Наночастицы Gd2O3@@C и Gd2O3@SiO2 как контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии исследованы новые препараты на основе 1–2 нм частиц Gd2O3, нанесенных на малослойные графитовые фрагменты, а также частицы со структурой типа ядро–оболочка составов Gd2O3@SiO2, Gd2O3@C и его поверхностно-окисленный аналог. Изучено влияние строения, размера частиц и природы оболочки, в том числе ее функционализации карбоксильными группами, на время релаксации протонов в молекулах воды. В качестве контрастных агентов сравнения исследованы дисперсии Gd(NO3)3·6H2O и 300–500 нм частицы Gd2O3 в желатине. Показано, что релаксивность исследованных контрастов не является линейной величиной, что связано с изменением координационного окружения Gd3+ при увеличении его концентрации в растворах Gd(NO3)3·6H2O, а в случае Gd2O3@SiO2 и Gd2O3@C — с образованием ассоциатов. При окислении поверхности Gd2O3@C происходит увеличение гидрофильности частиц и уменьшение размера ассоциатов, что приводит к уменьшению релаксивности.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Евгения Викторовна Суслова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1945-9842

химический факультет, к.х.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Ольга Сергеевна Павлова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2574-1978

факультет фундаментальной медицины, к.ф.-м.н.

Russian Federation, 119991, г. Москва, Ломоносовский пр., д. 27, корп. 1

Зухро Одиловна Зоирова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0009-0009-9949-6221

химический факультет, факультет наук о материалах

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Денис Алексанрович Шашурин

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3463-5963

факультет фундаментальной медицины, к.м.н.

Russian Federation, 119991, г. Москва, Ломоносовский пр., д. 27, корп. 1

Игорь Юрьевич Каплин

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5091-6290

химический факультет, к.х.н.

Russian Federation, 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Георгий Александрович Шелков

Международная межправительственная организация «Объединенный институт ядерных исследований»

Email: suslova@kge.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3468-9761

к.ф.-м.н.

Russian Federation, 141980, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 13

