CN101166987A - 在mri中使用cest造影剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在磁共振成像中使用化学交换饱和转移造影剂对诸如pH值、温度、PO₂或代谢物浓度的理化参数进行制图的方法。该方法是对已知比值度量方法的改进，通过应用两种不同的RF频率对造影剂进行预饱和，这种方法可以与只具有一种可交换实体库例如质子库的制剂一起使用。

Description

在MRI中使用CEST造影剂的方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像。更具体地，本发明涉及在磁共振成像(MRI)中使用造影剂的方法。

背景技术

在医疗领域中，磁共振成像(MRI)是一种重要的成像技术，并且是用于分子成像的主要载体之一。通过将强磁场、磁场梯度和频率匹配的(RF)脉冲应用于患者而获得图像。在成像过程期间，体内的原子核被RF照射激发，该原子核具有磁矩，其主要是水和脂防分子中的质子。当RF脉冲停止时，被激发的核子驰豫而发射RF信号。由于应用了磁场梯度，所发射的该RF信号的频率包含了空间信息，并且可以用于构建图像。

有时，MRI信号强度在不同组织之间的差异，即对比度不足以获得令人满意的临床信息，那么需要使用MRI造影剂。如今，在MRI中，越来越多地使用了造影剂(CA)。现有的造影剂包括影响附近的水¹H核子的驰豫过程从而使图像对比度发生局部变化的(超)顺磁性材料。

分子成像的目的在于显示生物通路的体内特征。与当前相比，这能够探测更为早期的疾病。为了实现这个目的，需要特殊设计的造影剂，此造影剂与所要研究的生物过程的标记物结合(靶向造影剂)，或在所要研究的生物过程的部位使MR信号出现差异(响应地，智能(smart)或传感器(sensor)造影剂)。MR信号的这种差异可以由例如pH值、温度或代谢物浓度的差异引起。例如，通过对pH值成像能够探测很小的癌病变，因为在这样的部位，pH值由于缓冲能力减弱和乳酸产物增多而降低。类似地，通过对温度制图能够探测发生炎症的部位。

授予Balaban等人的WO00/66180描述了用于通过进行‘基于化学交换的饱和转移(Chemical Exchange Dependent Saturation Transfer)’即现在所谓的‘化学交换饱和转移’(CEST)而提高在MRI中所形成的对比度的方法。凭借此CEST技术，通过改变水质子信号的强度而获得图像对比度。这通过使用RF脉冲，选择性地对CEST造影剂的可交换质子库进行饱和来完成。这些质子随后通过与水质子进行交换而将饱和转移给附近的水，由此使水质子信号减弱。

在WO00/66180中的实施例的特征包括以下步骤中的一些或全部：选择一种或多种造影剂；将此造影剂或包含此造影剂的组合物施予受试对象；以水质子信号的第一预定频率(+Δω_CA)对造影剂的(可交换)质子进行照射，并由此使其饱和，且提供图像；以水质子信号的第二预定频率(-Δω_CA)进行照射，这也可以称为偏共振，并且提供第二图像；确定第三图像，此图像通过第一图像相对于第二图像的减法或比值来提供，±Δω_CA指在造影剂的可交换实体(例如可交换质子、水分子或磷酸基团(phosphate group))的共振和水质子共振之间的化学位移差。

水质子信号减弱的程度取决于质子交换率，以及可交换质子的浓度。因为质子交换率通常取决于pH值，所以这种方法能够进行pH值制图。

在WO00/66180中所显示的是，在使用CEST技术进行pH值制图中，凭借单一的具有两种可交换质子库的CEST造影剂，可以消除造影剂浓度的依赖性。这些质子库应该具有不同的共振频率，从而使其可以分别饱和，并且这些质子库应该使质子交换对pH值具有不同的依赖性。

满足这些条件并且由Balaban等人测量的CEST剂是5，6-二氢尿嘧啶。对于5.00和2.67ppm的两种质子库，CEST效应具有不同的pH值依赖性。

Balaban所开发的手段称为‘比值度量方法(ratiometric method)’，其原理解释为如下。基本上，由CEST引起的水质子信号的减弱可以通过方程

(1)描述：

$\frac{M_s}{{M_0}^{*}}=\frac{1}{1+k_{\mathrm{CA}}\left[\mathrm{CA}\right]n{T}_{1w}}---\left(1\right)$

其中：M_s和M₀ ^*分别是用于正共振(on-resonance)和对称偏共振照射(以+Δω_CA和-Δω_CA)时的水质子信号强度，k_CA是一种化学可交换实体例如可交换质子的交换率常数，[CA]是造影剂分子浓度，n是每个分子中的化学可交换实体例如可交换质子的数目，而T_1w是水质子的纵向驰豫时间常数。

这种关系遵循改进的Bloch方程，并且在可交换实体例如可交换质子必须被RF脉冲完全饱和的情况下是有效的。

在同一种造影剂具有两种可交换质子库的情况下，对于这两种库，方程(1)可以改写为方程(2)和(3)：

${\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{pool}1}=k_{\mathrm{CA}}^{\mathrm{pool}1}\left[\mathrm{CA}\right]n^{\mathrm{pool}1}{T}_{1w}---\left(2\right)$

${\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{pool}2}=k_{\mathrm{CA}}^{\mathrm{pool}2}\left[\mathrm{CA}\right]n^{\mathrm{pool}2}{T}_{1w}---\left(3\right)$

这两个方程的比值简化成方程(4)：

$\frac{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{pool}1}}{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{pool}2}}=\frac{k_{\mathrm{CA}}^{\mathrm{pool}1}{n}^{\mathrm{pool}1}}{k_{\mathrm{CA}}^{\mathrm{pool}2}{n}^{\mathrm{pool}2}}---\left(4\right)$

