四嗪-反式-环辛烯配体的镧系化合物在生物医学成像中的应用

《Inorganic Chemistry Frontiers》：Tetrazine-trans-cyclooctene ligated lanthanide conjugates for biomedical imaging

稀土配合物与铜离子免费点击化学在双模生物医学成像中的应用。通过DO3A-tetrazine稀土配合物与TCO-PEG4-rhodamine的逆电子需求Diels-Alder反应，构建了具有发光和磁共振特性的双模探针。体外研究表明，点击反应导致四唑基团转化为二氢吡啶嗪，关闭铽的发光，而Gd配合物的弛豫率与临床标准Gd-DOTA相当。体内实验通过超声辅助微泡递送，证实探针在大脑神经元中的靶向摄取。

　　本研究聚焦于一种新型的双模分子探针的设计与构建，旨在实现更精准的靶向分子成像与治疗应用。该探针结合了镧系金属配合物与荧光分子，并通过一种称为“点击化学”的无催化剂反应实现两者的高效连接。具体而言，研究人员利用了四氮唑（tetrazine）修饰的DO3A大环螯合剂与一种带有TCO（trans-cyclooctene）基团的罗丹明（rhodamine）荧光探针，通过四氮唑-TCO的逆电子需求狄尔斯-阿尔德（IEDDA）反应构建了双模的探针复合物。这种反应机制具有快速、高效、无毒等优点，特别适用于生物医学中的应用。

镧系元素在生物医学领域具有广泛的应用价值，尤其在成像和治疗方面。它们的同位素被用于多种核医学技术，如正电子发射断层扫描（PET）、α治疗、β治疗以及奥格治疗等。此外，某些镧系金属如钆（Gd）和铽（Tb）也被广泛用于磁共振成像（MRI）中的对比剂。由于自由的镧系离子可能对生物体造成毒性，因此需要高效的螯合剂来稳定这些金属离子，防止其在体内游离并干扰正常的生理过程。本研究中使用的DO3A螯合剂能够保持八齿配位结构，从而确保金属离子的稳定结合，同时不影响其成像性能。

在构建双模探针的过程中，研究人员还引入了聚乙二醇（PEG）作为连接基团，以提高探针在体内的水溶性和生物相容性。PEG的使用不仅能够改善探针的溶解性，还能减少其在生物系统中的非特异性结合，从而增强靶向性。此外，PEG的存在使得探针能够更容易通过血脑屏障（BBB），进入脑组织进行成像和靶向治疗。为了验证这一策略的可行性，研究人员采用聚焦超声（focused ultrasound）与微气泡（microbubbles）的组合技术，将探针引入小鼠大脑，并观察其在神经元中的摄取情况。

实验结果显示，通过四氮唑-TCO反应生成的探针复合物在体内的荧光信号显著增强，表明其能够有效地用于生物成像。同时，Gd（DO3A-tetrazine）和Gd（DO3A-PEG4-rhodamine）的纵向弛豫率（T1 relaxivity）与市售的Gd-DOTA对比剂（Dotarem?）相近，这表明该探针在MRI中的性能与现有标准相当。然而，当探针被引入后，由于其在体内的快速清除，特别是在肾脏和肝脏中，导致其在脑组织中的荧光信号较弱。这一现象可能与探针在体内的代谢路径有关，表明其在体内具有良好的生物可清除性，同时仍能实现有效的靶向性。

在实验过程中，研究人员通过不同的方法制备了多种探针，包括Eu（DO3A-PEG4-piperazine-rhodamine）、Tb（DO3A-PEG4-piperazine-rhodamine）和Lu（DO3A-PEG4-piperazine-rhodamine）。这些探针在体外表现出良好的光谱特性，如吸收和发射峰的位置以及荧光量子产率。在体内实验中，通过超声辅助技术，探针能够成功进入小鼠脑部，并在特定的脑区如海马体和丘脑中被检测到。这一结果表明，四氮唑-TCO连接技术不仅能够实现高效的分子连接，还能有效提升探针的靶向性。

此外，研究人员还探讨了探针在不同条件下的行为特性，包括其在体内的清除速率和光物理性质的变化。结果显示，探针在体内的清除主要通过肾脏和肝脏进行，表明其具有良好的生物可降解性和代谢路径。而其在脑组织中的信号减弱可能与探针在体内的停留时间有关，同时也暗示了MRI成像的灵敏度与荧光成像相比存在一定的差异。因此，在进行MRI成像时，可能需要更高的钆浓度以获得清晰的图像。

本研究的创新之处在于利用了四氮唑-TCO连接技术，使得探针能够在保持其生物相容性的同时，实现多种成像模态的结合。这种策略不仅适用于MRI和荧光成像，还可以扩展到其他类型的成像和治疗应用。同时，研究还展示了该探针在体内的应用潜力，表明其能够在非侵入性条件下实现对脑组织的靶向检测，并通过超声辅助技术进入脑部。

综上所述，本研究通过四氮唑-TCO连接技术，成功构建了具有双模成像能力的镧系探针，并验证了其在体内的应用效果。这些探针在MRI和荧光成像中均表现出良好的性能，表明其具有广泛的应用前景。未来的研究将进一步探索这些探针在体内预靶向策略中的应用，以及其在不同条件下的行为特性。此外，研究还强调了在设计和合成这些探针时，需要考虑其在体内的稳定性和代谢路径，以确保其在生物系统中的安全性和有效性。