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新型含釓磁共振對(duì)比劑在小鼠體內(nèi)的成像研究

2020-07-25 02:28朱靈梅張文飛
分子影像學(xué)雜志 2020年3期
關(guān)鍵詞:大分子磁共振毒性

劉 杰,朱靈梅,張文飛

1重慶北部寬仁醫(yī)院放射科,重慶 401121;2重慶市渝北區(qū)人民醫(yī)院放射科,重慶 401121

磁共振對(duì)比劑(MRI CAs)通過(guò)改變體內(nèi)局部組織中水質(zhì)子的弛豫時(shí)間,提高正常組織與病灶的成像對(duì)比度,從而使MRI能更敏感地檢測(cè)微小病灶或特異性病灶[1-2]。目前,臨床上多使用小分子磁共振對(duì)比劑(DTPA-Gd),其存在著弛豫率低、代謝速度快、體內(nèi)循環(huán)時(shí)間短的缺陷,不足以滿足臨床所有診斷的需要[3-5],因此,研發(fā)新的高弛豫率、體內(nèi)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)的磁共振對(duì)比劑顯得尤為重要。既往研究中,將小分子Gd3+基對(duì)比劑負(fù)載于大分子載體材料上獲得相應(yīng)的大分子Gd3+基對(duì)比劑是目前最有效的策略之一[6]。與小分子Gd3+基對(duì)比劑相比大分子Gd3+基對(duì)比劑擁有更大的尺寸[7],能夠有效延緩整個(gè)分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),增加其旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間,從而顯著提高縱向弛豫率[8-9]。然而,大分子Gd3+基對(duì)比劑在體內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)會(huì)逐漸釋放出Gd3+,帶來(lái)不容忽視的毒性問(wèn)題,同時(shí)大分子載體材料本身的滯留沉積也存在一定的毒性風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。為解決大分子磁共振對(duì)比劑的潛在毒性問(wèn)題,本研究將小分子Gd3+螯合物通過(guò)化學(xué)鍵連接到生物可降解的大分子材料上面,能夠在滿足高縱向弛豫率和足夠成像窗口時(shí)間的前提下,促進(jìn)小分子Gd3+螯合物從大分子結(jié)構(gòu)中快速釋放出來(lái)并經(jīng)腎臟排泄,可以有效避免在Gd3+體內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間滯留,從而顯著降低其引起毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

選取健康的雌性BALB/c小鼠20只(8~10周,體質(zhì)量20±2 g,重慶醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照重慶醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理與使用指南,并經(jīng)重慶醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 材料合成

臨床醫(yī)用DTPA-Gd(西安瑞禧生物科技有限公司)和大分子含釓磁共振對(duì)比劑Gd-PPF-S-CAs(重慶大學(xué)生物材料學(xué)院研制),Gd3+濃度為5.43 g/L,具有酶降解特性。

1.3 材料體外弛豫率檢測(cè)

配制含不同Gd3+濃度(0~0.4 mmoL)的Gd-PPF-SCAs、DTPA-Gd水溶液。在室溫下,使用GE SIGNA Creator 1.5 T MRI掃描儀的T1WI SE序列對(duì)這些溶液進(jìn)行掃描,并通過(guò)它們的T1WI MR圖像獲取相應(yīng)的1/T1值。然后作出1/T1值隨Gd3+濃度變化的直線,該直線的斜率為相應(yīng)對(duì)比劑的縱向弛豫率(r1)。

1.4 MRI檢查

裝備有小鼠線圈的臨床GE SIGNA Creator 1.5 T MRI用于MR成像并采用多段單回波T1WI SE序列,其參數(shù)為:TR=400 ms,TE=14 ms,slices=12,slices gap=1.2 mm,voxel size=0.2 mm×0.2 mm×1.5 mm,F(xiàn)OV=60 mm。在注射對(duì)比劑前,先對(duì)正常小鼠主要代謝器官(肝、腎、膀胱)進(jìn)行平掃,所得的MR成像信號(hào)強(qiáng)度(SI)定義為SI注射前。隨機(jī)將正常Balb/C小鼠分為兩組,經(jīng)尾靜脈分別將DTPA-Gd、Gd-PPF-S-CAs注射入小鼠體內(nèi),且Gd3+注射濃度均為0.08 mmol/kg,注射劑量為200 μL/只。分別于注射前和注射后10 min及0.5、1、2、4、8 h獲取MR圖像及SIs,這些SIs定義為SI注射后。MRI信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)增強(qiáng)值(SI%)定義為(SI注射后/SI注射前)×100%。

1.5 病理分析

按Gd3+劑量為0.08 mmol/kg MR成像劑量經(jīng)尾靜脈將Gd-PPF-S-CAs注射入健康雌性BALB/c(20±2 g,8~10周)小鼠體內(nèi),同時(shí)使用生理鹽水作為對(duì)照。注射后24 h處死動(dòng)物,解剖分離出體內(nèi)一些主要器官,包括心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟,對(duì)它們進(jìn)行H&E染色和組織學(xué)分析。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)檢查

