本发明涉及用来提高生命体内部结构及功能造影的反差的组合物和方法。 生命体的内部结构和功能的造影可以用来自外源（例如在常规的X射线和计算机轴向X射线断层照相术中）或内源（例如在PET或正电子发射断层扫描和放射性核素扫描中）的电磁辐射来完成。在用核磁共振（NMR）和超声波扫描术造影时避免了使用电离辐射，因此这些方法在许多应用中有优越性。
不管造影方式如何，都在考虑通过反差剂在欲造影区域的积聚来增高影象反差的方法。这些试剂常常是金属，它们发射、吸收或散射能量，或者象用NMR试剂的情形，局部地提高影象信号强度。为得到最佳效果，试剂必须积聚。这可以通过直接注射反差剂（例如在脊髓X线造影或逆行尿道X线造影中）、代谢摄入一种试剂（例如在PET中）或是用会在某些组织内积累的单克隆抗体与反差剂共轭结合来完成。后一方法已特别用在用螫合的金属离子增强NMR影象。虽然此法已众所周知，但是它有几个缺点：
1.抗体的制备复杂;
2.在共轭结合后抗体的免疫活性减小;
3.目标组织摄入的共轭物有限;
4.螫合离子和抗体之间可能有不利的相互作用。
由于NMR造影的优点（分辨率良好和避免了电离辐射），能够积聚更多的NMR反差剂在临床上将是重要的。这种试剂将明显地比先有技术的反差剂优越。
NMR反差剂
由NMR扫描得到的影象质量以下面两种性质为基础：不同组织的质子密度和质子松弛速度的差别。组织的质子密度不容易改变。质子松弛速度可以用加入顺磁松弛剂（更常用的称呼是“反差剂”）来调节。反差剂提高了NMR影象中磁学上相似但组织上不同的各组织间的反差。
钆由于有7个未配对电子而有很强地顺磁性，它已被试验作为反差剂。钆具有大的磁矩，它有效地松弛磁核並提高钆所在区域内的组织反差。
钆作为反差剂的一个缺点是它对动物有毒性，虽然解决这一问题的可能的方法是将钆掺到一种化合物中，该化合物将通过身体並排泄出去而不会释放出钆离子。遗憾的是，稀土元素（包括钆）不与有机分子形成稳定的共价键，于是这种分子会在体内分解並放出有毒的离子。
因此，需要有效的反差剂，它能避免在使用钆或其它金属离子时固有的毒性问题。另外，最好是反差剂能控制或影响螫合离子在体内的分布。
一种更为理想的选择性定位释放金属离子的方法是使用对各种类型组织有固有亲合性的稳定的螫合物。通过在离子电荷和亲油特性程度方面进行调节，将固有的组织亲合性结合到有机螫合剂之中，将使它比现有试剂具有明显的优越性。
本发明涉及一系列新的含磷的三氮杂和四氮杂大环螫合剂，它们对某些组织有固有的亲合性。在静脉注射之后，含有这些组合物的螫合物优先累积在某些组织中，这取决于注射后的时间。具体地说，1，4，7，10四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四（亚甲基膦酸单丁酯）对肝组织和胃肠道（按此次序）有高亲合性。因此，含有此试剂的螫合物由于酯官能度赋予的亲油特性而适合肝区造影。这些试剂不被代谢，最终经由尿或粪便排出体外。
虽然以上的单丁酯象是很适合肝区造影，但是类似的烷基酯也在考虑之中。单戊酯对肝区造影几乎同样地好，但是单辛酯则有水溶性很低的缺点。另一方面，单丙酯可以用于肝区造影，但是效率较低，因为很大一部分试剂迅速地流失到肾中;单异丙酯的情形相似。因此，最优选的实施方案是上面提到的单丁酯。
