Gd3+造影劑在體內(nèi)金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李嬌嬌 田啟威 楊仕平

摘要：

體內(nèi)金屬離子的檢測(cè)常采用磁共振成像（MRI）.MRI靈敏度較低，需要造影劑來(lái)提高檢測(cè)的精確度.目前臨床上用的造影劑主要是Gd3+螯合物.綜述了基于Gd3+造影劑的生物體內(nèi)金屬離子檢測(cè)的研究進(jìn)展.

關(guān)鍵詞：

磁共振成像（MRI）; 造影劑; Gd3+; 生物傳感器

中圖分類號(hào)： O 614.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1000-5137（2018）01-0090-10

Advances in application of Gd3+ contrast agent for

in vivo detection of metal ions

Li Jiaojiao， Tian Qiwei*， Yang Shiping*

（College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：

In the life system，metal ions are the important elements for tissue growth and development.The content of the metal ions is closely related to the balance of the internal environment.If the in vivo concentrations of metal ions are out of balance，it will be easy to cause diseases.Therefore，it is very important to assess and understand the concentration changes of in vivo metal ions for the diagnosis of diseases.Due to its deep tissue penetration，high spatial resolution，no damage，no invasion，and ability to track three-dimensional dynamic imaging，MRI is widely used for the detection of the in vivo metal ions.Normally，MRI contrasts are required to improve the accuracy of metal ion detection by reason of the low sensitivity of MRI.At present，the contrast agents used in the clinical detection of in vivo ions are mainly Gd3+ chelates.Thus，we will introduce the recent advances of Gd3+ contrast agents for in vivo detection of metal ions in this review.

Key words：

magnetic resonance imaging（MRI）; contrast agent; Gd3+; biosensor

收稿日期： 2017-09-13

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（21601124，21671135）

作者簡(jiǎn)介： 李嬌嬌（1992-），碩士研究生，主要從事納米材料在MRI造影劑方面的研究.E-mail：1079928543@qq.com

*通信作者： 田啟威（1983-），男，博士，副教授，主要從事生物材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面的研究.E-mail：qiweitian@shnu.edu.cn;楊仕平（1969-），男，博士，教授，主要從事MRI造影劑的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用方面的研究.E-mail：shipingy@shnu.edu.cn

引用格式： 李嬌嬌，田啟威，楊仕平.Gd3+造影劑在體內(nèi)金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展 [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，47（1）：90-99.

Citation format： Li J J，Tian Q W，Yang S P，et al.Advances in application of Gd3+ contrast agent for in vivo detection of metal ions [J].Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2018，47（1）：90-99.

0引言

金屬離子在有機(jī)體的生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中起著重要作用[1].它主要以輔助因子的形式存在于多種生物活性酶中，尤其在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中具有很大的作用[2].體內(nèi)金屬離子濃度失衡易導(dǎo)致各種疾病，如：心臟病、癌癥、糖尿病及神經(jīng)退行性疾病等[3-5]，因此，理解和掌握各種金屬離子在生物體內(nèi)的濃度分布具有重要的意義.實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測(cè)各種金屬離子的濃度是研究中的一大難點(diǎn)[6].分子影像技術(shù)可用于檢測(cè)金屬離子濃度，為疾病的診斷提供了良好的手段[7].

核磁共振成像（MRI）可檢測(cè)人體內(nèi)氫核的縱向弛豫時(shí)間（T1）和橫向弛豫時(shí)間（T2），主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)診斷，具有穿透性強(qiáng)、空間分辨率高、無(wú)損傷、無(wú)輻射、無(wú)侵害性，且能夠追蹤三維動(dòng)態(tài)成像等諸多優(yōu)點(diǎn)[8]，使醫(yī)療診斷變得更方便、更有效.然而，臨床中其靈敏度相對(duì)較低，無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分一些正常生理組織和病變組織[9]，因此需要借助靜脈注射或口服藥物，即造影劑（CAs）來(lái)增強(qiáng)正常組織與病變部位的對(duì)比度[10].含釓（Gd3+）的順磁性金屬配位化合物[11]常用于T1磁共振成像造影劑，但由于毒性較大，臨床上常用其螯合物.Gd3+具有7個(gè)未成對(duì)電子，填充在f軌道上[11]，使其具有較高的磁距和對(duì)稱的電子基態(tài)（8S7/2），由于其未成對(duì)電子活性較強(qiáng)，能夠影響周?chē)暮?，從而改變弛豫時(shí)間.

