鑭系金屬螯合物作為CEST磁共振造影劑的研究進展

楊景霞， 焦靜靜

鑭系金屬螯合物作為CEST磁共振造影劑的研究進展

楊景霞， 焦靜靜*

（上海師范大學 化學與材料科學學院，上海 200234）

化學交換飽和轉移（CEST）成像是一種基于化學位移現象的新型磁共振成像（MRI），通過檢測水質子信號變化來間接測定可交換質子的信息，而鑭系金屬螯合物的順磁化學位移大，質子共振位移更遠離水的信號，可實現更多的選擇性飽和，提高MRI的對比性，因此非常適合用作CEST造影劑. 鑭系金屬螯合物CEST造影劑具有進一步擴展磁共振功能和分子成像的巨大潛力，文章主要介紹了此類物質的類型及應用.

鑭系金屬螯合物； 化學交換飽和轉移（CEST）； 磁共振成像（MRI）； 造影劑

0 引 言

磁共振成像（MRI）是現如今臨床放射學和生物醫學研究中最有效的診斷方法之一.與計算機斷層掃描（CT）相比，MRI無電離輻射，可在身體不同軟組織之間提供更強的對比度.MRI是指在特定的頻率激發下質子數為奇數的原子核（如氫質子）會因為能量共振而被激發，停止激發后，被激發的原子核釋放能量，回到基態而產生弛豫現象，通過對氫質子信號的采集處理，可得到MRI.在現代醫學中，MRI已經成為診斷和治療人類疾病最有力的技術之一.傳統MRI為了縮短弛豫時間和突出正常組織與病變組織的對比，引入了能夠引起MRI信號變化的造影劑，大多數MRI造影劑都基于順磁性螯合物，但為了降低對生理的影響，造影劑均在較低濃度下使用，這在一定程度上限制了MRI靈敏度及空間分辨率［1-2］.改變組織對比度的另一種方法是更改在成像實驗中檢測到的水量。2005年，WOESSNER等［3］提出了具有緩慢交換氨基（—NH）或羥基（—OH）質子的低分子量化合物也可通過預飽和自旋向大體積水的化學交換飽和轉移（CEST）來改變組織對比度.

作為一種新興的MRI技術，CEST是基于化學交換，通過使用射頻脈沖選擇性飽和可交換質子，將飽和轉移到水質子，即飽和轉移（ST）效應，經過多次累加，使水質子被部分飽和，水信號下降，通過記錄水信號下降的程度，間接測定可交換質子的信息，如圖1所示.一般情況下，可交換質子的濃度都較低，通過CEST方法，檢測水質子信號的變化大幅提高了低濃度質子的檢測靈敏度.最初使用的CEST造影劑有糖類、氨基酸類、銨離子、雜環化合物等，由于其與水質子化學位移差距（Δ）較小，不能達到很好的ST效應，信號較差.要想獲得較好的CEST造影效果，除了具有較大的Δ外，還應該滿足以下兩個條件：1） Δ≥ex，ex表示水交換速率；2） 縱向弛豫率（1）≤ex.其中條件1）要求交換速度在慢交換到中等交換區間之間，否則CEST難以檢測；條件2）要求水質子可以被有效飽和，即交換速率要大于水質子的1，以保證水質子信號可以累加［4-5］.

