CC BY
23
УДК 54.057;616.831-005.4;616-073.8 Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 3 (61). 2016. Вып. 1
М. С. Муравьёва1, Е. А. Клюев2, М. А. Каткова3, И. В. Мухина2
ИССЛЕДОВАНИЯ НОВЫХ КОНТРАСТИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ВЫСОКОПОЛЬНОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ ИШЕМИЧЕСКОГО ИНСУЛЬТА*
1 Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Российская Федерация, 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23
2 Нижегородская государственная медицинская академия, Российская Федерация, 603900, Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1
3 Институт металлоорганической химии РАН им. Г. А. Разуваева, Российская Федерация, 603950, Нижний Новгород, ул. Тропинина, 49
Проведены количественные и структурные исследования ишемического инсульта на модели фототромбоза моторной области головного мозга мышей и крыс. Для повышения информативности исследований разработаны водорастворимые полиядерные метал-ламакроциклические соединения Ln(Ш)—Cu(П) на основе глицингидроксамовой кислоты Ln(H2O)4[15MCcu(II)Glyha-5](Cl)3 с лантаноидами Ln = Се, Рг, Ей, ТЬ, Dy, Sm, Но, Ег, Тт, Yb, La, Gd. Исследованы их релаксационные характеристики и сделаны выводы о применимости в качестве контрастирующих комплексов для высокопольной магнитно-резонансной томографии. Из всего диапазона синтезированных веществ выбрано вещество с наиболее высокой релаксационной способностью и проведён анализ его накопления в ише-мическом очаге. Исследования позволяют сделать вывод, что соединение с Gd обладает более высокой релаксационной способностью нежели у промышленных аналогов и может использоваться для повышения контраста МР-изображений. Библиогр. 4 назв. Ил. 3.
Ключевые слова: магнитно-резонансная томография, ишемический инсульт, контрастирующие комплексы.
M. S. Muravyeva1, E. A. Kluev2, M. A. Katkova3, I. V. Mukhina2
INVESTIGATION OF NEW CONTRAST COMPLEXES FOR HIGH-FIELD MRI OF ISCHEMIC STROKE
1 Lobachevskiy State University of Nizhni Novgorod
2 Nizhny Novgorod State Medical Academy
3 G. A. Razuvayev Institute of Organometallic Chemistry of RAS
Quantitative and structural studies of ischemic stroke on the mouse and rat model of local ischemia or stroke due to photothrombosis in motor region of cerebral hemisphere were made. To increase the information content of studies we synthesized different types of water-soluble glycinehydroxi-mate 15-MC-5 metallacrowns Ln(H2O)4[15MCcu(ii)Glyha-5](Cl)3 with lanthanides Ln = Ce, Pr, Eu, Tb, Dy, Nd, Sm, Ho, Er, Tm, Yb, La, Gd. Relaxation properties were studied and we have concluded the applicability of our complexes as contrasts for high-field magnetic resonance imaging. From the whole range of synthesized complexes we selected one with the highest relaxivity and we provided the analysis of its accumulation in the ischemic area of brain. Studies suggest that complex with Gd compound has a higher relaxivity than commercial contrast agent and can be used to enhance the contrast of MR images. Refs 4. Figs 3.
Keywords: magnetic resonance imaging, ischemic stroke, contrast complexes.
* По материалам 12-й Зимней молодёжной школы-конференции «Магнитный резонанс и его приложения. Spinus-2015», 15—21 ноября 2015 г., СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия, URL: http://nmr.phys.spbu.ru/spinus.
Школа-конференция проведена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 15-32-10480) и OOO «Брукер». Работа поддержана грантом РФФИ 15-43-02285. © Санкт-Петербургский государственный университет, 2016
Введение. Магнитно-резонансная томография (МРТ) является важным и универсальным инструментом визуализации, используемым в клинических и доклинических исследованиях. В случае инсульта диффузионно-взвешенный и перфузионный ими-джинг чувствительны к ранней диагностике ишемии на основании малейших изменений в диффузии воды или гемодинамического статуса поражённого мозга соответственно. Эти данные МРТ могут быть использованы в лаборатории для подтверждения окклюзии, локализации и отслеживания развивающейся ишемии или последующего прогнозирования. Обычная MPT, такая как Т2-взвешенный имиджинг, менее чувствительна к острым изменениям в ишемизированном мозге и выполняется в конце исследования, чтобы определить степень гибели нейронов (инфаркта) [1].
