新型含钆磁共振对比剂在小鼠体内的成像研究

2020-07-25 02:28朱灵梅张文飞
分子影像学杂志 2020年3期
关键词:大分子磁共振毒性

刘 杰,朱灵梅,张文飞

1重庆北部宽仁医院放射科,重庆 401121;2重庆市渝北区人民医院放射科,重庆 401121

磁共振对比剂(MRI CAs)通过改变体内局部组织中水质子的弛豫时间,提高正常组织与病灶的成像对比度,从而使MRI能更敏感地检测微小病灶或特异性病灶[1-2]。目前,临床上多使用小分子磁共振对比剂(DTPA-Gd),其存在着弛豫率低、代谢速度快、体内循环时间短的缺陷,不足以满足临床所有诊断的需要[3-5],因此,研发新的高弛豫率、体内循环时间长的磁共振对比剂显得尤为重要。既往研究中,将小分子Gd3+基对比剂负载于大分子载体材料上获得相应的大分子Gd3+基对比剂是目前最有效的策略之一[6]。与小分子Gd3+基对比剂相比大分子Gd3+基对比剂拥有更大的尺寸[7],能够有效延缓整个分子的旋转运动,增加其旋转相关时间,从而显著提高纵向弛豫率[8-9]。然而,大分子Gd3+基对比剂在体内的长时间循环会逐渐释放出Gd3+,带来不容忽视的毒性问题,同时大分子载体材料本身的滞留沉积也存在一定的毒性风险[10-11]。为解决大分子磁共振对比剂的潜在毒性问题,本研究将小分子Gd3+螯合物通过化学键连接到生物可降解的大分子材料上面,能够在满足高纵向弛豫率和足够成像窗口时间的前提下,促进小分子Gd3+螯合物从大分子结构中快速释放出来并经肾脏排泄,可以有效避免在Gd3+体内的长时间滞留,从而显著降低其引起毒性的风险。

1 材料与方法

1.1 实验动物

选取健康的雌性BALB/c小鼠20只(8~10周,体质量20±2 g,重庆医科大学动物实验中心)。动物实验严格按照重庆医科大学实验动物护理与使用指南,并经重庆医科大学动物伦理委员会批准。

1.2 材料合成

临床医用DTPA-Gd(西安瑞禧生物科技有限公司)和大分子含钆磁共振对比剂Gd-PPF-S-CAs(重庆大学生物材料学院研制),Gd3+浓度为5.43 g/L,具有酶降解特性。

1.3 材料体外弛豫率检测

配制含不同Gd3+浓度(0~0.4 mmoL)的Gd-PPF-SCAs、DTPA-Gd水溶液。在室温下,使用GE SIGNA Creator 1.5 T MRI扫描仪的T1WI SE序列对这些溶液进行扫描,并通过它们的T1WI MR图像获取相应的1/T1值。然后作出1/T1值随Gd3+浓度变化的直线,该直线的斜率为相应对比剂的纵向弛豫率(r1)。

1.4 MRI检查

装备有小鼠线圈的临床GE SIGNA Creator 1.5 T MRI用于MR成像并采用多段单回波T1WI SE序列,其参数为:TR=400 ms,TE=14 ms,slices=12,slices gap=1.2 mm,voxel size=0.2 mm×0.2 mm×1.5 mm,FOV=60 mm。在注射对比剂前,先对正常小鼠主要代谢器官(肝、肾、膀胱)进行平扫,所得的MR成像信号强度(SI)定义为SI注射前。随机将正常Balb/C小鼠分为两组,经尾静脉分别将DTPA-Gd、Gd-PPF-S-CAs注射入小鼠体内,且Gd3+注射浓度均为0.08 mmol/kg,注射剂量为200 μL/只。分别于注射前和注射后10 min及0.5、1、2、4、8 h获取MR图像及SIs,这些SIs定义为SI注射后。MRI信号强度的相对增强值(SI%)定义为(SI注射后/SI注射前)×100%。

1.5 病理分析

按Gd3+剂量为0.08 mmol/kg MR成像剂量经尾静脉将Gd-PPF-S-CAs注射入健康雌性BALB/c(20±2 g,8~10周)小鼠体内,同时使用生理盐水作为对照。注射后24 h处死动物,解剖分离出体内一些主要器官,包括心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏,对它们进行H&E染色和组织学分析。

1.6 统计学检查

采用SPSS20.0统计软件进行分析,采用t检验比较组间差异,以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 体外弛豫率

在相同的Gd3+浓度下两组MRI对比剂的强化存在差异,肉眼观察磁共振大分子对比剂信号强度显著高于临床使用的DTPA-Gd,通过改变T1WI SE序列中的TR时间对两种对比剂进行弛豫率的测定,显示Gd-PPF-SCAs的r1值为15.43 mmoL-1s-1,约是临床用DTPA-Gd r1值(3.53 mmoL-1s-1)的5倍(图1)。

2.2 Gd-PPF-S-CAs的体内主要器官成像

尾静脉注射MRI对比剂Gd-PPF-S-CAs后,肝、肾和膀胱主要器官信号强度逐渐增加,但增强趋势各不相同(图2),注射后30 min内,肝、肾两个主要器官MRI信号强度迅速增加,肝脏在1 h达到强化峰值,增强幅度为153%;随后强化程度下降,8 h观察仍然有强化。而肾脏进入持续强化阶段,2 h达到强化峰值,增强幅度为167%,8 h后强化程度开始缓慢下降。膀胱在注射后10 min开始出现显著强化,随后进入持续强化,增强幅度为754%,8 h强化程度降低。而注射临床DTPA-Gd后,肝、肾这两个主要器官在10 min左右达到强化峰值,30 min后强化程度下降,而膀胱则在4 h时强化程度也明显下降,其MRI增强效果和成像时间明显不如Gd-PPF-S-CAs(图3)。Gd-PPF-S-CAs在肝、肾内能达到更为显著的增强效果,组织对比度高,成像窗口时间长。

