CN101878044A - 用于基于体磁化率效应的cest mri的非球形对比剂 - Google Patents

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Abstract

在基于化学交换饱和转移(CEST)的磁共振成像(MRI)中，提供了一种用于CEST对比剂的新型载体。所述载体是非球形的，并包括半透壳，其中该壳包含顺磁化合物。所述壳包封出含有MR被分析物的空腔，其中该半透壳允许所述MR被分析物扩散。CEST效应基于由载体的各向异性导致的体磁化率效应。这导致不需要被分析物与顺磁化学位移试剂的相互作用的多功能载体。

Description

用于基于体磁化率效应的CEST MRI的非球形对比剂
发明领域
本发明涉及基于化学交换饱和转移(Chemical Exchange-dependent Saturation Transfer，CEST)的磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)。更具体地，本发明涉及基于非球形载体的CEST MRI对比剂(contrast agents)，所述非球形载体包含半透壳(semipermeable shell)，所述壳包封出(enclosing)含有MR被分析物(analyte)的空腔。
背景技术
磁共振成像(MRI)是一种重要的诊断技术，其在医院里通常被用于疾病的诊断。MRI允许软组织的非侵入性成像，具有出色的空间分辨率。
几乎所有目前的MRI扫描都是基于本体水分子(bulk water molecules)成像，这些水分子以很高的浓度存在于整个躯体的所有组织中。如果在不同组织间的对比不足以获得临床信息，就要给予MRI对比剂(CA)，例如钆的低分子量络合物。这些顺磁络合物减小了水分子质子的纵向(T1)和横向弛豫时间(T2 *)。这些基于T1的对比剂的缺点在于它们相对低的对比效力，尤其是在高磁场强度(B0大于1.5T)，以及它们快速的肾脏排泄。
一种产生影像对比的替代方法利用从经选择的磁预饱和的质子到本体水分子的化学交换饱和转移(CEST)。CEST联合顺磁化学位移试剂(paramagnetic chemical shift reagent，ParaCEST)是一种有希望的新MRI方法。在这项技术中，CEST对比剂的顺磁位移的质子的库的磁化(magnetization)通过应用射频(RF)辐射被选择性地饱和。通过质子交换进行的这种饱和到本体水分子的转移导致在CEST对比剂的环境中可激发的水质子数量的减少。因此，观察到本体水信号强度的降低，这在MRI影像中能用于产生对比增强作用。
一种获得高CEST效力的方法是基于利用含有顺磁位移试剂(例如，Na[Tm(dotma)(H2O)])的溶液的大量水分子，其中“H4dotma”表示α，α’，α”，α”’-四甲基-1，4，7，19-四乙酸和dotma代表该配体的相应的四去质子化的四阴离子形式，以提供被化学位移并因此能被RF脉冲选择性地饱和的质子库。如果该系统被包封于载体，例如脂质体中，则磁饱和能够被转移到在载体的外部的、没有被化学位移的本体水分子(LipoCEST)。磁化转移的量以及由此对比增强的程度由水经载体壳(例如磷脂膜)扩散的速率以及载体内水的数量决定。
最佳的水交换速率直接与载体内的质子库(proton pool)和载体外的本体水之间的化学位移差异相关。在脂质体内部的水分子上诱导的共振频率位移由两个主要的贡献组成：由水分子与位移试剂之间的直接偶极相互作用产生的化学位移(δdip)，以及由体磁化率效应(bulk magnetic susceptibility effect)产生的共振频率位移(δbms)。总共振频率位移是这两个贡献的加合：
δ＝δdip+δbms                                            (1)
对于球形粒子，δbms是零，但是对于各向异性的粒子它能够是显著的。非球形的粒子在磁场中受到力的作用，这使得它们沿磁力线排列。在脂质体的情形中，如果它们带有与磷脂膜相结合的顺磁分子，则该效应被进一步增强。
一篇关于使用非球形脂质体(具有与磷脂膜结合的顺磁分子)的CEST的文献是Terreno，E.等.Angew.Chem.Int.Ed.46，966-968(2007)。
上述内容中提及的LipoCEST对比剂并不足够地多功能，以用于除质子之外的被分析物，或用于与顺磁化学位移试剂的相互作用很差的被分析物。
发明概述
提供更加多功能的、非球形的CEST对比剂将是有利的。
为了解决这一问题，在本发明的一方面，提供了用于CEST MRI的对比剂，其中该对比剂包含非球形的载体，所述载体包含半透壳，其中所述壳含有顺磁化合物，该壳包封出含有MR被分析物的空腔，其中该半透壳允许MR被分析物扩散并且该MR被分析物能够扩散通过半透壳，并且其中所述空腔不含实质上与所述被分析物相互作用的顺磁位移试剂。
在另一方面，前述CEST MRI对比剂中的MR被分析物是与顺磁化学位移试剂不产生实质相互作用的类型。
