釓類造影劑的研究進展

段二月　馬建功　程　鵬

（南開大學化學學院，天津300071）

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·今日化學·

釓類造影劑的研究進展

段二月馬建功程鵬*

（南開大學化學學院，天津300071）

從釓螯合物造影劑的原理、條件、研究進展、以及提高其弛豫效率的方法4個方面進行介紹與總結(jié)；在研究進展方面，著重介紹了熒光、生物敏感造影劑；并且從酶活性、金屬離子活性、pH活性3個方面對生物敏感造影劑進行了論述。

釓造影劑；原理；弛豫效率；生物活性；熒光探針

1973年，Lauterbur［1］和Mansfield發(fā)明了磁共振成像技術(shù)（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI），并獲得了諾貝爾生物醫(yī)學獎。磁共振成像技術(shù)可以對內(nèi)部組織進行檢測，是一種非入侵性的成像方式，由于其圖像分辨率高，對人體組織尤其是軟組織有很高的對比度，并且對人體不會造成損害，已經(jīng)在世界各地的醫(yī)院進行應用［2］。

磁共振成像技術(shù)主要原理在于利用原子核的磁共振效應。在外加磁場下，原子核會由低能級激發(fā)到高能級，然后回到初始狀態(tài)，而原子核由高能級回到低能級的過程叫做弛豫，弛豫分為縱向弛豫和橫向弛豫。縱向弛豫從0恢復到最大值的63%的時間為t1，稱為縱向弛豫時間，縱向弛豫也叫做自旋-晶格馳豫，如圖1A所示；宏觀橫向弛豫從最大值衰減到最大值的37%的時間為t2，如圖1B所示，稱為橫向弛豫時間，橫向弛豫也叫做自旋-自旋馳豫。而弛豫速率則是t1或者t2的倒數(shù)，單位為s-1［3］。

在人體中存在大量的水以及有機物，所以氫核的共振信號要比其他元素高，因此在進行檢測時一般是測質(zhì)子的磁共振現(xiàn)象。MRI圖像的明暗程度與核磁信號強度有很大的關(guān)系，信號強度越大，圖像越明亮；反之，則越暗。一般來說t1越短，共振信號越強，圖像越亮；t2越短，共振信號越弱，圖像越暗。MRI圖像的分辨率主要與組織內(nèi)水的含量有關(guān)，根據(jù)體內(nèi)的水與組織中水的含量不同，不同器官組織顯示不同的圖像，因此可以通過磁共振技術(shù)，檢查出病變組織。

圖1　t1（A）和t2（B）的示意圖

但是人體內(nèi)有部分組織器官與病變組織之間水分子的含量相差不多，需要較長的測試時間，但是成像效果并不好，不能有效地進行檢測。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)，加入某種順磁物質(zhì)后，不僅圖像的清晰度增加，而且成像時間也明顯縮短。人們把這類可以縮短成像時間、提高成像對比度的成像增強對比劑，叫做造影劑。它主要通過改變體內(nèi)局部組織中水質(zhì)子的弛豫速率，提高正常組織與患病部位的成像對比度，從而顯示體內(nèi)器官的功能狀態(tài)。造影劑的研究發(fā)展極大地促進了磁共振技術(shù)的應用。

造影劑進入人體后，t1和t2都會發(fā)生改變，但是不同造影劑的作用效果不同，某些造影劑主要縮短t2，使病變部分變暗，這類稱為t2造影劑，也叫做陰性造影劑，包括鐵磁性和超磁性造影劑。同理，主要縮短t1，使病變部分變亮的造影劑稱為t1造影劑，也叫做陽性造影劑，順磁性物質(zhì)都屬于t1造影劑。t1造影劑的對比效果更明顯，主要包括釓類造影劑、錳類造影劑、富勒烯類造影劑等。本文主要對Gd類造影劑進行介紹。

在磁造影方面，Gd類造影劑的研究發(fā)展最為迅速，有著重要的地位。Gd（III）最外層有7個未成對電子，與其他元素相比，孤電子數(shù)目最多，電子的誘導作用最強，因此弛豫時間較長，有較大的優(yōu)勢。因此釓元素是人們研究最多的元素，目前在臨床應用的造影劑也大都是釓的造影劑。

1　釓螯合物造影劑的作用原理

釓螯合物作為典型的造影劑，主要是用來縮短t1值，因為在不加造影劑的情況下，某些正常組織的t1與病變組織的t1相差不大，圖像分辨率不夠，不能進行診斷。如胰的t1值為140-170，胰腺瘤的t1值為275-400；腎的t1值為300-340，腎癌的t1值為400-450［2］。造影劑的加入可以縮短t1值，增強正常組織與病變組織之間的差異，提高圖像的分辨率。釓造影劑本身不會產(chǎn)生信號，通過改變周圍水分子的弛豫時間來達到造影效果。

所觀察到的縱向弛豫速率（1/t1，obs）由兩部分組成，即抗磁磁化率（1/t1，d，是在沒有順磁性物質(zhì)時的縱向弛豫速率）和順磁磁化率（1/t1，p，是由順磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁化速率），如式（1）所示［3］。

