Высокогидратированные парамагнитные аморфные нанокластеры карбоната кальция в качестве контрастного вещества для МРТ.

Apr 04, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5088 (2022) Цитировать эту статью

4812 Доступов

4 цитаты

49 Альтметрика

Подробности о метриках

Аморфный карбонат кальция играет ключевую роль в качестве временного предшественника на ранних стадиях образования биогенного карбоната кальция в природе. Однако из-за его нестабильности в водном растворе аморфный карбонат кальция в биомедицине все еще удается использовать редко. Здесь мы сообщаем о взаимном эффекте между парамагнитными ионами гадолиния и аморфным карбонатом кальция, приводящим к образованию ультрадисперсных нанокластеров парамагнитного аморфного карбоната в присутствии как окклюдированной гадолинием высокогидратированной карбонатоподобной среды, так и полиакриловой кислоты. Подтверждено, что гадолиний увеличивает содержание воды в аморфном карбонате кальция, а высокое содержание воды в нанокластерах аморфного карбоната способствует значительному повышению контрастной эффективности магнитно-резонансной томографии по сравнению с коммерчески доступными контрастными веществами на основе гадолиния. Кроме того, улучшенные характеристики Т1-взвешенной магнитно-резонансной томографии и биосовместимость нанокластеров аморфного карбоната дополнительно оцениваются на различных животных, включая крыс, кроликов и собак породы гончая, в сочетании с многообещающей безопасностью in vivo. В целом, исключительно легкие и массовые нанокластеры аморфного карбоната демонстрируют превосходные характеристики визуализации и впечатляющую стабильность, что обеспечивает многообещающую стратегию для разработки магнитно-резонансного контрастного агента.

Аморфный карбонат кальция (АКК), широко распространенный в природе, играет ключевую роль в качестве временного предшественника на ранних стадиях формирования биоминералов1,2,3,4. Используя биоинспирированную стратегию, можно получить разнообразные материалы с контролируемыми фазовыми, физическими и химическими свойствами5,6. Высокогидратированное содержание является отличительной особенностью АСС и играет ключевую роль в его стабилизации6,7,8,9,10,11,12. Как метастабильная фаза карбоната кальция, АСС нестабильна в водном растворе и быстро превращается в кристаллические фазы из-за дегидратации, связывания ионов и других факторов6,7,8,13. Таким образом, потенциальное применение высокогидратированного АСС в значительной степени игнорируется, и существует мало успешных примеров использования АСС в биомедицине.

Одним из важных параметров повышения эффективности контрастирования Т1-контрастных веществ для МРТ на основе гадолиния является их гидратация14. Имея семь неспаренных электронов, ион гадолиния обладает большим магнитным моментом и длительным временем релаксации спина электрона, что приводит к появлению многочисленных клинически доступных внеклеточных контрастных веществ на основе гадолиния для МРТ Т114,15. Благодаря универсальной функционализации для взаимодействия с биомолекулами in vivo и более низкой скорости утечки ионов гадолиния благодаря неорганической наноструктуре, неорганические наноагенты на основе Gd привлекли значительное внимание15,16. К сожалению, гидратация наночастиц на основе гадолиния страдает от высокотемпературного синтеза, хотя последующая утечка ионов сводится к минимуму за счет ограниченной наноструктуры по сравнению с хелатными комплексами15.

Здесь мы вводим ионы гадолиния в процесс минерализации АСС, которые, как было доказано, интегрируются в конечную фазу аморфного карбоната кальция. В этой аморфной системе ионы гадолиния в сочетании с поли(акриловой кислотой) способствуют усилению гидратации воды и стабильности нанокластеров, в то время как удержание ионов гадолиния карбонатом улучшает биосовместимость и характеристики, указывая на то, что полученный продукт обладает примечательными свойствами контрастного агента для МРТ. Кроме того, обнаружено взаимное влияние парамагнитного иона лантанида гадолиния и аморфного карбоната кальция, что способствует максимальному содержанию гидратов в свежеприготовленных аморфных композитных нанокластерах и высокой продольной релаксации. Конечные нанокластеры парамагнитного аморфного карбоната (ACNC) обладают высоким соотношением воды и Ca (вода/Ca = 7,2) по сравнению с обычными ACC (отношения остаются постоянными и составляют около 0,4–1,9). Продольная релаксация ACNC (37,93 ± 0,63 ммоль-1 · с-1 при 3,0 Тл) также улучшилась за счет высокого содержания воды, которое в десять раз выше, чем у коммерчески доступного МР-контрастного агента гадопентиновой кислоты (Gd-DTPA). и обладает высокой устойчивостью к утечке ионов, поэтому может служить потенциальным контрастным веществом для МР.