Calcium(II)-sensitive and Silsesquioxane-based Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging - Synthesis, Characterisation and Mechanistic Studies

Abstract

The evolvement of magnetic resonance imaging (MRI) to one of the most powerful tools in medical diagnosis is strongly related to the development of paramagnetic contrast agents (CAs). Today, almost 30% of MRI investigations use a contrast agent. These are mainly gadolinium based extracellular perfusion agents which distribute non-specifically throughout plasma and interstitial spaces. The next generation of CAs is aimed at a more efficient and more specific imaging. As calcium(II) plays an important role in regulating a great variety of neuronal processes, there is a strong interest to generate gadolinium complexes which can act as calcium-sensors in functional magnetic resonance imaging (fMRI). In this work the mechanistic aspects of the calcium sensitivity of a series of DO3A-based lanthanide chelates, bearing an alkyl aminobisphosphonate group (alkyl = propyl – hexyl) as the additional coordination site, were investigated. Instead of increasing, as observed for other calcium sensitive CAs, the longitudinal relaxivity r1 (the paramagnetic longitudinal proton relaxation rate enhancement referred to one millimolar concentration of Gd3+) of these systems decreases with increasing calcium concentration. This might be an advantage in instances where a decreased ion concentration should be transformed into an image. For the investigation (time-resolved) luminescence spectroscopy as well as NMR based techniques like 1H-T1 measurements, temperature dependent 17O-NMR, 31P-NMR and concentration dependent PGSE diffusion NMR spectroscopy were performed on the gadolinium complexes and on their yttrium and europium analogues, respectively. It could be shown that calcium induces aggregation of the complexes and that in these aggregates the interaction of water molecules with the metal core is significantly hindered, which is in turn responsible for the observed decreases in relaxivity. The second part of the dissertation is focused on macromolecular silsesquioxane based CAs. Macromolecules are considerable useful for constructing highly-sensitive and functional CAs as their high molecular weight increases the rotational correlation time of the molecule and therefore enhances their relaxivity. The use of cubic octameric polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) allows directly the symmetric eightfold grafting of gadolinium complexes. Hence, several ligand systems were designed and synthesised in order to achieve differently charged and functionalised lanthanide (gadolinium and yttrium) complexes which were then attached to the silsesquioxanes. The novel CAs were fully characterised by HR-MS, multinuclear (1H, 13C, 29Si) NMR spectroscopy, relaxivity measurements, NMRD as well as temperature dependent 17O-NMR and PGSE diffusion NMR spectroscopy. Apart from a distinct increase in relaxivity, the most important feature of these CAs is the instability of the silsesquioxane core in aqueous media. No decomposition was observed when frozen solutions (pH 7.0) were stored at -28°C for more than ten months, whereas at 25°C hydrolysis takes place within days to weeks and under physiological conditions (pH 7.4, 37°C) even within several hours. Since even in the completely hydrolysed moieties the gadolinium ion is still embedded in a stable complex the toxicity of the system is not influenced by the decay. The use of a POSS core in combination with defined gadolinium complexes thus might allow the development of even larger CAs which should still have a sufficiently fast clearance from the body.

Der Aufstieg der Magnetresonanztomographie (MRT) zu einem der leistungsfähigsten Werkzeuge der klinischen Diagnostik ist nicht zuletzt der Entwicklung paramagnetischer Kontrastmittel (CA) zu verdanken. Heute wird in fast 30% aller MRT-Untersuchungen ein Kontrastmittel verwendet. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um niedermolekulare gadoliniumbasierte extrazelluläre Agenzien, welche sich unspezifisch im Plasma und im Interstitium verteilen. Die nächste Generation von Kontrastmitteln zielt auf eine effizientere und deutlich spezifischere Bildgebung ab. Calcium(II) spielt eine wichtige Rolle in der Regulation vieler neuronaler Prozesse, weswegen ein großes Interesse an Calciumsensoren für die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) besteht. In dieser Arbeit wurden die mechanistischen Aspekte der Calciumsensitivität einer Reihe von DO3A-basierten Lanthanoidchelaten untersucht, welche als zusätzliche Koordinationsstelle eine Alkylaminobisphosphonatgruppe (Alkyl = Propyl – Hexyl) besitzen. Anstatt einer Zunahme, wie für andere calcium-sensitive CAs beobachtet, zeigen diese Systeme bei steigender Calciumkonzentration eine Abnahme der longitudinalen Relaxivität r1 (zusätzliche longitudinale Protonenrelaxationsrate bezogen auf die Gd3+-Konzentration in Millimol). Dies könnte ein Vorteil in Fällen sein, in denen eine abnehmende Ionenkonzentration detektiert werden soll. Die Untersuchungen an den Gadoliniumkomplexen und deren Yttrium- und Europiumanaloga wurden mittels (zeitaufgelöster) Lumineszenzspektroskopie sowie NMR-basierten Techniken wie 1H-T1-Messungen, temperaturabhängiger 17O-NMR-, 31P-NMR- und konzentrationsabhängiger PGSE-Diffusions-NMR-Spektroskopie durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von Calcium(II) zur Aggregation der Komplexe führt und dass in diesen Aggregaten die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit dem Metallzentrum deutlich gestört ist, was wiederum für die beobachtete Abnahme der Relaxivität verantwortlich ist. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit makromolekularen, silsesquioxan-basierten CAs. Makromolekulare Systeme sind sehr interessant für die Entwicklung hocheffizienter und funktioneller CAs, da ihr hohes Molekulargewicht die Rotationskorrelationszeit verlängert und damit die Relaxivität verbessert. Die Verwendung von würfelförmigen Silsesquioxanen (POSS) erlaubt dabei direkt die symmetrische Anbindung von acht Gadoliniumkomplexen. Durch die Entwicklung diverser Ligandensysteme konnten unterschiedlich geladen und funktionalisierte Lanthanoidkomplexe (Gadolinium bzw. Yttrium) erhalten werden, die dann an die Silsesquioxane angebunden wurden. Die neuartigen CAs wurden mittels HR-MS, Multikern-NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 29Si), Relaxivitätsmessungen, NMRD sowie temperaturabhängigen 17O-NMR und PGSE-Diffusions-NMR-Spektroskopie vollständig charakterisiert. Neben einer deutlichen Zunahme der Relaxivität, ist die wichtigste Eigenschaft dieser Systeme die Instabilität des Silsesquioxankäfigs in wässrigem Medium. Kein Zerfall wurde bei Lösungen beobachtet, die für über zehn Monate bei -28°C gelagert worden waren. Bei 25°C und pH 7.0 braucht der Zerfall mehrere Tage bis Wochen, hingegen unter physiologischen Bedingungen (pH 7.4, 37°C) zerfallen die Verbindungen innerhalb von Stunden. Da selbst in der vollständig hydrolysierten Spezies das Gadoliniumion in einem stabilen Komplex eingebunden ist, hat der Zerfall keinen Einfluss auf die Toxizität des Systems. Der Einsatz eines POSS-Kerns in Kombination mit definierten Gadoliniumkomplexen könnte daher die Entwicklung von deutlich größeren CAs erlauben, welche immer noch ausreichend schnell aus dem Körper ausgeschieden werden können.