在溶液中，以弛豫速率為縱坐標對造影劑濃度作圖，其斜率即為造影劑的弛豫效率，觀察到的弛豫效率與順磁性物質(zhì)的濃度成正比，如式（2）所示，弛豫效率是評價造影劑性能的主要參數(shù)之一。影響順磁性物質(zhì)弛豫效率r1的因素主要是內(nèi)配層（IS）水分子（通過氧原子直接與金屬配位）弛豫效率，外配層（SS）水分子（通過氫鍵與金屬鍵連）弛豫效率，以及外層（OS）水分子（只有金屬發(fā)生擴散作用，沒有化學變化）弛豫效率，見式（3）。式（4）中q表示內(nèi)配位水分子數(shù)，［CA］表示順磁性造影劑的濃度，t1M表示與金屬直接配位的水分子的縱向弛豫時間，τm是與金屬相連的水分子的停留時間（滯留時間）［3，4］。

但是在多數(shù)情況下，t1M遠遠大于τm，所以式（4）也可以寫成式（6），在場強大于0.25 T時，標量耦合的影響也會變得很小，可以忽略，則式（5）可以簡寫成式（7），同時在磁場強度大于1.5 T時，t1e的貢獻也可以忽略，所以式（8）可以簡寫成式（9）。其中表示標量耦合馳豫時間，表示偶極-偶極馳豫時間，ωL表示的是質(zhì)子的拉莫爾頻率（42.58 MHz·T-1），τc1是核運動快慢的特征相關(guān)時間，t1e表示的是電子自旋弛豫時間，τR表示的是分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間［3-5］。

2　釓螯合物應具備的特征

2.1弛豫效率高

為了能更好地提高顯像效果，要求所用的釓類造影劑可以提高病變部分被測核的弛豫效率。弛豫效率是釓造影劑合成并應用的一個重要指標。影響弛豫效率的因素有很多，外在因素包括溫度和螯合物的濃度等，內(nèi)在因素如螯合物的結(jié)構(gòu)特點等都會對弛豫效率產(chǎn)生影響，其中水分子的交換速率、內(nèi)配位水分子數(shù)和旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間是主要的影響因素。因此在保證化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，降低水分子的交換速率、增加內(nèi)配位水分子數(shù)以及增大旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間是提高弛豫效率的重要方法，在下文中將會進行比較詳細的介紹［6］。

2.2在體內(nèi)穩(wěn)定、低毒

造影劑需要作用于人體內(nèi)，因此首要條件必須保證其安全性。Gd（III）最外層有7個未成對電子，具有較長的電子弛豫時間，但是游離的Gd（III）具有很高的毒性，可以取代生物體內(nèi)很多肽鏈和生物酶上的Ca（II）離子，從而抑制它們的功能，因此游離的Gd（III）不能單獨做造影劑。為了降低其毒性，將游離Gd（III）與螯合劑（主要是二乙基三胺五乙酸（DTPA）、1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7，10-四乙酸（DOTA）及兩者的衍生物）反應形成穩(wěn)定的螯合物，這些螯合物在人體內(nèi)不易解離，毒性降低。Gd-DTPA與Gd-DOTA的結(jié)構(gòu)分別如圖2A和圖2B所示。

造影劑進入人體后，人體內(nèi)的金屬離子尤其是鋅離子，會取代少量Gd（III）與配體結(jié)合，使Gd（III）成為游離態(tài)，因此這些造影劑不僅要具有熱力學穩(wěn)定性，還要具有動力學穩(wěn)定性，其中Gd-DOTA的動力學穩(wěn)定性相對較高［7］。

圖2　Gd-DTPA（A）和Gd-DOTA（B）的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3具有靶向性

造影劑進入人體后會改變周圍質(zhì)子的弛豫效率，使信號增強。理想的造影劑進入人體后能夠選擇性分布，主要集中在病變組織，使靶組織的被測核的弛豫效率顯著增強，增強顯像效果。

然而目前臨床造影劑大都不具有專一性，造影技術(shù)主要用在腦、腎和血液的檢查方面，對肝膽的選擇性很低。因此可以向釓造影劑引入疏水基團，如苯基或者脂類物質(zhì)，這樣可以增強其親脂性，從而提高肝臟成像效果［8］。

另外，可以使造影劑與靶向細胞表面的物質(zhì)進行特異性結(jié)合。例如某些病變細胞在其表面有大量的單糖唾液酸殘基，它的多少與病變組織的惡化程度有很大關(guān)系，目前對單糖唾液酸殘基的檢查是通過切片觀察，這種方法有一定的局限性。根據(jù)硼酸與單糖唾液酸殘基上的醇能夠特異性結(jié)合的特點，Djanashvili等［9］設計了一種可以識別單糖唾液酸殘基病變細胞的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將Tb-DTPA-雙胺與硼酸結(jié)合在一起，可以與單糖唾液酸殘基的醇進行特異性結(jié)合，從而達到檢查的目的。

2.4易排出體外

造影劑的毒性與其排出體外的速率有關(guān)，在人體內(nèi)存在一定的時間達到檢測要求后，要易于排出體外，否則在人體內(nèi)累積，時間久了就會使人中毒。

