制备超极化底物的方法和mri方法

专利名称：制备超极化底物的方法和mri方法
制备超极化底物的方法和MRI方法本发明一般地涉及磁共振成像(MRI)领域。更具体地，本发明涉及一种制备准备好用于体内MR诊断成像的超极化分子水溶液的方法、所述水溶液作为MRI造影剂在用于产生人或非人动物体器官、部位或组织的诊断性MR图像的研究方法中的用途。
背景技术：
MRI是一种具有广泛诊断价值的非侵入技术。所述技术已经获得广泛的临床接受，并在诊断医学中具有极大的重要性。但是，尽管取得了重大的技术进展(增加场强和冷却电子器件(electronics)), MRI的应用受到固有的低灵敏度限制。已经开发了增加它的灵敏度的一些替代方案，它们包括将试剂离体核自旋极化，然后施用并测量引起的体内MR信号。EP 1544634公开了所述替代技术中的一些技术，包括动态核极化(DNP)、仲氢诱 导的(PHI)极化和来自超极化的惰性气体的极化转移以及其它。具体地，US 6466814描述了一种磁共振研究方法,所述方法包括生产选自一系列可能候选物的适当高Tl剂的超极化溶液，然后将所述溶液施用给受试者。在样品的超极化过程中(特别是关于DNP方法)，为了以适当的固体形式极化样品，经常需要非常低的温度。在这方面，本领域已知(参见例如US2008095713)，当混合物在冷冻后形成玻璃而不是结晶样品时，通常通过DNP技术实现成功的极化水平。申请人:注意到，尽管许多分子(例如羧酸)不能在它们的纯形式形成玻璃并因而需要向其中加入玻璃成型(glass-forming)剂,它们的某些前体(例如酸酐或酯)相反能够形成纯玻璃，基本上不需要任何玻璃成型添加剂。此外，其它底物可能具有稳定性问题，使得它们容易地且快速地降解成非活性物质或不希望的化合物。例如，一些活性底物可以至少部分地转化成它们各自的非活性异构体。因此，根据本发明，在溶解于水性载体以后可以容易地转化成所需超极化底物的稳定的DNP超极化前体(例如羧酸的酸酐或酯前体)的应用是特别有利的。申请人另外已经观察到，如果不是在底物分子本身(例如各种羧酸)上、而是在它们各自的前体(例如酯)上实现DNP极化，可以获得具有更高极化度的某些最终底物。因此，根据本发明，在溶解于水性载体以后可以容易地转化成所需超极化底物的稳定前体(诸如羧酸的酸酐或酯前体)的应用是特别方便的。有利地，适当地选择的前体可以用于从它们制备2种或更多种不同的超极化底物、或超极化底物与超极化的MR造影剂或超极化的pH报告剂(reporter)的混合物。就技术人员在阅读本发明的详细描述以后可以更好地理解的这些和其它优点而言，本发明提供了超过现有技术的实质性创新贡献。

发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于制备超极化活性底物的方法，所述超极化活性底物用于磁共振研究方法中，所述制备方法包括下述步骤a)通过动态核极化(DNP)方法，制备所述底物的超极化前体；和b)使所述超极化前体接触水性载体，以将它转化成所述超极化活性底物。在本发明的一个优选实施方案中，所述前体是这样的化合物，其在接触水以后转化(优选地通过其水解)成对应的极化的活性化合物，优选一种或多种处于未解离的(即中性)或解离的(即阴离子)形式的羧酸。根据另一个优选实施方案，所述前体选自酸酐、二乙烯酮、酯、内酯和酰胺。甚至更优选的是这样的酯前体其在水解以后，产生对应的超极化的酸，所述酸的极化度高于否则通过直接超极化所述酸本身可得到的极化度。就这一方面而言，优选的酯 是在130°C以下、优选地100°C以下、最优选地35°C以下为液体，且当快速冷冻时(例如当插入液氮或液氦中时)会形成玻璃(非结晶固体)。本发明的前体可以在酸性(即pH〈7)、碱性(即pH>7)或中性(B卩pH=7)水性载体中水解。通常，载体选自水性载体，诸如离子化的水、盐水溶液，其任选地包含添加剂诸如缓冲剂、酶等等。在另一个优选的实施方案中，通过在酶存在下的水解，实现所述前体向根据本发明的活性底物的转化。合适的酶的实例是水解酶(通常用EC 3或甚至EC 3. x. x. x指示)，特别优选的是酯酶、酰基转移酶、脂肪酶。