Nov/Dez 2018

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Artigo - Gadolínio: o lantanídio que detecta tumores
Autor(a): Juliana Moreno de Paiva (*) e Antônio Carlos Massabni (**)

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As propriedades químicas de um elemento estão relacionadas com o número de elétrons existentes no nível mais externo e sua respectiva distribuição nos orbitais dos seus átomos. A divisão desses elementos em grupos que apresentam propriedades semelhantes é uma das ferramentas químicas mais conhecidas, a Tabela Periódica [1,2].

Uma das separações que pode ser visualmente notada na tabela é a presença de quatro regiões retangulares também chamadas de blocos s, p, d e f, conforme Figura 1  [1,2].

O bloco f se destaca por estar localizado do lado de fora do corpo principal da tabela. Essa posição é adotada para simplificar estruturalmente e esteticamente a tabela, não deslocando os grupos de 4 a 18. O bloco f é subdividido em duas séries, os lantanídios e os actinídios, contendo 14 elementos cada. Os elementos pertencentes ao bloco f são chamados de elementos de transição interna.

Essa denominação provém do fato de serem elementos cuja diferenciação na configuração eletrônica ocorre em nível mais interno, ou seja, no antepenúltimo nível de energia, cujos orbitais f vão sendo preenchidos do f1 ao f14  [1,2].

Os lantanídios apresentam configuração 4f e geralmente são representados pelo símbolo Ln. Este nome vem do lantânio, elemento do bloco d que precede a série. Os elementos pertencentes ao grupo são: cério, praseodímio, neodímio, promécio, samário, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, itérbio e lutécio  [1,2,3].

A característica mais marcante desses elementos é que eles são naturalmente encontrados em compostos iônicos, principalmente em estados de oxidação 3+, pois a soma das três primeiras energias de ionização desses elementos é baixa. Essa uniformidade faz com que os lantanídios se assemelhem muito mais uns aos outros do que os de uma série horizontal de elementos de transição da Tabela Periódica. Por conta disso, eles possuem pouca diferença entre seus raios iônicos fazendo com que sejam de difícil separação e isolamento entre si, uma vez que se encontram sempre misturados na natureza. Esta particularidade foi o maior obstáculo para a descoberta desses elementos [1,2,3].

O início dos descobrimentos desses elementos ocorreu apenas em 1751, quando o Químico sueco Axel Cronstedt identificou um mineral denso e escuro, inicialmente chamado de "pedra pesada de Bastnäs" e conhecido atualmente como "cerita". Em 1788, o também Químico sueco Carl Arrhenius descobriu outro mineral, a iterbita (depois rebatizada como "gadolinita" em homenagem ao Químico finlandês Johan Gadolin). O estudo destes minérios ao longo dos anos permitiu identificar 13 dos 14 elementos lantanídios, sendo o último o európio, descoberto em 1901 pelo francês Eugène Demarçay.

Imagens cedidas pelos autores

Figura 1: Blocos s, p, d e f da Tabela Periódica

Dispondo esses elementos em uma sequência na Tabela Periódica, observou-se um espaço entre o gadolínio e o samário. Esse elemento, atualmente denominado promécio, foi isolado somente em 1945, entre os produtos da fissão do urânio 235, pelos americanos Jacob Marinsky, Lawrence Glendenin e Charles Coryell [3].

A porcentagem de lantanídios na crosta terrestre é de 0,015%. Suas principais fontes são os minerais monazita e bastnasita (Figura 2).

O mineral monazita foi a única fonte de extração de lantanídios até 1960. Ele é formado por fosfatos de lantânio, lantanídios trivalentes, ítrio e tório. Já a bastnasita é formada por fluorocarbonatos de lantanídios. Essas fontes correspondem a 78% e 22% das extrações de lantanídios, respectivamente [1,2].

Os lantanídios possuem elétrons em uma camada mais interna e por isso esses elétrons acabam não participando das ligações entre os átomos. Esta particularidade faz com que geralmente sejam elementos fortemente paramagnéticos e formem sais coloridos devido à presença de elétrons desemparelhados que absorvem radiação eletromagnética em determinados comprimentos de onda [1,2, 3].

Os íons Ln3+ têm uma carga alta que favorece a formação de complexos. Contudo, são relativamente grandes quando comparados a elementos de transição, o que desfavorece a complexação. Por isso, complexos com números de coordenação inferiores a 6 são raros e somente ocorrem com ligantes mais volumosos. Os números mais comuns são 7, 8 e 9. Não formam complexos com retrodoação, pois os orbitais f não estão disponíveis para formar tais ligações [1,2, 3].

