ES2204281B1

ES2204281B1 - Complejos moleculares polimetalicos como agentes de contraste para su uso en resonancia magnetica de imagen.

Info

Publication number: ES2204281B1
Application number: ES200201023A
Authority: ES
Inventors: Elies Molins Grau; Elisenda Rodriguez Vargas; Anna Roig Serra
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2005-08-01
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: ES2204281A1; AU2003224179A1; WO2003093284A1

Abstract

Complejos moleculares polimetálicos como agentes de contraste para su uso en Resonancia Magnética de Imagen. Se sintetiza un nuevo tipo de agente de contraste de comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente para ser usado como agente de contraste en RMI y se describe el uso de un complejo molecular polimetálico como agente de contraste que presenta comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente y disminuye el tiempo de relajación longitudinal (T1). A temperatura ambiente, este tipo de compuestos se comporta de forma similar a un paramagneto, es decir la magnetización resultante fluctúa con el tiempo con una frecuencia característica que depende de la temperatura. En el caso de los compuestos superparamagnéticos el momento magnético resultante es más grande que para los compuestos paramagnéticos por lo que los compuestos superparamagnéticos disminuirán de forma más efectiva los tiempos de relajación de los núcleos de hidrógeno de las moléculas de agua.

Description

Complejos moleculares polimetálicos como agentes de contraste para su uso en Resonancia Magnética de Imagen.

Sector de la técnica

La presente invención consiste en un nuevo tipo de agente de contraste para su uso en Resonancia Magnética de Imagen (RMI). Dicho agente de contraste puede resultar en mejoras sustanciales para la obtención de imágenes del interior del cuerpo humano aumentando el contraste tisular.

El área de la técnica seria, por lo tanto, el amplio sector de la medicina nuclear: diagnosis de cánceres y tumores, estudio del Sistema Nervioso y Sistema Músculo-Esquelético.

Estado de la técnica

La técnica de RMI ha experimentado un ascenso vertiginoso en los últimos años y en la actualidad se ha convertido en herramienta imprescindible para detectar muchas patologías. Su éxito se debe principalmente a la posibilidad de obtener imágenes tomográficas en cualquier dirección del espacio, fácilmente interpretables y a no utilizar radiaciones ionizantes.

La RMI se basa en los principios físicos de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN).

La RMN nace en 1946 gracias a Felix Bloch y Edward Purcell. En el año 1977 Raymond Damadian consiguió imágenes de todo el cuerpo [Damadian, R.: Physiol. Chem. Phys. 9, 97 (1977)].

La RMN es un fenómeno físico por el cual núcleos atómicos con un número impar de protones y/o neutrones pueden absorber selectivamente energía electromagnética en el rango de radiofrecuencia al ser colocados bajo un campo magnético.

En la rutina clínica, el protón es el núcleo a estudiar debido a su abundancia biológica, (63% átomos de hidrógeno), y a su constante giromagnética elevada (42.58 MHz/T).

Estudiando la señal de relajación de la magnetización podemos obtener tres tipos de información diferente: una relacionada con la densidad D de los núcleos de hidrógeno existentes en el vóxel y las otras dos relacionadas con el medio histoquímico, tiempos de relajación T1 y T2. Los parámetros T1 y T2, se obtienen en el análisis de la relajación nuclear sobre el eje longitudinal y sobre el plano transversal, respectivamente. El contraste (negros, grises y blancos) de las imágenes obtenidas por RMI dependerá de estos tres parámetros.

Actualmente se utilizan agentes de contraste de diagnosis en RMI para obtener imágenes mejor contrastadas. La función del agente de contraste es la de disminuir los tiempos de relajación de los núcleos de hidrógeno próximos al agente de contraste. Estos agentes de contraste no se visualizan directamente en la imagen obtenida, a diferencia de otros agentes de contraste ionizantes utilizados para rayos X. Los agentes de contraste se clasifican en tres tipos según sea su comportamiento bajo un campo magnético aplicado:

\bullet agentes de contraste paramagnéticos

\bullet agentes de contraste superparamagnéticos

\bullet agentes de contraste ferromagnéticos

Bloch descubrió que el uso de una sal paramagnética de nitrato de hierro modificaba los tiempos de relajación de los protones del agua [Bloch, F.: Phys. Rev. 70, 474 (1948)].