在另一个方面，本发明涉及一种用于运行MRI系统的方法，所述方法包括下述步骤a)使已经位于所述MRI系统中并用从根据上述方法的前体得到的超极化活性底物处理过的受试者经历选择的福射频率，以激发所述活性底物的非零核自旋核(non-zerοnuclear spin nuclei )的核自方定跃迁(nuclear spin transition);和b)记录来自所述受激核的MR信号。在另一个方面，本发明涉及一种用于运行MRI系统的方法，所述方法包括下述步骤a)使用从根据上述方法的前体得到的超极化活性底物预处理过的且已经位于所述MRI系统中的受试者经历选择的辐射频率，以激发所述活性底物的非零核自旋核的核自旋跃迁；和b)记录来自所述受激核的MR信号。发明详述本发明提供了一种用于离体超极化具有生物学利益的分子的替代方法，所述分子具体地是作为代谢途径的一部分的那些分子(代谢物)，所述代谢途径是例如三羧酸(TCA)循环(也称作柠檬酸循环)、糖酵解、β -氧化、尿素循环和酮体代谢途径。因此，本发明涉及一种用于制备超极化活性底物的方法，所述方法包括下述步骤a)通过动态核极化(DNP)方法，制备所述活性底物的超极化前体；和b)使所述超极化前体接触水性载体，以将它转化成活性超极化底物。表述“超极化前体”在它的含义内包括，在接触水性载体以后，被转化成至少一种活性底物的任意超极化分子。表述“水性载体”在它的含义内包括，用于体内诊断用途的、被人或非人动物体耐受的任意水性溶剂、溶剂混合物或溶液。通常，所述载体是无菌的且生理上可耐受的，诸如无菌水、净化水诸如注射用水(WFI)、生理盐水溶液，并任选地适当地缓冲化。所述载体可以任选地包含合适量的选择的添加剂(例如碱或酸)，所述添加剂能够促进所述超极化前体快速地且选择性地转化成水溶性的活性底物。在这方面，当存在时，所述添加剂是生理上可接受的添加剂，且以相对低量使用， 例如O. I摩尔当量至10摩尔当量，优选地I摩尔当量至4摩尔当量(其中摩尔当量是指添加剂的量与超极化前体的量之比)，以便提供准备好用于注射的生理上可接受的溶液。在某些情况下，例如当为了促进所述前体的转化而加入的添加剂的量相对较高时，得到的水溶液(包含超极化活性底物)可以随后与其它添加剂相混合，以便使它对于体内诊断用途而言是生理上可接受的。例如，随后可以如下在生理上可接受的值调节所述溶液的pH :在施用所述溶液之前，向其中加入合适的酸性或碱性缓冲剂。在这方面，合适的添加剂的实例是pH调节剂诸如有机或无机碱(例如碱金属碱)或有机或无机酸或缓冲剂。根据一个优选的实施方案，通过水解，实现所述前体向活性底物的转化。本文使用的术语“水解”包括这样的化学反应其中水与原料化合物反应，以生成一种或多种结果化合物；它通常包括，裂解原料化合物上的键，并将氢阳离子和/或氢氧根阴离子添加到原料化合物的结构上，以得到结果化合物。所述水解反应可以在酸性(pH〈7)、碱性(pH>7)或甚至中性条件(pH=7)下进行，而碱性条件是优选的，如下文更详细地描述的。在这方面，且如以前提及的，选择的水性载体可以含有下述物质作为添加剂合适量的碱性碱，诸如氢氧化物或碳酸盐，如NaOH或NaHCO3或Na2CO3,以及具有碱性水性反应(aqueous reaction)的其它有机或无机化合物(例如三羟甲基氨基甲烷，也称作氨丁三醇或磷酸三钠)；或能够促进超极化前体的水解的无机或有机酸，例如磷酸、盐酸、柠檬酸或乙酸以及其它。就本发明的方法而言，特别优选的添加剂是氢氧化钠(NaOH)和盐酸(HCl )。根据一个特别优选的实施方案，在有10-400mM NaOH存在下，水解具有IO-IOOmM浓度的超极化前体水溶液。在实践中，如下水解超极化前体在约20°C _100°C、优选地40°C -70°C的温度，将它们加入如前所述选择的载体中，以得到含有希望的超极化活性产物或产物的混合物(主要取决于所述前体的化学性质)的水溶液。就这一方面而言，所述前体在接触水性载体以后应当能够定量地转化成希望的超极化活性底物，如以前所述。表述“超极化活性底物”(在本说明书的下文中，也称作“底物”)在它的含义内包括，含有能够表现出长Tl弛豫时间的非零核自旋核的高Tl化合物。长Tl弛豫时间意图表示，长度足以允许有效地检测信号的时间值。在本申请中，表述“定量转化”意图指示下述量的转化(优选地水解)所述前体的20%或更多、优选地50%或更多、更优选地75%或更多和甚至更优选地至少90%、特别优选的至少95%转化成活性底物。