Nanoaglomerados paramagnéticos de carbonato de cálcio amorfo altamente hidratados como agente de contraste para ressonância magnética

Oct 21, 2023

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 de carbonato de cálcio biogênico na natureza. No entanto, devido à sua instabilidade em solução aquosa, ainda é raro o sucesso na utilização do carbonato de cálcio amorfo em biomedicina. Aqui, relatamos o efeito mútuo entre os íons paramagnéticos de gadolínio e o carbonato de cálcio amorfo, resultando em nanoaglomerados de carbonato amorfo paramagnético ultrafino na presença de um ambiente semelhante ao carbonato altamente hidratado ocluído por gadolínio e poli(ácido acrílico). Confirmou-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 ressonância magnética muito aprimorada 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 nanoclusters de carbonato amorfo são avaliados em vários animais, incluindo ratos, coelhos e cachorros beagle, em combinação com uma segurança promissora in vivo. No geral, nanoclusters 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 agente 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 biomineral1,2,3,4. Usando 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 uma fase metaestável do carbonato de cálcio, o ACC é instável em solução aquosa e se transformará em fases cristalinas rapidamente devido à desidratação, ligação iônica e outros fatores6,7,8,13. Portanto, a aplicação potencial de ACC altamente hidratado é amplamente ignorada e há poucos exemplos de sucesso para utilizar ACC em biomedicina.

Um parâmetro significativo para melhorar o desempenho contrastante dos agentes de contraste T1 para RM à base de gadolínio é 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 disponíveis clinicamente para T1 MRI14,15. Em virtude da funcionalização versátil para interagir com biomoléculas in vivo e menores taxas de vazamento de íons gadolínio beneficiando-se de uma nanoestrutura inorgânica, os nanoagentes inorgânicos à base de Gd atraíram considerável atenção15,16. Infelizmente, a hidratação das nanopartículas à base de gadolínio sofre com a síntese em alta temperatura, embora o consequente vazamento de íons seja minimizado pela nanoestrutura confinada em comparação com os complexos quelatos15.

Aqui, introduzimos íons de gadolínio no processo de mineralização do ACC, que comprovadamente são integrados à 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 nanoaglomerados, 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 de ressonância magnética. Além disso, um efeito mútuo entre o íon lantanídeo gadolínio paramagnético e o carbonato de cálcio amorfo é descoberto, o que contribui para o conteúdo hidratado maximizado nos nanoaglomerados compósitos amorfos preparados e uma alta relaxação longitudinal. Os nanoaglomerados de carbonato amorfo paramagnético final (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 sob 3,0 T) também se beneficiou do alto teor de água, que é dez vezes maior que o do agente de contraste MR comercialmente disponível ácido gadopentético (Gd-DTPA) e altamente resistente ao vazamento de íons para que possa servir como um potencial agente de contraste para RM.