1、 分 类号 学号 D201077060密级学校代码 10487博士学位论文基于多肽的肿瘤双重靶向磁共振成像 造影剂的设计合成及性能研究 学位申请人 杨玉萍学科专业指导教师答辩日期高分子化学与物理俞开潮教授2014年 5月 25日A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements forthe Degree of Doctor of ScienceDesign, Synthesis and Performance Evaluation of Peptide-based Tumor-targeting Magnet
2、ic Resonance Imaging Contrast Agents Ph. D. Candidate ： Yuping YangMajor ：Polymer Chemistry and PhysicsProf. Kaichao YuSupervisorHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074，P.R.ChinaMay, 2014独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究
3、做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“ ”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 博
4、 士 学 位 论 文 摘 要磁共振成像（MRI）因无辐射伤害、分辨率高、非侵入性、能 实现多核多参数及任意切面的成像等优点而成为当前临床医学上一项重要的影像诊断技术，其中 MRI造影剂是其重要的组成部分。设计合成具有高弛豫效能、低毒性、对组织或者器官具有选择性的造影剂，一直是该领域研究的主要目标。已有的研究表明：将小分子造影剂用具有靶向性的大分子底物修饰，可以取得增强弛豫性能和赋予靶向性的双重效果。据此，本文拟用具有肿瘤靶向性的大分子多肽来修饰小分子钆基造影剂，期望设计出弛豫率高并具有肿瘤靶向性的造影剂分子。设计的具体思路如下：利用 RGD与整合素 v3特异性结合、而 NGR与 CD13特异性
5、结合的特性，设计合成了包含 RGD和 NGR两个肿瘤靶向单元的多肽基肿瘤双靶向载体。并用该双靶向载体修饰 Gd-DOTA，得到三种基于多肽的肿瘤双靶向造影剂目标分子CA1、CA2和 CA3；通过波谱方法表征了合成的目标分子结构。比较了合成的目标分子与临床常用的造影剂马根维显的弛豫性能、水溶液成像性能。并利用人肺腺癌细胞A549、人乳腺癌细胞 MDA-MB-231以及人前列腺癌 细胞 PC-3 考察了设计的造影剂目标分子对肿瘤细胞的靶向性能和细胞的造影成像性能。采用竞争实验考察了设计的造影剂与整合素 v 3以及胺肽酶 N（CD13）相结合的特异性能。采用 WST-1 细胞增殖抑制实验考察了设计的
6、造影剂配合物对肿瘤细胞的抑制毒性。最后采用计算机模拟对接的方法，从模拟的角度探索了设计的双靶向载体 P1与两种受体的结合模式和结合复合物的氢键作用。实验结果表明：在同等检测条件下，所设计的造影剂比临床应用最广泛的造影剂马根维显弛豫率分别高出 77.6%、92.8%和 51.58%，而且比马根维显成像效果好，造影成像的检测灵敏度提高。设计的造影剂既能靶向高表达整合素 v3的肿瘤细胞，同时也能靶向高表达 CD13 的肿瘤细胞。在具有两种受体表达的 肿瘤细胞表面具有比单靶向造影剂更优的聚集效果。其细胞成像效果也优于马根维显。因此，将 RGD 和 NGR两个肿瘤靶向单元组合在同一个靶向载体里增加了寻靶
7、分子在靶标部位的聚集浓度，I华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 设计的大分子钆配合物具有作为多种肿瘤诊断用 MRI造影剂的潜能。课题创新点：1）将分别靶向不同的肿瘤生物标记的多肽片段组合在同一个靶向载体中，设计出肿瘤双重靶向 MRI造影剂，这样的组 合设计未见文献报道。本文靶向载体设计是一种全新的设计思路。2）根据造影剂增强 MRI信号的原理，在设计造影剂分子时有目的地加入能在顺磁金属离子周围形成氢键网络的基团，以便使水分子能进入顺磁离子内、外配层，使顺磁金属离子直接作用于更多的水质子，同时也可加快弛豫试剂周围的水分子交换速率，这些都是有效提高弛豫率的因素。3）多肽双靶向双核造影剂
8、的设计，一个造影剂分子能带两个顺磁中心进入靶标部位，理论上讲，可以加倍顺磁金属离子在靶点部位的聚集，从而大幅改善成像效果。4）用计算机模拟分子对接的方法来研究设计的双靶向多肽与其受体蛋白的结合模式，为新设计的分子与受体的结合模式研究提供了新思路。关键词：磁共振成像（MRI），造影剂，多肽，精氨酸 -甘氨酸-天冬氨酸（RGD）, 天冬酰胺-甘氨酸- 精氨酸（NGR），肿瘤靶向，Gd-DOTAII华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Abstract Magnetic Resonance Imaging (MRI) is recognized as an advanced and pow
