< Terug naar vorige pagina

Project

Luminescerende MRI-contrastreagentia voor moleculaire beeldvorming.

Beeldvorming door magnetische resonantie (magnetic resonance imaging, MRI) is een zeer populaire medische diagnosetechniek. Mede door de ontwikkeling van contrastvloeistoffen is de interesse in de toepassing ervan de voorbije jaren enorm gestegen. De belangrijkste parameters die de magnetische relaxatie van protonen van watermoleculen bepalen, werden grondig onderzocht met als doel de efficiëntie van MRI-probes te verbeteren. In deze doctoraatsthesis werden verschillende contrastreagentia gesynthetiseerd en bestudeerd rekening houdende met de vereisten om een optimaal resultaat te bekomen. Er werden bovendien nieuwe bimodale reagentia ontwikkeld, strevend naar een combinatie van de hoge gevoeligheid en resolutie van optische microscopie met de mogelijkheid die MRI biedt om ondoorzichtige stalen te visualizeren. Deze strategie stelt de onderzoeker in staat om dezelfde biologische structuren tegelijkertijd met verschillenderesolutie en diepte te bekijken. Het doel van deze thesis was om de relaxiviteit te verbeteren door voornamelijk het moleculair gewicht en de rotationele correlatietijd van de verbinding te verhogen en om een gepastligand te vinden dat op een efficiënte manier lanthanide-luminescentie kan sensitiseren. Ieder gesynthetiseerd complex werd uitvoerig geanalyseerd aan de hand van luminescentie en relaxometrische studies om het potentieel gebruik in bimodale beeldvorming te evalueren. 

DTPA-bisamidederivaten gefunctionaliseerd met p-toluïdine, 6-aminocoumarine, 1-naftaleenmethylamine en 4-ethynylaniline werden gesynthetiseerd en volledig gekarakteriseerd. Lanthanide(III)-ionen (Ln = Gd, Eu, Tb, Y) werden gecomplexeerd met de liganden DTPA-bis-p-toluïdine-amide (DTPA-BTolA),DTPA-bis-6-coumarine-amide (DTPA-BCoumA), DTPA-bis-1-naftylmethyl-amide(DTPA-BNaphA) en DTPA-bis-4-ethynylfenyl-amide (DTPA-BEthA) en vervolgens werden hun bimodale MRI en optische eigenschappen nagegaan. De overeenkomstige europium- en terbiumderivaten vertonen respectievelijk rode engroene emissie in waterige oplossingen met kwantumrendementen van 0,73%voor Eu(III)-DTPA-BNaphA en 2,5% voor Tb(III)-DTPA-BEthA. De fotofysische eigenschappen van de Gd(III)-complexen werden onderzocht om meer inzicht te krijgen in de energietransferprocessen die in de betrokken systemen plaatsvinden. Deze paramagnetische complexen werden eveneens geanalyseerd aan de hand van NMRD. De relaxiviteit (r1) bij 20 MHz en 310 K lag tussen 4,1 s-1mM-1 voor Gd-DTPA-BTolA en 6,4 s-1mM-1 voor Gd-DTPA-BNaphA. Deze waarden zijn alvast hoger dan de 3,8 s-1mM-1 van het commercieel beschikbare Gd-DTPA (Magnevist®). De verbeterde relaxiviteit is te wijten aan een toename van de rotationele correlatietijd τR. De geobserveerde relaxiviteit in een 4% HSA-oplossing bereikte waarden van 13,9 and 19,1 s-1mM-1, respectievelijk, voor Gd-DTPA-BNaphA en Gd-DTPA-BEthA omwille van een verdere afname van de moleculaire bewegingsvrijheid.