而通過改變配合物的結(jié)構(gòu)則可以使其通過不同的途徑排出體外。例如：一些親水性的小分子螯合物一般由腎臟排出；親脂性高的螯合物大部分通過肝膽排出體外；既有親水性又有親脂性的螯合物則由腎、肝、膽選擇性排出。

2.5水溶性好

造影劑以靜脈注射為主要的給藥方式，因此要求其有較好的水溶性。造影劑的水溶性應該在0.5 mol·L-1（人體血漿的滲透壓和粘度的近似值）左右。

3　影響弛豫效率的因素及提高弛豫效率的方法

理論上，在磁場強度為0.5 T時，只含有一個內(nèi)配水的Gd（III）螯合物的弛豫效率大約為100 L·mmol-1·s-1，但是目前臨床應用的釓造影劑弛豫效率僅在5 L·mmol-1·s-1左右，因此有很大的可提升空間。

3.1旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間

影響弛豫效率的最關(guān)鍵因素是旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間，即τR。在溶劑中相對分子質(zhì)量較大的物質(zhì)的τR較長，而小分子Gd（III）螯合物的τR在100 ps左右，要遠遠低于理想值［10］。因此，現(xiàn)在的研究熱點就是如何增大造影劑的相對分子質(zhì)量，大多是將釓的螯合物與大分子（例如蛋白質(zhì)、糖類以及脂類等）結(jié)合以增大相對分子質(zhì)量。

用人體的血清蛋白（HSA）修飾Gd-DTPA的衍生物MS-325（圖3A），其弛豫效率從6.84 L·mmol-1·s-1增大至15.2 L·mmol-1·s-1，弛豫效率大大增加［11］。此外，Chang等［12］設計了一種造影劑Bz-CB-TTDA（圖3B），雖然此化合物對HSA的親和性沒有MS-325強，但是在20 MHz的條件下，Bz-CB-TTDA的弛豫效率為66.7 L·mmol-1·s-1，而MS-325為47 L·mmol-1·s-1，弛豫效率明顯提高。

圖3　MS-325（A）和Bz-CB-TTDA（B）的結(jié)構(gòu)示意圖

需要注意的是，在增加τR的時候，要盡可能不使水的交換速率降低，水交換速率太慢，也會影響弛豫效率，因此相對分子質(zhì)量要適中。

3.2配位水的滯留時間

影響弛豫效率的第二個因素是配位水的滯留時間τm，也可以稱作配位水分子的交換速率的倒數(shù)（kex）。由于在人體內(nèi)，質(zhì)子的交換時間是由水分子的交換時間決定的，因此水的滯留時間決定了質(zhì)子的弛豫時間。

t1值的一個主要影響因素是配位水分子數(shù)，在一定程度上，如果配位水與周圍游離水的交換速率越快，弛豫效率也就越高，獲得圖像的分辨率也會相應增強。但是如果水的交換速率過快，配位水與Gd（III）之間的反應時間不足，則難以使弛豫效果達到最好；同樣，如果水的滯留時間過長，當弛豫結(jié)束后，水依然與釓（III）結(jié)合，則使弛豫效率降低。所以水的滯留時間也要適中。水的解離速度是影響水交換速率的一個關(guān)鍵因素，而其解離需要很高的活化勢能。因此，如果可以減弱Gd（III）和水的氧原子之間的鍵能，則可以增加水的交換速率。同時，也要考慮τR的影響，綜合以上因素，在臨床磁強度（1-3 T）時，造影劑最佳的τm應該為10-20 ns［13，14］。

3.3內(nèi)層配位水分子數(shù)

影響弛豫效率的第三個因素是與Gd（III）直接配位的水分子數(shù)，即q。內(nèi)配位水分子數(shù)與弛豫效率之間呈線性關(guān)系，可以顯著提高t1值，內(nèi)配位水分子數(shù)量越多，弛豫效率就越高。目前臨床應用的釓螯合物都為Gd-DTPA和Gd-DOTA及其衍生物，q值均為1［15］。如果q值越大，Gd（III）與螯合劑之間的配位數(shù)就會相對減少，這樣就導致螯合物的穩(wěn)定性降低，增大了其毒性。因此一定要在保證化合物穩(wěn)定的前提下，增加內(nèi)配位水分子數(shù)。在此基礎上，Livramento等［16］和Aime等［17］設計合成了一些含有較多內(nèi)配位水分子數(shù)、穩(wěn)定性較高并且弛豫效率較好的配合物。

4　釓的螯合物造影劑的研究進展

MRI技術(shù)開始在醫(yī)學上使用后，造影劑也開始慢慢地發(fā)展起來。最早研究的造影劑是EDTA的配合物，對Fe（III）、Mn（II）、Co（II）、Ni（II）等順磁性金屬的EDTA的配合物進行了研究。隨著對影響弛豫效率因素的探索，釓（III）以其優(yōu)勢吸引了很多研究者，對釓螯合物的合成與研究也成為熱點。

