Высокогидратированные парамагнитные аморфные нанокластеры карбоната кальция в качестве контрастного вещества для МРТ.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5088 (2022) Цитировать эту статью

5430 Доступов

8 цитат

47 Альтметрика

Подробности о метриках

Аморфный карбонат кальция играет ключевую роль в качестве временного предшественника на ранних стадиях образования биогенного карбоната кальция в природе. Однако из-за его нестабильности в водном растворе аморфный карбонат кальция в биомедицине все еще удается использовать редко. Здесь мы сообщаем о взаимном эффекте между парамагнитными ионами гадолиния и аморфным карбонатом кальция, приводящим к образованию ультрадисперсных нанокластеров парамагнитного аморфного карбоната в присутствии как окклюдированной гадолинием высокогидратированной карбонатоподобной среды, так и полиакриловой кислоты. Подтверждено, что гадолиний увеличивает содержание воды в аморфном карбонате кальция, а высокое содержание воды в нанокластерах аморфного карбоната способствует значительному повышению контрастной эффективности магнитно-резонансной томографии по сравнению с коммерчески доступными контрастными веществами на основе гадолиния. Кроме того, улучшенные характеристики Т1-взвешенной магнитно-резонансной томографии и биосовместимость нанокластеров аморфного карбоната дополнительно оцениваются на различных животных, включая крыс, кроликов и собак породы гончая, в сочетании с многообещающей безопасностью in vivo. В целом, исключительно легкие и массовые нанокластеры аморфного карбоната демонстрируют превосходные характеристики визуализации и впечатляющую стабильность, что обеспечивает многообещающую стратегию для разработки магнитно-резонансного контрастного агента.

Аморфный карбонат кальция (АКК), широко распространенный в природе, играет ключевую роль в качестве временного предшественника на ранних стадиях формирования биоминералов1,2,3,4. Используя биоинспирированную стратегию, можно получить разнообразные материалы с контролируемыми фазовыми, физическими и химическими свойствами5,6. Высокогидратированное содержание является отличительной особенностью АСС и играет ключевую роль в его стабилизации6,7,8,9,10,11,12. Как метастабильная фаза карбоната кальция, АСС нестабильна в водном растворе и быстро превращается в кристаллические фазы из-за дегидратации, связывания ионов и других факторов6,7,8,13. Таким образом, потенциальное применение высокогидратированного АСС в значительной степени игнорируется, и существует мало успешных примеров использования АСС в биомедицине.

Одним из важных параметров повышения эффективности контрастирования Т1-контрастных веществ для МРТ на основе гадолиния является их гидратация14. Имея семь неспаренных электронов, ион гадолиния обладает большим магнитным моментом и длительным временем релаксации спина электрона, что приводит к появлению многочисленных клинически доступных внеклеточных контрастных веществ на основе гадолиния для МРТ Т114,15. Благодаря универсальной функционализации для взаимодействия с биомолекулами in vivo и более низкой скорости утечки ионов гадолиния благодаря неорганической наноструктуре, неорганические наноагенты на основе Gd привлекли значительное внимание15,16. К сожалению, гидратация наночастиц на основе гадолиния страдает от высокотемпературного синтеза, хотя последующая утечка ионов сводится к минимуму за счет ограниченной наноструктуры по сравнению с хелатными комплексами15.

Здесь мы вводим ионы гадолиния в процесс минерализации АСС, которые, как было доказано, интегрируются в конечную фазу аморфного карбоната кальция. В этой аморфной системе ионы гадолиния в сочетании с поли(акриловой кислотой) способствуют усилению гидратации воды и стабильности нанокластеров, в то время как удержание ионов гадолиния карбонатом улучшает биосовместимость и характеристики, указывая на то, что полученный продукт обладает примечательными свойствами контрастного агента для МРТ. Кроме того, обнаружено взаимное влияние парамагнитного иона лантанида гадолиния и аморфного карбоната кальция, что способствует максимальному содержанию гидратов в свежеприготовленных аморфных композитных нанокластерах и высокой продольной релаксации. Конечные нанокластеры парамагнитного аморфного карбоната (ACNC) обладают высоким соотношением воды и Ca (вода/Ca = 7,2) по сравнению с обычными ACC (отношения остаются постоянными и составляют около 0,4–1,9). Продольная релаксация ACNC (37,93 ± 0,63 ммоль-1 · с-1 при 3,0 Тл) также улучшилась за счет высокого содержания воды, которое в десять раз выше, чем у коммерчески доступного МР-контрастного вещества гадопентиновой кислоты (Gd-DTPA). и обладает высокой устойчивостью к утечке ионов, поэтому может служить потенциальным контрастным веществом для МР.

20 nm)40. The liver is the primary or secondary target of transmission for nanoparticles with access to the circulatory system, resulting in inevitable accumulation of nanoparticles in the liver. Nanoparticles detained in the liver could be eliminated from the liver via hepatobiliary clearance41. Besides the conventional elimination from liver (Supplementary Fig. 31), the quick renal clearance of ACNC from blood vessels was observed in the MRA images after intravenous injection (Supplementary Fig. 32). Moreover, the bladder of beagle dog was also brightened within 20 min in the T1w image (Supplementary Fig. 33). In addition, as shown in the blood concentration-time curve in mouse and beagle dog measured by ICP-AES, it could be effectively cleared from blood vessels in 6 h and there is rarely any residual content of gadolinium after 24 h (Fig. 6a, b and Supplementary Table 6). In the collected rat urine after the intravenous injection of ACNC, the content of gadolinium was detected by ICP-AES and demonstrated a renal clearance efficiency of ~13% ID at 24 h (Supplementary Fig. 34), which is comparable to that of gold nanoclusters with similar diameters42. Abundant SAED amorphous cluster aggregates could be observed in TEM images of dialyzed urine (Fig. 6c), and EDS mapping revealed a matching distribution of gadolinium, calcium, carbon, and oxide elements in these aggregates corresponding to ACNC (Fig. 6d, e). Physicochemical and physiological stability in synergy with low injection dosage and partial clearance via kidney led to in vivo biocompatibility and potential translational ability of these gadolinium-based amorphous carbonate clusters./p>

Npar. The multi-component model yielding the best fit of the experimental data is considered as reasonable and can thus be considered as a likely representation to characterize the calcium coordination environment. Linear combination was performed on the XANES and near-EXAFS region (from 30 Å−1 before to 80 Å−1 after edge jump). Samples ACC-Gd, ACNC, and PAA-Gd/Ca were compared to standards samples ACC-PAA and PAA-Ca./p>

3.0.CO;2-P" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1097-0282%2820001015%2954%3A5%3C328%3A%3AAID-BIP40%3E3.0.CO%3B2-P" aria-label="Article reference 50" data-doi="10.1002/1097-0282(20001015)54:53.0.CO;2-P"Article CAS PubMed Google Scholar /p>