其中，n^poolx由所使用的造影剂决定，而k_CA ^poolx是pH值的函数。当k_CA ^pool1和k_CA ^pool2具有不同的pH值依赖性的时候，(k_CA ^pool1n^pool1)/(k_CA ^pool2n^pool2)也随pH值改变。

因而，通过使用针对库1和库2的、正共振和对称的偏共振频率的预饱和脉冲连续地采集图像，可以消除浓度依赖性。而且，以此方法，也可以消除可能的T_1W的改变。

像在WO00/66180中那样，这种‘比值度量方法’已经应用于反磁性造影剂，并且后来应用于包括顺磁性造影离子的造影剂(EP1331012)。

直到现在还未解决的问题是，只有通过使用两种不同的质子库，才能消除对CEST造影剂浓度的依赖性。

这具有一些缺点。实际上，选择单一的CEST剂或两种CEST剂的混合物，以提供两种合适的可交换质子库，其具有极其不同的交换pH值依赖性，这在实践时是困难的，这是因为可交换并且适合于CEST的实体的类型的数目是有限的。所使用的大多数的可交换实体是酰胺质子和结合水。而且，就所期望的应用而言，pH值依赖性的差异必须在与临床相关的范围内，优选地在pH值6.5和pH值7.5之间。

此外，在两种不同的CEST剂的情况下，必须假定两种分子的生物分布是相等的。最后，因为可交换质子的浓度不是最大的，具有两种不同的可交换质子库总是导致非最佳的最大CEST效应，这是由于它们不得不分配到两种库中。

发明内容

本发明的目的是提供使用CEST造影剂中无需存在两种可交换质子库的CEST磁共振成像消除理化参数(例如pH值、pO₂、温度或代谢物浓度)的制图中造影剂浓度依赖性的方法。

以上目的通过根据本发明的方法实现。

本发明的特定和优选的方面表述在附上的独立权利要求和从属权利要求中。在适当的时候，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征组合，并且可以与其它从属权利要求的特征组合，而不仅仅像在权利要求书中所明确表述的那样。

以下提供的术语仅用于帮助理解本发明。这些定义不应被解释为具有小于本领域普通技术人员所理解的范围。

化学交换饱和转移(CEST)：指基于在显示不同磁共振频率的两种分子之间的化学交换的所有饱和转移过程。

CEST效应：由CEST引起的用于产生MR图像的信号的减弱程度，例如在质子成像情况下的水质子信号的减弱。CEST效应可以写成1-M_s/M₀ ^*，其中，M_s是在对可交换实体例如质子进行预饱和时此信号的强度，而M₀ ^*是在以偏共振频率优选地以相对于此信号的频谱的相对侧(对称的偏共振)进行照射时此信号的强度。

CEST谱：作为预饱和频率偏移量的函数的由CEST引起的用于产生MR图像的信号强度，例如在质子成像情况下的水质子信号的强度。

CEST造影剂(CA)：具有至少一种可交换实体例如可交换质子的材料，此材料能够与另一种材料的可交换实体进行化学交换，并且能够用于进行CEST成像。可交换实体例如质子可以合并在可交换的分子或原子团(groupof atoms)例如水分子中，也可以不合并在其中。

可交换实体库：所有可交换实体例如可交换质子的全部，一方面，这些可交换实体与其它可交换实体例如质子进行化学交换，而另一方面，在与根据本发明的方法相关的情况下，这些可交换实体是化学等价和磁等价的。可交换实体库的具体例子可以是可交换质子库。

水质子信号：在质子NMR谱中的由自由水质子共振引起的信号，此信号具有一频率和一强度。

磁共振成像(MRI)：成像技术，其中，核磁共振用于构建受试对象的图像，以便获得医学信息。

共振频率：核子自旋发生共振的频率。

质子共振频率：质子的核子自旋发生共振的频率。

饱和频率：所施加的饱和RF脉冲的频率。

本发明提供了提供MRI图像的方法，此MRI图像显示了被施予一定量CEST造影剂的个体的至少部分身体，此CEST造影剂具有形成至少一种用于与自然存在于个体的至少部分身体中的主要可交换实体库中的可交换实体进行交换的可交换实体的可交换实体。该方法包括：

-将理化参数的感兴趣范围限定在第一、较低参数值和第二、较高参数值之间，

-用预饱和RF脉冲对CEST造影剂进行照射，并且利用自然存在的主要可交换实体库，记录相应的第一图像，此预饱和RF脉冲具有使第一可交换实体库的可交换实体饱和的第一预饱和频率，

-用预饱和RF脉冲对CEST造影剂进行照射，并且利用自然存在的主要可交换实体库，记录相应的第二图像，此预饱和RF脉冲具有使第一可交换实体库的可交换实体饱和的第二预饱和频率，该第二预饱和频率不同于第一预饱和频率，

-对于至少部分图像，确定对于两种预饱和频率的(M₀ ^*-M_s)/M_s的比值，将(M₀ ^*-M_s)/M_s比值与标准曲线进行比较，以便确定理化参数的值，而M_s和M₀ ^*分别是对于CEST造影剂的正共振照射和对称的偏共振照射、用于产生MR图像的信号的强度，

