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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/4476

Title: Nanoscale intercation for higher efficiency of contrast media
Other Titles: interazioni su nanoscala per una buona efficienza dei mezzi di contrasto
Authors: Fontanive, Luca
Supervisor/Tutor: Cesaro, Attilio
Co-supervisor: D'Amelio, Nicola
Issue Date: 8-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Iopamidolo, Iomeprolo e Iopromide sono Mezzi di Contrasto Iodinati Non-ionici (MCIN) usati in urografia e angiografia come soluzioni concentrate. I dati relativi ai MCIN presenti in letteratura mostrano un’abbondanza di informazioni cliniche ma una carenza di dati riguardanti le loro caratteristiche chimico-fisiche. L’efficenza di questi composti in ambito medico è dovuta alla combinazione di tali proprietà. Risulta quindi necessario uno studio relativo ai dettagli molecolari per chiarire i contributi di ogni gruppo funzionale del sistema che determinano le differenze in termini di comportamento chimico-fisico. Le soluzioni concentrate di MCIN sono caratterizzate da bassi valori di viscosità e osmolalità dovuti all’autoassemblamento del sistema che genera aggregati nanostrutturati solubili in soluzione acquosa. Da queste considerazioni, questo lavoro di ricerca si è focalizzata su tecniche spettroscopiche, termodinamiche e di simulazioni di dinamica molecolare per indagare il fenomeno dell’associazione, sia in funzione della temperatura che della concentrazione, relazionato alle interazioni intermolecolari che spesso sono la principale causa della stabilità delle soluzioni concentrate di MCIN. Questi composti possiedono una struttura molecolare relativamente semplice, ma sono sistemi complessi in quanto soggetti all’atropisomerismo che causa la coesistenza di isomeri strutturali (atropisomeri) in soluzione, quindi di diverse geometrie di interazione soluto-soluto. Il primo approccio sperimentale è stata la caratterizazione molecolare attraverso la spettroscopia NMR per determinare gli equilibri conformazionali in termini di percentuali di popolazione in soluzione. Studi termodinamici hanno permesso di classificare Iopamidolo, Iomeprolo e Iopromide in base alle loro caratteristiche idrofiliche ed idrofobiche nei confronti delle molecole di acqua. Parallelamente sono state realizzate simulazioni di dinamica molecolare per ottenere informazioni riguardo la sfera di idratazione (confrontate con i dati termodinamici da letteratura) e sul processo di associazione che è stato studiato in funzione della temperatura sia con la spettroscopia NMR che con quella Brillouin. Ulteriori informazioni sulle interazioni intermolecolari e sull’atropisomerismo sono state ottenute analizzando anche lo stato solido dello Iopamidolo e dello Iomeprolo (sia sui vetri che sui cristalli) tramite tecniche spettroscopiche, calorimetriche e diffrattometriche i cui risultati hanno mostrato analogie in termini di interazioni intermolecolari fra le catene laterali. Inoltre, studi in funzione della temperatura hanno mostrato alcune transizioni solido-solido. L’accumulo di dati sperimentali relativi alla calorimetria isoterma e a scansione, traiettorie di dinamica molecolare ed alle varie spettroscopie, ha permesso di estendere il quadro generale delle conoscenze delle proprietà chimico-fisiche dei MCIN.
Iopamidol, Iomeprol and Iopromide are Non-ionic Iodinated Contrast Media (NICMs) are used as concentrated solutions in x-Ray diagnostics as angiography and urography. The analysis of the current literature knowledge on NICMs shows an clear abundance of clinical diagnosis data but a lack of information on their physico-chemical properties. The success of these molecules in diagnosis is due to a combination of their properties, but a clarification of the role of structural determinants affecting the processes in concentrated solution is necessary. Thus a study of the molecular details may shed light on the differences in physico-chemical behavior. The concentrated solutions of NICMs are characterize by low viscosity and osmolality values due to the self-assembling of the system that generates soluble nano-structured aggregates in aqueous solution. Standing these considerations, the research work focused on spectroscopic, thermodynamics and MD simulation techniques to probe the association phenomenon, as a function of concentration and temperature. The interplay of the intermolecular interactions are the main reason for the stability of the concentrated solution of NICMs. Non-ionic iodinated contrast media have quite a simple molecular structure, but they show a complex behaviour due to the atropisomerism phenomenon. The coexistence of several structural isomers (atropisomers) in solution is at the basis of the different geometries of solute-solute interasctions. Thus, the first study whas been the molecular characterization of these molecules by using NMR spectroscopy to probe the conformational equilibria in terms of conformer population in solution. Thermodynamic approaches provided a classification of Iopamidol, Iomeprol and Iopromide according to their thermodynamics behaviour in terms of hydrophilic and hydrophobic interactions with water molecules. In parallel, MD simulations data were carried out to provide information about hydration shell (which were compared with experimental data from literature) and aggregation process. Similarly, the association was probed by both NMR and experimental thermodynamic data. To have more information on the nature of intermolecular interactions and atropisomerism phenomenon the solids of Iomeprol and Iopamidol (either or glasses and crystals) were analyzed by spectroscopic, calorimetric and diffractometric techniques that shown agreement in terms of intermolecular interactions among side chains. Furthemore, solid-solid transitions were detected as a function of temperature. By collecting experimental data by isothermal and scanning calorimetry, thermodynamic properties, molecular dynamics simulations and expecially by several spectroscopics methods a choerent description of the structure and dynamics of NICMs has been achieved. These results provide new knowledge on thier physico-chemical properties and allow us to interpret some anclear phenomena.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2009/2010
Keywords: mezzi iodinati di contrasto, NMR, risonanza magnetica nucleare, atropisomerismo, interazioni nanoscala
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: CHIM/04 CHIMICA INDUSTRIALE
NBN: urn:nbn:it:units-9036
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