在本发明的一个进一步的方面，提出了非球形的CEST MRI对比剂在被分析物上实施MRI的应用，所述被分析物与顺磁化学位移试剂不发生实质相互作用，其中，所述对比剂包含含有顺磁化合物的半透壳，所述壳包封出含有一定量的MR被分析物的空腔并允许所述被分析物扩散。
在本发明的另一方面，提出了非球形的CEST MRI对比剂实质上专门在MR被分析物库的体磁化率效应的基础上获得MRI对比增强的应用，其中，所述对比剂包含含有顺磁化合物的半透壳，所述壳包封出包含所述MR被分析物库的空腔并允许所述被分析物扩散。
发明详述
本发明，在上述的一个或多个方面中，实际上在于利用以下认识：在lipoCEST对比剂中，在脂质体空腔中包含的顺磁化学位移试剂实际上导致许多问题。
由被分析物(典型地为水)和位移试剂的分子之间的直接偶极相互作用产生的化学位移(δdip)依赖于：
a)这两种分子之间的紧密相互作用，以及
b)与位移试剂(其导致大的化学位移)密切相互作用的被分析物分子与在周围溶液的被分析物分子(其没有被化学位移)的快速交换，由此平均起来导致是这两个值的加权平均值的化学位移。
这就将可用的被分析物分子的种类限制到与内在化的(internalized)位移试剂直接相互作用的那些。
为了在脂质体的内部和外部隔区(compartments)之间获得足够高的共振频率位移差(resonance frequency shift difference)，它们可被非球形地变形。这在目前通过响应于渗析过程(dialysis process)使球形脂质体变形实现，该渗析过程针对与脂质体空腔中的溶液相比具有更高的渗透压(osmolarity)的缓冲溶液进行。渗析导致水从脂质体空腔到本体溶液(bulk solution)中的净扩散。这减少了脂质体的总内部体积。由于脂质体的表面面积保持不变，所以体积的减少迫使脂质体变形，并呈现非球形的外形，例如盘形、雪茄形、或任何其他非球形的形状。体磁化率效应和产生的共振频率位移(δbms)与脂质体的各向异性成比例。因而，变形的程度与空腔和本体溶液之间的渗透压差成比例。空腔中位移试剂的存在限制了空腔中可获得的最小渗透压(其是位移试剂的浓度)，以及由此限制了可获得的最大共振频率位移差。
脂质体空腔内的位移试剂与磷脂双层中的顺磁试剂的组合需要在一种对比剂中加入至少两种不同的顺磁化合物。这增加了与典型地含有高度毒性的镧系离子(lanthanide ions)的这些金属络合物的潜在毒性相关的问题。这些副作用可能增效结合。
提供上述不依赖于在其空腔中的顺磁化学位移试剂的作用的非球形CEST载体，带来了数个优点。
因此，不需要被分析物与位移试剂的相互作用。空腔中与周围溶液中的被分析物分子之间的共振频率差主要或完全地由体磁化率效应产生。这使得使用是弱配体、因而分子不与金属离子发生强相互作用的被分析物分子成为可能。优选的被分析物分子包括与检测某些疾病相关的代谢物，如碳水化合物(例如葡萄糖)，其他金属离子，如钠离子，或超极化的气体(hyperpolarized gases)，如氙或氦。
进一步地，在将本发明的原理应用于本性是球形的载体中时，在使这些载体变为非球形的过程中，载体空腔和周围溶液之间的渗透压差可以被最大化，以在渗析步骤中引起粒子的可获得的最大变形(各向异性)。这一效应在体内实验中显得尤其重要，其中周围溶液的渗透压由体液决定，且不能被影响。因此，CEST对比剂载体的变形以及由此体内的共振频率位移差被载体空腔中的分子数所限制。通过由优化的形状(显著的各向异性程度)决定的CEST效应，在本发明的CEST对比剂载体中空腔中被分析物分子的数目能够被最小化。
对于不基于顺磁化学位移试剂的CEST对比增强，只需要一种类型的金属络合物，也就是在脂质体基的CEST对比剂载体的壳中含有的顺磁化合物(例如嵌入在所述双层中的两性化合物)。这有助于降低毒性副作用的风险，尤其是这防止了由在单一试剂中的不同金属络合物的组合导致的副作用。
载体
关于包封出空腔的半透壳限定了本发明中使用的非球形载体。术语“半透”在本领域中广为人知。通常情况下，它是指壳例如膜的性质是选择性地可透过的，有时也表示为部分地或有差别地可透过。它表示基本上封闭的结构(在它不是完全开放的，优选大部分封闭的壁的意义上(在这种情况下包封出空腔的壳))，其允许某些分子或离子通过扩散穿过它。
在本说明书中，所述壳的半透性通常是指它允许MR被分析物通过扩散穿过它的能力。因此，如果被分析物(例如水、钠、希有气体或小有机分子)和壳(例如脂质双层(lipid bilayer))的组合是使得被分析物能够通过扩散穿过壳，则壳就被认为是半透的。
脂质体(liposomes)通常是含有包封出空腔的双层膜的球形泡囊(vesicles)。该双层可以由至少一种磷脂组成，并且可含有或不含有胆固醇。脂质体可以由具有混合的脂质链的天然来源的磷脂(如蛋磷脂酰乙醇胺)构成，或由纯粹的表面活性剂成分如DOPE(二油酰基磷脂酰乙醇胺)构成。本发明说明书中使用的术语脂质体包括通常称为胶束的脂质球(lipid spheres)。
