MRI 조영제로서의 고수화 상자성 비정질 탄산칼슘 나노클러스터

Apr 04, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5088(2022) 이 기사 인용

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비정질 탄산칼슘은 자연에서 생체 탄산칼슘 형성의 초기 단계에서 일시적 전구체로서 중요한 역할을 합니다. 그러나 수용액에서의 불안정성으로 인해 비정질 탄산칼슘을 생물의학에 활용하는 데 성공하는 경우는 여전히 드물다. 여기에서 우리는 상자성 가돌리늄 이온과 비정질 탄산칼슘 사이의 상호 효과를 보고하여 가돌리늄이 폐색된 고도로 수화된 탄산염 유사 환경과 폴리(아크릴산)의 존재 하에서 초미세 상자성 비정질 탄산염 나노클러스터를 생성합니다. 가돌리늄은 비정질 탄산칼슘의 수분 함량을 향상시키는 것으로 확인되었으며, 비정질 탄산칼슘 나노클러스터의 높은 수분 함량은 시판되는 가돌리늄 기반 조영제에 비해 자기공명영상 조영 효율을 훨씬 향상시키는 데 기여합니다. 또한, 강화된 T1 강조 자기공명영상 성능과 무정형 탄산염 나노클러스터의 생체적합성은 쥐, 토끼, 비글개를 포함한 다양한 동물에서 유망한 생체 내 안전성과 함께 추가로 평가되었습니다. 전반적으로, 매우 손쉬운 대량 생산이 가능한 비정질 탄산염 나노클러스터는 뛰어난 이미징 성능과 인상적인 안정성을 나타내며 이는 자기 공명 조영제 설계에 유망한 전략을 제공합니다.

자연계에 널리 존재하는 비정질 탄산칼슘(ACC)은 바이오미네랄 형성의 초기 단계에서 일시적 전구체로서 중요한 역할을 합니다1,2,3,4. 생체 영감 전략을 사용하면 제어된 위상, 물리적, 화학적 특성을 가진 다양한 재료를 얻을 수 있습니다5,6. 높은 수분 함량은 ACC의 특징이며 안정화에 중추적인 역할을 합니다6,7,8,9,10,11,12. 탄산칼슘의 준안정상인 ACC는 수용액에서 불안정하며 탈수, 이온 결합 및 기타 요인6,7,8,13으로 인해 빠르게 결정상으로 변환됩니다. 따라서 고수화 ACC의 잠재적인 응용은 대부분 무시되고 있으며, ACC를 생물의학에 활용한 성공적인 사례는 거의 없습니다.

가돌리늄 기반 T1 MRI 조영제의 대조 성능을 향상시키는 중요한 매개 변수 중 하나는 수화입니다. 7개의 짝을 이루지 않은 전자를 가진 가돌리늄 이온은 큰 자기 모멘트와 긴 전자 스핀 완화 시간을 가지고 있어 T1 MRI14,15에 대해 임상적으로 이용 가능한 수많은 세포외 가돌리늄 기반 조영제를 제공합니다. 생체 내에서 생체 분자와 상호 작용하는 다양한 기능화와 무기 나노 구조의 이점을 활용하는 낮은 가돌리늄 이온 누출 속도 덕분에 Gd 기반 무기 나노 에이전트는 상당한 관심을 끌었습니다. 불행하게도 가돌리늄 기반 나노입자의 수화는 고온 합성으로 인해 어려움을 겪지만, 결과적인 이온 누출은 킬레이트 복합체15에 비해 제한된 나노구조에 의해 최소화됩니다.

여기서는 최종 비정질 탄산칼슘 단계에 통합되는 것으로 입증된 ACC 광물화 공정에 가돌리늄 이온을 도입합니다. 이 비정질 시스템에서 가돌리늄 이온은 폴리(아크릴산)과 함께 강화된 수화수 및 나노클러스터의 안정성을 촉진하는 반면, 탄산염에 의한 가돌리늄 이온의 가두기는 생체 적합성과 성능을 향상시켜 결과 제품이 주목할만한 MRI 조영제 특성을 가지고 있음을 나타냅니다. 또한, 상자성 란탄족 가돌리늄 이온과 비정질 탄산칼슘 사이의 상호 효과가 발견되었으며, 이는 준비된 비정질 복합 나노클러스터의 최대 수화 함량과 높은 세로 이완에 기여합니다. 최종 상자성 비정질 탄산염 나노클러스터(ACNC)는 일반 ACC(비율은 약 0.4~1.9로 일정하게 유지됨)에 비해 높은 물 대 Ca 비율(물/Ca = 7.2)을 가지고 있습니다. ACNC의 종방향 이완성(3.0 T에서 37.93 ± 0.63 mM−1·s−1)은 또한 시중에서 판매되는 MR 조영제 gadopentetic acid(Gd-DTPA)보다 10배 더 높은 높은 수분 함량으로 인해 이점을 얻었습니다. 이온 누출에 대한 저항성이 높아 잠재적인 MR 조영제 역할을 할 수 있습니다.