WikiDer > МР-контрастные вещества, активируемые ферментами - Википедия

Enzyme-activated MR contrast agents - Wikipedia

Молекулярная визуализация в широком смысле определяется как визуализация молекулярных и клеточных процессов на макро- или микроскопическом уровне. Благодаря высокому пространственному разрешению и способности неинвазивно визуализировать внутренние органы, магнитный резонанс (МРТ) визуализация широко считается идеальной платформой для in vivo молекулярная визуализация.[1] По этой причине МР-контрастные вещества, которые могут обнаруживать молекулярные события, являются активной областью исследований.[2] Одна группа соединений, которая показала особенно многообещающие, - ферментно-активируемые контрастные вещества для МРТ.

МР-контрастные агенты, активируемые ферментами, представляют собой соединения, которые вызывают заметное изменение интенсивности изображения в присутствии активной формы определенного фермент. Это делает их полезными для in vivo анализы активности ферментов. Они отличаются от существующих клинических контрастных агентов для МРТ, которые дают только анатомическую информацию.[3] такой как водный гадолиний соединений, благодаря их способности делать видимыми молекулярные процессы. Активируемые ферментами контрастные вещества - мощные инструменты для молекулярной визуализации. На свидание, β-галактозидаза-активированные контрастные вещества привлекли наибольшее внимание в литературе, хотя нет теоретических причин, по которым другие ферменты нельзя было бы использовать для активации контрастных агентов. Кроме того, механизмы, отличные от активации ферментов, такие как Ca2+-зависимая активация, теоретически может быть использована.[2]

Как правило, агенты, активирующие ферменты, содержат ион парамагнитного металла, который может влиять на Т1 или же Т2 времена релаксации близлежащих молекул воды. Однако ионы металлов не могут взаимодействовать с водой до тех пор, пока не произойдет реакция, катализируемая ферментами. Стерическое затруднение или координация с другими ионами препятствует доступу воды к парамагнитному центру до ферментативной реакции.[4]

Структура контрастных веществ, активируемых β-галактозидазой

Α-серия МР-контрастных агентов, активируемых β-галактозидазой. Перед расщеплением сахар блокирует доступ воды к иону гадолиния. Активный фермент расщепляет сахар, позволяя воде взаимодействовать с парамагнитным центром.

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 его положении C-1.[4]

Две формы контрастного вещества отличаются только расположением одной метильной группы. Первый класс, известный как α-ряд, имеет метильную группу, связанную с углеродом, которая является α-тетраазамакроциклом. Другой класс, называемый β-серией, имеет метил, присоединенный к β-углероду относительно тетраазамакроцикла. Положение этой метильной группы имеет значение для структуры агента и, таким образом, определяет механизм, с помощью которого неактивное соединение защищает ион Gd (III) от взаимодействия с водой. Α-серия принимает конформацию, в которой сахар лежит прямо над парамагнитным центром, таким образом стерически препятствуя доступу воды к гадолинию. Β-серия, с другой стороны, блокирует воду от гадолиния, координируясь с карбонат ион. Нет никаких доказательств того, что стереохимическая ориентация метильного углерода влияет либо на ферментативное расщепление, либо на способность сахара исключать воду из иона гадолиния.[4]

Исследования показали, что α-серия намного эффективнее блокирует воду от парамагнитного центра до расщепления.[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

Катализируемая β-галактозидазой реакция, активирующая контрастное вещество.

В ткани, где присутствует активная β-галактозидаза, сахар будет отщепляться от остальной части 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 с помощью МРТ.

Механизм протекает так же, как и все другие расщепления, катализируемые β-галактозидазой. В карбоксильная группа на глютаминовая кислота боковая цепь внутри фермента действует как кислотный катализатор, ускоряя расщепление гликозидная связь в позиции C-1 в сахаре. Это расщепление дает воде доступ к парамагнитному центру. Результатом реакции, катализируемой ферментами, является свободная молекула галактозы и активированный контрастный агент.

Использует

Есть очевидные потенциальные возможности использования этой технологии как в исследованиях, так и в клинической медицине.