半透壳的一个典型例子也在包含磷脂双层的半透膜中找到。磷脂双层(phospholipid bilayer)对小的、不带电的溶质是最可透的。脂质体可以在磷脂双层的基础上制得。可选择地，本发明中使用的非球形载体可基于红细胞。作为另一种选择，本发明中使用的载体可以基于聚合物囊泡(polymersomes)或含有聚合物壳的其他囊(capsules)。
基于包封出空腔的半透壳的脂质体或其他潜在的载体通常将是球形的。为了在本发明中使用，这些球形载体需要被变成非球形的。例如，在脂质体的情况中，这是通过以下方式实现：使所述脂质体针对高渗缓冲溶液进行渗析过程，因此是与脂质体内部的溶液相比而言具有更高渗透压的缓冲溶液。该渗析使得水从脂质体内部净扩散到脂质体外部的溶液(extraliposomal solution)。这减小了脂质体的总内部体积。由于脂质体的表面面积保持不变，该体积减少迫使脂质体变形并采取非球形的外形，如盘形、雪茄形、或任何其他非球形的形状。
这种变形本质上是可逆的，因为将这些如此变形的脂质体暴露于等渗(相对于原始的、变形前的缓冲液浓度)或低渗缓冲溶液，导致它们原有的球形形状的恢复。因此，产生的共振频率位移差的程度取决于脂质体外部溶液的渗透压。因而，本发明的脂质体可被用作检测脂质体外部流体的渗透压或pH差异的传感器。
脂质体可以以多种方式被提供有MR被分析物。主要地，期望的MR被分析物将在制造脂质体的过程中被包封，也就是说被半透壳包围。可选择地，脂质体载体可以被可逆地打开(例如，响应于与细胞溶解方案类似的渗透应力)，填充一定数量的期望的被分析物分子，然后再次密封。在另一个可选择的方案中，预先形成的脂质体载体可通过在渗析过程中通过在脂质体膜上的被动扩散而填充期望的被分析物分子。
脂质体在本领域是公知的，并且被公开用于例如药物的递送。可用于药物递送的脂质体类型，以及制备具有包含于其中的期望的试剂的脂质体的方法，可同样用于提供含有MR被分析物的脂质体。
本质上，非球形的载体可基于红细胞，即通过使用红细胞形骸细胞(erythrocyte ghosts)。为了提供包封起含有MR被分析物的空腔的半透壳，使用已经失去了大部分的、优选全部的其原本具有的水溶性内含物的红细胞。所产生的含有MR被分析物的红细胞更合适地被称为红细胞形骸细胞。因此，得到粒子，其中MR被分析物被包含在恰好是来源于红细胞的磷脂双层的膜中。
红细胞被报道为是生物活性物质例如药物的潜在的生物相容性运载体(vectors)。关于红细胞这一用途的一篇综述是Millan，C.G.，等，“Drug，enzyme and peptide delivery using erythrocytes as carriers.”Journal of Controlled Release 95，27-49(2004)。
前面提及的申请包括包封MRI T1和T2 *对比剂。本发明涉及完全不同类型的MRI对比增强，即CEST，并涉及特异于CEST的益处。
通过使用红细胞形骸细胞，本发明有效地利用了红细胞膜作为CEST对比剂的壳。
本发明中可以使用的红细胞优选是来源于红细胞不具有细胞核的物种的红细胞。因此，优选使用哺乳动物红细胞，最优选人类。后者提供了与生俱来的生物相容性的额外优势。而且，这开启了使用收获自将进行MRI的同一人的红细胞的可能性(该MRI使用所获得的加载有MR被分析物的红细胞形骸细胞)。
加载有MR被分析物的红细胞形骸细胞可通过含有下列步骤的方法获得：提供红细胞，将所述红细胞进行低渗溶解以在红细胞膜中提供开口，将开口的红细胞进行一个或多个洗涤步骤以用介质(其为MR被分析物(如水)、或MR被分析物的溶液或分散体(如分散或溶解在水中的代谢物)、或含有期望的MR被分析物的任意其他液体)替换红细胞的至少部分原有水溶性移除内含物，以及将得到的加载有MR被分析物的红细胞形骸细胞在等渗条件下进行封闭步骤。
尽管，优选地，洗涤和填充步骤被作为协同动作(concerted action)进行，但是也可以将所述洗涤步骤作为分开的洗涤和填充步骤进行，从而在第一步骤或第一系列步骤中，使开口的红细胞进行洗涤步骤，从而移除原有的水溶性内含物(优选所有的细胞质)，和在第二步骤或第二系列步骤中，使如此被清空的红细胞与以上提及的液体在将允许所述液体进入清空的红细胞的条件下接触。例如，通过将清空的红细胞与含水溶液或分散体接触。这样的接触可通过例如在含水溶液或分散体中培养开口的红细胞来进行。
MR被分析物
MR被分析物存在于载体的空腔中。根据本发明其通过MR的测定是基于前面提到的体磁化率效应。根据这一效应，如前面提到的那样，所述被分析物(通常是被分析物分子或离子库)由于非球形载体沿磁场的排列而经受共振频率位移。当CEST对比剂载体进行体内MRI实验时，以与更常规的CEST对比增强相同的方式，在非球形载体中的被分析物的磁化可通过具有足够窄的带宽的RF脉冲选择性地饱和。考虑到被分析物从载体空腔到周围溶液(如体液)的扩散，所述包合将被转移到对比剂载体的外部环境。因此，当进行磁共振成像时，与更远的被分析物分子相比，载体的直接环境将显示出减少的信号强度，并且由于降低的信号强度这允许检测对比剂的直接环境。
在一个理想地简单具体实施方式中，在质子MRI的情况下，MR被分析物是水。但是，本发明的CEST对比剂载体也适合更好地用于其他被分析物分子或离子，如钠、(小)有机分子、或(超极化的)希有气体如氙和氦。
