Agentes de contraste basados en lantánidos para la obtención de bioimágenes mediante técnicas de resonancia magnética a alto campo y en modo dual T1-T2

Abstract

Magnetic Resonance Imaging (MRI) allows the visualization of organs and tissues for medical diagnosis. This technique is non-invasive, does not require the use of radioactive agents or high-energy electromagnetic waves, and has a high spatial resolution and a great image depth. Despite these advantages, in order to increase the contrast in these images between the region of interest and its surroundings, it is often necessary to use contrast agents (CAs), which are composed of magnetically active substances that shorten T1 and T2 proton relaxation times. Although MRI is well established in clinics, several modifications of this technique are being currently addressed with the aim of improving diagnostic reliability. In particular, high-field MRI and T1-T2 dual mode MRI have been proposed. The first one improves image resolution by using higher magnetic fields than those involved in conventional scanners (? 3 T). T1-T2 dual mode MRI involves recording bright and dark images simultaneously. By so doing, cross-validation of both types of images can be carried out, so that false positives can be excluded, and complementary information can be also obtained. Both advantages allow to increase diagnostic sensitivity and accuracy. Unfortunately, the conventional CAs used in clinics are not suitable for these novel techniques, for which, it is imperative to develop new contrast agents. For the high-field MRI technique, several alternatives have been considered. The most promising candidates are compounds based on Dy3+, since this ion has a very high magnetic moment (10.6 ?B), which leads to high transverse relaxivity values. For T1-T2 dual mode MRI, compounds based on Dy3+ ions as T2 component are equally interesting, and as T1 component, Gd3+ ions are usually used, which have a high spin angular momentum (7/2) that allows high values of longitudinal relaxivity. Different CAs have been reported in the literature, both for high-field MRI and T1-T2 dual mode MRI, consisting of fluoride-based nanoparticles containing Dy3+ and Gd3+. The main drawback of these fluoride-based nanoparticles is their solubility in aqueous media, which result in the release of potentially toxic fluoride ions. Finally, an increasing activity can be detected in literature regarding with the development of multimodal bioimaging probes, which can be used for two or more imaging techniques that allow to obtain complementary information thus improving diagnosis accuracy. Among the different possible combinations, MRI and luminescence have been widely studied. This combination of techniques is very useful for medical diagnosis since luminescent imaging gives information on pathologies at the cellular or subcellular level due to its high sensitivity, which is complementary to the anatomical information provided by MRI technique. For the former technique, working in the near-infrared (NIR) region is advantageous because this type of radiation is not harmful for biological specimens and has a high penetration deep. For multimodal bioimaging, the development of single probes that wok properly for all involved techniques would reduce undesired effects and would be more comfortable for the patient. So far, most of the probes reported in literature for MRI and NIR luminescent bioimaging are also fluoridebased nanoparticles, whose drawbacks for in vivo applications has been already discussed. The main objectives of this doctoral thesis are the development of chemically stable contrast agents for high-field single-modal MRI, for T1-T2 dual mode MRI and for multimodal imaging by using high-field MRI and near-infrared luminescent imaging.