4.1小分子釓螯合物

1983年，Gd-DTPA最先應用于臨床研究，隨后釓的一系列螯合物也開始應用，主要是Gd-DTPA和Gd-DOTA的衍生物。研究者對Gd-DTPA進行修飾，合成了很多的Gd-DTPA的衍生物，如Omniscan、Primovist、MultiHance、OptiMARK等（表1），這些也用于臨床研究。Gd-DOTA具有很高的穩(wěn)定性，因此在人體內(nèi)能夠穩(wěn)定存在，其衍生物ProHance、Gadovist氨基等也已經(jīng)在臨床上開始使用［18-23］（表2）。

由表1和表2可知，目前用于臨床的釓小分子造影劑弛豫效率在3.5-5.5 L·mmol-1·s-1之間，弛豫效率比較低，因此還有很大的改善空間。在上文中我們已經(jīng)知道弛豫效率與旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間有關(guān)，而分子體積的增大可以有效地增大旋轉(zhuǎn)相關(guān)時間，因此用大分子對Gd-DTPA和Gd-DOTA進行修飾以提高弛豫效率，在這方面也取得了較大的進展。

表1　臨床應用的Gd-DTPA類造影劑的商用名稱、配體結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量和弛豫效率

表2　臨床應用的Gd-DOTA類造影劑的商用名稱、配體結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量和弛豫效率

4.2大分子釓螯合物

小分子造影劑滲透壓偏高，弛豫效率較低，因此人們開始用一些大的基團對小分子造影劑進行修飾。近年來對t1類造影劑的研究主要集中在對Gd-DTPA和Gd-DOTA這兩種物質(zhì)的修飾上。將其與單克隆抗體、血紅細胞、血清白蛋白、多糖、激素和聚氨基酸等天然大分子材料及人工合成的生物可相容高分子相結(jié)合，可以有效地增大體積，降低分子的旋轉(zhuǎn)速率，提高弛豫效率。同時由于大分子本身的特點，向大分子中引入對人體某一組織器官具有親和性的基團，還能增強選擇性或靶向性。

在這方面研究最早的是單克隆抗體［24］，但是由于其不穩(wěn)定性，并且進入人體中會引起一些免疫反應等因素限制了它的應用。此后人們開始對一些天然分子材料進行研究。Sun等［25］和Aime等［26］分別將HSA（人體血清蛋白）與Gd-DTPA和Gd-DOTA相連接，得到了高弛豫效率的造影劑。脂質(zhì)體可以提高造影劑在病變部位的濃度，并且可以有效地實現(xiàn)藥物釋放，將二酞胺四乙酸單豆蔻酸乙酯、依地二酞胺四乙酸雙豆蔻酸乙酯以及DTPA的衍生物與脂質(zhì)體連接，可以使弛豫效率大大提高［27-29］。另外，以糖類作為載體的造影劑，其研究主要集中在葡萄糖上［30，31］。

但是大分子在人體內(nèi)代謝較慢，在臨床上的應用上也具有局限性，人們開始研究在人體內(nèi)可降解的大分子造影劑。如將二硫鍵合單元、聚乳酸等可生物降解組分引入大分子釓配合物中，此類造影劑以大分子的形式進入體內(nèi)，在脈管系統(tǒng)和腫瘤組織處形成很好的造影效果之后，在體內(nèi)可較快、較容易地分解為小分子并快速排出體外［32，33］。

聚乳糖可以分解為H2O和CO2，利用這一特點，Zhang等［34］將聚乳酸引入Gd-DTPA的衍生物中，所形成的造影劑弛豫效率為7.9 L·mmol-1·s-1。由于大分子體內(nèi)的生物降解過程極其復雜，此類造影劑在臨床上的應用還有待深入研究。

4.3雙功能造影劑

近年來，一些新型的造影劑相繼被合成，雙功能造影劑的合成及研究逐漸成為熱點。

4.3.1熒光造影劑

熒光探針是生物學上一種微量的檢測方法，可將熒光活性基團引入釓造影劑中，制備含有熒光探針的造影劑。

例如，對姜黃素修飾的Gd-DTPA進行熒光檢測不僅可以選擇性地識別β-淀粉樣蛋白斑（阿爾茨海默氏病的標志物之一），而且在磁場強度為1.4 T、溫度為37°C時，在pH為7.4的緩沖溶液中，其弛豫效率高達13.63 L·mmol-1·s-1，遠遠高于Gd-DTPA的弛豫效率。上述配合物在檢測神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面具有較好的優(yōu)勢，但是在合適的濃度范圍內(nèi)，該配合物無法穿越血腦障礙，限制了其在臨床上的應用。

Jang等［35］設計了一類造影劑（圖4），在沒有Cu（II）的存在時，在Gd（III）濃度為0.2 mmol·L-1時，弛豫效率為2.01 L·mmol-1·s-1，隨著Cu（II）的加入，由于配位水分子數(shù)增多，弛豫效率逐漸增大，當Cu（II）的濃度為Gd（III）的2倍時，弛豫效率增大至4.01 L·mmol-1·s-1（這比現(xiàn)有的銅造影劑要大得多）。這可能是因為加入的Cu（II）與羧基氧結(jié)合，使Gd（III）可以與游離的水分子結(jié)合，增加了q，弛豫效率增大。此外，實驗證明，人體內(nèi)其他離子如Ca（II）、Na（I）、K（I）、Zn（II）對其弛豫效率沒有影響。在熒光性能測試中，由圖5可以看出Zn（II）的加入沒有改變其熒光強度，而隨著Cu（II）的加入熒光強度逐漸減弱，也進一步證實了Cu（II）會與羧基氧配位。

