Manyetik Rezonans Görüntüleme için hazırlanması, Saflaştırılması ve lantanide Kompleksleri Kontrast Ajanlar Kullanım Karakterizasyonu

Biz metalation, arıtma, ve lantanide komplekslerin karakterizasyonu göstermektedir. Burada açıklanan komplekslerinin manyetik rezonans görüntüleme kullanarak bu moleküllerin izlemeyi etkinleştirmek için makromoleküllerin konjuge olabilir.

Lantanide iyonları şelat tabanlı Polyaminopolycarboxylate ligandlar yaygın kullanılan ve ortaya çıkan komplekslerinin manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kontrast ajanlar olarak yararlıdır. Birçok ticari olarak kullanılabilir ligandlar, fonksiyonel, hızlı, yüksek saflıkta izin grupları ve amin-reaktif aktif esterleri ve izotiyosiyanat grupları veya tiol-reaktif maleimides üzerinden makromoleküllerin ve biyomoleküllerin yüksek getirili konjugasyon içerdiğinden özellikle yararlıdır. Bu ligandların metalation bioconjugation kimya, metalation prosedürleri ince farklar alanında ortak bilgi olarak kabul edilirken, metal başlangıç ​​malzemeleri seçerken dikkate alınmalıdır. Ayrıca, saflaştırılması ve karakterizasyonu var ve en etkili yöntemdir seçimi için birden fazla seçenek kısmen başlangıç ​​materyallerinin seçimine bağlıdır. Bu ince farklar yayınlanan protokoller genellikle ihmal edilir. Burada amacımız, metalation, arıtma, ve MRI (Şekil 1) kontrast ajanlar olarak kullanılabilir lantanide komplekslerin karakterizasyonu için ortak yöntemler göstermektir. Bu yayının, biyomedikal bilim adamları, başlangıç ​​maddeleri ve arıtma yöntemleri seçimi kolaylaştırılması lantanide kompleks reaksiyonlar sık ​​kullanılan tepkimelerin kendi repertuarına dahil olacağını bekliyoruz.

1. LnCl ₃ tuzları kullanarak Metalation

1. 30-265 mM bir çözüm üretmek için ligand su içinde eritin. Bu video 73 mM konsantrasyonda ligand 2 - (4-isothiocyanatobenzyl) diethylenetriamine pentaacetic asit (DTPA-p-SCN-Bn) kullanılmıştır.
2. 1 M NH ₄ OH ekleyerek ligand çözüm pH 5.5 ve 7.0 arasında ayarlayın. Bu video, 0.2 mL 1 M NH ₄ OH çözüm kullanılmıştır.
3. 5-1000 mM bir konsantrasyon ile bir çözüm üretmek için su LnCl ₃ 1-2 benzerleri eritin. Bu video, EuCl ₃ ve GdCl ₃ 111 mm konsantrasyonlarda kullanılır. Metal aşırı bir metalation genellikle tamamlanması için sürücü ve dolayısıyla arıtma basitleştirmek için kullanılır.
4. Karıştırılırken LnCl ₃ ligand çözüm çözümü ekleyin.
5. LnCl ₃ eklenmesinden sonra, 0.2 M NH ₄ OH ekleyerek ortaya çıkan reaksiyon karışımının pH 5.5 ve 7.0 arasında ayarlayın. Bu video toplam 0.5 mL 0.2 M NH ₄ OH çözüm kullanılmıştır. Ligand aside duyarlı fonksiyonel gruplar içeriyorsa, bu adımı sırasında pH birden çok kez ayarlayın. DİKKAT - çözüm çok basit olursa, herhangi bir temel duyarlı fonksiyonel gruplar, izotiyosiyanat gibi, konjugasyon için kullanılamaz hale olacaktır.
6. PH ölçümleri ile reaksiyon izleyin. PH sabit kalır reaksiyon tamamlandı.

2. Raising pH tetkikleri (bu video dahil, ancak baz duyarlı fonksiyonel grupları olmaksızın ligandlar için iyi değil)

1. ≥ 11 pH ayarlamak için reaksiyon karışımının NH ₄ OH konsantre ekleyin. Bu adım, çözünmez hidroksit uncomplexed gibi herhangi bir metal hızlandırabilir.
2. Filtre 0.2 mikron filtre ile süpernatantı. Reaksiyon karışımı filtre takunya, santrifüj ve filtreleme önce şişeden tavsiye edilir.
3. Diyaliz gerçekleştirilmez ise, düşük basınç (döner buharlaştırma ya da dondurarak kurutma tavsiye edilir) altında çözücü kaldırmak.
4. Serbest lantanide kalırsa Adımlar 2,1-2,3 tekrar edilebilir.

