Gadolinium complexes for magnetic resonance imaging: synthesis, characterization and evaluation of the pharmacokinetic behaviour

Abstract

The 2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Professors Paul C. Lauterbur and Peter Mansfield for their discoveries concerning Magnetic Resonance Imaging (MRI). This imaging modality was introduced in the medical field in the early 80’s of last century, and is nowadays currently used in many hospitals and medical facilities all over the world. The development of a new class of metalopharmaceuticals called contrast agents (CA’s) has made a great contribution to the imaging performance and to the development of the technique. Nowadays, circa 50% of all MRI clinical scans are performed with a contrast agent. However, there is still the need for more efficient (high relaxivity) and biospecific CA’s. In this perspective, the work developed in the scope of this thesis tried to address this necessity. The first part of the present work focused on the synthesis and in vivo evaluation of glycoconjugates endowed with liver targeting ability via recognition by the hepatocytes asialoglycoprotein receptor (ASGPR). Divalent and tetravalent DO2A(cis)-type glycoconjugates (DO2A = 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,7-bis (acetic acid)), bearing two and four galactose units respectively, were synthesized and characterized. Biodistribution experiments were performed using the divalent [153Sm]3+-labelled DO2A(cis)Gal2 glycoconjugate. The biodistribution profile was compared with that obtained for other glycoconjugates, with different valencies and topologies, previously synthesized in our research group. Some conclusions were drawn concerning how differences in topology and valency can influence the recognition of this class of hydrophilic metaloconjugates by the liver endogenous lectin (ASGPR). For monohydrated Gd(III)-pol (aminocarboxylate) complexes, the Solomon- Bloembergen-Morgan theory predicts relaxivity values, when the three most important influencing factors (rotation, water exchange rate and electron spin relaxation) are simultaneously optimized, 25 times higher than those obtained for commercial agents. With this in mind, we envisaged a new synthetic route to the EPTPA5- (EPTPA5- = ethylenepropylenetriamine-N,N,N’,N’’,N’’-pentaacetate) skeleton bearing a pendant hydroxymethyl group on the ethylenediamine unit. In order to determine all the parameters governing relaxivity, 17O NMR, 1H NMRD and EPR studies were performed on the [Gd(EPTPACH2OH)(H2O)]2- complex. pH-potentiometry studies were performed in order to determine the ligand protonation constants as well as the stability constants for its Gd(III) complex. The microprotonation scheme of the EPTPACH2OH5-ligand was evaluated by means of 1H NMR pH titration and the solution dynamics of its Ln(III) complexes has been studied by 1H NMR. The [Gd(EPTPACH2OH)(H2O)]2- complex displays a near optimal water exchange rate ( ex k ) due steric compression around the water binding site achieved by replacement of one ethylene bridge on the parent DTPA5- (DTPA5- = diethylenetriamine-N,N,N’,N’’,N’’-pentaacetate) skeleton by a propylene one. Despite the optimization of the water exchange rate the relaxivity value is limited, as expected, by the rotation dynamics of the Gd(III)-complex. In order to simultaneously optimize the water exchange rate and the rotational correlation time ( R τ ) we designed a new ligand (EPTPAC165-) that results from the conjugation of a fatty acid via an ester bond to the EPTPA5- skeleton. The complex [Gd(EPTPAC16)(H2O)]2- belongs to a new class CA’s displaying simultaneous optimization of the water exchange rate and of the molecular reorientational time upon formation of slow tumbling aggregates (micelles) in aqueous solution. The critical micellar concentration (cmc) for this system was determined using 1H relaxivity measurements. 17O NMR, 1H NMRD and EPR measurements were performed in order to determine all the parameters governing relaxivity. pH-potentiometry studies were performed in order to determine the ligand protonation constants. The microscopic protonation scheme was deduced from the 1H NMR pH titrations. The studies performed on this system showed the need to design more rigid micellar systems in order to obtain the highest relaxivity values predicted by the Solomon-Bloembergen-Morgan equations. The size of the particles, both below and above the critical micellar concentration (cmc) value was determined by Dynamic Light Scattering (DLS). The effect of sonication on the size of the particles was evaluated and in vivo dynamic gamma-scintigraphy and biodistribution studies were performed using the radiolabelled [153Sm]3+-EPTPAC16 complex. The obtained profiles were correlated with the size of the particles. The in vivo MRI experiments in Wistar rats revealed an enhanced and more persistent liver contrast for the [Gd(EPTPAC16)(H2O)]2- in comparison to the commercially available extracellular contrast agent [Gd(DTPA)(H2O)]2- (Magnevist®, Schering, Germany).