La técnica de obtención de imágenes por Resonancia Magnética (MRI, siglas en inglés) permite la visualización de órganos y tejidos para el diagnóstico médico. Esta técnica destaca por ser no invasiva, no requerir el uso de agentes radiactivos u ondas electromagnéticas de alta energía, poseer una alta resolución espacial y una gran profundidad de imagen. A pesar de estas ventajas, a veces es necesario aumentar el contraste entre la región de interés y su entorno, empleando agentes de contraste (ACs) que están constituidos por sustancias magnéticamente activas que acortan los tiempos de relajación T1 y T2 del protón. Los ACs que acortan T2 oscurecen la región de interés, mientras que aquellos que disminuyen el valor de T1 dan lugar a un mayor brillo de dicha región. Entre los primeros destacan los óxidos superparamagnéticos basados en óxido de hierro, y entre los segundos, los compuestos de Gd3+ en los cuales están basados los agentes de contraste comerciales. Aunque la técnica MRI está muy bien establecida en el ámbito clínico, se están abordando en la actualidad diversas modificaciones de la misma con el objetivo de mejorar la fiabilidad del diagnóstico. En concreto, se han propuesto la técnica de MRI a alto campo y la técnica de MRI dual T1 - T2. La primera supone emplear campos magnéticos más altos que los implicados en los escáneres usados en clínica (≤ 3 T), con el objeto de mejorar la resolución. La segunda permite aumentar la sensibilidad y exactitud del diagnóstico registrando imágenes brillantes y oscuras de forma simultánea, ya que, mediante la validación cruzada de ambos tipos de imágenes, se pueden excluir falsos positivos y, además, obtener información complementaria. Desafortunadamente, los ACs convencionales que se usan en clínica no son adecuados para la obtención de imágenes mediante estas técnicas por lo que es imperativo desarrollar nuevos agentes de contraste. Para la técnica de MRI a alto campo, se han desarrollado diversas alternativas siendo los candidatos más prometedores los compuestos basados en Dy3+, ya que este ion posee un momento magnético muy elevado (10,6 μB), lo cual conduce a valores de relajatividad transversal elevados. Para MRI dual T1-T2 son igualmente interesantes los compuestos basados en iones Dy3+ como componente T2, y como componente T1, suelen emplearse iones Gd3+ los cuales poseen un alto momento angular de espín (7/2) que permite alcanzar un alto valor de relajatividad longitudinal. En la bibliografía se han reportado distintos ACs, tanto para MRI de alto campo como para MRI dual T1-T2, basados en NPs basadas en diversos fluoruros de los elementos lantánidos anteriormente mencionados, los cuales se caracterizan por presentar cierta solubilidad en medio acuoso que da lugar a la liberación de iones fluoruro que son potencialmente tóxicos. Por último, en los últimos años se están desarrollando sondas que sean útiles para la obtención de bioimágenes mediante distintas técnicas que permitan obtener información complementaria para así mejorar la precisión del diagnóstico. Entre las distintas combinaciones posibles, destacan aquellas que son adecuadas para la obtención de imágenes mediante MRI y mediante luminiscencia, especialmente en la región del infrarrojo cercano (NIR, siglas en inglés) por ser este tipo de radiación menos dañina y tener mayor poder de penetración en los tejidos. Esta última técnica es muy útil para profundizar en el conocimiento de patologías a nivel celular o subcelular debido a su alta sensibilidad, la cual complementa a la información anatómica proporcionada por la técnica MRI, haciendo de esta combinación de técnicas una herramienta muy potente de diagnóstico médico. La disponibilidad de una única sonda que sea capaz de actuar como agente de contraste para ambos tipos de técnicas es obviamente de gran interés ya que reduciría posibles efectos no deseados y aumentaría la comodidad para el paciente. Hasta el momento, la mayoría de sondas reportadas en la bibliografía para la obtención de imágenes multimodales también están basadas en nanopartículas de matriz fluoruro cuya problemática ya ha sido comentada. Estos antecedentes justifican la pertinencia de esta tesis doctoral cuyos principales objetivos son el desarrollo de agentes de contraste químicamente estables para MRI monomodal a alto campo, para MRI dual T1-T2 y para imagen multimodal mediante MRI a alto campo e imagen luminiscente en el NIR. Para conseguir estos objetivos ha sido necesario considerar diferentes composiciones, desarrollar diversos métodos de síntesis de nanopartículas y analizar sus características morfológicas y estructurales, su estabilidad química, su dispersabilidad, su relajatividad magnética, sus propiedades luminiscentes (en el caso de las sondas multimodales) y su viabilidad celular. En concreto, en el caso de los ACs para MRI de alto campo, se han estudiado distintas composiciones que incluyen vanadatos, molibdatos, volframatos y fosfatos de Dy3+. Como resultado de estos estudios se concluye que, el sistema óptimo es el constituido por nanopartículas de DyPO4 funcionalizadas con ácido poliacrílico. En el caso de los ACs para MRI dual T1-T2, se han explorado diversas arquitecturas (fase única, núcleo-corteza) de sistemas constituidos por DyVO4 como componente T2 y por GdVO4 como componente T1, siendo el diseño óptimo el constituido por nanopartículas de DyVO4 recubiertas con una corteza de GdVO4, y funcionalizadas con ácido poliacrílico. Por último, en el caso de los ACs para la obtención de imágenes multimodales mediante MRI de alto campo y luminiscencia en la región infrarroja, se ha desarrollado un sistema constituido por nanopartículas funcionalizadas con ácido poliacrílico de DyVO4 (componente magnético) recubiertas por una corteza inactiva de LaVO4 y una corteza exterior de LaVO4 dopado con iones Nd3+ (componente luminiscente). En todos los casos en los que ha sido posible, se ha evaluado el comportamiento in vivo de las sondas óptimas en un modelo animal, que ha permitido establecer la idoneidad de dichas sondas como agentes de contraste para la obtención de bioimágenes mediante las técnicas de MRI de alto campo, MRI dual T1-T2 y mediante el uso combinado de MRI de alto campo y luminiscencia en el NIR.