Synthesis and Evaluation of Novel 3,2-Hydroxypyridinone Based “Smart” Contrast Agents for Functional Magnetic Resonance Imaging

Abstract

Over the last 20 years magnetic resonance imaging (MRI) became a very important diagnostic and research tool in biology and medicine. Recent progress of the MRI technique led to the development of new high field devices with magnetic field strengths often exceeding 300 MHz. Yet the majority of the contrast agents (CA) applied to improve the signal to noise ratio of the MR images are efficient only at lower magnetic fields (up to 100 MHz). Therefore, it is crucial to develop agents that are able to significantly improve the quality of the images at high magnetic fields. Additionally, in basic research using functional MRI (fMRI), smart contrast agents which can recognize changes in the surrounding in vivo environment are needed, e.g. to precisely map brain activity or mark specific cell clusters in a straightforward manner. Recently, a novel 3,2-hydroxypyridinone-based (3,2-HOPO) system was published showing a great potential to become a high field CA due to its outstanding paramagnetic properties, dependent on high hydration number. In addition these agents have reasonable thermodynamic stability and show no interactions with endogenous anions making them a promising platform for developing responsive MRI probes. Unfortunately, the challenging synthetic procedure and the requirement of special equipment limited the application of such molecules. Here I developed a new synthetic pathway that allows synthesis of the 3,2-Hopo based molecule using techniques available in each standard chemistry laboratory. Two ion responsive 3,2-HOPO reporters with an EGTA type Ca2+-chelator attached via an amine or an amide bond were synthesized, and their performance in presence of biologically significant ions (Ca2+ and Zn2+) was examined. In addition, I developed a 3,2-HOPO MR reporter utilizing a new type of scaffold containing an additional amine group. This new scaffold allows further modifications of the agent according to needs without demanding synthesis and opens a way towards targeted contrast agents. The relaxometric and spectrophotometric characteristics of the agent were examined. Moreover, the ligand itself can be potentially applied in chelation therapies or preparation of novel medical materials.

In den letzten 20 Jahren hat sich die Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) zu einem der wichtigsten und weitverbreitesten Bildgebungsverfahren in der biologischen und medizinischen Forschung und Diagnostik entwickelt. Aktuelle Entwicklungen in der MRT Technik haben zur Entwicklung neuer Hoch-Feld Magnetresonanz-Tomographen geführt die nicht selten Feldstärken von über 300 MHz erreichen. Die Mehrzahl der verfügbaren Kontrastmittel zur Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnis in der MRT sind allerdings meist nur für die Verwendung unter geringeren Feldstärken geeignet (100 MHz). Die Entwicklung neuer Kontrastmittel zur Anwendung unter hohen magnetischen Feldstärken ist daher zwingend erforderlich. In der Grundlagenforschung besteht darüber hinaus im Bereich der funktionellen MRT ein großer Bedarf an sogenannten intelligenten Kontrastmitteln, welche es ermöglichen biologische Prozesse und Abläufe, wie z.B. die Hirnaktivität oder die Markierung spezifischer-Zell Cluster, in vivo direkt sichtbar zu machen. Ein vielversprechender Kandidat für die Entwicklung intelligenter Kontrastmittel zur Anwendung in der Hoch-Feld-MRT ist ein vor kurzem veröffentlichtes auf 3,2-Hydroxypyridinon (3,2-HOPO) basierendes System, welches aufgrund seiner hohen Hydrationszahl hervorragende paramagnetische Eigenschaften besitzt. Zusätzlich besitzen diese Stoffe eine angemessene thermodynamische Stabilität und zeigen keine Interaktionen mit endogenen Anionen, was sie zur aussichtsreichen Grundlage für die Entwicklung von responsiven MRT-Proben macht. Die Synthese dieser Moleküle ist allerdings mit großem technischem Aufwand verbunden, was ihre Anwendung erheblich einschränkt. Hier stelle ich ein von mir entwickeltes neues Verfahren zur Synthese von auf 3,2-HOPO basierenden Molekülen vor, welches es erlaubt diese Stoffe unter Verwendung von in jedem gängigen Chemielabor zur Verfügung stehenden Techniken herzustellen. Zwei Ionen responsive 3,2-HOPO Reporter mit einem über Amin oder Amid-Bindung angeschlossenem EGTA Ca2+ Chelator wurden synthetisiert und hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Registrierung biologisch relevanter Ionen untersucht. Zusätzlich habe ich einen 3,2-HOPO-MR-Reporter entwickelt welcher die Eigenschaften eines neuen Typs von Scaffold mit einer zusätzlichen Amin Gruppe ausnützt. Dieser neue Scaffold-Typ ermöglicht je nach Bedarf weitere Modifikationen des Stoffes ohne aufwendige Synthese und eröffnet dadurch neue Möglichkeiten zur Herstellung verschiedener targeted Kontrastmittel. Die relaxometrischen und spektrophotometrischen Eigenschaften dieses Stoffes wurden untersucht. Die möglichen Anwendungen des Liganden selbst beinhalten u.a. chelation Therapien oder die Entwicklung neuer medizinischer Materialien.