李嬌嬌 田啟威 楊仕平

摘要：

體內金屬離子的檢測常采用磁共振成像（MRI）.MRI靈敏度較低，需要造影劑來提高檢測的精確度.目前臨床上用的造影劑主要是Gd3+螯合物.綜述了基于Gd3+造影劑的生物體內金屬離子檢測的研究進展.

關鍵詞：

磁共振成像（MRI）; 造影劑; Gd3+; 生物傳感器

中圖分類號： O 614.24文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2018）01-0090-10

Advances in application of Gd3+ contrast agent for

in vivo detection of metal ions

Li Jiaojiao， Tian Qiwei*， Yang Shiping*

（College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：

In the life system，metal ions are the important elements for tissue growth and development.The content of the metal ions is closely related to the balance of the internal environment.If the in vivo concentrations of metal ions are out of balance，it will be easy to cause diseases.Therefore，it is very important to assess and understand the concentration changes of in vivo metal ions for the diagnosis of diseases.Due to its deep tissue penetration，high spatial resolution，no damage，no invasion，and ability to track three-dimensional dynamic imaging，MRI is widely used for the detection of the in vivo metal ions.Normally，MRI contrasts are required to improve the accuracy of metal ion detection by reason of the low sensitivity of MRI.At present，the contrast agents used in the clinical detection of in vivo ions are mainly Gd3+ chelates.Thus，we will introduce the recent advances of Gd3+ contrast agents for in vivo detection of metal ions in this review.

Key words：

magnetic resonance imaging（MRI）; contrast agent; Gd3+; biosensor

收稿日期： 2017-09-13

基金項目： 國家自然科學基金（21601124，21671135）

作者簡介： 李嬌嬌（1992-），碩士研究生，主要從事納米材料在MRI造影劑方面的研究.E-mail：1079928543@qq.com

*通信作者： 田啟威（1983-），男，博士，副教授，主要從事生物材料的開發(fā)和應用方面的研究.E-mail：qiweitian@shnu.edu.cn;楊仕平（1969-），男，博士，教授，主要從事MRI造影劑的開發(fā)及其應用方面的研究.E-mail：shipingy@shnu.edu.cn

引用格式： 李嬌嬌，田啟威，楊仕平.Gd3+造影劑在體內金屬離子檢測中的應用研究進展 [J].上海師范大學學報（自然科學版），2018，47（1）：90-99.

Citation format： Li J J，Tian Q W，Yang S P，et al.Advances in application of Gd3+ contrast agent for in vivo detection of metal ions [J].Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2018，47（1）：90-99.

0引言

金屬離子在有機體的生長和發(fā)育過程中起著重要作用[1].它主要以輔助因子的形式存在于多種生物活性酶中，尤其在神經系統(tǒng)的調節(jié)中具有很大的作用[2].體內金屬離子濃度失衡易導致各種疾病，如：心臟病、癌癥、糖尿病及神經退行性疾病等[3-5]，因此，理解和掌握各種金屬離子在生物體內的濃度分布具有重要的意義.實時、無損檢測各種金屬離子的濃度是研究中的一大難點[6].分子影像技術可用于檢測金屬離子濃度，為疾病的診斷提供了良好的手段[7].

核磁共振成像（MRI）可檢測人體內氫核的縱向弛豫時間（T1）和橫向弛豫時間（T2），主要應用于生物醫(yī)學診斷，具有穿透性強、空間分辨率高、無損傷、無輻射、無侵害性，且能夠追蹤三維動態(tài)成像等諸多優(yōu)點[8]，使醫(yī)療診斷變得更方便、更有效.然而，臨床中其靈敏度相對較低，無法準確區(qū)分一些正常生理組織和病變組織[9]，因此需要借助靜脈注射或口服藥物，即造影劑（CAs）來增強正常組織與病變部位的對比度[10].含釓（Gd3+）的順磁性金屬配位化合物[11]常用于T1磁共振成像造影劑，但由于毒性較大，臨床上常用其螯合物.Gd3+具有7個未成對電子，填充在f軌道上[11]，使其具有較高的磁距和對稱的電子基態(tài)（8S7/2），由于其未成對電子活性較強，能夠影響周圍的核，從而改變弛豫時間.

在Gd3+螯合物的基礎上，連接不同配體.配體對金屬離子有更強的親和力和選擇性，故在加入金屬離子后，配體優(yōu)先與其結合，使Gd3+中心配位點空出，從而增加內層水分子的數(shù)量，提高水的配位數(shù)，改變弛豫度.內層水分子的數(shù)量通過測量鑭系元素的熒光壽命確定，Tb3+和Eu3+是常用的兩種元素，當其4f層電子從高能級回遷至低能級時，會以可見光的形式釋放能量[12].