-其中，选择所述第一和第二频率，从而在所限定的理化参数的感兴趣范围内的至少一个值处，所述第一和第二频率都能够至少部分地对同一可交换实体库进行预饱和。

在本发明的实施例中，并且在质子成像的情况下，由CEST引起的用于产生MR图像的信号可以是水质子信号。

本发明的优点是，可以使用只具有一种可交换实体库的CEST造影剂，以便消除MRI结果对造影剂浓度的依赖性。即使造影剂包括的可交换实体库多于一种，根据本发明的方法，也只有一种可交换实体库必须使用，以消除浓度依赖性。

第一和第二频率都是正共振预饱和频率。此外，使用CEST造影剂进行成像也利用偏共振预饱和频率。正共振预饱和频率可以限定成理化参数在感兴趣的范围内的至少一个值处可交换实体可以被饱和的频率。必须提及的是，所述频率随理化参数发生移位。

根据本发明的方法的优点是，原则上，它可以应用于任何具有实体交换例如质子交换的CEST造影剂，此实体交换基于理化参数，例如基于pH值，因为在交换率较高的情况下，共振频率总是移向由CEST引起的用于产生MR图像的信号的共振频率，例如在质子成像情况下的水质子共振频率。

另一个优点是，就两种可交换实体库例如两种可交换质子库的局部浓度的差异而言，不可能存在任何不确定性。

另外的优点是，CEST效应能够被更好地优化，即可交换实体例如质子的浓度可以最大化。

根据本发明的方法基于以下观察结果：大体上，在某一理化参数值例如pH值，CEST效应达到最大，而在较高的理化参数值例如pH值，CEST效应则再次减弱。衰弱是由于对可交换实体例如质子的预饱和受到妨碍，这是因为在交换率较高的情况下，可交换实体的共振例如质子共振变宽，并且移向水峰，即可交换实体例如质子不再完全饱和。

根据本发明，发现的是，由于这种位移，选择两种不同的预饱和频率，其具有CEST效应的极其不同的理化参数依赖性，例如对pH值或温度的依赖性：在理化参数例如pH值为在其处没有交换发生或交换发生很慢的某一值处，频率1相应于可交换实体的共振，例如质子共振，而频率2较接近水质子信号。在所述理化参数为pH值或温度的情况下，在其处没有交换发生或交换发生很慢的理化参数值是理化参数的可能值的范围的低端。

对频率2的选择受制于三个条件：

-相对于在频率1处的CEST，CEST效应对理化参数的依赖性例如对pH值的依赖性应该尽可能地不同；

-CEST效应(特别地，在pH值或温度的情况下，在限定的理化参数的感兴趣范围的上限)应该是尽可能地高；和

-直接的大量的水质子饱和应该尽可能地防止。

为了满足条件1，频率2应该远离频率1，然而对于条件2和3，频率2不应该过分地接近自然存在的主要库，即用于产生MR图像的库的共振频率，例如在质子成像情况下的水质子共振频率。因此，可以选择频率2在频率1和由CEST引起的用于生成MR图像的信号，例如在质子成像情况下的水质子信号之间。换言之，频率1和频率2应该使得，在限定的理化参数的感兴趣范围内的至少一个值处，频率1和频率2都能够至少部分地使同一种可交换实体库，例如可交换质子库预饱和。

当上述条件充分满足时，即当第一和第二预饱和频率(分别为频率1和频率2)选择恰当的时候，浓度依赖性能够被消除。

这可以通过下面的方程(5)和(6)进行描述：

${\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}1}=k_{\mathrm{CA}}\left[\mathrm{CA}\right]n{T}_{1w}{X}^{\mathrm{freq}1}---\left(5\right)$

${\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}2}=k_{\mathrm{CA}}\left[\mathrm{CA}\right]n{T}_{1w}{X}^{\mathrm{freq}2}---\left(6\right)$

其中，X^freqx指可交换实体例如质子中由RF脉冲预饱和的分数，此分数取决于理化参数值，例如pH值，而不取决于造影剂浓度。对于两种频率，理化参数值依赖性(例如pH值依赖性)是不同的。

这两个方程的比值简化成方程(7)：

$\frac{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}2}}{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}1}}=\frac{X^{\mathrm{freq}2}}{X^{\mathrm{freq}1}}---\left(7\right)$

例如，形成至少一种可交换实体库的可交换实体可以是质子、水分子或磷酸基团。然而，本方法可以应用于所有包括可测量自旋磁矩的粒子。除了质子，MRI也可以在自然存在于个体的身体内的、具有可测量自旋磁矩的粒子上执行。在此情况下，公开了具有可交换实体的CEST造影剂的使用，所述可交换实体具有可测量自旋磁矩，并且形成至少一种实体库，其中，交换发生在CEST造影剂和体内自然存在的主要库之间，而在两种库之间存在共振频率的差异。除了质子，自然存在于个体的身体内的具有可测量自旋磁矩的粒子的例子可以是磷原子。包含磷原子从而使其可以在磷NMR的情况下用于CEST的可交换实体的例子可以是磷酸基团。

根据本发明，理化参数可以是pH值、温度、pO₂或代谢物浓度。

在一个实施例中，造影剂所具有的可交换实体可以具有某一共振频率，其中，第一频率相应于实体交换非常慢的第一参数处的共振频率，即在共振频率差Δω(单位为rad/s)和可交换实体寿命(单位为s)的积大于10处。

在根据本发明的实施例中，第二频率可以包括在第一参数值处的可交换实体的共振频率和自然存在的主要库，即用于产生图像的库的共振频率(例如在质子成像情况下的水质子共振频率)之间。

根据本发明的实施例，CEST造影剂可以包括至少一个顺磁性离子。在一些实施例中，CEST造影剂可以包括多个顺磁性离子。

根据本发明的实施例，CEST造影剂可以包括载体如树枝状聚合物、线性聚合物、脂质体或粒子如胶束或任何其它具有磷脂或聚合物壳或核的粒子，和包括螯合剂和顺磁性离子的复合物。