Em 2003 o Prémio Nobel da Fisiologia ou Medicina foi atribuído aos Professores Paul C. Lauterbur and Peter Mansfield pelas suas descobertas relativas à Imagem por Ressonância Magnética (IRM). Esta modalidade de imagiologia foi introduzida na medicina no início dos anos 80 do século passado e actualmente é utilizada em muitos hospitais e instalações médicas em todo o mundo. O sucesso e desenvolvimento desta técnica de imagem deve-se em grande parte ao desenvolvimento de uma classe de metalofármacos designados por agentes de contraste (AC). Actualmente, cerca de 50% dos exames por IRM utilizam um agente de contraste. Contudo, subsiste ainda a necessidade de obtenção de agentes de contraste mais eficientes (elevada relaxividade) e bioespecíficos. O trabalho desenvolvido no âmbito da presente tese tentou alcançar esses objectivos. A primeira parte deste trabalho, centrou-se na síntese e na avaliação in vivo de glicoconjugados com capacidade de direccionamento para o fígado através do reconhecimento pelo receptor de asialoglicoproteínas (RASGP). Foram sintetizados e caracterizados glicoconjugados baseados no esqueleto DO2A(cis) (DO2A = 1,4,7,10- tetraazaciclododecano-1,7-bis(ácido acético)) divalentes e tetravalentes, com duas ou quatro unidades de galactose, respectivamente. Foram levados a cabo estudos de biodistribuição usando o glicoconjugado DO2A(cis)Gal2 radiomarcado com [153Sm]3+. O perfil de biodistribuição obtido, foi comparado com os perfis obtidos para outros radioglicoconjugados, com diferentes valências e topologias, previamente sintetizados no nosso grupo. Retiraram-se algumas conclusões relativamente à influência da topologia e da valência no reconhecimento desta classe de metaloconjugados hidrofílicos pela lectina endógena expressa no fígado (RASGP). A teoria de Solomon-Bloembergen-Morgan prevê, para complexos de gadolínio mono-hidratados baseados no esqueleto poli(aminocarboxilato), a obtenção de valores de relaxividade 25 vezes superiores àqueles apresentados pelos agentes de contraste comerciais, quando os três factores mais importantes que influenciam a relaxividade (rotação, velocidade de troca de água e relaxação electrónica de spin) são simultaneamente optimizados. Neste sentido, foi concebida um nova via sintética para a obtenção do esqueleto do EPTPA5- (EPTPA5- = etilenopropilenotriamina-N,N,N’,N’’,N’’-pentaacetato) possuindo um grupo hidroximetilo na unidade da etilenodiamina. Foram levados a cabo estudos de RMN de 17O, DRMN de 1H e RPE para o complexo [Gd(EPTPACH2OH)(H2O)]2- de forma a determinar todos os parâmetros que governam a relaxividade. Fizeram-se estudos de potenciometria de pH de forma a determinar as constantes de protonação do ligando e as constantes de estabilidade do respectivo complexo de Gd(III). O esquema de microprotonação do ligando foi determinado através de titulações de pH seguidas por RMN de 1H. A dinâmica em solução de vários complexos de Ln(III) foi estudada por RMN de 1H. O complexo [Gd(EPTPACH2OH)(H2O)]2- apresenta um valor de velocidade de troca de água ( ex k ) próximo do valor óptimo, devido à compressão estereoquímica no local de coordenação da água, a qual é obtida por substituição de uma ponte etilénica do esqueleto do ligando DTPA5- (DTPA5- = dietilenotriamina, N, N, N’, N’’,N’’- pentaacetato) por uma ponte propilénica. Apesar da optimização da velocidade de troca de água, o correspondente valor da relaxividade é limitado, tal como esperado, pela dinâmica de rotação do complexo de Gd(III). De forma a optimizar simultaneamente a velocidade de troca de água e o tempo de correlação rotacional ( R τ ), foi sintetizado um novo ligando (EPTPAC165-) que resulta da conjugação de um ácido gordo por meio de ligação éster ao esqueleto do EPTPA5-. O complexo [Gd(EPTPAC16)(H2O)]2- pertence a uma nova classe de agentes de contraste, apresentando uma simultânea optimização da velocidade de troca de água e do tempo de reorientação molecular, após formação em solução aquosa de agregados (micelas) de rotação lenta. A respectiva concentração micelar crítica (cmc) foi determinada através da medição da relaxividade protónica. Com o objectivo de determinar os parâmetros que governam a relaxividade deste sistema, foram feitos estudos de RMN de 17O, RMN de 1H e RPE. As constantes de protonação do ligando foram determinadas através de potenciometria de pH e o esquema de microprotonação do ligando foi deduzido a partir de titulações de pH seguidas por RMN de 1H. Os estudos realizados com este sistema mostraram a necessidade de conceber sistemas micelares mais rígidos, de forma a obter valores de relaxividade mais elevados de acordo com o previsto pelas equações de Solomon-Bloembergen-Morgan. Através de estudos de DLS (Dynamic Light Scattering), foi determinado o tamanho dos agregados acima e abaixo do valor de cmc, e foi estudado o efeito da sonicação nas dimensões das partículas. Foram realizados estudos dinâmicos de cintigrafia gama e de biodistribuição em ratos usando o complexo radiomarcado [153Sm]3+-EPTPAC16. Os perfis de biodistribuição obtidos foram correlacionados com o tamanho das partículas. Os estudos de IRM in vivo utilizando ratos Wistar revelaram um aumento e persistência do contraste obtido usando o complexo [Gd(EPTPAC16)(H2O)]2- comparativamente ao agente de contraste extracelular comercial [Gd(DTPA)(H2O)]2- (Magnevist®, Schering, Germany).