在Gd3+螯合物的基礎(chǔ)上，連接不同配體.配體對(duì)金屬離子有更強(qiáng)的親和力和選擇性，故在加入金屬離子后，配體優(yōu)先與其結(jié)合，使Gd3+中心配位點(diǎn)空出，從而增加內(nèi)層水分子的數(shù)量，提高水的配位數(shù)，改變弛豫度.內(nèi)層水分子的數(shù)量通過(guò)測(cè)量鑭系元素的熒光壽命確定，Tb3+和Eu3+是常用的兩種元素，當(dāng)其4f層電子從高能級(jí)回遷至低能級(jí)時(shí)，會(huì)以可見(jiàn)光的形式釋放能量[12].

本文作者綜述了基于Gd3+螯合物的金屬響應(yīng)性MRI造影劑，應(yīng)用于生物體內(nèi)鈣、銅、鐵、鋅離子檢測(cè)的進(jìn)展.

1磁共振成像原理

磁共振現(xiàn)象是原子核的核物理特征，是MRI的基本原理之一，人體內(nèi)含有大量的質(zhì)子，而人體內(nèi)水的質(zhì)量占人體質(zhì)量的70%，故選擇氫核作為成像核[13].MRI造影劑通過(guò)改變組織中氫核的局部磁環(huán)境，間接影響其弛豫特性來(lái)改變信號(hào)強(qiáng)度[14]，在垂直于外磁場(chǎng)的方向施加角頻率與質(zhì)子拉莫爾頻率相等的射頻電磁波，質(zhì)子能夠吸收能量并被激發(fā)到反平衡態(tài)，產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象.射頻消失后，處于激發(fā)態(tài)的質(zhì)子群系統(tǒng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，即弛豫過(guò)程，包含分別沿縱向磁化矢量和橫向磁化矢量恢復(fù)的兩個(gè)分過(guò)程，分別稱為T(mén)1弛豫（自旋-晶格弛豫，即自旋原子核把從射頻脈沖處吸收的能量通過(guò)晶格的形式擴(kuò)散出去，實(shí)現(xiàn)自身能量釋放）和T2弛豫（自旋-自旋弛豫，即自旋核與另一個(gè)自旋核進(jìn)行能量交換的過(guò)程[15]）：

M0（t）=M0（1-e-tT1），（1）

Mxy（t）=Mxye-tT2，（2）

式（1）中M0是射頻脈沖作用前質(zhì)子系統(tǒng)的縱向磁化強(qiáng)度矢量的大小，T1為縱向弛豫時(shí)間，即由零恢復(fù)至M0的63%所需時(shí)間;式（2）中Mxy是射頻脈沖過(guò)后初始磁化強(qiáng)度矢量在橫向的最大值，T2為橫向弛豫時(shí)間，即從最大值衰減至最大值的37%所需時(shí)間[16].MRI的信號(hào)強(qiáng)度（Is）本質(zhì)上取決于質(zhì)子密度和質(zhì)子的弛豫時(shí)間，遵循以下公式[17]：

Is（TE，TR）≈AN（H）1-e-TRT1e-TET2，（3）

式中N為氫核（H）的質(zhì)子密度，A為增益，TR和TE分別為重復(fù)時(shí)間和回波時(shí)間.由式（3）可知，T1越短，信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，表現(xiàn)為圖像越亮;T2越短，信號(hào)強(qiáng)度越弱，表現(xiàn)為圖像越暗.通過(guò)選擇合適的TR，TE，改變質(zhì)子密度以及T1，T2值來(lái)影響其信號(hào)值，進(jìn)而影響其成像權(quán)重[18].