As cores dos complexos formados são em geral em tons pastéis suaves devido às propriedades ópticas associadas às transições eletrônicas f-f. Além disso, como são orbitais internos, ficam mais protegidos da influência dos ligantes, não sofrendo variação na cor com a troca do ligante. Como o efeito da modificação na energia do campo cristalino sobre o orbital f é pequeno, isso propicia bandas de absorção geralmente finas quando comparadas a elementos de transição. Devido a esse fenômeno, os lantanídios são amplamente empregados na calibração de comprimentos de onda em instrumentos que visam as análises quali-quantitativas [1,2].

Dentre os complexos de lantanídios, os de gadolínio são os mais estudados e envolvidos em 4.301 artigos publicados de 1999 a 2018. Os gráficos de publicações e citações por tempo exibem um crescente interesse sobre os compostos de Gd conforme observado na Figura 3.

O nome gadolínio foi dado em homenagem ao Químico finlandês Johan Gadolin. Este elemento possui número atômico 64 e massa atómica de 157,25. É um metal branco prateado, maleável, relativamente duro, dúctil, relativamente estável no ar seco, forma óxido quando em contato com o ar úmido, é paramagnético, porém abaixo de 20 ºC seu comportamento passa a ser ferromagnético (Figura 4) [1,2].

O íon gadolínio 3+ forma compostos incolores, porém sob luz UV ele fluoresce emitindo uma cor esverdeada (Figura 5) [1,2].

O gadolínio forma complexos com elevados números de coordenação, geralmente 8 ou 9, e são principalmente utilizados como agentes de contraste em imagem por ressonância magnética para o diagnóstico em tecidos moles do corpo como: cérebro, músculos, fígado, rins, bexiga, tendões e ligamentos [8,9].

A imagem por ressonância magnética funciona da seguinte forma: o tecido é exposto a um campo magnético externo e transversalmente ao tecido emite-se uma onda pulsada com radiofrequência, provocando perturbação nos prótons, principalmente de moléculas de água. Quando os prótons retornam ao estado inicial, obtém-se a imagem pela conversão da radiação emitida por eles. Essa retomada é chamada de relaxação. Cada tecido possui uma velocidade de relaxação e densidade de prótons distinta. diferenciando e evidenciando os tecidos e mapeando-os.

Para melhorar a resolução das imagens através do contraste obtido pela variação dos tempos de relaxação os agentes de contraste são aplicados [10]. Na Figura 6 pode-se observar a ressonância magnética de um tumor no cérebro, sem e com a utilização de um complexo de gadolínio como agente de contraste.

	Figura 6 - Imagem utilizando ressonância magnética de um tumor sem e com a utilização do agente de contraste que é o complexo de gadolínio Gd-DTPA - Fonte: Pupa Gilbert Research Group [11]

Nota-se na imagem a importância do contraste para diagnósticos. Um tumor sem a presença do complexo de gadolínio poderia passar desapercebido pelo baixo contraste entre ele e o cérebro. Porém, com o agente a área é destacada possibilitando um diagnóstico muito mais claro e preciso.
 

Alguns exemplos de complexos de gadolínio utilizados comercialmente na detecção de tumores são o Gd-DOTA (Dotarem®), Gd-DTPA (Magnevist®), Gd-HPDO3A (Prohance®) e o Gd-DTPA-BMA (Omniscan®) (Figura 7) [8].
 

Analisando essas estruturas pode-se observar que os complexos são formados por agentes quelantes com estrutura ramificada ou cíclica. Ambos os tipos de estrutura formam complexos com oito ligações. Contudo, as estruturas cíclicas circundam completamente o íon trazendo maior fixação no metal do que as estruturas ramificadas. Isso acaba sendo importante pois quando compostos entrarem em contato com o corpo eles irão possuir outros competidores, como os íons Zn2+, e esta fixação fará com que eles não sejam substituídos por outros íons como os ramificados, trazendo melhor qualidade de imagem de contraste [8].

Os desafios das pesquisas nessa área estão na síntese de novos complexos que sejam cada vez mais estáveis, tenham maior biocompatibilidade, menor toxicidade e que produzam um maior realce de contraste, possibilitando um diagnóstico mais preciso [8,9].

Relação de Matérias

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