Hochhydratisierte paramagnetische amorphe Calciumcarbonat-Nanocluster als MRT-Kontrastmittel

Oct 21, 2023

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5088 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Amorphes Calciumcarbonat spielt als vorübergehende Vorstufe in den frühen Stadien der biogenen Calciumcarbonatbildung in der Natur eine Schlüsselrolle. Aufgrund seiner Instabilität in wässriger Lösung ist die Verwendung von amorphem Calciumcarbonat in der Biomedizin jedoch immer noch selten erfolgreich. Hier berichten wir über die gegenseitige Wirkung zwischen paramagnetischen Gadoliniumionen und amorphem Calciumcarbonat, die zu ultrafeinen paramagnetischen amorphen Carbonat-Nanoclustern in Gegenwart sowohl einer mit Gadolinium eingeschlossenen, stark hydratisierten carbonatähnlichen Umgebung als auch von Poly(acrylsäure) führt. Es wurde bestätigt, dass Gadolinium den Wassergehalt in amorphem Calciumcarbonat erhöht, und der hohe Wassergehalt von amorphen Carbonat-Nanoclustern trägt zu der deutlich verbesserten Kontrasteffizienz der Magnetresonanztomographie im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis bei. Darüber hinaus werden die verbesserte Leistung der T1-gewichteten Magnetresonanztomographie und die Biokompatibilität amorpher Carbonat-Nanocluster bei verschiedenen Tieren, darunter Ratten, Kaninchen und Beagle-Hunden, in Kombination mit vielversprechender Sicherheit in vivo weiter untersucht. Insgesamt weisen außergewöhnlich einfache, massenproduktive amorphe Carbonat-Nanocluster eine hervorragende Bildgebungsleistung und beeindruckende Stabilität auf, was eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung von Magnetresonanz-Kontrastmitteln darstellt.

Amorphes Calciumcarbonat (ACC), das in der Natur weit verbreitet ist, spielt eine Schlüsselrolle als vorübergehender Vorläufer in den frühen Stadien der Biomineralbildung1,2,3,4. Mit einer bioinspirierten Strategie können vielfältige Materialien mit kontrollierten Phasen-, physikalischen und chemischen Eigenschaften erreicht werden5,6. Der stark hydratisierte Gehalt ist ein charakteristisches Merkmal von ACC und spielt eine entscheidende Rolle bei seiner Stabilisierung6,7,8,9,10,11,12. Als metastabile Phase von Calciumcarbonat ist ACC in wässriger Lösung instabil und wandelt sich aufgrund von Dehydrierung, Ionenbindung und anderen Faktoren schnell in kristalline Phasen um6,7,8,13. Daher wird die potenzielle Anwendung von hochhydratisiertem ACC weitgehend ignoriert, und es gibt nur wenige erfolgreiche Beispiele für den Einsatz von ACC in der Biomedizin.

Ein wichtiger Parameter zur Verbesserung der Kontrastleistung von T1-MRT-Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis ist ihre Hydratation14. Mit sieben nicht gepaarten Elektronen besitzt das Gadoliniumion ein großes magnetisches Moment und eine lange Elektronenspin-Relaxationszeit, was zu zahlreichen klinisch verfügbaren extrazellulären Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis für die T1-MRT führt14,15. Aufgrund der vielseitigen Funktionalisierung zur Wechselwirkung mit Biomolekülen in vivo und der geringeren Gadoliniumionen-Leckageraten aufgrund einer anorganischen Nanostruktur erregten anorganische Nanoagenzien auf Gd-Basis große Aufmerksamkeit15,16. Leider leidet die Hydratation von Nanopartikeln auf Gadoliniumbasis unter der Hochtemperatursynthese, obwohl der daraus resultierende Ionenaustritt durch die begrenzte Nanostruktur im Vergleich zu Chelatkomplexen minimiert wird15.

Hierin führen wir Gadoliniumionen in den ACC-Mineralisierungsprozess ein, die nachweislich in die endgültige amorphe Calciumcarbonatphase integriert werden. In diesem amorphen System ermöglichen Gadoliniumionen in Verbindung mit Poly(acrylsäure) eine verbesserte Hydratation von Wasser und die Stabilität von Nanoclustern, während der Einschluss von Gadoliniumionen durch Carbonat die Biokompatibilität und Leistung verbessert, was darauf hindeutet, dass das resultierende Produkt bemerkenswerte MRT-Kontrastmitteleigenschaften aufweist. Darüber hinaus wurde ein wechselseitiger Effekt zwischen dem paramagnetischen Lanthanid-Gadoliniumion und dem amorphen Calciumcarbonat entdeckt, der zu einem maximierten Hydratgehalt in den so hergestellten amorphen Komposit-Nanoclustern und einer hohen Längsrelaxation beiträgt. Die fertigen paramagnetischen amorphen Carbonat-Nanocluster (ACNC) besitzen im Vergleich zu den normalen ACCs ein hohes Wasser-Ca-Verhältnis (Wasser/Ca = 7,2) (Verhältnisse blieben konstant bei etwa 0,4–1,9). Die longitudinale Relaxivität von ACNC (37,93 ± 0,63 mM−1 · s−1 unter 3,0 T) profitiert auch vom hohen Wassergehalt, der zehnmal höher ist als der des kommerziell erhältlichen MR-Kontrastmittels Gadopentetinsäure (Gd-DTPA). und äußerst beständig gegen Ionenleckagen, so dass es als potenzielles MR-Kontrastmittel dienen kann.

Bisher ist Magnesium neben verschiedenen organischen Additiven wie Biomolekülen und Polymeren das einzige anorganische Kation, von dem berichtet wurde, dass es ACC6,17 stabilisieren kann. Das Gadoliniumion, dessen Ionenradius näher an dem des Calciumions als an dem des Magnesiums liegt, kann als kleineres Calciumionenanalogon mit höherer Wertigkeit und Hydratationsenergie angesehen werden18,19. Ähnlich wie die Chelatbildung zwischen Poly(acrylsäure) (PAA) und Calcium für die verbesserte Stabilität von ACC7,20 haben Carboxylatgruppen in PAA das Potenzial, Gadoliniumionen zu chelatisieren, wodurch der gebundene Komplex später zu Carbonat verfestigt werden kann21.

Wie in Abb. 1a gezeigt, wurden Calciumchlorid und Gadoliniumchlorid mit PAA gemischt und dann unter starkem Rühren eine äquimolare Natriumcarbonatlösung zugegeben. Diese effiziente Synthese bei Raumtemperatur ergab ACNC in Gegenwart von Gadolinium und PAA. Zwei Liter wässriges Produkt können problemlos hergestellt werden, was die Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit der hier beschriebenen Methode belegt (Abb. 1b). Das Vorhandensein von in normaler Kochsalzlösung dispergierten Clustern spiegelte sich im Tyndall-Effekt wider (Abb. 1c). Wie in Abb. 1d gezeigt, wurde die sphärische Morphologie durch Kryotransmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) weiter untersucht und erwies sich als vergleichbar mit ACC, wie bereits berichtet22. Die durch STEM beobachteten Nanocluster (ergänzende Abbildung 1) stimmten mit Beobachtungen des ringförmigen Dunkelfeldscanning-TEM (HAADF-STEM) mit großem Winkel überein, und der amorphe Charakter der Cluster wurde durch SAED-Analyse validiert (Abb. 1e). EDS-Daten zeigten die gleichmäßige Verteilung von Gadolinium und Calcium in den Clusteraggregaten (ergänzende Abbildung 2a, b).

ein Schema des Syntheseprozesses von ACNC. b Digitales Bild des großmaßstäblich präparierten ACNC mit einem Gesamtvolumen von über 2 Litern. c Digitales Bild des Tyndall-Effekts von vier Litern ACNC, dispergiert in normaler Kochsalzlösung, und einer Flasche entionisiertem Wasser (zweite von rechts). d Kryo-TEM- und e HAADF-STEM-Bild von ACNC, dispergiert in normaler Kochsalzlösung. Gezeigt wird ein repräsentatives Bild von drei Einzelexperimenten. Der Einschub in (e) zeigt SAED von ACNC. Die Experimente wurden dreimal unabhängig voneinander wiederholt. f k2-gewichtetes EXAFS und g k2-gewichtete Fourier-Transformation des EXAFS für den ACNC- und ACC-Standard. Gepunktete schwarze Linien passen am besten. h SAXS-Muster von ACNC, dispergiert in normaler Kochsalzlösung. Rote durchgezogene Linie passt zu Kugelpartikeln. i Von SAXS empfangene Abstandsverteilung von ACNC, dispergiert in normaler Kochsalzlösung. j TGA von ACNC-Pulver unter einer N2-Atmosphäre mit einer Heizrate von 10 °C min−1. k TG-FTIR-Spektren von ACNC-Pulver unter einer N2-Atmosphäre mit einer Heizrate von 10 °C min−1.

ACNC zeigte im Röntgenpulverbeugungsmuster (XRD) keinen kristallinen Peak, selbst nachdem es 6 Monate lang in wässriger Lösung dispergiert wurde (ergänzende Abbildung 3). Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) von ACNC zeigte die charakteristischen Peaks, die jeweils Sauerstoff (O 1s), Kohlenstoff (C 1s), Gadolinium (Gd 4d) und Kalzium (Ca 2p) entsprechen. In Übereinstimmung mit der vorherigen Beobachtung von ACC7 wurden die Peaks mit Bindungsenergien von 350,8 und 347,3 eV dem Ca 2p1/2- bzw. Ca 2p3/2-Zustand zugeordnet. Im Kernspektrum von Gd 4d wurden zwei Peaks bei 142,6 eV und 150,6 eV beobachtet, die dem Zustand Gd 4d5/2 bzw. Gd 4d3/2 entsprachen (ergänzende Abbildung 4). Der ACNC wurde durch Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und erweiterte Röntgenabsorptionsfeinstrukturanalyse (EXAFS) weiter untersucht, und es wurde festgestellt, dass die Ca-O-Nahbereichsumgebung innerhalb des ACNC eng mit denen im ACC-Standard zusammenhängt zuvor berichtete ACCs 10, 11, 23 (Abb. 1f, g, Ergänzungstabellen 1, 2). Die aus der SAXS-Anpassungsanalyse erhaltene Größenverteilung von ACNC zeigte einen durchschnittlichen Radius von 1,3 nm (Abb. 1h, i).

