Highly fluorinated anions as potential water-soluble probes for 19F-MRI

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is one of the most promising non-invasive diagnostic techniques for monitoring various diseases and for developing targeted therapies without the use of radioactive nuclides or ionizing radiations. Among all the available magnetically active isotopes, fluorine-19 (19F) seems particularly promising due to the absence of endogenous signals in the body, allowing the direct detection of externally administered fluorinated tracers and labelled cells with unambiguous identification and quantification. Up to now, the most commonly used 19F-MRI probes have been perfluoro- and polyfluorocarbons, which unfortunately are insoluble in water and need to be dispersed in aqueous media by means of surfactants before use. This thesis aimed to perform a preliminary study on the possibility to use the highly fluorinated anion [Al(OC(CF3)3)4]‒, whose structure with 36 magnetically equivalent 19F atoms resembles that of the previously reported 19F-MRI superfluorinated probe PERFECTA, as a potential water-soluble 19F MRI tracer, avoiding the use of emulsifiers or other dispersing agents. After an initial assessment of its maximum solubility in water, several solubilisation methods were tested in order to maximize the amount of dissolved fluorinated anion, as well as to remove bigger insoluble aggregates by filtration and centrifugation. The resulting solutions were characterized by Dynamic Light Scattering (DLS) and 19F Nuclear Magnetic Resonance (19F-NMR), always showing a sharp singlet peak with good stability over time. Similar dissolution and stability tests were performed in media resembling physiological fluids, such as phosphate buffer saline (PBS) solution, proving that a clear and sharp 19F-NMR signal was still visible. Despite these good premises, a preliminary 19F-MR phantom imaging trial, performed on the most concentrated sample, showed that a further optimization of the dispersion protocol in water would be required in order to improve the MRI signal intensity. A possible future strategy could envisage the encapsulation of the anion into some biocompatible and water-soluble carrier, to avoid also undesired and destabilizing interactions with proteins or other biomolecules that are normally present in physiological liquids.

La Magnetic Resonance Imaging (MRI) è una delle più promettenti tecniche di diagnostica non invasiva per il monitoraggio di varie malattie e per lo sviluppo di terapie mirate senza l’utilizzo di nuclidi radioattivi o radiazioni ionizzanti. Tra tutti gli isotopi magneticamente attivi disponibili il fluoro-19 (19F) sembra essere particolarmente promettente grazie all’assenza di segnali endogeni nel corpo, permettendo il rilevamento diretto dei traccianti fluorurati somministrati esternamente e di cellule marcate con identificazione e quantificazione univoche. Al momento i più comuni traccianti utilizzati per 19F-MRI sono i perfluoro – and polifluorocarburi, che purtroppo sono insolubili in acqua e quindi necessitano di essere dispersi in mezzi acquosi mediante tensioattivi prima dell'uso. Questa tesi mira a svolgere uno studio preliminare sul possibile uso dell’anione altamente fluorurato [Al(OC(CF3)3)4]‒, la cui struttura con 36 19F atomi magneticamente equivalenti ricorda quella del precedentemente citato 19F tracciante superfluorinato PERFECTA, come possibile tracciante per 19F-MRI, evitando l’utilizzo di emulsionanti o altri agenti disperdenti. Dopo una prima valutazione della sua massima solubilità in acqua, sono stati testati diversi metodi di solubilizzazione in modo da massimizzare la quantità di anione fluorurato disciolto, come, ad esempio, la rimozione degli aggregati insolubili più grandi mediante filtrazione e centrifugazione. Le soluzioni ottenute sono state caratterizzate mediante Dynamic Light Scattering (DLS) e 19F Nuclear Magnetic Resonance (19F-NMR) e mostrano sempre un singolo e definito picco, con una buona stabilità nel tempo. Test di dissoluzione e stabilità sono stati eseguiti anche in mezzi simili a fluidi fisiologici, come la soluzione salina di tampone fosfato (PBS), dimostrando la presenza di un segnale 19F-NMR ancora definito e nitido. Nonostante queste buone premesse, una prova preliminare di imaging 19F-MR di un phantom, eseguita sul campione più concentrato, ha mostrato che è necessario una ulteriore ottimizzazione del protocollo di dispersione in acqua per migliorare l’intensità del segnale MRI. Una possibile strategia futura potrebbe prevedere l’incapsulamento dell’anione in qualche vettore biocompatibile e solubile in acqua per evitare indesiderate e destabilizzanti interazioni con proteine o altre biomolecole normalmente presenti in liquidi fisiologici.