生物医学影像技术可以将生命活动以图像的形式展现出来，从而可以为疾病的诊断治疗以及相关基础研究提供准确丰富的原位信息。金属离子在多种影像技术中扮演着重要角色，但游离的金属离子毒性较高，需要进行稳定的螯合。特别是在近些年，人们发现动力学稳定性不够高的钆螯合物磁共振成像造影剂会造成严重的肾源性系统纤维化疾病以及钆元素脑沉积。这促使人们更加关注金属离子基生物影像探针的稳定性和安全性。生物医学影像急需影像性能更好、稳定性更高的螯合物探针。
树枝状分子是一类高度规律支化的三维高分子，具有结构精确、尺寸可控、单分散、表面官能团丰富易修饰以及稳定性高等特点，这些特点使其成为小分子药物和探针的理想纳米载体。金属有机框架材料是另一类近年来备受生物医学领域关注的材料，具有结构丰富、组分可调性强、金属离子含量高而规律分布等特点。
如果能将树枝状分子的结构与金属有机框架的结构有机结合，可能可以实现树枝状分子和金属有机框架材料的优势互补。鉴于此，厦门大学高锦豪教授（点击查看介绍）课题组提出一类配体支化的树枝状有机框架分子用于生物医学影像。
图1. (a)表面修饰配体的树枝状分子（左）与配体支化树枝状有机框架分子（右）的结构示意图; (b)利用DO3AtBu-NH2通过简单的偶联-脱保护反应逐步迭代构建不同代数的DBOF; (c)所得到的G1-G4的化学结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
在本研究中，以临床批准的DOTA配体为支化中心，通过简单的偶联-脱保护反应逐步迭代连接，研究人员构建了1~4代（G1-G4）DOTA支化的树枝状有机框架大分子（DBOF）。这些大分子不仅具有树枝状分子尺寸可控、单分散性好、表面基团丰富等特点，还具有大量规律分布的强力金属离子配位空穴。由于DOTA配位穴对许多金属离子都有很强的螯合能力，此类分子具有很好的金属离子组分可调性。
图2. (a) G1-G4的MALDI-TOF质谱图; (b) G1-G4的凝胶排阻色谱图; (c) G2-G4的动态光散射强度分布图; (d) G4的电子显微图像; (e) G4的原子力显微图像; (f)骨架柔软而开放的DBOF分子在平面上干燥过程中会发生变形。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
当螯合钆离子时，此类大分子多核螯合物（Gd-DBOF）除了能继承DBOF配体尺寸均一可控的形貌，还具有比小分子Gd-DOTA螯合物更好的磁共振成像造影性能。更有意思的是，Gd-DBOF的螯合动力学稳定性也明显高于Gd-DOTA，这为未来成像性能更好、生物安全性更高的磁共振成像造影剂的开发提供了思路。
图3. (a) Gd-DBOF的动态光散射强度分布图（上）及凝胶排阻色谱图（下）; (b) Gd-G4的电子显微图像; (c) 1.5 T磁场下Gd-DBOF的纵向弛豫效能明显高于临床使用的Gd-DOTA; (d) Gd-DBOF的纵向弛豫效能随磁场强度的变化图; (e) Gd-DOTA或Gd-DBOF的1 M 盐酸溶液的横向弛豫率随时间的变化图; (f) Gd-DBOF在1 M盐酸中的寿命明显长于Gd-DOTA。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
当螯合铽离子时，Tb-DBOF不仅能发射铽离子特征荧光，还能高效进入细胞并定位于溶酶体，其中第二代树枝状螯合物（Tb-G2）的共定位系数最高。进一步的连续观察实验说明Tb-G2不仅具有很好的光稳定性，而且可以长时间保留在细胞内，这使其可用于长时间活细胞溶酶体追踪。
图4. (a) Tb-DBOF的动态光散射强度分布图（上）及凝胶排阻色谱图（下）; (b) Tb-G4的电子显微图像; (c) Tb-DOTA及Tb-DBOF均能发射典型的铽离子荧光; (d) Tb-G2可以定位于细胞溶酶体; (e)持续光照下，Tb-G2和商品化荧光染料Lysotracker Green在细胞中的荧光随时间变化对比图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