也可以使用小分子、特别是小有机分子，其分子量小于500g/mol且含有少于40个碳原子，优选含有少于20个碳原子，只要它们能够结合允许它们扩散的半透壳来提供。这些分子典型地将以在液体介质中的溶液或分散体的形式包含在载体的空腔中，所述液体介质例如是水、水基缓冲溶液、细胞裂解液、或亲脂性的油，如含有脂肪族油或全氟碳化合物或它们的组合的那些。
这可以用于例如如果将要评估在生理过程中起作用的代谢物或其他分子的出现。这种被分析物分子通常将以在连续相中的溶液或分散体的形式，如水溶液，存在于载体的空腔中。由于所述壳允许被分析物的扩散，因此，如果存在于和当存在于进行MRI的本体流体(如人的体液)中时，所述被分析物将能够和相同的被分析物分子交换。该过程对于期望的被分析物分子是足够特异的，基于预饱和频率、检测频率以及期望的被分析物分子的典型地相对高的浓度。对于期望的分子的交换性能可以优化所述载体，这对于本领域技术人员将是显而易见的，例如通过调节壳的半透性。
其他MR被分析物包括离子，例如钠，或(超极化的)希有气体。对于后者，可参考基于超极化的氦或氙的MRI。一篇关于以超极化的氦为基础的MRI的参考文献是van Beek，E.J.，Wild，J.M.，Kauczor，H.U.，Schreiber，W.，Mugler，J.P.，deLange，E.E.，Functional MRI of the lung using hyperpolarized 3-helium gas.J Magn Reson Imaging，20，540-254(2004)。
本发明的对比剂载体有助于一种有希望的氙基MR成像方法的改进。一篇将以超极化的氙作为被分析物的CEST对比剂概念与用于分子成像的生物靶向配体结合应用的参考文献是L.，Lowery，T.J.，Hilty，C.，Wemmer，D.E.&Pines，A.，Molecular Imaging Using a Targeted Magnetic Resonance Hyperpolarized Biosensor.Science 314，446-449(2006)。这一技术被命名为HyperCEST(也参见图11)。与质子NMR/MRI中的常规“ParaCEST”方法相似，只有被分析物分子的一个或少数原子(HyperCEST中为Xe，ParaCEST中为H)被在特定CEST共振频率施予的预饱和脉冲访问(addressed)，在该特定CEST共振频率仅有包含在对比剂中的被分析物分子发生吸收。在H NMR/MRI中，通过LipoCEST方法提高了灵敏度，其中包封在纳米粒子(脂质体)中的大量(a large assembly of)H原子在任意时间被访问。与这里提出的LipoHyperCEST方法相似，包封在纳米粒子(脂质体)中的大量Xe原子在任意时间在预饱和相中被访问，在该情况中其引起初始超极化的Xe原子的去极化(也参见图12)。
由于Xe是非极性的且是电荷中性的，所以是疏水的，已知与更极性的水分子相比同样快地或更快地穿过典型的脂质双层壳。这里参考Miller，K.W.，Reo，R.V.，Schoot Uiterkamp，A.J.M.，Stengle，D.P.，Stengle，T.R.，Williamson，K.L.，Xenon NMR：Chemical Shifts of a General Anesthetic in Common Solvents，Proteins，and Membranes.Proceedings of the National Academy of Science USA 78，4946-4949(1987)。在这一方面，本发明的一个更进一步的优势在于，对于CEST MRI对比剂，其工作是基于顺磁化学位移试剂和被分析物之间的相互作用，通常需要所述被分析物是亲水性的以通过与顺磁化学位移试剂的配合获得足够的相互作用。
在HyperCEST方法中，在(瞬态)结合于对比剂的Xe和不受对比剂影响的Xe之间的化学位移差来源于由于配位结合到配体产生的直接偶极相互作用。在根据本发明的LipoHyperCEST方法中，不需要这种通过配位结合产生的直接化学相互作用。因此，使用希有气体如3He(对于其未知合适的配体)作为被分析物原子来产生基于CEST的MR对比第一次成为可能。
当在体内非天然存在的被分析物的基础上进行CEST MRI时(如在水中或在代谢物分子中的质子的情况)，例如使用希有气体如氙，进行MRI的人将被给与大量的(a bulk amount of)所述被分析物。在希有气体例如氙的情况中，这将适当地包括经鼻、经口或经肺给予，并且如此使用的MRI技术特别适合于在胃肠道或呼吸道中的检测。
顺磁化合物
顺磁化合物可以是能被包含在半透壳中的具有顺磁性质的任意化合物或络合物。所谓半透壳“包含”顺磁化合物，这最通常的是其中这样的化合物可以完全地或部分地包含在所述壳中，或者与其足够紧密接近的任意方式。优选地，所述顺磁化合物以与所述壳结合的方式包含在所述半透壳中。
