Our group has researched for new MRI contrast agent from synthesis to characterization using physiological, chemical, biological study as below

1. Synthesis

The whole ligands and its complexes were synthesized by the literature with some modification as illustrated below scheme 1 [J. Med. Chem. 2011, 54, 143–152]. All compounds were confirmed by microanalysis and spectroscopic techniques such as 1H NMR, Elemental analysis, HRFAB mass spectrometry. Our lab was registered in laboratory safety management system at Kyungpook National University and well equipped with instrument for safety and chemical synthesis.


Scheme1. Synthesis of DOTA conjagates of tranexamic acid, tranexamic ester, and their Gd(III) complexes.

2. Relaxivity

Relaxivity indicates the efficiency of MR contrast agent which catalytically shortening the relaxation rate as a function of concentration. The magnetic resonance (MR) images were acquired at the number of varying parameter within different concentration. Relaxivity value was computed by measured relaxation rate (from inverse of relaxation time) value in 1mM.


Figure1. MRI acquisitions at 1.5T of the phantom samples used for relaxivity calculation (left) and relaxation rate of GdL1 as a function of concentration.

3. in vivo MRstudy

The MR study was performed before and after administration using a 1.5T MR unit. It was scanned for several hours to observe biodistribution and excretion pathway. After administration, it was circulated whole body through the vessel with contrast enhancement, (in some cases, organ specific) and finally excreted out from the body. This study helps us know which biological function the newly designed contrast agent has.


Figure 2. Coronal T1-weighted whole body images of 6-week male ICR mice with GdL, a dosage of 0.1mmol/kg and its CNR profile.

4. kinetic stability study

The Gd complexes can be kinetically labile to suffer from transmetallation by endogenous ions like Cu(II), Ca(II), Zn(II) in the human body. The kinetic stability of Gd complex was focused especially in the presence of Zn(II) ions, because of its high affinity toward common gadolinium chelates, DTPA and DOTA, thereby kicking the toxic Gd(III) ions out much more. When the transmetallation of the Gd complexes was occurred in phosphate-buffered solution with the presence of ZnCl2, the expelled Gd(III) ions would form Gd2(PO4)3, thereby decreasing relaxation rate due to loss of paramagnetic properties. The relative value of R1P at any time t, R1P(t)/R1P(0), is therefore a good estimate of the extent of transmetallation. The evolution of R1P(t)/R1P(0) was shown in below [J. Med. Chem. 2011, 54, 143–152]


Figure 3. The evolution of R1P(t)/R1P(0) of 5a-c,6 and commercial contrast agents.

In addition to these studies, various studies can be performed according to the function and purpose of newly designed contrast agent as illustrated in our publications.

경북대학교 생체의학자기공명영상연구실(BMRLab) 분자영상의학팀은 아래와 같은 생체, 화학, 생물학적 연구를 통해 합성에서 특성 분석에 이르기까지 새로운 MRI조영증강제 등의 분자영상제제 및 의약제제(항암제 등)에 대한 연구를 하고 있습니다.

 

1. 합성

전체 리간드 및 그 착물은 논문을 참고하여 아래의 도식1에 예시 된 바와 같이 합성됩니다. [J. Med. Chem. 2011, 54, 143-152]. 모든 화합물은 1H NMR, 13C NMR, 원소 분석, Anal-HPLC, LC/MS, High resolution FAB/MS 와 같은 미세수준의 분석 및 분광 기술에 의해 확인됩니다. 


도식1. 트라넥삼산, 트라넥삼산 에스테르와 결합한 가돌리늄 착물의 합성

2. 자기이완도(relaxivity) 측정

자기이완도는 자기이완율을 단축시키는 역할을 하는 MR조영증강제의 효율을 나타냅니다. 다양한 농도와 다양한 매개 변수 조건에서 측정 된 자기이완율로부터 계산을 통해 자기이완도를 얻을 수 있습니다.


그림1. 자기 이완도 측정을 위한 샘플의 자기공명영상 (1.5 T) 과 농도에 따른 함수로 나타낸 자기이완율 그래프

3. 생체 내 자기공명영상 실험 (In-vivo MR)

생체 내 자기공명영상(MRI) 조영증강 연구는 1.5T, 3T, 4.7T, 9.4T MRI 장치를 사용하여 약물의 투여 전후에 수행됩니다. 합성한 조영증강제의 생체 분포 및 배설 경로를 관찰하기 위해 약물 투여 후 약 3시간 동안 영상을 얻습니다. 투여 후, 약물이 혈관을 통해 전신을 순환하며 영상의 대조도를 향상시킨 후 (조영증강제 특성에 따라 장기 특이성이 있음) 체외로 배출되는 것이 일반적입니다. 이 연구는 새로 설계된 조영제가 가지고 있는 생물학적 기능을 파악하는 데 도움이 됩니다.


그림 2. 6주령 ICR mouse의 관상면(Coronal) 자기공명영상과 CNR(Contrast to noise ratio) 그래프

*조영증강제 투여량: 0.1 mmol/kg

4. 속도론적 안정성 연구

가돌리늄 착물은 인체 내의 Cu(II), Ca(II), Zn(II)와 같은 내재성 이온과의 금속교환 작용(transmetallation)으로 인해, 배위결합된 가돌리늄이 체내에서 불안정 할 수 있습니다. 가돌리늄 착물의 속도론적 안정성은 특히 Zn(II) 이온에 초점을 맞추어 진행 되는데, 이는 Zn(II) 이온이 일반적으로 사용되는 가돌리늄 킬레이트인 DTPA와 DOTA에 높은 친화력을 가져 독성이 강한 가돌리늄 이온을 더 많이 생성하는 결과를 가져오기 때문입니다. ZnCl2를 넣어준 인산염 완충 용액에서 가돌리늄 착물의 금속교환작용이 일어 났을 때, 방출 된 가돌리늄 이온은 Gd2(PO4)3를 형성하면서 상자성을 잃게 되어 자기이완율이 감소하게 됩니다. 따라서 임의의 시간 t에서의 상대적인 값, R(t)/R(0)을 통해 금속교환 작용 정도를 예측할 수 있습니다. [J. Med. Chem. 2011, 54, 143-152]


그림 3. 착물 5a-c, 6과 상용 조영제의 R(t)/R(0) 변화

이러한 연구 외에 새로 설계된 조영증강제의 기능과 목적에 따라 다양한 연구가 수행될 수 있습니다.(출판 된 논문 참조)