Los compuestos paramagnéticos son los agentes de contraste más estudiados y utilizados debido a los óptimos resultados obtenidos al utilizar Gd como centro metálico. Este tipo de compuesto se caracteriza por presentar electrones desapareados, estableciendo interacciones dipolo-dipolo entre los electrones desapareados del metal y los núcleos de hidrógeno de las moléculas de agua. Aquellas moléculas de agua que se encuentran directamente coordinadas al metal, disminuyen su tiempo de relajación longitudinal (T1) de forma muy efectiva. Esta efectividad disminuye a medida que aumenta la distancia entre las moléculas de agua y el complejo metálico. Los centros metálicos de este tipo de agentes de contraste son metales de la primera serie de transición, lantánidos y radicales libres. El estudio teórico de la relajación en presencia de partículas paramagnéticas fue desarrollado por Bloembergen, Solomon y otros [Bloembergen, N.: Phys. Rev. 73, 678 (1948)].

Desde que en 1988 se sintetizó [Gd(DTPA)(H_{2}O)]^{2-} se han administrado cerca de 30 toneladas de Gd a millones de pacientes. Diversas patentes de agentes de contraste de Gd han sido registradas para su empleo en RMI. Un ejemplo es la Patente Europea 3,302,410 de A. G. Shering, que protege al complejo gadopentato de dimeglumina (gadolinio-DTPA). Otros ejemplos de agentes de contraste con Gd como centro metálico son EP 1034796 "MRI contrast media recognizing minor environmental changes", Masahito M. (13 septiembre 2000), patente WO0016811 "MRI contrast agent", Masahito M. (30 marzo 2000), patente US57077605 "Magnetic Resonance Imaging agents for the detection of physiological agents", Meade T., Fraser S., Russell J. (13 enero 1998), patente US4933441 "Constrast enhancing agents for magnetic resonance images", Gibby A. (12 junio 1990).

Uno de los problemas de estos agentes de contraste es la toxicidad del centro metálico, por lo que la constante de estabilidad del complejo metálico ha de ser alta. El hecho de que el centro metálico deba estar protegido, tiene el inconveniente de que su efectividad dependa de la accesibilidad de las moléculas de agua al metal, por lo que ha de disponer como mínimo de una posición libre para que en dicha posición se puedan coordinar moléculas de agua tisular y se puedan relajar más rápidamente, disminuyendo el T1.

La patente WO9410182 "High relaxivity, paramagnetic, metal complexes for magnetic resonance imaging", Beaty J. A. (11 mayo 1994), describe el uso de clústeres metálicos con comportamiento paramagnético, donde los metales que integran el clúster son Mn.

Los agentes de contraste ferromagnéticos más comunes son partículas de óxido de hierro (III). A diferencia de los compuestos paramagnéticos que afectan principalmente a los tiempos de relajación T1, las partículas de óxido de hierro afectan principalmente al tiempo de relajación transversal, T2 ya que provocan una importante heterogeneidad del campo magnético externo, disminuyendo la intensidad de la señal a diferencia de los agentes T1 que la aumentan. Ejemplos de patentes son: patente US4675173 "Method of magnetic resonance imaging of the liver and spleen" Widder Kenneth J. (23 junio 1987); patente US4863715 "Method of NMK imaging using a contrast agent comprising particles of a ferromagnetic material" Jacobsen Trond (5 setiembre 1989).

Uno de los problemas de estas partículas es su tendencia a agregarse en presencia de un campo magnético externo, por lo que es necesario combinarlas con un tensoactivo: dextrano o algún polímero, sin que eso altere los tiempos de relajación.