Die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse (TGA) und des Differentialscanningkalorimeters (DSC) für ACNC zeigten einen Verlust von über 20 Gew.-% beim Erhitzen auf 300 °C aufgrund der Dehydratisierung des ACC, was auf einen hohen Wassergehalt von ACNC hinweist. Darüber hinaus fand die Pyrolyse von PAA zwischen 300 und 500 ° C statt und Carbonat wurde oberhalb von 550 ° C zersetzt (Abb. 1j und ergänzende Abb. 5). Basierend auf dem TGA-Ergebnis umfasste die Zusammensetzung von ACNC etwa 20 % Wassergehalt, 40 % PAA und 40 % amorphes Carbonat. Die im TGA-gekoppelten FTIR (TG-FTIR) auf ACNC bei 2358 und 2322 cm−1 über 550 °C beobachtete Absorption entsprach der asymmetrischen Streckschwingung von CO2 aus der Zersetzung von Carbonat (Abb. 1k). Wie in der ergänzenden Abbildung 6 gezeigt, kann die Spaltbande bei 1415 und 1454 cm−1 in der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) der asymmetrischen Streckschwingung der Carbonationen in typischen ACC-Umgebungen zugeordnet werden20. Ein breiter Peak mit der Mitte bei 1086 cm-1, der der internen CO32-symmetrischen Streckung zugeschrieben wird, wurde durch Raman-Spektroskopie weiter bestätigt (ergänzende Abbildung 7).

Um den Beitrag jeder Komponente zum stark hydratisierten Gehalt und zur ACC-ähnlichen Umgebung zu untersuchen, wurde eine Reihe von Kontrollproben mit unterschiedlicher Zusammensetzung synthetisiert, wie in der Ergänzungstabelle 3 aufgeführt, einschließlich eines Gd-verschlossenen ACC-Komposits (ACC-Gd). PAA-stabilisiertes ACC (ACC-PAA), amorphes Gadoliniumcarbonat (AGC), PAA-stabilisiertes AGC (AGC-PAA) und zwei carbonatfreie Chelate (PAA-Ca und PAA-Ca/Gd). XRD-Muster und Raman-Spektren wurden durchgeführt, um die amorphe Phase zu identifizieren (ergänzende Abbildung 8a, b)12. Die Ergebnisse der erweiterten Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) bestätigten weiterhin das Vorhandensein von ACC-ähnlichen Umgebungen (Abb. 2a, b).

a k2-gewichtetes EXAFS und b k2-gewichtete Fourier-Transformation des EXAFS für ACNC, ACC-Standard, ACC-PAA, ACC-Gd, PAA-Ca und PAA-Ca/Gd. Gepunktete schwarze Linien passen am besten. c Thermogravimetrische Kurve von lyophilisiertem ACC- und ACC-Gd-Pulver, isoliert mit entionisiertem Wasser und dann über 6 Monate lang trockener Luft ausgesetzt. Der Gewichtsverlust vor 300 °C könnte auf den Wasserverlust zurückzuführen sein. d Der Wassergehalt von ACC, ACC-PAA, ACC-Gd, AGC, AGC-PAA und ACNC gemäß thermogravimetrischer (TG) Analyse und volumetrischen Karl-Fischer-Titrationsmessungen (n = 3 unabhängige Proben). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. e Molverhältnis von Wassermolekülen pro Mol CaCO3 in ACC, ACC-PAA, ACC-Gd und ACNC im Vergleich zu den angegebenen Wertebereichen von additivfreiem ACC (rosa Bereich) und PAA-stabilisiertem ACC (orange Bereich) (n = 3 unabhängige Proben). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. f Molverhältnis von Wassermolekülen pro Mol Gd in AGC, AGC-PAA, ACC-Gd und ACNC (n = 3 unabhängige Proben). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD.

In Abwesenheit von PAA zeigte ACC-Gd eine typische Morphologie für aggregierte ACC-Nanopartikel mit einer gleichmäßigen Verteilung von Gd und Ca (ergänzende Abbildung 9). Das Ergebnis der 13C-Kernspinresonanz (NMR) von ACC-Gd zeigte eine charakteristische Schwingung bei 168 ppm, was auf die ACC-Vorläuferphase in ACC-Gd hinweist (ergänzende Abbildung 10). Das FT-IR-Spektrum zeigte eine Konsistenz im Vergleich zur amorphen Calciumcarbonatphase, und die zu einem niedrigeren Wert verschobene v2-Schwingung zeigte die Bildung der amorphen Gadoliniumcarbonatphase (AGC) an (ergänzende Abbildung 11)24. Der Sauerstoffpeak (O 1s) des XPS-Ergebnisses von ACG war der Kurve von ACC ziemlich ähnlich (ergänzende Abbildung 12)7. Das XPS-Spektrum von AGC-PAA zeigte ein ähnliches Profil wie ACNC (ergänzende Abbildung 13).

Die Umwandlungen von ACC-Gd wurden in verschiedenen Medien (Ethanol, Wasser) untersucht, um weiter zu untersuchen, wie Gd die Stabilität von ACC beeinflusst. Die XRD-Ergebnisse der Proben wurden zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt (ergänzende Abbildung 14). Nach 6 Monaten waren Calcit, Aragonit und Vaterit alle in ACNC enthalten, dispergiert in Ethanol. Im krassen Gegensatz dazu war ACC-Gd in Ethanol über 6 Monate stabil. Das frisch zubereitete, additivfreie ACC kristallisierte nach der Dispersion in Wasser schnell, wohingegen ACC-Gd mehrere zehn Minuten lang die amorphe Phase beibehalten konnte. Insgesamt sollte G-t eine sinnvolle Rolle bei der Verzögerung der Kristallisation von ACC spielen. Noch attraktiver war, dass ACC-Gd im Vergleich zu reinem ACC über lange Zeit immer noch einen höheren Wassergehalt aufwies. Dem TGA-Ergebnis zufolge betrug der Gewichtsverlust von ACC-Gd und ACC-Pulver, das der Luft über einen Zeitraum von 6 Monaten ausgesetzt war, vor 300 °C mehr als 10 % bzw. nur 0,1 % (Abb. 2c). Beachten Sie, dass ACC unter diesen Bedingungen sein Hydratationswasser vollständig verloren hat.

Sowohl in den Ergebnissen der TGA- als auch der volumetrischen Karl-Fischer-Titrationsmessung konnte der Gewichtsverlust vor 300 °C dem Wasserverlust zugeordnet werden, und ACNC wies den höchsten Wassergehalt von rechnerisch 20 Gew.-% unter den Produkten mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf (Abb. 2d). . Früheren Berichten zufolge lagen die Wassergehalte pro Mol Calcium in zusatzfreiem ACC und PAA-stabilisiertem ACC typischerweise im Bereich von 0,4–1,58 bzw. 1,33–1,9320,25. Im Gegensatz dazu zeigten sowohl ACC-Gd als auch ACC-PAA ein höheres Wasser-zu-Ca-Verhältnis, und das höchste Verhältnis wurde in ACNC (Wasser/Ca = 7,2) erhalten (Abb. 2e), was auf eine synergetische Verbesserung der Wasserbindung durch PAA hinweist Gd in diesen amorphen Nanopartikeln. Noch wichtiger ist, dass zum Vergleich des Verhältnisses von Wasser zu Gd, wie in Abb. 2f aufgeführt, der hydratisierte Gehalt pro Mol Gadolinium in Gegenwart sowohl einer ACC-ähnlichen Umgebung als auch von PAA in ACNC mehr als viermal so hoch ist wie der von PAA-eingeschlossenem Gadoliniumcarbonat ( PAA-AGC). Im Vergleich zu AGC führte die Anwesenheit von ACC im Gd-ACC-Komposit auch zu einer zweifachen Erhöhung des hydratisierten Gehalts pro Gadoliniumion.

Um den Ursprung der Hydratation zu untersuchen, wurde eine analytische Ultrazentrifugation (AUC) angewendet, um das Hydratationswasser von ACNC über das Reibungsverhältnis und die Perrin-Funktion zu bestimmen, wobei eine Kugelform angenommen wurde, die in den Elektronenmikroskopbildern zu sehen ist (Ergänzungstabelle 4). Die Proben weisen Sedimentationskoeffizienten in der Größenordnung von 10−13 s auf, was typisch für Pränukleationscluster (PNCs) mit ähnlicher Größe ist26. Die ACNCs haben einen Durchmesser von 1,5 nm, was noch kleiner ist als der von SAXS gefundene, aber immer noch in einigermaßen guter Übereinstimmung. Ihre Molmasse von 2230 g/mol weist darauf hin, dass sie aus ~20 CaCO3-Ionenpaaren einschließlich der Gd3+-Ionen bestehen. Die ermittelte Menge an gebundenem Hydratationswasser in einer Lösung von 8,8 mol H2O pro CaCO3 (und 23,0 mol H2O pro Gd3+) ist erheblich höher als in herkömmlichen ACCs (Abb. 2e, f und Ergänzungstabelle 5). Bemerkenswert ist, dass der durch AUC bestimmte Wassergehalt von ACNC einigermaßen mit den Ergebnissen von TGA übereinstimmt, wenn man bedenkt, dass die Hydratation im nassen bzw. trockenen Zustand bestimmt wurde6.