References

  1. Lv J., Roy S., Xie M., Yang X., Guo B. Contrast agents of magnetic resonance imaging and future perspective // Nanomaterials. 2023. V. 13. P. 2003(1)–2003(22). https://doi.org/10.3390/nano13132003
  2. Henderson I. M., Benevidez A. D., Mowry C. D., Watt J., Bachand G. D., Kirk M. L., Dokładny K., DeAguero J., Escobar G. P., Wagner B. Precipitation of gadolinium from magnetic resonance imaging contrast agents may be the Brass tacks of toxicity // Magn. Resonance Imaging. 2025. V. 119. P. 110383(1)–110383(9). https://doi.org/10.1016/j.mri.2025.110383
  3. Chen S., An L., Yang S. Low-molecular-weight Fe(III) complexes for MRI contrast agents // Molecules. 2022. V. 27. N 14. P. 4573(1)–4573(17). https://doi.org/10.3390/molecules27144573
  4. Wan F., Wu L., Chen X., Zhang Y., Jiang L. Research progress on manganese complexes as contrast agents for magnetic resonance imaging // Polyhedron. 2023. V. 242. P. 116489(1)–116489(10). https://doi.org/10.1016/j.poly.2023.116489
  5. Si G., Du Y., Tang P., Ma G., Jia Z., Zhou X., Mu D., Shen Y., Lu Y., Mao Y., Chen C., Li Y., Gu N. Unveiling the next generation of MRI contrast agents: Сurrent insights and perspectives on ferumoxytol-enhanced MRI // National Sci. Rev. 2024. V. 11. N 5. nwae057(1)–nwae057(20). https://doi.org/10.1093/nsr/nwae057
  6. Najjar R. Clinical applications, safety profiles, and future developments of contrast agents in modern radiology: A comprehensive review // iRadiology. 2024. V. 2. N 5. P. 430–468. https://doi.org/10.1002/ird3.95
  7. Fatima A., Ahmad M. W., Al Saidi A. K. A., Choudhury A., Chang Y., Lee G. H. Recent advances in gadolinium based contrast agents for bioimaging applications // Nanomaterials. 2021. V. 11. P. 2449(1)–2449(23). https://doi.org/10.3390/nano11092449
  8. Rahmani A. A., Jia Q., Bahti H. H., Fauzia R. P., Wyantuti S. Recent advances in lanthanide-based nanoparticle contrast agents for magnetic resonance imaging: Synthesis, characterization, and applications // OpenNano. 2025. V. 21. P. 100226(1)–100226(34). https://doi.org/10.1016/j.onano.2024.100226
  9. Li Z., Guo J., Zhang M., Li G., Hao L. Gadolinium-coated mesoporous silica nanoparticle for magnetic resonance imaging // Front. Chem. 2022. V. 10. ID 837032(1)–837032(10). https://doi.org/10.3389/fchem.2022.837032
  10. Garifo S., Vangijzegem T., Stanicki D., Laurent S. A review on the design of carbon-based nanomaterials as MRI contrast agents // Molecules. 2024. V. 29. P. 1639(1)–1639(18). https://doi.org/10.3390/molecules29071639
  11. Sitharaman B., Kissell K. R., Hartman K. B., Tran L. A., Baikalov A., Rusakova I., Sun Y., Khant H. A., Ludtke S. J., Chiu W., Laus S., Toʹth Eʹ., Helm L., Merbach A. E., Wilson L. J. Superparamagnetic gadonanotubes are high-performance MRI contrast agents // Chem. Commun. 2005. P. 3915–3917. https://doi.org/10.1039/B504435A
  12. Bouzas-Ramos D., Canga K. C., Mayo J. C., Sainz R. M., Encinar J. R., Costa-Fernandez J. M. Carbon quantum dots codoped with nitrogen and lanthanides for multimodal imaging // Adv. Funct. Mater. 2019. V. 29. ID 1903884(1)–1903884(11). https://doi.org/10.1002/adfm.201903884
  13. Rammohan N., MacRenaris K. W., Moore L. K., Parigi G., Mastarone D. J., Manus L. M., Lilley L. M., Preslar A. T., Waters E. A., Filicko A., Luchinat C., Ho D., Meade T. J. Nanodiamond–gadolinium(III) aggregates for tracking cancer growth in vivo at high field // Nano Lett. 2016. V. 16. N 12. P. 7551–7564. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03378
  14. Kato H., Kanazawa Y., Okumura M., Taninaka A., Yokawa T., Shinohara H. Lanthanoid endohedral metallofullerenols for MRI contrast agents // J. Am. Chem. Soc. 2003. V. 125. N 14. P. 4391–4397. https://doi.org/10.1021/ja027555+
  15. Bolskar R. D., Benedetto A. F., Husebo L. O., Price R. E., Jackson E. F., Wallace S., Wilson L. J., Alford J. M. First soluble M@C60 derivatives provide enhanced access to metallofullerenes and permit in vivo evaluation of Gd@C60[C(COOH)2]10 as a MRI contrast agent // J. Am. Chem. Soc. 2003. V. 125. N 18. P. 5248–5582. https://doi.org/10.1021/ja0340984
  16. Toth E., Bolskar R. D., Borel A., Gonzalez G., Helm L., Merbach A. E., Sitharaman B., Wilson L. J. Water-soluble gadofullerenes: Toward high-relaxivity, pH-responsive MRI contrast agents // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. N 2. P. 799–805. https://doi.org/10.1021/ja044688h
  17. González-Mancebo D., Becerro A. I., Caro C., Gómez-González E., García-Martín M. L., Ocaña M. Nanoparticulated bimodal contrast agent for ultra-high-field magnetic resonance imaging and spectral X-ray computed tomography // Inorg. Chem. 2024. V. 63. N 23. P. 10648–10656. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c01114
  18. Xu H., Yu P., Bandari R. P., Smith C. J., Aro M. R., Singh A., Ma L. Bimodal MRI/fluorescence nanoparticle imaging contrast agent targeting prostate cancer // Nanomaterials. 2024. V. 14. P. 1177. https://doi.org/10.3390/nano14141177
  19. Kim T. J., Chae K. S., Chang Y., Lee G. H. Gadolinium oxide nanoparticles as potential multimodal imaging and therapeutic agents // Curr. Top. Med. Chem. 2013. V. 13. N 4. P. 422–433. https://doi.org/10.2174/1568026611313040003
