Ein neues Kontrastmittel für die MRT auf der Basis Citrat-stabilisierter magnetischer Eisenoxid-Nanopartikel: Wirkstofffindung, präklinische Entwicklung und klinische Prüfung

Abstract

Ziel des hier beschriebenen Projektes war die Entwicklung eines neuartigen intravenösen Kontrastmittels für die MRT auf der Basis von Citrat- stabilisierten Eisenoxid-Nanopartikeln. In der Phase der Wirkstofffindung wurde aufgrund von Untersuchungen zu physikalischen Eigenschaften, Pharmakokinetik, Organverteilung, Toxikologie und ersten Wirksamkeitsprüfungen unter ca. 200 Varianten die Variante VSOP-C184 (Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles, 184. Variante) als optimal identifiziert (Kerndurchmesser: 4 nm, hydrodynamischer Durchmesser 7,0 ± 0,15 nm, Relaxivitäten bei 0,94 T: 20,1 (T1) und 37,1 (T2) l/(mmol*s)). Am Schwein konnte bei 1,5 T gezeigt werden, dass mit dem Vorläufer VSOP-C91 bei einer Dosierung von 0,06 mmol Fe/kg in der Äquilibrium MRA bis 35 min nach Injektion im Vergleich zu zwei niedermolekularen Kontrastmitteln (Gadopentetat Dimeglumin: 0,3 mmol Gd/kg; Gadobenat Dimeglumin: 0,2 mmol Gd/kg) eine signifikant verbesserte Darstellung der Koronararterien gelingt. Des Weiteren wurde am Schwein bei 1,5 T gezeigt, dass VSOP-C184 (0,025 und 0,035 mmol Fe/kg) im Vergleich zu Gadopentetat Dimeglumin (0,01 und 0,02 mmol Gd/kg) in der First-Pass MRA eine äquivalente Darstellung der Nierenarterien bewirkt. Für die MRT der Leber wurde an tumortragenden Kaninchen festgestellt, dass VSOP-C184 (0,015 und 0,025 mmol Fe/g) einerseits in der frühen, T1w Phase einen höheren Leber-Tumor-Kontrast als Gadopentetat Dimeglumin (0,15 mmol Gd/kg), andererseits in der späten T2w Phase einen zu Ferucarbotran (0,015 mmol Fe/kg) vergleichbaren Kontrast herbeiführt. In einer ausführlichen präklinischen Charakterisierung ergab sich für VSOP-C184 als Plasmaeliminationshalbwertszeit an der Ratte 15,4 ± 3,9 (0,015 mmol Fe/kg), 21,3 ± 5,5 (0,045 mmol Fe/kg) und 28,4 ± 8,9 (0,075 mmol Fe/kg) min und am Schwein 22,1 ± 1,7, 36,1 ± 4,2 und 59,6 ± 9,2 min. An der Maus war die LD50 17,9 mmol Fe/kg, an der Ratte 12,2 mmol Fe/kg. Es ergab sich für VSOP-C184 kein Hinweis auf eine Zytotoxizität oder Mutagenität. In der durch diese Voruntersuchungen gerechtfertigten klinischen Phase I an 18 gesunden Probanden erwies sich VSOP-C184 als insgesamt gut verträglich, die bolusförmige Injektion wurde gut toleriert. Nach Injektion von VSOP‑C184 lagen die T1‑Relaxationszeiten (0,04 T) von Blut für 18 min (0,045 mmol Fe/kg ) bzw. 60 min (0,075 mmol Fe/kg) unter 100 ms. In der klinischen Phase IB (erste Wirksamkeitsprüfung an sechs gesunden Probanden) konnte bei 1,5 T mit Navigatortechniken gezeigt werden, dass nach Injektion von VSOP-C184 ein langanhaltender und starker intravsaler Signalanstieg erfolgt, der die hochaufgelöste Abbildung der Koronararterien in der Ganzherzdarstellung erlaubt. Es erscheint gerechtfertigt, VSOP-C184 als Kontrastmittel für die MRA der Koronararterien sowie für die First-Pass MRA und die MRT der Leber weiter klinisch zu entwickeln.

The aim of the project described here was to develop a novel intravenous contrast medium for magnetic resonance imaging (MRI) based on a citrate- stabilized iron oxide nanoparticle. In the initial phase of identification of the active ingredient, about 200 variants were investigated in terms of their physical properties, pharmacokinetics, organ distribution, toxicology, and initial tests of effectiveness. These investigations resulted in the identification of VSOP-C184 (Very Small Superparamagnetic Iron Oxide Particles, 184th variant) as the most suitable of about 200 different variants. VSOP-C184 has a core diameter of 4 nm, a hydrodynamic diameter of 7.0 ± 0.15 nm, and relaxivities at 0.94 T of 20.1 (T1) and 37.1 (T2) l/(mmol*s). Studies in pigs comparing an earlier variant, VSOP-C91, administered at a dose of 0.06 mmol Fe/kg with two low-molecular contrast media (gadopentetate dimeglumine: 0.3 mmol Gd/kg; gadobenate dimeglumine: 0.2 mmol Gd/kg) showed that VSOP significantly improves visualization of the coronary arteries in equilibrium magnetic resonance angiography (MRA) for up to 35 min after injection. Also in pigs, it has been shown that VSOP-C184 (0.025 and 0.035 mmol Fe/kg) is similar to gadopentetate dimeglume (0.01 and 0.02 mmol Gd/kg) in visualizing the renal arteries in first-pass MRA. In rabbits with liver tumors, MRI with VSOP-C184 (0.015 and 0.025 mmol Fe/g) has been shown to produce a higher liver-to-tumor contrast in the early T1-weighted phase as compared with gadopentetate dimeglumine (0.15 mmol Gd/kg) and a similar contrast in the late T2-weighted phase as compared with ferucarbotran (0.015 mmol Fe/kg). Extensive preclinical characterization demonstrated plasma half-lives of VSOP-C184 in rats of 15.4 ± 3.9 min (0.015 mmol Fe/kg), 21.3 ± 5.5 min (0.045 mmol Fe/kg), and 28.4 ± 8.9 min (0.075 mmol Fe/kg) and in pigs of 22.1 ± 1.7, 36.1 ± 4.2, and 59.6 ± 9.2 min. The LD50 was 17.9 mmol Fe/kg in mice and 2.2 mmol Fe/kg in rats. No evidence of cytotoxic or mutagenic effects of VSOP-C184 was found. These results justified the initial clinical phase I study in 18 healthy subjects, which demonstrated an altogether good tolerance of VSOP-C184 as well as good tolerance of bolus injection. After injection of VSOP-C184, the T1-relaxation times (0.94T) of blood were below 100 msec for 18 min (0.045 mmol Fe/kg ) and 60 min (0.075 mmol Fe/kg). The clinical phase IB (initial test of efficacy in six healthy subjects) demonstrated prolonged and strong intravascular signal enhancement after injection of VSOP-C184 at MRI performed at 1.5 T and using the navigator technique. This approach enables whole heart imaging with high resolution depiction of the coronary arteries and the findings justify further clinical development of VSOP-C184 as a contrast medium for MRA of the coronary arteries, first-pass MRA, and liver MRI.