圖4　Jang等［35］設計的造影劑結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　不同Cu（II）、Zn（II）濃度下的t1加權(quán)成像和熒光成像情況［35］

在加入一些發(fā)光基團的基礎上，現(xiàn)在很多研究者也致力于加入一些金屬離子。2010年，Song等［36］將鋅卟啉化合物與Gd-DO3A結(jié)合在一起，合成了一類造影劑。由于鋅卟啉的存在，在近紅外區(qū)出現(xiàn)了激發(fā)波長，同時弛豫效率也顯著增大，在A、B、C 3個化合物中每個Gd（III）的弛豫效率分別為4.2 L·mmol-1·s-1、10.5 L·mmol-1·s-1、12.8 L·mmol-1·s-1，即3個造影劑的弛豫效率分別為4.2 L·mmol-1·s-1、42 L·mmol-1·s-1、102.4 L·mmol-1·s-1。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　鋅卟啉結(jié)合Gd-DO3A造影劑的結(jié)構(gòu)示意圖［36］

在圖7所示的結(jié)構(gòu)中，TiGd3金屬配合物在380 nm的激發(fā)波長下，在400-750 nm處有一個寬的發(fā)射光譜，并且在490 nm處發(fā)射強度最強，由于τR的增大，弛豫效率有所增加，每個Gd（III）的弛豫效率為12.3 L·mmol-1·s-1，整個化合物的弛豫效率達到了36.9 L·mmol-1·s-1［37］。EuGd3金屬配合物也表現(xiàn)出了弛豫性能和熒光性能，在615 nm處有一個比較尖銳的峰，在磁場強度為0.47 T、溫度為37°C時，弛豫效率達到了28.8 L·mmol-1·s-1［38］。RuGd3在525-850 nm處有一個寬的發(fā)射光譜，并且在610 nm處發(fā)射強度最強。在0.47 T和37°C時，其弛豫效率為36 L·mmol-1·s-1［39］。

4.3.2具有生物活性的釓造影劑

人體內(nèi)的一些生化過程發(fā)生改變時，可能會引起一些疾病。基于此，很多可以對生化條件作出反應的造影劑開始被設計與合成，即存在某種刺激的時候，造影劑的弛豫效率就會顯著增強。這類造影劑可以對多種刺激作出反應，例如離子濃度、酶活性、溫度以及pH等，并且可以通過不同的機理進行激活。

首例該類造影劑是酶活性造影劑。Meade等［40-43］是研究這一工作的先驅(qū)，報道了第一例該類型的造影劑Egad。隨后為研究結(jié)構(gòu)對弛豫性能的影響，陸續(xù)合成了一系列該類造影劑（圖8），在釓螯合物和葡萄糖的不同連接處多了一個甲基，但是他們的弛豫效率都比Egad增大40%-50%，并且α-Egad 和β-Egad的弛豫效率也不同，可以看出微小的結(jié)構(gòu)差異對弛豫效率也有很大的影響。

Wang等［44］設計合成了Gd-DOTA-FPG，其結(jié)構(gòu)如圖9A所示。在β-半乳糖苷酶的條件下很容易解離，會形成易于和HSA（人體血清蛋白）結(jié)合的結(jié)構(gòu)，生成相對分子質(zhì)量更大的結(jié)構(gòu)（圖9B），有效地增加了τR，弛豫效率有很大提高，由7.6 L·mmol-1·s-1增大至15.5 L·mmol-1·s-1。

與Wang課題組類似，Hanaoka等［45］也設計合成了一例β-半乳糖苷酶活性造影劑（圖10A），在β-半乳糖苷酶不存在時，其對HSA沒有親和性；反之，隨著酶的加入，該配合物去掉β-半乳糖，生成的結(jié)構(gòu)疏水性增強，HSA很容易與其結(jié)合（圖10B），由于HSA的連入，使弛豫效率由6 L·mmol-1·s-1提高為9.5 L·mmol-1·s-1。在β-半乳糖的存在下，圖10A中的化合物很容易解離，解離后的結(jié)構(gòu)能與HSA很快結(jié)合，τR、弛豫效率都有所增加。

圖7　TiGd3（A）、EuGd3（B）和RuGd3（C）金屬配合物的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8　Egad（A）、α-Egad（B）和β-Egad（C）的結(jié)構(gòu)示意圖