本文作者綜述了基于Gd3+螯合物的金屬響應性MRI造影劑，應用于生物體內鈣、銅、鐵、鋅離子檢測的進展.

1磁共振成像原理

磁共振現(xiàn)象是原子核的核物理特征，是MRI的基本原理之一，人體內含有大量的質子，而人體內水的質量占人體質量的70%，故選擇氫核作為成像核[13].MRI造影劑通過改變組織中氫核的局部磁環(huán)境，間接影響其弛豫特性來改變信號強度[14]，在垂直于外磁場的方向施加角頻率與質子拉莫爾頻率相等的射頻電磁波，質子能夠吸收能量并被激發(fā)到反平衡態(tài)，產生核磁共振現(xiàn)象.射頻消失后，處于激發(fā)態(tài)的質子群系統(tǒng)恢復到原來的平衡狀態(tài)，即弛豫過程，包含分別沿縱向磁化矢量和橫向磁化矢量恢復的兩個分過程，分別稱為T1弛豫（自旋-晶格弛豫，即自旋原子核把從射頻脈沖處吸收的能量通過晶格的形式擴散出去，實現(xiàn)自身能量釋放）和T2弛豫（自旋-自旋弛豫，即自旋核與另一個自旋核進行能量交換的過程[15]）：

M0（t）=M0（1-e-tT1），（1）

Mxy（t）=Mxye-tT2，（2）

式（1）中M0是射頻脈沖作用前質子系統(tǒng)的縱向磁化強度矢量的大小，T1為縱向弛豫時間，即由零恢復至M0的63%所需時間;式（2）中Mxy是射頻脈沖過后初始磁化強度矢量在橫向的最大值，T2為橫向弛豫時間，即從最大值衰減至最大值的37%所需時間[16].MRI的信號強度（Is）本質上取決于質子密度和質子的弛豫時間，遵循以下公式[17]：

Is（TE，TR）≈AN（H）1-e-TRT1e-TET2，（3）

式中N為氫核（H）的質子密度，A為增益，TR和TE分別為重復時間和回波時間.由式（3）可知，T1越短，信號強度越強，表現(xiàn)為圖像越亮;T2越短，信號強度越弱，表現(xiàn)為圖像越暗.通過選擇合適的TR，TE，改變質子密度以及T1，T2值來影響其信號值，進而影響其成像權重[18].

2造影劑的成像原理及影響因素

MRI造影劑同時影響T1，T2值，但影響程度不一樣，在一定濃度范圍內，有一個起主導作用，據此將造影劑劃分為T1型和T2型兩種類型;T1造影劑增加信號強度，使圖像變亮;T2造影劑降低信號強度，使圖像變暗[19].通過測定弛豫度Ri=1/Ti （i=1，2） 來判定其圖像對比度，ri為造影劑的造影效率，ri=Ri/c，c為造影劑的離子濃度，r2/r1可用于區(qū)別材料是T1造影劑還是T2造影劑.若比值為1～2，則材料為T1造影劑;若比值大于10，則為T2造影劑[16].

根據“雙層配位”的模型[20]描述T1造影劑影響弛豫時間的過程，如圖1所示.圖1（a）中包括與核Gd3+直接配位的內層水，和配體分子有配位作用或者受到影響的外層水，以及最外層的自由水.

影響造影劑弛豫度的因素有很多：采用Solomon-Bloembergen-Morgan公式[21]描述：

1TIS1=qpm/（T1m+τm），（4）

1TIS2=PmτmT-22m+τ-1mT-12m+ΔW2mτm（τ-1m+T-12m）+ΔW2m，（5）

1T1m=215rI2g2μ2BS（S+1）r6GdH7τc21+w2sτ2c2+3τc11+w2Hτ2c1+23S（S+1）Ah2τe1+w2sτ2c，（6）

式（4）中1TIS1和1TIS2分別是大量自由水分子的縱向和橫向弛豫時間，q為配位水分子數(shù)，pm是水分子與Gd3+配位的摩爾分數(shù)，1/T1m，2/T2m分別為結合水分子的縱向與橫向弛豫時間，τm為水分子與Gd3+的配位時間;式（5）中，Δwm為自由水分子與結合水分子化學位移差異;式（6）中，rI是質子螺旋磁比，b是波爾磁子，rGdH為Gd3+與配位水的氫核的距離，A/h為標量耦合常數(shù)，τc，τe分別是耦極-耦極間的相關弛豫和標量弛豫度，w1，ws分別代表核和電子的拉莫爾進動頻率，S代表總電子自旋時間.τR為整個造影劑分子在水溶液中的翻轉時間.