CEST造影劑可分為內源性CEST及外源性CEST造影劑.內源性CEST造影劑包括組織中含有羥基、氨基、酰胺基的物質，主要存在于細胞內［4］.外源性CEST造影劑主要包括合成的不含金屬的碘類CEST造影劑和順磁性金屬螯合物，由于后者中含順磁性金屬，通過偽接觸位移作用（PCS）改變配位水質子或螯合結構中可交換質子的化學位移，然后通過配位水質子或螯合結構中可交換質子與自由水質子發生交換，實現CEST效果.相比于內源性CEST，外源性金屬螯合物CEST結合水質子后，化學位移相化學位移差距更大，有利于獲得較高的特異性檢測.另外螯合物的結構和可交換質子的化學位移與環境的pH值、溫度、離子等因素有關，因此鑭系金屬螯合物CEST常被設計成響應性CEST探針.此外，為了提高CEST檢測靈敏度，AIME等［6］發現了第一個脂質體（Liposomes）CEST造影劑（簡稱LipoCEST），使用脂質體容納大量的水分子，將順磁性金屬螯合物包裹在內，改變脂質體內水分子化學位移，提高可交換質子濃度，進而提高檢測靈敏度.本文將主要介紹近些年開發的順磁性鑭系金屬CEST造影劑以及鑭系金屬的脂質體造影劑［4， 7］.

圖1　CEST成像的原理及ST效應的測量方式

1 鑭系金屬螯合物CEST造影劑

鑭系金屬螯合物的順磁化學位移高度偏移，源于自由水和配體或配位水分子上質子之間的質子交換，可以提高CEST造影劑的對比性，而且它們的質子共振遠離水信號，因此能夠實現選擇性的飽和［8］.其中，脂質體CEST是近些年來用于提高生物相容性和檢測技術靈敏性的新型鑭系金屬螯合物CEST造影劑.

傳統順磁性螯合物的MRI效率取決于其影響周圍水質子核弛豫率的能力，表現在與金屬離子直接配位的水分子數（水合數：），結合水與水分子的交換速率（ex），以及螯合物的旋轉動力學（旋轉相關時間：R）這三個方面，如圖2（a）所示.而CEST則代表了另一種產生磁共振圖像的對比機制.在這里，將選擇性射頻輻射脈沖施加到外源或內源分子（CEST劑）的質子上，這些質子與組織本體水的質子進行緩慢的化學交換，如圖2（b）所示.因此，它們具有更高的氫質子交換率（H），并且仍保持在緩慢的交換區間，獲得更強的CEST效應［9］.

圖2　弛豫原理圖.

（a） 傳統影響稀土（Ln3+）螯合物弛豫性參數的示意圖；（b） 具有質子與大量水緩慢交換的順磁CEST造影劑

1.1　順磁CEST劑

為了使CEST劑有效，應該在可移動質子的共振頻率下施加預飽和脈沖，通過飽和鑭系金屬螯合物質子與本體水質子進行交換，減少本體水質子共振，這可以通過增加磁場強度或使用順磁性CEST劑來實現.鑭系和過渡金屬系列的一些順磁性金屬離子可以在近1H核的信號中引起較大順磁性位移，因此，順磁性劑更可能滿足中慢交換條件，從而提高對比度［10-12］.

AIME等［13-14］報道了3種簡單的DOTA-四酰胺配體（DOTAM，DTMA和DOTTA）的鑭系金屬螯合物的一些基本特性，如圖3（a）所示.例如，AIME等［10， 15］在2002年報道了Yb-DOTAM-Gly的pH值在5.5～8.1范圍內，是一種有效的pH響應探針，如圖3（b）所示.對乳酸濃度敏感的［Yb（MBDO3AM）］3+（DOTA的衍生物MBDO3AM）如圖3（c）所示.WOODS等［16］的研究影響了之后MRI造影劑的設計，包括響應性成像劑的設計，為順磁化學交換飽和劑的開發奠定了基礎.

圖3　常見順磁CEST劑配體結構.