Neben dem Beitrag des Dotierungsmittels des Gadoliniumions zum hochhydratisierten ACC-Gehalt wurde in den amorphen Carbonat-Nanoclustern ein typisches paramagnetisches Verhalten erreicht, wie in der M-H-Kurve dargestellt (Abb. 3a). Sowohl die hohe Hydratation als auch der Einschluss der Gadoliniumionen und der paramagnetische ACNC trugen zur Steigerung der MRT-Kontrastleistung bei. Die T1-Relaxationszeiten von ACNC, dispergiert in normaler Kochsalzlösung in unterschiedlichen Konzentrationen, wurden mit einem 3,0-Tesla-MR-Scanner gemessen. Wie in der T1-Karte (Abb. 3b) gezeigt, erreichte die longitudinale Relaxivität (r1) von ACNC 37,21 mM−1 · s−1 (Abb. 3c), was zehnmal höher war als die von kommerziell genutztem Gd-DTPA (3,19). mM−1 · s−1). Neben dem Beitrag der Makromoleküle und Nanopartikel besaß ACNC im Vergleich zu PAA-modifiziertem amorphem Gadoliniumcarbonat (AGC-PAA) eine viermal höhere Längsrelaxivität (7,91 mM−1·s−1), was auf den hohen Hydratationsgehalt von ACC zurückzuführen war -ähnliche Umgebungen. Dieser hohe Wassergehalt kann in erster Linie auf die stärkere Hydratationsfähigkeit von dreiwertigem Gd3+ im Vergleich zu zweiwertigen Ca2+-Ionen19 zurückgeführt werden, was die Relaxationen der inneren und äußeren Sphäre der ACC-ähnlichen Umgebung, die ACNC14 verschloss, einigermaßen verstärkte.

eine M-H-Kurve von ACNC bei Raumtemperatur. b, c T1-Karte und 1/T1-gegen-Gd-Konzentrationskurve von ACNC (R2 = 0,9999), AGC-PAA (R2 = 0,9987) und Gd-DTPA (R2 = 0,9966) unter 3,0 T. d Molverhältnis von Wassermolekülen pro Mol der Gd- und r1-Relaxivität in ACNC, ACNC(2n-PAA), ACNC(n/2-PAA) und ACNC(n/10-PAA) (n = 3 unabhängige Proben). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. e 1/T1 versus Gd-Konzentrationskurve von ACNC (R2 = 0,9999), ACNC(2n-PAA) (R2 = 0,9999), ACNC(n/2-PAA) (R2 = 0,9999) und ACNC(n/10-PAA) (R2 = 0,9845) unter 3,0 T. f 1/T1 versus Gd-Konzentrationskurve von ACNC(Gd/Ca=1:10) (R2 = 0,9993) und ACNC(Gd/Ca=1:2) (R2 = 0,9996) unter 3,0 T. g 1/T1 versus Gd-Konzentrationskurve von ACNC unter 3,0 T (n = 3 unabhängige Proben). h 1/T1 versus Gd-Konzentrationskurve von ACNC unter 3,0 T (R2 = 0,9993) und 0,5 T (R2 = 0,9999). i 1/T2 versus Gd-Konzentrationskurve von ACNC unter 3,0 T (R2 = 0,9991) und 0,5 T (R2 = 0,9999). j Entwicklung der relativen R1-Werte vom Nullzeitpunkt bis zu jedem Zeitpunkt (R1(t)/R1(0)) für ACNC, Gd-DTPA und PAA-Ca/Gd (n = 3 unabhängige Experimente). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD.

Hier bewerten wir weiter die Wirkung des PAA-Gehalts auf den Wassergehalt und die Entspannungsfähigkeit. Wir haben die Eingabe von PAA für das ACNC-Produkt als „n“ bezeichnet. Unter Verwendung derselben Synthesemethoden wurden mehrere Produkte mit PAA-Eingaben von „2n“, „n/2“, „n/10“ (beschriftet mit ACNC(2n-PAA), ACNC(n/2-PAA), ACNC(n/10) hergestellt -PAA)) wurden unter den gleichen Versuchsbedingungen erhalten. Wir fanden einen signifikanten Anstieg des Wassergehalts des gesamten Produktsystems mit der Zugabe von PAA (ergänzende Abbildung 15). Es wurde jedoch auch ein „Achterbahneffekt“ festgestellt, da das Molverhältnis von Wassermolekülen pro Mol Gd seinen Höhepunkt bei einer Eingabegröße von „n“ erreichte, bei einer größeren Eingabegröße wie „2n“ jedoch abnahm (Abb. 3d). Darüber hinaus haben wir die Relaxivitäten dieser Proben gemessen. Interessanterweise stimmte seine Leistung stark mit der des Wassergehalts pro Gd ​​überein, da die Relaxivität von ACNC unter der Bedingung „n“ am höchsten war, sich jedoch verringerte, wenn die Menge an PAA „2n“ und „n/2“ betrug. . Insbesondere nahm die Relaxivität signifikant ab, wenn die PAA-Menge nur „10/n“ betrug (Abb. 3d, e). Angesichts der Ergebnisse war klar, dass das Molverhältnis von Wassermolekülen pro Mol Gd einen starken Einfluss auf die Leistung der Produkte hatte. Diese Vergleiche legten nahe, dass sich die Relaxivität zusammen mit dem Wassergehalt pro Gd ​​änderte, da sie einen ähnlichen Änderungspfad verfolgen.

Zu Vergleichszwecken haben wir außerdem zwei weitere amorphe Carbonat-Nanocluster mit unterschiedlichen Anteilen an zugesetztem Gd entworfen und hergestellt. Bei der Synthese von ACNC entspricht mol[GdCl3]:mol[CaCl2] 1:5. Wir haben auch zwei Proben mit einem anfänglichen Gd/Ca-Zufuhrverhältnis von 1:10 und 1:2 vorbereitet (bezeichnet als ACNC(Gd/Ca=1:10) bzw. ACNC(Gd/Ca=1:2). ACNC(Gd/Ca=1:10) und ACNC(Gd/Ca=1:2) waren beide amorphe Phasen, und in XRD-Mustern der beiden Produkte, die über 3 Monate in wässrigen Lösungen dispergiert waren, konnten keine Kristallisationspeaks gefunden werden (ergänzende Abbildung). . 16). ACNC (Gd/Ca=1:10) behielt eine gute MR-Leistung mit einer hohen Relaxivität von 34,25 mM−1·s−1 bei, wenn der Anteil des dotierten Gd niedrig war. Wenn jedoch der Grad des Einbaus von Gd erhöht wurde, sanken die Werte der Längsrelaxivität (r1) von ACNC (Gd/Ca=1:2) deutlich auf 17,21 mM−1·s−1 (Abb. 3f). Eine Erklärung könnte sein, dass die übermäßige Menge an Gd möglicherweise die stark hydratisierte ACC-ähnliche Umgebung stört, was wiederum die Bildung von ACC mit hohem Wassergehalt beeinträchtigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Dotierungsmenge an Gd die Relaxivität von paramagnetischem ACNC erheblich beeinflusste. ACNC erwies sich hinsichtlich der Kontrastleistung als das beste Produkt.

Nach drei Tests wurde der r1-Wert von ACNC zu ~37,93 ± 0,63 mM−1 · s−1 berechnet (Abb. 3g). Darüber hinaus wurden die r1- und r2-Werte von ACNC unter verschiedenen Magnetfeldern (3,0 T und 0,5 T) gemessen und das entsprechende r2/r1-Verhältnis berechnet (Abb. 3h, i). Der r1-Wert von ACNC, gemessen bei 3,0 T, betrug bis zu 38,19 mM−1 · s−1, und der entsprechende r2-Wert und das r2/r1-Verhältnis betrugen 72,49 mM−1 · s−1 bzw. 1,90. Unter Verwendung eines Niederfeld-MR-Scannersystems (0,5 T) betrugen die entsprechenden r1- und r2-Werte von ACNC 66,37 mM−1 · s−1 bzw. 78,04 mM−1 · s−1 und das r2/r1-Verhältnis betrug 1,18. Basierend auf den Ergebnissen von AUC-Messungen betrug die Molmasse von ACNC mit einem Durchmesser von 1,5 nm 2230 g/mol. Die Relaxivitätsdichte von ACNC kann schließlich mithilfe des Volumens und des Molekulargewichts berechnet werden (21,46 mM−1 · s−1/nm3 bzw. 17,01 mM−1 · s−1/kDa).

Eine hohe Stabilität ist für Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis von entscheidender Bedeutung, da die Transmetallierung zur Freisetzung dissoziierter Gadoliniumionen mit berichteter Toxizität wie nephrogener systemischer Fibrose führt14,27. Laurent und Muller berichteten über die geringe kinetische Inertheit gegenüber Transmetallierung für lineare Gadolinium-basierte Kontrastmittel wie kommerziell verwendetes Gd-DTPA28. Wie in Abb. 3j gezeigt, zeigte das PAA-Ca/Gd-Chelat nach 48-stündiger Einwirkung von Zn2+ in PBS eine noch schlechtere Inertheit als Gd-DTPA. Im Gegenteil, ACNC verbesserte nachweislich die Stabilität gegen Transmetallierung aufgrund der Gadolinium-Eingrenzung in ACC-ähnlichen Umgebungen. Darüber hinaus befassten wir uns mit einem Ligandenkompetitionstest in einer homogenen wässrigen Lösung, die DTPA und ACNC enthielt. Es gab keine erkennbaren Hinweise darauf, dass die Relaxivität von ACNC signifikant verändert war, was bestätigte, dass ACNC nicht durch die Konkurrenz zwischen Gd(III)-Komplex und überschüssigem DTPA-freiem Liganden beeinträchtigt wurde (ergänzende Abbildung 17).

