Optimized molecular imaging agents: from metal chelates to micelles to gold nanoparticles

Abstract

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the most useful imaging modality in biomedical research and clinical diagnosis thanks to the superb spatial resolution of the 3D images, acquired without resorting to ionizing radiation. Contrast in MRI can be dramatically enhanced by Contrast Agents (CA). Contrast Agents approved for clinical use, usually Gd3+ complexes, shorten the relaxation times (enhance the relaxation rates) of the water protons of tissues. Relaxivity, the enhancement of the relaxation rates normalized to 1 mM of paramagnetic centres, measures the efficacy of CA. Simulations, using the Solomon-Bloembergen-Morgan theory, predict that simultaneous optimization of the parameters that govern relaxivity, in particular of the rotational correlation time (آR) and the water exchange rate (kex), can generate very relaxivities. The complex Gd[DO3A-N-(α-amino)propionate], reported previously, displays accelerated water exchange (kex= 4 x 107 s-1), inside the range considered ideal to attain high relaxivities at magnetic fields relevant for clinical imaging (20-120 MHz), associated to high stability and inertness towards transmetallation. The pendant amine group endows the chelator/chelates with conjugability. In this thesis we report expedite synthetic methodologies for amide conjugates of the DO3A-N-(α-amino)propionate chelator. The relaxometric characterization of the Gd[DO3A-N-(α-benzoylamido)propionate] complex was performed by 1H Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion (1H NMRD) and 17O NMR studies. Simultaneous fitting of the 1H NMRD and 17O NMR data to the SBM theory, established that the complex retains the fast water exchange rate (kex= 5.14 x 107 s-1) and stability of its precursor complex. MRI in mice demonstrated that the complex is stable in vivo and is cleared by renal elimination. This result suggests that macromolecular/nanosized Gd3+ chelates might attain high relaxivities as result of simultaneous optimization of آR and kex. The Gd[(DO3A-N-(α- pyrenebutanamido)propionate)] chelate was designed as a potential MRI/fluorescence bimodal CA endowed with self-assembly in aqueous solution. The parameters characterising the self-assembly, critical micelle concentration (cmc= 0.60 mM) and the relaxivity of the monomeric (r1 n.a.= 6.86 mM−1s−1) and the aggreagated (r1 a.= 33.11 mM−1s−1) forms, were determined by relaxometric measurements (20 MHz, 25 ºC). 1H NMRD and 17O NMR studies revealed that the observed high relaxivity resulted indee from simultaneous optimization of R and kex. The relaxivity is still limited by internal flexibility (S2= 0.24) of the self-assembled chelates. Steady-state fluorescence studies allowed also monitoring the self-assembly process owing to concentration-trigged monomer-excimer conversion. -Thiol functionalised chelators, DO3A-N-(α- cystamido)propionate and DO3A-N-(α-lipoamido)propionate, were designed to functionalise gold nanoparticles (AuNPs) with Gd3+ chelates as CA for MRI. Synthetic methodologies were developed for preparing and to purify functionalized NPs. High relaxivities (27-28 mM-1s-1, 20 MHz, 25 ºC) were attained by the functionalized NPs thanks to simultaneous optimization of آR and kex, although the relaxivity is still limited by fast rotational motions of the immobilized chelates around the anchoring linkers. The size of the linker seems to influence little the flexibility of the immobilized chelates, but seems to influence the size of the nanocrystal core. Biodistribution studies using the surrogate 153Sm[DO3A-N-(α-lipoamido)propionato]@AuNPs and MRI studies in vivo (mice) revealed that the size (Hydrodynamic diameter, HD) of the NPs determines their fate in vivo: while the Gd[DO3A-N-(α-cystamido)propionato]@AuNPs CA (HD= 3.9 nm) follows renal elimination the Gd[DO3A-N-(α-lipoamido)propionato]@AuNPs (HD= 4.8 nm) follows mainly hepatobiliary clearence. The bifunctional NODASA e NODAGA chelators (NOTA derivatives) are the gold standard for preparing targeted 68Ga3+ chelates for use as PET tracers. In this work, the synthetic methodologies developed for the DO3A-N-(α-amino/amido)propionate chelators were extended to the triazacyclononane scaffold. The Ga[NO2A-N-(α- amino)propionate] and Ga[NO2A-N-(α-benzoylamido)propionate] chelates were studied by multinuclear (1H and 71Ga) NMR. The chelate Ga[NO2A-N-(α- benzoylamido)propionate] displays N3O3 coordination in the pH range 3-11. The complex Ga[NO2A-N-(α-amino)propionate] undergoes pH trigged coordination isomerisation in the pH range 3-5. At pH values bellow 4 the complex display N3O3 coordination while at pH values above 6 the N4O2 isomer is present in solution. Biodistribution studies revealed that the 67Ga[NO2A-N-(α- pyrenebutanamido)propionate] chelate follows predominantly renal elimination with low liver/spleen accumulation and no visible deposition of activity in the bones after 24 hours. In this work we illustrate the potential of Ga[NO2A-N-(α- amino/amido)propionate] chelates as tracers for 68Ga-mediated PET was demonstrated also.

