疏水基团和亲水基团对酪氨酸酶敏感型 DO3A 基 MRI 造影剂 T1 和 CEST 信号影响的洞察

《Journal of Inorganic Biochemistry》：Insights into the influence of hydrophobic and hydrophilic moieties on T 1 and CEST signals of tyrosinase-sensitive DO3A-based MRI agents

　　

摘要

响应性磁共振成像（MRI）探针是检测生物组织内酶活性的一种强大的非侵入性平台。在此，我们设计并评估了两系列基于 DO3A 的分子探针 LnL¹ 和 LnL²（Ln = Gd³⁺、Tb³⁺ 和 Tm³⁺），它们能够响应酪氨酸酶（TYR）。配体 L^1–2 的侧臂上分别具有酯基（L¹）或羧基（L²）。Tb³⁺ 配合物在 H₂O 和 D₂O 中的发光寿命显示，两种配合物的内水合球中均有一个水分子。紫外 - 可见光谱研究表明，GdL¹ 和 GdL² 在与 TYR 共孵育时均发生氧化聚合形成类黑色素聚合物，导致纵向弛豫率显著增加。Tm³⁺ 配合物表现出化学交换饱和转移（CEST）效应。尽管 ¹H NMR 结果表明两种配合物主要采用 SAP 构型，但亲水性羧基和疏水性酯基赋予了细微的结构变化。这些结构调制是酶催化下观察到的 CEST 效应和弛豫行为显著差异的基础，这为通过细微的结构修饰设计理想的 MRI 剂铺平了道路。

引言

帕金森病（PD）是一种进行性神经退行性疾病，过去二十年来全球发病率迅速上升，给人类社会带来了公共卫生挑战 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。神经黑色素的积累被认为是 PD 发病的关键病理标志 [7], [8], [9]。酪氨酸酶（TYR）的过表达可能促成 PD 的发病。目前，有几种 TYR 检测和成像方案：由 TYR 氧化触发的荧光探针 [10]，切割反应释放近红外发光分子 [11], [12] 以及对比剂分子 [13]。尽管有各种光学探针可用于 TYR 检测，但由于组织穿透力差和空间分辨率低，它们在深部大脑成像中的应用仍然有限。相比之下，磁共振成像（MRI）提供非侵入性、高分辨率成像，适用于深部脑结构 [14]。

与传统荧光探针相比，MRI 利用人体内的水质子产生高时间分辨率和空间分辨率的信号 [15]。为了提高 MRI 的特异性，使用了对比剂（CAs），它们含有具有高顺磁性的七个未配对电子的钆离子。这些离子通常进一步与八齿多胺多羧酸根配体螯合，使对比剂在热力学和动力学上保持稳定。在这些配体中，具有七个配位点和一个易于功能化化学位点的 1,4,7,10-四氮杂环十二烷 -1,4,7-丙酸（DO3A）常用于开发基于钆的对比剂，提供增强的 T₁ 加权 MRI 信号 [16]。基于这个多功能支架，理性设计了响应性或智能对比剂（SCAs），它们能够响应特定的生物刺激来调节磁共振信号 [17]。此外，基于 DO3A 的配合物适用于利用化学交换饱和转移（CEST）的 MRI 研究。这种方法源于通过射频脉冲选择性饱和可交换质子，由于化学交换导致水信号降低 [18]。在众多应用中，CEST 成像依赖于源自抗磁性化合物或顺磁性配合物的可交换质子。前者的一个代表是谷氨酸加权 CEST（gluCEST），它通过监测内源性谷氨酸水平来检测脑中的神经元活动 [14]。相比之下，当 DO3A 螯合特定的顺磁性镧系离子（例如，Eu³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺）时，所得配合物作为顺磁性 CEST（paraCEST）剂发挥作用。来自金属结合水分子或配体酰胺基团的可交换质子产生可测量的 CEST 信号 [18], [19]。

旨在开发适用于通过不同 MRI 方法研究神经退行性疾病的 MRI 原型探针，开发了两款酪氨酸酶响应探针 LnL¹ 和 LnL²（Ln = Gd³⁺、Tb³⁺ 和 Tm³⁺）（图表 1）。它们要么带有酪氨酸甲酯，要么带有酪氨酸侧臂，其中酚基团作为 TYR 的特异性识别结构，同时也作为天线来敏化稀土离子的发光发射。制备这些配体后，我们研究了两种 Tm³⁺ 配合物的发光寿命以揭示水的配位数（q）。在与 TYR 共孵育时确定 Gd³⁺ 配合物的纵向弛豫率 r₁ 值，以评估其通过 MRI 检测酪氨酸酶活性的潜力。分别在 25 °C 和 37 °C 下研究了 Tm³⁺ 配合物的 CEST 效应。LnL¹ 中酯基和 LnL² 中羧基产生的结构差异是通过 CEST 和 T₁ 变化推断出来的，并通过 TmL¹ 和 TmL² 的 ¹H NMR 波谱进一步证实。

章节摘要

配体和配合物的合成

L¹ 和 L² 的制备涉及用氯乙酰氯连接 L-酪氨酸甲酯和 DO3A-tBu，然后使用 TFA 水解叔-丁酯（方案 1）。初始氯化物 1 通过 L-酪氨酸甲酯与氯乙酰氯在二氯甲烷中的反应获得，产率为 63%。然后 DO3A-tBu 与 1 在乙腈中烷基化，使用 Na₂CO₃ 作为碱，得到化合物 2，产率为 57%。随后水解 2 的叔-丁酯

结论

在这项工作中，我们报道了两系列酶响应探针 LnL¹ 和 LnL² 的开发（Ln = Gd³⁺、Tb³⁺ 和 Tm³⁺）。配合物紫外 - 可见吸收的变化证实了它们对 TYR 的响应，而溶液变暗表明发生了氧化聚合。在 H₂O 和 D₂O 中的发光寿命测量显示 TbL¹ 和 TbL² 中有一个配位水分子，这解释了钆配合物的高初始弛豫率。在与 TYR 共孵育时，GdL¹ 和 GdL² 均经历了

CRediT 作者贡献声明

Yuxin Chen: 调查，形式分析，数据整理。 Gaoji Wang: 撰写 - 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。 Wenchang Wu: 可视化，数据整理。 Ping Yue: 形式分析，数据整理。 Goran Angelovski: 撰写 - 原稿，调查，资金获取，形式分析。 LingLing Qu: 监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能已经影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢来自 中国国家自然科学基金委员会（资助项目号：22207046，22174154 和 T2250710181），上海市科技重大专项（资助项目号：2019SHZDZX02），以及 江苏大学高级人才研究基金（资助项目号：5501310019）的财政支持。

Yuxin Chen|Gaoji Wang|Wenchang Wu|Ping Yue|Goran Angelovski|LingLing Qu

江苏大学化学与化工工程学院，江苏镇江 212013，中国