Проекты

Оптимизация процессов синтеза комплекса гадопентетовой кислоты, используемого в качестве контрастного диагностического препарата для магнитно-резонансной томографии

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Химия в фармации и медицине»

Направление работы: Органическая химия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1231
Предметы: Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2020 года

Актуальность

В современном мире актуальной проблемой является диагностирование различных заболеваний, особенно онкологических.

Одним из главных и ведущих методов диагностики многих заболеваний является метод магнитно-резонансной томографии (МРТ). Для усовершенствования этой технологии требуется разработка новых соединений и комплексов металлов, которые улучшат визуализацию в МРТ. Одним из таких контрастных препаратов является «Магневист» – гадопентетовая кислота или гадолиниевый металлокомплекс хелатора пентетовой кислоты (Gd-DTPA). Комплекс Gd-DTPA является перспективным визуализирующим агентом для МРТ-обследования, так как он стабилен, малотоксичен и, по статистике, полностью выводится из организма. Изучение свойств металлокомплексов в качестве контрастных веществ и оптимизация методов их синтеза имеют большие перспективы в медицинской химии.

Цель

Оптимизировать методику синтеза Gd-DTPA, опубликованную в научной литературе, на основании экспериментальных данных, полученных в результате синтеза металлокомплекса Gd-DTPA.

Задачи

1. Изучить основные методы синтеза, выделения и исследования физико-химических свойств комплекса Gd-DTPA и выбрать оптимальные.

2. Синтезировать комплекс Gd-DTPA.

3. Выделить полученный комплекс хроматографическим методом.

4. Идентифицировать полученный комплекс методами масс-спектрометрии и спектрометрии ядерно-магнитного резонанса.
5. Обосновать целесообразность выбранных методов с учётом недостатков в уже опубликованных методиках.

6. Коррекция методики синтеза комплекса Gd-DTPA с учётом полученных экспериментальных результатов.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Роторный испаритель

• Набор оборудования для синтеза комплекса

• Оборудование для препаративной тонкослойной хроматографии

• Спектрофотометр Ultrospec 2100 pro

• ЯМР-спектрометр Bruker Avance 300

• Масс-спектрометр Bruker Ultraflex

• Аналитические весы Ohaus Pioneer

• pH-метр Ohaus ST2100-B

Описание

Экспериментальная часть работы выполнена на кафедре тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова РТУ МИРЭА в 3 этапа.

Первый этап синтеза металлокомплекса автор проводил в соответствии с методикой, опубликованной в литературных источниках из пентетовой кислоты (DTPA) и кристаллогидрата хлорида гадолиния в метаноле при перемешивании при комнатной температуре в течение 5 часов. К сожалению, целевого результата достичь не удалось. Результаты проведённой спектрофотометрии показали, что характерных пиков Gd3+ на длине волны 273 нм в продукте реакции не наблюдалось.

Автором было принято решение применить в качестве растворителя этанол и увеличить температуру для ускорения процесса. Также было учтено, что этанол может полностью растворить комплекс и кристаллогидрат хлорида гадолиния только при pH ~5–6. По условиям, подобранным экспериментально, синтез проводился в течение 2 часов вместо 5 (по литературной методике), при температуре +70 °С.

 

При проведении тонкослойной хроматографии из трёх вышеописанных веществ на пластинке поднялась под действием капиллярных сил только отметка с контролем кристаллогидрата хлорида гадолиния. Комплекс Gd-DTPA не поднялся, следовательно, DTPA полностью захватила металл. На основании полученных данных автор делает вывод о том, что синтез по оптимизированной методике осуществился.

 

Идентификация и анализ полученного вещества металлокомплекса Gd-DTPA проводились с использованием методов спектрофотометрии, масс-спектрометрии и ядерно-магнитной спектроскопии.

1.Чтобы удостовериться в правильности выбранного синтеза, а также узнать примерное строение полученного металлокомплекса, был использован спектрофотометрический метод анализа.

По полученному спектру поглощения видно, что спектрофотометрия проведена верно, т. к. пики у Gd3+ и Gd-DTPA находятся на длине волны 273 нм. Существенные различия между графиками свидетельствуют о прохождении реакции.

 

2. Визуальный анализ Gd3+ и комплекса Gd-DTPA c помощью ксиленолового оранжевого показал, что при добавлении красителя в центрифужную пробирку с Gd3+ раствор окрашивается в бледно-фиолетовый цвет. В то же время полученный раствор комплекса Gd-DTPA при том же воздействии остаётся бесцветным. Это свидетельствует о том, что металл полностью захвачен в комплекс.

3. Для установления точной структуры полученного металлокомплекса автором совместно с сотрудниками кафедры проведено исследование методом масс-спектрометрии.

 

В полученных масс-спектрах наблюдается семь характерных интенсивных пиков, соответствующих расщеплению Gd-DTPA. По полученному масс-спектру удалось определить отношение массы иона к его заряду в комплексе. Присутствие сигнала с m/z 562.98, соответствующим молекулярному иону комплекса Gd-DTPA, подтвердило предположительную структуру.

4. Для подтверждения точной структуры комплекса полученное вещество передано автором сотрудникам ЦКП РТУ МИРЭА для проведения ядерно-магнитной спектроскопии (ЯМР).

 

При исследовании вещества методом 1H-ЯМР была подтверждена точная структура металлокомплекса Gd-DTPA.

Результаты

1. Оптимизирован метод синтеза комплекса Gd-DTPA:

а) замена метанола на более безопасный растворитель – этиловый спирт;

б) повышение температуры синтеза с +20 °С до +70 °С, что приводит к сокращению времени синтеза с 5 часов до 2 часов;

в) учтена зависимость растворения веществ в этаноле от уровня pH; рекомендованное значение pH ~ 6.

2. Синтезирован комплекс хелатора Gd-DTPA.

3. Проведена идентификация полученного комплекса, который соответствует существующему контрастному агенту «Магневист».

4. Обоснована возможность применения оптимизированной методики синтеза комплекса Gd-DTPA в качестве альтернативной к методикам, ранее опубликованным в литературных источниках.

Выводы

1. Комплекс Gd-DTPA является перспективным визуализирующим агентом для МРТ-обследования, так как он стабилен, малотоксичен и, по статистике, полностью выводится из организма.

2. Изучение свойств металлокомплексов в качестве контрастных веществ и оптимизация методов их синтеза имеет большие перспективы в медицинской химии.

3. Оптимизированная методика синтеза комплекса Gd-DTPA может быть рекомендована в качестве альтернативы к уже опубликованным в литературных источниках.

Перспективы использования результатов работы
Синтез аналогов комплекса Gd-DTPA в качестве потенциальных визуализирующих и контрастных веществ для проведения качественной МРТ в количестве, достаточном для проведения клинических испытаний.

Сотрудничество с вузом при создании работы

РТУ МИРЭА, Институт тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова

Мнение автора
«Работа над проектом и участие в конференции «Старт в медицину» – отличная возможность попробовать проявить себя в разных областях науки и определиться с выбором профессии»