Die Absorptionsspektren von Arsenazo III werden im Allgemeinen verwendet, um das Austreten von Gadoliniumionen aus Gd-basierten Nanokompositen und Gadoliniumchelaten zu erkennen29,30. Beim Mischen der wässrigen Arsenazo III-Lösung mit Gd3+ verfärbte sich die rosafarbene Lösung aufgrund der Bildung des Arsenazo-Gd3+-Komplexes blau (Abb. 4a). Wie in Abb. 4b gezeigt, waren freie Gadoliniumionen in einer niedrigen Konzentration von 1 µg/ml durch Arsenazo III-vermittelte Absorptionsspektren nachweisbar. Allerdings wurde in der normalen Salzlösungsdispersion von ACNC mit dieser kolorimetrischen Analyse kein Austreten freier Gadoliniumionen in der einwöchigen Dialyse festgestellt, was durch ICP-MS weiter bestätigt wurde (Abb. 4c). Im scharfen Gegensatz zu ACNC zeigte PAA-Ca/Gd-Chelat im Vergleich zu ACNC eine offensichtliche Leckage, was den Einschluss von Gadoliniumionen durch Carbonat weiter bestätigt.

a Fotos der Mischungen der wässrigen Arsenazo III-Lösung mit dialysierten Lösungen von ACNC, normaler Kochsalzlösung (NS, diente als Negativkontrolle) und wässriger Gadoliniumchloridlösung in unterschiedlichen Konzentrationen (1, 10 und 100 µg Gd/ml) (diente als). Positivkontrollen). b Absorptionsspektren von Arsenazo III-Dialysatmischungen und Dialysaten wurden zu unterschiedlichen Zeitpunkten in 7 Tagen gesammelt, um den Austritt von Gadolinium aus ACNC zu überwachen. Im Vergleich zu den negativen (NS) und positiven (wässrige Gadoliniumchloridlösung) Kontrollen wurde kein nachweisbarer Austritt von Gadoliniumionen beobachtet. c Quantitative Analyse und Vergleich des Austritts freier Gadoliniumionen aus ACNC und PAA-Ca/Gd in NS mittels ICP-AES. PAA-Ca/Gd-Chelat zeigte in NS eine geringe Inertheit und nach 7 Tagen traten etwa 9 % Gadolinium aus dem Chelat aus. Im Gegensatz dazu wurden in den Dialysaten von ACNC (n = 3 unabhängige Proben) nur wenige freie Gadoliniumionen nachgewiesen. Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. d, e Absorptionsspektren der Arsenazo III-Mischung mit dialysierten Lösungen, die zu verschiedenen Zeitpunkten aus d Humanserum mit dispergiertem ACNC und e Humanserum mit dispergiertem ACNC und ergänztem zusätzlichem Phosphat gesammelt wurden. f Blutverträglichkeitsbewertung von ACNC bei unterschiedlichen Gadoliniumkonzentrationen (n = 3 unabhängige Proben). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD.

Es ist bekannt, dass der pH-Wert eine Schlüsselrolle bei der Gewebe- und Zellhomöostase spielt. Darüber hinaus weisen verschiedene Zellkompartimente unterschiedliche Säure-Base-Bedingungen auf. Wir verwendeten PBS-Puffer mit einem pH-Wert von 6,0–6,8, um den schwach sauren Zustand verschiedener intrazellulärer Stellen nachzuahmen. Obwohl das Austreten von Ca-Ionen beobachtet werden kann, wurde das Austreten von Gd-Ionen nach 7 Tagen kaum festgestellt (ergänzende Abbildung 18). Wir gehen davon aus, dass Gd(III) in ACNC dazu neigt, mit Phosphat im PBS-Puffer GdPO4 zu bilden, da das thermodynamische Löslichkeitsprodukt (Ksp) von Phosphat niedriger ist als das von Carbonat31. Die Ausfällung freier Gd3+-Ionen wurde bei nahezu neutralen Bedingungen (pH = 6) unterdrückt32, was ein Austreten von Gd-Ionen verhinderte, was auf die gute biologische Sicherheit von ACNC unter schwach sauren Bedingungen hinweist. Unter einem saureren pH-Wert der Umgebung (pH 4,5–5,5), der durch Acetatpuffer simuliert wird, nimmt die Freisetzung von Gd-Ionen mit abnehmendem pH-Wert leicht zu (ergänzende Abbildung 18). Verglichen mit den Ergebnissen in einer PBS-Umgebung wurde der verbesserte Austritt von Gd-Ionen auf den Verlust des durch Phosphat gebotenen Schutzes zurückgeführt. Daher vermuteten wir, dass Gd(III) nur schwer aus ACNC austreten kann und in einer physiologischen Umgebung als Ionen vorliegt.

Darüber hinaus wurde ACNC in einer Konzentration von 1 mmol (Gd)/L in menschlichem Serum dispergiert. Um die erhöhten Phosphatkonzentrationen im Serum bei Patienten mit Nierenerkrankungen im Endstadium zu simulieren33, wurde die gleiche ACNC-Konzentration in menschlichem Serum dispergiert und mit einer zusätzlichen Phosphatkonzentration von 10 mmol/l über 15 Tage ergänzt, gefolgt von einer Dialyse zu unterschiedlichen Zeitpunkten . In Dialysaten wurde mittels ICP-MS und kolorimetrischer Analyse kein Austritt freier Gadoliniumionen festgestellt (Abb. 4d, e und ergänzende Abb. 19), was auf das geringe Dissoziationsrisiko für ACNC in der Retentionszeit in vivo hinweist.

Um festzustellen, ob ACNC eine Hämolyse verursachen, wurden ACNC in verschiedenen Konzentrationen mit menschlichem Blutserum bei 37 °C für einen Hämolysetest inkubiert. Gemäß der Norm kommt es bei ACNC auch bei einer hohen Konzentration von 0,5 mg (Gd)/ml zu keiner Hämozylolyse, was auf eine gute Blutverträglichkeit schließen lässt (Abb. 4f). Der MTT-Assay wurde zur Bewertung der Zytotoxizität verwendet, indem humane renale tubuläre Epithelzellen (HK-2) oder humane unsterbliche Keratinozytenlinien (HaCaT) mit ACNC für 24 und 48 Stunden gemeinsam kultiviert wurden. Selbst bei einer hohen Konzentration von 0,5 mg (Gd)/ml wurde nach ACNC-Exposition nur eine geringe Verringerung der Lebensfähigkeit der Zellen induziert (ergänzende Abbildung 20). Darüber hinaus wurden gute Zytokompatibilitäten sowohl von ACNC (Gd/Ca = 1:10) als auch von ACNC (Gd/Ca = 1:2) validiert (ergänzende Abbildung 21). Ermutigt durch die bisherigen Ergebnisse wurde eine Reihe subzellulärer Kompatibilitätsstudien mit humanen tubulären Nierenepithelzellen (HK-2) durchgeführt. Gesunde Mitochondrien von HK-2-Zellen wurden durch eine Studie mit mitochondrialen Membranpotentialen (MMP) nachgewiesen (ergänzende Abbildung 22). Der immunfluoreszierende TdT-vermittelte dUTP Nick-End Labeling (TUNEL)-Färbetest von HK-2 zeigte, dass ACNC keine akkumulierte Schädigung der Kern-DNA von Zellen aufwies (ergänzende Abbildung 23). Ein EdU-Assay (5-Ethinyl-2′-desoxyuridin) wurde durchgeführt und bestätigte, dass ACNC keine Auswirkungen auf die Zellproliferation hatte (ergänzende Abbildung 24).

In der Zwischenzeit wurden histologische Schnitte wichtiger Organe zwei Wochen nach der intravenösen Injektion in einer Dosis von 5 mg Gd/kg bei Mäusen entnommen, und in den H&E-gefärbten Bildern wurden keine Hinweise auf pathologische Veränderungen festgestellt (ergänzende Abbildung 25). Die H&E-Färbung von Kaninchennieren wurde ebenfalls durchgeführt und es wurde keine akute Nierentoxizität beobachtet (ergänzende Abbildung 26). Drei Tage und drei Wochen nach der intravenösen Injektion von ACNC bei Mäusen entsprachen alle hämatologischen und biochemischen Parameterwerte dem Standardbereich und unseren Kontrollgruppen (ergänzende Abbildung 27). Bei weiteren Tests am Großtier-Beagle-Hund bei einer hohen Dosierung (9 mg Gd/kg KG) gab es nach intravenöser Injektion keinen offensichtlichen Unterschied der hämatologischen und biochemischen Parameter zwischen Kontroll- und Versuchsgruppe (ergänzende Abbildung 28), was darauf hindeutet, dass physiologische Funktionen wurden durch ACNC nicht beeinträchtigt.

Die Verbesserung der T1-gewichteten MRT-Leistung von ACNC wurde durch MR-Angiographie bei Ratten, Kaninchen und Beagle-Hunden weiter bestätigt. Nach der intravenösen Bolusinjektion von ACNC in einer niedrigen Dosis (3 mg/kg Körpergewicht) können Halsschlagader, Halsschlagader, Aorta und kaudale Hohlvene deutlich identifiziert werden (Abb. 5a–c), und die Dosierung beträgt <1/5 von der typischerweise in der Klinik verwendete Wert. Die Ganzkörperangiographiebilder von Ratten, Kaninchen und dem Oberkörper eines Beagle-Hundes zeigten im Vergleich zu denen der Gd-DTPA-Kontrollgruppe einen besseren angiographischen Kontrast und mehr Details. Unterdessen zeigte die semiquantitative Analyse deutlich, dass die Signalintensitäten in ACNC-Gruppen im Vergleich zu denen in Gd-DTPA-Gruppen eine bemerkenswerte Steigerung aufweisen (ergänzende Abbildungen 29, 30). Wie in Abb. 5d gezeigt, spiegelte sich die Kontrastverstärkung von ACNC in vivo quantitativ auch im Mittelwert des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) bei Kaninchen bzw. Beagle-Hunden wider34.

a, b Kontrastmittelverstärkte MR-Angiographiebilder (MRA) des gesamten Körpers einer Ratte und b eines Kaninchens unmittelbar nach der Bolusinjektion von (i) Gd-DTPA und (ii) ACNC. c MRA-Bilder des Oberkörpers eines Beagle-Hundes unmittelbar (IM) und 20 s nach der Bolusinjektion von (i) Gd-DTPA bzw. (ii) ACNC. (C) und (S) repräsentieren die Koronalebene bzw. die Sagittalebene. d Quantitative Messung des SNR von ROIs in (i) der Arteria brachiocephalica, (ii) der linken Arteria subclavia, (iii) der linken Arteria carotis communis, (iv) dem rechten Ast der Arteria olfactorius des Beagle-Hundes und in (v) der absteigenden Aorta , (vi) Aortenbogen, (vii) aufsteigende Aorta des Kaninchens. Der Zeitpunkt für die quantitative Messung des SNR von ROIs lag im „IM“-Zeitraum (n = 3 unabhängige Experimente). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. P wurde mithilfe des zweiseitigen Student-t-Tests berechnet (**P < 0,01, ***P < 0,001).