9、erfulmedical imaging diagnostic techniques due to its lots of advantages such asnoninvasiveness, non-ionizing radiation, high spatial and temporal resolution，etc Thistechnique plays an important role in the diagnosis and positioning of tumor and otherdiseases. MRI contrast agents is an important par
10、t of this technology. At present, smallmolecular contrast agents, they commonly are used Clinical, have a lot of disadvantages,shch as short time of blood circulation, non-specificity, low relaxivity, high biologicaltoxicity and so on. In order to enhance the signal intensity of imaging and ensure t
11、heaccuracy of clinical diagnosis, the high performance contrast agent must be development. amajor development direction of MRI contrast agents is to design and synthesis new contrastagents with high relaxivity, tissue-targeted or organ-targeted, low toxicity, and lowpreparation cost.The study on MRI
12、 contrast agents are mainly concentrated to modificationthe ligand skeleton of small contrast agents by chemical method. The property of molecule,such as molecular volume, hydrophobicity, osmotic pressure, the selectivity of tissues ororgans etc., can be changed by introducing all kinds of chemical
13、groups. Predecessorresearch result shows that it will obtain higher relaxivity and targeting effect if the smallmolecular contrast agents are modified with targeting macromolecular. Based on this, wemodified a small contrast agent (DOTA-Gd) with tumor-targeted polypeptide in order toimprove its rela
14、xivity and give its good tumor-targeted effect. In order to realize the abovegeneral objective, the author designed and synthesized a peptide-based tumor-targeted binarytargeting vector (P1). The vector contain Arg-Gly-Asp (RGD) and Asn-Gly-Arg (NGR)motifs. The Arg-Gly-Asp (RGD) can bind specificity
15、 to integrin v3 and the Asn-Gly-Arg(NGR) can recognize specificity aminopeptidase N (CD13). Integrin v3 and CD13 are thetwo biomarker of tumor. So the peptide containing RGD and NGR can bind specificity totumors. a small contrast agent (DOTA-Gd) was modified with P1 to become macromoleculecontrast a