采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析,采用t檢驗(yàn)比較組間差異,以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 體外弛豫率

在相同的Gd3+濃度下兩組MRI對(duì)比劑的強(qiáng)化存在差異,肉眼觀察磁共振大分子對(duì)比劑信號(hào)強(qiáng)度顯著高于臨床使用的DTPA-Gd,通過(guò)改變T1WI SE序列中的TR時(shí)間對(duì)兩種對(duì)比劑進(jìn)行弛豫率的測(cè)定,顯示Gd-PPF-SCAs的r1值為15.43 mmoL-1s-1,約是臨床用DTPA-Gd r1值(3.53 mmoL-1s-1)的5倍(圖1)。

2.2 Gd-PPF-S-CAs的體內(nèi)主要器官成像

尾靜脈注射MRI對(duì)比劑Gd-PPF-S-CAs后,肝、腎和膀胱主要器官信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加,但增強(qiáng)趨勢(shì)各不相同(圖2),注射后30 min內(nèi),肝、腎兩個(gè)主要器官M(fèi)RI信號(hào)強(qiáng)度迅速增加,肝臟在1 h達(dá)到強(qiáng)化峰值,增強(qiáng)幅度為153%;隨后強(qiáng)化程度下降,8 h觀察仍然有強(qiáng)化。而腎臟進(jìn)入持續(xù)強(qiáng)化階段,2 h達(dá)到強(qiáng)化峰值,增強(qiáng)幅度為167%,8 h后強(qiáng)化程度開(kāi)始緩慢下降。膀胱在注射后10 min開(kāi)始出現(xiàn)顯著強(qiáng)化,隨后進(jìn)入持續(xù)強(qiáng)化,增強(qiáng)幅度為754%,8 h強(qiáng)化程度降低。而注射臨床DTPA-Gd后,肝、腎這兩個(gè)主要器官在10 min左右達(dá)到強(qiáng)化峰值,30 min后強(qiáng)化程度下降,而膀胱則在4 h時(shí)強(qiáng)化程度也明顯下降,其MRI增強(qiáng)效果和成像時(shí)間明顯不如Gd-PPF-S-CAs(圖3)。Gd-PPF-S-CAs在肝、腎內(nèi)能達(dá)到更為顯著的增強(qiáng)效果,組織對(duì)比度高,成像窗口時(shí)間長(zhǎng)。

2.3 病理結(jié)果

組織學(xué)分析結(jié)果顯示,與生理鹽水對(duì)照組相比,注射了Gd-PPF-CAs的實(shí)驗(yàn)組未發(fā)現(xiàn)對(duì)小鼠的主要器官(心、肝、脾、肺、腎)產(chǎn)生明顯的毒性作用,也未觀察到病理學(xué)異常,如壞死、萎縮、炎性浸潤(rùn)等(圖4)。

3 討論

將小分子Gd3+基對(duì)比劑負(fù)載于大分子載體材料上獲得相應(yīng)的大分子Gd3+基對(duì)比劑是目前解決小分子DTPA-Gd固有不足的有效方式之一[12],然而,大分子Gd3+基對(duì)比劑在體內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)會(huì)逐漸釋放出Gd3+,帶來(lái)不容忽視的毒性問(wèn)題,同時(shí)大分子載體材料本身的滯留沉積也存在一定的毒性風(fēng)險(xiǎn)[13-15]。針對(duì)以上問(wèn)題,在大分子結(jié)構(gòu)中引入環(huán)境敏感型(pH敏感、酶敏感、氧化還原敏感等)的化學(xué)組分[16-17],賦予Gd3+基大分子對(duì)比劑良好的可生物降解性,使其在高效磁共振成像后逐漸降解為可經(jīng)腎臟排泄的低相對(duì)分子質(zhì)量Gd3+螯合物及其它分子碎片,從而顯著降低其毒副作用[18]。針對(duì)此解決方法,本研究將小分子Gd3+螯合物通過(guò)各種可生物降解的化學(xué)鍵連接到可生物降解的大分子載體材料上,同時(shí),利用人體內(nèi)各組織、器官中均存在大量的酶[19],設(shè)計(jì)材料具有酶降解特性,從而實(shí)現(xiàn)體內(nèi)物質(zhì)的降解和代謝,使材料能夠在顯著提高M(jìn)RI成像對(duì)比度的同時(shí),有效改善含釓磁共振對(duì)比劑存在的毒性問(wèn)題,促進(jìn)Gd3+或有毒載體材料的代謝清除,從而降低含釓磁共振對(duì)比劑引起毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 弛豫率分析