对于本发明的每个优选实施方案，所述前体包括这样的化合物其在水解反应以后，会提供单独的或与一种或多种副反应产物相混合的对应羧酸(处于未解离的或解离的形式)，所述副反应产物优选地是药学上可接受的。优选地，所述前体化合物富集非零核自旋核，诸如13C、19F和/或15N核，优选13C。术语“富集”是指，所述化合物中的非零自旋核的浓度高于所述核的天然丰度的典型值，优选地比天然丰度高至少10%，更优选地高至少25%，且甚至更优选地比它的天然丰度高至少75%，最优选地比它的天然丰度高至少90%。所述富集具体地集中在这样的原子位置所述位置的分子的化学转化或分子环境的化学或磁性变化可测量为它的化学位移的变化。所述非零核会赋予底物至少5秒(用s表示)、优选地至少10s、优选地至少20s、优选地至少30s和甚至更优选地至少40s的Tl弛豫时间，这在处于约O. 5mT至约20T (特斯拉)的磁场中的溶液中测得。所述富集可以包括在分子内的一个或多个部位的选择性富集或所有部位的均匀富集。就这一方面而言，可以适当地采用可商业得到的富集的前体，或者，在个例中，根据众所周知的现有技术教导，通过化学合成或生物标记可以实现选择的富集。由于从各种前体得到，所述活性底物相应地富集各种非零核自旋核，诸如13C、19F和/或15N核，优选13C。 必须指出，任何超极化成像剂的信号由于自旋弛豫而衰减。因此，最终的超极化活性底物(特别当在溶液中时)应当维持它的极化足够长的时间段，以便允许在相对富裕的时间框内进行成像操作。优选地，超极化前体的Tl值和水解的底物的Tl值因而应当是至少5秒或更高、优选IOs秒或更高、更优选至少30s秒和甚至更优选50s秒或更高。特别优选的是Tl值为70s秒或更高的那些底物，甚至更特别优选的是Tl值为IOOs秒或更高的那些底物。所述Tl值表示通常在下述条件测得的值在O. 5mT至20T的场强和在25°C至70°C的温度，尤其是在I. 5-3T的场强和在37°C的温度。当在体外时，通常在O. 5mT的场强和在60°C的温度测量所述Tl值。根据另一个实施方案，上述的非零自旋核可以与一个或多个氘原子直接相连，通常目的是延长最终的超极化化合物的Tl值(在这方面，参见US2008/0287774A1，通过弓I用并入本文中)。由此，远远更多的代谢物可以有利地与它们的底物区分开，这基于由此可得到的更大化学位移分散，且甚至更有利地，超极化的非零核自旋的氘化可以扩展可能用于最终的超极化化合物和它们的代谢物的成像的非零核自旋集合。例如，在底物的化学位移和其代谢物的化学位移彼此非常类似或甚至彼此过于接近以其它方式不能区分或检测的那些情况下，氘化实际上是特别有用的。上述情况的一个代表性实例可以是化合物甘氨酸的情况，其中底物甘氨酸当未氘化时含有一个长Tl位置(I-C),当被氘化时含有2个长Tl位置(I-C和2-C)。应当指出，在I-C位置表现出相对于它的预期主要代谢物的微小化学位移差异(小于O. 5ppm)的同时，2-C位置相反地表现出相对于预期代谢物中的相当位置的几个ppm (最多9ppm)化学位移差异。值得注意的是，根据本发明从对应的超极化前体得到的活性底物，具体地能够响应于下述因素而表现出化学位移的变化生理条件的变化(例如血管系统中的pH、p02,PCO2、氧化还原电位、温度或离子浓度的变化)，或代谢活动的后果，诸如细胞摄入、细胞溶质反应，诸如转氨酶反应(包括氨基酸例如天冬氨酸，和酮酸例如草酰乙酸酯)和糖酵解(包括碳水化合物例如葡萄糖)，线粒体反应诸如TCA循环反应(包括水合的分子,例如顺乌头酸酯)，氧化还原反应(包括酮体例如乙酰乙酸酯)或β氧化(包括短链和中链脂肪酸例如丁酸酯)。例如，优选的活性底物在3Τ的场会表现出下述化学位移差异超过I. 5ppm (对于季碳)、2. Ippm (对于氣化的次甲基)、4. 2ppm (对于氣化的亚甲基)、和5. 4ppm (对于氣化的甲基)。尽管本发明的方法适用于制备任意这样的分子，它特别有利地用于制备其直接离体超极化可能产生一些问题的超极化分子，或以低程度得到或甚至太难以实现超极化的超极化分子。实际上，尽管许多分子(例如羧酸)不能在它们的纯形式形成玻璃并因而必须将所述底物与玻璃成型添加剂相混合，它们的根据本发明的前体(例如酸酐或酯，优选地乙基酯)确实能够形成所述需要的纯玻璃，不需要任何其它玻璃成型添加剂。