16、gents. The structure of all products were characterized by high resolution massspectrometry. Using Magnevist as a controlled experiment, the relaxivity and imagingproperty of designing contrast agents were investigated. Using Human lung adenocarcinomaIII华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 epithelial cells (A549
17、), Human breast cancer cells(MDA-MB-231), Human prostate cancercells(PC-3) as the experimental materials, the targeting-tumor performance and cellsimaging performance of the designed contrast agents were investigated. And the specificityof P1 combining with integrin v3 and CD13 was confirmed by comp
18、etition bindingoexperiments. The WST-1 method was used to investigate the cells inhibition toxicity of thedesigned contrast agents. Finally, the combination pattern of integrin v3 and CD13 withwas tentative studied by the computer simulation.The experimental results show that the relaxivity of the d
19、esigning contrasted agents ismuch higher than that of magnevist, the relaxivity of desiged three contrast agents is higher77.6%, 92.8% and 51.58% than that of magnevist respectively. Imaging effect of aqueoussolution is much better than that of magnevist. The designed contrast agents can bindspecifi
20、city to integrin v3 and CD13. The combination is completed through integrin v3specific recognizing RGD motif, and CD13 specific recognizing NGR motif.This research conclusion is presentation as follow, it can improve targeting tumor effectif the two tumor-targeted segments of RGD and NGR were put to
21、gether to become binarytargeting contrast agents. And the contrast agents can aggregate more on the tumor cellsurface than that single targeting contrast agents, so it have better imaging effect. Thedesigned contrast agents can realized the purpose that a contrast agent detect a wide varietyof tumor
22、s. So the design strategy is effective and feasible. The results reach basically theprimary goals of this design. The designing target molecules have the potential as MRIcontrast agent to using in cancer diagnosis.Keywords: Magnetic Resonance Imaging (MRI), contrast agent, peptide, Arg-Gly-Asp(RGD),