T1型對(duì)比劑的弛豫效能主要來(lái)源于順磁性物質(zhì)和鄰近水質(zhì)子之間的偶極相互作用,進(jìn)而來(lái)增強(qiáng)MR圖像的對(duì)比度[20]。這一作用范圍可分為3球?qū)樱簝?nèi)球?qū)觾?nèi)Gd3+直接與水分子配位結(jié)合,這一層對(duì)水質(zhì)子弛豫速率的增加稱為(1/T1)IS;第二球?qū)樱⊿S)內(nèi)水分子與螯合物分子配位結(jié)合,這一層對(duì)水質(zhì)子弛豫速率的增加稱為(1/T1)SS;外球?qū)樱∣S)內(nèi)擴(kuò)散到磁性分子附近的水分子也會(huì)發(fā)生弛豫現(xiàn)象,這一層對(duì)水質(zhì)子弛豫速率的增加稱為(1/T1)OS。T1型對(duì)比劑對(duì)水質(zhì)子弛豫速率1/T1的增加為三者之和,而內(nèi)球?qū)訉?duì)水質(zhì)子弛豫速率的增加是最主要的[21-22]。影響(1/T1)IS的最主要因素為:直接與順磁中心配位結(jié)合的水分子的數(shù)目、配位水分子的平均滯留時(shí)間、整個(gè)對(duì)比劑分子的旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間。通常,增加水分子數(shù)目、旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間和適當(dāng)?shù)乜s短平均滯留時(shí)間都會(huì)提高水質(zhì)子的弛豫率[22]。

將小分子MRI CAs負(fù)載于在大分子載體材料上,形成大分子MRI CAs,其最重要的作用就是影響旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間[23]。相比于小分子CAs,分子結(jié)構(gòu)大的大分子MRI CAs產(chǎn)生的空間位阻大,這樣可以有效延緩其分子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而增加旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間,最終使r1大幅增加。在本組研究中由于Gd-PPF-S-CAs有著很大的相對(duì)分子質(zhì)量和水相粒徑,能更有效阻礙分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而延長(zhǎng)分子旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間,根據(jù)Solomom-Bloembergen-Morgan理論,旋轉(zhuǎn)相關(guān)時(shí)間的增加會(huì)引起縱向弛豫率的提高[24]。

3.2 體內(nèi)正常器官成像

Gd-PPF-S-CAs在肝、腎和膀胱這3個(gè)主要器官內(nèi)能達(dá)到更為顯著的增強(qiáng)效果,組織對(duì)比度高,成像窗口時(shí)間長(zhǎng),8 h觀察肝臟仍有強(qiáng)化,分析原因主要為:(1)肝臟內(nèi)含有大量的Kupffer細(xì)胞,本身對(duì)大分子有攝取,因此大分子物質(zhì)具有肝臟靶向聚集作用;(2)在本研究設(shè)計(jì)的材料中,該共聚物主鏈含有酶敏感鍵,相較于其它大分子材料,Gd-PPF-S-CAs由于具有酶降解特性,可以被肝臟中的酶(如酯酶或組織蛋白酶)所降解,酶降解的速率較慢,因此增加了該對(duì)比劑的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間,保證了有效的成像窗口時(shí)間。而腎臟和膀胱的信號(hào)則從注射后開(kāi)始一直持續(xù)增強(qiáng),8 h觀察仍有強(qiáng)化,以上結(jié)果說(shuō)明,Gd-PPF-S-CAs能夠在體內(nèi)被降解并釋放小分子Gd3+螯合物,并及時(shí)地經(jīng)腎臟清除體外,避免了Gd3+螯合物在體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的滯留所帶來(lái)的潛在毒性可能,保證了實(shí)驗(yàn)組材料的安全性。

3.3 材料毒性分析

既往研究表明,電正性的大分子通常具有明顯的細(xì)胞毒性、血液毒性以及補(bǔ)體激活功能,而電負(fù)性和電中性的大分子的細(xì)胞毒性則較低[25]。本研究中,注射Gd-PPF-S-CAs 24 h后觀察小鼠主要器官并無(wú)損傷表現(xiàn),這一結(jié)果表明Gd-PPF-S-CAs對(duì)活體動(dòng)物的器官和組織無(wú)毒性作用,具有的良好的生物相容性,這與材料本身所具備的可降解性以及表面所帶負(fù)性電荷性質(zhì)等有關(guān)。

綜上所述,Gd-PPF-S-CAs在體外具有較高的弛豫效能,在體內(nèi)能夠顯著提高正常器官的MRI成像的對(duì)比度,并且在完成體內(nèi)成像后,可被降解為可排泄的低相對(duì)分子質(zhì)量碎片,顯著降低因Gd3+滯留體內(nèi)而引發(fā)毒性的風(fēng)險(xiǎn)。

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