要成像部位为肝脾部位;MION包裹材料为葡聚糖,平均粒径为18~24nm,对血管,淋巴结具有靶向性作用;而AMI-121为硅包覆材料,平均直径为300nm,主要造影部位为肠胃,是一种较好的口服造影剂。4造影剂的靶向性近年来,MRI造影剂的研究飞速发展。处于研究阶段的磁共振成像造影剂的种类与数量很多,大部分已用于肝脏成像、脾脏成像、血液成像及其它功能性成像,利用多功能造影剂同时完成临床诊断和治疗评价的工作亦见报道。但是仍然存在许多有待突破和解决的问题:(1)造影剂研究工作大多数仍处于体外实验阶段,离临床应用还有一定的距离,通过系统的生物体内分布,药代动力学实验,评价其有效性和安全性;(2)开拓更为有效的靶向体系和解决