钆的锰基替代品：对比增强 MR 血管造影、排泄、药代动力...
钆的锰基替代品：对比增强 MR 血管造影、排泄、药代动力学和代谢目的比较锰基磁共振 (MR) 成像造影剂锰-N-吡啶甲基-N、N '、N'-反式-1,2-环己二胺三乙酸酯 (Mn-PyC3A) 与钆喷酸葡胺 (Gd)产生的血管内对比度增强-DTPA) 并评估 Mn-PyC3A 的排泄、药代动力学和代谢。
材料和方法
使用 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA在狒狒（ Papio anubis；n = 4）中进行对比材料增强的 MR 血管造影。在 Mn-PyC3A 注射后进行 60 分钟的动态成像以监测分布和消除。通过使用电感耦合等离子体质谱法进行连续血液采样以量化锰和钆血浆清除率，并通过使用高效液相色谱法表征 Mn-PyC3A 代谢。在 Mn-PyC3A 或 Gd-DTPA 注射后 9 秒，通过测量对比噪声比 (CNR) 与肌肉的对比来量化腹主动脉和头臂动脉的血管内对比增强。血浆药代动力学采用双指数函数建模，数据与配对t检验进行比较。
结果
Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 的主动脉与肌肉 CNR（平均值 ± 标准差）分别为 476 ± 77 和 538 ± 120（P = .11）。头臂动脉与肌肉 CNR 分别为 524 ± 55 和 518 ± 140 ( P = .95)。Mn-PyC3A 通过肾脏和肝胆排泄消除，具有与 Gd-DTPA 相似的药代动力学（0 和 30 分钟之间的曲线下面积，分别为 20.2 ± 3.1 和 17.0 ± 2.4；P = .23）。高效液相色谱法没有发现 Mn-PyC3A 生物转化的证据。
结论
Mn-PyC3A 能够实现对比增强 MR 血管造影，其对比增强与基于钆的药物相当，并且可以克服对钆相关毒性和保留的担忧。
介绍
钆造影剂 (GBCA) 可在磁共振 (MR) 图像上提供阳性造影剂增强，以帮助诊断在非增强图像上可能会遗漏的组织和血管异常。因此，GBCA 是现代放射治疗的一个组成部分。在过去的十年中，关于使用 GBCA 的安全问题有所增加。2007 年，在肾功能受损的患者中观察到 GBCA 增强 MR 成像与肾源性系统性纤维化之间存在关联 。美国食品和药物管理局 (FDA) 对肾小球滤过率低于 30 mL/min/1.73 m 2的患者发布了八种市售 GBCA 中的三种的禁忌症，目前美国放射学会指南建议不要使用任何GBCA 用于肾小球滤过率低于 40 mL/min/1.73 m 2 的患者。肾功能不全的患者也可能受到碘造影剂的不利影响，在某些情况下需要血液透析 。因此，患有晚期慢性肾病或急性肾损伤的患者通常无法进行有价值的对比增强检查。
在过去的 3 年中，肾功能正常的患者出现了 GBCA 相关的安全问题。从 2014 年开始的一系列报告证实，在接受造影剂增强检查的患者中，钆长期滞留在中枢神经系统 (CNS) 和皮肤中。此外，2016 年，在接受 GBCA 治疗的肾功能正常的患者中报告了 4 例肾源性系统性纤维化。钆保留在中枢神经系统中的影响仍不清楚。欧洲药品管理局最近建议暂停四种 GBCA 的上市许可，以响应中枢神经系统中钆积累的发现（20）。FDA 最近发布了一份声明，重申没有证据表明钆在 CNS 中积累会产生毒性，但也敦促在进行 GBCA 增强检查时继续保持谨慎和克制。
人们认为，中枢神经系统中的肾源性系统性纤维化和钆积累是 GBCA 释放钆的结果。暴露于线性 GBCA 后，肾源性系统性纤维化发生率和 CNS 积累更大，线性 GBCA 通常对钆释放的抵抗力低于大环 GBCA。根据 FDA 指南对肾小球滤过率低于 30 mL/min/1.73 m 2的患者禁用的三种 GBCA 均属于线性类药物，欧洲最近建议退出市场的四种 GBCA药品管理局。锰基造影剂锰-N-吡啶甲基-N , N ', N'-trans-1,2-cyclohexenediaminetriacetate (Mn-PyC3A) 在 2015 年被报道为 GBCA 的替代品 。PyC3A 是一种六齿螯合剂，它被合理地设计为以一种同时提供高弛豫性并在很大程度上抵抗锰离解的方式来络合锰。