MRI 造影剤としての高度に水和した常磁性非晶質炭酸カルシウム ナノクラスター

Nature Communications volume 13、記事番号: 5088 (2022) この記事を引用

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非晶質炭酸カルシウムは、自然界における生物起源の炭酸カルシウム形成の初期段階で一時的な前駆体として重要な役割を果たします。 しかし、水溶液中での不安定性のため、非晶質炭酸カルシウムを生物医学に利用する成功例はまだ稀です。 今回我々は、常磁性ガドリニウムイオンと非晶質炭酸カルシウムの間の相互効果を報告し、ガドリニウムが吸蔵された高水和炭酸塩様環境とポリ（アクリル酸）の両方の存在下で超微細な常磁性非晶質炭酸カルシウムナノクラスターを生成することを報告する。 ガドリニウムは非晶質炭酸カルシウムの水分含有量を高めることが確認されており、非晶質炭酸カルシウムナノクラスターの高い水分含有量は、市販のガドリニウムベースの造影剤と比較して、磁気共鳴画像処理のコントラスト効率の大幅な向上に貢献します。 さらに、非晶質炭酸塩ナノクラスターの向上した T1 強調磁気共鳴イメージング性能と生体適合性は、生体内での安全性が期待できることと併せて、ラット、ウサギ、ビーグル犬などのさまざまな動物でさらに評価されています。 全体として、非常に容易に大量生産できる非晶質炭酸塩ナノクラスターは、優れたイメージング性能と印象的な安定性を示し、磁気共鳴造影剤を設計するための有望な戦略を提供します。

自然界に広く存在する非晶質炭酸カルシウム (ACC) は、生体ミネラル形成の初期段階で一時的な前駆体として重要な役割を果たしています 1,2,3,4。 生物からインスピレーションを得た戦略を使用すると、制御された相、物理的および化学的特性を持つ多様な材料を実現できます5、6。 高度に含水している内容は ACC の特徴であり、その安定化において極めて重要な役割を果たしています 6,7,8,9,10,11,12。 炭酸カルシウムの準安定相である ACC は水溶液中で不安定であり、脱水、イオン結合およびその他の要因により急速に結晶相に変化します 6、7、8、13。 したがって、高水和ACCの潜在的な応用はほとんど無視されており、生物医学におけるACCの利用の成功例はほとんどありません。

ガドリニウムベースの T1 MRI 造影剤の造影性能を向上させる重要なパラメータの 1 つは、その水和です 14。 ガドリニウム イオンは 7 個の不対電子を持ち、大きな磁気モーメントと長い電子スピン緩和時間を備えているため、臨床的に利用可能な T1 MRI 用の細胞外ガドリニウムベースの造影剤が数多く存在します 14,15。 生体内で生体分子と相互作用するための多用途な機能化と、無機ナノ構造の利点によるガドリニウムイオン漏出率の低下により、Gd ベースの無機ナノ薬剤は大きな注目を集めました 15,16。 残念なことに、ガドリニウムベースのナノ粒子の水和は高温合成の影響を受けますが、結果として生じるイオン漏出は、キレート錯体と比較して閉じ込められたナノ構造によって最小限に抑えられます15。

ここでは、ACC 鉱化プロセスにガドリニウム イオンを導入します。これは、最終的な非晶質炭酸カルシウム相に統合されることが証明されています。 この非晶質系では、ガドリニウムイオンがポリ（アクリル酸）と組み合わされることで水和水とナノクラスターの安定性が向上し、炭酸塩によるガドリニウムイオンの閉じ込めにより生体適合性と性能が向上し、得られた製品が注目すべきMRI造影剤特性を備えていることが示されました。 さらに、常磁性ランタニドガドリニウムイオンと非晶質炭酸カルシウムの間の相互効果が発見され、それが調製されたままの非晶質複合ナノクラスターの水和含有量の最大化と高い縦緩和に寄与する。 最終的な常磁性非晶質炭酸塩ナノクラスター (ACNC) は、通常の ACC と比較して高い水対 Ca 比 (水/Ca = 7.2) を持っています (比は約 0.4 ～ 1.9 で一定の​​まま)。 ACNC の縦緩和能 (3.0 T で 37.93 ± 0.63 mM-1 · s-1) は、市販の MR 造影剤ガドペンテチン酸 (Gd-DTPA) の 10 倍である高い含水量からも恩恵を受けています。イオン漏洩に対する耐性が高いため、MR 造影剤として使用できる可能性があります。