2造影劑的成像原理及影響因素

MRI造影劑同時(shí)影響T1，T2值，但影響程度不一樣，在一定濃度范圍內(nèi)，有一個(gè)起主導(dǎo)作用，據(jù)此將造影劑劃分為T(mén)1型和T2型兩種類型;T1造影劑增加信號(hào)強(qiáng)度，使圖像變亮;T2造影劑降低信號(hào)強(qiáng)度，使圖像變暗[19].通過(guò)測(cè)定弛豫度Ri=1/Ti （i=1，2） 來(lái)判定其圖像對(duì)比度，ri為造影劑的造影效率，ri=Ri/c，c為造影劑的離子濃度，r2/r1可用于區(qū)別材料是T1造影劑還是T2造影劑.若比值為1～2，則材料為T(mén)1造影劑;若比值大于10，則為T(mén)2造影劑[16].

根據(jù)“雙層配位”的模型[20]描述T1造影劑影響弛豫時(shí)間的過(guò)程，如圖1所示.圖1（a）中包括與核Gd3+直接配位的內(nèi)層水，和配體分子有配位作用或者受到影響的外層水，以及最外層的自由水.

影響造影劑弛豫度的因素有很多：采用Solomon-Bloembergen-Morgan公式[21]描述：

1TIS1=qpm/（T1m+τm），（4）

1TIS2=PmτmT-22m+τ-1mT-12m+ΔW2mτm（τ-1m+T-12m）+ΔW2m，（5）

1T1m=215rI2g2μ2BS（S+1）r6GdH7τc21+w2sτ2c2+3τc11+w2Hτ2c1+23S（S+1）Ah2τe1+w2sτ2c，（6）

式（4）中1TIS1和1TIS2分別是大量自由水分子的縱向和橫向弛豫時(shí)間，q為配位水分子數(shù)，pm是水分子與Gd3+配位的摩爾分?jǐn)?shù)，1/T1m，2/T2m分別為結(jié)合水分子的縱向與橫向弛豫時(shí)間，τm為水分子與Gd3+的配位時(shí)間;式（5）中，Δwm為自由水分子與結(jié)合水分子化學(xué)位移差異;式（6）中，rI是質(zhì)子螺旋磁比，b是波爾磁子，rGdH為Gd3+與配位水的氫核的距離，A/h為標(biāo)量耦合常數(shù)，τc，τe分別是耦極-耦極間的相關(guān)弛豫和標(biāo)量弛豫度，w1，ws分別代表核和電子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，S代表總電子自旋時(shí)間.τR為整個(gè)造影劑分子在水溶液中的翻轉(zhuǎn)時(shí)間.

由式（4）～（6）可知，通過(guò)設(shè)計(jì)造影劑分子，優(yōu)化參數(shù)，可以大幅提高其弛豫度，如圖1所示.

1）增加與Gd3+配位的內(nèi)層水分子數(shù)q，Gd3+是9配位離子，通常需要8～9個(gè)齒配體才能穩(wěn)定結(jié)合，在保證其穩(wěn)定性的前提下盡可能增加配位分子數(shù);

2）延長(zhǎng)配合物的翻轉(zhuǎn)時(shí)間τR，其與分子大小、結(jié)構(gòu)剛性關(guān)系密切.結(jié)構(gòu)剛性越大，τR值越大，對(duì)應(yīng)的弛豫度越大.主要有兩種改變其剛性的方式：① 誘導(dǎo)多個(gè)Gd3+聚合;② 通過(guò)裂解，降低分子量;③ 形成多個(gè)以Gd3+為中心的結(jié)構(gòu);④ 提高配位水分子的交換速率.

圖1基于Gd3+分子造影劑的作用原理[20]及對(duì)其弛豫度的影響因素[22].（a） 控制Gd3+弛豫度

參數(shù)的示意圖;（b） 配位水分子數(shù)q的變化;（c） 旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間τR的變化通過(guò)，

i） 誘導(dǎo)多個(gè)Gd3+的聚集，ii） 切割來(lái)減小分子量;（d） 使用帶有多個(gè)Gd3+中心的系統(tǒng)