In jüngster Zeit erregte die klinische Umsetzung nanoskaliger Biomaterialien große Aufmerksamkeit und versprach die Entwicklung neuartiger und spezifischer nanomedizinischer Werkzeuge für Diagnose und Therapie16,35,36,37,38. Der Großteil der verabreichten Nanomaterialien wurde von Leber und Milz gebunden, die somit zu den größten biologischen Barrieren für die Umsetzung von Nanomedikamenten werden39. Um das potenzielle Risiko in vivo zu vermeiden, ist die renale Clearance der wünschenswerte und bevorzugte Ausscheidungsweg für medizinische Wirkstoffe für minimalen Katabolismus und Körperexposition. Allerdings leiden nanoskalige MR-Kontrastmittel, insbesondere die von der FDA zugelassenen nanoskaligen Eisenoxid-Injektionen, im Vergleich zu kleinmolekularen Kontrastmitteln aufgrund ihrer großen Größenverteilung (>20 nm) unter einer schlechten renalen Ausscheidung40. Die Leber ist das primäre oder sekundäre Ziel der Übertragung von Nanopartikeln mit Zugang zum Kreislaufsystem, was zwangsläufig zu einer Ansammlung von Nanopartikeln in der Leber führt. In der Leber festgehaltene Nanopartikel könnten über die hepatobiliäre Clearance aus der Leber ausgeschieden werden41. Neben der herkömmlichen Elimination aus der Leber (ergänzende Abbildung 31) wurde in den MRA-Bildern nach intravenöser Injektion eine schnelle renale Clearance von ACNC aus Blutgefäßen beobachtet (ergänzende Abbildung 32). Darüber hinaus wurde die Blase des Beagle-Hundes im T1w-Bild innerhalb von 20 Minuten ebenfalls aufgehellt (ergänzende Abbildung 33). Darüber hinaus konnte es, wie die mit ICP-AES gemessene Blutkonzentrations-Zeit-Kurve bei Mäusen und Beagle-Hunden zeigt, innerhalb von 6 Stunden effektiv aus den Blutgefäßen entfernt werden, und nach 24 Stunden ist selten ein Restgehalt an Gadolinium vorhanden (Abb. 6a). , b und Ergänzungstabelle 6). Im gesammelten Rattenurin nach der intravenösen Injektion von ACNC wurde der Gehalt an Gadolinium durch ICP-AES nachgewiesen und zeigte eine renale Clearance-Effizienz von ~13 % ID nach 24 Stunden (ergänzende Abbildung 34), was mit der von Gold vergleichbar ist Nanocluster mit ähnlichen Durchmessern42. In TEM-Bildern von dialysiertem Urin konnten zahlreiche amorphe SAED-Clusteraggregate beobachtet werden (Abb. 6c), und die EDS-Kartierung ergab eine übereinstimmende Verteilung von Gadolinium-, Calcium-, Kohlenstoff- und Oxidelementen in diesen Aggregaten, entsprechend ACNC (Abb. 6d, e). . Die physikalisch-chemische und physiologische Stabilität in Synergie mit niedriger Injektionsdosis und teilweiser Clearance über die Niere führte zu In-vivo-Biokompatibilität und potenzieller Translationsfähigkeit dieser amorphen Carbonatcluster auf Gadoliniumbasis.

a, b Die zeitabhängige Verteilung von ACNC im Plasma von a-Mäusen und b-Beagle-Hunden innerhalb von 24 Stunden (n = 5 biologisch unabhängige Tiere). Die Daten zeigen Mittelwerte ± SD. c TEM-, d EDS-Ergebnisse und e HAADF-STEM-Bild und EDS-Kartierung von ACNC, beobachtet in Rattenurin, der 12 Stunden nach der Injektion gesammelt wurde. Gezeigt wird ein repräsentatives Bild von drei Einzelexperimenten. Der Einschub von c ist das relative SAED-Muster. Die Experimente wurden dreimal unabhängig voneinander wiederholt.

Eine Reihe gadoliniumbasierter Kontrastmittel wurden weltweit für die T1-MR-Bildgebung entwickelt und zugelassen14. Aufgrund einer hohen Dichte freier Elektronen im Valenzband und einer vielseitigen Funktionalisierung zur Interaktion mit Biomolekülen in vivo wird erwartet, dass anorganische Nanomaterialien, die als Kontrastmittel in verschiedenen Bildgebungsmodalitäten dienen, die klinische Umsetzung der Nanomedizin ermöglichen15,43. Daher untersuchten die Wissenschaftler unermüdlich verschiedene Herstellungsmethoden und die Clearing-Pharmakokinetik, um die Translatierbarkeit von anorganischen Nanopartikeln auf Gd-Basis zu untersuchen16. Angesichts der Gefahr, die von der Freisetzung freier Gd-Ionen ausgeht, bestand ein besonderes Ziel darin, die Dosis der injizierten Nanopartikel durch die verbesserte Leistung zu reduzieren.

Der Hydratationsgrad spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Kontrastleistung eines MR-Kontrastmittels14. Leider ist der Hydratationsgehalt von Gd-basierten Nanokristallen durch herkömmliche Hochtemperatursyntheseprozesse begrenzt15. Erwähnenswert ist, dass der hohe Feuchtigkeitsgehalt, einschließlich Innenwasser und tief gelegenem Strukturwasser, das hervorstechendste Merkmal von ACC7,8,9,10,11 ist. Die potenzielle Anwendung von instabilem hydratisiertem ACC wird jedoch weitgehend ignoriert. Interessanterweise liegt der Ionenradius des Gadoliniumions sehr nahe an dem des Calciumions, was auf eine mögliche Wechselwirkung zwischen Gadoliniumionen und Calciumionen schließen lässt, die wir nutzen können.

Zusammenfassend bestätigt unsere Studie die gegenseitigen Effekte zwischen dem paramagnetischen Lanthanid-Gadoliniumion und dem amorphen Calciumcarbonat, was sich positiv auf die Maximierung des Wassergehalts in den erhaltenen amorphen Verbundnanoclustern auswirkt. Das Material wird in einem einfachen Eintopfverfahren bei Raumtemperatur synthetisiert, was eine großtechnische und kostengünstige Produktion ermöglicht. Wichtig ist, dass dieser hohe Wassergehalt zur transparenten MRT-Kontrastverstärkung von Nanoclustern auf Gadoliniumbasis beiträgt. In Kombination mit ihrer geringen Toxizität, der teilweisen renalen Clearance und dem einfachen Potenzial für die Massenproduktion ermöglicht unsere Arbeit eine weitere Identifizierung des biomedizinischen Potenzials von ACC-Kompositen und wir gehen davon aus, dass dies zu einer nächsten Generation effizienterer Diagnosemittel auf dieser Grundlage führen könnte amorphe Nanocluster in der Zukunft.

Wasserfreies Calciumchlorid, wasserfreies Natriumcarbonat und Ethylalkohol wurden von Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd (Shanghai) bezogen. Gadoliniumchlorid-Hexahydrat (GdCl3·6H2O, 99,95 %) wurde von Yutai QingDa Fine Chemical Co., Ltd. (Shandong, China) bezogen. Poly(acrylsäure) (PAA, Mw ≈ 1800) wurde von Aldrich bezogen. Alle Reagenzien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet. Das kommerziell verwendete Gd-DTPA wurde von der Guangdong Consun Pharmaceutical Group, China, hergestellt (Spezifikation: 20 ml).

In einem typischen Verfahren zur Synthese von additivfreiem amorphem Calciumcarbonat (ACC) wurden 10 ml wässrige Na2CO3-Lösung (0,1 mol·L−1, 10 ml) in wässrige Calciumchloridlösungen (0,1 mol·L−1, 10 ml) gegossen unter kräftigem magnetischem Rühren für 15 s. Die wässrige Suspension wurde nach Zugabe von 20 ml Ethanol sofort 2 Minuten lang bei 850 × g zentrifugiert, dann wurden die Niederschläge mit Ethanol gewaschen und zweimal 5 Minuten lang bei 5000 × g zentrifugiert.

In einem typischen Verfahren zur Synthese von ACNC wurden wasserfreies Calciumchlorid (CaCl2, 0,1 mol·L−1), Gadoliniumchlorid-Hexahydrat (GdCl3, 0,02 mol·L−1) und PAA (0,45 g) in 10 ml DIW mit Magnet gelöst rühren. Wasserfreies Natriumcarbonat (Na2CO3, 0,1 mol·L−1, 10 ml) wurde unter kräftigem magnetischem Rühren 1 Minute lang in die obige Lösung gegossen. Zur Beendigung der Reaktion wurden 20 ml Ethanol zugegeben. Die Mischung wurde sofort 2 Minuten lang bei 850 × g zentrifugiert, und die Niederschläge wurden durch DIW resuspendiert und zweimal 5 Minuten lang bei 5000 × g zentrifugiert. Für die Synthese im Litermaßstab wurde das Reaktionsvolumen auf das 50-fache vergrößert und unter kräftigem mechanischem Rühren durchgeführt.

Für die Synthese von durch PAA stabilisiertem ACC (ACC-PAA) wurden im Syntheseprozess 0,45 g PAA ohne Zusatz von Gadoliniumsalz verwendet und das Produkt mit Ethanol gewaschen. Zur Herstellung von ACC-Gd fehlte PAA im Syntheseprozess und wasserfreies CaCl2 (0,1 mol·L−1) und GdCl3 (0,02 mol·L−1) wurden in 10 ml DIW gemischt. Dann wurde das erhaltene ACC-Gd mit Ethanol gewaschen.

