从多胺到纳米凝胶：超分子策略提升[Gd(DOTP)]5?弛豫率的机制与应用前景

《Dalton Transactions》：From polyamines to nanogels: a supramolecular approach for boosting relaxivity of [Gd(DOTP)]5?

本综述系统阐述了通过超分子化学策略，利用多胺及纳米凝胶等阳离子底物与阴离子钆配合物[Gd(DOTP)]5?（q=0）形成离子对或主客体复合物，显著增强其二阶水分子贡献，从而大幅提升其纵向弛豫率（r1）的机制。研究结合核磁共振弛豫分散（NMRD）技术与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了限制二阶水分子旋转动力学是弛豫率提升的关键，为开发高效、低剂量且具有靶向性的新型磁共振成像（MRI）对比剂提供了新思路。

　　

引言

超分子化学作为现代无机化学和材料科学发展的基石，专注于通过一系列弱非共价相互作用实现分子组件的可控组装。这些作用力在调控分子结构和行为方面扮演着关键角色。其精确控制能力对于分子识别、选择性传感、催化以及特异性结合等功能至关重要，这些功能是生物系统和材料技术的核心。在磁共振成像领域，超分子策略已被成功应用于增强顺磁性离子配合物作为诊断探针的性能和功效。其中，钆(III)螯合物因其七个未成对电子带来的高顺磁性和相对较长的电子弛豫时间，成为最常用的对比剂。对比剂的效率由其弛豫率量化，对于钆基对比剂，弛豫率主要源于内球和外球两种机制，而内球过程通常是主导因素。影响内球弛豫率的关键参数包括水合数、水分子停留寿命、相关时间以及旋转相关时间。在临床相关磁场下，旋转相关时间往往是限制弛豫率的主要因素。因此，通过增大分子尺寸或限制流动性来延长旋转相关时间，是提高临床应用中弛豫率的核心策略之一。除了共价连接大分子或引入刚性结构外，利用功能化钆配合物与缓慢旋转底物之间的非共价相互作用也是一种有效方法。

实验部分

化学品与材料

所有化学品均购自默克/西格玛奥德里奇、赛默飞世尔科技或BLD Pharm，未经进一步纯化直接使用。

合成程序

Na₅[Gd(DOTP)]通过将DOTP配体溶于水，调节pH至7.0后，缓慢加入GdCl₃·6H₂O水溶液，在60°C下反应并维持pH，最终通过减压浓缩得到白色固体。八氮杂穴醚通过三(2-氨基乙基)胺与乙二醛缩合，随后用NaBH₄还原中间体六亚胺制得。[Gd(DOTP)]^5?与不同多胺的加合物通过将相应多胺加入钆配合物溶液中，并在特定pH下制备。NG-PEI纳米凝胶则通过PEI与三聚磷酸钠、透明质酸钠以及[Gd(DOTP)]^5?的离子交联反应合成，并经透析纯化。

表征技术

核磁共振实验在Bruker AVANCE III 500谱仪上进行，利用体磁化率法确定金属离子浓度。弛豫测量使用Stelar快场循环弛豫仪和高温超导磁体弛豫仪，记录不同温度和磁场下的核磁弛豫分散谱。动态光散射和Zeta电位分析使用Malvern Zetasizer Nano ZS仪器。计算分析在Gaussian 16程序中利用DFT方法进行，采用PBE0泛函和D3色散校正，并利用连续溶剂化模型处理水溶液环境。

结果与讨论

[Gd(DOTP)]^5?的弛豫特性

[Gd(DOTP)]^5?的NMRD谱图在0.01-10 MHz频率范围内呈现出特征形状：低场平台区、4 MHz附近的陡峭分散以及10 MHz以上的第二个平台。该谱图可以通过外球和二阶球贡献来完美解释。分析表明，二阶球贡献源于四个与膦酸酯基团形成氢键的二阶水分子，其Gd-H距离为3.5 ?，停留寿命为1 ns，全局旋转相关时间为40 ps。尽管该配合物没有内球水分子，但其弛豫率在临床相关磁场下与单水合配合物[Gd(DOTA)(H₂O)]^?惊人地相似，这凸显了二阶水分子的关键作用。

