Design, synthesis and chemical characterization of new rigid macrocyclic ligand based Magnetic Resonance imaging probes: the safe way in diagnosis with manganese(II) complexes
Mangán(II)komplexekkel a biztonságos diagnosztikáért: új, merevvázú makrociklusos komplexképzők tervezése, előállítása és kémiai jellemzése Mágneses Rezonanciás kontrasztanyagok ligandumaiként
Title in English
Design, synthesis and chemical characterization of new rigid macrocyclic ligand based Magnetic Resonance imaging probes: the safe way in diagnosis with manganese(II) complexes
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
60 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)
25 %
Ortelius classification: Analytical chemistry
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)
15 %
Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Department of Physical Chemistry (University of Debrecen)
Participants
Csupász, Tibor Fodor, Tamás Gál, Gyula Tamás Garda, Zoltán Horváth, Dávid Kálmán, Ferenc Kukuts, Péter Madarasi, Enikő Szücs, Dániel Tóth, Imre Tóth-Molnár, Enikő Váradi, Balázs
Starting date
2016-10-01
Closing date
2021-09-30
Funding (in million HUF)
43.082
FTE (full time equivalent)
15.43
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Egy a közelmúltban felfedezett, a Mágneses Rezonanciás Képalkotásban (MRI) alkalmazott Gd3+-alapú kontrasztanyagokkal kapcsolatba hozott potenciálisan halálos betegség, a Nefrogén Szisztémás Fibrózis (NSF), olyan új kutatási irányokat indított el a koordinációs kémia területén, amelyek célja biztonságosabb kontrasztanyagok fejlesztése. Ezen pályázat célja is olyan, a Mn2+-ion komplexszálására alkalmas ligandumok tervezése és előállítása, amelyek az MRI alap és intelligens kontrasztanyagai lehetnek. Az in vivo alkalmazásra szánt Mn2+-komplexeknek több egymással nehezen összhangba hozható követelménynek kell megfelelnie, így egyszerre kell termodinamikai és redoxi szempontból stabil, kinetikailag inert és nagy relaxivitással bíró Mn2+-komplexeket előállítani, ahogy azt mi is tervezzük. Új, merev szerkezetű, a makrociklusban N és O donoratomokat, az oldalláncban karboxilát-, ill. szekunder- vagy tercier amidcsoportokat tartalmazó ciklo-nonán, -dodekán, -tetradekán, ill. -pentadekán származékok előállítását, valamint ezen ligandumok Ca2+-, Mg2+-, Zn2+- és Cu2+-, ill. a diagnosztikai szempontból értékes Mn2+-ionnal (MRI és az 52Mn izotópnak köszönhetően bimodális (MRI és PET) képalkotást is lehetővé tévő) képződő komplexeinek kémiai jellemzését kívánjuk elvégezni. Az alap komplexekre kapott eredményekre építve (stabilitás, inertség, redoxi potenciál, relaxivitás, stb.) a legjobban teljesítő ligandum(ok) szerkezeti egységeit molekuláris képalkotásban alkalmazható intelligens MRI (HSA, β-amiloid peptidhez (Aβ) és hipoxiás szövetekhez kötődő, ill. pH és Zn2+-szenzitív) kontrasztanyag jelöltekbe építjük be.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás legfontosabb célja, hogy megfelelő ligandumot találjunk a Mn2+-ion komplexszálására a komplexképzők szerkezetében eszközölt céltudatos változtatások eredményeként. Azon makrociklusos ligandumok szerkezetét már ismerjük az irodalomból, ill. az előző kutatásainkból, amelyek stabil komplexet képeznek a Mn2+-ionnal és fémion belső koordinációs szférájában vízmolekulát is tartalmaznak (pl.: NO2A, tPC2A, cO2DO2A, tO2DO2A, BP2A, stb.), de a disszociációs kinetikai tulajdonságaik további ”javítást” igényelnek, mivel a kontrasztanyagból esetleg nagy mennyiségben felszabaduló Mn2+-ion is toxikus (pl. Manganizmus megbetegedés). A Mn2+-komplexek kinetikai inertségének javulása a komplexképzők bázicitásának csökkentésével érhető el, amely a makrociklusos gyűrűben lévő bázikus nitrogén donoratomok oxigénnel való helyettesítésével és/vagy az acetátcsoportok semleges amidcsoportokra történő cseréjével valósíthatók meg. Ezen túl az amid oldalláncok természete is hatással van a képződő komplexek inertségére, ami hasznos eszköz lehet a komplexek kinetikai inertségének további „hangolásában”. A ligandumok alapvázának merevebbé tétele ugyancsak hasznos eszköz, amit az irodalmi evidenciák alapján jó tulajdonságokkal rendelkező komplexek módosításában kívánunk alkalmazni (a Py-15aneN5 és Py-15aneN3O2 komplexképzők 1,2-helyettesített benzil és ciklohexilén, ill. 1,4-szubsztituált piperazin származékai, ill. keresztkötött ligandumok). A kinetikai paraméterek javítása elengedhetetlen az intelligens kontrasztanyagok előállításánál, hiszen a ligandumok szerkezeti módosítása „okos” kontrasztanyaggá való átalakításuk során negatívan befolyásolja a komplexek kinetikai inertségét.