在特定的例子中，CEST造影剂可以包括作为载体的PPI树枝状聚合物和共价连接到PPI树枝状聚合物的Yb-DOTAM复合物。在此情况下，相对于自然存在的主要库，即用于产生MR图像的库的共振频率，例如在质子成像情况下的水质子共振频率，第一频率可以为-2000Hz，而第二频率可以为-1000Hz。

在根据本发明的实施例中，CEST造影剂可以包括单一的可交换实体库。

在本发明的实施例中，该至少一个可交换实体库可以是至少一个质子库，而自然存在的主要可交换实体库可以是自由水质子库。在另外的实施例中，CEST造影剂可以包括单一的质子库。

本发明还提供了计算机程序产品，当在处理设备上执行的时候，此计算机程序产品执行本发明所提供的方法。

此外，本发明提供了机器可读取的数据存储设备，此数据存储设备存储了本发明的计算机程序产品。

附图说明

通过以下结合附图而进行的详细描述，本发明的以上和其它特征、特点和优点变得显而易见，这些附图举例说明了本发明的原理。此描述只是为了举例，而非限制本发明的范围。以下所引用的参考图指附图。

图1a显示了Yb-DOTAM-G3，即在根据本发明的方法的实施例中所使用的CEST造影剂的化学式，而为了进行比较，图1b显示了Yb-DOTAM-尾部(tail)的化学式；

图2和图3显示了Yb-DOTAM-G3的合成过程；

图4显示了Yb-DOTAM-尾部(上图)和Yb-DOTAM-G3(下图)在水中的¹H-NMR谱；

图5显示了体模(phantom)的TSE质子密度加权图像，体模包括装有各种pH值的在水中含有MOPS缓冲剂的Yb-DOTAM-G3溶液(0.9mM，下排)和Yb-DOTAM-尾部溶液(14mM，中排)的小瓶，上排小瓶在水中只包括MOPS缓冲剂；

图6显示了在各种pH值处并且对于各种照射频率的Yb-DOTAM-G3的CEST谱；

图7是在两种不同照射频率下的Yb-DOTAM-G3的CEST效应的测定值对pH值所做的图；

图8是Yb-DOTAM-G3的{(M₀ ^*-M_s)/M_s}^-1000/{(M₀ ^*-M_s)M_s}^-2000对pH值所做的图；

图9显示了CEST图像(左上，以-2000Hz进行照射)和通过对{(M₀ ^*-M_s)M_s}^-1000/{(M₀ ^*-M_s)M_s}^-2000进行逐个像素地计算而获得的pH值图(右上)。

具体实施方式

本发明就特定实施例并且参考某些附图而进行描述，但本发明不局限于这些，而只是受权利要求书限制。在权利要求书中的任何参考标识都不能被解释为对范围的限制。所描述的附图只是示意性的，而非限制性的。在附图中，一些要素的尺寸可能是扩大的，而没有按比例绘制，这是出于说明的目的。在本说明书和权利要求书中所使用的术语“包括”，其不排斥其它要素或步骤。除非另外特别指出，当使用不定冠词和定冠词例如“一”或“一个”、“所述”指代单数名词时包括多个该名词。

此外，在本说明书中和在权利要求书中的术语第一、第二、第三和类似的术语用于区别相似的要素，而不必需用于描述前后或时间顺序。应该理解的是，在适当的情况下，如此使用的术语是可互换的，并且除了在这里所描述或显示的次序，在这里所描述的本发明的实施例能够以其它次序操作。

可以与本发明的方法一起使用的可调整对比度的合适的CEST造影剂可以是这样的分子，其包括具有至少一个(超)顺磁性粒子/离子和氢原子或质子的载体，其能够与在人体内的主要水库(water pool)进行化学交换。优选地，造影剂可以在每个粒子/分子中包括多个顺磁性离子。这提供了非常大数目的可交换实体(例如质子)，即＞100，该可交换实体的共振频率充分地远离自然存在的主要库，即用于产生图像的库的共振频率，例如在质子成像情况下的水质子共振频率。优选地，可以使用镧系元素盐，因为已知位于顺磁性离子附近的质子的化学位移可能非常大。最优选地，作为镧系元素盐，镱(Yb)盐可以使用。具有可交换氢原子的基团的优选的候选对象是酰胺，但其它基团也是可以的，例如胺、亚胺、尿素、酰亚胺、结合水分子、磷酸盐/酯(phosphates)、醇、醛、酮、羧酸、酚和硫醇。质子可交换的基团的范围可能是非常大的，例如还可以包括硼、碳、氮、氧、硅、磷、硫原子。作为镧系元素离子的备选，也可以使用所有其它顺磁性离子(例如过渡金属离子)或形成(超)顺磁性粒子(例如用右旋糖苷或含有酰胺质子的聚合物涂覆的超顺磁性氧化铁粒子)的顺磁性离子的簇也可以使用。

在图1a中，显示了特别可以在根据本发明的方法的实施例中使用的CEST造影剂，该CEST造影剂是具有Yb-DOTAM复合物连接到树枝状聚合物的16个端基(DOTAM＝1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酰胺)上的聚(丙烯亚胺)PPI第3代树枝状聚合物(也称为DAB-Am-16)。在下文中，此CEST造影剂称为‘Yb-DOTAM-G3’。在图1a中，每一个‘Yb’都代表Yb³⁺，并且都在第九配位位点具有水分子，为了清楚，水分子被省略。