（a） DOTA-四酰胺配體（DOTAM，DTMA和DOTTA）的鑭系金屬螯合物；（b） DOTAM-Gly配體；（c） MBDO3AM配體

1.2　脂質體包裹鑭系螯合物CEST劑

由于良好的生物相容性和多功能性，脂質體是一種應用廣泛的納米載體，是醫學診斷和治療中應用最多的納米系統之一.脂質體由磷脂雙分子層組成，具有親水內核和疏水層，因此可作為納米膠囊攜帶親水性、疏水性或兩親性物質進入生物體內.脂質體是開發高靈敏度CEST劑的理想系統，能夠將水截留在其納米腔內.此外，脂質體膜是水可滲透的，可以通過改變脂質體膜的組成來適當地調節脂質體內水質子的交換速率.作為CEST造影劑，脂質體內水質子的共振頻率必須與本體水質子不同，在脂質體腔中包封順磁性鑭系金屬元素螯合物，可以改變脂質體內水分子的弛豫率.脂質體中心內核構成一個水質子池，可以使用射頻脈沖選擇性飽和，隨后飽和被轉移到主體相的未化學位移的水中，實現CEST成像.磁化傳遞的量以及CEST對比度由跨膜水擴散速率、脂質體內水的量和用于選擇性飽和的射頻功率決定［17］.

圖4　脂質體Eu螯合物結構及性質.

（a） 脂質體包裹的Eu螯合物（1增強和CEST效應）氧化形成充滿Eu3+的脂質體（1沉默和CEST效應）；（b） 暴露于空氣中24 h前和后脂質體包裹的Eu螯合物MRI圖像及CEST圖像

EKANGER等［18］報道了一種脂質體包封銪（Eu）的螯合物，因為Eu2+和Eu3+氧化態分別正交增強MRI中的縱向弛豫（1）加權圖像和CEST圖像，使用Eu2+螯合物和脂質體合成了用于MRI的氧化響應造影劑，因為用Eu2+觀察到正對比度增強，在Eu3+氧化前后觀察到CEST，氧化Eu2+螯合物（1增強劑）形成Eu3+（1沉默），如圖4所示.Eu2+/3+氧化態開關為增強氧化響應對比度提供了理想的平臺.該系統將為使用Eu2+/3+氧化還原開關的分子成像打開大門［18］.

2 鑭系金屬螯合物CEST造影劑的應用

在過去的10年中，研究人員已經研究了許多分子作為CEST造影劑，CEST技術已經得到了廣泛的應用，目前已開發出具有響應性CEST造影劑，用來檢測生理環境的變化，如pH、溫度、離子等，以及定量檢測生物大分子濃度，如蛋白質、多肽、多糖等，具有很好的臨床應用前景［19］.

2.1　pH成像

鑭系螯合物CEST造影劑本身對pH值具備固有的敏感性.曾經報道過的幾種對pH敏感的順磁CEST試劑基于交換Ln3+結合水分子作為CEST信號，但由于橫向弛豫（2）交換，大量水信號會額外地使譜線加寬.RATNAKAR等［20］報道了一種對pH敏感的CEST劑Yb（1），如圖5所示.該CEST劑缺少內部球形水分子，但含有一個用于CEST活化的Ln結合羥基基團.Yb3+螯合物顯示出單個高度偏移的CEST峰，該峰源自可交換的Yb-OH質子，其頻率在生物學相關的pH范圍內變化.CEST峰的頻率顯示了在pH為6.1～7.3時，相當大的化學位移色散證明了該試劑具備pH成像的潛力［20］.

圖5　Yb（1）用于細胞成像.

（a） Yb（1）的結構；（b） 不同pH值下Yb（1）的CEST光譜圖（9.4 T，25 ℃）；（c） 在不同pH值（9.4 T，25 ℃）下，Yb（1）的CEST譜圖；（d） 在25℃下，化學位移對pH的校正曲線，以及這些數據與膦酸酯基質子化常數的擬合（實線）；（e） 在不同pH值下，25 mmol·L-1Yb（1）的偽彩色CEST圖像；（f） 顯示CEST測量的pH與電極測量之間的一致性的線性圖