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A jelenleg alkalmazott MRI kontrasztanyagokkal ellentétben (Gd3+-alapúak) a Mn2+-ion alapú ágensek alkalmazása az orvosi diagnosztikában számos előnnyel kecsegtet, mivel kisebb egészségügyi kockázattal, kisebb költséggel és kisebb környezeti hatással jár felhasználásuk. Amennyiben sikerül a Mn2+-komplexálására megfelelő ligandumot találni, a komplexképző szerkezetét továbbfejlesztve intelligens MRI kontrasztanyagok előállítására is lehetőség nyílik, többek között pH változás (így daganatok korai stádiumban való észlelése miatt), a hipoxia (az egészséges és a beteg sejtek jobb elkülönítése MRI és PET technikák segítségével), a Zn2+-ion koncentráció (a kettes típusú diabétesz előrehaladásának és gyógyszermolekulák hatásmechanizmusának vizsgálata, a prosztatarák előrehaladásának a követése, stb.), valamint az amiloid plakkok képződésének (Alzheimer kór) detektálása válik lehetővé in vivo körülmények között nem invazív és nem destruktív módszer alkalmazásával. A felhasználási lehetőségek listája később kiterjeszthető a Gd3+-ion alapú komplexek irodalmi adatai alapján további „okos” kontrasztanyagok (pl. ,a Ca2+-ion koncentráció követésére vagy az enzim aktivált kontrasztanyagok, stb.) előállítására. Ez az oka annak, hogy világszerte több kutatócsoport és gyógyszergyártó cég is érdekelt a biztonságos (átmenetifém alapú) MRI kontrasztanyagok fejlesztésében. Magyarországon a hasonló témájú kutatások közül az egyik legjelentősebb a Prof. Farkas E. és munkatársai által a tanszékünkön végezett a természetes sziderofórok Mn2+-komplexeire vonatkozó kutatása. Nemzetközi „prondon” azonban nagyon komoly versenytársaink akadnak az MRI kontrasztanyag fejlesztés terén Prof. P. Caravan (Harvard Medical School, Charlestown, MO, USA) és Prof. M. Botta (Amadeo Avogadro University of Eastern Piedmont, Alessandria, Italy) személyében, akik a tématerület prominens kutatói, miközben az ipari versenytársak közül General Electric-et kell kiemelnünk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) a modern orvostudomány egyik legleterjedtebb képalkotó eljárásává vált. A klinikai gyakorlatban alkalmazott kontrasztanyagok többsége a toxikus Gd3+ vegyületeire épül, amelyekben a toxicitást csökkentendő a fémiont nyíltláncú vagy makrociklusos ligandumok segítségével „csomagolják” be. Az MRI kontrasztanyagok piaca az előrejelzések szerint az elkövetkező években bővülni fog, amit beárnyékol az irodalomban a 2000-es évek derekán Nefrogén Szisztémás Fibrózis (NSF) néven dokumentált, a vesebetegek esetében ismertté vált megbetegedés. További figyelmeztetést jelent, hogy újabban olyan egészséges vesefunkcióval rendelkező páciensek esetében is akadtak gondok (Gd-felhalmozódás), akiket többszöri Gd3+-ion alapú kontrasztanyaggal végzett MRI vizsgálatnak vettettek alá (egészségi tényező). Végezetül pedig a szervezetből kiürülő komplex Gd3+-tartalma a szennyvizekből a környezetbe kerül, ahol a többi ritkaföldfémhez képest megnövekedett koncentrációban lesz jelen és potenciálisan környezeti problémát jelent (pozitív Gd3+ anomália). Mindez a kevésbé toxikus, környezetbarát paramágneses fémionokra tereli a figyelmet, amelyek közül a Mn2+, ill. a Fe2+/Fe3+ irányában végzett kutatások a legjelentősebbek. A jelen pályázat célja erre a „kihívásra” válaszolva új, merev szerkezetű makrociklusos ligandumok fejlesztése, amelyek kisebb egészségi és környezeti kockázatot jelentő esszenciális Mn2+-iont tartalmazó MRI kontrasztanyagok előállítását teszik lehetővé, így a közeljövőben a Gd3+-alapú kontrasztanyagok alternatívái lehetnek.