Ферментно-активируемые МР-контрастные вещества

Молекулярная визуализация в широком смысле определяется как визуализация молекулярных и клеточных процессов на макро- или микроскопическом уровне. Из-за высокого пространственного разрешения и способности неинвазивно визуализировать внутренние органы магнитно-резонансная томография (МР) считается идеальной платформой для молекулярной визуализации in vivo . ^{[ 1 ]} По этой причине МР-контрастные вещества, способные обнаруживать молекулярные события, являются активной областью исследований. ^{[ 2 ]} Одной из групп соединений, которая показала особую перспективность, являются ферментно-активируемые МР-контрастные вещества .

Ферментно-активируемые МР-контрастные вещества — это соединения, которые вызывают заметное изменение интенсивности изображения в присутствии активной формы определенного фермента . Это делает их полезными для in vivo анализа активности ферментов . Их отличают от современных клинических МР-контрастных веществ, которые дают только анатомическую информацию. ^{[ 3 ]} такие как водные соединения гадолиния , благодаря их способности делать видимыми молекулярные процессы. Активируемые ферментами контрастные вещества являются мощными инструментами молекулярной визуализации. На сегодняшний день β-галактозидазой наибольшее внимание в литературе привлекают контрастные вещества, активируемые , хотя теоретических причин, по которым другие ферменты нельзя было бы использовать для активации контрастных веществ, не существует. Кроме того, механизмы, отличные от активации ферментов, такие как Ca ²⁺-зависимая активация теоретически может быть использована. ^{[ 2 ]}

В общем, агенты, активируемые ферментами, содержат парамагнитный ион металла, который может влиять на время релаксации Т ₁ или Т ₂ для близлежащих молекул воды. Однако ионы металлов не могут взаимодействовать с водой до тех пор, пока не произойдет ферментативно-катализируемая реакция. Стерические затруднения или координация с другими ионами препятствуют доступу воды к парамагнитному центру до начала ферментативной реакции. ^{[ 4 ]}

Структура контрастных веществ, активируемых β-галактозидазой

Сообщалось о двух различных контрастных веществах, активируемых β-галактозидазой. Оба состоят из иона Gd(III) в комплексе с тетраазамакроциклом. В положении N-10 двухуглеродная цепь связывает комплекс гадолиний-тертаазамакроцикл с молекулой галактозы. Галактоза связана с комплексом β-гликозидной связью в положении С-1. ^{[ 4 ]}

Две формы контрастного вещества различаются только расположением одной метильной группы. Первый класс, известный как α-серия, имеет метильную группу, связанную с углеродом, который является α-по отношению к тетраазамакроциклу. Другой класс, называемый β-серией, имеет метил, присоединенный к β-углероду по сравнению с тетраазамакроциклом. Положение этой метильной группы существенно для структуры препарата и, таким образом, определяет механизм, с помощью которого неактивное соединение защищает ион Gd(III) от взаимодействия с водой. Альфа-серия принимает конформацию, в которой сахар лежит непосредственно над парамагнитным центром, тем самым стерически запрещая воде доступ к гадолинию. С другой стороны, β-ряд блокирует воду из гадолиния, координируя его с карбонат- ионом. Нет никаких доказательств того, что стереохимическая ориентация метилсодержащего углерода влияет либо на ферментативное расщепление, либо на способность сахара исключать воду из иона гадолиния. ^{[ 4 ]}

Исследования показали, что α-серия гораздо эффективнее блокирует воду из парамагнитного центра перед расщеплением. ^{[ 4 ]} Необходимость координации с карбонат-ионом и более низкий уровень подавления сигнала, присущий β-серии, делают α-серию лучшим кандидатом для использования в исследованиях и клинической медицине.

Механизм активации

В ткани, где присутствует активная β-галактозидаза, сахар будет отщеплен от остального соединения. Это позволяет воде получить доступ к парамагнитному центру и вызывает изменение свойств магнитной релаксации окружающих молекул воды. Это изменение времени релаксации, в свою очередь, заметно изменит интенсивность сигнала изображений ткани, полученных при МР-сканировании.

Механизм протекает так же, как и все другие расщепления, катализируемые β-галактозидазой. Карбоксильная группа в боковой цепи глутаминовой кислоты фермента действует как кислотный катализатор, ускоряя расщепление гликозидной связи в положении C-1 в сахаре. Это расщепление обеспечивает доступ воды к парамагнитному центру. Результатом ферментативно-катализируемой реакции является свободная молекула галактозы и активированное контрастное вещество.

Использование

У этой технологии очевидны потенциальные возможности применения как в исследованиях, так и в клинической медицине.

Фундаментальные исследования

В контексте исследований α-серия МР-контрастных веществ, активируемых β-галактозидазой, использовалась для визуализации развития и экспрессии генов клеток в эмбрионе Xenopus laevis . ^{[ 5 ]} Исследователи вводили агент в обе клетки эмбриона на двухклеточной стадии, а затем вводили мРНК фермента только в одну из клеток. После периода роста они получили МР-изображения эмбриона, на которых четко наблюдалось усиление сигнала только в клетках, происходящих из родительской клетки, которым вводили как фермент, так и контрастное вещество.

Это исследование демонстрирует ценность методов молекулярной визуализации всего тела in vivo для фундаментальных исследований. Такие методы позволяют ученым проверять активность генов и функции ферментов во всем организме. Напротив, многие существующие анализы (например, фиксация клеток на парафине с последующим иммуноокрашиванием ) позволяют анализировать только несколько клеток одновременно. Эти методы убивают клетки, что затрудняет изучение временных рядов. Они также требуют, чтобы исследователь идентифицировал интересующую ткань перед получением клеток.