3金屬響應(yīng)的磁共振造影劑的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)金屬離子響應(yīng)型MRI造影劑，應(yīng)遵循以下原則[23-24]：1）選擇性：在不同陰離子、有機(jī)小分子、高分子存在的情況下，金屬離子能夠?qū)ζ溆羞x擇性，因?yàn)樯矬w內(nèi)的金屬離子種類繁多，濃度達(dá)到毫摩爾級(jí)的主要有：Na+、K+、Mg2+和Ca2+.MRI傳感器必須要對(duì)特定離子進(jìn)行響應(yīng)[25]，只有這樣才可避免錯(cuò)誤信號(hào)的產(chǎn)生，同時(shí)也可避免信號(hào)被陽(yáng)離子所覆蓋，選擇性主要是由造影劑的響應(yīng)配體所控制;2）高弛豫性：可以減少成像造影劑的用量，提高對(duì)比強(qiáng)度;3）MRI探針必須與生物體相容[1]，水溶性好，低毒性，在人體內(nèi)有適當(dāng)?shù)臏魰r(shí)間.

4基于磁共振成像造影劑在離子檢測(cè)上的應(yīng)用

4.1基于Gd3+造影劑對(duì)Ca2+的檢測(cè)

人體內(nèi)Ca2+的平均含量約為1 kg，主要以礦物質(zhì)的形式存在于骨骼中，有1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Ca2+參與血液循環(huán)過(guò)程[26-27]，Ca2+是中樞神經(jīng)系統(tǒng)電活動(dòng)的基本傳感器，其進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)負(fù)責(zé)動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳播，并通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放引發(fā)神經(jīng)元間的通信并且可以激活基因的表達(dá)[26].在不同刺激下，Ca2+濃度波動(dòng)范圍較大（0.1～2×103 mol·L-1）[26]，因此，鈣離子濃度的波動(dòng)被認(rèn)為是決定神經(jīng)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要因素.

Meade等[28] 研究出第一個(gè)針對(duì)Ca2+響應(yīng)的基于Gd3+的造影劑：DOPTA-Gd，它是DO3A （1，4，7-三-（羧甲基）-1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷）與BAPTA （1，2-雙（鄰氨基苯氧基）-乙烷-N，N-二硝基乙二胺四乙酸）螯合的產(chǎn)物，DO3A與鑭系元素有較強(qiáng)的親和力，BAPTA是Ca2+的選擇性結(jié)合劑，親和力極強(qiáng).在沒(méi)有Ca2+時(shí)，BAPTA的官能團(tuán)與Gd3+中心結(jié)合，弛豫度r為3.26×103 L·mol-1·s-1.加入Ca2+后，BAPTA優(yōu)先與Ca2+結(jié)合，則Gd3+的配位點(diǎn)空出，周?chē)乃肿优cGd3+空出的配位點(diǎn)進(jìn)行配位.原理如圖2所示，通過(guò)配位結(jié)合，與水的配位數(shù)（q）增加，弛豫度r增加至5.76×103 L·mol-1·s-1.

圖2Gd2+螯合物與Ca2+響應(yīng)的原理示意圖[29]

Gd-DOPTA可與Ca2+特異性結(jié)合[29]，通過(guò)測(cè)定弛豫度的變化，間接測(cè)定Ca2+的含量，但由于Gd-DOPTA針對(duì)Ca2+的敏感性較強(qiáng)，檢測(cè)Ca2+的濃度范圍較?。?.1～10 mol·L-1）.為解決此問(wèn)題，Logothetis等[30]在Gd-DOPTA的基礎(chǔ)上選擇連接APTRA（鄰氨基苯酚-N，N-乙酸三乙酯），APTRA與Ca2+有相對(duì)較弱的親和力，此時(shí)Ca2+的檢測(cè)濃度為20～25 mol·L-1.經(jīng)過(guò)合成得到Gd-DOPTRA （Gd-DOPT-APTRA），弛豫度由原來(lái)的3.5×103 L·mol-1·s-1增加至6.9×103 L·mol-1·s-1.

