微小结构变化，重大功能影响：一种用于MRI乳酸传感的新型Ln(III)(HP-DO3A)衍生物

《Inorganic Chemistry Frontiers》：Small structural change, major functional impact: a new Ln(iii)(HP-DO3A) derivative for MRI lactate sensingOpen Access

　　

具有八配位大环配体的Ln(III)配合物是设计MRI造影剂（作为弛豫增强剂或化学交换饱和转移（CEST）剂）的首选候选物。其中，HP-DO3A受到密切关注，因为微小的结构变化已被证明会显著影响相应Ln(III)配合物的性质。在本工作中，研究人员报告了关于HnP-DO3A（HP-DO3A的一种异构体）的Ln(III)配合物的观察结果，该异构体以3-羟丙基部分取代了2-羟丙基部分。当Ln = Gd时，配体结构的变化导致配位水分子的交换明显加快，弛豫率略有升高，但没有观察到Gd(HP-DO3A)在碱性pH值下特有的平台。此外，Gd(HnP-DO3A)显示出与内源性阴离子形成三元配合物的良好倾向，并且与血清蛋白表面的暴露功能基团具有可检测的结合能力。值得注意的是，体外标准测试表明，在过量乳酸阴离子存在下，三元配合物的形成增强了动力学惰性。此外，Yb(HnP-DO3A)被发现是一种优异的CEST剂，对乳酸浓度响应良好。该配合物水溶液在不同乳酸量下的Z-谱显示出配位羟基（94 ppm）和乳酸阴离子（254 ppm）的特征性ST%吸收，这与高分辨率1H-NMR谱的观察结果一致。通过取两个ST%值的比值，可以消除对配合物浓度的需求，并获得乳酸阴离子的定量估计。

**论文解读：微小结构变化驱动的功能转变——新型Ln(III)(HnP-DO3A)配合物用于MRI乳酸传感**

**研究背景与问题**

在生物医学成像中，活体内源性阴离子的空间和动态测量是一个重大挑战，可提供重要的病理信息。乳酸尤其值得关注，因为大多数癌细胞即使在氧气充足的情况下也会产生异常高水平的乳酸。在MRI中，直接检测乳酸水平的方法包括超极化技术和磁共振波谱（MRS），但这些方法受限于长的采集时间和低空间分辨率。化学交换饱和转移（CEST）技术允许检测含有可与水交换的质子的分子，适用于代谢成像。然而，乳酸羟基质子被水的宽信号掩盖，使其定量复杂化。一种解决方案是应用ParaCEST探针，这些探针在与顺磁配合物相互作用后，可交换质子产生显著的化学位移。该技术需要可交换质子与水之间的慢交换，以可视化分离的顺磁质子池。

七齿镧系配合物已发现能有效结合多种阴离子，包括乳酸，这促使它们被开发为荧光成像和MRI的分子探针。然而，这些响应型探针的主要挑战之一是对阴离子的特异性不足。ParaCEST剂因质子共振频率编码而具有固有特异性。Sherry D.等人研究了乳酸与Eu-DO3A和对映选择性Yb配合物的结合，两者均通过乳酸分子与镧系中心的配位显著移动了乳酸交换峰。最近，Martins A.等人报道Yb-PCTA和Eu-PCTA在乳酸存在下也表现出强烈的CEST信号，进一步支持了ParaCEST剂是MRI乳酸传感良好工具的观点。然而，要定量体内乳酸浓度，需要比率型探针，这些探针允许独立于实际探针浓度测量乳酸浓度。比率型ParaCEST方法特别有利，因为它利用多个CEST信号的存在，其相对强度可与乳酸结合相关联，从而消除探针分布和局部浓度的影响，这些因素通常影响体内MRI测量。

Ln(HP-DO3A)配合物被发现具有源自内在羟基的有趣CEST性质。该配合物以方形反棱柱（SAP）和扭曲方形反棱柱（TSAP）异构体的混合物存在，产生两个羟基交换峰，分别对应SAP和TSAP异构体，提供浓度无关的pH或温度测量。Eu(III)和Yb(III)的HP-DO3A配合物展现的独特CEST特性是对Gd(HP-DO3A)（最常用的MRI造影剂之一）已建立的弛豫性质的极好补充。HP-DO3A衍生物的合成直接，已有多个系统被设计和测试以调节感兴趣的决定因素以及与生物环境成分相互作用的能力。

**研究内容与结论**

本研究报道了研究人员对Ln(HnP-DO3A)配合物的最新观察，该配合物与母体Ln(HP-DO3A)的区别在于含OH基团的臂延长了一个碳。因此，本研究旨在探究：(i) Gd(III)配合物的弛豫性质及其形成三元配合物的倾向；(ii) 相应含Yb(III)物种作为比率型ParaCEST探针用于乳酸检测的潜力。与母体HP-DO3A一样，配体HnP-DO3A也包含一个内在的配位羟基，但允许乳酸置换配位臂的空间。通过1H-NMR、结构表征和弛豫测量研究了配合物的阴离子结合能力，以理解结构性质。