PyC3A 螯合剂源自高度刚性的反式-1,2-环己二胺骨架，据信该骨架强烈不利于导致锰释放的分子过渡态。例如，当受到过量锌离子 (Zn 2+ )的影响时，Mn-PyC3A 对金属离子释放的惰性是钆喷酸葡胺 (Gd-DTPA) 的 20 倍。PyC3A 稳定地螯合锰离子 (Mn 2+ ) 但留下一个可用于水与 Mn 2+结合的位点离子，这导致弛豫性与 GBCA 相当（Mn-PyC3A 的R1 为 3.8 mmol · L -1 · sec -1 ，而钆酸葡甲胺 (Gd-DOTA)的 R1 为 3.6 mmol · L -1 · sec -1血浆中的 Gd-DTPA 为4.1 mmol·L -1 ·sec -1，37 °C，1.5 T )。Mn-PyC3A 还具有促进部分肝胆清除的芳香吡啶环，这一特征可能对肾功能受损的患者很重要。小鼠的对比增强 MR 成像显示，在注射后 24 小时测量时，血液清除速度快，肾和肝胆混合消除，注射的锰完全排泄。
在我们的研究中，为了验证 Mn-PyC3A 可以作为 GBCA 的可行替代品的假设，使用 3.0-T 临床成像仪在非人灵长类动物中进行了 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 的 MR 血管造影。我们研究的目的是比较锰基 MR 成像造影剂 Mn-PyC3A 与 Gd-DTPA 产生的血管内对比增强效果，并评估 Mn-PyC3A 的排泄、药代动力学和代谢。
材料和方法
EMG 和 PC 是 Reveal Pharmaceuticals 的联合创始人（该公司拥有涵盖 Mn-PyC3A 的专利许可协议），并持有该公司超过 5% 的股权。作者控制了提交出版的数据和信息。所有实验均按照美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南第 8 版进行，并得到马萨诸塞州总医院机构动物护理和使用委员会的批准。Na(Mn-PyC3A) 的合成是通过使用先前报道的方案制备的。使用无菌水将 Gd-DTPA (Bayer, Whippany, NJ) 稀释至 0.25 M。
实验方案
我们的研究中包括了两只雌性狒狒（Papio anubis；体重分别为 14.2 公斤和 17.4 公斤）（n= 2)。每只动物分别在两天内接受两次成像（每种化合物总共注射四次）。动物在研究前禁食 12 小时。用肌肉注射氯胺酮 (10 mg/kg) 和甲苯噻嗪 (0.4 mg/kg) 诱导麻醉，并用 1%–1.5% 异氟醚维持麻醉。在成像前给予一剂肌肉注射育碧 (0.11 mg/kg) 以逆转氯胺酮和甲苯噻嗪的影响。双侧大隐静脉插管分别用于造影剂输送和抽血，并将动物转移到为成像研究定制的摇篮中。造影剂的配制浓度为 0.25 M。在注射 Mn-PyC3A 后的 60 分钟和注射 Gd-DTPA 后的 30 分钟内，在注射造影剂之前、期间和之后对动物进行成像。呼气末二氧化碳、氧饱和度、在成像过程中连续监测心率和呼吸率。在整个成像实验过程中进行了连续抽血，并收集了成像研究后（注射 Mn-PyC3A 后 > 100 分钟）后通过的第一次尿液样本进行分析。
MR 成像协议
使用 3.0-T 临床全身 MR 成像仪（Siemens Biograph mMR；Erlangen，Germany）通过使用具有以下参数的三维自由呼吸冠状 T1 加权单梯度回波序列获取 MR 成像数据：重复时间毫秒/回波时间毫秒，4.32/1.42；翻转角，25°；视野，480 毫米；相位视场，78.1%（面内分辨率，1.4 mm × 1.1 mm）；截面厚度，1.5 mm；和切片数，64。基线成像后，给予 Mn-PyC3A（0.1 mmol/kg，1.5 mL/sec 注射速率），并以动态方式重复成像 60 分钟。然后以相同的剂量、注射体积和注射速率注射 Gd-DTPA，再对动物成像 30 分钟。
图像分析