对于用在NMR中，本发明的组合物必须与金属元素螫合。该元素最好是稀土系列（以钆为佳），但是本领域技术人员会理解，其它的金属离子也可以用于造影。例如，其它的金属螫合物（例如放射性核素或重金属的螫合物）可以用于闪烁造影、X射线造影和类似的造影方法，在这种场合下局部组织参量的变化可以增加影象的反差。根据对于具体使用的反差剂优选的金属离子，可以选择本发明的三氮杂-或四氮杂-化合物作为螫合剂。
本发明的螫合剂具有以下化学式
其中，
x是2、3或p2（s）和q3（s）的结合，其中p+q＝y;
y是3或4;
R是（CH2）zP（＝0）OR1OR2;
R1是H或CH3;
R2是丁基、戊基或己基;
z是1到3。
在一项重要的实施方案中，此化合物可以与金属络合成具有以下化学式的多氮杂大环化合物-金属络合物
其中，
x是2、3或是P2（s）与q3（s）的结合，其中p+q＝y;
y是3或4;
R是（CH2）zP（＝0）OR1OR2;
R1是H或CH3;
R2是丁基、戊基或己基;
z是1到3;
r是2或3;
M是一种金属离子。
符号y表征了化合物是三氮杂大环或是四氮杂大环。x最好是2，但在很多情形里可以是3。x是p2（s）和q3（s）的结合当然容易形成，但是p+q的总和必须是多氮杂大环中的单元数y。对于R1，H或CH3被认为使用时等同。
在关于此化合物或其金属络合物的优选的实施方案中，y是3，p是1和q是2，或者p是2和q是1。
在关于此化合物或其金属络合物的优选的实施方案中，y是4，p是1和q是3;p是2和q是2;或者p是3和q是1，z最好为1。n以2为佳。
在一项更为优选的实施方案中，x是2，y是4，z是1，R1是H，R2是丁基。
在另一项优选的实施方案中，x是2，y是3，z是1，R1是H，R2是丁基。
M+r最好是顺磁的镧系元素，但是其它的二价或三价金属离子，包括放射性核素和重金属，也可以这样络合。
在一项重要应用中，本发明涉及增强受验者的核磁共振影象的方法。该方法包括使受验者服用具有以下化学式的多氮杂大环化合物-金属络合物
其中，
x是2，3或是p2（s）和q3（s）的结合，其中
p+q＝y;
y是3或4;
R是（CH2）zp（＝0）OR1OR2;
R1是H或CH3;
R2是丁基、戊基或己基;
z是1到3;
r是3;
M是钆。
图1示意说明了NOTPME（其中R为CH2CH3，R1为H）的结构。
图2示意说明了DOTEP的结构。
图3示意说明了DOTPMB的结构。
实施例1
三氮杂大环化合物
NOTPME合成
材料
1，4，7-三氮杂环壬烷、多聚甲醛、亚磷酸二乙酯和活性炭DarcoG-60由Aldrich化学公司购得。MgSO4由Mallickrodt公司得到，氢氧化钠和苯得自J.T.Baker公司，乙醚为Fischer Scientific公司产品。所有化学物均为最高纯度，使用时未作进一步纯化。Zncl2、Gdcl2、Mgcl2和Cacl2溶液用络合滴定法标定。
NOTPME的合成
将1，4，7-三氮杂环壬烷（1.91克，14.71毫摩尔）和亚磷酸二乙酯（7.018克，16.94毫摩尔，过量15%）溶解在125毫升苯中，加热回流。分小份将无水多聚甲醛（1.727克，过量30%）加到上述的回流混合物中，同时蒸发除掉苯-水共沸混合物。在加完多聚甲醛之后，将整个溶液煮沸30分钟，然后蒸发，得到黄色的粘性油状物。将该油溶解在150毫升无水乙醚中，用无水Mgso4干燥过夜。滤掉Mgso4及形成的白色沉淀物並丢弃之。将滤液用活性炭脱色过滤。