Los agentes de contraste superparamagnéticos representan un nuevo tipo de agentes. Generalmente afectan a los tiempos de relajación T2 y al T2*. El hecho de que estos compuestos presenten momentos magnéticos grandes, hace que los núcleos de protón se relajen más rápido que en presencia de agentes paramagnéticos [Coroiu I., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 201, 449-452 (1999)]. A diferencia de las partículas ferromagnéticas, una vez que se deja de aplicar el campo magnético, la magnetización disminuye a cero. Debido a su tamaño de partícula, del orden del nanómetro, tiene un comportamiento magnético intermedio entre los compuestos paramagnéticos y los ferromagnéticos. Ejemplos de patentes de este tipo de agentes de contraste superparamagnéticos son: patente US6207134 "Ultrafine lightly coated superparamagnetic particles for MRI" Naelig Vestad A. (27 marzo 2001) y patente US5314679 "Vascular magnetic resonance imaging agent comprising nanoparticles" Lee J. (24 mayo 1994).

Cabe destacar que en la patente W09003190 "Methods and compositions for magnetic resonance imaging" Ranney D. (5 abril 1990) se describe el uso de complejos poliatómicos superparamagnéticos que reducen el tiempo de relajación T1 respecto al T1 en ausencia de agente de contraste. Se trata de clústeres de Cr donde el acoplamiento intramolecular entre los Cr que integran el clúster es ferromagnético. Este tipo de complejos tiene la ventaja en que disminuye el T1 de forma más efectiva que el Gd-DTPA y no es tan tóxico como el Gd.

Descripción de la invención

Los sistemas magnéticos nanoestructurados están siendo objeto de un notable interés, tanto desde el punto de vista de la investigación básica como de la aplicada. Los complejos moleculares polimetálicos son un ejemplo de sistemas nanoestructurados. Estos complejos están siendo ampliamente estudiados debido a sus propiedades magnéticas ya que sirven de puente de unión para entender el paso de las propiedades de un simple paramagneto a las propiedades de un sólido.

El interés por este tipo de complejos es interdisciplinar: la química nos proporciona nuevas estrategias sintéticas para diseñar complejos moleculares polimetálicos de forma controlada; la física nos ayuda a entender las propiedades magnéticas a escala nanométrica; y la bioquímica puede hacer uso de éstos como modelos de biomineralización de partículas magnéticas.

El objeto de nuestra invención ha sido el de sintetizar un nuevo tipo de agente de contraste de comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente para ser usado como agente de contraste en RMI.

En esta patente se describe el uso de un complejo molecular polimetálico como agente de contraste que presenta comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente y disminuye el tiempo de relajación longitudinal (T1).

Los compuestos descritos más adelante en esta patente están formados por moléculas organo-metálicas con un núcleo magnético en su interior rodeado por una capa no magnética. El núcleo magnético, está formado por varios átomos metálicos unidos entre ellos por puentes de elementos electronegativos. Para completar la esfera de coordinación de los diferentes metales también pueden tener coordinadas moléculas de agua.

Un grupo muy reducido de este tipo de compuestos presenta un comportamiento superparamagnético debido a la presencia de una barrera de anisotropía magnética. Además estos complejos moleculares polimetálicos presentan estados fundamentales de espín muy elevados, como resultado del acoplamiento antiferromagnético entre los iones metálicos.

A temperatura ambiente, este tipo de compuestos se comporta de forma similar a un paramagneto, es decir la magnetización resultante fluctúa con el tiempo con una frecuencia característica que depende de la temperatura. En el caso de los compuestos superparamagnéticos el momento magnético resultante es más grande que para los compuestos paramagnéticos por lo que los compuestos superparamagnéticos disminuirán de forma más efectiva los tiempos de relajación de los núcleos de hidrógeno de las moléculas de aguas. Las ventajas de la utilización de estos complejos como agentes de contraste con respecto al Gd-DTPA que cabria esperar son:

1.: El Fe, en tan pequeñas concentraciones, no es tóxico para el organismo como lo es el Gd. El Gd ha de estar fuertemente coordinado por ligandos protegiendo al organismo de su libre circulación.

2.: Se trata de un compuesto molecular por lo que hay homogeneidad en el tamaño de las partículas y por ser superparamagnético no tendrá problemas de agregación entre las partículas, como pasa en el caso de utilizar partículas de óxido de hierro.