3. Diyaliz workup

1. Ekstra uzunluğu (örnek hacmi yaklaşık% 10) bırakarak numune hacmi tutmak için uygun bir uzunluğu (üreticinin yönergeleri izleyin) diyaliz tüp kesin. Bu video, 100-500 dalton moleküler ağırlığı cut-off (MWCO) membran kullanılan, ancak büyük MWCO boru konjugasyon metalation önce yapılır uygun olarak kullanılabilir. Ayrıca, diyaliz kasetleri istenirse diyaliz tüp alternatif olarak kullanılabilir.
2. Eğer üretici kurallarına göre uygun ortam sıcaklığında 15 dakika süreyle su kesme diyaliz tüp bekletin.
3. Su (diyalizat) ile bir diyaliz rezervuar (1 L beher Bu video) doldurun. Diyalizat hacmi yaklaşık 100x örnek olmalıdır.
4. Katlama bir iki kez tüp sonu ve bir diyaliz kapatma kelepçe ile boru katlanmış kısmı güvenli. Diyaliz sırasında kapalı kalmasını sağlamak için lastik bir bant ile kapatılması sonuna sarın.
5. 0.2 mikron filtre ile reaksiyon karışımı Filtresi ve boru gözyaşı dikkatli olmak boru açık ucunu süzüntü yük. Tüp kapatmak için yeterli baş boşluk bıraktığınızdan emin olun.
6. Iki kez, bir kapatma ile güvenli ve kapatılması adım 3.4 'deki gibi bir lastik bant ile sarın boru kalan açık ucunu katlayın.
7. Bir lastik bant kullanarak diyaliz hortumun bir ucunu kelepçe hava içeren bir cam flakon takın. Diğer kelepçe kum içeren bir şişe takın. Bu şişeleri boru diyalizat dalmış kalmasını sağlar.
8. Diyalizat içeren diyaliz rezervuar dolu tüp yerleştirin.
9. Ortam sıcaklığında yavaş bir hızda (vorteks) manyetik bir heyecan plaka kullanarak diyalizat karıştırın.
10. Bir gün ders (diyalizat Bu video, 2.5, 6.5 ve 11.5 saat olarak değiştirildi) üzerinde 3x diyalizat değiştirin ve sonra (20-28 saat diyaliz toplam) diyaliz gecede devam etmesine izin.
11. Diyalizat diyaliz tüpünü çıkarın ve dikkatli bir örnek kaldırmak için bir kapatma açık. 3x diyaliz tüp su ile yıkayın ve numune yıkamalar birleştirmek.
12. Düşük basınç altında su çıkarın. Bu video Dondurarak kurutma kullanılır.

4. Serbest metal varlığının değerlendirilmesi

1. Metal kompleks çözülür asetat tamponu (buffer hazırlanması: 400 ml suya 1.4 ml asetik asit çözülür, 1 M NH ₄ OH ile 5.8 pH ayarlamak ve toplam hacmi 500 ml su ekleyin) ve xylenol turuncu bir gösterge (16 mcM pH 5.8 tamponu). Bu video, 0.3 mg kompleks 0.3 mL tampon dağıldı ve 3 mL indikatör çözeltisi eklendi.
2. , Menekşe sarı gösterge bir renk değişimi gözlem yoluyla serbest metal varlığını tespit.
3. İsterseniz bir kalibrasyon eğrisi ¹ oluşturarak, serbest metal miktarı belirlenebilir. Alternatif olarak, boya arsenazo III xylenol turuncu ² yerine kullanılan olabilir. Serbest metal kalırsa, daha önce karakterizasyonu, diyaliz, bir tuzsuzlaştırma sütun veya yüksek performanslı sıvı kromatografi (HPLC) kullanarak saflaştırılmış örnek olmalıdır.

