钆配合物复合对脱铁铁蛋白催化性能的影响及其机理研究

Magnetic resonance imaging is a clinical examination technique that is annually utilized more than 60 million times worldwide. Gd chelates are a kind of popularly used contrast agents in magnetic resonance imaging. However, recent research discovered that the administration of Gd chelates as the contrast agent could cause a serious skin disease (nephrogenic systemic fibrosis). Further study revealed a possible association among Gd chelates, ferritin, and serum iron. To better delineate this association, it is necessary from the basic research point of view to investigate the association among Gd chealtes, apoferritin, and Fe2+. Therefore, this project aims to work on the effects of Gd chelate complexation on the catalytic properties of apoferritin and the mechanistic studies. Herein, a series of apoferritin-Gd chelate complexes will be prepared and characterized. The effects of the complexation on the relaxivity of Gd chelates and the kinetics of Fe2+ mineralization will be studied. A special and innovative contribution in this project is the smart design of two experiments -- Tb3+ fluorescence measurement study and transient absorption kinetics study of the di-iron transition states. These two experiments are helpful for the mechanistic elucidation of the influence of Gd chelate complexation on the catalytic properties of apoferritin. An emphasis of this project is the use of optical techniques (including absorption, fluorescence, and transient spectroscopies) to solve specific problems.

磁共振成像是一项全球每年应用超过6000万次的临床检查技术；钆配合物是一种磁共振成像中常用的造影剂。然而近期研究发现，使用钆配合物作为造影剂有可能诱发一种严重的皮肤疾病（肾源性系统纤维化）。进一步研究显示，钆配合物、铁蛋白、血清铁三者之间存在着可能的关联。为更好的理解这种关联性，从基础研究的角度出发探究钆配合物、脱铁铁蛋白、Fe2+三者之间的关联是很有必要的。由此本项目提出钆配合物复合对脱铁铁蛋白催化性能的影响及其机理研究。本项目将制备并表征一系列脱铁铁蛋白-钆配合物复合物，研究该复合作用对于钆配合物弛豫率和Fe2+矿化动力学的影响。本项目的特色之处在于巧妙设计了Tb3+荧光检测实验和双核铁过渡态瞬态吸收动力学实验这两个实验以确定钆配合物在脱铁铁蛋白中的结合位置，从而揭示钆配合物复合对脱铁铁蛋白催化性能影响的机理。本项目注重利用光学技术（包括吸收光谱、荧光光谱和瞬态光谱）解决一些特定问题。

项目背景：.肾源性系统纤维化是近十年来新发现的一种全身性疾病，以广泛的皮肤纤维化为特征。肾源性系统纤维化病因一直不明，直到2006年才有研究人员首次提出该病可能与病人曾接受过含钆造影剂的注射有关。含钆造影剂、铁蛋白、血清铁三者之间存在着可能的关联，为确定这种关联性是否真实存在，本项目由此提出“钆配合物复合对脱铁铁蛋白催化性能的影响及其机理研究”的课题。.主要研究内容：.本项目的研究内容主要包括：样品制备与基本性质测试、含钆造影剂的弛豫率测试、Fe2+矿化动力学研究、Tb3+结合实验、双核铁过渡态吸收动力学实验等。.重要结果：.（1）研究确定了脱铁铁蛋白的三重轴通道对于不同电荷钆配合物的选择作用：Gd(DTPA)2-无法进入脱铁铁蛋白内部，而Gd(DTPA-BMA)可以。.（2）研究确定了脱铁铁蛋白与钆配合物复合后对于Fe2+矿化的影响：脱铁铁蛋白与Gd(DTPA-BMA)复合后，减缓了Fe2+矿化的速率。.（3）研究确定了钆配合物在脱铁铁蛋白中的结合位置：Gd(DTPA-BMA)在脱铁铁蛋白中的结合位置是亚铁氧化酶处。.关键数据：.（1）钆配合物与脱铁铁蛋白亚基的结合数：当钆配合物与脱铁铁蛋白亚基的混合比从1增加至20时，Gd(DTPA)2-与脱铁铁蛋白亚基的结合数一直为0，Gd(DTPA-BMA)与脱铁铁蛋白亚基的结合数从0.15增加至1.18。.（2）弛豫率测定：Gd(DTPA-BMA)的弛豫率为3.4 mM-1s-1，Gd(DTPA-BMA)与脱铁铁蛋白复合后的弛豫率显著增长到77.8 mM-1s-1。.（3）Tb3+结合实验：脱铁铁蛋白与Gd(DTPA-BMA)的复合对于进入脱铁铁蛋白的Tb3+数目没有影响。.（4）双核铁过渡态吸收动力学实验：在纯脱铁铁蛋白溶液中加入Fe2+后（Fe2+与脱铁铁蛋白亚基的比为2:1），525 nm处立即出现特征吸收峰；在含有脱铁铁蛋白-Gd(DTPA-BMA)复合物的溶液中重复该实验则无法检测到该特征吸收峰。.科学意义：.本项目立足于从基础研究的角度，探究了钆配合物、脱铁铁蛋白、Fe2+三者之间的关联，从而服务于临床推定含钆造影剂、铁蛋白、血清铁三者之间存在的逻辑关系，为最终揭示肾源性系统纤维化的致病机理做出了贡献。