为了合成Yb-DOTAM-G3，合成了不对称的DOTAM衍生物，并且偶联到第3代的PPI树枝状聚合物的16个端基。Yb复合物通过添加YbCl₃的水溶液和随后进行渗析而获得。在下文中，对此进行了更详细地描述。在图2中，显示了‘结构单元(building block)’或顺磁性复合物的合成过程。合成从cyclen(1，4，7，10-四氮杂环十二烷)开始，cyclen是可在商业上例如从Aldrich或Macrocyclics得到的化合物。从文献中知道在图2中的分子A、B和C。分子A及其合成在“E.Kimura，J.Am.Chem.Soc.，1997，199，3068-3076”等中报道。分子B在WO2004065385中报道，分子C在“A.Heppeler et al.，Chem.Eur.J.1999，5，7，1974-1981”中报道。

通过在室温下缓慢地，即在3小时内，将在CHCl₃(100mL，已经过Al₂O₃)中的二碳酸二叔丁酯(7.9g，36mmol)的溶液添加到在CHCl₃(120mL)中的cyclen(2.2g，13mmol)和三乙胺(5.5mL，39mmol)的溶液中，可以制备分子A。反应混合物在室温下搅拌24小时，并且在减压的情况下除去有机溶剂。残留的剩余物通过硅胶柱色谱(己烷/AcOEt)进行纯化，得到无色、无定形的固体分子A(4.4g，72％)〔E.Kimura，J.Am.Chem.Soc.，1997，199，3068-3076〕。

然后，将三-BOC保护的分子A(15.2g)溶解在20mL的乙腈中，在此之后，添加19mL的二异丙基乙胺和在10mL乙腈中的7.9g的溴乙酸苄酯(benzylbromoacetate)。在氩气氛下，将该溶液加热到60-65℃，并且搅拌过夜。然后，将该混合物通过蒸发溶剂进行浓缩，并且溶解在二氯甲烷中。将该溶液用1MNaOH洗涤。有机层用Na₂SO₄进行干燥，此后通过蒸发和与甲苯共蒸发而被减少(reduced)。通过将己烷/乙酸乙酯(1/1)用作洗脱剂的硅胶柱色谱，分离纯的产物即分子B。产率为大约90％。

分子B(6.22g)溶解在60mL二氯甲烷和60mL三氟乙酸(TFA)中。溶液在氮气氛下搅拌。在3小时之后，溶剂被蒸发，且添加另一部分TFA(40mL)。在进一步搅拌2小时之后，TFA被蒸发，且残留的混合物与甲苯共蒸发两次，剩下粗制的油状分子C的TFA盐，然后在不进一步纯化的情况下，在下面的步骤中使用10g的此盐。油溶解在45mLDMF和31mL二异丙基乙胺中，并且在其中搅拌。然后，添加4.7g溴乙酰胺，并且将混合物在50℃下搅拌两天，在此期间，形成沉淀物。将该混合物放入600mL乙醚中，进行搅拌，并且通过过滤和用乙醚洗涤分离出棕色的沉淀物。然后，固体用25mL的在水中的25％NH₃溶液分成四次洗涤，最后用30mL的水洗涤。在真空下在40℃进行干燥，得到分子D的白色固体产物(产率＝85％)。

然后，使用Pd/C(10％)作为催化剂，将分子D(1.7g)在70psi超压力下在100mL水中进行氢化。混合物在硅藻土上被过滤，硅藻土用一些水进行洗涤，并且滤液被冷冻干燥，然后在真空中在P₂O₅上进行干燥，以得到1.1克的分子E的白色吸湿性细粉。

为了将分子E偶联到载体上，在所给的例子中偶联到PPI树枝状聚合物上，酰胺偶联剂HBTU(O-(苯并三唑-1-基基)-N，N，N′，N′-四甲脲六氟磷酸盐)被使用。在图3中，显示了将顺磁性复合物偶联到树枝状聚合物。为了方便，树枝状聚合物表示成圆圈。所使用的树枝状聚合物是可在商业上得到的具有二氨基丁烷(DAB)所衍生的核心的聚(丙烯亚胺)(PPI)树枝状聚合物(来自Aldrich以DAB-Am-X为名称或来自SyMO-Chem)。对于这些树枝状聚合物，使用最多的名称是DAB-Am-X，其中，X指表面氨基的数目。在此合成过程中，使用DAB-Am-16，以便获得DOTAM-G3复合物。

为了将分子E偶联到G3PPI树枝状聚合物，将0.25mL二异丙基乙胺添加到164mgHBTU在1mL无水DMF中的混合物中。添加分子E(172mg)，并且该混合物被搅拌，直至得到澄清的溶液。这可能进行大约5到10分钟。然后，添加在1mL无水DMF中的第三代PPI-树枝状聚合物DAB-Am-16(41mg)，并且在氮气惰性气氛下，该溶液被搅拌过夜。将该混合物倾注到40mL的搅拌下的乙醚中，形成沉淀物；乙醚被另一部分乙醚替换(洗涤步骤)，并且沉淀物被干燥。最后，沉淀物溶解在水和三乙胺中，使用截留分子量为1000的膜，并且使用1.2L的水和20mL的三乙胺作为洗涤溶剂，对此溶液进行渗析。在过夜渗析之后，洗涤溶液被1.2L的水替换，并且渗析再继续进行24小时。对在渗析管中的溶液进行冷冻干燥，得到约200mg的蓬松白色产物，此产物在进一步的合成过程中称为分子II。