通过使用开源软件 (OsiriX)分析 MR 图像。在肾动脉、头臂动脉、腰大肌、胸大肌、肾脏和肝脏正下方的腹主动脉中绘制感兴趣区域，并对信号强度进行量化。由具有 18 年临床经验 (DES) 的读者对胸主动脉分支血管的起源和近端走行进行视觉评估。噪声被量化为在动物外部空气（SD空气）中测量的信号的标准偏差。根据动脉（腹主动脉、头臂动脉）（SI动脉）和相邻肌肉（SI）之间的信号强度（SI）差异计算对比度噪声比（CNR）肌肉）根据以下等式：CNR =（SI动脉- SI肌肉）/SD空气。使用以下等式计算信噪比 (SNR)：SI/SD air。归一化 SNR 的计算方法是取造影剂注射后的 SNR，然后除以注射前的 SNR。
造影剂的松弛度
通过使用临床成像仪（Siemens Skyra；Erlangen，Germany）在 3.0 T 和 37°C 下对人血浆中的 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 进行弛豫测量。通过将 R1 绘制为 0.15-0.60 mmol/L 的药剂浓度的函数来确定松弛度。通过使用反转恢复自旋回波序列在 37°C 热护套中封装的模型上测量 R1，其中 9 个恢复时间在 50 毫秒和 3000 毫秒之间变化。
血浆和尿液分析
通过使用电感耦合等离子体质谱系统（Agilent 8800-QQQ；Santa Clara，Calif）测定血浆中的锰和钆含量。血浆样品用 5% 硝酸中的 0.1% Triton X-100 稀释。每天生成从 0.1 ppb 到 200 ppb 范围内的每种金属的线性校准曲线用于量化。等离子体锰和钆清除数据适合双指数模型：Cp (t) = A exp (-α t ) + B exp (-β t )，其中Cp (t)是时间t、α 和 β的等离子体金属浓度分别是分布率和消除率，A和B分别是分布系数和消除系数。曲线下面积是通过整合 0- t之间的清除数据来估计的，而Cp (0)是根据A + B的总和估计的。还通过使用与电感耦合等离子体质谱系统接口作为检测器的高效液相色谱法分析血浆和尿液。
统计分析
Mn-PyC3A和Gd-DTPA的CNR和药代动力学参数比较采用双边配对t检验。P值小于 0.05 被认为具有统计学意义（GraphPad Prism ）。
结果
弛豫度测量
在 3.0 T 和 37°C 下测量的 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 在人血浆中的 T1 弛豫度为 3.4 mmol·L -1 ·sec -1 ± 0.03 和 4.2 mmol·L -1 ·sec -1 ± 0.38，分别。
磁共振成像
两种造影剂均产生强烈的血管内造影增强。腹主动脉和肾动脉在动脉期用 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 很好地勾画出来（图 1）。Mn-PyC3A 的腹主动脉与邻近肌肉的 CNR 为 476 ± 77（平均值 ± 标准差），Gd-DTPA 为 538 ± 120（P = .11；表 1）。同样，图 2显示了分别在注射 Mn-PyC3A 或 Gd-DTPA 之前和之后 9 秒的主动脉弓分支血管的轴向视图。Mn-PyC3A 的头臂动脉与邻近肌肉的 CNR 为 524 ± 55，Gd-DTPA 为 518 ± 140 ( P = .95;表 1）。用两种药剂观察所有分支血管。腹主动脉和头臂动脉中 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 的 CNR 值列于表 1中，表明两种药物在 MR 血管造影特性方面具有相当的增强作用。
图 1：在 3.0 T 下采集的三维 T1 加权梯度回波（体积插值屏气检查）序列的多平面重新格式化冠状图像显示腹主动脉和肾动脉，A，在注射造影剂之前，B，9注射 0.1 mmol/kg Mn-PyC3A 后 2 秒，以及注射 0.1 mmol/ kgGd-DTPA 后 9 秒。
表 1注射 Mn-PyC3A 与 Gd-DTPA 后 9 秒的 CNR 比较表明血管内对比度增强的程度相似
注：数据为平均值±标准偏差。
图 2：轴向 T1 加权图像显示胸主动脉分支动脉，A，注射 Mn-PyC3A 后 9 秒，B，注射 Gd-DTPA 后 9 秒。图像是在与冠状胸部图像相交的绿线水平C处获得的。
