Caratterizzazione di complessi paramagnetici lantanoidei per applicazioni in MRI

The following thesis reports on the study and characterization of paramagnetic complexes of Gd(III) as high sensitivity contrast agents for MRI (Magnetic Resonance Imaging). The use of these complexes in diagnostic imaging is meant to increase the contrast between the different pathophysiological structures thus enhancing the diagnostic power of the MRI technique. Their mechanism of action consist in the ability to induce a significant shortening of water protons longitudinal relaxation time (T1). The efficiency with which a paramagnetic complex reduces the T1 is expressed in terms of millimolar relaxivity (r1 mM-1s-1) to allow a comparison between different molecules. The factors affecting the r1 are multiple, among which the followings play a predominant role: i) the number of water molecules coordinated to the metal, ii) the residence time of the coordinated water, iii) the reorientational time of the complex, iv ) the electronic relaxation time and v) the distance between the metal center and the coordinated water protons. Non-specific extracellular contrast agents based on Gd(III) of clinical use have values ​​of r1 mM-1s-1 that varies in a range between 4 and 5 (measured at 25 °C and 20 MHz). In order to increase the sensitivity and then reduce the dosage of these drugs it is necessary optimizing all the components that affecting the relaxivity. The following study aims to investigate the role of an eventually present hydroxyl proton on the relaxation efficiency. Therefore, the contrast agent Gd-HPDO3A, commercially known as ProHance®, that is characterized by the presence of an -OH group on one of the coordinating arms, has been taken in consideration as starting point. For this compound, it has been observed an increase in relaxivity due to such proton at pH=11, unluckily very far from physiological conditions. The aim of this work had been the characterization of derivatives of HPDO3A obtained by substitutions on the hydroxypropyl arm, in order to shift the pH range where the ¿OH contributes to the relaxivity at a value of pathophysiological interest. The structure was maintained as unchanged as possible in order not to alter the stability of the complex, critical to prevents side effects arising from the toxicity of the ion Gd3+ free in the organism. The analyzed complexes are four, each obtained by substitution of the methyl group on the hydroxypropylic arm. Their characterization was carried out by: i) measures of r1 at 25 °C and 20 MHz at variable pH, ii) potentiometric measures for the determination of the pKa of the -OH group, iii) NMRD profiles, iv) R2 measures at variable T on 17O at 600MHz, and v) high resolution proton NMR spectra (using Europium based complex). The aim was to shift the pKa as nearest as possible to a pH of physiological interest. According to the herein presented data, the most efficient molecules is the derivative characterized by an amino group on hydroxypropyl arm. The relaxivity measured at 25 °C and pH 7.4 (extracellular pH) is increased compared to ProHance® of 15% (4.6 to 5.3). Is our belief that this thesis will pave the way for further in vivo investigation in order to evaluate the clinical potential of the highly sensitive complex characterized in this study.

Il seguente lavoro di tesi tratta dello studio e caratterizzazione di complessi paramagnetici di Gd(III) come agenti di contrasto ad alta sensibilità per MRI (Magnetic Resonance Imaging). L'utilizzo di questi complessi in diagnostica per Immagini è quello di aumentare il contrasto tra le diverse strutture fisiopatologiche, aumentando di molto il potere diagnostico della tecnica MRI. Il meccanismo attraverso il quale agiscono è legato alla loro capacità di indurre significativi accorciamenti del tempo di rilassamento longitudinale (T1) dei protoni dell'acqua che si trova nel loro intorno chimico. L'efficienza con cui un complesso paramagnetico riduce il T1 viene espresso in termini di relassività millimolare (r1 mM-1s-1) per consentire un confronto fra diverse molecole. I fattori da cui dipende r1 sono molteplici, tra i quali svolgono un ruolo predominante i) il numero di molecole d'acqua coordinate al metallo, ii) il tempo di residenza dell'acqua coordinata, iii) il tempo di riorientazione del complesso, iv) il tempo di rilassamento elettronico e v) la distanza tra il centro metallico ed i protoni dell'acqua coordinata. Gli agenti di contrasto a base di Gd(III) aspecifici ed extracellulari presenti in clinica hanno valori di r1 mM-1s-1 che varia in un range compreso tra 4 e 5 misurato a 25° C e 20 MHz. Aumentare la sensibilità e quindi ridurre il dosaggio di questi farmaci richiede l'ottimizzazione delle componenti che contribuiscono a definirne la relassività. Il seguente studio ha come obiettivo quello di indagare il ruolo di un eventuale protone ossidrilico sull'efficienza di rilassamento. Pertanto, si è partiti dall'Agente di Contrasto Gd-HPDO3A, conosciuto commercialmente come ProHance®, caratterizzato dalla presenza di un gruppo ¿OH su una delle braccia coordinanti. L'aumento di relassività dovuto a tale protone si verifica ad un pH di 11, molto lontano dalle condizioni fisiologiche. Scopo del lavoro è stato la caratterizzazione di derivati di HPDO3A ottenuti tramite sostituzioni sul braccio idrossipropilico, al fine di spostare il range di pH al quale si osserva un contributo alla relassività ad un valore di interesse fisiopatologico. La scelta di mantenere più invariata possibile la struttura del complesso di partenza deriva dalla necessità di non alterare eccessivamente la stabilità del complesso, fondamentale per eliminare pericoli derivanti dalla tossicità dello ione Gd3+ libero in soluzione sull'organismo. I complessi analizzati sono quattro, ciascuno ottenuto per sostituzione del metile sul braccio idrossipropilico. La loro caratterizzazione è stata condotta mediante: i) misure di r1 a 25°C e 20 MHz a pH variabile, ii) misure potenziometriche per la determinazione della pKa del gruppo ¿OH, iii) profili NMRD, iv) misure di R2 a T variabile su 17O a 600MHz, e v) spettri NMR protonici in alta risoluzione (utilizzando complessi a base di Europio). Il confronto tra i vari Agenti di Contrasto ha permesso di valutare la pKa più vicina ad un pH di interesse fisiologico, la presenza di isomeri, le velocità di scambio, il numero di acque coordinate. Il complesso che dal seguente lavoro risulta più efficiente è il derivato caratterizzato da un gruppo amminico sul braccio idrossipropilico. La relassività misurata a 25° C e pH 7.4 (pH extracellulare) risulta aumentata rispetto al ProHance® del 15% (da 4.6 a 5.3). E' nostra convinzione che questa tesi porrà le basi per successive indagini su sistemi viventi in modo da valutare l'utilizzo