雖然Gd-DOPTRA化合物比較穩(wěn)定，但與大環(huán)配位體的乙酸酯鏈在體內(nèi)分解較慢[31].基于此，Logothetis對(duì)Gd-DOPTRA進(jìn)行探索，通過(guò)改變條件，獲得一系列（Gd-DOPTRA（2-5））的化合物[29]，如圖3所示;相對(duì)于Gd-DOPTA-1，Gd-DOPTA-2 的接連處由一個(gè)更短的碳鏈直接與芳香環(huán)連接.盡管Gd-DOPTA-2有較好的穩(wěn)定性，但與Ca2+結(jié)合后弛豫度沒(méi)有明顯變化.Gd-DOPTA-3相對(duì)于Gd-DOPTA-2來(lái)說(shuō)，多一個(gè)碳鏈，其不僅穩(wěn)定性好，而且弛豫度增加了2倍（從沒(méi)有Ca2+時(shí)的2.7×103 L·mol-1·s-1增加至Ca2+存在時(shí)的7.0×103 L·mol-1·s-1）.Gd-DOPTRA-4的結(jié)構(gòu)類似于將酚醛樹(shù)脂上的乙酸酯基轉(zhuǎn)換成酰胺基;Gd-DOPTRA-5則是由延伸的醚鏈構(gòu)成.在生物體的緩沖溶液中對(duì)兩者的弛豫度進(jìn)行測(cè)定，Gd-DOPTRA-4的弛豫度沒(méi)有明顯變化;Gd-DOPTRA-5的弛豫度在加入Ca2+之前和之后的值分別為2.6×103，5.9×103 L·mol-1·s-1，表現(xiàn)出良好的弛豫效能.

圖3基于Gd-DOPTA的一系列配合物的結(jié)構(gòu)式[29]

4.2基于Gd3+造影劑對(duì)Cu2+的檢測(cè)

銅離子是參與生命代謝重要的金屬離子，在各種生物過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[32-34]體內(nèi)銅離子內(nèi)環(huán)境失調(diào)會(huì)產(chǎn)生一系列的疾病，常見(jiàn)的神經(jīng)性疾病主要有：阿爾茲海默癥，威爾森氏癥[34]，以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等疾病[35].評(píng)估和理解人體內(nèi)銅離子的分布及含量是很有必要的[36].因此，針對(duì)Cu2+敏感的MRI造影劑有大量研究，針對(duì)近幾年的研究進(jìn)行概述.

Jong等[37]研究出對(duì)Cu2+具有響應(yīng)能力的MRI造影劑──結(jié)構(gòu)1，原理如圖4（a）所示，相對(duì)其他金屬離子來(lái)說(shuō)，該化合物對(duì)Cu2+的選擇性更好，并且通過(guò)在三羥甲基氨基甲烷緩沖液中的滴定實(shí)驗(yàn)，表明兩者具有較強(qiáng)的結(jié)合能力.在相同實(shí)驗(yàn)條件下（pH=7.4，HEPES緩沖溶液，37 ℃），沒(méi)有Cu2+時(shí)的弛豫度為2.01×103 L·mol-1·s-1，加入Cu2+后，結(jié)構(gòu)1化合物中的配體優(yōu)先與Cu2+配位，使Gd3+周?chē)膬?nèi)層水分子增加，與水配位數(shù)q增加，從而使弛豫度增加至4.01×103 L·mol-1·s-1（為原來(lái)的2倍）.

Xu等[38]設(shè)計(jì)并合成了以Gd3+為基礎(chǔ)的雙核造影劑[Gd2（DO3A）2BMPNA]，它是2個(gè)Gd-DO3A核與BMPNA（2，6-二（3-甲基-1H-吡唑-1-基）異煙酸）進(jìn)行連接，BMPNA對(duì)Cu2+的響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他金屬離子，它是作為Cu2+誘導(dǎo)弛豫度變化的受體.沒(méi)有Cu2+時(shí)的縱向弛豫度達(dá)到6.40×103 L·mol-1·s-1，加入Cu2+后，弛豫度增加至11.28×103 L·mol-1·s-1（增加了76%）.隨著Cu離子濃度的增加，弛豫度也逐漸增加，在濃度為0.6 mol/L，弛豫度達(dá)到最大值.原理如圖4（b）所示：當(dāng)Cu2+與化合物中心連接時(shí)，將Gd3+處的鄰二氮雜茂中心的氮原子移除，由周邊的水分子替代，使內(nèi)層分子數(shù)增加，即與水配位數(shù)q增加，從而使弛豫度有所增加.