Развитие методов молекулярной визуализации всего тела может позволить ученым увидеть, где в организме активен фермент, не повреждая клетки; визуализацию можно повторять в несколько моментов времени для мониторинга изменений в экспрессии генов или активности ферментов. Подобные методы вызвали значительный интерес со стороны исследователей, изучающих рак. ^{[ 3 ]} и сердечно-сосудистые заболевания . ^{[ 6 ]}

Клиническая медицина

Способность обнаруживать ткани, содержащие активную форму фермента, в определенное время имеет явное значение в медицине. Специфические контрастные вещества, которые обеспечивают усиление только в присутствии активных ферментов, могут позволить врачам провести убедительный и неинвазивный анализ широкого спектра ферментативных заболеваний, таких как дефицит фруктозо-бисфосфатазы . Однако такие диагностические инструменты потребуют разработки контрастных агентов, специфичных для интересующего фермента, и потребуют разработки методов доставки агентов в клетки (см. «Ограничения» ниже).

Ограничения

После того, как контрастное вещество активировано путем отщепления сахарной группы, эффекты усиления сигнала уменьшатся только в том случае, если гадолиний будет вымыт из содержащего его отсека или если доступ воды к металлической группе снова будет заблокирован. Таким образом, чтобы предотвратить постоянное усиление МР-сигнала, клетки должны либо иметь возможность экспортировать группу гадолиния в кровоток, либо они должны быть способны заменить группу расщепленного сахара. В литературе нет данных, указывающих на то, что любой из подходов возможен in vivo , что позволяет предположить, что эти методы могут привести к постоянному усилению сигнала.

Еще одной проблемой является доставка контрастных веществ к клеткам-мишеням. В единственной статье, описывающей использование in vivo фермент-активируемых МР-контрастных агентов, агент доставлялся в эмбриональные клетки с помощью микропипетки . Однако авторы статьи признают, что для многих исследовательских проектов такой подход неприемлем. ^{[ 5 ]} и это представляет собой явное препятствие для клинического использования. Ведутся активные исследования по использованию собственного импортного механизма клетки для загрузки контрастных веществ. ^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Родригес И., Перес-Риал С., Гонсалес-Химинес Дж. и др., Магнитно-резонансные методы и их применение в фармацевтических исследованиях. J Pharma Sci, 28 января 2008 г. (электронная публикация впереди печати)
^ Jump up to: ^а ^б Мид Т.Дж., Тейлор А.К. и Булл С.Р., Новые магнитно-резонансные контрастные вещества как биохимические репортеры. Curr Opin Neurobiol 13, стр. 597-602.
^ Jump up to: ^а ^б Велследер Р. и Умар М. Молекулярная визуализация. Радиология 219, стр. 316-333.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Урбанчик-Пирсон Л.М., Фемиа Ф.Дж., Смит Дж. и др., Механистическое исследование МР-контрастных агентов, активированных β-галактозидазой. Inorg Chem 48, стр. 56-68.
^ Jump up to: ^а ^б Луи А.Ю., Хубер М.М., Аренс Э.Т. и др., Визуализация экспрессии генов in vivo с использованием магнитно-резонансной томографии. Nature Biotech 18, стр. 321-25.
^ Айкава Э., Нарендорф М., Фигейредо Дж.Л. и др., Остеогенез связан с воспалением на ранней стадии атеросклероза, оцененного с помощью молекулярной визуализации in vivo. Тираж 116, стр. 2841–50.
^ Кайем Дж. Ф., Кумар Р. М., Фрейзер С. Е. и др., Совместный транспорт ДНК и магнитно-резонансных контрастных веществ, направленный на рецепторы. Химия и Биол 2, стр. 615-20.

[redriguez-1] Родригес И., Перес-Риал С., Гонсалес-Химинес Дж. и др., Магнитно-резонансные методы и их применение в фармацевтических исследованиях. J Pharma Sci, 28 января 2008 г. (электронная публикация впереди печати)

[meade-2] Jump up to: ^а ^б Мид Т.Дж., Тейлор А.К. и Булл С.Р., Новые магнитно-резонансные контрастные вещества как биохимические репортеры. Curr Opin Neurobiol 13, стр. 597-602.

[wells-3] Jump up to: ^а ^б Велследер Р. и Умар М. Молекулярная визуализация. Радиология 219, стр. 316-333.

[urb-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Урбанчик-Пирсон Л.М., Фемиа Ф.Дж., Смит Дж. и др., Механистическое исследование МР-контрастных агентов, активированных β-галактозидазой. Inorg Chem 48, стр. 56-68.

[louie-5] Jump up to: ^а ^б Луи А.Ю., Хубер М.М., Аренс Э.Т. и др., Визуализация экспрессии генов in vivo с использованием магнитно-резонансной томографии. Nature Biotech 18, стр. 321-25.

[aiwaka-6] Айкава Э., Нарендорф М., Фигейредо Дж.Л. и др., Остеогенез связан с воспалением на ранней стадии атеросклероза, оцененного с помощью молекулярной визуализации in vivo. Тираж 116, стр. 2841–50.

[kayyem-7] Кайем Дж. Ф., Кумар Р. М., Фрейзер С. Е. и др., Совместный транспорт ДНК и магнитно-резонансных контрастных веществ, направленный на рецепторы. Химия и Биол 2, стр. 615-20.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]