23、 Asn-Gly-Arg (NGR), targeting-tumor, Gd-DOTAIV华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 目 录摘 要IAbstract III1 绪论1.1磁共振成像（MRI）技术及 MRI造影剂研究概况（1）1.2 MRI工作原理及造影剂的增强机理.（3）1.3 MRI造影剂的基本要求及其基本构成单元.（8）1.4 MRI造影剂近年来的研究热点.（10）1.5 基于多肽的肿瘤靶向性造影剂研究概况 （20）1.6 本课题的设计思路、主要研究内容及创新点 （22）1.7 参考文献.（23）2 多肽基双靶向 MRI造影剂 CA1 的合成及其在靶向 A549细胞的
24、累积效果评价2.1 研究背景.（36）2.2 实验部分.（39）2.3 结果与讨论.（56）2.4 本章小结.（76）2.5 参考文献.（78）3 多肽基双靶向 MRI造影剂 CA2 的合成及其在两种不同 肿瘤细胞表面的靶向效果评价3.1 研究背景.（82）3.2 实验部分.（83）V华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 3.3 结果与讨论.（90）3.4 本章小结.（96）3.5 参考文献.（97）4 多肽基双靶向双核造影剂 CA3 的合成及弛豫性能评价4.1 研究背景.（99）4.2 实验部分.（101）4.3 结果与讨论.（103）4.4 本章小结.（106）4.5 参考文献.
25、（106）5 双靶向多肽 P1与整合素 V3及胺肽酶 N(CD13)相互作用模式初探5.1 研究背景.（108）5.2 分子对接操作.（110）5.3 结果与讨论.（111）5.4 本章小结.（115）5.5 参考文献.（116）6 全文总结6.1 主要研究工作.（117）6.2 研究所得结论.（118）6.3 课题创新点.（119）6.4 参考文献.（120）致 谢 .（121）附 录 1 读博期间发表的学术论文及参与的科研项目 .（123）附 录 2 文中物质代号及缩写一览表（124）VI华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论1.1 磁共振成像（MRI）技术及 MRI造影
26、剂研究概况1.1.1 磁共振成像技术研究概况磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技 术的发展的基础是磁共振波谱学及图像重建技术，是一种核自旋成像技术，MRI 曾被称为：核磁共振成像、核磁共振 CT、核磁共振体层成像、自旋体层成像等， 这些技术的一个重要的应用是作为一种非侵入无损伤性的医学影像诊断新技术。MRI 成像可以用于临床上评估人体组织或器官的功能及人体解剖结构成像1。MRI 可获得丰富的诊断信息，是当前最先进的医学成像技术之一2。 这一成像技术在 1973年首次被 Lauterbur用来进行重水环绕普通水的试管二维截面成像3，目前这一技术已经被广泛应
27、用于生物、医学等领域并临床应用中获得了长足发展，MRI技术与计算机断层照相 术（computer assisted tomography,CT）、超声成像相比(Ultrasound，简称 US)，具有许多突出 优点4-7，如：不会造成辐射损伤；无骨质伪影；可实现多核多参数成像；较高的组织分辨率和较好的图像效果；能非常方便地施行任意方位层面的扫描而无需改变体位；可以通过反映被检测组织水质子周围环境来获取有关该组织的生理生化信息；也能对心脏、肝脏、大血管等组织或器官的形态和功能进行诊断；此外这一技术还可以用来监测器官移植 8。因此，MRI 技术已经成为目前临床诊断中最重要的医学诊断检测方法之一9。
28、此技术已广泛应用于人体的头部10、心脏、肝脏、神经系统11、脊髓组织、腹部及血管的成像检测12，对检测各种恶性病变、组织坏死和局部缺血非常有效，这一技术用于肿瘤的早期诊断，可以大大提高治疗成功率13。近几年来 MRI得到蓬勃的发展与广泛的应用，各种类型和用途的 MRI设备已经遍布世界各地。1.1.2 磁共振造影剂的研究概况MRI作为一种图像诊断手段，只有当图像上不同组织间对 比越强时，才能更加容易地识别出病变组织，以达到准确诊断疾病的目的，但是对于生物物理特征差别不大1华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的组织，成像时就很难获得足够的信号差，进而给组织的分辨带来了许多困难，此时就需
29、要采用对比增强技术来获得必要的图像对比度，磁共振成像造影剂应运而生，现在 MRI造影剂已经被广泛应用于各种 MRI扫描中14-16。磁共振成像造影剂(也叫磁共振成像对比剂)是一类能够加强 MRI 信号对比度、提高诊断的灵敏度、增强软组织图像分辨率的磁性物质。MRI造影剂的作用是改变特定组织内部氢核的弛豫时间，使其与周围其他组织产生的信号形成对比，从而方便观察该组织的病变情况17。由于 MRI具有优良的软组织分辨力，因此，在其临 床应用的早期不造影用剂就能做出较好的 MRI影像图。但随着研究和应用的不断推 进，人们发现当用 MRI 来监测分子活动或者细胞活动以及微小组织的病灶时的灵敏度不高，并且