A Imagiologia por Ressonância Magnética (IRM) é a modalidade de imagem mais usada em investigação biomédica e diagnóstico clínico, graças à excelente resolução espacial das imagens anatómicas 3D geradas sem recurso a radiação ionizante. O contraste em IRM pode ser dramaticamente melhorado através do uso de Agentes de Contraste (AC). Os AC em uso clínico, usualmente quelatos de Gd3+, encurtam os tempos de relaxação (aumentam a velocidade de relaxação) dos protões dos núcleos dos átomos de Hidrogénio das moléculas de água dos tecidos. O parâmetro relaxividade definido como ―o aumento da velocidade de relaxação dos protões da água normalizado para 1 mM de agente paramagnético‖, mede a eficácia dos AC. Simulações, preveem que complexos de Gd3+ apresentando otimização simultânea dos parâmetros moleculares que governam a relaxividade, principalmente do tempo de correlação rotacional (آR) e da velocidade de troca de água (kex) exibiriam elevadas relaxividades. O complexo Gd[DO3A-N-(α-amino)propionato] desenvolvido anteriormente, apresenta velocidade acelerada de troca de água (kex= 4 x 107 s-1), no intervalo considerado ideal para atingir relaxividades elevadas a campos magnéticos relevantes para imagem clínica (20-120 MHz), associada a elevada estabilidade e resistência a transmetalação. O grupo amina pendente propicia conjugabilidade ao agente quelante. Nesta Tese foram desenvolvidas vias sintéticas expeditas para a preparação de conjugados amida do agente quelante DO3A-N-(α-amino)propionato. A caracterização relaxometrica do complexo Gd[DO3A-N-(α-benzoilamido)propionato] foi realizada através de estudos de Dispersão de Relaxação Magnética Nuclear de Protão (1H DRMN) e estudos de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de 17O. O ajuste simultâneo dos dados de 1H DRMN e RMN de 17O à teoria Solomon-Bloembergen- Morgan estabeleceu que o complexo mantém a velocidade acelerada de troca de água (kex= 5,14 x 107 s-1) e a estabilidade do complexo precursor. IRM em ratos demonstrou que o complexo é estável in vivo e é eliminado por filtração renal. Este resultado indica que complexos de conjugados amida macromoleculares/nanometricos poderão apresentar relaxividades elevadas como resultado de otimização simultânea de آR e kex. O complexo Gd[DO3A-N-(α-pirenebutanamido)propionato] foi desenhado como um agente de imagem bimodal IRM/Fluorescência, suscetível de automontagem (selfassembly) em solução. O processo de automontagem foi caracterizado através de estudos relaxométricos: determinou-se a concentração micelar crítica (cmc) do complexo (cmc= 0,60 mM) e a relaxividade das formas monomérica (r1 n.a.= 6,86 mM−1s−1) e agregada (r1 a.= 33,11 mM−1s−1). Estudos de 1H DRMN e RMN de 17O demonstraram que a elevada relaxividade exibida pela forma micelar resulta de otimização simultânea de آR e kex. A relaxividade é limitada por flexibilidade interna dos chelatos (S2= 0,24). Foi desenvolvido um procedimento para a preparação e purificação de AuNPs funcionalizadas. Foram obtidas elevadas relaxividades para as NPs funcionalizadas (27- 28 mM-1s-1, 20 MHz, 25 ºC) como resultado de otimização simultânea de R e de kex, ainda que a relaxividade continue a ser limitada por movimentos rotacionais rápidos dos chelatos imobilizados (S2= 0,42-0,48) em torno dos linkers. O comprimento do linker não tem influência determinante na flexibilidade dos chelatos imobilizados, ainda que pareça influenciar o tamanho do núcleo metálico das NPs. Estudos de biodistribuição e IRM in vivo (ratinhos) revelaram que o tamanho (diâmetro hidrodinâmico, HD) das NPs determina o seu comportamento in vivo: o AC Gd[DO3A-N-(α - cistamido)propionato]@AuNPs (HD= 3.9 nm) é eliminado por filtração renal enquanto o AC Gd[DO3A-N-(α -lipoamido)propionato]@AuNPs (HD= 4,8 nm) segue predominantemente a via de eliminação hepatobiliar. Os agentes quelantes bifuncionais NODASA e NODAGA (derivados do agente quelante NOTA) são o ―gold standard‖ para a preparação de complexos de 68Ga3+ endereçados para recetores celulares para uso como traçadores em PET. As vias sintéticas desenvolvidas para agentes quelantes do tipo DO3A-N-(α-amino)propionato foram estendidas ao núcleo triazaciclononano. Os quelatos Ga[NO2A-N-(α- amino)propionato] e Ga[NO2A-N-(α-benzoilamido)propionato] foram estudados por RMN de 1H e 71Ga. O quelato Ga[NO2A-N-(α-benzoilamido)propionato] apresenta coordenação N3O3 no intervalo de pH (3-11). O complexo Ga[NO2A-N-(α- amino)propionato] sofre isomerização no intervalo de pH 3-5 da forma N3O3 (predominante a pH < 4) para o isómero de coordenação N4O2 (predominante a pH> 6). Estudos de biodistribuição revelaram que complexo 67Ga[NO2A-N-(α- pirenobutanamido)propionato] segue principalmente a via de eliminação renal com baixa acumulação no fígado/baço e sem deposição de atividade nos ossos após 24 horas. Nesta Tese ilustramos o potencial de complexos de Ga3+ com ligandos do tipo NO2AN-( α-amino/amido)propionato como traçadores potenciais para 68Ga PET.