腎源性系統(tǒng)性纖維化疾病的化學(xué)機(jī)制和雙鰲合劑法的抑制研究

詹心琪，周朝暉

1 廈門大學(xué)醫(yī)學(xué)院，福建 廈門 361005

2 固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005

3 廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

1 引言

1.1 核磁共振成像技術(shù)

基于原子核磁共振效應(yīng)原理的磁共振成像技術(shù)，能夠?qū)C(jī)體內(nèi)部組織進(jìn)行檢測(cè)，是一種非入侵性的成像方式。在外加磁場(chǎng)下，原子核由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，然后回到初始狀態(tài)。這種原子核由高能級(jí)回到低能級(jí)的過(guò)程，叫做弛豫。因此，如果組織內(nèi)含水量不同，通過(guò)檢測(cè)不同組織內(nèi)質(zhì)子的弛豫時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)傷前提下對(duì)內(nèi)部組織的核磁共振造影。然而，由于人體內(nèi)正常組織與病變組織之間水分子的含量相差不多，無(wú)法進(jìn)行有效的成像且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，加入某種順磁物質(zhì)后，通過(guò)改變體內(nèi)局部組織中水質(zhì)子的弛豫速率，能夠提高正常組織與患病部位的成像對(duì)比度，從而顯示體內(nèi)器官的功能狀態(tài)。人們把這類可以縮短成像時(shí)間、提高成像對(duì)比度的成像增強(qiáng)對(duì)比劑，叫做造影劑。造影劑的研究發(fā)展極大地促進(jìn)了磁共振技術(shù)的應(yīng)用[1]。

1.2 核磁共振釓造影劑

在稀土元素的三價(jià)離子中，釓離子(Gd3+)的4f軌道填入了7個(gè)電子，具有半充滿結(jié)構(gòu)，在元素周期表中其單個(gè)離子表現(xiàn)為電子自旋值最高的順磁離子。其總自旋S=7/2，比過(guò)渡金屬離子(如Fe3+和Mn2+)的半充滿結(jié)構(gòu)的自旋值(S=5/2)大[2,3]。釓離子的這種高自旋特性，使之成為核磁共振造影劑的理想材料。

自1984年釓造影劑首次被用于人體腦腫瘤的增強(qiáng)顯像研究[4,5]以來(lái)，含釓的核磁共振成像造影劑已被廣泛應(yīng)用于臨床。由于自由Gd3+與Ca2+的離子半徑相近，在生物體內(nèi)會(huì)抑制Ca2+參與的生物過(guò)程，如與含鈣的酶結(jié)合使酶失活，影響鈣離子通道等，從而產(chǎn)生毒副作用[6]。通常將Gd3+與螯合劑如二乙撐三胺五乙酸(DTPA)等氨基多羧酸配體螯合后，其毒副作用大為減少。目前已共有九種小分子順磁性釓基造影劑(GBCAs)被歐洲藥品管理局或美國(guó)食品藥物管理局批準(zhǔn)上市(圖1)。這九種釓類造影劑從分子結(jié)構(gòu)看，表現(xiàn)為以釓離子為中心的環(huán)型或線型的多氨基多羧酸螯合物：前三種屬于環(huán)型造影劑，后六種屬于非環(huán)型造影劑或稱線型造影劑。從是否屬于離子型絡(luò)合物來(lái)看，第2、3、7和8屬于非離子型的，其他五種屬于離子型造影劑。由于Gd3+具有較高的配位數(shù)(通常的配位數(shù)是9–11)，因此最常用的配體都是八齒的，它們能夠很穩(wěn)定地螯合Gd3+離子，并且還剩余一個(gè)配位點(diǎn)被配位水分子所占據(jù)。這九種造影劑的熱力學(xué)穩(wěn)定常數(shù)lgKML依次分別為25.3、23.8、20.8、22.2、16.8、16.8、18.4、23.5和23.3，具有較高的穩(wěn)定性。