动态 MR 成像显示 Mn-PyC3A 经历混合的肾和肝胆清除。图 3，A-D是肾脏在 Mn-PyC3A 注射之前、9 秒、20 分钟和 40 分钟后的多平面重新格式化图像。注射 Mn-PyC3A 后，肾脏和输尿管立即出现强烈增强，但随着时间的推移而减弱。图 3，E-H，是肝脏和胆管树的多平面重新格式化图像。肝脏增强延迟但在 2 分钟后增加（在 Mn-PyC3A 注射之前和之后 2 分钟的肝肌肉 CNR 分别为 9.0 ± 8.2 和 67.2 ± 15.4），然后在整个成像实验过程中基本保持不变。注射后 20 分钟胆道增强明显，并随时间增加。图 3，I-K，将血液、肾脏和肝脏中的标准化 SNR 描绘为 Mn-PyC3A 注射后的时间函数。注射后血液和肾脏立即得到强烈增强，之后标准化 SNR 呈双指数下降。注射 Mn-PyC3A 后血液和肾脏信号增强的时间过程与注射 Gd-DTPA 后观察到的相似（图 E1 [在线]）。
图 3： Mn-PyC3A 通过肾脏（顶行）和肝脏（第二行）的药代动力学和消除。顶部和中间面板中的多平面重新格式化的连续图像分别显示A-D泌尿生殖系统和E-H肝脏。图像是在 Mn-PyC3A 注射前获得的，A，E，B，F，在 9 秒，C，G，在 20 分钟，D，H，在注射后 40 分钟。A-D，图像描绘了肾脏、腹主动脉、肾动脉和输尿管（箭头）。快速肾滤过由注射后 9 秒的强肾增强和 20 分钟时的有限增强来证明。通过输尿管中的信号增强也可以明显看出尿液中的清除。E–H，图像描绘肝脏、胆总管（白色箭头）和十二指肠（黑色箭头）。从 20 分钟开始延迟肝增强和胆汁排泄，肝胆清除明显。I-K ，图表分别显示血液、肾脏和肝脏的标准化 SNR (nSNR)时间过程，记录到 Mn-PyC3A 注射后 60 分钟。实线是数据的双指数拟合。
药代动力学
表 2显示了从 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 血浆清除率数据估计的药代动力学参数。对于 Mn-PyC3A，该化合物表现出典型的细胞外造影剂的双指数清除率，其分布半衰期为 1.2 分钟 ± 0.3，消除半衰期为 40.1 分钟 ± 3.2。由于 Gd-DTPA 注射后的血液取样仅进行了 30 分钟，因此无法获得 Gd-DTPA 消除半衰期的可靠估计。在可用于比较的 0-30 分钟窗口期间，这些药物表现出相似的血浆清除率曲线（图 E2 [在线]）。从 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 血浆清除率数据计算的 0 到 30 分钟之间的曲线下面积几乎相同（分别为 20.2 ± 3.1 和 17.0 ± 2.4；P = .23) 并表明这两种药物以相似的药代动力学分布并从血液中消除。
表 2注射 0.1 mmol/kg Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 记录的分布和消除半衰期和 AUC 0-30
注：数据为平均值±标准偏差。AUC 0–30 = 0 到 30 分钟之间曲线下的面积。ND = 由于数据不足而未确定。
代谢
Mn-PyC3A 作为溶液中两种可相互转化的非对映异构体的混合物存在，这是由配体包裹锰离子的方式产生的。这些异构体的平衡比为 1:13，可通过高效液相色谱分离，如图 4 A所示，保留时间分别为 7.5 分钟和 8.3 分钟。在血浆中，注射 Mn-PyC3A 后唯一存在的含锰物质是两种 Mn-PyC3A 异构体（图 4，B），两种异构体以相同的速率从血浆中清除。图4，C，显示了成像实验后第一次尿液的高效液相色谱痕迹，这发生在 Mn-PyC3A 注射后 100 多分钟。与血清中一样，唯一存在的锰种类是 Mn-PyC3A 异构体。
图 4：在 Mn-PyC3A 注射后，采用电感耦合等离子体质谱法检测血浆和尿液中痕量锰的高效液相色谱显示没有代谢迹象。A，从注入材料溶液中记录的痕量；在 7.3 分钟和 8.5 分钟洗脱的物质是 Mn-PyC3A 的两种可相互转化的非对映异构体。B，在 Mn-PyC3A 注射后 0、1、2、5、10、15、30、45 和 60 分钟（从前到后）抽取的血浆中记录的痕迹。C，从成像实验后收集的尿液中记录的痕量（注射后>100分钟）。Mn-PyC3A 是唯一在血液和尿液中发现的含锰物质。
讨论