圖9　Gd-DOTA-FPG的結(jié)構(gòu)示意圖

圖10　β-半乳糖苷酶活性造影劑

人體內(nèi)一些離子濃度的改變也能引起疾病，因此通過造影劑檢測體內(nèi)的離子濃度變化是十分必要的，Meade等［46，47］合成了第一例此類型的造影劑Gd-DOPTA（圖11A）。該螯合劑是用鈣螯合劑1，2-雙（2-氨基苯氧基）-乙烷-N，N，N?，N?-四乙酸（BAPTA），將兩個Gd-DO3A連接到一起。在沒有鈣離子時，BAPTA中的羧基氧與Gd（III）結(jié)合，無配位水。當Ca（II）濃度增大時，與BAPTA結(jié)合，Gd（III）則可以與水結(jié)合，如圖11B所示，該過程在Ca（II）的生理濃度下就可以完成，Ca（II）的濃度為0.1-10 μmol·L-1（生理相關(guān)濃度）時，Ca（II）敏感劑DOPTA-Gd的弛豫效率增大75%。隨后，很多Ca（II）活性探針也相繼被合成，Peters等［48］設計合成了一種造影劑，該造影劑可以通過金屬Ca（II）聚合，增大了τR，弛豫效率也有效地增大。

圖11　Gd-DOPTA造影劑結(jié)構(gòu)示意圖

近年來，很多Zn（II）活性探針也相繼被合成，Meade等［49］也設計合成了一系列Gd-daa-n配合物（圖12A）。與鈣敏感的Gd-DOPTA類似，在Zn（II）不存在條件下，Zn（II）親和基團上的羧基氧與Gd（III）結(jié)合，阻止了水分子與Gd（III）的配位；而Zn（II）存在時，其弛豫效率的大小與n值有關(guān)，Gd（III）可與水分子結(jié)合，q增大，弛豫效率由2.5 L·mmol-1·s-1升至7.8 L·mmol-1·s-1。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當n=4或者5的時候弛豫效率較高，當n太小或太大的時候都不利于提高弛豫效率。

圖12　Gd-daa-n配合物結(jié)構(gòu)示意圖

Sherry等［50］設計合成的Gd-DOTA-diBPEN（圖13），其中兩個吡啶甲基胺與Zn（II）有很密切的聯(lián)系。在沒有Zn（II）的條件下，Gd-DOTA-diBPEN不能與HAS相結(jié)合，但是在Zn（II）存在的條件下，可以很容易與HAS相結(jié)合，有效增大了τR，弛豫效率也相應地由原來的5.0 L·mmol-1·s-1增大至17.4 L·mmol-1·s-1，弛豫效率增大了150%以上。另外該螯合劑能與Zn（II）快速結(jié)合，在檢測人體內(nèi)鋅離子的濃度變化方面有很大的潛力。

圖13　Gd-DOTA-diBPEN結(jié)構(gòu)示意圖

此外，銅離子［51-53］和鐵離子［54-56］活性造影劑也陸續(xù)被合成，其中CG2、CG3和CG7對銅離子具有很高的活性，對人體內(nèi)的其他離子無影響。

pH活性造影劑最典型的是基于多聚鳥氨酸的配合物，該造影劑包含114個鳥氨酸，其中有30個與Gd（III）-DO3A相連。當pH較小時，鳥氨酸中游離的氨基質(zhì)子化，整個結(jié)構(gòu)中局部可以轉(zhuǎn)動（圖14A）；當pH較大的時候，這些游離的氨基去質(zhì)子化，并且形成分子內(nèi)氫鍵，整個結(jié)構(gòu)變成剛性（圖14B），τR增大，所以弛豫效率相應地由23 L·mmol-1·s-1增大至32 L·mmol-1·s-1。由此可見，該造影劑的弛豫效率對pH具有依賴性［57］。

圖14　基于多聚鳥氨酸的pH活性造影劑

Sherry等［58］用磷酸修飾Gd-DOTA（圖15），由于磷酸的質(zhì)子化會改變水交換的速率，因此當pH從9降至6時，其弛豫效率從3.8 L·mmol-1·s-1迅速增至9.9 L·mmol-1·s-1。其原因可能是磷酸質(zhì)子化會形成氫鍵，而這些氫鍵有利于提高水分子的交換速率，因此弛豫效率大大提高。

圖15　磷酸修飾的Gd-DOTA結(jié)構(gòu)示意圖

5　結(jié)語

釓螯合物的應用發(fā)展極大地促進了核磁造影技術(shù)的發(fā)展，但是目前應用于臨床的造影劑弛豫效率并不高，選擇性與生物兼容性也有待加強。多功能造影劑的合成為這一研究領(lǐng)域開辟了新的途徑，但是由于種種原因還是不能用于臨床，因此研制新的理想的造影劑仍是比較熱門的研究課題。

［1］Lauterbur，P.C.Nature 1973，242（5394），190.

［2］Caravan，P.Chem.Soc.Rev.2006，35（6），512.

［3］劉東華，李顯耀，孫朝暉.大學物理，1997，16（10），36.

［4］Bloembergen，N.；Morgan，L.O.J.Chem.Phys.1961，34（3），842.

［5］Lauffer，R.B.Chem.Rev.1987，87（5），901.

［6］Caravan，P.；Ellison，J.J.；McMurry，T.J.；Lauffe，R.B.Chem.Rev.1999，99（9），2293.

［7］Simone，H.；Klaus，R.Chem.Ber.1999，126（4），869.

［8］Karabulut，N.；Elmas，N.Interv.Radiol.2006，12（1），22.

［9］Djanashvili，K.；Hagen，T.L.M.；Blangé，R.；Schipper，D.；Peters，J.A.；Koning，G.A.Bioorg.Med.Chem.2011，19（3），1123.