  20. Suslova E. V., Kozlov A. P., Shashurin D. A., Rozhkov V. A., Sotenskii R. V., Maximov S. V., Savilov S. V., Medvedev O. S., Chelkov G. A. New composite contrast agents based on Ln and graphene matrix for multi-energy computed tomography // Nanomaterials. 2022. V. 12. ID 4110(1)–4110(16). https://doi.org/10.3390/nano12234110
  21. Шашурин Д. А., Суслова Е. В., Рожков В. А., Сотенский Р. В., Медведев О. С., Шелков Г. А. Контрастные агенты Gd2O3–малослойные графитовые фрагменты для энергочувствительной компьютерной томографии // ЖПХ. 2023. Т. 96. № 4. С. 337–344. https://www.elibrary.ru/oeijnp [Shashurin D. A., Suslova E. V., Rozhkov V. A., Sotenskii R. V., Medvedev O. S., Shelkov G. A. Gd2O3–carbon nanoflakes (CNFs) as contrast agents for photon-counting computed tomography (PCCT) // Russ. J. Appl. Chem. 2023. V. 96. N 4. P. 410–416. https://doi.org/10.1134/S107042722304002X].
  22. Suslova E. V., Kozlov A. P., Shashurin D. A., Maximov S. V., Maslakov K. I., Savilov S. V. La2O3-carbon composite with core-shell structure and features of its gas-phase oxidation // Mend. Comm. 2024. V. 34. P. 90–92. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2024.01.027
  23. Long Z., Shen S., Lu Y., Lian W., Chen J., Qiu H. Monodisperse core-shell-structured SiO2@Gd2O3: :Eu3+@SiO2@MIP nanospheres for specific identification and fluorescent determination of carbaryl in green tea // Anal. Bioanal. Chem. 2019. V. 411. P. 4221–4229. https://doi.org/10.1007/s00216-019-01902-2
  24. Васильев Ю. А., Черкасская М. В., Ахмад Е. С., Семенов Д. С., Сыркашев Е. М., Петряйкин А. В., Шарова Д. Е. Фантомное моделирование в магнитно-резонансной томографии: обзор материалов для имитации времени релаксации тканей (обзор) // Полимер. мат. технол. 2023. Т. 9. № 4. С. 6–20. http://doi.org/10.32864/polymmattech-2023-9-4-6-20
  25. Henning J., Nauerth A., Frieburg H. RARE Imaging — A fast imaging method for clinical MR // Magn. Reson. Med. 1986. V. 3. P. 823–833. https://doi.org/10.1002/mrm.1910030602
  26. Meiboom S., Gill D. Modified spin-echo method for measuring nuclear-relaxation times // Rev. Sci. Instrum. 1958. V. 29. P. 688–691. https://doi.org/10.1063/1.1716296
  27. Mironova A. D., Kargina Y. V., Perepukhov A. M., Pavlova O. S., Gulyaev M. V., Pirogov Y. A, Timoshenko V. Y. Temperature monitoring through nanoparticle activated proton relaxation for magnetic resonance imaging application // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2058. N 1. ID 012036(1)–012036(6). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2058/1/012036
  28. Ильвес В. Г., Соковнин С. Ю., Упоров С. А., Зуев М. Г. Свойства аморфно-нанокристаллического порошка Gd2O3, полученного импульсным электронным испарением // Физика тв. тела. 2013. Т. 55. № 6. С. 1171–1179. https://www.elibrary.ru/rcswlj [Ilʹves V. G., Sokovnin S. Yu., Zuev M. G., Uporiv S. A. Properties of mesoporous amorphous-nanocrystalline Gd2O3-SiO2 powders prepared by pulsed electron beam evaporation // Phys. Solid State. 2013. V. 55. N 6. P. 1262–1271. https://doi.org/10.1134/S1063783413060127].
  29. Suslova E. V., Shashurin D. A., Zoirova Z. O., Shumyantsev A. V., Medvedev O. S., Chelkov G. A. Gd2O3-based contrasting agents for photon-counting computed tomography: Effect of structure, composition, and particle size // Mat. Chem. Phys. 2024. V. 313. ID 128733(1)–128733(7). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.128733
  30. Kahraman A., Gurer U., Lok R. Kaya S., Yilmaz E. Impact of interfacial layer using ultra-thin SiO2 on electrical and structural characteristics of Gd2O3 MOS capacitor // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2018. V. 29. P. 17473–17482. https://doi.org/10.1007/s10854-018-9847-9
  31. Gayathri T., Kumar R. A., Dhilipkumaran S., Jayasankar C. K., Saravanan P., Devanand B. Microwave-assisted combustion synthesis of silica-coated Eu:Gd2O3 nanoparticles for MRI and optical imaging of cancer cells // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2019. V. 30. P. 6860–6867. https://doi.org/10.1007/s10854-019-00999-6
  32. Mahmood F., Nielsen U. G., Jorgensen C. B., Brink C., Thomsen H. S., Hansen R. H. Safety of gadolinium based contrast agents in magnetic resonance imaging-guided radiotherapy — an investigation of chelate stability using relaxometry // Phys. Imaging Radiat. Oncology. 2022. V. 21. P. 96–100. https://doi.org/10.1016/j.phro.2022.02.015
  33. Киселев Ю. М., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б., Тишин А. М. Влияние pH среды на структуру комплексов гадолиния по данным ЭПР // Журн. физ. химии. 2000. Т. 74. № 8. С. 1427–1432. https://www.elibrary.ru/rmxxjt
  34. Зиятдинова А. Б., Амиров Р. Р., Антипин И. С., Соловьева С. Е. Магнитно-релаксационное исследование состояния и рецепторных свойств ассоциатов Gd(iii) с додецильными производными сульфонатокаликс[n]аренов // Учен. зап. Казан. гос. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2008. Т. 150. № 1. С. 56–68. https://www.elibrary.ru/jjsbfr
  35. Park S. J., Park J. Y., Yang H. K., Jeb J. Y. Gd(OH)3 with multiform morphologies and MRI contrast agent properties by different solvents // Inorg. Chem. Front. 2017. V. 4. N 8. P. 1287–1295. https://doi.org/10.1039/C7QI00267J
  36. Huang C. C., Liu T. Y., Su C. H., Lo Y. W., Chen J. H., Yeh C. S. Superparamagnetic hollow and paramagnetic porous Gd2O3 particles // Chem. Mater. 2008. V. 20. P. 3840–3848. https://doi.org/10.1021/cm703195u