优选地所述顺磁化合物是被带有至少一个疏水基团(其含有至少6个碳原子)的多齿螯合分子络合的至少一种选自由Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+和Yb3+组成的组的镧系离子的络合物。
关于脂质体、红细胞形骸细胞、聚合物囊泡、或任何其他具有脂质或聚合物壳的载体的使用，所述顺磁化合物优选地是两性化合物，其含有镧系络合物(在该两性化合物的更极性的一端)，并具有非极性的尾部，其基于疏水分子相互作用，具有优选地融入脂质双层和在载体表面与脂质双层排列的趋势。
这些两性顺磁络合物可以是，例如：
Figure BPA00001196921000101
所述顺磁金属络合物不需要用于与被分析物分子的亲密相互作用的自由配位位点。事实上，与所述被分析物的直接相互作用是不利的，因为它可能导致不期望的T1/T2 *弛豫，其将减少构建的磁饱和的量并因此降低可实现的CEST效应。因此，这些金属络合物原理上不同于在下文中讨论的在脂质体空腔中用作接触位移试剂的那些。
化学位移试剂
尽管不是优选的，但根据前面的描述将显而易见的是，载体在其空腔中可还含有顺磁化学位移试剂。甚至在这样的试剂的存在下也能够享有本发明的至少一些优点。因此，如果不考虑在MR被分析物和顺磁化学位移试剂之间可能存在的某些相互作用，显著部分的MR被分析物不与位移试剂发生相互作用，即使当根据载体的非球形特性而进行MRI时所述部分将遭受CEST对比增强。
例如如果MR被分析物是与顺磁化学位移试剂具有弱相互作用的化合物例如代谢物，则将是这种情况。
如果存在的话，所述顺磁化学位移试剂将包含顺磁化合物，即任何具有顺磁性质的化合物。优选地，所述顺磁化合物包含顺磁金属，其中术语金属是指含金属的纳米或微米粒子，或金属离子，显然包括被螯合配体络合的金属离子。顺磁金属对本领域技术人员来说是已知的，在此处无需说明。例如，前和后过渡金属，显然包括铬、锰、铁、以及镧系金属，例如钆、铕、镝、钬、铒、铥、镱。
所述CEST对比剂载体可包含T1或T2 *减少剂。在这一方面参考Aime等.，JACS 2007，129，2430-2431。以这种方式实现了T1、T2 *和CEST对比的一体化(all-in-one)概念。
应用
根据本发明的非球形CEST对比剂可以以很多方式使用。它们可被用于在任意含水环境中产生期望水平的MRI对比。其主要用途是在体内施用时产生局部的MRI对比。这可通过以下方式实现：引入对比剂，例如通过注射到生物、优选人类的血液或另一体液中，并对所述生物全部或局部的躯体进行CEST对比增强的MRI扫描。所产生的本体水分子的CEST对比增强使得斑块(spots)如肿瘤可见，在这些地方规则的体液存在受到干扰。而且，本发明的对比剂在它们的壳中可以提供有疾病特异性的分子探针，例如通过具有拥有适于插入载体表面(例如在磷脂表面的情况中)中的疏水性尾部的化合物，其中所述化合物的另一端含有期望的配体。这使得对比剂优先定位在期望或怀疑的躯体位点，这些位点然后可以通过MRI而变得可见。
本发明描述的非球形对比剂是特别多功能的。它们可与非质子被分析物一起使用，例如上文中描述的超极化的氙实施方案。它们还可以用于分子例如胺、碳水化合物、或其他普通代谢产物(其可以是与疾病或病症相关联的代谢物)的(质子)MRI。这增强了MRI的诊断用途，主要的要求是在非球形CEST载体的壳材料与被分析物的组合是能够发生CEST所需要的交换。
本发明的非球形CEST对比剂载体，其并不依赖于载体空腔(例如纳米粒子的空腔，例如在CEST活性的聚合物纳米囊(nanocapsules)、聚合物囊泡等中)中位移试剂的存在，高度适合于影像引导的药物递送。由这些试剂的药物递送可以结合第二隔区的制剂实现，其例如可以由磷脂构成，其引起热敏性。药物从纳米粒子的空腔的释放不与位移试剂或任何其他活性化合物从空腔的释放重合。引起化学位移的所有成分都与纳米粒子的第二隔区(壁)结合。
广义上来说，本发明的这一方面可以关于适合于局部药物递送的、含有CEST对比剂的药物载体进行描述。用于局部药物递送的药物载体的适应性可涉及多种方式，其中加载有药物的药物载体可被触发以局部地释放药物，例如通过施加受控的外力或递送足够量的能量。这涉及例如热敏药物载体，其可以通过施加局部热量而被触发以局部地释放药物。用于局部递送的其他方法不必含有热敏载体，但是含有能够通过由除热敏之外的性质控制的活化方法而被触发来释放药物的载体，包括但不限于pH、气态核心和/或层的存在、对外部施加的超声频率/波长和强度敏感、以及外部经颅能量(例如超声)控制的纳米机械合成细胞。
本发明情形中药物载体是指在其内或在其上能含有生物活性剂从而能够在对象体内被释放的任意材料。提到的是含有CEST对比剂的药物载体。这包括所述药物载体本身适于用作CEST对比剂的可能性。
合适的载体包括微米载体(microcarriers)以及尤其是纳米载体，例如脂质体、聚合物囊泡、纳米囊以及其他具有与用作CEST对比剂匹配的尺寸或性质的剂型。
所述药物载体将被引入到将接受MRI的人的体内。这将例如被注射到血流中，或通过其他方法将载体引入到体液中。如果需要的话，热敏药物载体可提供有不影响热敏性的肠溶包衣，如醋酸邻苯二甲酸纤维素，或者它们可使用同时用作肠溶包衣和热敏材料的材料制成，例如，基于Eudragit