В ишемическом очаге можно выделить три зоны: зона ядра (в которой клетки уже умерли), зона пенумбры (переходная зона, в ней клетки могут остаться живыми, если вовремя применить соответствующее терапевтическое лечение) и зона олигемической нормальной ткани (здоровая ткань, но со сниженным кровоснабжением). Один Т2-взве-шенный имиджинг не в состоянии отличить некрозные ткани от восстановимых, но в сочетании с диффузионно-взвешенным имиджингом он способен определить поддающиеся восстановлению ткани до окончательного формирования очага. Кроме того, в сочетании данные от Т1-, Т2- и диффузионно-взвешенного имиджинга дают полную картину развития инсульта и хорошо коррелируют с гистологическим анализом.
Традиционно, экспериментальные исследования инсульта использовали post mor-tum гистологический анализ. Однако для этого необходимо, чтобы подгруппа животных была убита в произвольный момент времени после индукции ишемии; выбор этого момента имеет решающее значение, потому что травма головного мозга после инсульта является пространственно-временным развивающимся процессом. МРТ, напротив, позволяет сделать оценку развивающегося поражения in vivo в динамике и оценить предварительный эффект лечения в той же группе животных [2].
С появлением томографов высокого разрешения для имиджинга малых животных МРТ стала одним из самых востребованных методов во многих доклинических центрах. Поэтому улучшение различных методик МРТ для повышения информативности исследований представляется более важным, чем когда-либо. Основная цель представляемого исследования направлена на апробацию новых металламакроциклических комплексов, разработанных и синтезированных нами ранее [3, 4] по критерию контрастирующего действия на модели локальной ишемии головного мозга мышей и крыс.
Экспериментальная часть. Эксперименты проведены на томографе Agilent Technologies DD2-400 9.4 T (400 MHz) с объёмной катушкой M2M (Н1). Мониторинг физиологических параметров животных выполнялся на оборудовании фирмы "SA Instruments" с использованием программы PC-SAM. Наркотизирование проводилось нем-буталом из расчёта 60 мг/кг. Подогрев животных осуществлялся теплым воздухом с температурой 37 °С. Модель ишемического инсульта была получена методом фотохимического тромбоза сосудов моторной зоны коры головного мозга.
Для получения диффузионно-взвешенных изображений головного мозга мышей и крыс была использована импульсная последовательность SEMS (spin echo multi slice — многослойное спиновое эхо). Время появления эха — в диапазоне от 20 до 30 мс, количество срезов от 10 до 15 (в зависимости от размера объекта), толщина срезов всегда выбиралась 1 мм, поле зрения от 20 x 20 до 40 x 40 мм, размер матрицы 128 x 128. Параметры диффузии выбраны такими, что амплитуда равнялась 23,50 Гс/см, b-фактор — 1500 с/мм2. Общая длительность последовательности составляла S мин 32 с.
Для получения Т2-взвешенных изображений использовалась импульсная последовательность MGEMS (multi gradient echo multi slice — разноградиентное многослойное эхо). Время повторения обычно выбиралось 1000 мс, время появления эха (TE, TE2) — от 1,5 до 2 мс, количество эхо от 6 до 8, угол поворота 90°, размер матрицы 128 х 128. Общая длительность последовательности — 8 мин 32 с. Поле зрения и толщина срезов выбирались такими же, как в случае импульсной последовательности SEMS с диффузией. При работе с контрастирующими комплексами для оценки эффективности их накопления в ишемическом очаге была использована импульсная последовательность SEMS (Т1-взвешенные изображения) с параметрами: время повторения — 330 мс, время появления эха — 9,20 мс, размер матрицы 128 х 128, толщина одного среза составляла 1 мм, поле зрения и количество срезов зависели от размера объекта исследования. Общая длительность последовательности 2 мин 34 с.