**主要技术方法**

研究人员使用了以下关键技术方法：高分辨率1H-NMR波谱（包括二维EXSY）、弛豫测量（包括17O-NMR变温实验和核磁共振弛豫色散（NMRD）谱）、质子弛豫增强（PRE）法测定阴离子结合常数、锌离子转金属化实验评估动力学惰性，以及CEST谱（在14.1 T和7.05 T谱仪上采集，使用饱和脉冲和Z-谱分析）。样本来源为实验室合成，未涉及特定临床队列。

**研究结果**

**配体与配合物设计**：HnP-DO3A配体基于修饰的HP-DO3A，羟基位于丙基链的3位而非2位。研究人员预期去除臂上的甲基应因配位位点位阻减小而增强乳酸结合能力，且不显著降低稳定性。合成了Yb、Gd和Eu配合物。

**高分辨率1H-NMR**：Eu(HnP-DO3A)在低温下质子共振宽化，归因于羟基丙基臂在配位和游离位置之间的快速波动。添加乳酸后出现新的尖锐共振，表明因乳酸结合而稳定了慢交换的配合物形式。Yb(HnP-DO3A)的1H-NMR谱在D2O中足够解析，可确定SAP和TSAP异构体比例为30%:70%，表明TSAP构型能量较低。添加过量乳酸后，出现两组结合的乳酸信号（CH和CH3），表明慢交换。

**弛豫性质**：Gd(HnP-DO3A)在298 K、中性pH和0.5 T下的弛豫率为4.6 mM^-1 s^-1，略高于Gd(HP-DO3A)。pH依赖性研究表明，Gd(HnP-DO3A)不具有Gd(HP-DO3A)在碱性pH下的弛豫率升高平台，表明其羟基质子在中性pH下已处于快速交换。17O-NMR变温实验拟合得到水交换时间τ_M为45 ns，与Gd(HMP-DO3A)相当。NMRD谱显示在血清中弛豫率略有升高（5.6 mM^-1 s^-1），与人血清白蛋白（HSA）的微弱结合常数为21 ± 111 M^-1。

**乳酸结合**：通过PRE法测定Gd(HnP-DO3A)与乳酸的表观结合常数为176 ± 17 M^-1（pH 7.4），高于柠檬酸盐（58 ± 9 M^-1）和碳酸盐（32 ± 7 M^-1）。磷酸盐不能降低弛豫率，反而略有增加，可能通过氢键二次球贡献。在人体血清中，乳酸结合常数降至102 ± 20 M^-1，但仍足以在肿瘤微环境（乳酸浓度10–40 mM）中传感。

**动力学惰性**：锌离子转金属化实验显示，Gd(HnP-DO3A)的弛豫率降至初始值80%的时间约为1000 min，但4320 min后降至0.38，表明长期动力学惰性较低。有趣的是，在过量乳酸存在下，4320 min时比值升至0.92，表明三元配合物形成显著降低了转金属化速率。NMRD拟合显示，形成乳酸三元加合物后，关联时间τ_V从8.4 ps增至12.5 ps，表明系统刚性增加，与动力学惰性增强一致。

**CEST**：Yb(HnP-DO3A)的CEST谱显示羟基交换峰在94 ppm（对应TSAP异构体）。添加乳酸后，出现240 ppm的新峰（配位乳酸羟基）。在低饱和功率下，240和244 ppm的双峰可归因于SAP和TSAP结合的乳酸异构体。Z-谱随乳酸浓度变化显示，羟基峰强度降低，乳酸峰强度增加。比率型CEST效应（220–260 ppm与60–130 ppm积分比）与乳酸浓度在10–100 mM范围内呈良好线性关系（R² = 0.96），且对pH（5.4–7.4）和配合物浓度不敏感。

**讨论与结论**

研究人员总结指出，羟基臂延长一个碳原子导致Gd(HnP-DO3A)的弛豫性质和动力学惰性以及Yb配合物的CEST性质与母体HP-DO3A和HMP-DO3A系统相比发生显著变化。值得注意的是，与Ln(HP-DO3A)配合物不同，Ln(HnP-DO3A)配合物展现出与内源性阴离子形成三元配合物的强大能力。这一性质可被利用来通过弛豫测量或开发比率型ParaCEST方法传感乳酸离子。在CEST实验中，所用B₁值（33和24 μT）很高，仅适用于体外物化表征。这些结果的体内转化将首先需要评估在较低B₁值（1.5–3 μT）下的CEST性质。研究结论强调，该工作揭示了微小结构变化对功能性质的重大影响，并为开发新型乳酸响应型MRI造影剂提供了新策略。