DBOF表面具有大量的羧基可用于修饰。例如，可以在G4表面修饰PEG分子（G4-PEG）以提高载体的生物相容性。研究发现G4-PEG不仅保持了G4单分散性好的特点，其钆螯合物（Gd-G4-PEG）的动力学稳定性相比于修饰PEG前又有显著提高，生物毒性实验进一步证明Gd-G4-PEG具有较好的生物相容性。说明通过表面修饰可以有效调节材料的生化性能。
图5. (a) G4-PEG的动态光散射强度分布图（上）及凝胶排阻色谱图（下）; (b) Gd-G4-PEG的动态光散射强度分布图（上）及凝胶排阻色谱图（下）; (c) Gd-G4-PEG的电子显微图像; (d) Gd-G4-PEG的1 M 盐酸溶液的横向弛豫率随时间的变化图; (e) 凝胶排阻色谱分析显示Gd-G4-PEG与血清蛋白无明显相互作用; (f) Gd-G4-PEG的细胞毒性实验结果。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
DBOF的特殊结构使其具有许多独特的性质。通过表面和内部螯合不同的金属离子可以得到具有核壳结构的螯合物，此类螯合物可用于多模式成像以及选择性地研究大分子的内部螯合性质和外部螯合性质。研究发现外部螯合结构对造影性能的贡献大于内部螯合结构，而内部金属离子的配位水数则大于外部金属离子。这些结果显示此类大分子配体虽由小分子配体构建而来，却有着明显不同于小分子配体的螯合性质。
图6. (a) Tb/Gd-G2核壳结构螯合物合成原理示意图; (b)所得的几种核壳螯合物的金属离子摩尔比例图; (c)不同组分核壳螯合物的纵向弛豫效能测定结果图; (d) Tb-G2、Gd/Tb-G2以及Tb/Gd-G2的荧光发射光谱图; (e)含有配体G2、表面螯合钆离子的Gd(shell)-G2以及核壳结构螯合物Tb/Gd-G2的溶液的荧光照片（上）和T1 MRI成像图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
该工作首次报道了此类树枝状金属有机框架大分子及其配体支化构建策略，将树枝状分子结构与金属有机框架结构有机结合，获得了一系列具有独特性能的生物影像大分子探针。该工作可以为更多性能更好、安全性更高生物影像探针的构建以及更多结构新颖、功能独特的大分子的构建提供思路。
相关研究成果近期发表于Journal of the American Chemical Society，文章的第一作者是厦门大学博士研究生孙乘杰（已毕业）和副教授林泓域。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
DOTA-Branched Organic Frameworks as Giant and Potent Metal Chelators
Chengjie Sun, Hongyu Lin, Xuanqing Gong, Zhaoxuan Yang, Yan Mo, Xiaoyuan Chen, Jinhao Gao
J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 198, DOI: 10.1021/jacs.9b09269
高锦豪教授简介
厦门大学化学化工学院教授、博导。2004年南京大学化学系本科毕业，2008年获香港科技大学化学系博士学位。2008-2010年在斯坦福大学医学院从事博士后研究。目前担任厦门大学化学化工学院化学生物学系主任。2010年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年获国家基金委优秀青年基金项目，2014年荣获中国化学会青年化学奖。主要从事活体生理病理特征分子的原位实时磁共振成像和诊断，生命体系中重要物质的成像监测方法和诊断相关研究。在Nat Commun、Acc Chem Res、JACS、Angew Chem、Adv Mater、ACS Nano、Nano Lett.等发表SCI论文80余篇。
https://www.x-mol.com/university/faculty/14117
0