На рис. 1 представлены Т2-взвешенные (а-в) и диффузионно-взвешенные (г-е) изображения головного мозга мышей с областью локальной ишемии в результате фототромбоза моторной области коры головного мозга. Измерения проводились на 1, 3 и 5 сутки. Средние размеры очага на первые сутки после индуцирования ишемии составляли 53 мм3, на третьи сутки — 101 мм3, на пятые сутки — 68 мм3. Область ишемии характеризуется гиперинтенсивным сигналом на диффузионно-взвешенных изображениях. Структура самого очага неоднородна — в центре интенсивность сигнала ниже, чем на периферии, что отражает распределение свободной воды в данной области, а именно — диффузию. Кроме того, внутри очага визуализируется область пенумбры.
ÜdliMll
е
Рис. 1. Т2-взвешенные изображения (а-в) и диффузионно-взвешенные (г-е) изображения головного мозга мыши с областью ишемического инсульта:
а, г — 1 сут после индукции ишемии; б, д — 3 сут; в, е — 5 сут (с внутривенным введением контрастирующего комплекса Gd(H2O)4[15MCcu(II)Glyha-5](Cl)з)
Так как в настоящее время МРТ исследования зачастую имеют тенденцию к увеличению поля (высокопольная томография), то это требует поиска новых контрастирующих агентов (стандартные контрастирующие вещества для низкопольной МРТ не работают в высоком поле, их релаксационная способность уменьшается с увеличением поля). Мы синтезировали водорастворимый комплекс Ьп(Н20)4[15МСси(и)с1уьа-5](С1)з с лантаноидами Ьп = Се, Рг, Ей, ТЬ, Бу, М, Бт, Но, Ег, Тт, УЪ, Ьа, Gd и изучили свойства раствора на предмет применимости в качестве контрастирующего вещества. Для этого были приготовлены растворы каждого комплекса с различными концентрациями (0,5, 0,25, 0,125 и 0,625 ммоль/л). Для каждой из концентраций измерялось время продольной (Тх) и поперечной (Т2) релаксации (на томографе с полем 9,4 Т), а затем были построены графики скоростей релаксации (Дх = 1/Т и Д2 = 1/Т2) в зависимости от концентрации для всех комплексов (рис. 2 а, б). В результате, для каждого комплекса были рассчитаны релаксационные способности гх, Г2 как тангенс угла наклона линии тренда к оси абсцисс. На графиках видно, что комплекс с гадолинием — Gd(H20)4[15МСси(и)с1уьа-5](С1)з — показал наиболее высокие релаксационные способности (гх = 11, л/ммоль-с, Г2 = 11,2 л/ммоль-с) по сравнению с комплексами
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
С, мМ
Рис. 2. Графики зависимости времени релаксации от концентрации образца для ряда синтезированных водорастворимых комплексов Ln(H2O)4[15MCCu(II)Glyha-5](Cl)3 с лантаноидами Ln = Ce, Рг, Би, ТЬ, Dy, Nd, Яш, Но, Бг, УЬ, La, Gd:
а — для продольной скорости релаксации Я1; б — для поперечной скорости релаксации Я2
с остальными лантаноидами и в результате был выбран нами для исследований его контрастирующего эффекта у животных (кроме этого, релаксационные способности нашего комплекса были более чем в два раза выше по сравнению с аналогичным коммерческим контрастирующим агентом, например, у Магневиста заявленные релаксационные способности т-1 = 4,95 л/ммоль-с, Г2 = 4,6 л/ммоль-с, а у Гадови-ста — т^ = 5,6 л/ммоль-с, Т2 = 6,5 л/ммоль-с). Рис. 3 иллюстрирует накопление нового комплекса в области ишемии, что сопровождается повышением интенсивности очага. Мониторинг накопления контраста проводился в течение 30 мин после его внутривенного введения. Наибольшая интенсивность в очаге наблюдалась через 20 мин после внутривенного введения.