3.: Presenta un momento magnético resultante más alto que los compuestos de Gd por lo que cabe esperar que disminuya con mayor eficacia el T1.

4.: Otro aspecto importante es que el tamaño de la molécula es mayor que el de los complejos de gadolinio, esto implica que la difusión intertisular será más lenta y menor que la de las partículas de óxidos de hierro con lo que se podría acceder a zonas menos permeables. Este tamaño intermedio puede potenciar su efecto en algunos tejidos específicos, como por ejemplo los vasos sanguíneos.

Descripción de las figuras

Figura 1a. Estructura cristalina del centro metálico coordinado con la amina 1,4,7-triazaciclononan.

Figura 1b. Empaquetamiento de [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O en el polimorfo II

Medidas de los tiempos de relajación para el compuesto [(tacn)_{6}Fe_{8} (\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O

Figura 2. Representación de los tiempos T1 vs la concentración.

Figura 3. Representación de los tiempos T2 vs la concentración

Medidas de los tiempos de relajación para el compuesto Gd-DTPA

Figura 4. Representación de los tiempos T1 vs la concentración

Figura 5. Representación de los tiempos T2 vs la concentración

Ejemplo de realización de la invención Ejemplo 1 Síntesis y caracterización del compuesto [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O (1)

El compuesto [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O fue sintetizado y caracterizado por Wieghardt K., [Wieghardt K.: Angew. Chem. Ed. Engl. (1984), 23, 1, 77], donde tacn = 1,4,7-triazaciclononan. A partir de la sal (tacn)FeCl_{3} disuelta en agua y medio básico, se trata con NaBr y al cabo de 24 horas precipita el compuesto (1) en forma de cristales marrones.

En nuestro laboratorio se ha obtenido además el polimorfo II del compuesto presentado en la referencia anterior. El polimorfo (II) se ha caracterizado por análisis elemental, difracción de Rayos X de polvo y monocristal (resultados no publicados). La molécula que constituye el ``building block'' de ambos compuestos está representada en la figura 1a. La figura 1b presenta el empaquetamiento de dichas moléculas en el polimorfo II, así como los parámetros de la celda unidad.

Tabla 1

Parámetros de la celda unidad

[(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O sintetizado por Wieghardt K.

P1, Z = 1, a = 10.522(7) \ring{A}, b= 14.05(1) \ring{A}, c = 15.00(1) \ring{A},

\alpha = 89.90(6), \beta = 109.65(5), \gamma = 109.27(6)º, V = 1956 \ring{A}^{3} (T = -30ºC)

[(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O sintetizado en nuestro grupo.

P-1, Z = 1, a = 13.28(1), b = 13.56(1), c = 15.08(1) \ring{A},

\alpha = 114.77(1), \beta = 108.14(2), \gamma = 101.43(1)º, V = 2162.85 \ring{A}^{3} (T=25ºC)

La constante de formación del complejo metálico definida por la ecuación (1), tiene un valor de 10^{14.62},

(1)M+L=ML \qquad K_{ML} = \frac{[ML]}{[M][L]}

Medidas de relajatividad

Las medidas de los tiempos de relajación T1 y T2 del compuesto [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O han sido realizadas en un espectrómetro ARX400 (Bruker) bajo un campo magnético de 9.4 Teslas (400 MHz) y a 298 K.

Se han llevado a cabo las siguientes secuencias para conocer los valores de T1 y de T2, ``inversion-recovery'' (180ºx-\tau-90ºx-\tau-180ºx) y ``spin-echo'' (90ºx-\tau-180ºy-\tau-acquire) respectivamente.

Los valores experimentales de T1 se han ajustado a la siguiente ecuación,

(2)y = a^{.}1-2*exp(-x-x_{0}/T1))

Los valores experimentales de T2 se han ajustado a la siguiente ecuación,

(3)y = a^{.}exp[-x*(1/T2)]

El fenómeno de la ``radiation dumping'' se manifiesta en muestras con un alto contenido en agua, es decir muestras saturadas de núcleos de H y al trabajar a campos magnéticos altos [Mao Xi-An, Chemical Physics Letters 222, 417-421, 1994]. Para obtener una señal sinosuidal de la recuperación de la magnetización longitudinal respecto al tiempo se optimizó el método trabajando con menos cantidad de agua y desintonizando la muestra.