In einem typischen Verfahren zur Synthese von amorphem Gadoliniumcarbonat (AGC) und AGC-PAA wurde Na2CO3 (0,1 mol·L−1, 10 ml) in 10 ml wässrige GdCl3-Lösung (0,067 mol·L−1, mol[GdCl3]) gegossen: mol[Na2CO3] = 2:3) unter kräftigem magnetischem Rühren für 15 s, dann wurden 20 ml Ethanol in die wässrige Suspension gegossen. Nachdem die Niederschläge sofort 2 Minuten lang bei 850 × g zentrifugiert worden waren, wurden sie mit Ethanol gewaschen und zweimal 5 Minuten lang bei 5000 × g zentrifugiert. Darüber hinaus wurde AGC-PAA in Gegenwart von 0,45 g PAA in der wässrigen GdCl3-Lösung im gleichen Verfahren hergestellt.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurde an einem H7700 (Hitachi, Japan) mit einer Beschleunigungsspannung von 100 KV durchgeführt. Die Kryotransmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) wurde mit dem Tecnai F20 Transmission Cryo-Electron Microscopy durchgeführt. An einem hochauflösenden Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskop (FEI, Talos F200X) wurden ringförmige Hochwinkel-Dunkelfeld-Scanning-TEM (HAADF-STEM), energiedispersives Spektrometer (EDS) und EDS-Kartierung durchgeführt. Röntgenpulverbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem rotierenden Anoden-Röntgendiffraktometer (SmartLabTM 9 kW) durchgeführt. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde mit einem Photoelektronenspektrometer (ESCALAB, 250Xi, Thermo Fisher, USA) durchgeführt. Die 13C-Kernspinresonanz (NMR) wurde mit einem 400-MHz-WB-Festkörper-Kernresonanzspektrometer (Bruker AVANCE III 400 WB) durchgeführt. FT-IR-Spektren wurden mit einem Thermo Nicolet 8700 FT-IR-Spektrometer bei Raumtemperatur aufgenommen. Raman-Spektren wurden mit einem hochauflösenden (HR) Evolution Raman-Spektrometer von Horiba LabRAM aufgezeichnet. Die Lichtquelle des Mikroskops wurde auf einen Diodenlaser (780 nm) übertragen. Die Spektren wurden für 3 × 100 s gescannt44,45. Thermogravimetrische Analyse (TGA), Differentialscanningkalorimeter (DSC) und Thermogravimetrieanalyse gekoppelt mit Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (TG-FTIR) wurden bei einer Heizrate von 10 K min−1 unter Stickstoffstrom auf einem TGA-Thermoanalysator (NETZSCH STA) aufgezeichnet 449F3). Die magnetische Untersuchung wurde mit einem supraleitenden Quantenschnittstellen-Magnetometer (SQUID) (Quantum Design SQUID-VSM) durchgeführt. ICP-AES wurden auf einem Optima 7300 DV-Gerät durchgeführt. UV-Vis-Spektren wurden mit einem Shimadzu UV-2600-Spektrophotometer bei Raumtemperatur gemessen.

Die Analyse der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) wurde mit einem SAXSpoint 2.0 (Anton Paar) durchgeführt. Die von SAXS bestimmte Größenverteilungsfunktion wurde mit der GIFT-Software (Generalized Indirect Fourier Transformation) unter der Voraussetzung ausgewertet, dass homogene Kugeln nach Anzahl gewichtet sind. Die Berechnung erfolgt nach folgenden Formeln46:

Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)-Messungen an der Calcium-K-Kante (4,0381 keV) wurden am Elettra-Synchrotron Italien durchgeführt, das mit einer Energie von 2 GeV und einem Strom von 300 mA betrieben wurde. Die Proben wurden in einem Achatmörser gemahlen, mit Graphenpulver verdünnt und zu dünnen Pellets verdichtet. Für jede Probe, einschließlich ACNC-, ACC-Gd- und ACC-Standards, wurde eine optimale Probendicke von ~300 μm und eine optimale Calciumkonzentration nach optimaler Verdünnung mit Graphenpulver hergestellt. Drei vollständige Scans pro Probe der Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur (XANES) und der erweiterten Röntgenabsorptions-Feinstruktur (EXAFS) wurden im Transmissionsmodus mit einem FMB-OXFORD-Ionenkammerdetektor in Schritten von 5 eV im Vorfeld erfasst -Edge-Region (von 3738,43 bis 4028,53 eV) und 0,2 eV in der Edge-Region (von 4061,51 bis 4061,71 eV), allmählich ansteigend auf 2,6 eV in der Post-Edge-Region (4061,71 bis 4589,30 eV) bis zu k = 13. Ausrichtung, Die Energiekalibrierung und die Beseitigung von Störungen wurden mithilfe integrierter Funktionen des Athena-Softwarepakets47 durchgeführt. Die erste Koordinationsschale um Calcium (Ca-O) wurde angepasst, indem auf der Grundlage kristallographischer Daten von Calcit ein einzelner Streuweg von Ca-O generiert wurde. Die Analyse einzelner Streuwege wurde von 1,3 bis 2,53 Å im R-Raum anhand von Fourier-transformierten k2-weitghed-Daten von 3 bis 9,1 Å durchgeführt. Standardfehler im Zusammenhang mit der Anpassung der EXAFS-Daten über den hier verwendeten k-Bereich betragen 15 % für die Koordinationszahl der ersten Schale, 0,03 Å für den radialen Abstand und 15 % für die Debye-Waller-Faktoren.

Unabhängige Datenpunkte wurden durch die Stern-Regel bestimmt, die die grundlegende Begrenzung der Informationsmenge definiert, die von XAFS ermittelt werden kann. Gemäß der Stern-Regel sollte die Anzahl der für die Anpassung verwendeten Parameter (Npar) strikt kleiner sein als die Anzahl der unabhängigen (Nind) Parameter, die als 2∆k∆R/π + 2 definiert sind, wobei ∆k und ∆R die angepassten Werte sind Bereich im k- bzw. R-Raum48,49. Wenn Nind < Npar, kann das Modell nicht als Beweis für die Koordinationsumgebung herangezogen werden, da der Datensatz durch den Komplexitätsgrad des Modells unterbestimmt ist. In diesem Fall ist Nind = 7,5 für ACC-Standard, ACC-Gd und ACNC-Probe, Nind = 8,16 für ACC-PAA und Npar = 4 als solches, also Nind > Npar. Das Mehrkomponentenmodell, das die beste Anpassung an die experimentellen Daten liefert, wird als sinnvoll erachtet und kann daher als wahrscheinliche Darstellung zur Charakterisierung der Calcium-Koordinationsumgebung angesehen werden. Eine lineare Kombination wurde für die XANES- und EXAFS-nahe Region durchgeführt (von 30 Å−1 vor bis 80 Å−1 nach dem Kantensprung). Die Proben ACC-Gd, ACNC und PAA-Gd/Ca wurden mit den Standardproben ACC-PAA und PAA-Ca verglichen.

Die AUC-Messungen wurden an einem modifizierten Optima XL-A (Beckman Coulter, Palo Alto, CA, USA) unter Verwendung einer Absorptionsoptik und einer fortschrittlichen Rayleigh-Interferenzoptik durchgeführt, die von Nanolytics (https://www.nanolytics-instruments.de/) entwickelt wurde. Interferenz_Optik_aida). Für alle Experimente wurden Doppelsektor-Titanmittelstücke mit Saphirfenstern und einer Weglänge von 12 mm (Nanolytics, Potsdam, Deutschland) verwendet. Für die ACNC-Probenmessung wurde die ursprüngliche ACNC-Probe auf einer UNIVERSAL 320 Hettich-Zentrifuge (Hettich, Tuttlingen, Deutschland) 20 Minuten lang bei 9.000 U/min vorsedimentiert, was einer Zentrifugalkraft bei 6000 × g entspricht. Im Probenbereich wurden 360 µL vorbehandelte ACNC-Lösung und im Probenbereich 360 µL einer 1:175 verdünnten (mit 0,154 M NaCl) Vorreaktions-PAA-Ca/Gd-Lösung (wässrige Mischung aus PAA, Calciumchlorid und Gadoliniumchlorid) verwendet Referenzsektor. Für die PAA-Probenmessung als Referenz wurden 10 mg PAA (1800 Da) in 1 ml 0,154 M NaCl-Lösung gelöst. Alle Proben wurden bei 20 °C und 60.000 U/min untersucht, was einer Zentrifugalkraft von bis zu 290.000 × g entspricht.

Die Sedimentationsgeschwindigkeitsdaten wurden mit Sedfit und UltraScanIII ausgewertet. In Sedfit (Schuck, PP SEDFIT Version 16.1c. http://analyticalultracentrifugation.com/download.htm) wurden die Modelle ls-g*(s) und kontinuierliche c(s,ff0) verwendet. Zur Berechnung der Sedimentationskoeffizientenverteilungen g(s) mit dem Modell der kleinsten Quadrate g*(s)50 wurden die Daten mit einer Tikhonov-Phillips-Regularisierung unter Verwendung eines Konfidenzniveaus (F-Verhältnis) von 0,683 und einer Auflösung von 100 Gittern angepasst Punkte. Zur Bestimmung der sedimentierenden Partikeldichte51 mit der c(s,ff0)-Analyse52 wurden die Daten mit einer maximalen Entropie-Regularisierung unter Verwendung eines Konfidenzniveaus (F-Verhältnis) von 0,683 und einer Auflösung von 100 Gitterpunkten in s und einem 10–20-Raster angepasst Punkte in f/f0. Die 2D-c(s,ff0)-Verteilungen wurden mit der MATLAB-Softwareversion R2017b, 64 Bit, von MathWorks aufgezeichnet. Zur Berechnung der Probendichte aus 2D-Verteilungen wurde ein von Quy Khac Ong entwickeltes MATLAB-Maskenskript verwendet (Institute of Materials, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Station 12, 1015 Lausanne, Schweiz. E-Mail: quy.ong @epfl.ch). Zur Charakterisierung der Anisotropie UltraScanIII (Demeler, B. UltraScan Version 4.0, Version 2783. Ein umfassendes Datenanalyse-Softwarepaket für analytische Ultrazentrifugationsexperimente. Universität Lethbridge, Abteilung für Chemie und Biochemie. http://www.ultrascan3.aucsolutions. com/download.php) wurde zur Durchführung der zweidimensionalen Spektrumanalyse (2DSA)53 verwendet. Die 2DSA-Monte Carlo (MC)-Analysen wurden mit 50 Iterationen auf einem Supercomputer durchgeführt.

Die Funktion, die die Form, Flexibilität und den Grad der Solvatisierung (durch Wasser, Salzionen und andere Lösungsmittelmoleküle) des Makromoleküls definiert, ist die perrinsche Translationsreibungsfunktion P (siehe folgende Gleichung). Dieser Grad der Wasserassoziation wird als Hydratation des gelösten Stoffes, δ, bezeichnet und ist definiert als die Masse des assoziierten Lösungsmittels in Gramm pro Gramm wasserfreiem gelösten Stoff54.

