透明质酸类软骨靶向MR造影剂对关节软骨特异性成像效能及机制的探讨

MRI is the only noninvasive method to show articular cartilage effectively. Currently, research on cartilage MRI mainly focuses on showing cartilage morphology; however, field on the cartilage molecular imaging probe which can provide cartilage biochemical metabolism information is still blank. This research is expected to develop a new cartilage targeting contrast agent which includes cartilage-affinity molecule and gadolinium chelate compound. The hyaluronic acid class polysaccharide, which is widely used in treatment of osteoarthritis in clinical practice, is selected as cartilage-affinity molecule. Previous researches indicate that Gd (DTPA-HA) contrast agent has evident cartilaginous targeting and developing effect on animals, initially confirming the feasibility of this design strategy for this kind of contrast agent. Based on previous study, we will go further to design and synthesize several hyaluronic acid cartilage targeted contrast agents, and conduct evaluation on structure character and cartilage targeting. Furthermore, we will select two high quality contrast agents and compare diagnostic effect on different level of cartilage damage. The MRI findings will be made comparison with histopathological results to explore imaging mechanism of cartilage specificity. The research achievement is expected to provide new imaging technology which can show not only cartilage damage anatomical information but also biochemical metabolism information for clinic, indicating strong value for further study and clinical application.

MRI是唯一能有效显示关节软骨的无创性方法，目前软骨MRI成像研究主要集中在显示软骨形态学方面，尚缺乏能够提供软骨生化代谢信息的特异性显像技术即软骨分子影像学探针。本研究将开发一种软骨靶向造影剂，该造影剂包括软骨亲和靶头分子和钆螯合物，软骨亲和靶头选择被广泛应用于骨性关节炎治疗的透明质酸（HA）类多糖分子。前期研究结果显示合成的钆剂-透明质酸复合物即Gd(DTPA-HA)造影剂在动物体内具有良好的软骨靶向性及显影效果，初步验证了该类造影剂设计思路的可行性。在此基础上，我们将进一步设计、合成多种透明质酸类软骨靶向造影剂，进行结构表征及软骨靶向性评价，筛选其中两种优质造影剂，比较其对不同级别软骨损伤的诊断效能，并与组织病理学结果对照，探讨其对软骨特异性成像的机制。研究所获结果将为临床提供一种既能显示软骨病损解剖信息，又能显示生化代谢信息的成像技术，有较强的后续研究价值和临床应用前景。

软骨损伤的检测对其正确的临床治疗至关重要，由于软骨损伤缺乏自愈能力，导致关节功能障碍。然而，临床钆类造影剂显著限制了其在临床磁共振成像（MRI）应用。为了克服这些缺点，本研究制备出了一种Gd-DTPA-HA复合纳米材料，该材料作为一种安全、有效、高软骨亲和力的MRI造影剂，可有效穿透软骨，通过关节内注射到软骨损伤兔模型的膝关节内，实现软骨损伤部位MR图像的显著增强，为未来开发合适尺寸的软骨亲和性纳米材料奠定了基础。关节软骨是一种高度特殊化的组织，缺乏血供、神经组织和淋巴组织。一旦受伤就无法自我修复，导致关节退化和功能障碍。因此，准确评估损伤的形态和程度对软骨损伤的诊断、预后和治疗尤为重要。MRI是目前公认的软骨损伤主要评估方法之一，它可多平面成像，并显示出较高的软组织对比分辨率。然而，MRI对临床关节软骨损伤的检测灵敏度一般（64-70%）。近年来，人们通过发展先进的序列和方法来改进软骨MRI，通过关节腔内注射造影剂进行延迟增强，软骨可视化可以得到显著提高。然而，临床上使用的钆螯合物T1造影剂表现出相对较小的弛豫率r1限制了软骨损伤检测的准确性。此外，由于介质分布均匀，这些药物的成像效果差。透明质酸（HA）是各种人体组织细胞外基质的重要成分，在受损的软骨层中，HA可以与关节软骨基质结合，填充受损的胶原网络。关节腔内注射HA已被广泛应用于临床，并被证明是治疗骨关节炎的安全方法。此外，HA具有刚性结构、含有共价键、分子旋转相关时间较长等特点，可以提高造影剂的r1值，延长造影剂在组织中的积累。近年来，研究团队开发了几种HA偶联Gd螯合剂行MRI增强扫描，但仅限于肝转移瘤和淋巴系统成像运用中。尽管一些研究人员使用小尺寸超顺磁性氧化铁纳米颗粒，但它们主要用于干细胞标记或通过网状内皮细胞吞噬循环核蛋白来增强滑膜组织的对比度，而不是直接检测软骨。因此，亟待开发合适尺寸、高软骨亲和力和增强对比效能的MRI成像探针用于软骨损伤检测。该研究创新性运用这种磁共振探针用于软骨损伤检测，填补了不同尺寸纳米颗粒在骨关节成像领域的空白。其体外T1弛豫率分别是临床应用的Gd-DTPA和Gd-DTPA-HA的3.22倍和1.49倍，该纳米颗粒可有效穿透软骨，通过关节内注射到软骨损伤兔模型的膝关节内，实现了软骨损伤部位MR图像的显著增强。此外，生物安全性结果显示Gd-HA纳米颗粒无肝肾毒性。