圖1 目前已經(jīng)批準(zhǔn)上市的9種含釓造影劑中釓螯合物結(jié)構(gòu)示意圖

近四十年來(lái)國(guó)內(nèi)外開展了許多相關(guān)研究，如采用新材料氧化鐵[7]或提高釓對(duì)比劑靈敏度等[8,9]。盡管支持的相關(guān)研究經(jīng)費(fèi)數(shù)量十分巨大，但目前僅限于紙上談兵，實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用很少。迄今為止，在臨床上商用的核磁造影劑依然是這九種占主導(dǎo)地位，其全球年銷量在30噸以上，每年有近百萬(wàn)人次使用核磁共振成像劑。

2 釓造影劑導(dǎo)致的腎源性系統(tǒng)性纖維化

2.1 腎源性系統(tǒng)性纖維化的病變表現(xiàn)及毒副作用

腎源性系統(tǒng)性纖維化(Nephrogenic Systemic Fibrosi s，NSF)是一種罕見且危險(xiǎn)性極強(qiáng)的疾病，它被證實(shí)與核磁共振釓基造影劑的使用密切相關(guān)。2000年的“柳葉刀”雜志報(bào)道[10]，NSF發(fā)生在少數(shù)腎功能衰竭患者身上，以全身纖維化為特征。患者初期四肢皮膚出現(xiàn)丘疹和桔黃色融合的斑塊(圖2d)[10]，呈“木質(zhì)樣”，病理切片可見皮膚下纖維化，而后可能發(fā)展到全身其他部位，包括心肌纖維化、心包纖維化和胸膜纖維化，嚴(yán)重時(shí)需要截肢，甚至因心肌梗塞、血管意外而致死亡。由于該病只在腎功能衰竭患者中出現(xiàn)，所以最初被稱為腎源性系統(tǒng)性纖維化[11]。2006年腎源性系統(tǒng)性纖維化的發(fā)病被證實(shí)與患者在核磁診斷時(shí)注射的含釓造影劑有關(guān)[12–14]。在目前主要使用的釓螯合物造影劑中，其過(guò)敏反應(yīng)或毒副作用的發(fā)生率大約0.03%–0.1%[15]。目前歐美國(guó)家已經(jīng)采取一系列措施防止釓基造影劑的危害[16–19]。2010年美國(guó)食品藥物管理局已要求小分子釓基造影劑生產(chǎn)商在其產(chǎn)品標(biāo)簽上增加“黑框”警告標(biāo)記。

圖2 (a)光學(xué)顯微鏡顯示的患者皮下組織的細(xì)胞纖維化和組織鈣化；(b)NSF患者皮膚組織的掃描電子顯微鏡圖；(c)NSF患者皮膚組織的光學(xué)顯微鏡圖；(d)31歲的NSF患者腿部組織

2.2 腎源性系統(tǒng)性纖維化沉積物微粒的化學(xué)本質(zhì)和形成機(jī)制

Boyd和Abraham等人[20–22]分別應(yīng)用掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，SEM)和能量色散譜(Energy dispersive spectroscopy，EDS)對(duì)NSF患者的皮膚組織進(jìn)行了檢查，結(jié)果表明：患者皮膚組織中含有難溶的Gd與Ca、P和Na的復(fù)合金屬鹽微粒。George等人[23]應(yīng)用外延X(jué)射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(Extended X-ray absorption fine structure spectroscopy，EXAFS)表征患者皮膚組織切片內(nèi)的含釓復(fù)合微粒的主要成分(圖2a–c)，證明了復(fù)合鹽微粒的主要成分為磷酸釓(GdPO4)[24]。