由式（4）～（6）可知，通過設計造影劑分子，優(yōu)化參數(shù)，可以大幅提高其弛豫度，如圖1所示.

1）增加與Gd3+配位的內層水分子數(shù)q，Gd3+是9配位離子，通常需要8～9個齒配體才能穩(wěn)定結合，在保證其穩(wěn)定性的前提下盡可能增加配位分子數(shù);

2）延長配合物的翻轉時間τR，其與分子大小、結構剛性關系密切.結構剛性越大，τR值越大，對應的弛豫度越大.主要有兩種改變其剛性的方式：① 誘導多個Gd3+聚合;② 通過裂解，降低分子量;③ 形成多個以Gd3+為中心的結構;④ 提高配位水分子的交換速率.

圖1基于Gd3+分子造影劑的作用原理[20]及對其弛豫度的影響因素[22].（a） 控制Gd3+弛豫度

參數(shù)的示意圖;（b） 配位水分子數(shù)q的變化;（c） 旋轉相關時間τR的變化通過，

i） 誘導多個Gd3+的聚集，ii） 切割來減小分子量;（d） 使用帶有多個Gd3+中心的系統(tǒng)

3金屬響應的磁共振造影劑的設計原則

設計金屬離子響應型MRI造影劑，應遵循以下原則[23-24]：1）選擇性：在不同陰離子、有機小分子、高分子存在的情況下，金屬離子能夠對其有選擇性，因為生物體內的金屬離子種類繁多，濃度達到毫摩爾級的主要有：Na+、K+、Mg2+和Ca2+.MRI傳感器必須要對特定離子進行響應[25]，只有這樣才可避免錯誤信號的產生，同時也可避免信號被陽離子所覆蓋，選擇性主要是由造影劑的響應配體所控制;2）高弛豫性：可以減少成像造影劑的用量，提高對比強度;3）MRI探針必須與生物體相容[1]，水溶性好，低毒性，在人體內有適當?shù)臏魰r間.

4基于磁共振成像造影劑在離子檢測上的應用

4.1基于Gd3+造影劑對Ca2+的檢測

人體內Ca2+的平均含量約為1 kg，主要以礦物質的形式存在于骨骼中，有1%（質量分數(shù)）的Ca2+參與血液循環(huán)過程[26-27]，Ca2+是中樞神經系統(tǒng)電活動的基本傳感器，其進入細胞質負責動作電位的產生和傳播，并通過神經遞質的釋放引發(fā)神經元間的通信并且可以激活基因的表達[26].在不同刺激下，Ca2+濃度波動范圍較大（0.1～2×103 mol·L-1）[26]，因此，鈣離子濃度的波動被認為是決定神經系統(tǒng)功能的一個重要因素.

Meade等[28] 研究出第一個針對Ca2+響應的基于Gd3+的造影劑：DOPTA-Gd，它是DO3A （1，4，7-三-（羧甲基）-1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷）與BAPTA （1，2-雙（鄰氨基苯氧基）-乙烷-N，N-二硝基乙二胺四乙酸）螯合的產物，DO3A與鑭系元素有較強的親和力，BAPTA是Ca2+的選擇性結合劑，親和力極強.在沒有Ca2+時，BAPTA的官能團與Gd3+中心結合，弛豫度r為3.26×103 L·mol-1·s-1.加入Ca2+后，BAPTA優(yōu)先與Ca2+結合，則Gd3+的配位點空出，周圍的水分子與Gd3+空出的配位點進行配位.原理如圖2所示，通過配位結合，與水的配位數(shù)（q）增加，弛豫度r增加至5.76×103 L·mol-1·s-1.

圖2Gd2+螯合物與Ca2+響應的原理示意圖[29]

Gd-DOPTA可與Ca2+特異性結合[29]，通過測定弛豫度的變化，間接測定Ca2+的含量，但由于Gd-DOPTA針對Ca2+的敏感性較強，檢測Ca2+的濃度范圍較小（0.1～10 mol·L-1）.為解決此問題，Logothetis等[30]在Gd-DOPTA的基礎上選擇連接APTRA（鄰氨基苯酚-N，N-乙酸三乙酯），APTRA與Ca2+有相對較弱的親和力，此時Ca2+的檢測濃度為20～25 mol·L-1.經過合成得到Gd-DOPTRA （Gd-DOPT-APTRA），弛豫度由原來的3.5×103 L·mol-1·s-1增加至6.9×103 L·mol-1·s-1.