2.3 病理结果

组织学分析结果显示,与生理盐水对照组相比,注射了Gd-PPF-CAs的实验组未发现对小鼠的主要器官(心、肝、脾、肺、肾)产生明显的毒性作用,也未观察到病理学异常,如坏死、萎缩、炎性浸润等(图4)。

3 讨论

将小分子Gd3+基对比剂负载于大分子载体材料上获得相应的大分子Gd3+基对比剂是目前解决小分子DTPA-Gd固有不足的有效方式之一[12],然而,大分子Gd3+基对比剂在体内的长时间循环会逐渐释放出Gd3+,带来不容忽视的毒性问题,同时大分子载体材料本身的滞留沉积也存在一定的毒性风险[13-15]。针对以上问题,在大分子结构中引入环境敏感型(pH敏感、酶敏感、氧化还原敏感等)的化学组分[16-17],赋予Gd3+基大分子对比剂良好的可生物降解性,使其在高效磁共振成像后逐渐降解为可经肾脏排泄的低相对分子质量Gd3+螯合物及其它分子碎片,从而显著降低其毒副作用[18]。针对此解决方法,本研究将小分子Gd3+螯合物通过各种可生物降解的化学键连接到可生物降解的大分子载体材料上,同时,利用人体内各组织、器官中均存在大量的酶[19],设计材料具有酶降解特性,从而实现体内物质的降解和代谢,使材料能够在显著提高MRI成像对比度的同时,有效改善含钆磁共振对比剂存在的毒性问题,促进Gd3+或有毒载体材料的代谢清除,从而降低含钆磁共振对比剂引起毒性的风险。

3.1 弛豫率分析

T1型对比剂的弛豫效能主要来源于顺磁性物质和邻近水质子之间的偶极相互作用,进而来增强MR图像的对比度[20]。这一作用范围可分为3球层:内球层内Gd3+直接与水分子配位结合,这一层对水质子弛豫速率的增加称为(1/T1)IS;第二球层(SS)内水分子与螯合物分子配位结合,这一层对水质子弛豫速率的增加称为(1/T1)SS;外球层(OS)内扩散到磁性分子附近的水分子也会发生弛豫现象,这一层对水质子弛豫速率的增加称为(1/T1)OS。T1型对比剂对水质子弛豫速率1/T1的增加为三者之和,而内球层对水质子弛豫速率的增加是最主要的[21-22]。影响(1/T1)IS的最主要因素为:直接与顺磁中心配位结合的水分子的数目、配位水分子的平均滞留时间、整个对比剂分子的旋转相关时间。通常,增加水分子数目、旋转相关时间和适当地缩短平均滞留时间都会提高水质子的弛豫率[22]。

将小分子MRI CAs负载于在大分子载体材料上,形成大分子MRI CAs,其最重要的作用就是影响旋转相关时间[23]。相比于小分子CAs,分子结构大的大分子MRI CAs产生的空间位阻大,这样可以有效延缓其分子旋转运动,从而增加旋转相关时间,最终使r1大幅增加。在本组研究中由于Gd-PPF-S-CAs有着很大的相对分子质量和水相粒径,能更有效阻碍分子的旋转运动,从而延长分子旋转相关时间,根据Solomom-Bloembergen-Morgan理论,旋转相关时间的增加会引起纵向弛豫率的提高[24]。

3.2 体内正常器官成像

Gd-PPF-S-CAs在肝、肾和膀胱这3个主要器官内能达到更为显著的增强效果,组织对比度高,成像窗口时间长,8 h观察肝脏仍有强化,分析原因主要为:(1)肝脏内含有大量的Kupffer细胞,本身对大分子有摄取,因此大分子物质具有肝脏靶向聚集作用;(2)在本研究设计的材料中,该共聚物主链含有酶敏感键,相较于其它大分子材料,Gd-PPF-S-CAs由于具有酶降解特性,可以被肝脏中的酶(如酯酶或组织蛋白酶)所降解,酶降解的速率较慢,因此增加了该对比剂的体内循环时间,保证了有效的成像窗口时间。而肾脏和膀胱的信号则从注射后开始一直持续增强,8 h观察仍有强化,以上结果说明,Gd-PPF-S-CAs能够在体内被降解并释放小分子Gd3+螯合物,并及时地经肾脏清除体外,避免了Gd3+螯合物在体内长时间的滞留所带来的潜在毒性可能,保证了实验组材料的安全性。

3.3 材料毒性分析

既往研究表明,电正性的大分子通常具有明显的细胞毒性、血液毒性以及补体激活功能,而电负性和电中性的大分子的细胞毒性则较低[25]。本研究中,注射Gd-PPF-S-CAs 24 h后观察小鼠主要器官并无损伤表现,这一结果表明Gd-PPF-S-CAs对活体动物的器官和组织无毒性作用,具有的良好的生物相容性,这与材料本身所具备的可降解性以及表面所带负性电荷性质等有关。

综上所述,Gd-PPF-S-CAs在体外具有较高的弛豫效能,在体内能够显著提高正常器官的MRI成像的对比度,并且在完成体内成像后,可被降解为可排泄的低相对分子质量碎片,显著降低因Gd3+滞留体内而引发毒性的风险。

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