5. Su koordinasyon sayısı (q) Belirlenmesi

1. H ₂ O karmaşık (~ 1 mM) içeren ^III-Eu bir çözüm ve D ₂ O. aynı konsantrasyonu başka bir çözüm hazırlayın Analizden önce, D ₂ O çözümü kalan H ₂ O. kaldırmak için üç kez buharlaştırılır ve D ₂ O içinde çözünmüş olmalıdır
2. Temiz bir küvet su çözeltisi ekleyin ve bir spectrofluorometer küvet yerleştirmek.
3. Eksitasyon ve emisyon taramalar her (~ 395 nm ve 595 nm idi) maxima belirlemek için gerçekleştirin.
4. Eksitasyon ve emisyon dalga boylarında adım 5.3, eksitasyon ve emisyon yarık genişlikleri (5 nm), flaş sayısı (100), ilk gecikme (0.01 ms), maksimum gecikme (13 ms) belirlenen aşağıdaki parametreleri kullanarak bir fosforesans zaman çürüme deney yapın ve gecikme artış (0,1 ms). Bu koşullar, en kompleksleri uygun, ancak azami gecikme ve artım değerleri son derece uzun veya çok kısa bir çürüme kez türler için artırılabilir veya azaltılabilir.
5. Adım adım 5.1 'de hazırlanan D ₂ O çözeltisi ile 5.4 tekrarlayın.
6. 5.4 ve 5.5 'de elde edilen lüminesans-çürüme verilere göre, şiddeti zamana doğal günlük arsa. Bu satırların eğimi çürüme oranları (τ ^-1) (Şekil 2). Bu video, Microsoft Excel 2007, ham veri doğal günlük araziler oluşturmak için kullanılır oldu. Horrocks tarafından geliştirilen ve arkadaşları (eq 1) ³ denklemi çürüme oranları kullanın. Ligand metal koordine OH veya NH grupları varsa, o denklemi kullanmak ³ önce değiştirilmiş olmalıdır.

eq 1:

6. Relaksivite ölçümler

1. T ₁ (longitudinal relaksasyon zamanı) veya T ₂ (transvers relaksasyon zamanı): relaksasyon zamanı analizörü istediğiniz uygulamayı modunu seçin.
2. Gd farklı konsantrasyonlarda ^III içeren sulu bir çözücü kompleks içeren örneklerin bir dizi hazırlayın. Bu video, su, 0.625, 1.25, 2.50, 5.00, 10.0, solvent ve çözümleri olarak kullanılan ve 0 mM hazırlanmıştır. Diğer sulu solventler veya tamponlar kullanılabilir, ancak boş olarak solvent kullanılması önemlidir olabilir. Son örnek hacmi, kullanılan cihaz için özeldir.
3. Aracı bir örnek koyun ve alet (37 ° C Bu video) sıcaklık dengelenmesi için 5 dakika bekletin.
4. T ₁ ve T ₂ (T ₁ ve T ₂ temsilcisi eğrileri Şekil 3'te gösterilmiştir) için düzgün bir üstel eğriyi elde etmek için yazılım parametrelerini ayarlayarak gevşeme zamanı (s birimleri) belirleyin.
5. 6.3 ve 6.4 örnekleri boş da dahil olmak üzere tüm adımları tekrarlayın.
6. S ^-1 birimleri ölçülen T ₁ ve T ₂ değerleri ters hesaplayın.
7. T ₁ ^-1 veya T karşı ₂ ^-1 Gd ^III konsantrasyonu değerleri (mM birimleri) çizilir. Gd ^III içeren kompleksler higroskopik doğası nedeniyle, Gd ^III konsantrasyonu atomik absorpsiyon spektrofotometresi veya indüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi kullanarak onaylayın. Düz bir çizgi ile arsa sığdır. Bir temsilci komplo Şekil 4'te gösterilmiştir.
8. Monte hattının eğimi relaksivite (T ₁ ve T _2, sırasıyla r ₁ r ₂₎ ve mM ^-1 s ^-1 birimleri vardır.

7. Temsilcisi Sonuçlar

Tablolar ve Şekiller bölümünde bu protokolü adımları Temsilcisi veriler dahil edilmiştir. Protokolde belirtilen su koordinasyon sayısı ve relaksivite karakterizasyonu yanı sıra, nihai ürünlerin standart kimyasal teknikleri kullanılarak karakterize etmek için önemlidir. Eu ^III içeren kompleksler Şekil 5'te gösterilmiştir bileşik kimlik kütle spektrometresi, ve temsili kitle spektrumu Gd ^III tanı izotop desen kullanılarak elde edilebilir. Ayrıca, non-Gd ^III. lantanide içeren kompleksler, NMR spektroskopisi ürünün tanımlanması için kullanılabilir. Karmaşık saflık, HPLC veya elementel analiz karakterize etmek için veya her ikisi de kullanılabilir.