雖然Gd-DOPTRA化合物比較穩(wěn)定，但與大環(huán)配位體的乙酸酯鏈在體內分解較慢[31].基于此，Logothetis對Gd-DOPTRA進行探索，通過改變條件，獲得一系列（Gd-DOPTRA（2-5））的化合物[29]，如圖3所示;相對于Gd-DOPTA-1，Gd-DOPTA-2 的接連處由一個更短的碳鏈直接與芳香環(huán)連接.盡管Gd-DOPTA-2有較好的穩(wěn)定性，但與Ca2+結合后弛豫度沒有明顯變化.Gd-DOPTA-3相對于Gd-DOPTA-2來說，多一個碳鏈，其不僅穩(wěn)定性好，而且弛豫度增加了2倍（從沒有Ca2+時的2.7×103 L·mol-1·s-1增加至Ca2+存在時的7.0×103 L·mol-1·s-1）.Gd-DOPTRA-4的結構類似于將酚醛樹脂上的乙酸酯基轉換成酰胺基;Gd-DOPTRA-5則是由延伸的醚鏈構成.在生物體的緩沖溶液中對兩者的弛豫度進行測定，Gd-DOPTRA-4的弛豫度沒有明顯變化;Gd-DOPTRA-5的弛豫度在加入Ca2+之前和之后的值分別為2.6×103，5.9×103 L·mol-1·s-1，表現(xiàn)出良好的弛豫效能.

圖3基于Gd-DOPTA的一系列配合物的結構式[29]

4.2基于Gd3+造影劑對Cu2+的檢測

銅離子是參與生命代謝重要的金屬離子，在各種生物過程中起著關鍵的作用[32-34]體內銅離子內環(huán)境失調會產生一系列的疾病，常見的神經性疾病主要有：阿爾茲海默癥，威爾森氏癥[34]，以及肌萎縮性脊髓側索硬化癥等疾病[35].評估和理解人體內銅離子的分布及含量是很有必要的[36].因此，針對Cu2+敏感的MRI造影劑有大量研究，針對近幾年的研究進行概述.

Jong等[37]研究出對Cu2+具有響應能力的MRI造影劑──結構1，原理如圖4（a）所示，相對其他金屬離子來說，該化合物對Cu2+的選擇性更好，并且通過在三羥甲基氨基甲烷緩沖液中的滴定實驗，表明兩者具有較強的結合能力.在相同實驗條件下（pH=7.4，HEPES緩沖溶液，37 ℃），沒有Cu2+時的弛豫度為2.01×103 L·mol-1·s-1，加入Cu2+后，結構1化合物中的配體優(yōu)先與Cu2+配位，使Gd3+周圍的內層水分子增加，與水配位數(shù)q增加，從而使弛豫度增加至4.01×103 L·mol-1·s-1（為原來的2倍）.

Xu等[38]設計并合成了以Gd3+為基礎的雙核造影劑[Gd2（DO3A）2BMPNA]，它是2個Gd-DO3A核與BMPNA（2，6-二（3-甲基-1H-吡唑-1-基）異煙酸）進行連接，BMPNA對Cu2+的響應遠遠高于其他金屬離子，它是作為Cu2+誘導弛豫度變化的受體.沒有Cu2+時的縱向弛豫度達到6.40×103 L·mol-1·s-1，加入Cu2+后，弛豫度增加至11.28×103 L·mol-1·s-1（增加了76%）.隨著Cu離子濃度的增加，弛豫度也逐漸增加，在濃度為0.6 mol/L，弛豫度達到最大值.原理如圖4（b）所示：當Cu2+與化合物中心連接時，將Gd3+處的鄰二氮雜茂中心的氮原子移除，由周邊的水分子替代，使內層分子數(shù)增加，即與水配位數(shù)q增加，從而使弛豫度有所增加.