滤液减压蒸发，得到粘性油状的1，4，7-三氮杂环壬烷-N，N′，N″-三（亚甲基膦酸二乙酯）（NOTPDE）。得到的纯NOTPDE产率为96%（9.21克，14.17毫摩尔），不经纯化，用它合成NOTPME（结构示于图1）。NOTPDE在CDCl3中的1HMNR数据（四甲基硅烷为O）如下：δ（PPm）：1.33（t，18H，-CH3），2.97（S，12H，N-CH2），3.00（d，6H，P-CH2），4.13（P，12H，O-CH2）。
将9.20克NOTPDE（14.15毫摩尔）与2.50克NaOH在9毫升水中混合，2小时后将整个反应混合物加热至沸，直到形成透明的溶液（约5分钟）。将溶液冷却到室温，放置过夜。用加压过滤漏斗和粗孔级的滤片，从粘性母液中滤出形成的晶体。用冷的无水乙醇洗晶体一次，用无水乙醇-乙醚（1∶1）混合物洗三次，最后用乙醚洗。Na3NOTPME的晶体在25℃于干燥氮气流中干燥2小时。将NOTPME在50℃下真空干燥（10毫米Hg）5小时，除掉痕量的水和乙醇。这样得到的纯NOTPME是白色结晶，吸湿性很强，容易溶在水中，在氯仿中溶解良好。纯NOTPME的产率为40.8%（3.24克，5.77毫摩尔）。
1HNMR（D2O，HDO峰设定在4.90PPm作为基准），δ（ppm）：1.23（t，9H，-CH3），2.54（s，宽，6H，p-CH2），2.79（s，宽，12H，N-CH2），3.91（p，6H，O-CH2）
实施例2
四氮杂大环化合物
DOTEP合成
示于图2的DOTEP制备如下。将2毫升二氯乙基膦与冰慢慢混合，形成相应的乙次膦酸。在温热至室温之后，加入390毫克1，4，7，10-四氮杂环壬烷四盐酸化物（Cyclen·4Hcl）（Parrish化学公司，Ogden，Utah），将混合物在氮气氛下如热至沸。将157毫克多聚甲醛溶在10毫升6MHCL中所成之溶液以0.5毫升/小时的速度加入，同时继续回流该混合物。最终的混合物再回流4小时，然后冷至室温。将溶液减压浓缩成粘性油状物，重新溶在6毫升水中，加到一个Dowex50WX4（H形式）阳离子交换柱（床体积7.5毫升）上。用水将柱子洗至中性，用60毫升0.66MHcl洗脱产物。收集含DOTEP的级分，蒸发，重新溶解在无水乙醇中，蒸发成白色固体，将此固体分散到无水乙醚中，过滤，在氮气下预干燥，再在60-70℃下干燥，得到吸湿性很强的白色固体（360毫克，44%产率）。将此固体贮存在密封的小瓶中。元素分析和电势滴定表明此固体是DOTEP·2HCL。
实施例3
四氮杂大环化合物
DOTP二丁酯的合成
将四氮杂-12-冦-4.4Hcl（1克，3.14×10-3摩尔）溶在水中，用1M NaOH将PH调节到9.0。将溶剂蒸发，残余物真空干燥1小时。加入甲醛（6.6毫升37%的溶液，7.15克，0.24摩尔），在室温下搅拌反应混合物30分钟。随后加入亚磷酸二丁酯（96%纯度5.10毫升，0.025摩尔），在室温下搅拌反应混合物15小时（这样使用亚磷酸二戊酯和二己酯则分别生成二戊酯和二己酯）。所形成的混合物由两层组成。如13CNMR所指示的，底层主要是过量的甲醛。上层含有产物和多余的亚磷酸酯。将此层分离出来，减压浓缩和干燥1小时。将所形成的浆体装在硅胶柱（2.5×11厘米）上。用二氯甲烷（250毫升）洗掉多余的亚磷酸酯。产物用5%的甲醇在二氯甲烷中的溶液洗脱。收集20毫升级分並用薄层色谱法监测。将含产物的各级分合并，浓缩，真空干燥。得到浅黄色油状物，产率75%（2.34克）。