在其它情况下，所述活性底物(诸如羧酸或羧酸酯)也可能产生一些稳定性问题，诸如异构化或化学分解。因而，根据本发明，不会产生稳定性问题且在溶解于水性载体以后可以容易地转化成所需超极化底物的前体(例如羧酸的酸酐前体或酯前体)的应用是特别有利的。甚至进一步，在下述情况下，本发明的方法也是非常方便的超极化前体(诸如羧酸的酯前体)的特征在于，与它们的对应活性底物相比具有有利性质(例如导致更高超极化程度的玻璃成型性质)，因而它们的水解会产生具有与否则通过直接超极化活性底物本身可得到的极化度相比更高极化度(通常增加I. 5-4的因子)的对应活性底物。更详细地，根据所有上述优选的实施方案，优选的前体以及它们的水解产物包括，例如，下述衍生物和它们各自的水解底物 Ia)
OnnO
人丨—人+ Ha,-其中Hal是卤素原子(F、Cl、Br、I)，且R是C1-C6烷基或烯烃、环烷基或环烯烃、芳基烷基或杂芳基烷基基团，其任选地具有支链和/或被一个或多个诸如下述的另外的官能团取代-0H、C00H、-NH2, -NHCH3> -N(CH3) 2、SH、SCH3 ;或 R 是式-C0-Z 的羰基，其中 Z 是氢、-0H、任选地取代的C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、芳基或苄基；Ib)
O OM nOO
人人 R, J RWo-其中R是如在第Ia)点中所定义，且R’是任选地取代的烷基、芳基、环烷基、芳基基团(或任意组合)，其通过水解导致RCOOH和R’ COOH的释放，其中R’ COOH与RCOOH(对称酸酐)相同，或是不同的生理上可接受的羧酸(混合酸酐)；在后一种情况中，它可以是不同的活性底物、药学活性化合物或单纯的无毒物质(其中在本文中定义的“无毒物质”表示具有>0. ImmoI/Kg的LD50的化合物)。Ic)
R 人。人 CTr'R 人。-+ HC°3- + R'0H其中R是如在第Ia)点中所定义，且R’是烷基、芳基、环烷基、芳基基团(或任意组合)，其通过水解导致RCOOH和R’OH的释放，其中R’OH是羟基-或半缩醛-官能化的生理上可接受的化合物(即不同的活性底物、药学活性化合物或无毒物质)。Id)
οαβοοοο
ΑΑΛ,見 R人ο- + rA0- + aab其中R是如在第la)点中所定义，且R’是如在第Ib)点中所定义，且A和B通过例如水解导致RCOOH、R’ COOH(如上所定义)和生理上可接受的羰基化合物A_C(=0)_B的释放。Ie)下述通式的化合物 I 5 Wv \ H2O0U
IRA0fX^0-R'——-m R人O- + H2XCW + η 圖其中R是如在第Ia)点中所定义，且R’是如在第Ib)点中所定义，或是氢；Χ=Β、Ρ ；m+n=3 ;r=0_loIf)下述通式的化合物
(O \r = 0,m R人O- + ((R'七Si士0—
(4货)气〈O
Γ _ 1、m+ H2SiO3' + n R'OH
K U其中R是如在第Ia)点中所定义，且R’是如在第Ib)点中所定义，或是氢；m+n=4 ；r=0-l ;t=l-2，且所述含有硅的分子是生理上可接受的化合物，或通过本领域已知的方法容易地且快速地去除。Ig)下述通式的化合物
f X 111"m X + SO(2+r)2-
Ir or、(OH)nR O- (2+r)
\其中R是如在第Ia)点中所定义，且m+n=2，r=l_2，且所述含有硫的离子是生理上可接受的化合物，或通过本领域已知的方法容易地且快速地去除。Ih)下述通式的化合物
O
—Y其中R是如在第Ia)点中所定义，且Y是被特定基团取代的、选自B、N、Si、P、S的非金属，在羧酸RCOOH释放以后，其产生B、N、Si、P、S的非金属化合物。Ii)下述通式的化合物
权利要求