Şekil 1 metalation ve saflaştırılması için genel şeması: Programı metalation ve nedenleri farklı arıtma yolları seçmek için genel bir prosedür resmeden .

Şekil 2 Lüminesans yoğunluğu arsa: bölüm 5 yoğunluğu karşısında zaman doğal günlük Temsilcisi arsa. Hatları, su ve _D 2 O çözümleri için edinilen benzer eğrileri yamaçları, Eu su ^koordinasyon sayısı III içeren kompleksler karakterize eq 1 ile kullanılır.

Şekil 3 Gevşeme çürüme zaman eğrileri: (sol) T ₁ ve (sağda) T ₂ satın alma Temsilcisi veri. Bu eğri şekilleri sapmalar güvenilir veri üretmek.

Şekil 4 relaksivite belirlenmesi: Gd ^III konsantrasyonu karşı 1 / T ₁ bir temsilci arsa. Monte hattının eğimi relaksivite ve mM ^-1 s ^-1 birimleri vardır.

Şekil 5 Kütle spektrumları: tanı izotop desen gösteren Temsilcisi kütle spektrumları (sol) Gd ^III (sağda) içeren kompleksler ve Eu ^III içeren kompleksler. Siyah Gauss doruklarına teorik izotop dağılımı temsil eder ve kırmızı çizgiler gerçek verilerdir.

Lantanide bazlı kontrast ajanlar ^4-14 yayınların sayısının artması göz önüne alındığında, bakım, hazırlama, arındırıcı ve tekrarlanabilir ve karşılaştırılabilir sonuçlar sağlamak için ürün karakterize alınması çok önemlidir . Bu kompleksler, genellikle arındırmak ve paramanyetik doğa ve bioconjugation için kullanılan olabilir herhangi bir fonksiyonel grupların duyarlılığı nedeniyle organik moleküllerin göreceli karakterize zorlu kabul edilir. Biz lantanide komplekslerinin sentezi, saflaştırma ve karakterizasyon için ortak yöntemler var. Ancak, aşağıdaki yöntemlerden birini seçerken çalışılan belirli bir sistem göz önünde bulundurmak önemlidir.

Kompleks reaksiyonlar, piyasada mevcut olan çeşitli metal tuzları ve tuz seçim çalışmanın amacı bağlıdır. Örneğin, klorür (veya triflate veya nitrat) tuzları kullanarak bir avantaj sıcaklığına göre nispeten ılımlı koşullarda gerekli olmasıdır. Ancak, bu yöntemlerin pH dikkatli izlenmesi gerekir ve bir yan ürün olarak tuzları üretmek. Çalışılan sistem, pH değişiklikleri, özellikle hassas ise, pH dikkatli bir izleme ve kontrol yapılmalıdır. Ayrıca, tuz yan çalışılan sistem için zararlı olacağını, bunlar kaldırılacak olması gerekir ya da alternatif bir sentezi olmalıdır. Malzemelerin başlangıç ​​lantanide hidroksit (ya da oksit), çünkü bu türlerin düşük çözünürlük, yüksek sıcaklıklarda kullanılan, ancak metalation tek yan ürün su olmalıdır. Bu yöntem desalt zor olurdu reaksiyonlar için idealdir, ancak ısıya duyarlı sistemler için işe yaramaz. Aynı zamanda bu metalation reaksiyonlar, metal ve ligand konsantrasyonları açısından son derece sağlam söz değer. Konsantrasyonu tek açıklıklı kısmen edebiyat bulabildiğim konsantrasyonlarının aralığı listede değişmektedir.

Metal başlangıç ​​materyalinin düşünceli seçimine ek olarak, metal ve ligand hem de muhtemelen yakından ilişkili olduğunu vurgulamak önemlidir su ve solvent molekülleri bile onlar kuru gözüküyorsa. Bu ekstra moleküllerin çoğu, büyük ölçüde bir tepki stokiyometri deforme etmek için yeterlidir. Sonuç olarak, iyi başlangıç ​​malzemeleri (elementel analiz) tepki olarak kullanılan bu malzemelerin doğru miktarda olduğunu karakterize yardımcı.