Рис. 3. Т1-взвешенные изображения головного мозга крысы с областью ишемического инсульта: а — до введения контрастирующего комплекса; б — сразу после внутривенного введения контрастирующего комплекса Gd(H2O)4[15MCcu(ii)Glyha_5](Cl)3; в — через 10 мин после введения комплекса; г — через 20 мин после введения комплекса
Эксперименты по оценке острой токсичности исследуемого комплекса были поставлены на половозрелых белых неинбредных мышах (5 самцов) и крысах (5 самцов). Контролем служили животные (по 5 самцов), получившие в эквивалентном количестве физиологический раствор. Эксперимент показал 100% выживаемость животных при однократном внутривенном введении комплекса Gd(H2O)4[15MCCu(n)Glyha-5](Cl)3 с концентрацией 0,5 ммоль/мл в дозе 0,1 ммоль/кг для мышей и 0,3 ммоль/кг для крыс. В ходе эксперимента следили за поведением и внешним видом животных в течении 14 сут. Отклонений от нормы после введения препарата не наблюдалось.
Заключение. В результате данного исследования был разработан и исследован новый контрастирующий комплекс Gd(H2O)4[15MCCu(ii)Glyha-5](Cl)3 для высокопольной МР-томографии, а также проведен количественный и структурный анализ развития ишемического инсульта.
Литература
1. Hsiao-Ying Wey, DesaiV.R., Duong T. Q. A review of current imaging methods used in stroke research // Neurol Res. 2013. Vol. 35 (10). P. 1092-1102.
2. Milidonis X., Marshall I., MacleodM.R., SenaE.S. Magnetic resonance imaging in experimental stroke and comparison with histology. Systematic review and meta-analysis // Stroke. 2015. Vol. 46. P. 843-851.
3. KatkovaM.A., Zabrodina G. S., Muravyeva M. S., Khrapichev A. A., Samsonov M. A., FukinG.K., KetkovS. Yu. New experimental insights into the formation of unexpected water-soluble Eu(III)-Cu(II) 15-metallacrown-5 compound with acetate // Inorg. Chem. Comm. 2015. Vol. 52. P. 31-33.
4. Katkova M. A., Zabrodina G. S., Muravyeva M. S., Shavyrin A. S., Baranov E. V., Khrapichev A. A., Ketkov S. Yu. Facile one-pot route toward water-soluble lanthanide-copper glycinehydroximate 15-metalla-crown-5 complexes // Eur. J. Inorg. Chem. 2015. P. 5202-5208.
References
1. Hsiao-Ying Wey, Desai V. R., Duong T. Q. A review of current imaging methods used in stroke research. Neurol Res., 2013, vol. 35 (10), pp. 1092-1102.
2. Milidonis X., Marshall I., Macleod M. R., Sena E. S. Magnetic resonance imaging in experimental stroke and comparison with histology. Systematic review and meta-analysis. Stroke, 2015, vol. 46, pp. 843-851.
3. Katkova M.A., Zabrodina G.S., Muravyeva M.S., Khrapichev A. A., Samsonov M.A., Fukin G.K., Ketkov S. Yu. New experimental insights into the formation of unexpected water-soluble Eu(III)-Cu(II) 15-metallacrown-5 compound with acetate. Inorg. Chem.. Comm.., 2015, vol. 52, pp. 31-33.
4. Katkova M.A., Zabrodina G.S., Muravyeva M.S., Shavyrin A. S., Baranov E. V., Khrapichev A. A., Ketkov S. Yu. Facile one-pot route toward water-soluble lanthanide-copper glycinehydroximate 15-metal-lacrown-5 complexes. Eur. J. Inorg. Chem., 2015, pp. 5202-5208.
Статья поступила в редакцию 30 ноября 2015 г.
Контактная информация
Муравьёва Мария Сергеевна — аспирантка; e-mail: [email protected] Клюев Евгений Александрович — студент.
Каткова Марина Александровна — кандидат химических наук. Мухина Ирина Васильевна — доктор медицинских наук, профессор.
Muravyeva Maria Sergeevna — post-graduate student; e-mail: [email protected] Kluev Evgeniy Aleksandrovich — student. Katkova Marina Aleksandrovna — PhD
Mukhina Irina Vasilyevna — Doctor of Medicine, Professor.