Dabei ist f/f0 das Reibungsverhältnis (das dimensionslose Verhältnis des beobachteten translatorischen Reibungskoeffizienten f zu dem eines äquivalenten sphärischen Moleküls mit derselben wasserfreien Masse und Dichte f0) und \(\bar{v}\) der Partialfaktor spezifisches Volumen (cm3/g) des gelösten Stoffes und \({\bar{v}}_{s}\) ist das hydratisierte spezifische Volumen (das vom gelösten Stoff und dem zugehörigen Lösungsmittel pro Masseneinheit des wasserfreien gelösten Stoffes eingenommene Volumen) und \({\bar{v}}_{{{{{{\rm{H2O}}}}}}}\) = spezifisches Wasservolumen, gegeben als:

Wenn die gesamte übermäßige Reibung auf die Hydratation zurückzuführen ist und der gelöste Stoff eine Kugel ist, beträgt P 155 und die Hydratation kann wie folgt berechnet werden:

Die Mol Wassermoleküle pro Mol CaCO3 wurden somit anhand der Ergebnisse der Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES), der TG-Analyse und der volumetrischen Karl-Fischer-Titrationsmessung berechnet. Die Titrationsmessung wurde mit einem Karl-Fischer-Feuchtigkeitstitrator (V10S, volumetrischer KF-Titrator, Mettler Toledo) durchgeführt. Der hydratisierte Gehalt wurde dem Gewichtsverlust ausgehend vom endothermen Peak bis 300 °C zugeordnet, während der Gehalt an Ca2+- und Gd3+-Ionen durch ICP-AES bestimmt wurde. Das Molverhältnis zwischen Wasser und Ca2+-Ionen in ACC kann somit gemäß früheren Berichten berechnet werden20,56,57.

Der Nachweis des Austritts von Gadoliniumionen erfolgte mit einer zuvor beschriebenen Methode29,30. ACNC wurden in einer Reihe simulierender physiologischer Umgebungen dispergiert, darunter normale Kochsalzlösung, menschliches Serum und menschliches Serum, ergänzt durch eine zusätzliche Phosphatkonzentration von 10 mmol/l. ACNC wurde mit einer Endkonzentration von 1 mmol (Gd)/L dispergiert. Die Dialyse von ACNC wurde 7 Tage lang bei 37 °C unter Verwendung eines Dialysebeutels (MWCO 1000 Da) durchgeführt. Die Konzentration von Gadolinium in Dialysaten, die zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt wurden, wurde sowohl durch den Arsenazo III-vermittelten chromogenen Assay als auch durch ICP-AES gemessen. Im chromogenen Assay wurden die gesammelten Dialysate mit Arsenazo III (0,05 mM), gelöst in Chloressigsäure-Natriumhydroxid-Pufferlösung (pH 2,8), gemischt und die Absorption bei 658 nm nachgewiesen. Als Negativ- bzw. Positivkontrolle wurden normale Kochsalzlösung und GdCl3-Lösung verwendet.

ACNC-, Gd-DTPA- und PAA-Ca/Gd-Proben wurden frisch hergestellt. Bei t = 0 wurden jede Probe (2,5 mM Gd) und die wässrige ZnCl2-Lösung (250 mM, 20 μl) in 2 ml Phosphatpuffer gemischt. Dann wurde 1 ml gemischte Lösung zur Messung in eine Chromatographieflasche gegeben. Die Messungen wurden bei 37 °C unter einem 0,5 T NMI20-Analyst NMR-Analyse- und Bildgebungssystem durchgeführt. TR/TE = 100/5,6 ms. Längsrelaxationszeiten wurden zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen28. Die Relaxationsrate bei t = 0 (bezeichnet als R1(0)) wurde nach der Formel R1 = (1/T1) berechnet. Die Relaxationsraten zu anderen Zeitpunkten wurden alle jeweils berechnet und als entsprechende R1(t) aufgezeichnet, um die zweitägige Transmetallierung durch Überwachung des Verhältnisses von R1(t)/R1(0) zu bewerten.

1 ml wässrige ACNC-Lösung (5 mM Gd) wurde zu 1 ml DTPA-Lösung (5 mM) gegeben und die homogene Lösung wurde zur Messung verwendet. Im Vergleich zu kommerziellem Gd-DTPA war die Konzentration von Gd-DTPA-Lösungen mit 5 mM Gd identisch mit ACNC-Lösungen. Die Messungen und Berechnungen stimmten mit der Transmetallierungsstudie überein.

1 ml wässrige ACNC-Lösung (1 mg (Gd)/ml) wurde in Dialysebeutel gegeben (MWCO: 1000 KD). Die Beutel wurden dann in 50 ml PBS- oder Acetatpuffer mit unterschiedlichem pH-Wert gegeben und unter Schütteln bei 50 U/min bei 37 °C inkubiert. Wir sammelten zu jedem Zeitpunkt alle umgebenden PBS- oder Acetatlösungen zur Analyse und ersetzten sie dann durch frische 50 ml PBS- oder Acetatpuffer. Um mögliche Interferenzen zu verhindern, die durch die Ausfällung freier Metallionen mit den Phosphationen im PBS-Puffer entstehen, wurde der gesammelten umgebenden PBS- oder Acetatlösung 1 ml frisch zubereitete Chlorazotinsäure (HNO3/HCl = 3:1) zugesetzt Dies führt zu einer stark sauren Umgebung (pH < 3,0) der gemischten Lösung. Letztendlich wurden die Konzentrationen von Gd-Ionen in umgebenden Lösungen durch ICP-AES bestimmt.

Menschliche Nierentubulusepithelzellen (HK-2) und menschliche unsterbliche Keratinozyten (HaCaT)-Zelllinien wurden in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium kultiviert. Die Lebensfähigkeit der Zellen wurde mit der Standard-MTT-Methode ermittelt. Kurz gesagt, die Zellen wurden mit einer Dichte von etwa 1 × 104 Zellen pro Vertiefung in einer Platte mit 96 Vertiefungen ausplattiert und 12 Stunden lang inkubiert. Dann wurde DMEM-Kulturmedium mit ACNC hinzugefügt und die Zellen wurden 24 und 48 Stunden lang ACNC in verschiedenen Konzentrationen ausgesetzt. Anschließend wurden jeder Vertiefung 10 μl MTT-Lösung (5 mg/ml in PBS) für eine weitere 4-stündige Inkubation bei 37 °C zugesetzt. Nach dem Entfernen des Mediums wurden 150 μl DMSO hinzugefügt, um die gebildeten Formazankristalle in jeder Vertiefung aufzulösen, und die optische Dichte der Lösung wurde bei 570 nm mit einem Microplate Reader (BioTek Instruments, USA) gemessen. HK-2-Zellen wurden für den Mitochondrienmembranpotential-Assay (MMP), den TdT-vermittelten dUTP Nick-End Labeling-Assay (TUNEL) und den 5-Ethinyl-2′-desoxyuridin-Assay (EdU) verwendet. Mitochondriales Membranpotential-Assay-Kit mit J-Aggregaten (JC-1) (Beyotime, Shanghai, China), einstufiges TUNEL-Apoptose-Assay-Kit (Beyotime, Shanghai, China) und EdU-Zellproliferations-Kit mit Alexa Fluor 555 (Beyotime, Shanghai). , China) beschäftigt waren.

Das Blut für das Experiment wurde von medizinischen Fachkräften in der Bluttransfusionsabteilung des ersten angeschlossenen Krankenhauses der medizinischen Universität Anhui professionell von Freiwilligen gesammelt. Die Blutuntersuchungen wurden gemäß den von der Ethikkommission der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und der Anhui Medical University genehmigten Protokollen durchgeführt (Lizenznummer: 20170267, 20170268).

Spezifisch pathogenfreie (SPF) BALB/c-Mäuse (männlich, 6 Wochen), Neuseeland-Kaninchen (männlich, 2 kg) und Beagle-Hund (männlich, 6 kg) wurden von der Anhui Medical University gekauft. Tierstudien wurden gemäß den Empfehlungen im Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren der National Institutes of Health durchgeführt. Die In-vivo-Kompatibilitätsstudien und In-vivo-MRT-Studien basierten auf Protokollen, die vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Anhui Medical University (LLSC20170299, LLSC20170300) und dem First Affiliated Hospital der University of Science and Technology of China (2021-2021) genehmigt wurden. N(A)-041).

Normale ACNC-Kochsalzlösungen wurden Mäusen (über die Schwanzvene) in einer Dosierung von 5 mg Gd/kg Körpergewicht und Beagle-Hunden (über die Hinterbeinvene) in einer Dosierung von 9 mg Gd/kg Körpergewicht intravenös injiziert. Zur Beurteilung des Blutindex und des biochemischen Index wurden Mäuse 3 Tage bzw. 3 Wochen nach der intravenösen Injektion durch Anästhetika getötet. Das Blut von Beagle-Hunden wurde alle zwei Wochen über die Vene der Hinterbeine entnommen. Blutproben wurden mit den Antikoagulans-Blutentnahmeröhrchen und Trenngelröhrchen gesammelt. Die Untersuchung des Blutindex und des biochemischen Index wurde jeweils mit Sysmex XE2100 und Vitros 5600 durchgeführt.

Für eine simulierte Bolusinjektionsstudie wurden zwanzig Mäusen (männlich, 20 g) normale ACNC-Kochsalzlösungen mit 3 mg Gd/kg Körpergewicht (0,5 mg Gd/ml, 120 µL) durch schnelle manuelle Injektion intravenös injiziert. Diese Mäuse wurden nach dem Zufallsprinzip in vier Gruppen eingeteilt, und den Mäusen jeder Gruppe wurden 1, 7, 15 bzw. 30 Tage nach der intravenösen Injektion verschiedene Organe entnommen. Die Urinproben wurden 12 Stunden nach der intravenösen Injektion von ACNC bei Ratten in einer Menge von 5 mg Gd/kg Körpergewicht gesammelt, gefolgt von einer Dialyse bei 25 °C. Nach 24 Stunden wurden die Dialysate in Dialysebeuteln (MWCO = 1000 Da) zur weiteren Charakterisierung gesammelt.