[Gd(DOTP)]^5?与多胺的加合物

为了探究通过形成主客体相互作用或离子对来增强弛豫率的可能性，研究选择了环烯、八氮杂穴醚和低分子量聚乙烯亚胺等阳离子多胺作为底物。弛豫率随pH的变化显示出明显的依赖性，最大值出现在阴离子配合物与阳离子底物之间电荷达到最佳平衡的pH点。例如，与环烯的加合物在pH 9.0时弛豫率最大，而与八氮杂穴醚和PEI的加合物则在pH 7.0附近达到最大值，弛豫率提升分别达到五倍和六倍。

¹H NMR弛豫滴定

弛豫滴定用于研究离子对的形成并确定结合常数。对于环烯体系，数据拟合支持形成1:1和1:2的加合物，结合常数分别为K₁= 82.8 M^?1和K₂= 40.5 M^?1，结合态配合物的弛豫率分别为7.3和9.0 mM^?1s^?1。与八氮杂穴醚的相互作用更强，符合1:1结合模型，结合常数K = 111 M^?1，弛豫率达到25.6 mM^?1s^?1。与PEI的相互作用最强，结合常数K = 1.8 × 10⁴M^?1，每个PEI分子上约有6.4个等效结合位点，结合态弛豫率为27.0 mM^?1s^?1。

DFT计算

DFT计算为实验推断的结合计量比提供了理论支持。对于环烯体系，计算表明包含两个环烯阳离子的1:2加合物在能量上比1:1加合物更稳定。分子静电势图和NCI分析揭示了加合物中主要的静电相互作用以及水分子、膦酸酯基团和质子化胺之间形成的氢键网络。计算得到的Gd-C距离与通过¹³C NMR弛豫测量得到的距离非常吻合，验证了结合模型的合理性。对于八氮杂穴醚加合物，其空穴在几何上适合容纳[Gd(HDOTP)]^4?的方形反棱柱结构的上平面，计算也支持1:1的结合模式。

¹H 1/T₁NMRD谱图分析

对不同加合物的NMRD谱图分析提供了关于弛豫增强机制的深入信息。与环烯的加合物其弛豫率约为自由配合物的两倍，谱图在高场区出现宽肩峰，表明分子旋转减慢。数据分析表明，有约四个二阶水分子共享约150 ps的旋转相关时间。而与八氮杂穴醚和PEI的加合物，其NMRD谱图在30 MHz附近出现明显的弛豫率峰值，峰值弛豫率约为26 mM^?1s^?1，这是纳米尺寸体系的典型特征。采用Lipari-Szabo无模型方法分析表明，这些加合物的全局旋转相关时间显著延长，并且二阶水分子的局部旋转也受到限制。二阶水分子停留时间也从自由配合物的1 ns增加到加合物中的数纳秒水平。这些因素共同导致了弛豫率的大幅提升。

基于[Gd(DOTP)]^5?的纳米凝胶

为了进一步探索限制效应对弛豫率的增强，研究合成了包含PEI、三聚磷酸钠、透明质酸钠和[Gd(DOTP)]^5?的纳米凝胶。DLS显示其水合直径约为2 nm，分布均匀。在32 MHz和298 K下，该纳米凝胶的弛豫率高达42.4 mM^?1s^?1，比自由配合物提升了约十倍。NMRD谱图分析显示其具有更长的全局和局部旋转相关时间，以及适中的二阶水分子停留时间。弛豫率提升的主要因素并非二阶水分子数量的增加，而是其旋转流动性在聚合物基质中受到显著限制。

结论

本研究通过系统考察[Gd(DOTP)]^5?与不同多胺及纳米凝胶的超分子相互作用，证实即使钆离子缺乏内球配位水，通过合理设计配体使其具备强的氢键受体能力，并利用超分子策略限制邻近水分子的旋转动力学，也能实现弛豫率的显著提升，甚至可超过一个数量级。关键在于将水分子限制在靠近金属中心的区域，促进强氢键相互作用，并减缓分子翻转。这种基于二阶水分子机制的策略不仅适用于钆配合物，也有望拓展至其他顺磁性金属离子。超分子相互作用的可逆性和适应性为设计能够封装MRI探针并可降解清除的纳米结构提供了可能，但其在生理条件下的稳定性仍需进一步优化。这项工作为开发高效、高惰性的新型MRI对比剂开辟了新的途径。