靶向线粒体的Gd基磁共振造影剂细胞作用机制及应用研究

Gadolinium (Gd) chelates have been used as a T1 contrast agent in Magnetic Resonance Imaging (MRI) for more than 30 years. Recently, we for the first time use a mitochondria-targeting Gd chelate as a T2 contrast agent to labeling stem cells, and have achieved long cellular retention time, and unprecedented image contrast and unambiguity of image interpretaton. We also find that Gd agents loaded at different cellular interfaces exert significantly different influence on the magnetic relaxation processes of cellualr water protons so that they exhibit significant different contrast effect. In this applicaton we propose to conduct an intensive study on the cellular regulation mechansims of Mito-Gd agents. Our goal is include: 1. Optimize the chemical structure and MRI performance of Mito-Gd as T2 contrast agent in terms of contrast enhancement and duration. 2. Modify the chemical structure of Mito-Gd to resume its function as a T1 contrast agent. 3. Develop applications of Mito-Gd agents as either T1 or T2 contrast agent in in vivo imaging of stem cell tansplants and tumor tissues. On basis of the proposed research, we will open a new field of NMR application by using it as a tool to probe cell-molecule interactions, and contribute a new research field to the discipline of Biophysicochemnistry.

Gd基络合物作为T1型MRI造影剂在临床上已经有30多年的应用历史。在前期研究中，我们首次将靶向细胞线粒体的Gd基络合物（Mito-Gd）作为T2型造影剂标记干细胞，获得了前所未有的影像对比度，并且造影剂在细胞中滞留的时间大幅延长。在这个过程中，我们发现Gd基络合物在不同细胞界面上对细胞中水质子的磁弛豫过程的影响存在显著的不同，从而呈现出显著不同的造影效果。本项目建议在前期工作基础上，进一步深入研究Mito-Gd与细胞的作用机制，一方面优化Mito-Gd作为T2性MRI造影剂的结构，另一方面通过改变Mito-Gd的化学结构，研究其作为T1型造影剂的可行性。在此基础上，实现Mito-Gd作为T1和T2造影剂在干细胞标记及肿瘤组织造影中的应用。通过这些具体的研究工作，开拓一个利用磁共振探针研究细胞与分子作用机制的研究领域，丰富生物物理化学这个学科的内涵。

本课题基于临床上作为T1造影剂使用的Gd基络合物在特定情况下呈现持续的T2增强效应的发现，提出研究靶向线粒体的Gd基造影剂细胞作用机制的课题。课题获批后，又意外发现设计的造影剂并非结合到线粒体，而是以纳米簇结构进入细胞质，并诱导产生持续的T2增强效应。课题实时微调了研究内容，扩大了研究对象的范围，围绕不同结构和功能的Gd基MRI造影剂与细胞界面作用过程中诱导T1/T2效应的机制及其潜在应用开展研究。实施过程中，设计合成了Gd-DOTA-CC9, Gd-DO3A-INH, Gd-DOTA-GA等探针，通过脉冲电穿孔标记细胞，诱导细胞膜自组装纳米簇进入细胞质，确认了T2增强效应的产生机制。为了避免电穿孔标记对细胞损伤，设计合成了NapCFGKTG-DOTA-Gd探针，低浓度孵育标记间充质干细胞时，也能形成纳米簇或纳米线进入细胞质，诱导T2增强效应，实现了移植细胞示踪12天；该探针低浓度孵育标记神经干细胞时，T1加权模式下呈现亮信号，T2加权模式下呈现暗信号；诱导分化为神经元时，伴随细胞形态和体积的大幅缩小，导致在T1加权和T2加权模式下均呈现暗信号，而增殖的细胞在两种模式下均呈现较强亮信号，这种差异显示细胞分化过程中伴随的细胞形态变化可能导致不同的MRI信号增强效应，用来报告细胞分化。课题也探索了酶响应Gd基MRI探针的细胞界面作用机制及应用，首先设计合成了5KDEVD-DOTA-Gd和tBuCFDEVD-DOTA-Gd探针，用于报告细胞凋亡，但未能实现增强效应的显著变化，可能与MRI灵敏度和caspase酶切效率都较低有关。随后又设计合成了Abz-FRFK-Dnp、Bz-FRFK-DOTA-Gd、Abz-K(DOTA-Gd)-FRFK-Dnp IQF-MRI等探针，结合PLGA制备纳米探针，用于报告HL60细胞分化为巨噬细胞过程，该项工作仍在进行之中。