圖4不同Gd3+螯合物與Cu2+響應的原理示意圖.（a） 結構1與Cu2+響應的原理圖[37];

（b） [Gd2（DO3A）2BMPNA]與Cu2+響應的原理圖[38]

4.3基于Gd3+的造影劑對Fe2+/Fe3+的檢測

鐵元素是多種蛋白質的輔助因子，參與神經組織功能的調節(jié)，大量證據表明鐵在大腦中的積累會導致中樞神經系統(tǒng)紊亂.但是，隨著年齡的增長，鐵在大腦中會逐漸積累，鐵誘導的氧化應激反應可能會導致神經退行性疾病，例如阿爾茲海默癥，帕金森等[39]，故檢測人體內鐵離子的含量變得尤其重要.

針對Fe3+的MRI造影劑，Aime等[40]報道了基于配體DTPA-雙酰胺的化合物[DTPA（PAS）2]（Fe-85），以Gd3+和Fe3+為核形成穩(wěn)定的雜雙合金屬配合物[（Gd-DTPA（PAS）2）]2Fe或[Gd-DTPA（PAS）2]3Fe（其取決于溶液的pH值），與化合物[Gd-DTPA（PAS）2]2-相比，弛豫度從4.6×103 L·mol-1·s-1增至5.7×103 L·mol-1·s-1;它是通過增加Gd3+周邊的內層水分子的數(shù)量，從而使弛豫度增加.還有些常用的配體，如：水楊酸、兒茶酚;這些配合物在加入Fe3+后都有高弛豫度.三異羥肟酸鈉配體[41]通過與Gd3+中心進行螯合，限制自由旋轉，增加其剛性，弛豫度從5.4×103 L·mol-1·s-1增加至8.0×103 L·mol-1·s-1;弛豫度的變化表明高分子簇可降低分子旋轉相關時間，在高磁場下產生高弛豫度.

已有關于Gd（（III）-Fe（II）的雙核化合物作為MRI造影劑的報道，結構式如圖5所示.根據兩種核的不同絡合能力和結構特點選擇配體.Fe2+的配體有：三聯(lián)吡啶[42]，鄰二氮雜菲[43]和2，2′-聯(lián)吡啶[44].另一方面，基于DTTA，DTPA，DOTA等配體常用于與Gd3+螯合，這些超分子化合物可以與Fe2+和Gd3+離子進行自組裝.它們有較高的弛豫度，具有檢測Fe2+的潛力.

圖5Fe 配合物的結構式[1]

Merbach等[45]研究出[Fe（tpy-DTTA）2Gd2] （Fe-23），相對較低分子量的[GdH（TTAHA）]2-，有較高的弛豫度，（分別為17.4×103 L·mol-1·s-1和7.3×103 L·mol-1·s-1）.Fe-23的核心Fe2+（tpy）2是剛性結構，使得旋轉相關時間變長，即τR增加，故弛豫度有所提高，但是穩(wěn)定性有所下降.為解決此問題，該課題組又報道了一種基于雙吡啶類的配體[46]，以雙金屬核Fe3+和Gd3+為基礎的{Fe[Gd2bpy（DTTA）2]3}4-（Fe-24）結構，相對[Gd2bpy（DTTA）2]2-化合物來說，弛豫度較大，為20.17×103 L·mol-1·s-1.還有一種高分子四金屬化合物[43] [Fe（Gd-DTPA-phen）3] （Fe-25），它由一個Fe2+離子與三個鄰二氮菲分子結合，相對Gd-DTPA，F(xiàn)e-25的弛豫度達至9.5×103 L·mol-1·s-1，有所提高.

4.4基于Gd3+的造影劑對Zn2+的檢測

鋅在生物體內主要以二價離子的形式存在，并且大部分與蛋白質結合，在基因轉錄和金屬酶中發(fā)揮重要作用[35].Zn2+在哺乳動物的前列腺，胰腺和大腦中含量較高，Zn2+除了在大腦中可以調節(jié)神經傳輸之外，也與急性神經元的損傷有關，可抑制或誘導細胞凋亡.大量數(shù)據表明，Zn2+和其他金屬離子（Fe2+/Fe3+和Cu+/Cu2+）是導致阿爾茲海默癥的重要原因[20].Zn2+的含量缺失可能會導致前列腺炎和糖尿病.因此，檢測Zn2+的含量對于理解糖尿病病因以及阿爾茲海默癥的提前診斷具有重要意義.