30、有些不同组织的弛豫时间相互重叠造成无法清晰显像，而且 MRI不能用来 进行动态扫描等缺点；随着造影剂 Gd-DTPA的开发成功，人们发现 MRI增强扫描提供的信息远多于平扫18。实践表明：应用造影剂进行的增强 MRI扫描在血脑屏障破坏程度的 显示、在 MRI 血管显像时显示微小血管、以及显示肿瘤与其周围组织的信号区分等方面都有其独特的优势。通过造影剂可以帮助提高成像的灵敏度和组织间信号的对比度19，这些研究成果鼓舞着世界各地的研究者不断开发各种类型的造影剂，以提高 MRI的诊断敏感性，扩大其应用范围。1983 年第一个小分子 MRI 造影剂 Gd-DTPA 进行临床试验20，1988 年钆-二
31、乙烯三胺五乙酸（Gd- DTPA）投入市场，自此对 MRI造影剂的研究越来越深入，其临床应用 也 越 来 越 广 泛 15,21 。 过 去 四 十 多 年 的 时 间 里 ， 研 究 较 多 的 包 括Gd-DTPA,Gd-DOTA,Mn-DPDP, Gd-BOPTA, Gd-EOB-DTPA、超顺磁性氧化铁(SPIO) 22-24等。目前已有几千种弛豫试剂合成出来了，其中除了极少数是通过改变质子密度来造影外（如 Perfluorocarbon 乳剂），其余绝大多数造影剂的造影增强都是通过改变组织的T1或 T2时间来进行。近年来 MRI技术在时间分辨率、 图像质量等各方面都有显著提高，这些都
32、得益于 MRI造影剂的出现和发展。据美国 Frost &Sullivan公司的 调查报告显示，至 2009年全球各类造影剂销售额已超过 180亿美元，而且每年以 6-8 %的速度在全球范围内增长。至上世纪末全世界每年2华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 消耗含钆造影剂已经达 30吨以上，而且为了确保诊断的准确性以及提高图像对比度，在 MRI检查中 30%以上需要使用造影剂25。磁共振造影剂经历了从无到有，从低端到相对先进，几十年的发展研究使其理论和实际应用都得到了不同程度的完善，随着作用机制和设计原理等理论的发展和完善，造影剂的研究也必将迎来新的发展阶段。1.2 MRI工作原理及造
33、影剂的增强机理1.2.1 MRI工作原理在主磁场的作用下，人体内氢质子本来处于无序状态的小磁矩会顺磁场方向排列而具有沿主磁场方向的净磁矩，在射频脉冲的作用下，氢质子净磁矩的方会向发生改变；当射频脉冲停止，磁矩恢复原状的过程中，氢质子将射频脉冲所提供的激励能量释放出来。结构不同的组织，磁矩恢复到原状所用的时间以及所释放的能量也不同，这些释放出来的能量以无线电信号形式被接收线圈所接收，然后信号被转化成相应的灰度，将灰度信号送入计算机处理以形成黑白灰阶度不同的磁共振图像26,27。这就是MRI技术的基本原理。MRI的基本原理与脉冲傅立叶 NMR技术的原理类似，其主要的不同在于 MRI 技术在放置样品
34、的三维空间内增加了线性梯度场，于是，处于不同空间位置的同种磁核有了不同的空间编码，然后用傅立叶变换或投影重建的方法就能得到磁核的空间分布图像4,6,9,15,28。即处于不同空间位置的氢质子，用梯度磁场 Gx, Gy, Gz来编码区别。很明显，梯度磁场具有区别不同断层及各个断层面上不同像素的空间位置的作用29。因为医学上 MRI探测的一般是水质子的信号，所以人体内存在水分子的地方，都能 进行MRI检测。水大约占人体总重量的 70%，人体各种器官、 组织的含水量不同，许多病变过程也会导致组织或者器官含水量的改变。在外加磁场的作用下，不同组织或器官中水质子具有不同的共振信号，信号的大小取决于水质子
35、的弛豫时间以及组织内水的含量30-32。磁共振成像信号强度与纵向弛豫时间（自旋-晶格弛豫时间，T1）和横向弛豫时间（自旋-自旋弛豫时间，T2）质子密度 N(H) 等参数相关。因此，这些参数的不同是磁共3华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 振成像技术区分异常组织与正常组织以及检测疾病的基础33-36，通过调节 MRI扫描参数如回波时间(TE) 、重复时间 (TR)等，可得到具有某种特征系数的加权像。当利用自旋回波序列(SE)扫描成像时，信号强度(SI)即图像亮度与各参数之间的关系见如下公式（1-1）33。（1-1 ）SI：为图像亮度，即信号强度； K：为常数；N(H)：扫描层内水质子