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The discovery of a potentially fatal disease called Nephrogenic Systemic Fibrosis (NSF) and its association with the use of currently available Gd3+ based Magnetic Resonance Imaging (MRI) contrast agents (CA) has spurred new research with an aim to find safer MRI contrast agents. The proposed project aims to find appropriate ligands for Mn2+ complexation in order to gather a collection of basic and responsive Mn2+ based MRI probes. These candidates need to reflect the proper balance between the requirements defined for the complexes considered for in vivo use: redox- and thermodynamically stable, inert Mn2+ complexes with high relaxivity. New rigid macrocyclic ligands possessing nitrogen and oxygen donor atoms present in the ring (cyclononane, cyclododecane, cyclotetradecane or cyclopentadecane derivatives) incorporating carboxylate and secondary or tertiary amide moieties will be synthesized and their complexes formed with essential (Ca2+, Mg2+, Zn2+ and Cu2+) and diagnostic Mn2+ ions (including bimodal, MRI and PET imaging relying on the 52Mn positron emitter isotope) are going to be chemically characterized (with regards to stability, inertness, redox potential, relaxivity, water exchange rates and structure in both solid state and solutions). By analyzing the results of the research conducted in the first half of the project we aim to select the most suitable candidate(s) for incorporating a site responsible for the activation of the CA, in order to create responsive (smart) MRI CAs for molecular imaging (complexes able to respond to the changes in pH, hypoxia, Zn2+ concentration, or amyloid plaque formation) applications.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The basic aim of the present project is to find proper ligands by careful ligand design for Mn2+ complexation. The basic macrocyclic ligands that can form stable Mn2+ complexes with a coordinated water molecule in their inner coordination spheres are known from the literature and our previous studies (e.g. NO2A, tPC2A, BP2A, cO2DO2A, tO2DO2A, etc.). The complexes of these derivatives are acceptable candidates for in vivo use although their dissociation kinetics still need improvement, because higher concentrations of Mn2+ released from CAs might cause toxic side effects (known as “Manganism”). The kinetic inertness of the Mn2+ complexes can be tuned by decreasing the basicity of the ligand which is achieved either by replacement of the basic nitrogen donor atoms in the macrocycle with oxygens or by using neutral amide moieties. It is also known to be affected by the nature of the amide side arm which offers another useful tool for improving the inertness of Mn2+ complexes. Another important factor is rigidity of the ligands, which will be improved by “converting” the ligands that performed well in the literature to further rigidified ones (1,2-subtituted benzene and cyclohexane, 1,4-subtituted piperiazine derivatives of the Py-15aneN5, Py-15aneN3O2, as well as cross-bridged ligands). Tuning the inertness of the Mn2+ complexes is necessary as the “conversion” of basic ligand structures to smart (responsive) CAs usually impacts the inertness of their complexes negatively, thus we need to be prepared with a “surplus” of inertness to trade for responsivity.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Mn2+-based MRI CAs could be used for many medical applications with lower risk, cost and environmental impact than those currently in use. If our hypothesis is valid, we can extend our concept to designing safe (Mn2+-based) MRI CAs capable of detecting changes in pH (detecting cancer at an earlier stage), hypoxia (aid to delineate the healthy and cancerous cells by MRI or PET imaging), Zn2+ ion concentration (a tool that may allow investigating the development of type II diabetes as well as studying the mechanism of their drug action, follow the development of prostate cancer, etc.) as well as amyloid plaque formation (Alzheimer’s disease) in vivo by using non-invasive and non-destructive diagnostic tools. The list of applications might be extended later by using the knowledge published for Gd3+ based complexes (e.g bifunctional ligands for targeting purposes, smart CAs for detecting Ca2+ ions, enzyme activity, etc.). This is why many research groups and pharmaceutical companies around the globe are interested in the development of safe (transition metal based) MRI CAs. We are currently not aware of any competitors within Hungary, the only research that is somehow related to the proposed project was conducted at our department by Prof. E. Farkas and co-workers who have studied some synthetic and natural siderophores for Mn2+ complexation. On the international level however, there is a strong competition in the field of Mn2+ MRI CA development. Prof.’s P. Caravan (Harvard Medical School, Charlestown, MO, USA) and M. Botta (Amedeo Avogadro University of Eastern Piedmont, Alessandria, Italy) are the leading scientists of the field, while among the industrial competitors, General Electric should be mentioned.