2.2　細胞標記

MRI已被廣泛用于跟蹤體內植入的細胞，這些細胞先前已經用弛豫增強劑標記.然而，這種方法不適合跟蹤多個細胞群，因為如果造影劑從標記細胞中釋放，可能會導致結果混淆.FERRAUTO等［21］演示了如何使用CEST造影劑來克服這些問題.在封裝順磁性鑭系金屬位移試劑后，可以改變細胞內水共振的吸收頻率，從而產生頻率編碼的CEST響應細胞，通過施加適當的射頻輻射，這些細胞可以在MRI中可見.如圖6所示，這些細胞分別用位于體內或胞質溶膠中的4種螯合物標記.含有Gd-HPDO3A的細胞信號強度較高，對于未標記的細胞，內源性可交換質子會產生2.5×10-6的信號.在含有用順磁劑標記細胞的所有其他樣本中，可檢測到位移更大的CEST信號.細胞內水共振位移的幅度嚴格取決于所用的Ln-HPDO3A種類及其定位，從最低2.9×10-6（Eu-HPDO3A標記的細胞）到最高8×10-6（Dy-HPDO3A標記的細胞）不等［21］.

（a） Ln-HPDO3A的化學結構；（b）1成像，2～5中細胞為Gd-HPDO3A，Eu-HPDO3A，Tm-HPDO3A或Dy-HPDO3A通過胞吞作用標記；6～9中細胞為Gd-HPDO3A，Eu-HPDO3A，TmHPDO3A或Dy-HPDO3A低滲溶脹標記；（c）2成像；（d，e） Dy-HPDO3A，Eu-HPDO3A，GdHPDO3A和Tm-HPDO3A標記的細胞的CEST譜（d）和ST譜（e）（其中虛線表示低滲性腫脹標記的細胞，實線表示由胞吞作用標記的細胞）

2.3　陽離子檢測

由于內源性陽離子在生命系統中起重要作用，參與許多基本的生物過程，是所有生物生長和發育的基本要素，其檢測受到越來越多的關注.金屬的積累、轉運、分布和輸出受細胞及轉運蛋白等的密切調控.金屬離子穩態的破壞與許多病理現象有關，如癌癥、神經退行性疾病或中風.因此，需要通過非侵入性技術對活系統中的這些離子進行成像和定量，以更好地了解它們的作用和分布，并進行早期臨床診斷［22］.

通過MRI評估細胞外鈣濃度的變化是監測大腦神經元活動有價值的生物醫學研究工具.ANGELOVSKI等［22］報道了一種新的Yb3+和Eu3+螯合物——EuL1和YbL1，用于與Ca2+結合，對Ca2+的存在作出反應.結合后，CEST效應顯著降低（YbL1從60%降至20%，EuL1從35%降至10%），如圖7所示.

圖7　Yb3+和Eu3+螯合物用于陽離子檢測.

（a） EuL1和YbL1的合成路線及結構；（b） 相對于預飽和頻率的溶劑水信號強度（CEST 光譜），在純材料EuL1、物質的量之比（EuL1）∶（Ca2+）為1∶5以及1∶100的情況下，20 mmol·L-1EuL1水溶液的CEST光譜；（c） 在純材料YbL1、物質的量之比（YbL1）∶（Ca2+）為1∶5以及1∶100的情況下，20 mmol·L-1的 YbL1水溶液的CEST光譜

2.4　組織代謝測定

以高空間分辨率對葡萄糖的組織分布進行成像有助于對其代謝進行研究，繪制各器官中葡萄糖的分布圖，確定哪些組織在產生葡萄糖（甚至可以定量檢測到梯度分布），實時評估組織對葡萄糖利用的差異.這可以提供有關葡萄糖的生產、儲存、運輸和使用以及代謝的情況，該信息對于糖尿病患者的治療是非常寶貴的［23］.

JIMIN等［24］報道了一種對葡萄糖（Glc）具有顯著結合親和力和選擇性的含苯硼酸鹽的順磁性CEST試劑.這一發現為通過CEST MRI監測器官中的葡萄糖水平提供了新的可能.如圖8所示，該試劑含有順磁性鑭系金屬Eu3+，與含有葡萄糖識別位點的大環配體螯合.通過相同成像條件比較兩個分離的灌注肝臟的CEST圖像，在37 ℃下，通過觀察來自灌注的飼喂小鼠肝臟和24 h禁食小鼠肝臟的CEST譜，顯示在42×10-6的預飽和脈沖處葡萄糖誘導的CEST峰進行對比，證明了在分離的灌注肝臟中進行葡萄糖的CEST可行性檢測，并證實在這些肝臟中發現的圖像對比度確實是由于葡萄糖含量所致.