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Relaxation measurement results for Gd2O3@SiO2 in 5 wt% gelatin. Images obtained during experiments to determine the longitudinal relaxation time T1 at 15 (a), 6 (b), 1 (c), 0.3 (d), 0.1 ms (d), T1 map (e), and the transverse relaxation time T2 at 10 (g), 50 (h), 100 (i), 150 (j), 200 ms (l), T2 map (l).

Download (115KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Images obtained by transmission electron microscopy: few-layer graphite fragments (a, b), Gd2O3 particles deposited on few-layer graphite fragments (c).

Download (342KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Transmission electron microscopy images of Gd(OH)3 deposited from Gd(NO3)3 6H2O (a); SiO2 deposited on Gd(OH)3 in bright (b) and dark (c) fields; the characteristic electron energy loss spectrum of Gd2O3@SiO2 particles (d) obtained in the areas marked with rectangular contours in c.

Download (327KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Transmission electron microscopy images of Gd2O3 (a) and Gd2O3@SiO2 (b) particles.

Download (279KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. IR transmission spectrum of Gd2O3@SiO2.

Download (89KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the inverse relaxation time values on the concentration of Gd3+ in samples of contrast agents Gd(NO3)3 6H2O (a), Gd2O3 (b), Gd2O3@SiO2 (c), Gd2O3/C (d), Gd2O3@C (d), oxidized Gd2O3@C (e), prepared in the form of 5 wt% gelatin dispersions.

Download (324KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the relaxivity ratio on the type of contrast agent and its concentration.

Download (95KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences