Sviluppo e caratterizzazione multinucleare NMR in soluzione di complessi metallici paramagnetici quali sonde diagnostiche

L’obiettivo è la comprensione delle proprietà chimiche degli agenti di contrasto per MRI (chelati di Gd(III), Mn(II), Fe(III)) e la dipendenza della loro efficacia (relassività) dai parametri molecolari. Questi includono: i) i fattori che controllano la velocità di scambio delle molecole d'acqua coordinate; ii) la presenza in soluzione di vari diastereoisomeri, e di equilibri di idratazione; iii) il contributo dominante della dinamica rotazionale alla relassività, e quindi le diverse strategie per rallentare il moto molecolare; iv) il ruolo della 2a sfera di idratazione.

Sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle inorganiche multifunzionali

Diverse tipologie di nanosistemi sono sviluppati in cui un molti complessi paramagnetici sono coniugati a piattaforme di varia natura, dimensione e complessità. Queste nanosonde MRI permettono di veicolare al sito di interesse un gran numero di ioni paramagnetici, aumentando la sensibilità della modalità MRI. I sistemi comprendono chelati legati a proteine, polimeri, dendrimeri, micelle, liposomi, capsidi virali, ossidi metallici, zeoliti, silici mesoporose. Proprietà desiderate sono: elevata capacità di contrasto e stabilità chimica, selettività e/o multimodalità.

Sviluppo di sistemi multimerici quali sonde MRI ad alto campo

La crescente disponibilità di sistemi MRI ad alto campo richiede una diversa strategia per l’ottimizzazione delle sonde magnetiche diagnostiche. I nostri obiettivi sono: a) controllo chimico del valore del tempo di correlazione rotazionale (ca. 0.2-0.5 ns), corrispondente a quello di piccoli sistemi multimerici; b) uno scambio sufficientemente veloce dell’acqua legata (τM < 100 ns); c) un elevato contributo da parte della seconda sfera di coordinazione. Questo termine può essere molto significativo in quanto rappresenta circa il 30-40% dell’aumento globale di relassività.

Studio delle proprietà strutturali e dinamiche di complessi e macromolecole contenenti ioni paramagnetici con tecniche di rilassometria NMR a ciclo di campo

Rilassometria è la misura della dipendenza dalla frequenza della velocità di rilassamento magnetico dei nuclei del solvente in sistemi acquosi al fine di estrarre informazioni strutturali e dinamiche sulla natura dei soluti. Noi applichiamo la tecnica per l’indagine dettagliata delle proprietà chimico-fisiche dei complessi degli ioni lantanoidei e di transizione per ottenere informazioni sui cambiamenti che avvengono lungo la serie, sulla natura dei processi di rilassamento e loro dipendenza da pH e temperatura, sui meccanismi di autoriconoscimento, sulla formazione reversibile di addotti macromolecolari.

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Development and multinuclear NMR characterization in solution of paramagnetic metal complex as diagnostic probes

The goal is the understanding of the chemical properties of MRI contrast agents (GdIII, MnII, FeIII chelates) and the dependence of their effectiveness (relaxivity) from the molecular parameters. These include: i) the factors that control the rate of exchange of coordinated water molecules; ii) the presence in solution of various diastereoisomers, and of hydration equilibria; iii) the dominant contribution of the rotational dynamics to relaxivity, and thus the different strategies to slow down molecular motion; iv) the role of the second sphere of hydration.

Synthesis and characterization of multi-functional inorganic nanoparticles

Various nanosystems are developed in which multiple paramagnetic complexes are conjugated to platforms of various nature, size and complexity. These MRI nanoprobes make it possible to deliver to the site of interest a large number of paramagnetic ions, thus increasing the sensitivity of the MRI modality. The systems include protein-bound chelates, polymers, dendrimers, micelles, liposomes, viral capsids, metal oxides, zeolites, mesoporous silicas. Desired properties are high imaging contrast and chemical stability, target specificity, and/or multimodality.

Development of multimeric systems as high-field MRI probes

The increasing availability of high-field MRI systems requires a different strategy for relaxivity enhancement of metal-based probes.  In our approach, we seek: a) chemical control of the value of the rotational correlation time (ca. 0.2-0.5 ns), corresponding to that of small multimeric systems; b) sufficiently fast rate of water exchange (τM < 100 ns); c) large contribution to relaxivity from water molecules in the second coordination sphere. This contribution can be very significant as it can provide about 30-40% of the global relaxation enhancement.

Study of the structural and dynamic properties of complexes and macromolecules containing paramagnetic ions with NMR fast field-cycling relaxometric techniques

Relaxometry is the measurement of the frequency dependence of magnetic relaxation rates of solvent nuclei in aqueous systems to extract structural and dynamic information on the nature of the solutes. We apply the technique to the study of detailed physico-chemical properties of complexes of trivalent lanthanoids in order to obtain information about the changes that take place across the series, on the nature of the relaxation processes and their dependence on pH, and temperature, on self-recognition mechanisms, on the reversible formation of macromolecular adducts.