針對Zn2+響應的MRI造影劑進行了大量研究，常見的有選擇性螯合劑N，N-雙（二-吡啶甲基）乙二胺（BPEN）可與二乙烯三胺五乙酸（DTPA）或1，4，7，10-四氮雜環(huán)十二烷-1，4，7，10-四羧酸（DOTA）或卟啉進行偶聯(lián)[47]，從而形成針對Zn2+的傳感器.Sherry等[48]發(fā)現(xiàn)Gd-DOTA-BPEN，結構如圖6（a）所示，其未加入Zn2+之前，r1=5.0×103 L·mol-1·s-1;加入Zn2+后，在三羥甲基氨基緩沖液中對Zn2+響應，弛豫度增加至6.0×103 L·mol-1·s-1，故該配體對Zn2+有一定的選擇性.經實驗證明，該配體對Cu2+也可配位.在人血蛋白（HAS）中做相同滴定實驗，其與HAS中的IIIA的二號位點結合，發(fā)現(xiàn)加入Zn2+之后弛豫度變化極大，由原來的6.6×103 L·mol-1·s-1增加至17.4×103 L·mol-1·s-1，增加165%.原理如圖6（b）所示，Zn2+可與HAS結合降低其剛性，即τR降低，τR=（kex）-1（kex為水交換速率），水的交換率增加，從而使弛豫度增加.

圖6（a） Gd-DOTA-BPEN的結構式;（b） Gd3+配合物與Zn2+作用的原理示意圖[50]

Carlos等[49]報告二氮雜配體H5L，在Gd-DO3A的基礎上合成獲得GdL化合物，作為Zn2+響應的MRI造影劑，加入 Zn2+之后，弛豫度由原來的（3.08 ± 0.08）×103 L·mol-1·s-1，增加至（7.50 ± 0.08）×103 L·mol-1·s-1，為原來的150%.加入Zn2+后，Zn2+可與配體中的TACN結合，使Gd3+周圍內層水分子與其配位，增加配位水分子數(shù)q，從而弛豫度有所增加.

5小結和展望

結合生物體內金屬離子特異性與MRI造影劑，利用結合前后造影劑信號的變化，對金屬離子進行定性和定量檢測，為醫(yī)學、藥理學、生物化學等多種學科領域的金屬離子檢測提供了一種新方式.但仍有很多待解決的困難，如需要將MRI與其他分子影像技術，如光學、正電子發(fā)射斷層成像以及電子計算機斷層掃描等結合起來，通過多模態(tài)成像技術克服單一影像技術在定性和定量檢測上的困難;另外生物體內復雜的化學環(huán)境，如細胞內外環(huán)境中存在高濃度的陰離子、有機物分子等，會對金屬離子的檢測有一定的干擾作用，因此需要設計具有更高選擇性和特異性的造影劑.利用分子成像技術檢測生物體內的金屬離子含量在醫(yī)學領域的應用將越來越廣泛.

參考文獻：

[1]Zhu H，F(xiàn)an J L，Wang B H，et al.Fluorescent，MRI，and colorimetric chemical sensors for the first-row d-block metal ions [J].Chemical Society Reviews，2015，44（13）：4337-4366.

[2]Wang J，Qin H S，Wang F M，et al.Metal-ion-activated DNAzymes used for regulation of telomerase activity in living cells [J].Chemistry：A European Journal，2017，23（47）：11226-11229.

[3]Yin J，Hu Y，Yoon J.Fluorescent probes and bioimaging：alkali metals，alkaline earth metals and pH [J].Chemical Society Reviews，2015，44（14）：4619-4644.

[4]Hamilton G R C，Sahoo S K，Kamila S，et al.Optical probes for the detection of protons，and alkali and alkaline earth metal cations [J].Chemical Society Reviews，2015，44（13）：4415-4432.

[5]Jiang P J，Guo Z J.Fluorescent detection of zinc in biological systems：recent development on the design of chemosensors and biosensors [J].Coordination Chemistry Reviews，2004，248（1）：205-229.

[6]Wilson K E，Bachawal S V，Abou-Elkacem L，et al.Spectroscopic photoacoustic molecular imaging of breast cancer using a B7-H3-targeted ICG contrast agent [J].Theranostics，2017，7（6）：1463-1476.

[7]Guo C，Sun L，Cai H，et al.Gadolinium-labeled biodegradable dendron-hyaluronic acid hybrid and its subsequent application as a safe and efficient magnetic resonance imaging contrast agent [J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（28）：23508-23519.

[8]Tu C，Osborne E A，Louie A Y.Activatable T1 and T2 magnetic resonance imaging contrast agents [J].Annals of Biomedical Engineering，2011，39（4）：1335-1348.

[9]Sigg S J，Santini F，Najer A，et al.Nanoparticle-based highly sensitive MRI contrast agents with enhanced relaxivity in reductive milieu [J].Chemical Communications，2016，52（64）：9937-9940.

