Nanoclusters de carbonato de cálcio amorfo paramagnético altamente hidratado como agente de contraste para ressonância magnética

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5088 (2022) Citar este artigo

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O carbonato de cálcio amorfo desempenha um papel fundamental como precursor transitório nos estágios iniciais da formação biogênica de carbonato de cálcio na natureza. No entanto, devido à sua instabilidade em solução aquosa, ainda é raro o sucesso na utilização do carbonato de cálcio amorfo na biomedicina. Aqui, relatamos o efeito mútuo entre íons paramagnéticos de gadolínio e carbonato de cálcio amorfo, resultando em nanoaglomerados de carbonato amorfo paramagnético ultrafinos na presença de ambiente semelhante a carbonato altamente hidratado com gadolínio e poli (ácido acrílico). Confirma-se que o gadolínio aumenta o teor de água no carbonato de cálcio amorfo, e o alto teor de água dos nanoaglomerados de carbonato amorfo contribui para a eficiência de contraste da imagem por ressonância magnética muito melhorada em comparação com os agentes de contraste à base de gadolínio disponíveis comercialmente. Além disso, o desempenho aprimorado da ressonância magnética ponderada em T1 e a biocompatibilidade de nanoaglomerados de carbonato amorfo são avaliados posteriormente em vários animais, incluindo rato, coelho e cão beagle, em combinação com segurança promissora in vivo. No geral, nanoaglomerados de carbonato amorfo de produção em massa excepcionalmente fáceis exibem excelente desempenho de imagem e estabilidade impressionante, o que fornece uma estratégia promissora para projetar agentes de contraste de ressonância magnética.

O carbonato de cálcio amorfo (ACC), que existe amplamente na natureza, desempenha um papel fundamental como precursor transitório nos estágios iniciais da formação de biominerais . Utilizando uma estratégia bioinspirada, diversos materiais com fase controlada, propriedades físicas e químicas podem ser alcançados5,6. O conteúdo altamente hidratado é uma característica distintiva do ACC e desempenha um papel fundamental na sua estabilização6,7,8,9,10,11,12. Como fase metaestável do carbonato de cálcio, o ACC é instável em solução aquosa e se transformará rapidamente em fases cristalinas devido à desidratação, ligação iônica e outros fatores6,7,8,13. Portanto, a aplicação potencial do ACC altamente hidratado é amplamente ignorada, e há poucos exemplos bem-sucedidos de utilização do ACC na biomedicina.

Um parâmetro significativo para melhorar o desempenho contrastante dos agentes de contraste T1 para ressonância magnética à base de gadolínio é a sua hidratação14. Com sete elétrons não pareados, o íon gadolínio possui um grande momento magnético e um longo tempo de relaxamento do spin do elétron, levando a numerosos agentes de contraste extracelulares à base de gadolínio clinicamente disponíveis para ressonância magnética T1 . Em virtude da funcionalização versátil para interagir com biomoléculas in vivo e reduzir as taxas de vazamento de íons gadolínio beneficiando-se de uma nanoestrutura inorgânica, os nanoagentes inorgânicos baseados em Gd atraíram atenção considerável . Infelizmente, a hidratação de nanopartículas à base de gadolínio sofre de síntese em alta temperatura, embora o consequente vazamento de íons seja minimizado pela nanoestrutura confinada em comparação com complexos quelatos .

Aqui, introduzimos íons de gadolínio no processo de mineralização do ACC, que comprovadamente estão integrados na fase final de carbonato de cálcio amorfo. Neste sistema amorfo, os íons de gadolínio em conjunto com o poli(ácido acrílico) facilitam a hidratação aprimorada da água e a estabilidade dos nanoclusters, enquanto o confinamento dos íons de gadolínio pelo carbonato melhora a biocompatibilidade e o desempenho, indicando que o produto resultante possui propriedades notáveis ​​de agente de contraste para ressonância magnética. Além disso, é descoberto um efeito mútuo entre o íon lantanídeo gadolínio paramagnético e o carbonato de cálcio amorfo, o que contribui para o conteúdo hidratado maximizado nos nanoaglomerados compósitos amorfos preparados e um alto relaxamento longitudinal. Os nanoaglomerados finais de carbonato amorfo paramagnético (ACNC) possuem uma alta proporção de água para Ca (água / Ca = 7,2) em comparação com os ACCs normais (as proporções permaneceram constantes em cerca de 0,4-1,9). A relaxividade longitudinal do ACNC (37,93 ± 0,63 mM−1 · s−1 abaixo de 3,0 T) também se beneficiou do alto teor de água, que é dez vezes maior do que o agente de contraste para RM comercialmente disponível, ácido gadopentético (Gd-DTPA). e altamente resistente ao vazamento de íons, podendo servir como um potencial agente de contraste para RM.