ACNC und Gd-DTPA, dispergiert in normaler Kochsalzlösung mit Gradientenkonzentrationen in 5-ml-Mikroröhrchen, wurden auf einen in NiSO4-Lösung getauchten Träger gegeben. Die Konzentrationen von Gadolinium wurden mittels ICP-AES gemessen. Die MR-T1-Karte wurde mithilfe einer Inversionswiederherstellungssequenz auf einem 3,0-Tesla-MR-Scanner (Trio Tim, Siemens) erfasst, der mit einer Kopfspule ausgestattet war. Die Bildgebungsparameter waren wie folgt: Wiederholungszeit (TR) = 4000 ms, Echozeit (TE) = 14 ms, Umkehrzeit (TI) von 25 bis 3500 ms (TI umfasste 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250). , 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500 ms), Sichtfeld (FOV) = 220 × 144 mm2. Die Längsrelaxivität (r1) wurde wie folgt gemäß einer zuvor angegebenen Gleichung mit einem Konzentrationsgradienten von 0,05 bis 0,4 mM Gadoliniumion berechnet. Der Kehrwert der Relaxationszeit (1/T1, s−1) wurde gegen die Gadoliniumkonzentration aufgetragen, und die Steigung des Diagramms war die Relaxivität des Wirkstoffs (mM−1 · s−1)58,59. Die Messungen an einem Niederfeld-MR-Scannersystem wurden mit einem 0,5 T LF-NMR-Gerät bei 32 °C durchgeführt, bereitgestellt von Suzhou Niumag Analytical Instrument Corporation.

Nach vollständiger intravenöser Anästhesie wurden die Tiere auf verschiedenen Trägern geeigneter Größe fixiert. Dann wurden in normaler Kochsalzlösung dispergiertes ACNC oder mit normaler Kochsalzlösung verdünntes Gd-DTPA intravenös injiziert. Der Ratte wurde mit einer Dauernadel eine Dosis von 2,5 mg Gd/kg aus der Schwanzvene injiziert. Die Bolusinjektion bei Kaninchen und Beagle-Hunden erfolgte in einer Dosis von 3 mg Gd/kg aus den Vorderbeinvenen mit einem mechanischen Hochdruckinjektor (Optistar LE, Mallinckrodt, USA). Zur Erfassung angiographischer Daten wurde eine FLASH-3D-Sequenz eingesetzt. Die detaillierten Parameter der MR-Angiographie der Ratte waren wie folgt: Es wurde eine Kniespule verwendet. TR = 3,95 ms, TE = 1,9 ms, FOV: 210 × 280 mm2. Die Erfassungszeit (TA) betrug 24,62 s. Der Flipwinkel (FA) betrug 20. Die Erfassungsmatrix betrug 288p * 512. Die Erfassungszahl und die Anzahl der Mittelwerte betrugen jeweils 1. Die detaillierten Parameter der MR-Angiographie von Kaninchen waren wie folgt: Es wurde eine lokale Kopf- und Halsspule verwendet. TR = 3,6 ms, TE = 1,65 ms, FOV: 210 × 280 mm2. Die Erfassungszeit (TA) betrug 23,4 s. Der Flipwinkel (FA) betrug 18. Die Erfassungsmatrix betrug 288p * 512. Die Erfassungszahl und die Anzahl der Mittelwerte betrugen jeweils 1. Die detaillierten Parameter der MR-Angiographie des Beagle-Hundes waren wie folgt: Eine lokale Kopf- und Halsspule, eine Wirbelsäulenspule und Hochfrequenz Es wurden Körpersendespulen verwendet. TR = 3,19 ms, TE = 1,28 ms, FOV: 240 × 320 mm2. Die Erfassungszeit (TA) betrug 20,74 s. Der Flip-Winkel (FA) betrug 16. Die Aufnahmematrix war 288p * 512. Die Aufnahmenummer und die Anzahl der Durchschnittswerte betrugen jeweils 1. Die Bilder wurden zunächst von der Siemens Syngo MR-Workstation verarbeitet.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wurde in einem einzelnen Bild (κ) basierend auf zwei separaten Regionen von Interesse (ROIs) berechnet. Eines im interessierenden Gefäß (ROIvessel) wurde gemessen, indem sowohl in der Gd-DTPA- als auch in der ACNC-Gruppe ein Signal am gleichen ROI in derselben Schicht platziert wurde, das als mittlere Signalintensität des Gefäßes (Svessel) aufgezeichnet wurde. Einer im Bildhintergrund (ROIbackground) befand sich in einem artefaktfreien homogenen Bereich, der als Hintergrundsignal (Sbackground)34 definiert wurde. SNR entspricht dem Verhältnis zwischen Svessel und Sbackground wurde mit Gleichung berechnet. (5):

Drei ROIs wurden in der absteigenden Aorta, im Aortenbogen und in der aufsteigenden Aorta bei Kaninchen ausgewählt, und vier Regionen in der Arteria brachiocephalica, der linken Arteria subclavia, der linken Arteria carotis communis und dem rechten Ast der Arteria olfactorius wurden jeweils am Beagle-Hund gemessen.

Alle Daten wurden als Mittelwert ± SD ausgedrückt. Der zweiseitige Student-T-Test wurde für die statistische Analyse des Vergleichs zwischen zwei Gruppen verwendet, und die einfaktorielle ANOVA wurde für die statistische Analyse des Vergleichs zwischen mehreren Gruppen verwendet. Ein Wert von P < 0,05 wurde als statistischer Unterschied betrachtet (*P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001). Die statistische Signifikanz wurde mithilfe der SPSS-Statistik 17 ermittelt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Die Autoren erklären, dass die in dieser Studie generierten Daten in der Arbeit und in den Zusatzinformationen enthalten sind oder auf Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich sind.

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Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Zuschüsse 51732011 und U1932213 an SHY; 22122502 und 51972090 an YL; 51702309 an LD; 81801831 an HQW), dem National Key Research and Development Program of China (Zuschüsse 2021YFA0715700 und 2018YFE0) unterstützt 202201) an SHY, die Fundamental Research Funds for the Central Universities (WK9110000062 an YJX; WK2060190056 an LD), das University Synergy Innovation Program der Provinz Anhui (Grant GXXT-2019-028) an SHY, Science and Technology Major Project der Provinz Anhui (201903a05020003). ) an SHY, die Natural Science Foundation der Provinz Anhui (2008085J06 an YL; 1708085ME114 an YJX), die China Postdoctoral Science Foundation (2015M570540) an LD, die Major/Innovative Program of Development Foundation des Hefei Center for Physical Science and Technology (2016FXZY005). ) an YL Die Autoren danken Mei Sun, Yan-Wei Ding, Cheng-Min Wang, Yu-Song Wang, Guan-Yin Gao, Han-Bao Chong, Yu-Feng Meng und Yang-Yi Liu von der University of Science und Technologie Chinas, Hao Ding in Suzhou Niumag Analytical Instrument Corporation, Yong-Hong Song, Wen-Shu Wu an der Hefei University of Technology, Hai-Shen Qian an der Anhui Medical University, He Chen, Li Zhang und Hui Wang in The First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Kun Liu an der Xiamen University, Duo An an der Cornell University und Ye-Ping Li von Anton Paar China für die nützliche Unterstützung dieses Manuskripts sowie Luca Olivi, Giuliana Aquilanti und Simone Pollastri in der XAFS-Beamline am Elettra Synchrotron für ihre Hilfe. DG ist Professor an der Leibniz Universität Hannover. JA wird im Rahmen des SFB 1214 (Sonderforschungsbereich gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, Projekt A02) finanziert. HC dankt dem Partikelanalysezentrum des SFB 1214 für die AUC-Ausstattung.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Liang Dong, Yun-Jun Xu, Cong Sui.

Abteilung für Chemie, Institut für biomimetische Materialien und Chemie, Anhui Engineering Laboratory of Biomimetic Materials, Abteilung für Nanomaterialien und Chemie, Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale, Institute of Energy, Hefei Comprehensive National Science Center, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

Liang Dong, Cong Sui, Yang Zhao, Li-Bo Mao, Huai-Ling Gao, Zhao Pan und Shu-Hong Yu

Das Krebskrankenhaus der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Zhejiang Cancer Hospital), Institut für Grundlagenmedizin und Krebs (IBMC), Chinesische Akademie der Wissenschaften, Hangzhou, Zhejiang, 310022, China

Liang Dong & Zhao Pan

Schlüssellabor für fortgeschrittene katalytische Materialien und Reaktionstechnik der Provinz Anhui, Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Technische Universität Hefei, Hefei, 230009, China

Liang Dong, Ya-Dong Wu, Xu Yan, Fei Li und Yang Lu

Abteilung für Radiologie, Anhui Provincial Hospital, das erste angegliederte Krankenhaus der University of Science and Technology of China, Hefei, 230001, China

Yun-Jun Xu

Institut für Anorganische Chemie, Leibniz Universität Hannover, Callinstr. 9, 30167, Hannover, Deutschland

Denis Gebauer

Physikalische Chemie, Fachbereich Chemie, Universität Konstanz, Universitätsstr. 10, Konstanz, D-78457, Deutschland

Rose Rosenberg & Helmut Cölfen

Wissenschaftler - Zentrum für Röntgenanalytik, Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Lerchenfeldstrasse 5, 9014, St. Gallen, Schweiz

Jonathan Avaro

Abteilung für Bluttransfusion, das erste angegliederte Krankenhaus der Anhui Medical University, Hefei, 230022, China

Hui-Qin Wen

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SHY und YL konzipierten die Idee, entwarfen die Experimente und überwachten die Forschung, LD, CS, YL, YZ, LBM, DG, HC, RR, YDW und FL führten das synthetische Experiment und die Analyse durch. DG, JA, HC und LD arbeiteten an der EXAFS-Messung und -Analyse. LD, YZ, HLG, ZP, HQW, XY und FL haben die biokompatible Bewertung durchgeführt. LD, YJX, YDW, YL, HLG, ZP, XY, FL und CS arbeiteten an den Tierversuchen, LD, YJX, YL, FL und CS untersuchten die MRT-Leistung, LD, YJX, CS, DG, YL, HC , und SHY schrieben die Arbeit, alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Yang Lu, Helmut Cölfen oder Shu-Hong Yu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Peng Huang und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Dong, L., Xu, YJ., Sui, C. et al. Hochhydratisierte paramagnetische amorphe Calciumcarbonat-Nanocluster als MRT-Kontrastmittel. Nat Commun 13, 5088 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32615-3

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Eingegangen: 06. Juni 2021

Angenommen: 08. August 2022

Veröffentlicht: 29. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32615-3

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