Design, Synthesis and Characterization of Novel Exogenous Smart/Bioresponsive Contrast Agents for Magnetic Resonance and Optical Imaging

Abstract

The core project of the thesis deals with developing a MRI approach for detecting neuronal activity and to translate activity into changes in MR image contrast. A modulation of water relaxivity by contrast agents can be achieved by specific physiological or biochemical triggers that can be changes in pH, calcium ion, neurotransmitter concentration, or enzymatic activity. The purpose of this project was to design and synthesize a new class of gadolinium(III) (Gd)-based calcium ion, pH, and enzyme sensitive "smart" contrast agents that are capable of reporting on the brain activity status by contrast change in MR images. The thesis also involves in development of Gd-based neuroanatomical tracers and some precursors towards targeted contrast agents which can be useful in MRI as well as optical imaging. The first part of thesis contained synthetic bifunctional probes based on DO3A-EA preloaded with gadolinium which were prepared for applications in targeted MRI and optical imaging. A convenient route of synthesis is reported, which allowed conjugation of this probe with biomolecules for the preparation of model MR contrast agents for targeted imaging. The synthesized compounds were analyzed for use in these imaging modalities. The results indicate that DO3Aethylamine is a multipurpose precursor, from which various targeted contrast agents can be synthesized after a single-step conjugation with organic/bioorganic molecules. The second phase of work contained four DO3A-based lanthanide(III) complexes bearing ester protected and unprotected phosphonate groups which have been synthesized and analyzed. The ligands were made by four-step synthetic procedures and purified with preparative RP-HPLC, after which they were used to prepare gadolinium(III) and europium(III) complexes. The MR results showed that all complexes have possible use as pH sensitive contrast agents, which was confirmed by physiochemical characterization. The third part of this thesis described some novel GdDO3A-type bismacrocyclic complexes; conjugated to Ca2+ chelating moieties like EDTA- and DTPA-bisamides, were synthesized as potential ‘smart’ MRI contrast agents. Their sensitivity towards Ca2+ was studied by relaxometric titrations. A maximum relaxivity increase of 15, 6 and 32 % was observed upon Ca2+ binding for Gd2-25, Gd2-26 and Gd2-27, respectively. These results were confirmed by use of different physiochemical techniques. In the fourth phase, our aim was to synthesize multimodal neuronal tracer molecules that can be visualized not only by microscopic techniques in postmortem fixed tissue, but also by MRI in living animals, allowing in vivo brain connectivity studies to be performed. In order to achieve our goal, we designed and synthesized three novel and structurally different gadolinium containing biocytin-based neuroanatomical tract-tracers (41, 45, and 50). The compounds were tested in histology and found to be more stable and well taken up by neurons as compared to the conventional tracer biocytin. Our results suggest that the class of biocytin-based and Gd3+-containing molecules here described, represents a new and very powerful strategy for neuroanatomical tract-tracing.

Diese Arbeit soll zur Entwicklung eines neuen MRI Ansatzes zur Detektion neuronaler Aktivität und die Umsetzung derselben in Änderungen des Kontrastes in MR Bildern beitragen. Die hierfür benötigte Modulation der Wasser-Relaxivität kann durch Kontrastmittel erreicht werden, die auf Änderungen spezifischer physiologischer oder biochemischer Prozesse reagieren, wie z.B. pH-Wert, Calcium-Konzentration, Neurotransmitter-Konzentration oder enzymatischer Aktivität. In dieser Arbeit sollte deshalb eine neue Klasse so genannter „smarter“ Gadolinium-basierter Kontrastmittel entwickelt werden, die über den Nachweis von Änderungen der Calcium-Ionen-Konzentration, des pH-Wertes oder der Aktivität eines Enzyms die Hirnaktivität direkt in Kontraständerungen eines MR-Bildes umsetzt. Außerdem beinhaltet diese Arbeit die Entwicklung neuartiger Gadolinium(Gd)-basierter neuroanatomischer Indikatorsubstanzen sowie einige Vorarbeiten zu gezielt einsetzbaren Kontrastmitteln, die sowohl für die MR als auch die optische Bildgebung einsetzbar sind. Der erste Teil der Arbeit behandelt bifunktionelle Moleküle, die auf einem im Vorfeld mit Gd-beladenem DO3A-EA basieren und für gezielte MR oder optische Bildgebung verwendet werden sollen. Es wird ein einfacher Syntheseweg beschrieben, der die Darstellung dieser Moleküle sowie eine Kopplung an Biomoleküle erlaubt, um Modellverbindungen für MR Kontrastmittel herzustellen, die in der gezielten Bildgebung verwendet werden können. Die hergestellten Verbindungen wurden auf ihre Verwendbarkeit für diese Bildgebungsmethoden untersucht. Es zeigte sich, dass das DO3A-ethylamin eine vielseitig nutzbare Vorstufe darstellt, aus der durch Einschritt-Reaktionen mit organischen/bioorganischen Molekülen verschiedenste gezielte Kontrastmittel synthetisiert werden können. Im zweiten Teil werden die Synthese und Charakterisierung von vier DO3A-basierten Lanthanid(III)-Komplexen beschrieben, die Ester-geschützte oder freie Phosphonat-Gruppen enthalten. Die Liganden hierfür wurden in einer vierschrittigen Synthese hergestellt und mittels präpativer RP-HPLC aufgereinigt. Anschließend wurden diese Liganden zur Herstellung der entsprechenden Gd(III)- bzw. Eu(III)-Komplexe verwendet. Die MR Ergebnisse und die physikochemische Charakterisierung dieser Komplexe zeigten, dass sie alle als pH-empfindliche Kontrastmittel eingesetzt werden können. Des Weiteren werden neuartige bis-makrozyklische Gd-DO3A-basierte Komplexe beschrieben, die an Ca2+-bindende Einheiten wie EDTA- oder DTPA-bis-Amid gekoppelt wurden. Diese sollen als potentielle „smarte“ MR Kontrastmittel Verwendung finden. Ihre Sensitivität für Ca2+ wurde mit Hilfe von relaxometrischen Titrationen untersucht. Dabei wurden durch die Bindung von Ca2+ maximale Relaxivitätsanstiege von 15% für Gd2-25, 6% für Gd2-26 und 32% für Gd2-27 gefunden. Diese Ergebnisse konnten durch verschiedene physikochemische Techniken bestätigt werden. Im letzten Teil war die Synthese multimodaler neuronaler Indikator-Moleküle das Ziel, die nicht nur postmortem in fixiertem Gewebe durch mikroskopische Techniken sichtbar gemacht werden können, sondern auch mittels der MRI im lebenden Tier. Dies würde die Durchführung von in vivo Untersuchungen über die Verknüpfung einzelner Nervenzellen im Gehirn erlauben. Hierzu wurden drei neuartige und strukturell unterschiedliche Gd-enthaltende neuroanatomische Indikatorsubstanzen (41, 45 und 50) entwickelt und synthetisiert, die auf Biocytin basieren. Die Verbindugen wurden mittels histologischer Methoden getestet und zeigten eine sehr gute Aufnahme in Neuronen sowie eine höhere metabolische Stabilität als das konventionelle Biocytin. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die hier beschriebene Klasse der Biocytin-basierten Gd3+-enthaltenden Moleküle, eine neue und leistungsfähige Möglichkeit bieten kann, um die neuronalen Verknüpfungen im Gehirn darzustellen.