Para medir los tiempos de relajación, el compuesto (1) fue disuelto en tampón PBS, (PBS = 8 g NaCl, 0.2 g KCl, 1.44 g Na_{2}HPO_{4}, 0.24 g KH_{2}PO_{4}, 1 dm^{3} H_{2}O).

El rango de concentraciones estudiado ha sido entre 4.46 10^{-3} mM y 8.91 \cdot 10^{-1} mM de [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2} -OH)_{12}]Br_{8}\cdot 9H_{2}O en PBS.

En las figuras 2 y 3 se han representado los tiempos de relajación, T1 y T2 respectivamente vs la concentración.

A partir de las siguientes ecuaciones se han obtenido las relajatividades r_{1} y r_{2},

(T_{1}^{-1})_{p}-(T_{1}^{-1})_{o} = r_{1}\cdot [P]

(T_{2}^{-1})_{p}-(T_{2}^{-1})_{o} = r_{2}\cdot [P]

donde [P] es la concentración del agente de contraste en mM (mmolL^{-1}); (T_{1}^{-1})_{p} y (T_{2}^{-1})_{p} son los tiempos de relajación en presencia del agente de contraste y (T_{1}^{-1})_{o} y (T_{2}^{-1})_{o} son los tiempos de relajación en ausencia del agente de contraste.

Los resultados obtenidos han sido los siguientes:

r_{1} = 5.10 \pm 0.30 mM^{-1}s^{-1}

r_{2} = 16.62 \pm 0.75 mM^{-1}s^{-1}

Se han efectuado medidas de relajatividad a 310 K pero no se han observado diferencias significativas.

Como los tiempos de relajación, sobretodo el T1 depende mucho del campo magnético al cual se está trabajando, para poder comparar la efectividad de este compuesto como agente de contraste, también se han efectuado las medidas de T1 y T2 para Gd-DTPA a campo magnético alto. Se ha trabajado con Magnevist® y con Gd-DTPA de Aldrich.

Las representaciones de los valores de T1 y T2 en función de la concentración se pueden observar en las figuras 4 y 5.

Los resultados obtenidos están representados en la siguiente tabla:

Agente de contraste	r_{1} (mM^{-1}s^{-1})	r_{2} (mM^{-1}s^{-1})
Gd-DTPA (Aldrich)	2.79 \pm 0.18	9.45 \pm 1.25
Gd-DTPA (Magnevist)	3.71 \pm 0.22	15.05 \pm 0.64

Tal como se puede observar, en nuestro compuesto se han obtenido valores de r_{1} y r_{2} más altos que las relajatividades obtenidas para el Gd-DTPA, trabajando a campo magnético alto. En un principio, a partir de los resultados se puede pensar en que el compuesto [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2} (\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot9H_{2}O sea más efectivo disminuyendo el T1 que el Gd-DTPA.

Claims

1. Complejos moleculares polimetálicos con comportamiento superparamagnético a temperatura ambiente para su uso en Resonancia Magnética de Imagen.

2. Complejos según reivindicación 1 con alta multiplicidad de espín en el estado fundamental.

3. Complejos según reivindicación 1 donde las interacciones intramoleculares entre los distintos centros metálicos son antiferromagnéticas.

4. Complejos según reivindicación 1 donde la unión entre los metales del núcleo magnético sea por puentes de elementos electronegativos.

5. Complejos según reivindicación 1 donde el núcleo metálico está rodeado de una capa no magnética formada por ligandos orgánicos.

6. Complejos según reivindicación 1 donde Fe o Mn son los metales que integran el centro metálico.

7. El uso de complejos moleculares polimetálicos como agentes de contraste para Resonancia Magnética de Imagen.

8. El uso de [(tacn)_{6}Fe_{8}(\mu_{3}-O)_{2}(\mu_{2}-OH)_{12}]Br_{8}\cdot9H_{2}O como agente de contraste para RMI.