合成过程的最后步骤是与Yb³⁺离子进行复合。为了形成Yb-DOTAM-G3复合物，将0.1mmolYbCl₃在5mL水中的溶液逐滴添加到在8mL水中的49mg(0.1mmol)的分子II的搅拌溶液中。随后，将该溶液加热到60℃持续2小时同时搅拌，其间通过以小滴的方式添加NH₄OH，使pH值维持为7到8之间。使用截留分子量为500的膜，并且使用流动水作为洗涤溶剂，将溶液渗析24小时。对溶液进行冷冻干燥，得到产率为～80％的白色粉末。在图1a中，显示了所得到的Yb-DOTAM-G3复合物。

除了像在先前例子中那样将树枝状聚合物作为载体，线性聚合物例如聚乙烯亚胺、聚精氨酸、聚天冬酰胺、聚赖氨酸或聚谷氨酸或脂质体或(脂质)胶束或任何具有磷脂或聚合物壳或核的粒子，例如像在US2004/0058951中所描述的那样的磷脂粒子可以用作载体。后者所可能具有的优点是，更多的顺磁性离子可以合并在一个粒子中，这可以更大地提高灵敏度。

在图1b中，显示了Yb-DOTAM-尾部或{5-[镱-2-(4，7，10-三-氨酰甲基(acetamido)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷基)-乙酰氨基]-戊基}-氨基甲酸苄酯的化学式。在进一步的描述中，此Yb-DOTAM-尾部只是用于进行比较。

根据本发明第一方面的方法的主要应用中的一种可以是在分子成像领域中。为了获得足够的灵敏度，优选地，可以使用在每个粒子/分子中具有多个顺磁性离子的CEST剂，因为它们提供了数目非常大的可交换实体，例如质子，该可交换实体的共振频率充分地远离自然存在的主要库，即用于产生图像的库的共振频率，例如在质子成像情况下的水质子共振频率。多个顺磁性离子可以共价或非共价连接到载体上，此载体例如可以是树枝状聚合物、线性聚合物或脂质体。

然而，应该理解的是，除了上述的CEST剂，其它物质也可以用于获得本发明的益处。

图4显示了在Bruker7TNMR谱仪上记录的、在水质子共振设置在0Hz情况下的在水中的Yb-DOTAM-尾部(上图)和Yb-DOTAM-G3(下图)的¹H-NMR谱。如图4所示，相对于水共振，Yb-DOTAM在-16ppm左右具有可交换的酰胺质子。在Yb-DOTAM-尾部谱(上图)中，在-5000Hz左右的较宽峰归属于不同的酰胺质子。由于适度的质子交换，这些峰值变宽。Yb-DOTAM-G3的酰胺质子共振(下图)是已经移向水峰的宽带(在-4000Hz左右)。因为交换很快，在此pH值处，7种不同的酰胺质子不能区分开来，即它们是磁等价的。于是，它们可以视为一种质子库。图4所示的谱是用Bruker 7T NMR谱仪记录。必须注意的是，在以7T测定的频率刻度中的-5000Hz和-4000Hz的值分别大约相应于以3T测定的-1700Hz和-2100Hz(见后文)。

图5显示了在飞利浦3T人MRI扫描仪上进行的成像试验的结果。装有在3种不同pH值下的Yb-DOTAM-尾部的溶液和Yb-DOTAM-G3的溶液的小瓶放置在装有生理水的烧杯中。在所有小瓶中，Yb浓度是相同的。通过包含含有造影剂的溶液的小瓶，在应用预饱和脉冲情况下和在不应用预饱和脉冲情况下得到小瓶断层(slice)的质子密度加权图像。相对于水质子共振频率，预饱和脉冲的频率是-1900Hz。预饱和脉冲实际上是一列50ms的16个sinc-gauss脉冲，在每个脉冲中，倾倒角为2500°。采集参数为：TE15ms、TR8s、TSE20。此试验的目的是获得由CEST引起的对比度。实际上，在不进行预饱和情况下的图像(图5左上)几乎没有显示任何强度差异。当以-1900Hz对酰胺质子进行预饱和时，由于发生了CEST，最右侧四个小瓶的强度Ms是较低的(中上)。这可以在右上的图像中更清楚地看到，这是在另两个小瓶之间的差异。在此情况下，最大的CEST效应是20％。对于pH值为7.5的Yb-DOTAM-G3，CEST效应是11％，由于酰胺质子共振发生移位(见上文)，此CEST效应是pH值为6.5时的值的一半。对于Yb-DOTAM-尾部，最大的CEST效应在pH值为7.5时获得。由于碱性的树枝状核，Yb-DOTAM-G3的最大CEST效应在pH值较低的情况下获得。

CEST谱显示了由CEST引起的用于产生MR图像的信号，例如在质子成像情况下的水质子信号的相对强度，其作为预饱和频率(以Hz表示)的函数。用于获得这样的CEST谱的方案可以包括：使用某种预饱和频率，得到像在图5的中上图像那样的图像，就三个装有Yb-DOTAM-G3的小瓶而言，对所有像素的强度进行积分，并且对于所有预饱和频率，重复此过程。

图6显示了在各种pH值，即3.5(白色方块)、6.5(白色三角)和7.5(白色圆圈)情况下并且在298K情况下，在水中的含有MOPS缓冲剂的Yb-DOTAM-G3(0.9mM)的CEST谱。实心标记是在正照射频率(+1000Hz、+2000Hz和+3000Hz)处的所测量点，为了进行比较，这些点标绘在谱的负数部分中。预饱和脉冲的频率发生改变，对于每一种频率，得到像在图3的上排中的中间图像那样的图像，并且通过对在特定小瓶中的所有图像像素进行积分，来测量强度Ms。这样得到在图6所示的CEST谱，这里，进行预饱和的强度Ms除以不进行预饱和的Ms，将其作为预饱和频率的函数来描绘。特别地，在pH值为6.5的曲线中，最小值可以在-2000Hz左右看到，指示CEST由酰胺质子介导。

