分子影像学可以为人们提供活体中细胞或分子层面的信息,其发展对于基础研究以及临床诊断的进步十分重要。分子影像学的进步需要成像探针在灵敏度、稳定性、安全性、靶向性和多功能性等方面的提升。树枝状分子被认为是一类完美的探针纳米载体,然而目前大部分的研究都是基于已有树枝状分子的表面修饰策略,树枝状分子的内部没有被充分利用。我们探索了一种直接利用配体作为支化中心构建树枝状分子的策略,这使得树枝状分子的合成和功能化过程融为一体,同时树枝状分子的内部骨架也被利用起来,为发展新一代多功能树枝状分子提供方法策略。在本论文中,我们以分子影像领域中著名的DOTA配体(1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸)为支化中心构建了一系列聚DOTA新型树枝状分子(PDOTA),并对其分子影像学性质进行了系统的研究。第一章主要阐述研究背景和研究现状。介绍了磁共振成像(MRI)的基本原理、MRI造影剂的构效关系理论、MRI造影剂的发展现状、荧光成像、磁共振-荧光双模式成像探针的研究进展、树枝状分子的特征及其在分子影像领域中的研究现状等。第二章介绍PDOTA树枝状分子的设计理念、合成方法,研究PDOTA螯合物的动力学稳定性。我们通过简单的合成方法高效地得到一系列均一的PDOTA大分子。实验证明Gd-PDOTA与Mn-PDOTA对酸或金属离子的动力学稳定性都明显高于相应的Gd-DOTA和Mn-DOTA。为进一步的生物应用研究奠定了基础。第三章对Gd-PDOTA的MRI造影性质进行系统的研究。Gd-PDOTA在各个磁场下的造影性能都优于Gd-DOTA,在活体实验中还观察到了 Gd-PDOTA的多造影中心协同信号增强效果。Gd-G2～G4的正电荷使它们可以高效地被细胞摄取并进行优异的细胞MRI造影。第四章研究Mn-PDOTA作为MRI造影剂的相关性质。使用Mn2+替代Gd3+作为造影中心可以有效地改善Gd-G2～G4中存在的正电荷毒性问题。不仅如此,Mn-PDOTA有着与Gd-DOTA相近的造影能力,这使其有可能成为目前主流的钆基造影剂的替代品。第五章研究Tb-PDOTA作为荧光成像探针的性质。与Gd-G2～G4类似,Tb-G2～G4可以高效地被细胞摄取并长时间停留于细胞。利用Tb的荧光可以观察Tb-G2～G4在细胞中的行为。Tb-G2～G4可以定位于溶酶体,其中Tb-G2的定位系数最高。不仅如此,Tb-G2还具有很好的光稳定性,这使其可以应用于长时间的细胞观察和溶酶体追踪。第六章对PDOTA体系进行进一步的拓展。PEG表面修饰的研究证明PDOTA可以很容易地被进一步衍生,且表面修饰可以进一步提高PDOTA螯合物的动力学稳定性并改变其生物代谢行为。通过合成Tb/Gd核/壳螯合物证明PDOTA可以作为多金属螯合的平台,并可以进一步被用于多模式成像。总之,我们通过配体支化策略,首次以DOTA配位穴为支化中心构建了一系列PDOTA新型树枝状分子。PDOTA不仅能高效地螯合多种金属离子,其螯合的动力学稳定性也明显高于相应的小分子DOTA螯合物,这使得PDOTA螯合物具有很高的生物安全性。同时,PDOTA螯合物的成像性能也优于相应的DOTA螯合物,通过表面修饰可以进一步提高PDOTA螯合物的动力学稳定性并改变其体内行为,通过螯合不同的金属离子可以方便地实现多模式成像。这些研究结果说明PDOTA是一类强有力的、多样化的分子影像螯合平台。本论文的配体支化策略可以为更多结构新颖、多功能、高性能的树枝状分子的构建提供思路。