Фундаментальные исследования

В контексте исследований, α-серия МР-контрастных агентов, активируемых β-галактозидазой, была использована для визуализации развития и экспрессии генов клеток в Xenopus laevis эмбрион.[5] Исследователи вводили агент в обе клетки эмбриона на двухклеточной стадии, а затем вводили только одну из клеток с мРНК для фермента. После периода роста они получили МРТ-изображения эмбриона, которые четко отображали усиление сигнала только в клетках, происходящих от родительской клетки, в которую были введены как фермент, так и контрастный агент.

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

Распространение методов молекулярной визуализации всего тела может позволить ученым увидеть, где в организме активен фермент, не повреждая клетки; визуализацию можно повторять в нескольких временных точках для отслеживания изменений в экспрессии генов или активности ферментов. Подобные методы вызвали значительный интерес у исследователей, изучающих рак[3] и сердечно-сосудистые заболевания.[6]

Клиническая медицина

Способность обнаруживать ткани, содержащие активную форму фермента, в определенное время имеет очевидную ценность в медицине. Специальные контрастные вещества, которые обеспечивают усиление только в присутствии активных ферментов, могут позволить врачам окончательно и неинвазивно провести анализ на широкий спектр ферментативных заболеваний, таких как дефицит фруктозобисфосфатазы. Однако такие диагностические инструменты потребуют разработки контрастных агентов, специфичных для интересующего фермента, и потребуют разработки методов доставки агентов в клетки (см. «Ограничения» ниже).

Ограничения

Как только контрастный агент активирован расщеплением сахарной группы, эффекты усиления сигнала будут уменьшаться только в том случае, если гадолиний вымывается из отсека, содержащего его, или если доступ воды к металлической группе снова блокируется. Таким образом, чтобы предотвратить постоянное усиление сигнала MR, клетки должны либо иметь способ экспортировать группу гадолиния в кровоток, либо они должны иметь возможность заменять расщепленную группу сахара. В литературе нет данных, указывающих на то, что любой из подходов возможен. in vivo, предполагая, что эти методы могут привести к постоянному усилению сигнала.

Еще одна проблема - доставка контрастных веществ к клеткам-мишеням. В единственной статье, описывающей in vivo При использовании контрастных агентов MR, активируемых ферментами, агент доставлялся в эмбриональные клетки через микропипетка. Тем не менее, авторы статьи признают, что такой подход не применим для многих исследовательских проектов.[5] и представляет собой явное препятствие для клинического использования. Ведутся активные исследования по использованию собственного импортного оборудования клетки для загрузки контрастных веществ.[7]

Рекомендации

  1. ^ Родригес И., Перес-Риал С., Гонсалес-Хименес Дж. И др., Магнитно-резонансные методы и их применение в фармацевтических исследованиях. J Pharma Sci, 28 января 2008 г. (электронная публикация перед печатью)
  2. ^ 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.
  3. ^ а б Велсследер Р., Умар М. Молекулярная визуализация. Радиология 219, стр. 316-333.
  4. ^ а б c d Урбанчик-Пирсон Л.М., Femia FJ, Смит Дж. И др., Механистическое исследование контрастных агентов МР, активируемых β-галактозидазой. Inorg Chem 48, стр. 56-68
  5. ^ а б Луи А.Ю., Хубер М.М., Аренс Е.Т. и др., Визуализация экспрессии генов in vivo с использованием магнитно-резонансной томографии. Nature Biotech 18, стр. 321-25
  6. ^ Aikawa E, Nahrendorf M, Figueiredo JL, et al., Остеогенез связан с воспалением на ранней стадии атеросклероза, оцениваемый с помощью молекулярной визуализации in vivo. Тираж 116, с. 2841-50.
  7. ^ Кайем Дж. Ф., Кумар Р. М., Фрейзер С. Е. и др., Нацеленная на рецепторы совместный транспорт ДНК и магнитно-резонансных контрастных веществ. Chem & Biol 2, стр. 615-20