圖4不同Gd3+螯合物與Cu2+響應(yīng)的原理示意圖.（a） 結(jié)構(gòu)1與Cu2+響應(yīng)的原理圖[37];

（b） [Gd2（DO3A）2BMPNA]與Cu2+響應(yīng)的原理圖[38]

4.3基于Gd3+的造影劑對(duì)Fe2+/Fe3+的檢測(cè)

鐵元素是多種蛋白質(zhì)的輔助因子，參與神經(jīng)組織功能的調(diào)節(jié)，大量證據(jù)表明鐵在大腦中的積累會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂.但是，隨著年齡的增長(zhǎng)，鐵在大腦中會(huì)逐漸積累，鐵誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，例如阿爾茲海默癥，帕金森等[39]，故檢測(cè)人體內(nèi)鐵離子的含量變得尤其重要.

針對(duì)Fe3+的MRI造影劑，Aime等[40]報(bào)道了基于配體DTPA-雙酰胺的化合物[DTPA（PAS）2]（Fe-85），以Gd3+和Fe3+為核形成穩(wěn)定的雜雙合金屬配合物[（Gd-DTPA（PAS）2）]2Fe或[Gd-DTPA（PAS）2]3Fe（其取決于溶液的pH值），與化合物[Gd-DTPA（PAS）2]2-相比，弛豫度從4.6×103 L·mol-1·s-1增至5.7×103 L·mol-1·s-1;它是通過(guò)增加Gd3+周邊的內(nèi)層水分子的數(shù)量，從而使弛豫度增加.還有些常用的配體，如：水楊酸、兒茶酚;這些配合物在加入Fe3+后都有高弛豫度.三異羥肟酸鈉配體[41]通過(guò)與Gd3+中心進(jìn)行螯合，限制自由旋轉(zhuǎn)，增加其剛性，弛豫度從5.4×103 L·mol-1·s-1增加至8.0×103 L·mol-1·s-1;弛豫度的變化表明高分子簇可降低分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間，在高磁場(chǎng)下產(chǎn)生高弛豫度.

已有關(guān)于Gd（（III）-Fe（II）的雙核化合物作為MRI造影劑的報(bào)道，結(jié)構(gòu)式如圖5所示.根據(jù)兩種核的不同絡(luò)合能力和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇配體.Fe2+的配體有：三聯(lián)吡啶[42]，鄰二氮雜菲[43]和2，2′-聯(lián)吡啶[44].另一方面，基于DTTA，DTPA，DOTA等配體常用于與Gd3+螯合，這些超分子化合物可以與Fe2+和Gd3+離子進(jìn)行自組裝.它們有較高的弛豫度，具有檢測(cè)Fe2+的潛力.

圖5Fe 配合物的結(jié)構(gòu)式[1]

Merbach等[45]研究出[Fe（tpy-DTTA）2Gd2] （Fe-23），相對(duì)較低分子量的[GdH（TTAHA）]2-，有較高的弛豫度，（分別為17.4×103 L·mol-1·s-1和7.3×103 L·mol-1·s-1）.Fe-23的核心Fe2+（tpy）2是剛性結(jié)構(gòu)，使得旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)，即τR增加，故弛豫度有所提高，但是穩(wěn)定性有所下降.為解決此問(wèn)題，該課題組又報(bào)道了一種基于雙吡啶類的配體[46]，以雙金屬核Fe3+和Gd3+為基礎(chǔ)的{Fe[Gd2bpy（DTTA）2]3}4-（Fe-24）結(jié)構(gòu)，相對(duì)[Gd2bpy（DTTA）2]2-化合物來(lái)說(shuō)，弛豫度較大，為20.17×103 L·mol-1·s-1.還有一種高分子四金屬化合物[43] [Fe（Gd-DTPA-phen）3] （Fe-25），它由一個(gè)Fe2+離子與三個(gè)鄰二氮菲分子結(jié)合，相對(duì)Gd-DTPA，F(xiàn)e-25的弛豫度達(dá)至9.5×103 L·mol-1·s-1，有所提高.