可以从图6看到的是，当预饱和频率接近0Hz的时候，Ms/Ms显著降低。这是由直接水饱和引起的。虽然水峰的中心在0Hz，但水峰是也能够在除了0Hz之外的频率甚至微弱地在-2000Hz直接饱和的谱带。这引起水质子信号的减弱，而不是由于CEST。为了对此进行校正，对照(control)照射必须在水质子信号的另一侧对称地进行。然后，所测量的该信号由于直接水饱和引起减弱。为了消除直接水预饱和所引起的效应，在所给的例子中，对照照射以+1000、+2000和+3000Hz进行(在图6中的实心标记)。通过将在图6中的空心标记(CEST+直接水预饱和)和实心标记(直接水预饱和)进行比较，可以看到的是，对于pH＝6.5和pH＝7.5，CEST甚至在-1000Hz发生。

测试更多装有pH值不同的Yb-DOTAM-G3的小瓶。图像通过以±1000Hz和±2000Hz进行预饱和而得到。见图7，通过这种方法，对于Yb-DOTAM-G3，就以-1000和-2000Hz进行预饱和而言，CEST效应，即1-M_s/M₀ ^*作为pH值的函数被计算。

在图7和图8中，实心圆圈代表0.9mM的CEST造影剂浓度的CEST效应，这里，上部的曲线对应于-1000Hz的预饱和频率，而下部的曲线对应于-2000Hz的预饱和频率，并且空心方块代表用于低得多的浓度(0.12mM、pH值为6.5和0.45mM、pH值为7.2)的CEST效应，这里，再次地，上部的方块对应于-1000Hz的预饱和频率，下部的方块对应于-2000Hz的预饱和频率。

就0.9mM的Yb-DOTAM-G3浓度而言，可以观察到以下曲线。

在pH值为6.5时，对于两种照射频率，CEST效应都在15％左右。因为峰非常宽的并且由于交换很快而移向水信号，酰胺质子甚至可以在-1000Hz饱和。

在pH值为7.2时，-1000Hz预饱和的CEST效应增大到在25％左右，因为酰胺质子共振如此多地移向水质子信号，以致饱和效率，即在方程(7)中的X^-1000显著增大。另一方面，对于-2000Hz预饱和的CEST效应稍微降低到15％之下，即X^-2000降低。

在pH值为7.5时，-1000Hz和-2000Hz预饱和的CEST效应都降低，但与-1000Hz预饱和相比，-2000Hz预饱和的相对降低程度较大，即X^-2000降低得比X^-1000多。

对于-3000Hz处的预饱和，如通过比较在-3000Hz处的空心标记和实心标记而可以在图6中看到的那样，在质子交换率很高的情况下(即pH值为7.5)，CEST效应甚至是可忽略的。由于在这些标记之间没有任何差异或大致上没有任何差异，所以CEST效应是可忽略的。这是合乎以下理论的：在两种可交换实体库之间，在所给的例子中为在质子库之间的快交换，导致两种质子共振，在所给的例子中为水质子共振和酰胺质子共振，变宽并且移向彼此。因此，在交换率较高的情况下，CEST开始在-1000Hz，而不是在-3000Hz发生。

像在图7中所看到的那样，当CEST造影剂的浓度较低时，CEST效应较小。如果这些样本的理化参数值，在此例中为pH值不是已知的，那么在仅一个预饱和频率下，通过CEST效应确定pH值是不可能的。

根据本发明，使用方程(7)，可以结合1000和-2000Hz照射的结果，以便获得不依赖于CEST造影剂浓度的结果，此结果引出了在图8中的图示。

$\frac{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}2}}{{\left(\frac{{M_0}^{*}-M_s}{M_s}\right)}^{\mathrm{freq}1}}=\frac{X^{\mathrm{freq}2}}{X^{\mathrm{freq}1}}---\left(7\right)$

如所看到的那样，在与临床最相关的pH值区域中，(M₀ ^*M_s)/M_s的比值显著依赖于pH值：对于pH值为6.5，该值在1左右，对于pH值为7.5，该值大于2。这意味着，使用这种CEST剂和这种浓度消除方法，在pH值进行制图过程中的对比度是非常高的。

图9显示了体模的CEST图像(左上，以-2000Hz进行照射)和通过对{(M₀ ^*-M_s)/M_s}^-1000/{(M₀ ^*-M_s)/M_s}^-2000进行逐个像素地计算而获得的pH值图(右上)，体模包含装有各种pH值的含有MOPS缓冲剂的0.9mMYb-DOTAM-G3的小瓶(中排和下排)和两个装有不同pH值的浓度明显较低的Yb-DOTAM-G3的小瓶(上排)。假设两个上排小瓶的浓度和pH值不是已知的，那么通过CEST图像，不能确定两个上排小瓶的pH值。在pH值图中，两个上排小瓶的强度可以与浓度(0.9mM)和pH值已知的小瓶的强度进行比较，从而可以确定两个上排小瓶的pH值。

WO00/66180和EP 1 331 012是使用传统的比值度量方法，即利用两种可交换质子库的例子，当结果与在WO00/66180(例3，图17和20)中和在EP 1 331 012(图10)中所获得的结果进行比较时，可以看到的是，通过pH＝6.5和7.5处的(M₀ ^*-M_s)/M_s的比值的差异确定的对比度类似于通过上述所给的例子获得的结果。然而，本发明的优点是，根据本发明，只使用一种可交换实体库(例如质子库)而不是在现有技术中所必需的两种可交换实体库(例如质子库)而不会导致对比度的损失。根据本发明，可交换实体可以是质子、水分子或磷酸基团。