［10］Caravan，P.；Farrar，C.T.；Frullano，L.；Uppal，R.Media Mol.Imaging 2009，4（2），89.

［11］Caravan，P.；Cloutier，N.J.；Greenfield，M.T.；McDermid，S.A.；Dunham，S.U.；Bulte，J.W.M.；Amedio，J.C.，Jr.；Looby，R.J.；Supkowski，R.M.；Horrocks，W.D.，Jr.；McMurry，T.J.；Lauffer，R.B.J.Am.Chem.Soc.2002，124（12），3152.

［12］Chang，Y.H.；Chen，C.Y.；Singh，G.；Chen，H.Y.；Liu，G.C.；Goan，Y.G.；Aime，S.Inorg.Chem.2011，50（4），1275.

［13］Sherry，A.D.；Wu，Y.Chem.Biol.2013，17（2），167.

［14］Aime，S.；Barge，A.；Botta，M.；de Sousa，A.S.；Parker，D.J.Am.Chem.Soc.1998，37（19），2673.

［15］Helm，L.；Merbach，A.E.Chem.Rev.2005，105（6），1923.

［16］Livramento，J.B.；Helm，L.；Sour，A.；Neil，C.O.；Merbach，A.E.；Toth，E.Dalton Trans.2008，9（9），1195.

［17］Briley-Saebo，K.C.；Geninatti-Crich，S.；Cormode，D.P.；Barazza，A.；Mulder，W.J.M.；Chen，W.；Giovenzana，G.B.；Fisher，E.A.；Aime，S.；Fayad，Z.A.J.Phys.Chem.B 2009，113（18），6283.

［18］Hernandez，G.；Tweedle，M.F.；Brynt，R.G.Inorg.Chem.1990，29（25），5109.

［19］Kabalka，G.W.；Davis，M.A.；Holmberg，E.；Maruyama，K.；Huang，A.L.Magn.Reson.Imaging 1991，9（3），373.

［20］Sherry，A.D.；Cacheris，W.P.；Kuan，K.T.Magn.Reson.Med.1988，8（2），180.

［21］Disehino，D.D.；Delaney，E.J.；Emswiler，J.E.；Gaughan，G.T.；Prasad，J.S.；Srivastava，S.K.Inorg.Chem.1991，30（6），1265.

［22］Aime，S.；Anelli，P.L.；Botta，M.；Fedeli，F(xiàn).；Grandi，M.；Paoli，P.Inorg.Chem.1992，31（12），2422.

［23］Turoski，P.N.；Rodger，S.J.；Searrow，R.C.；Raymond，K.N.Inorg.Chem.1988，27（3），474.

［24］Hnatowieh，D.J.；Layne，W.W.；Childs，R.L.；Lanteigne，D.；Davis，M.；Griffin，T.；Doherty，P.Science 1983，220（4597），613.

［25］Sun，M.Y.；Wang，Z.H.；CarPenter，P.M.；Lao，X.；Muhler，A.；Nalcioglu，O.J.Magn.Reson.Imag.1999，9（2），177.

［26］Aime，S.；Botta，M.；Crieh，S.G.；Giovenzana，G.B.；Pagliarin，R.；Piccinini，M.；Sisti，M.；Terreno，E.Biol.Inorg.Chem.1997，2（4），470.

［27］徐月紅，徐蓮英.中國藥學雜志，2002，37（8），569.

［28］Kabalka，G.W.；Davis，M.A.；Moss，T.H.；Buonocor，E.；Hubne，K.；Holmbe，E.；Maruyam，K.；Huang，A.L.Magn.Reson.Medicine 1991，19（2），406.

［29］Kim，S.K.；Pohost，G.M.；Elgavish，G.A.Magn.Reson.Medicine 1991，22（1），57.

［30］Sun，G.Y.；Feng，J.H.；Jing，F(xiàn).Y.；Pei，F(xiàn).K.；Liu，M.L.J.Magn.Magn.Mater.2003，265（2），123.

［31］Rongved，P.；Klaveness，J.Carbohyd.Res.1991，214（2），315.

［32］Lu，Z.R.；Wang，X.；Parker，D.L.；Goodrich，K.C.；Buswell，H.R.Bioconjugate Chem.2003，14（4），715.

［33］Lu，Z.R.；Wu，X.M.Isr.J.Chem.2010，50（2），220.

［34］Zhang，G.D.；Zhang，R.；Wen，X.X.；Li，L.；Li，C.Biomacromolecules 2008，9（1），36.

［35］Jang，J.H.；Bhuniya，S.；Kang，J.；Yeom，A.；Hong，K.S.；Kim，J.S.Org.Lett.2013，15（18），4702.

［36］Song，Y.；Zong，H.；Trivedi，E.R.；Vesper，B.J.；Waters，E.A.；Barrett，A.G.M.；Radosevich，J.A.；Hoffman，B.M.；Meade，T.G. Bioconjugate Chem.2010，21（12），2267.

［37］Dehaen，G.；Eliseeva，S.V.；Kimpe，K.；Laurent，S.；Elst，L.V.；Muller，R.N.；Dehaen，W.；Binnemans，K.；Parac-Vogt，T.N.Chem.Eur. J.2012，18（1），293.