36、密度， N(H)越高，信号越强；反之亦然。f(v)：为扫描层内流动质子的函数（如血液、脑脊液等）SE 序列 时，流动液体可表现为低信号或无信号（流空效应），或表现为高信号（流入性增强、偶回波等）；T1：纵向弛豫时间；T2: 横向弛豫 时间；TR：两个 90脉冲周期重复时间；TE：90脉冲到采样之间的回波时间。当 T1变短时，SI会变大，即信号变强，图像显示为更高的亮度；相反，当 T2变短时， SI会变小，即信号变弱，图像变得更暗。公式（1-1）表明，两类参数决定了人体组织中水质子(H)的磁共振信号强度，它们分别是：扫描时间参数（TE及 TR）以及组织特征参数（包括 N(H)、f(v)、T1及
37、T 2）。因此，可以通过以下两方面来提高 MRI影像的对比度和信号 强度33,34,37 ：一是通过适当的时间参数与脉冲序列的选择；二是通过组织特征参数的改变，两类参数的合理选择能为疾病的诊断提供更明确的信息。MRI 造影 剂的正是通过改变水质子周围的局部磁场，从而改变部分水质子的弛豫时间即组织特征参数来增加其与周围其他组织的信号对比，进而区分病变组织与正常组织。1.2.2 MRI造影剂的增强机理MRI影像图上相邻区间存在的亮度差别就叫图像对 比度，MRI 造影剂的造影增强机理与 CT及 X射线造影剂的造影增强机理相比要复杂得多，因为 MRI造影剂的造影功能是通过与周围水质子的磁场相互作用来完
38、成，所以其作用受到磁共振成像仪脉冲序列、质子密度等许多内在与外在因素的制约。MRI造影剂可以按照其增强作用机理划分为 T1弛豫试剂（纵向弛豫造影剂）38、T2弛豫试剂（横向弛豫造影剂）39、CEST弛豫试剂40,41（化学交换饱和转移弛豫造影剂）。4华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 通常 T1弛豫试剂主要是 Gd的螯合物42。除了三价 Gd离子，二价 Mn离子也可被用于作为 T1弛豫试剂。很多金属纳米氧化物如 MnO 43,Gd2O344也能作为 T 1弛豫试剂，且这些微粒显示很高的 T1弛豫值。T1造影剂的增强机理：在外磁场 B0下，质子的磁矩方向与 B0的磁场方向一致，此时净
39、磁矩表现为只有 Z轴分量。射频脉冲作用下， 净磁矩会改变它原来的方向，这个过程叫做激发。如果射频脉冲为 90度方向，则纵向净磁矩变为 0。脉冲消失后，净磁矩恢复为其初始的平衡状态，这个恢复的过程叫做纵向弛豫或自旋-晶格弛豫。纵向净磁矩的恢复受方程(1-2)41 的支配。M z(t) M z(0)(1et/T1) (1-2)1 1 r1MT T1,H2O1 (1-3)T1弛豫时间被定义为质子返回为原始纵向磁矩的 63%时的时间。r1是弛豫率。不同形式的质子如自由水的，组织束缚的水，有不同的 T1弛豫率。当应用 T 1型的磁共振造影剂时，包含不同类型的水质子的组织将产生不同信号强度的弛豫显影。式（
40、 1-3）表明：一个弛豫试剂有高的 r1值能够促使周围质子的纵向磁矩很快地恢复从而产生清晰的显影。T1弛豫机理示意图见图 1-1，由图 1-1可见，r1越大，在相同的恢复时间内Mz(t)越大，信号就越强。T2弛豫试剂主要是铁磁性粒子和超顺磁的纳米微粒 22,45,46。超顺磁性氧化物纳米微粒是临床医学中最常用的 T2造影剂47，它能导致 质子 T 2缩短而引起 MRI 信号降低。T2造影剂的增强机理：射频脉冲的冲击使质子激发 ，在 XY方向产生横向磁矩。射频脉冲消失后，纵向磁矩恢复到初始状态过程中，横向磁矩开始减少，这个横向磁矩减少的过程就是自旋-自旋弛豫也就是 T2弛豫。横向磁矩减少到其初始
41、值的 37%的时间叫做 T2弛豫时间。T2弛豫率是 T2弛豫试剂固有的性质。横向净磁矩与 T 2以及 T2与横向弛豫率 r2的关系分别由方程（1-4）和方程（1-5）41描述。较高的 r2可以使 T2时间缩短，因而使横向磁化矢量迅速衰减，相同的衰减时间内，Mxy(t)越小，产生的 MRI5华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 信号弱，其核磁共振影像图表现为暗色。M xy(t) M xy(0)et/T2 (1-4)(1-5)1 1 r2MT T2,H2O2T2造影剂的增强机理示意图如见图 1-2：图 1-1 T1弛豫机理41 图 1-2 T2增强机理41 Fig 1-2 Relaxat
42、ion mechanism of T2Fig 1-1 Relaxation mechanism of T1图 1-3 CEST机理41Fig 1-3 Relaxation mechanism of CEST6华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 近几年，化学交换饱和转移(CEST)的弛豫机理已有 报道48，其增强机理见图 1-3。CEST MRI的概念来源于磁化强度转移成像，MRI检测的是自由水的质子 MRI 信号，而束缚水及宏观大分子的质子发出的信号在 MRI图上并不显现，CEST MRI正是利用不同质子之间化学交换现象且交换的质子有不同的化学位移来进行的49 。一般用双池理论来说