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Magnetic Resonance Imaging (MRI) has become one of the most important diagnostic tools of modern medicine for the imaging of soft tissues. The majority of the CAs used in the clinical practice are based on substances containing the highly toxic Gd3+ (owing to its similarity in size and complex forming properties to the essential Ca2+) in which the metal ion is encapsulated in a cavity provided by linear (open-chain) or macrocyclic ligands. The MRI CA market is projected to witness healthy growth in the next few years, and thus the toxicity issues documented in the literature in the past few years (Nephrogenic Systemic Fibrosis, NSF in mid 2000’s) represent a growing concern. Moreover, recently (2015) discovered problems associated with Gd3+ accumulation in patients with healthy kidney functions after undergoing multiple MRI investigations performed with the use of Gd3+-based CAs are generating an even more pronounced response (health factor). Finally, the unmetabolized complexes end up in the environment (wastewater) after excretion, where the concentration of Gd3+ (originating from CAs) was found to increase with respect to other rare earth elements (referred to as a positive Gd3+ anomaly) and create an environmental risk. All these clearly define a call for CAs reliant on less toxic and more environmentally acceptable metal ions such as Fe2+/Fe3+, Mn2+ etc. The proposed project aims to answer this call by developing Mn2+ complexes (being an essential metal ion, it generates smaller health and environmental risks) of new, rigid (improving stability and inertness) macrocyclic ligands as alternatives to gadolinium based MRI CAs.
Final report
Results in Hungarian
Az Mn(II) vegyületek kedvező fizikai-kémiai tulajdonságokkal és jó toxicitási profillal rendelkeznek, ami fenntarthatóbb alternatívává teszi ezen vegyületeket az orvosi diagnosztikában jelenleg tömegesen használt Gd(III)-alapú MRI-kontrasztanyagokkal szemben. Bár az elmúlt 10 évben számos eredmény született Mn(II)-kelátok vizsgálatai alapján, még mindig nincs végső konszenzus a Mn(II)-ion komplexálásához legmegfelelőbb ligandumplatform szerkezetét illetően. Ennek érdekében nagyszámú merev (nyíltláncú és makrociklusos) ligandumot szintetizáltunk, és jellemeztük az Mn(II)- és az esszenciális fémionokkal képződő komplexeik termodinamikai, kinetikai, relaxometriás és szerkezeti aspektusait. A vizsgálataink eredményei rámutattak arra, hogy a legjobb ligandum platformnak olyan kétszeresen helyettesített merev makrociklusos piklén származékok tekinthetők, amelyek oldalláncaiban acetát vagy tercier-amid fémkötő csoportokkal rendelkeznek. Az adott platformot stabil és inert Mn(II)-alapú okos/intelligens MRI kontrasztanyag-jelöltek szerkezetébe építettük be, amely jelöltek lehetőséget teremtenek a pH, a Zn(II)-koncentráció, a pO2-szint követésére a szövetekben, ill. angiográfiás képalkotásban (vagy pl. az Alzheimer-kór feltérképezésben) lehetnek alkalmazhatóak. Eredményeinket in vitro (fantomok segítségével) és néhány esetben in vivo (egerekben) MRI képalkotással támasztottunk alá.
Results in English
Mn(II) has favorable physicochemical characteristics and a good toxicity profile, which makes it very sustainable alternative to the Gd(III)-based MRI contrast agents currently used in medical diagnosis. Although many studies have been undertaken with Mn(II) chelates in the last 10 years, yet there is no consensus as for the most suitable ligand platform for chelating the Mn(II). To that aim we have synthesized large number of rigid (linear and macrocylic) ligands and characterized the thermodynamic, kinetic, relaxometric and structural aspects of their complexes formed with Mn(II) and essential metal ions. The results of the studies pointed out that the best ligand platform among the disubstituted rigid macrocyclic pyclen derivatives possessing acetate or tertiary amide metal binding moieties. The given platform was built into the structure of smart/intelligent stable and inert Mn(II)-based MRI probes and their possibility offering to assess the pH, Zn(II) concentration, pO2 level in tissue etc. candidates. Application of our compounds in angiographic imaging (or imaging of Alzheimer's-disease) was demonstrated in vitro (using phantoms) and in some cases in vivo (in mice) by MRI.