Bu makalede, biz reaksiyon karışımının pH sürdürmenin önemini vurgulamak. Bu pH kontrolü, birden fazla reaksiyon pH nötr yakın sapmaya izin veriliyorsa başarısız yönlerini nedeniyle kritik öneme sahiptir. Lantanide iyon (nötr veya düşük pH yakınında) çözünür kalmak gerekir meydana metalation reaksiyon için ligand karboksilik asitler (nötr veya yüksek pH yakınında) deprotonated olmalıdır. PH değeri çok yüksek ise, lantanide iyon çözünmez hidroksit kompleksleri hızlandırabilir ve reaksiyon durur. Alternatif olarak, pH değeri çok düşükse, karboksilik asitler protonlanır kalacaktır ve ligand metal koordine olmaz. Ayrıca, aşırı pH değerleri, reaktif fonksiyonel gruplar çürüyüp sonraki bioconjugation reaksiyonlar doğru kompleksi atıl hale gelecektir. Metalation reaksiyon olarak ortaya çıkar karboksilik asitler deprotonated olarak daha da karmaşıklaştıran, reaksiyon karışımının pH düşürülür. Metalation pH dengeyi karmaşık görünse de, dikkatli baz ilavesi ile kolayca kontrol edilebilir.

Ince farklar metalation için birçok strateji vardır. Bu yazıda, aşırı metal kullanımını tanımlamak için seçti. Bu da aşırı ligand veya eşdeğer miktarda ligand ve metal (başlangıç ​​materyali elementel analiz dayalı) kullanımı kabul edilebilir. Her güzergah avantajları ve sınırlılıkları vardır. Fazla metal kullanılarak birincil avantajı ligand genellikle en pahalı başlangıç ​​materyali, ve bu yöntem paradan tasarruf edebilirsiniz. Herhangi bir serbest metal relaksivite ve toksisite de dahil olmak üzere önemli özellikleri önemli ölçüde etkileyebilir, çünkü metal fazla kullanılan Ancak, aşırı metal kaldırma kritik önem taşımaktadır. Suya karşı diyaliz fazla metal, sitrat tampon karşı diyaliz kaldırmak için yeterli değilse yapılan sitrat tamponu çıkarmak için su ile diyaliz ile takip edilebilir. Alternatif olarak, kullanılan mobil faz bu pH tarafsızlığını sağlamak için bakım alınır gibi bir tuzsuzlaştırma sütun veya HPLC sürece kullanılmalıdır. Ligand aşırı kullanıldığında, muhtemelen relaksivite etkisi olmaz, aşırı metal ve aşırı ligand kaldırmak için kritik bir ihtiyaç artık yoktur, ancak, serbest ligand kalacaktır. Sonraki bioconjugation reaksiyonlar için, bu aşırı ligand ayırmak zordur homojen olmayan konjugatları sorunlu ve sonucu olabilir. Bu sorunu düzeltmek için metal complexes susuz dietil eter veya HPLC fazla ligand metal kompleks ayrı kullanılabilir çöktürülmüş olabilir. İdeal olarak, ligand ve metal, metal-ligand tabanlı yan sonuçlanan bir 1:1 oranında olacaktır. Ancak, her iki başlangıç ​​maddelerinin elementel analizi Her reaksiyon için önce gerekli olan ve 01:01 ligand-metal oranı hafif bir sapma varsa, o zaman reaksiyon ya düşecek ligand aşırı veya metal- arıtma için ihtiyaç sonuçlanan bir aşırı kategoriler.

Sonuçlanan karmaşık bioconjugation ^15-17 hazır olduğu metalation göstermiştir. Bu stratejinin bir alternatif, ilk ^kez metalation 18,19 izledi ligand ve biyomolekülün konjugasyon. Konjuge o metalate Bu strateji ile, aynı faktörler bir metalation rota (pH duyarlılık ve biyomolekülün tuzları ürün arındırmak için yeteneği yanı sıra sıcaklık duyarlılığı) karar verirken dikkate alınması gerekir.

Biz minnetle Wayne State Üniversitesi (MJA), Amerikan Yaşlanma Araştırma (SMV) Vakfı hibe ve Kariyer Bağımsızlık Geçiş Biyomedikal Görüntüleme National Institute Ödülü (R00EB007129) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri Biyomühendislik Pathway başlangıç ​​fonları kabul Sağlık (MJA).