43、明 CEST机理，假设有池 A和池 B，池 A为自由水池，池 B为可交换质子池，二者在主磁场中有不同的进动频率。一个质子的正向交换率与反向交换率分别为 k1、k2。当池 B的质子被激发，由于池 B的质子会与池 A的质子发生化学交换，导致池 A质子 NMR信号的减少,而是图像显示为暗色。系 统平衡状态时池 A质子磁场强度由方程(1-6)表达。M AM A0 1 k2T1B1(1-6)其中 T1B是池 B 水质子的纵向弛豫时间。毫无疑 问，在质子密度加权显影的条件下，CEST 弛豫试剂使检测更加准确性。关于 CEST试剂用来提高生物分子信号强度的报道很多，如肝糖50，内生的多赖氨酸的蛋白质作为报告
44、基因51，蛋白质，以及多肽52。CEST造影剂也可用于超级化的 Xe惰性气体的核磁共振 显影。下面是三种类型造影剂的代表结构示意图：图 1-4 磁共振成像造影剂三种 类型代表结构41 Fig 1-4 The general structure of three types of MRI contrast agents7华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1.3 MRI造影 剂的基本要求及其基本构成单元1.3.1 MRI造影剂的基本要求造影剂需要满足如下基本要求才能应用于临床53：(1)低的毒性，要求造影剂能稳定存在于人体内且代谢产物无毒、易排泄；MRI 造影剂主要的给药方式为静脉注
45、射，故要求较高的安全性。造影剂在体内的稳定性及其排泄速率跟其毒性有很大的关系，一般来讲作为造影剂的顺磁性金属如钆、铁、锰等在游离状态对人体都有一定的毒性，因此这些金属不能直接做造影剂，当使用适当的配体与其螯合形成稳定化合物后，毒性则大大降低，且易排出体外。(2)弛豫效能高；弛豫率的高低是衡量造影剂效果的一个重要标准，高的弛豫率意味着良好的成像效果。(3)水溶性好，由于人体是一个水环境，人体中水占身体总重量的 70%左右，故造影剂在水中的溶解度应大于 0.5 mol/L。(4)尽可能具备 一定组织靶向性，即要求造影剂注射进入人体后不是均匀的分布于身体的各个器官，而是选择性富集于靶组织并停留一段时
46、间，这样在靶区域被观测核的弛豫信号比非靶区域具有更大的改变，从而提高病变与正常组织的对比度，因此造影剂的靶向分布可以有效地增加 MRI影像对比度。1.3.2 MRI造影剂的基本构成单元MRI造影剂一般来说由络合剂和顺磁金属中心两部分 组成54-56 ：（1）顺磁金属中心顺磁金属是 MRI造影剂的主要组成部分之一，常用于造影 剂的金属有钆、锰、铁，Dy3+，以及以上两种金属或者三种金属的组合 57-59 ，另外，还有钆或铁掺杂锌或钯等合金作为造影剂金属物质的报道。这些金属有一个显著特征那就是电子弛豫时间长，一般大于 10-10s，这种性质能使氢质子的核磁弛豫速率加快，同 时不引起明显的顺磁位移。
47、金属钆因其强顺磁性效果而被更多地用于合成造影剂的研究60-62。钆是镧系金属，其分子量为 157.26。通常以 Gd3+的形态被使用。Gd3+未配对的电子有 7个，电场对称，8华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 自旋磁矩大，弛豫效率高，顺磁性强，容易与水配位，是制备 MRI造影剂的良好选择。但是钆的大多数化合物以及游离的 Gd3+在静脉血液中易沉淀析出，有很 强的毒性，因此，通常用各种螯合剂络合钆离子形成稳定的配合物再使用，这样可以降低其毒性。Gd-DTPA是第一个别应用于临床的造影剂。随后很多 DTPA 的衍生物和其他螯合物被合成。如 Gd-DTPA-BMA, Gd-DOTA,
48、GdHPDO3A, Gd-EOB-DTPA,Gd-BOPTA。二价 Mn离子有 5个未配对的电子也具有顺磁性。二价的 Mn由于其离子与金属化合物的稳定性都很差，因此没有三价 Gd 离子应用广泛。目前 为止，MnDPDP 是唯一一个在临床上被许可的 Mn离子弛豫试剂63。铁磁性粒子和超顺磁性粒子，也是常用的造影剂金属物质。Fan64报道通过有机合成的单分散性的纳米微粒 MFe2O4(M=Fe,Co,Mn)用于 T2造影剂。Cheon 与其合作者报道在尖晶石结构用自旋更高的 d5Mn离子取代 d6Fe ，MnFe 2O4达到更高的磁矩以及更灵敏的 MRI探测65。Brcena与其合作者报道掺锌的铁
49、酸盐比四氧化三铁在相似的尺寸下磁矩增强了 2.5倍，导致 T2弛豫率显著地增加66。其他拥有强磁矩性质的金属合金纳米微粒也陆陆续续有人合成。例如，7nm的 FePt67的纳米晶体在 Ms为 215emu/g（2）络合剂 （也叫配体）a)小分子络合剂：包括乙二胺四乙酸（ EDTA），氨三乙酸（NTA ），二乙三胺五乙酸（DTPA）68，乙基四胺六乙酸（TTHA），四氮十二环四乙酸（DOTA），1，4，8，11-四氮 杂环四葵烷（DO3A），1，4，7-三氮杂环十二烷-NNN-三羧甲基（NOTA）等69。其中 DOTA与钆的络合稳定常数最高，为 28；TTHA与钆的稳定常数是 23.2，但是 TTHA中 6个羧基的 O 和三个氨基 N均与钆配位，占据钆离子的全部 9个配位点，使得其弛豫率反而降低，只有 Gd-DTPA的 1/1