在二乙撐三胺五乙酸的結(jié)構(gòu)中，配體與釓八配位螯合，剩余的一個(gè)配位點(diǎn)被水分子所占據(jù)，如圖3a。這個(gè)配位水分子可以和環(huán)境中的水分子相互交換，這對(duì)于在共振造影劑上的應(yīng)用有重要意義。那么，Gd3+離子是如何從高穩(wěn)定性的釓螯合造影劑中釋放出來(lái)，并與磷酸根形成極難溶的磷酸釓的呢？帶著這些疑問(wèn)，我們對(duì)氨基多羧酸釓類螯合物造影劑及其類似物進(jìn)行了一系列的取代反應(yīng)研究[25–27]。研究結(jié)果表明，亞磷酸、磷酸根離子可以取代水分子，與釓噴酸形成1:2的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)伴隨著Gd―Ocarboxy和Gd―N配位鍵的削弱。圖3b顯示二乙撐三胺五乙酸亞磷酸釓配合物的分子結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的反應(yīng)過(guò)程如圖3c所示。據(jù)此推測(cè)Gd-DTPA造影劑向納米磷酸釓轉(zhuǎn)化的過(guò)程如圖4所示：在形成Gd-DTPA-PO4絡(luò)合物中間體后，被削弱的Gd―Ocarboxy和Gd―N配位鍵逐步解離，并被磷酸根取代，從而形成磷酸釓納米顆粒。

圖3 (a)水合釓噴酸的單晶結(jié)構(gòu)圖；(b)釓噴酸亞磷酸鹽1:2的單晶結(jié)構(gòu)圖；(c)磷酸鹽與釓噴酸的結(jié)合模式

圖4 二乙撐三胺五乙酸造影劑形成磷酸釓納米顆粒的示意圖

2.3 腎源性系統(tǒng)性纖維化沉積物微粒形成的抑制

目前對(duì)于這種微粒在腎源性系統(tǒng)性纖維化病理過(guò)程中的作用及其在體內(nèi)如何轉(zhuǎn)運(yùn)、轉(zhuǎn)化機(jī)制仍無(wú)定論。有報(bào)道稱釓沉積物微粒在體內(nèi)存留時(shí)間可達(dá)十年以上，甚至在使用過(guò)釓造影劑的正常人體內(nèi)亦有長(zhǎng)時(shí)間的存留[28,29]。尤其是迄今為止尚無(wú)開展如何清除體內(nèi)存留釓沉積微粒的研究報(bào)道。

因此，提高釓造影劑螯合物的穩(wěn)定性從而抑制NSF的形成，是提高釓造影劑使用安全性的關(guān)鍵。以線型的釓造影劑為例，它是以釓離子為中心的八齒配位螯合劑環(huán)繞包裹的“壺”狀的分子結(jié)構(gòu)，釓離子尚留有位于“壺口”的配位點(diǎn)可與來(lái)自機(jī)體的水分子結(jié)合，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)。“壺口”的形狀、尺寸依據(jù)不同造影劑的配合物分子結(jié)構(gòu)而有不同，而環(huán)形造影劑則為上下壺類似結(jié)構(gòu)。我們?cè)O(shè)想，將生物兼容性好的羥基多羧酸，如乙醇酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸等(均為水果或甘蔗中富含的物質(zhì))作為第二螯合劑，引入釓造影劑體系與磷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)配位。由于這些分子不僅尺寸與“壺口”大小相匹配，而且富有與釓離子親和力強(qiáng)的氧原子，從而能夠建立起新的螯合反應(yīng)平衡。通過(guò)體外體內(nèi)的篩選，獲得有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值的核磁共振釓造影劑的第二螯合劑，抑制釓造影劑的解離。若以大小、形狀與“壺口”相匹配的第二螯合劑與造影劑螯合，雙管齊下螯合釓離子，抑制磷酸根與造影劑的作用從而抑制造影劑的解離，有望達(dá)到提高造影劑的穩(wěn)定性、抑制NSF形成的目的。

3 展望

物質(zhì)的性質(zhì)，溯本求源是由其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)決定的。因此，從微粒的化學(xué)本質(zhì)入手，研究含釓微粒的成分、具體的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性等化學(xué)本質(zhì)信息，是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。這將為后續(xù)如沉積物在疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用、抑制機(jī)理、體內(nèi)沉積物的清除等研究，提供重要的理論依據(jù)。