Het tweede gedeelte van het onderzoek beschrijft de synthese en karakterisatie van twee DTPA-bisamidederivaten DTPA-BC12PheA en DTPA-BC14PheA gefunctionaliseerd met p-dodecylaniline en p-tetradecylaniline. Gemengde micellen bestaande uit Gd/Eu-DTPA-BC12PheA en -DTPA-BC14PheA met een homogene grootteverdeling (33 - 40 nm) werden gemaakt door het assembleren van de amfifiele complexen met het fosfolipide DPPC en surfactans Tween 80®. Rekening houdende met het verschil in gevoeligheid van magnetische resonantie en optische beeldvorming werden de verhoudingen van Gd(III) en Eu(III) complexen (Gd/Eu) 1:1, 2:1, 3:1, 20:1 en 50:1 samengevoegd in vijf verschillende micelpreparaten. Vervolgens werden de overeenkomstige optische en relaxometrische eigenschappen tot in detail nagegaan. Excitatie van de geïncorporeerde europiumcomplexen bij 290 nm leidde totkarakteristieke rode emissiebanden dankzij de Eu(III) 5D0→7FJ (J = 0-4) transities. Micellen bestaande uit enkel europiumcomplexen vertoonden kwantumrendementen rond 1,0%, die gestaag afnamen gaande van 1:1 tot 50:1 Gd/Eu verhoudingen. De relaxiviteit r1 per Gd(III)-ion bij 40 MHzen 310 K bereikte een maximale waarde van 14,2 s-1mM-1 voor de Gd-DTPA-BC12PheA assemblages en 16,0 s-1mM-1 voor de Gd-DTPA-BC14PheA micellen, vergeleken met 3,5 s-1mM-1 voor het commercieel beschikbare Gd-DTPA (Magnevist®). De theoretische fitting van de 1H-NMRD- profielen resulteerde in lange τR-tijden van 4,2 tot 6,6 ns. Gd/Eu 20:1 blijkt de meest optimale concentratieverhouding van beide verbindingen in de micellen te zijn om tot de vereiste bimodale karakteristieken te komen. In een verdere zoektocht naar bimodale assemblages kan dit resultaat worden gebruikt als leidraad betreffende de hoeveelheid van paramagnetische reagentia in verhouding tot luminescerende probes. 

De zes DTPA-bisamidederivaten, vermeld in de voorgaande paragrafen, werden gecoördineerd met dysprosium(III) en de magnetische en optische eigenschappen van de overeenkomstige complexen en micellen werden onderzocht.  Excitatie in de aangeslagen toestanden van het ligand leidde tot de karakteristieke Dy(III)-emissie met kwantumrendementen van 0,3 - 0,5%  ondanksde aanwezigheid van één watermolecule in de eerste coördinatiesfeer. Dankzij de tussenkomst van het niet-ionisch surfactans, wordt de luminescentie van de micellen in mindere mate gequenchet, resulterend in kwantumrendementen tot 1%. De transversale relaxiviteit r2 per Dy(III)-ion bij 500 MHz en 310 K bereikt een maximale waarde van 27,4 s-1mM-1 voor Dy-DTPA-BEthA en 36,0 s-1mM-1 voor de Dy-DTPA-BC12PheA structuren in vergelijking met 0,8 s-1mM-1 voor het originele Dy(III)-DTPA. De efficiënte T2 relaxatie, voornamelijk bij hogere veldsterkten, berust op het groot magnetisch moment van het dysprosium- ion, de coördinatie van watermoleculen met een trage uitwisselingssnelheid en lange moleculaire correlatietijden. Deze bevindingen openen een deur naar de verdere ontwikkeling van bimodale optische en magnetische resonantie probes vertrekkende vanuit één enkele lanthanideverbinding. 

In een laatste en conceptueel verschillende aanpak, wordt een nieuwe synthesestrategie leidende tot een heteropolymetallisch lanthanidecomplex met selectief ingebouwde gadolinium- en europiumionen voorgesteld. Hiervoor werd een ditopisch ligand dat in staat is om twee verschillende lanthanideionen te coördineren, gesynthetiseerd. Het gadolinium(III)-DTPA-gedeelte werd via een amidebinding gelinkt aan een pyridine-2,6-dicarboxylaatderivaat dat in staat is om rond europium(III) te assembleren. Aangezien de drie paramagnetische componenten per molecule gemakkelijk te bereiken zijn door water,werd een efficiënte relaxatietoename tot 31,0 mM-1s-1 behaald. Anderzijds wordt water niet toegelaten tot de eerste coördinatiesfeer van Eu(III) waardoor een sterk luminescerende verbinding met een kwantumrendement van 10% werd verkregen. De hoge bindingsconstanten maken bovendien in vivo studies op de nieuw ontwikkelde contrastreagentia mogelijk met het oog op interessante toepassingen in bimodale beeldvorming. 
Datum:13 okt 2009 →  30 sep 2013
Trefwoorden:Supramolecular complexes, Lanthanides, Optical imaging, Contrast agents, Magnetic resonance imaging
Disciplines:Diagnostiek, Laboratoriumgeneeskunde, Medicinale producten, Fysica van gecondenseerde materie en nanofysica, Anorganische chemie
Project type:PhD project