我们的影像学和药代动力学数据支持这样的假设，即 Mn-PyC3A 是 GBCA 的潜在可行替代品。Mn-PyC3A 的弛豫性与市售的 GBCA Gd-DTPA 相当，MR 血管造影显示 Mn-PyC3A 在血管成像方面的表现与 Gd-DTPA 相当。腹部动态成像显示快速血液清除和 Mn-PyC3A 的混合肾和肝胆消除。成像研究在 3.0 T 下进行，但 Mn-PyC3A 在低场（3.8 mmol · L -1 · sec -1在 1.4 T，37°C）的等离子体弛豫度也与大多数 GBCA 在 1.5 T 下的弛豫度相似。我们预计 Mn-PyC3A 在较低场强下的表现也与 GBCA 相似。实际上，在 1.5 T 和 3.0 T 下，Mn-PyC3A 的弛豫度在报道的钆喷酸、钆特醇和钆酸的等离子弛豫度的 10% 以内。
Mn-PyC3A 的药代动力学行为与细胞外分布一致，这是一种小的亲水阴离子螯合物所预期的。在 Mn-PyC3A 注射后收集的血液和尿液的离体分析强烈表明 Mn-PyC3A 不会发生显着的解离，而是完整地排出体外。在血液和尿液中仅检测到完整的 Mn-PyC3A。已知游离的、解离的 Mn 2+除了肝胆摄取外，还会在心肌和胰腺中积累。动态 MR 成像显示 Mn-PyC3A 通过肝脏转运到胆汁中。然而，心肌或胰腺没有持续的对比增强，这表明它是完整的 Mn-PyC3A 而不是游离的 Mn 2+正在被肝细胞吸收。没有可观察到的代谢或解离表明 Mn-PyC3A 注射后信号变化的动态将仅反映造影剂的分布，并进一步支持 Mn-PyC3A 和 GBCA 之间的互换性。在肾功能不全的情况下，肝胆清除可能对消除造影剂很有价值。
安全有效地使用锰基造影剂已经有先例。造影剂双吡哆醇二磷酸锰具有 FDA 用于肝脏病变成像的适应症，尽管该产品已停产 。双吡哆醇二磷酸锰在注射时解离，将游离锰释放到血液中 ，然后迅速被肝脏、胰腺和心肌吸收。从尿液中回收的二磷酸二吡啶螯合剂几乎完全去除了锰。尽管通过释放游离 Mn 2+发挥作用离子，双吡啶二磷酸锰已安全用于数以万计的患者。由于 Mn-PyC3A 被迅速消除并且对锰释放具有高度抵抗力，因此可以合理地预期，静脉注射 0.1 mmol/kg Mn-PyC3A 导致的任何潜在的游离 Mn 2+暴露将在锰耐受性阈值内。
我们的研究存在一些局限性。尽管在 Mn-PyC3A 和 Gd-DTPA 之间观察到可比的 MR 血管造影对比增强，但该研究不足以证明等效性。另一个限制是由于在成像研究后没有处死动物，因此无法获得定量的锰生物分布数据。此外，实验设计不允许量化尿液和粪便中的 Mn-PyC3A 部分排泄。实验设计还缺乏检查通过肝胆途径排泄的 Mn-PyC3A 是否发生生物转化的方法。尽管有这些限制，在 Gd-DTPA 和 MnPyC3A 之间观察到相当的对比增强，混合的肾和肝胆清除，快速消除，
我们的研究结果表明进一步评估了 Mn-PyC3A 作为 GBCA 的替代品。Mn-PyC3A 的分子大小和药代动力学表明，它还可有效检测内皮通透性和细胞外体积增强的病理，例如肿瘤。Mn-PyC3A 的肝胆消除也可能证明对通过使用延迟期肝脏成像检测肝脏病变有用。未来的工作应该解决 Mn-PyC3A 在其他疾病状态模型中与 GBCA 的功能相当的能力。同时，有必要对 Mn-PyC3A 的临床前安全性进行详细研究，以将该化合物推进临床评估。
总之，Mn-PyC3A 是一种新开发的锰基 MR 成像造影剂，在 3.0 T 狒狒模型中产生的 MR 血管造影增强效果与市售的 GBCA Gd-DTPA 相当，通过混合肾和肝胆清除途径，并且在没有任何可观察到的代谢的情况下迅速排出。
知识进步
[*]■ 锰基造影剂 Mn-PyC3A 在非人类灵长类动物模型中产生的血管内造影剂增强效果与市售的基于钆的造影剂钆喷酸葡胺 (Gd-DTPA) 相当。
[*]■ Mn-PyC3A 通过肾脏和肝胆排泄清除，并从血浆中消除，其药代动力学与 Gd-DTPA 相当。
[*]■ 血浆和尿液的高效液相色谱检查表明，Mn-PyC3A 被完整清除，没有发生代谢或降解。
对患者护理的意义
[*]■ Mn-PyC3A 可以对目前禁忌使用钆造影剂的肾功能不全患者进行对比增强磁共振血管造影。
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