Figure BPA00001196921000121
RS/PEG400共混聚合物，参见例如Fujimori等.，Journal of Controlled Release 102(1)，2005，49-57(PEG代表聚乙二醇)。
药物是用于治疗、治愈、预防或诊断的疾病或病症，或此外用于增强生理或心理健康的化学物质。本发明预期的引导的递送最有用将是用于治疗剂(即狭义上的药物，准备用于治疗或预防疾病或病症)，但是也可用于为诊断目的给予的试剂。尽管其他生物活性试剂，即非治疗或诊断性质的那些，如功能性食品成分，通常将不被用于引导的和/或监控的递送，但是如果需要的话，根据本发明也可以这样做。
本发明在药物递送领域的最佳应用是在靶向治疗剂(即用于靶向递送的药物)的情况下获得，因为这样的递送本性上将从本发明使得实现的监测受益最多。这涉及例如在肿瘤治疗中将被在位点递送的试剂，在心血管疾病例如冠状动脉粥样硬化的治疗或预防中的试剂，或抗血栓剂(例如用于局部溶解血凝块(blood cloths))或需要通过血脑屏障的试剂如神经调节物质，可用于治疗神经病症如癫痫、阿尔兹海默氏病、帕金森病或中风。来自靶向药物递送的引导和监测的优势同样可应用于靶向的诊断试剂。与靶向的治疗剂相似，在这里癌症同样是其中位点特异性递送能够非常重要的领域。
本发明中适用的生物活性试剂包括生物学上的活性剂，包括治疗药物、内源性分子，以及药理学活性剂，包括抗体；营养分子；美容剂；诊断试剂；以及用于成像的附加对比剂。如本文中所用的那样，活性剂包括活性剂的药理学可接受的盐。合适的治疗剂包括，例如，抗肿瘤药物，抗肿瘤剂，抗生素，杀真菌剂，抗炎剂，免疫抑制剂，抗感染剂，抗病毒剂，抗肠虫药(anthelminthic)，以及抗寄生虫化合物，包括抗体。现有技术中已知制备适用于纳米粒子或脂质体制剂的亲脂药物衍生物的方法(参见例如US 5,534,499，描述治疗剂共价连接到磷脂的脂肪酸链)。本发明中的药物还可以是前药。
药物可以存在于载体的内部隔区、外部隔区或这两个隔区中，例如，存在于脂质体的空腔中和/或壳中。药物的分布与药物载体中含有的任何其他试剂，例如顺磁化学位移试剂或顺磁试剂的分布无关。可以使用药物的组合，并且任何这些药物都可以存在于药物载体的内部隔区、外部隔区或这两个隔区中，例如存在于脂质体的空腔中和/或壳中。对于在MRI引导的药物递送中的应用，本发明优选提供热敏的载体。这意味着所述载体的物理或化学状态取决于其温度。
任意的热敏载体，其可包装感兴趣的分子并且其在体温(即37℃)是完好的但是在可被对象承受的任意其他非身体温度被破坏，都可以使用。本发明的载体包括但不限于热敏纳米粒子、热敏聚合物囊泡、热敏脂质体、热敏微米和纳米泡囊、以及热敏微米和纳米球。
热敏纳米泡囊通常具有最高达100nm的直径。在本发明的情形中，大于100nm、通常最高达5000nm的泡囊，被认为是微米泡囊。术语纳米泡囊或纳米球描述了任何尺寸的泡囊或球，根据上述定义，明确地包括微米泡囊和微米球。泡囊，例如脂质体泡囊，典型地包括可包含任意感兴趣的物质的空腔。本发明中，如上所述，这是优选的。
热敏纳米球包括但不限于不小于5纳米的球。纳米球典型地不包含空腔，即在本发明的该具体实施方式中，CEST效应应单纯由包含在纳米球中的顺磁化学位移试剂本身的化学位移的质子来实现。
热敏聚合物囊泡包括但不限于任意的聚合物泡囊，包括微米泡囊和纳米泡囊。
热敏脂质体包括但不限于任意的脂质体，包括具有延长的半衰期(half-life)的那些，例如聚乙二醇化的(pegylated)脂质体。
用于本发明的热敏脂质体在约37℃即人体温度理想地保持它们的结构，但是在较高的温度，优选仅稍微升高高于人体温度，并且优选还高于热病身体温度(pyrexic body temperature)，被破坏。一般地，约42℃是用于热引导的药物递送的高度有用的温度。
可以使用所需要的热量来提高热敏药物载体的温度从而来促进热敏载体的破坏。可以以任何生理上可接受的方式施加热量，优选通过利用能够诱导高度局部化的高热(hyperthermia)的聚焦的能量源。所述能量可通过例如微波、超声、磁感应、红外线或光能来提供。
热敏脂质体是本领域中已知的。本发明的脂质体可以通过本领域中公知的多种技术中的任意一种来制备。参见例如U.S专利No.4,235,871；公开的PCT申请WO 96/14507；New RRC，Liposomes：A practical approach，IRL Press，牛津(1990)，第33-104页；Lasic，D.D.，Liposomes from physics to applications，Elsevier Science Publishers，阿姆斯特丹，1993；Liposomes，Marcel Dekker，Inc，纽约(1983)。
在本发明的脂质体内药物或其他生物活性剂的夹带也可以使用本领域中的任何常规方法来实施。在本发明的脂质体组合物的制备中，只要它们不干扰本发明的目的，则可以使用稳定剂如抗氧化剂以及其他添加剂。例子包括N-异丙基丙烯酰胺的共聚物(Bioconjug.Chem.10：412-8(1999))。