[10]Zhang W，Martinelli J，Peters J A，et al.Surface PEG grafting density determines magnetic relaxation properties of gd-loaded porous nanoparticles for MR imaging applications [J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（28）：23458-23465.

[11]James Ratnakar S，Arockia Samy N，Alexander V.A new potential contrast agent for magnetic resonance imaging：Synthesis and relaxivity studies of a gadolinium（III） complex of glucose-6-pHospHate conjugated 1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7-triacetic acid [J].Polyhedron，2012，38（1）：1-6.

[12]Zhang L，Liu R，Peng H，et al.The evolution of gadolinium based contrast agents：from single-modality to multi-modality [J].Nanoscale，2016，8（20）：10491-10510.

[13]Werner E J，Datta A，Jocher C J，et al.High-relaxivity MRI contrast agents：where coordination chemistry meets medical imaging [J].Angewandte Chemie International Edition，2008，47（45）：8568-8580.

[14]Einkauf J D，Clark J M，Paulive A，et al.A general model of sensitized luminescence in lanthanide-based coordination polymers and metal-organic framework materials [J].Inorganic Chemistry，2017，56（10）：5544-5552.

[15]Tracey M P，pHam D，Koide K.Fluorometric imaging methods for palladium and platinum and the use of palladium for imaging biomolecules [J].Chemical Society Reviews，2015，44（14）：4769-4791.

[16]Cao Y，Xu L J，Kuang Y，et al.Gadolinium-based nanoscale MRI contrast agents for tumor imaging [J].Materials Chemistry，2017，5（19）：3431-3461.

[17]Xiao Y，Xue R，You T，et al.Gadolinium-1，4，7，10-tetraazacyclododecane-1，4，7，10-tetraacetic acid conjugate of arabinogalactan as a potential liver-targeting magnetic resonance imaging contrast agent [J].Carbohydrate Research，2014，395（33）：9-14.

[18]Sinharay S，Pagel M D.Advances in magnetic resonance imaging contrast agents for biomarker detection [J].Annual Review of Analytical Chemistry，2016，9（1）：95-115.

[19]Shi Q，Bloembergen N.Proton relaxation times in paramagnetic solutions [J].The Journal of Chemical Physics，1957，27（2）：572-573.

[20]Manus L M，Strauch R C，Hung A H，et al.Analytical methods for characterizing magnetic resonance probes [J].Analytical Chemistry，2012，84 （15）：6278-6287.

[21]Rashid H U，Martines M A，Jorge J，et al.Cyclen-based Gd3+ complexes as MRI contrast agents：Relaxivity enhancement and ligand design [J].Bioorganic & medicinal chemistry 2016，24（22）：5663-5684.

[22]Shen C，New E J.Promising strategies for Gd-based responsive magnetic resonance imaging contrast agents [J].Current Opinion in Chemical Biology，2013，17（2）：158-166.

[23]Haas K L，F(xiàn)ranz，Katherine J.Application of metal coordination chemistry to explore and manipulate cell biology [J].Chemical Reviews，2009，109（10）：4921-4960.

[24]Angelovski G，F(xiàn)ouskova P，Mamedov I，et al.Smart magnetic resonance imaging agents that sense extracellular calcium fluctuations [J].ChemBioChem，2008，9（11）：1729-1734.

[25]Zhang K L，Zhou J，Zhou H，et al.Bioinspired “Active” stealth magneto-nanomicelles for theranostics combining efficient MRI and enhanced drug delivery [J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（36）：30502-30509

[26]Tanwar J，Datta A，Chauhan K，et al.Design and synthesis of calcium responsive magnetic resonance imaging agent：Its relaxation and luminescence studies [J].European Journal of Medicinal Chemistry，2014，82（23）：225-232.

[27]Mamedov I，Canals S，Henig J，et al.In vivo characterization of a smart MRI agent that displays an inverse response to calcium concentration [J].ACS Chemical Neuroscience，2010，1（12）：819-828.

[28]Li W H，F(xiàn)raser S，Meade T J.A calcium-sensitive magnetic resonance imaging contrast agent [J].Journal of the American Chemical Society，1999，121（6）：1413-1414.

[29]Verma K D，A Forgács，Logothetis N K，et al.New Calcium-selective smart contrast agents for magnetic resonance imaging [J].Chemistry-A European Journal，2013，19（52）：18011-18026.

[30]Dhingra K，Maier M E，Beyerlein M，et al.Synthesis and characterization of a smart contrast agent sensitive to calcium [J].Chemical Communications，2008，23（29）：3444-3446.