1H NMR（CDCl3）：0.87（t，J＝7.3，6H），1.33（m，J＝7.3，4H），1.60（P，J＝7.3，4H），3.18（br s，4H），3.39（d，J＝8.5，2H），4.03（m，J＝7.3，6.1，4H）.13C NMR（CDCl3）：11.3（s），16.5（s），30.3（d，J＝5.9），47.3（d，J＝148），50.0（br s）63.8（d，J＝7.3）。
实施例4
四氮杂大环化合物
DOTP单丁酯（DOTPMB）的合成
将上述的DOTP二丁酯悬浮在1M KOH（20毫升）中。将混合物在85℃下搅拌17小时，然后在106℃下搅拌9小时。将溶剂蒸发，样品在真空下干燥1小时。然后加入二氯甲烷（40毫升），尽可能地将留下的固态KOH粉碎。再次将溶剂蒸发，再重复此步骤两次。将溶剂蒸发，残余物溶在60毫升甲醇中。将混合物过滤，然后减压浓缩成浆体。加入二氯甲烷（80毫升），将混合物过滤。蒸走溶剂，残余物真空干燥，得到白色固体，产率71%。13CNMR（D2O;以二恶烷在67.0PPM作为基准）：13.5，18.9，32.9（d，J＝5.9），50.7（d，J＝140.6），51.5（br s），64.6（d，J＝5.9）.
实施例5
Gd-DOTPMB的生物分布
络合和生物分布
制备了DOTPMB（图3）和Gd的络合物（按金属计为0.012M，配位体/金属比为2∶1），並掺加示踪物数量的Gd-159。用先前报道中介绍的标准分析方法测得络合度大于99%。按0.05毫摩尔/千克的用量对两只Sprague-Dawley鼠注射此络合物。30分钟后将动物宰杀並解剖之以得到生物分布数据（表Ⅰ和Ⅱ）;从各种组织中得到的实际计数示于表Ⅱ中。在这段时间结束时，在小肠中发现平均为58%的注射剂量（见表Ⅰ中的小肠条目）。用第三只鼠进行的类似试验在小肠中有52%（表Ⅲ和Ⅳ）;从各组织得到的实际计数示于表Ⅳ。每种情形里大部分剩余活性均由肾脏系统排出（表Ⅱ和Ⅳ）。
为了积聚在小肠中，络合物必须先经过肝。因为肝区活性在30分钟时（1%）最小（例如见表Ⅰ），所以肝区积聚的峰值是在30分钟之内通过的。这在服用螫合的示踪剂后15分钟的生物分布实例中是很明显的，该数据收集在表Ⅷ和Ⅸ中。虽然15分钟后小鼠1的肝区积聚峰值已经通过，有4%在肝区，88%在小肠，但是小鼠2在第15分钟时肝区浓度仍很大（66%）。这些动物试样表明，要使肝区的清晰度最佳，必须在服用螫合的示踪剂后15分钟之内造影。以下的试验描述支持这一结论。较高的剂量当然会延长肝区积聚处在足以大大增强肝区造影的浓度下的时间。
DOTPMB的γ-射线造影
如上所述制备一个Sm（153）-DOTPMB络合物以供Sprague-Dawley鼠γ射线造影用。在16分钟时间内每隔1分钟得到影象。影象系列揭示了注射后1分钟内螫合物浓集在肝脏中。随后络合物迅速地从肝转移到胃和小肠。表Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ包括在注射后1小时、24小时和72小时得到的数据，表明试剂从胃和肠移到粪便中。
对于本文所叙述的各个部分、元件、步骤和程序的结构、操作及安排可以作出变动而不偏离在以下权利要求中所定义的本发明的概念和范围。