Ferenc K. Kálmán , Viktória Nagy, Balázs Váradi, Zoltán Garda, Enikő Molnár, György Trencsényi, János Kiss, Sandra Même, William Même, Éva Tóth and Gyula Tircsó: Mn(II)-Based MRI Contrast Agent Candidate for Vascular Imaging, J. Med. Chem. 2020, 63, 11, 6057–6065, 2020
Gyula Tircsó, Enikő Molnár, Tibor Csupász, Zoltán Garda, Richárd Botár, Ferenc K. Kálmán, Zoltán Kovács, Ernő Brücher and Imre Tóth: Gadolinium(III)-Based Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging. A Re-Appraisal, Metal Ions in Bio-Imaging Techniques Series: Metal Ions in Life Sciences Edited by: Astrid Sigel, Eva Freisinger, and Roland K.O. Sigel, De Gruyter, 2021, 2021
Gyula Tircsó, Richárd Botár, Balázs Váradi, Tibor Csupász, Zoltán Garda, Réka Anna Gogolák, Éva Jakab Tóth, Sandra Même, William Même, György Trencsényi, Imre Tóth, Ferenc Krisztián Kálmán: Mn(II)-based probes for molecular imaging applications, 16th European Molecular Imaging Meeting, 2020
Aurora Rodríguez-Rodríguez, Martín Regueiro-Figueroa, David Esteban-Gómez, Teresa Rodríguez-Blas, Véronique Patinec, Raphaël Tripier, Gyula Tircsó, Fabio Carniato, Mauro Botta, Carlos Platas-Iglesias: Definition of the Labile Capping Bond Effect in Lanthanide Complexes, Chemistry - A European Journal Volume 23, Issue 5, 2017, Pages: 1110–1117, 2017
Kálmán Ferenc Krisztián, Botár Richárd, Garda Zoltán, Nagy Viktória, Tóth Éva, Tircsó Gyula: Mn(II)-alapú intelligens kontrasztanyagok, 51. Komplexkémiai Kollokvium, 2017
Quyen N. Do, James S. Ratnakar, Zoltán Kovács, Gyula Tircsó, Ferenc Krisztián Kálmán, Zsolt Baranyai, Ernő Brücher and Imre Tóth: General Synthetic and Physical Methods, Contrast Agents for MRI: Experimental Methods Editors: Valérie C Pierre, Matthew J Allen, 2018
Gyula Tircsó, Zoltán Garda, Quyen N. Do, Kristóf Póta, Ferenc Kálmán Krisztián, MarkWoods Éva Tóth, Zoltán Kovács, and Imre Tóth: Magnetic Resonance Imaging and Solution Chemistry, 35th International Conference on Solution Chemisty (ICSC2018), August 26-30, 2018, Szeged, Hungary, 2018
Zoltán Garda, Ferenc Krisztián Kálmán, Balázs Váradi, Réka Anna Gogolák, Viktória Nagy, Kristóf Póta, Carlos Platas-Iglesias, Éva Tóth, Imre Tóth and Gyula Tircsó: Mn2+ complexes as Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging: are we there yet?, Le Studium conference: Is Multimodal Imaging an Invention with a Future? The Input of Chemistry, December 11-13, 2017, Orléans, France., 2017
Gyula Tircsó: Ligand rigidity and steric hindrance as key tools in design of kinetically inert Gd3+ and Mn2+ complexes: open-chain and macrocyclic examples, departmental Seminar, Texas Christian University, 19th of October 2017, Fort Worth, TX, USA., 2017
Zoltán Garda, Ferenc. K. Kálmán, Kristóf Póta, Viktória Nagy, Szilvia Lóczi Carlos Platas-Iglesias, Éva Tóth, Do N. Quyen, Zoltán Kovács, Imre Tóth, Gyula Tircsó: Improving the safety of the metal based relaxation agents, Conference on NMR Relaxometry and Related Methods, January 29 – 31. 2018, Turin, Italy., 2018
Richard Botár, Ferenc Krisztián Kálmán, Katinka Tarnóczi, Enikő Tóth-Molnár, Viktória Nagy, Zoltán Garda, Balázs Váradi, György Trencsényi, Éva Jakab-Tóth, Gyula Tircsó,: Characterization of novel PC2A-derivative ligands as pH-responsive "smart" MRI probes,, International Symposium on Metal Complexes (ISMEC 2019), 11-14 June, 2019, Hajdúszoboszló, Hungary., 2019
Gyula Tircsó, Balázs Váradi, Botár Richárd, Tibor Csupász, Zoltán Garda, Réka Anna Gogolák, Ferenc Krisztián Kálmán, Éva Jakab Tóth, Imre Tóth: Mn(II)-based smart/responsive Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent candidates, 15th International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry (ISABC 2019), June 2-5, 2019. Nara, Japan., 2019
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: TTK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék (Debreceni Egyetem), Új kutatóhely: TTK Fizikai Kémiai Tanszék (Debreceni Egyetem).