[31]Tour O，Adams S R，Kerr R A，et al.Calcium green flash as a genetically targeted small-molecule calcium indicator [J].Nature Chemical Biology，2007，3（7）：423-431.

[32]Nigel J，Robinson，Dennis R.et al.Copper metallochaperones [J].Annual review of biochemistry，2010，79（1）：537-562.

[33]Shinichi I，Kim H W，Nakagawa O，et al.Novel role of antioxidant-1 （atox1） as a copper-dependent transcription factor involved in cell proliferation [J].Biological Chemistry，2008，4（283）：9157-9167.

[34]Leary S C，Winge D R，Cobine A P.“Pulling the plug” on cellular copper：The role of mitochondria in copper export [J].Biochimica et BiopHysica Acta （BBA）-Molecular Cell Research，2009，1793（1）：146-153.

[35]Hurd，Mark W，Ralph，et al.The significance of circadian organization for longevity in the golden hamster [J].Journal of Biological Rhythms，1998，13（5）：430-436.

[36]Puig，Sergi T，Dennis J.Molecular mechanisms of copper uptake and distribution [J].Current Opinion in Chemical Biology，2002，6（2）：171-180.

[37]Jang J H，Bhuniya S，Kang J，et al.Cu2+-responsive bimodal （Optical/MRI） contrast agent for cellular imaging [J].Organic Letters，2013，15（18）：4702-4705.

[38]Xiao Y，Zhao G Y，F(xiàn)ang X，et al.A smart copper （II）-responsive binuclear gadolinium （III） complex-based magnetic resonance imaging contrast agent [J].RSC Advances，2014，4（65）：34421-34427.

[39]Zecca L，Youdim M B，Riederer P，et al.Iron，brain ageing and neurodegenerative disorders [J].Nature Reviews Neuroscience，2004，5（11）：863-873.

[40]Aime S，Botta M，F(xiàn)asano M，et al.Paramagnetic Gd（III）-Fe（III） heterobimetallic complexes of DTPA-bis-salicylamide [J].Acta Part A 1993，49（9）：1315-1322.

[41]Parac-Vogt T，Kimpe N，Binnemans K，et al.Heterobimetallic gadolinium（III）-iron（III） complex of DTPA-bis（3-hydroxytyramide） [J].Journal of Alloys and Compounds 2004，374（1）：325-329.

[42]Boulay，Alexandre，Deraeve，et al.Terpyridine-based heteroditopic ligand for RuIILn3III metallostar architectures （Ln=Gd，Eu，Nd，Yb） with MRI/Optical or dual-optical responses [J].Inorganic Chemistry 2015，54（4）：1414-1425.

[43]Parac V，Elst V，Kimpe，K，et al.Pharmacokinetic and in vivo evaluation of a self-assembled gadolinium（III）-iron（II） contrast agent with high relaxivity [J].Contrast media & molecular imaging 2006，1（6）：267-278.

[44]Li W S，Luo J，Chen Z N.A self-assembly heterotrinuclear gadolinium（III）-iron（II） complex as a MRI contrast agent [J].Inorganic Chemistry Communications，2011，14（12）：1898-1900.

[45]Ruloff Robert，Koten G，Merbach，et al.Novel heteroditopic chelate for self-assembled gadolinium（iii） complex with high relaxivity [J].Chemical Communications，2004，3（7）：842-843.

[46]Livramento J B，Tóth ，Merbach，et al.High relaxivity confined to a small molecular space：A metallostar-based，potential MRI contrast agent [J].Angewandte Chemie International Edition，2005，44（10）：1480-1484.

[47]Matosziuk L M，Leibowitz J，Heffern M C，et al.Structural optimization of Zn（II）-activated magnetic resonance imaging probes [J].Inorganic Chemistry，2013，52（21）：12250-12261.

[48]Esqueda A C，Jorge A.Sherry，et al.A new gadolinium-based MRI zinc sensor [J].Journal of the American Chemical Society，2009，131（32）：11387-11391.

[49]Regueiro F M，Gunduz S，Patinec V，et al.Gd（3+）-Based magnetic resonance imaging contrast agent responsive to Zn（2+） [J].Inorganic Chemistry，2015，54（21）：10342-10350.

[50]Yu J，Martins A，Sherry A，et al.Amplifying the sensitivity of Zinc（II） responsive MRI contrast agents by altering water exchange rates [J].Journal of American Chemical Society，2015，137（44）：14173-14179.