本发明还涉及在人上实施CEST MRI扫描的方法，其中将上文所述的CEST对比剂引入到该人的体液中，并且其中所述MRI方法包括应用所述试剂中的顺磁位移的质子能接受的RF脉冲，以饱和所述质子的磁化，并使得具有足够的时间以检测所述饱和向所述对比剂的外部环境中的质子的转移。所述时间通常是大约数秒钟。
在一种这种CEST对比增强的MRI扫描中，典型地使用10-12M至10-4M(1pM-0.1mM)的根据本发明的CEST对比剂。
将要理解的是，本发明不限于上文描述的实施方式和化学式。还将要理解的是，在权利要求中，词语“包含(包括，含有)”不排除其他的要素或步骤。当涉及单数名词使用不定冠词或定冠词例如“a”、或“an”、“the”时，这包括该名词的复数，除非特别有其它声明。
将参考以下的非限制性实施例和非限制性附图来说明本发明。
在实施例和附图中，在从测量的脂质体组合物的Z谱计算CEST效应时，使用下列公式：
公式2：
％CEST＝1-(Mon/Moff)·100％                       (2)
Mon＝共振预饱和之后的强度
Moff＝非共振预饱和之后的强度
公式3：
％CEST＝(Moff-Mon)/Minf·100％                    (3)
Mon＝共振预饱和之后的强度
Moff＝非共振预饱和之后的强度
Minf＝在“无穷”距离参考预饱和之后的强度
附图简要说明
图1在非球形脂质体(c)中(a)和周围(b)的磁力线，该非球形脂质体的长轴在预先均匀施加的磁场的方向取向[Durrant，C.J.，Hertzberg，M.P.，Kuchel，P.W.(2003)Magnetic susceptibility：further insights into macroscopic and microscopic fields and the sphere of Lorentz.Concepts Magn Reson Part A 18A：72-95]。
图2脂质体组合物1-3的Z谱
图3实施例1-3的脂质体组合物的CEST效应，自所述Z谱使用公式2计算。
图4实施例1-3的脂质体组合物的CEST效应，自Z谱使用公式3计算。
图5对于实施例1-3的脂质体组合物，作为施加的饱和功率的函数的CEST效应。
图6在不同磁场强度(7T(NMR)和3T(MRI))实施例5的脂质体组合物的Z谱。
图7在不同场强(7T(NMR)和3T(MRI))实施例5的脂质体组合物的CEST效应(自Z谱使用公式2计算)。
图8实施例6和7的脂质体组合物的Z谱(7T(NMR))。
图9实施例6和7(7T(NMR))的脂质体组合物的CEST效应(自Z谱使用公式2计算)。
图10实施例5-7(7T(NMR))的脂质体组合物的CEST效应(自Z谱使用公式3计算)。
图11HyperCEST概念的示意图。1.超极化的Xe原子结合到Xe-配体。在MR试验中这产生了共振频率的位移，相比于未结合的Xe原子。2)在被结合的Xe原子的共振频率，选择性地施加RF辐射，其使得它们去极化。3)被去极化的Xe原子快速与未结合的超极化的Xe原子进行交换。通过这种方式，实现了将大部分环境Xe原子去极化。去极化的Xe原子在MR试验中给出小得多的信号，由此实现了阴性(negative)对比增强。如果Xe配体连接到生物配体，则获得了用于分子成像的探针。
图12LipoHyperCEST概念的示意图。与HyperCEST试验(a)相反，在LipoHyperCEST试验(b)中，根据本发明，在任意时间点大得多的数目的Xe原子都被包裹在笼中，这允许分子成像探针的高得多的敏感度。
实施例
如下面所述由磷脂组合物制备脂质体。将磷脂组合物溶解在甲醇和氯仿的混合物(1∶3)中，在减压下完全移除溶剂。得到的薄脂质膜在缓冲溶液(20mMHEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸)，pH 7.40)中水合。得到的溶液挤压通过200nm的膜(8次)，针对高渗缓冲溶液(20mM HEPES，pH 7.4，300mM NaCl，室温三次过夜)彻底地渗析，以得到非球形的脂质体。所述脂质体在7T(300MHz)NMR波谱仪上并且部分在3T人MRI扫描仪上进行其CEST性质的研究。下文中给出了在实施例中使用的化合物的结构式，以及其全称。
实施例1
脂质组合物：POPC(55mol％)，PEG(5mol％)，胆固醇(20mol％)，Tm-dtpa-bsa(20mol％)。
实施例2
脂质组合物：POPC(55mol％)，PEG(5mol％)，胆固醇(20mol％)，Dy-dtpa-bsa(20mol％)。
实施例3
脂质组合物：POPC(55mol％)，PEG(5mol％)，DSPC(10mol％)，胆固醇(20mol％)，Tm-dtpa-bsa(10mol％)。
实施例4
脂质组合物：POPC(60mol％)，胆固醇(20mol％)，Tm-dtpa-bsa(18mol％)，Yb-dotam-dspe(2mol％)。
实施例5