在本实施例中，在理化参数为pH值的情况下，pH值的范围6.5-7.5是至关重要的，因为它代表了与临床最相关的pH值范围。根据这个实施例，使用这种浓度依赖性消除方法，CEST剂必须满足以下条件，以获得很高的对比度：在某一频率下，可交换质子在不发生任何交换或交换很慢的情况下进行共振，当以此频率进行饱和时，在pH值大约为6.5时，CEST效应达到其最大值，而在朝向pH值7.5时，CEST效应明显降低。

因此，当以接近由CEST引起的用于产生MR图像的信号(例如在质子成像情况下的水质子信号)的频率进行饱和时，在此pH值范围内的CEST效应的pH值依赖性自然而然是非常不同的，这使比值度量方法在与临床相关的pH值范围内具有很高的灵敏度。在本发明的该实施例中所使用的CEST剂Yb-DOTAM-G3满足这个条件。

在理化参数为pH值的情况下，最常用的范围6.5-7.5之外的其它pH值也可能是感兴趣的，例如在胃中，pH值就低得多，即大约3到5。例如，使用本发明的CEST方法对胃进行pH值制图，CEST造影剂可能需要满足以下条件：对于“无交换”正共振预饱和，在pH值为3时，CEST效应最大，而在朝向pH值5时，CEST效应降低。

本发明的方法是可应用于每一种pH值范围的，只要满足以下条件：在某一频率处进行预饱和的CEST效应在感兴趣的pH值范围的较低端出现最大值(或当交换率随pH值增加而减小的时候，在较高端出现最大值)，在该频率处，观察到可交换质子在不发生任何交换或交换很慢的情况下共振。

像以上已经指出的那样，本发明不仅可以用于pH值制图，而且可以用于其它理化参数制图，例如温度、pO₂、代谢物浓度制图，只要这些理化参数影响可交换质子的交换率。

此外，本发明包括计算机程序产品，当在计算设备上执行的时候，此计算机程序产品能够实施根据本发明的方法中的任何一种。而且，本发明包括数据载体，例如CD-ROM或磁盘，此数据载体以机器可读的方式存储计算机产品，并且当在计算设备上执行的时候，执行本发明的方法中的至少一种。如今，这样的软件通常在因特网或企业内联网上提供下载，因此本发明包括在局域网或广域网上传输的根据本发明的计算机产品。计算设备可以包括微处理器和FPGA中的一种。

应该理解的是，虽然在这里讨论了用于根据本发明的设备的优选实施例、特定结构和配置及材料，但在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对形式和细节进行各种变化和修改。

Claims (14)

1.一种用于提供个体的至少一部分身体的MRI图像的方法，该个体被施予一定量的CEST造影剂，所述造影剂包含形成至少一个可交换实体库的可交换实体，其用于与自然存在于所述个体的至少部分身体中的主要可交换实体库中的可交换实体进行交换，该方法包括：

-将理化参数的感兴趣范围限定在第一、较低参数值和第二、较高参数值之间，

-用预饱和RF脉冲对所述CEST造影剂进行照射，并且记录相应的第一图像，该预饱和RF脉冲具有使所述第一可交换实体库的可交换实体饱和的第一预饱和频率，

-用预饱和RF脉冲对所述CEST造影剂进行照射，并且记录相应的第二图像，该预饱和RF脉冲具有使所述第一可交换实体库的可交换实体饱和的第二预饱和频率，所述第二预饱和频率不同于所述第一预饱和频率，

-对于至少部分所述图像，确定对于所述第一和第二预饱和频率的(M₀ ^*-M_s)/M_s的比值，并且将该(M₀ ^*-M_s)/M_s比值与标准曲线进行比较，以便确定所述理化参数的值，M_s和M₀ ^*分别是对于所述CEST造影剂的正共振和对称的偏共振照射、用于产生MR图像的信号的强度，

其中，选择所述第一和第二频率，从而在所限定的所述理化参数的感兴趣范围内的至少一个值处，所述第一和第二频率都能够至少部分地对同一可交换实体库进行预饱和。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述理化参数为pH值。

3.根据权利要求1所述的方法，所述造影剂具有的可交换实体具有一共振频率，其中，所述第一频率对应于所述第一参数值处的所述共振频率，在所述第一参数值处，共振频率差Δω和可交换实体寿命τ_M的积大于10。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二频率包括在所述第一参数值处的至少一个可交换实体的共振频率和用于产生所述MR图像的自然存在的主要可交换库的共振频率之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括至少一个顺磁性离子。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括多个顺磁性离子。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括载体以及包含螯合剂和顺磁性离子的复合物。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括充当载体的带有以共价方式连接到其上的Yb-DOTAM复合物的聚(丙烯亚胺)树枝状聚合物。

9.根据权利要求1所述的方法，所述CEST造影剂包括载体，其中，所述载体是树枝状聚合物、线状聚合物、脂质体、胶束或任何具有磷脂或聚合物壳或核的粒子中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括单一的可交换实体库。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述CEST造影剂的至少一个可交换实体库是至少一个可交换质子库，并且所述自然存在的主要可交换实体库是自由水质子库。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述CEST造影剂包括单一的可交换质子库。

13.一种计算机程序产品，当在处理设备上执行的时候，此计算机程序产品执行根据权利要求1所述的方法。

14.一种存储了根据权利要求13所述的计算机程序产品的机器可读数据存储设备。

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