［38］Boulay，A.；Laine，S.；Leygue，N.；Benoist，E.；Laurent，S.；Elst，L.V.；Muller，R.N.；Mestre-Voegtle B.；Picard，C.Tetrahedron Lett. 2013，54（39），5395.

［39］Dehaen，G.；Eliseeva，S.V.；Verwilst，P.；Laurent，S.；Elst，L.V.；Muller，R.N.；Muller，R.N.；Borggraeve，W.D.；Binnemans，K.；Parac-Vogt，T.N.Inorg.Chem.2012，51（16），8775.

［40］Moats，R.A.；Fraser，S.E.；Meade，T.J.Angew.Chem.Int.Edit.1997，36（7），726.

［41］Louie，A.Y.；Huber，M.M.；Ahrens，E.T.；Rothb?cher，U.；Moats，R.；Jacobs，R.E.；Fraser，S.E；Meade，T.J.Nat.Biotechnol.2000，18 （3），321.

［42］Urbanczyk-Pearson，L.M.；Femia，F(xiàn).J.；Smith，J.；Parigi，G.；Duimstra，J.A.；Eckermann，A.L.；Luchinat，C.；Meade，T.J.Inorg.Chem. 2008，47（1），56.

［43］Urbanczyk-Pearson，L.M.；Meade，T.J.Nat.Protoc.2008，3（3），341.

［44］Chang，Y.T.；Cheng，C.M.；Su，Y.Z.；Lee，W.T.；Hsu，J.S.；Liu，G.C.；Cheng，T.L.；Wang，Y.M.Bioconjugate Chem.2007，18（6），1716.

［45］Hanaoka，K.；Kikuchi，K.；Terai，T.；Komatsu，T.；Nagano，T.Chem.Eur.J.2008，14（3），987.

［46］Li，W.H.；Fraser，S.E.；Meade，T.J.J.Am.Chem.Soc.1999，121（6），1413.

［47］Li，W.H.；Parigi，G.；Fragai，M.；Luchinat，C.；Meade，T.J.Inorg.Chem.2002，41（15），4018.

［48］Kubícek，V.；Vitha，T.；Kotek，J.；Hermann，P.；Elst，L.V.；Muller，R.N.；Lukes，I.；Peters，J.A.Contrast Media Mol.Imaging 2010，5 （5），294.

［49］Matosziuk，L.M.；Leibowitz，J.H.；Heffern，M.C.；MacRenaris，K.W.；Ratner，M.A.；Meade，T.J.Inorg.Chem.2013，52（21），12250.

［50］Esqueda，A.C.；Lopez，J.A.；Andreu-de-Riquer，G.；Alvarado-Monzon，J.C.；Ratnakar，J.；Lubag，A.J.M.；Sherry，A.D.；Leon-Rodriguez，L.M.D.J.Am.Chem.Soc.2009，131（32），11387.

［51］Que，E.L.；Chang，C.J.Chem.Soc.Rev.2010，39（1），51.

［52］Que，E.L.；Gianolio，E.；Baker，S.L.；Wong，A.P.；Aime，A.M.；Chang，C.J.J.Am.Chem.Soc.2009，131（24），8527.

［53］Que，E.L.；Gianolio，E.；Baker，S.L.；Aime，S.；Chang，C.J.Dalton Trans.2010，39（2），469.

［54］Livramento，J.B.；Toth，E.；Sour，A.；Borel，A.；Merbach，A.E.；Ruloff，R.Angew.Chem.Int.Edit.2005，44（10），1480.

［55］Parac-Vogt，T.N.；Elst，L.V.；Kimpe，K.；Laurent，S.；Burte＇a，C.；Chen，F(xiàn).；Deun，P.V.；Ni，Y.；Muller，R.N.；Binnemans，K.Contrast Media Mol.Imaging 2006，1（6），267.

［56］Paris，J.；Gameiro，C.；Humblet，V.；Mohapatra，P.K.；Jacques，V.；Desreux，J.F.Inorg.Chem.2006，45（13），5092.

［57］Aime，S.；Botta，M.；Criche，S.G.；Giovenzana，G.；Palmisano，G.；Sisti，M.Chem.Commun.1999，16，1577.

［58］Zhang，S.；Wu，K.；Sherry，A.D.Angew.Chem.Int.Edit.1999，38（21），3192.

Advances in Gadolinium（lll）Chelates as MRl Contrast Agents

DUAN Er-YueMAJian-GongCHENG Peng*
（College of Chemistry，Nankai Univeisity，Tianjin 300071，P.R.China）

In this paper，the Gd（III）-based contrast agents are reviewed from four aspects as followed：principles，conditions，research progresses and approaches for improving relaxivity.The research progresses in the fields of fluorescent and biological contrast agents are deeply introduced.Moreover，the activity of enzyme，pH and metal ions of biological contrast agents are discussed.

Gd（III）-based contrast agents；Principles；Relaxivity；Biological activity；Fluorescent sensor

O614.33；G64

10.3866/PKU.DXHX201512007

，Email:pcheng@nankai.edu.cn

國家基礎科學人才培養(yǎng)基金（J1103306）