脂质组合物：DSPC(55mol％)，POPC(20mol％)，PEG(5mol％)，Tm-dtpa-bsa(20mol％)。
实施例6
实施例5的样品，其在最后步骤中针对含有浓度为300mM的NaCl的缓冲液渗析，进一步针对含有浓度仅为100mM的NaCl的缓冲液(20mM HEPES，pH 7.4)两次渗析过夜。
实施例7
脂质组合物：DSPC(55mol％)，POPC(20mol％)，PEG(5mol％)，Dy-dtpa-bsa(20mol％)。
表1
脂质体组合物1-7在7T的CEST结果汇总
Figure BPA00001196921000181
aLn(％)＝Ln-dtpa-bsa(％)
b渗析缓冲液含有100mM氯化钠以及20mM HEPES，pH 7.40。
使用的分子的结构式
Figure BPA00001196921000182
1，2-二硬脂酰基-sn-丙三氧基-3-胆碱磷酸(phosphocholine)，DSPC，18:0-18:0PC
Figure BPA00001196921000183
1-棕榈酰基-2-油酰基-sn-丙三氧基-3-胆碱磷酸，POPC，16:0-18:1PC
Figure BPA00001196921000184
1，2-二硬脂酰基-sn-丙三氧基-3-磷脂酰乙醇胺-N-[甲氧基(聚乙二醇)-2000](铵盐)，DSPE-PEG，DSPE-PEG2000Me，18:0-18:0PE PEG2，PEG
Figure BPA00001196921000191
镱-dotam-1，2-二硬脂酰基-sn-丙三氧基-3-磷脂酰乙醇胺)，Yb-dotam-dspe，Yb-dotam-18:0-18:0PE
Figure BPA00001196921000192
胆固醇
二亚乙基三胺五乙酸双(硬脂酰胺)铥络合物，铥aqua二亚乙基三胺-1，7-双((N-硬脂基)氨基甲酰基甲基)-1，4，7-三醋酸盐，[Tm(dtpa-bsa)(H2O)]，Tm-dtpa-bsa
Figure BPA00001196921000201
二亚乙基三胺五乙酸双(硬脂酰胺)镝络合物，镝aqua二亚乙基三胺-1，7-双((N-硬脂基)氨基甲酰基甲基)-1，4，7-三醋酸盐，[Dy(dtpa-bsa)(H2O)]，Dy-dtpa-bsa

Claims (16)

1.用于基于化学交换饱和转移(CEST)的磁共振成像(MRI)的对比剂，所述试剂包含含有半透壳的非球形的载体，其中所述壳含有顺磁化合物，所述壳包封出包含MR被分析物的空腔，其中该半透壳允许所述MR被分析物扩散并且所述MR被分析物能够扩散通过该半透壳，以及其中所述空腔不包含与所述被分析物实质相互作用的顺磁位移试剂。
2.根据权利要求1所述的用于CEST MRI的对比剂，其中所述MR被分析物是不与顺磁化学位移试剂实质相互作用的类型。
3.根据权利要求1或2所述的用于CEST MRI的对比剂，其中所述空腔基本上不包含顺磁位移试剂。
4.根据权利要求2所述的用于CEST MRI的对比剂，其中所述被分析物选自由水、钠、小有机分子和希有气体组成的组。
5.根据权利要求4所述的对比剂，其中所述被分析物是超极化的氙或超极化的氦。
6.根据上述任一权利要求所述的对比剂，其中所述顺磁化合物是被带有至少一个含有至少6个碳原子的疏水基团的多齿螯合分子络合的至少一种选自由Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+和Yb3+组成的组的镧系离子的络合物。
7.根据上述任一权利要求所述的对比剂，其中所述壳包含脂质双层。
8.根据权利要求7所述的对比剂，所述载体选自由脂质体、红细胞形骸细胞、聚合物囊泡以及含有聚合物壳的囊组成的组。
9.根据上述任一权利要求所述的对比剂，所述试剂包含药物，而且所述载体适于通过应用能量而允许释放所述药物。
10.根据权利要求9所述的对比剂，其中所述载体是热敏脂质体。
11.根据上述任一权利要求所述的对比剂，包含暴露在所述载体的外表面上的用于靶向的结合的配体。
12.根据权利要求11所述的对比剂，其中所述配体含有疏水性尾部，该尾部插入所述载体的脂质双层壳。
13.根据权利要求11或12所述的对比剂，其中所述配体是疾病特异性分子探针。
14.对人进行CEST MRI扫描的方法，其中将根据权利要求1-13中任一项所述的CEST对比剂引入该人的体液中，并且其中所述MRI方法包括应用所述试剂中的顺磁位移的被分析物原子能接收的RF脉冲，以饱和或去极化所述被分析物原子的磁化，并使得能够具有足够的时间以检测所述饱和向所述对比剂的外部环境中的被分析物原子库的转移。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述被分析物原子包含超极化的希有气体，所述人被给予大量的该希有气体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述大量希有气体被给予到呼吸道中，所述方法用于肺肿瘤的检测或分析。
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