4.4基于Gd3+的造影劑對(duì)Zn2+的檢測(cè)

鋅在生物體內(nèi)主要以二價(jià)離子的形式存在，并且大部分與蛋白質(zhì)結(jié)合，在基因轉(zhuǎn)錄和金屬酶中發(fā)揮重要作用[35].Zn2+在哺乳動(dòng)物的前列腺，胰腺和大腦中含量較高，Zn2+除了在大腦中可以調(diào)節(jié)神經(jīng)傳輸之外，也與急性神經(jīng)元的損傷有關(guān)，可抑制或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡.大量數(shù)據(jù)表明，Zn2+和其他金屬離子（Fe2+/Fe3+和Cu+/Cu2+）是導(dǎo)致阿爾茲海默癥的重要原因[20].Zn2+的含量缺失可能會(huì)導(dǎo)致前列腺炎和糖尿病.因此，檢測(cè)Zn2+的含量對(duì)于理解糖尿病病因以及阿爾茲海默癥的提前診斷具有重要意義.

針對(duì)Zn2+響應(yīng)的MRI造影劑進(jìn)行了大量研究，常見(jiàn)的有選擇性螯合劑N，N-雙（二-吡啶甲基）乙二胺（BPEN）可與二乙烯三胺五乙酸（DTPA）或1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7，10-四羧酸（DOTA）或卟啉進(jìn)行偶聯(lián)[47]，從而形成針對(duì)Zn2+的傳感器.Sherry等[48]發(fā)現(xiàn)Gd-DOTA-BPEN，結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，其未加入Zn2+之前，r1=5.0×103 L·mol-1·s-1;加入Zn2+后，在三羥甲基氨基緩沖液中對(duì)Zn2+響應(yīng)，弛豫度增加至6.0×103 L·mol-1·s-1，故該配體對(duì)Zn2+有一定的選擇性.經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該配體對(duì)Cu2+也可配位.在人血蛋白（HAS）中做相同滴定實(shí)驗(yàn)，其與HAS中的IIIA的二號(hào)位點(diǎn)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)加入Zn2+之后弛豫度變化極大，由原來(lái)的6.6×103 L·mol-1·s-1增加至17.4×103 L·mol-1·s-1，增加165%.原理如圖6（b）所示，Zn2+可與HAS結(jié)合降低其剛性，即τR降低，τR=（kex）-1（kex為水交換速率），水的交換率增加，從而使弛豫度增加.

圖6（a） Gd-DOTA-BPEN的結(jié)構(gòu)式;（b） Gd3+配合物與Zn2+作用的原理示意圖[50]

Carlos等[49]報(bào)告二氮雜配體H5L，在Gd-DO3A的基礎(chǔ)上合成獲得GdL化合物，作為Zn2+響應(yīng)的MRI造影劑，加入 Zn2+之后，弛豫度由原來(lái)的（3.08 ± 0.08）×103 L·mol-1·s-1，增加至（7.50 ± 0.08）×103 L·mol-1·s-1，為原來(lái)的150%.加入Zn2+后，Zn2+可與配體中的TACN結(jié)合，使Gd3+周?chē)鷥?nèi)層水分子與其配位，增加配位水分子數(shù)q，從而弛豫度有所增加.

5小結(jié)和展望

結(jié)合生物體內(nèi)金屬離子特異性與MRI造影劑，利用結(jié)合前后造影劑信號(hào)的變化，對(duì)金屬離子進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，為醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、生物化學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域的金屬離子檢測(cè)提供了一種新方式.但仍有很多待解決的困難，如需要將MRI與其他分子影像技術(shù)，如光學(xué)、正電子發(fā)射斷層成像以及電子計(jì)算機(jī)斷層掃描等結(jié)合起來(lái)，通過(guò)多模態(tài)成像技術(shù)克服單一影像技術(shù)在定性和定量檢測(cè)上的困難;另外生物體內(nèi)復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境，如細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境中存在高濃度的陰離子、有機(jī)物分子等，會(huì)對(duì)金屬離子的檢測(cè)有一定的干擾作用，因此需要設(shè)計(jì)具有更高選擇性和特異性的造影劑.利用分子成像技術(shù)檢測(cè)生物體內(nèi)的金屬離子含量在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛.

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