1.一种用于制备超极化活性底物的方法，所述超极化活性底物用于磁共振研究的方法中，所述制备方法 包括下述步骤 a)通过动态核极化(DNP)方法，制备所述底物的超极化前体；和 b)使所述超极化前体接触水性载体，以将它转化成所述超极化活性底物。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述转化通过所述前体的水解来实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述水解提供所述前体至少50%的转化。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述水解提供所述前体的至少75%的转化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述前体选自对称的或混合的有机环状或直链酸酐；环状或无环的二乙烯酮；酯、内酯或酰胺。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述前体富含选自13C、19F和/或15N核的各种非零核自旋核，且所述前体任选地被氘化。
7.根据权利要求5-6所述的方法，其中所述前体选自丁酸酐、丁酸-乙酸酐、顺乌头酸酐、4-亚甲基环氧丙烷-2-酮、乙酰乙酸乙酯、琥珀酸单乙基酯或琥珀酸二乙基酯、焦谷氨酸乙酯、二甲基甘氨酸乙基酯、2-氧代噻唑烷-4-甲酸乙基酯、2-氧代戊二酸单乙基酯或2-氧代戊二酸二乙基酯、苹果酸单乙基酯或苹果酸二乙基酯、苯丙氨酸乙基酯、N-乙酰基谷氨酰胺和N-乙酰基甘氨酸。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述前体选自1，1’-13C2-丁酸酐、1-13C-丁酸-乙酸酐、6-13C-顺乌头酸酐、4-亚甲基环氧丙烷-2-13C-酮、1-13C-乙酰乙酸乙酯、1，3-13C2-乙酰乙酸乙酯、1，4-13C2-琥珀酸酯_ (I)-乙基酯、1-13C-焦谷氨酸乙酯、2-13C-d2-二甲基甘氨酸乙基酯、1-13C-2-氧代噻唑烷-4-甲酸乙基酯、1-13C-2-氧代戊二酸-(I) -乙基酯、1，4-13C2-苹果酸乙酯、5-13C-N-乙酰基谷氨酰胺和2-13C-2d_N-乙酰基甘氨酸。
9.根据权利要求1-8所述的方法，其中所述水性载体选自水、生理盐水溶液和缓冲溶液。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述水性载体另外包含选自碱性碱和有机酸或无机酸的添加剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述添加剂选自氢氧化钠和盐酸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在酶存在下进行所述超极化前体的转化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述酶选自酯酶、酰基转移酶和脂肪酶。
14.根据权利要求I所述的方法，其中所述前体是这样的酯所述酯在100°C以下为液体，并在快速冷冻时形成非结晶固体，所述方法任选地在酶存在下进行。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述酯选自乙酰乙酸乙酯、焦谷氨酸乙酯、2-氧代噻唑烷-4-甲酸乙基酯和二甲基甘氨酸乙基酯、琥珀酸-(I)-乙基酯、2-氧代戊二酸-(I)-乙基酯、苹果酸-(I)-乙基酯和苯丙氨酸乙基酯。
16.一种用于运行MRI系统的方法，所述方法包括下述步骤 a)使已经位于所述MRI系统中并用从根据上述方法的前体得到的超极化活性底物处理过的受试者经历选择的辐射频率，以激发所述活性底物的非零核自旋核中的核自旋跃迁；和b)记录来自所述受激核的MR信号。
17.一种用于运行MRI系统的方法，所述方法包括下述步骤 a)使用从根据上述方法的前体得到的超极化活性底物预处理过的且已经位于所述MRI系统中的受试者经历选择的辐射频率，以激发所述活性底物的非零核自旋核中的核自旋跃迁；和 b)记录来自所述受激核的MR信号。
全文摘要
本发明一般地涉及一种制备准备好用于体内MR诊断成像的超极化分子水溶液的方法、所述水溶液作为MRI造影剂在用于产生人或非人动物体器官、部位或组织的诊断性MR图像的研究方法中的用途。
文档编号A61K49/10GK102892434SQ201180023749
公开日2013年1月23日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者S·艾米, G·B·吉奥温扎纳, F·特多尔蒂, A·麦奥奇, F·尤吉里, P·R·简森, M·卡尔逊, M·H·勒西, M·维希加里, M·克罗塞蒂, L·波吉 申请人:伯拉考成像股份公司