圖8　EuDOTAM-2M-2PB用于組織代謝測定.

（a） EuDOTAM-2M-2PB的結構式（左）和與葡萄糖分子的結合模型（右）；（b） 灌注喂養的小鼠肝臟和禁食24 h的小鼠肝臟的CEST譜（c） 對于預飽和脈沖不在42×10-6的CEST圖像，顯示兩個肝臟之間對比度沒有明顯差異；（d） 顯示喂食肝臟相對于禁食小鼠肝臟在42×10-6時圖像變暗；（e） 顯示了進食和禁食小鼠肝臟之間葡萄糖誘導的CEST對比

3 結 論

作為一種極具發展前景的MRI造影劑，CEST技術以其獨特的非侵入性、無輻射、空間分辨率高、可利用人體內的物質作為MRI造影劑等優點得到了廣泛的研究.從上述例子可知，鑭系金屬螯合物CEST造影劑可以應用于pH、溫度、多糖、組織代謝及離子等檢測，應用面十分廣泛，為治療診斷學提供了獨特的機會.鑭系金屬螯合物CEST造影劑的體內應用迄今仍受到一定限制，但是它們清楚地表明了CEST檢測技術對于組織pH、代謝、陽離子測定及細胞標記等的可行性，這也為將來CEST造影劑應用到臨床提供重要的指導.鑭系金屬的磁性與螯合物的多樣性為鑭系金屬螯合物CEST造影劑創造了一些新的想法以及機會.希望在不久的將來，鑭系金屬螯合物CEST造影劑對MRI領域的貢獻能越來越多.

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Research progress of lanthanide metal chelates as CEST MRI contrast agents

YANGJingxia， JIAOJingjing*

（College of Chemistry and Materials Science， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）

Chemical exchange saturation transfer（CEST） imaging is a novel magnetic resonance imaging（MRI） method based on the phenomenon of chemical shift. The information of exchangeable protons can be indirectly determined by detecting the change of water proton signal. The lanthanide metal chelates have large paramagnetic chemical shifts and their proton resonance shifts are farther away from the water signal， which is feasible to achieve more selective saturation and improve the contrast of MRI. Therefore， the lanthanide metal chelates are very suitable as CEST contrast agents and have great potentials in further expanding their magnetic resonance function and molecular imaging capabilities. This review mainly summarizes the types and applications of the lanthanide metal chelates as CEST MRI contrast agents.

lanthanide metal chelate； chemical exchange saturation transfer（CEST）； magnetic resonance imaging（MRI）； contrast agents

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2022.04.010

2021-05-27

國家自然科學基金青年項目（21901164）；上海市晨光計劃（18CG48）；上海市科技揚帆計劃（19YF1436100）

楊景霞（1997—）， 女， 碩士研究生， 主要從事鐵基配合物的設計合成及其在磁共振成像應用方面的研究. E-mail： yangjx0730@163.com

焦靜靜（1989—）， 女， 講師， 主要從事具有生物相容性的超分子籠的設計組裝和應用方面的研究. E-mail： jiaojj@shnu.edu.cn

楊景霞， 焦靜靜. 鑭系金屬螯合物作為CEST磁共振造影劑的研究進展 ［J］. 上海師范大學學報（自然科學版）， 2022，51（4）：458?466.

YANG J X， JIAO J J. Research progress of lanthanide metal chelates as CEST MRI contrast agents ［J］.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）， 2022，51（4）：458?466.

O 614.33； R 318.6

A

1000-5137（2022）04-0458-09

（責任編輯：郁慧）