Lanthanide Complexes of Bifunctional Chelates as pH and Ca2+ Sensitive Contrast Agents for MR Imaging. Design, Synthesis and Characterization

Abstract

A series of gadolinium based complexes have been designed, synthesized and characterized. Finally in vivo investigations of the compounds have been preformed by combined electrophysiological and fMRI methods. Acyclic bifunctional chelating agents were synthesized by two different ways starting from the dimethylester of nitro- or aminoisophtalic acid.

Complexes with gadolinium and europium were obtained and relaxivities were measured at 300 MHz and 25oC. The very poor solubility of the complexes in water and most organic solvents indicate the formation of di- or polymer chains upon the complexation. This makes the complexes useless for further investigations as MRI contrast agents. Although the amino derivative can be modified and used as a building blocks in the syntheses of the specific chelators.

The second set of compounds was designed to be sensitive to changes of pH. Protected and unprotected phosphonates were used to study the effect of the charge and acidity of the complexes on the relaxivity. Thermodynamic investigations of the ligands have been performed using glass-electrode potentiometric titrations and protonation constants of the phosphonates as well as stability constants of the ligand-calcium(II) complexes (as model for the stability of gadolinium(III) complexes) have been determined. pK values of the phosphonic functional groups increase with increase of the chain length of the pendant arm. The reverse behavior was observed for the second protonation constant of the nitrogen atom of the cyclen rim. Relaxometric measurements of the gadolinium(III) complexes have been performed at various magnetic fields (20, 60 and 300 MHz) and different pH of the water solutions (pH 4-10). The most interesting result was obtained at acidic pH where relaxivity of the complexes increased by 23% and 60% respectively, when the pH of the medium has changed from neutral to pH 4 (20 MHz). The 31P NMR studies of the europium complexes supported by the data of potentiometric titration demonstrated that the compounds are stable in the range of pH 4 to 10. Slow decomplexation of complexes is observed at pH < 3. This means that the changes of the relaxivity are not due to the decomplexation of the compounds.

In order to design complexes which will be sensitiv to changes of extracellular calcium concentrations a series of macrocyclic compounds with variable length of the amino(bismethylene) phosphonates containing side chain were synthesized and characterized. The relaxivity studies of the compounds were preformed at high field (300 MHz). The T1 relaxation time of water was measured for the contrast agents 5a – 7a while varying the concentrations of Ca2+ ions. In solutions of the complexes major effect of the change in relaxivity was shifted to Ca2+ concentration range which is covering the physiologically relevant area. A maximum decrease in r1 of 36% within the physiological range was observed, which was only slightly reduced in artificial cerebrospinal fluids (aCSF). In vivo experiments show that the compounds are not toxic and could be used for in rat investigations. Unfortunately the analysis of the in vivo in the rat experiments showed that no changes in T1 upon stimuli did occur.

Eine Reihe von gadolinium Komplexen sind synthetisiert und charakterieziert. Schließlich in vivo Untersuchungen der Verbindungen sind durch kombinierte elektrophysiologische und fMRI Methoden vorgeformt worden. Azyklisches bifunktionäle Chelaten wurden synthetisiert. Complexes mit Gadolinium und Europium wurden synthetisiert und Relaxivitäten wurden am 300 MHz und 25oC gemessen. Die sehr schlechte Löslichkeit der Komplexe im Wasser und die meisten organischen Lösungsmitteln zeigen die Anordnung der Di- oder Polymer- Ketten in der Komplexen. Dieses macht die Komplexe unbenutzbar für weitere Untersuchungen als MRI Kontrastmittel. Calcium und pH spielen eine wichtige Rolle in den neuronalen Prozessen, deswegen die Entwicklung der pH und Calciumkoncentrationen abhängigen Kontrastmitteln ist sehr nützlich fur die Neurowissenschaftliche untersuchungen. Das DO3A Molekül bildet stabile Komplexe mit Lanthaniden und würde in unserem fall als der Bauelement für die Synthese von macrocyclische Monophosphonaten benutzt. Die Wahl der phosphonate Gruppen lag an ihren protonation Konstanten, die in der etwas säurehaltigen Bereich sind (pK = 6-7) und die Fähigkeit von Phosphonaten die starke Wasserstoffbindungen mit Wassermolekülen zu bilden, die pH empfindlich sind. Das konnte zu mögliche änderungen in der Zahl inneren/Sekundär-/äußeren Späre Wassermolekülen des Lanthanidkomplexen und folglich seiner Relaxivität Eigenschaften führen. Geschützte und ungeschützte phosphonaten wurden synthetisiert, um den Effekt der Aufladung der Komplexe auf dem Relaxivitäten zu studieren. Thermodynamische Untersuchungen der Liganden und protonation Konstanten der Phosphonaten sind mit Glaselektrod-potentiometrischen Titrierungen durchgeführt worden. pK Werte der phosphonischen Funktionsgruppen erhöhen sich mit Zunahme der Kettenlänge des phosphonathältige Armes. Das Rückverhalten wurde für die zweite protonation Konstante des Stickstoffatoms von cyclen Ring beobachtet. Relaxometric Messungen der gadolinium (III) Komplexe sind bei verschiedenen Magnetfeldstärke (20, 60 und 300 MHZ) und unterschiedlichem pH der Wasserlösungen (pH 4-10) durchgeführt worden. Die Messungen zeigen dass die Relaxivitäten der Komplexe um 23% beziehungsweise 60% zunahm, wenn der pH des Lösungs sich von Neutrales zu pH 4 geändert hat (20 MHZ). Die 31P NMR Studien der Europium Komplexe, zeigten, daß die Komplexe 3 und 4 in der Bereich pH 4 bis 10 stabil sind. Langsames dekomplexierung wird an pH < 3 beobachtet. Amino(bismethylene) phosphonaten sind für ihre Affinität zum Calcium bekannt. Um Komplexe zu entwerfen die empfindlich zu den Änderungen der extrazellularen Calciumkonzentrationen drei macrocyclische Komplexen mit variabler Länge der Amino (bismethylene)phosphonathältigen Ketten wurden synthetisiert. Die Relaxivität Studien der Komplexen wurden an der 300 MHZ NMR durchgeführt. Die T1 Relaxationszeiten des Wassers wurde für die Kontrastmittel beim Verschiedenen Konzentrationen der Ca2+ Ionen gemessen. Wichtiger in den Lösungen des Complexen der änderung im relaxivitaten wurde auf Ca2+ Konzentrationbereich, die den physiologisch relevanten Bereich umfaßt. Eine maximale Abnahme an r1 von 36% innerhalb des physiologischen Bereiches wurde beobachtet, der nur etwas in den künstlichen zerebrospinalen Flüssigkeiten (CSF) verringert wurde. Die Unterschiede der chemischen Verschiebungen 31P NMR der Komplexe 6b und 7b verglichen mit ihren freien Liganden zeigt, daß die Phosphonaten nicht zum Europium koordiniert wurden, während der chemische Verschiebung unterschied von 20 ppm im Falle 5b auf eine Wechselwirkung zwischen die Metallmitte und die Phosphonaten zeigt. Interessant werden die Resonanzen 31P von 5b nicht durch die Hinzufügung der Ca2+ Ionen beeinflußt, während die Linie Breiten sich drastisch, als die Ca2+ Konzentration der Lösungen erhöht wurde. Diese Resultate sind in übereinstimmung mit den Relaxivität Studien der entsprechenden Gadolinium Komplexe. In vivo Experimente zeigen, daß die Komplexe nicht giftig sind und für weitere untersuchungen in Ratten verwendet werden konnten.