CN104093401B - 包含金属材料和氧化铪材料的纳米粒子、其制备和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可有利地用于卫生领域中作为诊断剂和/或治疗剂的新颖纳米粒子。本发明的纳米粒子包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。当与现有产品进行比较时，这些纳米粒子提供显著的益处/风险比。具体地，这些纳米粒子增强已知的金属纳米粒子的效率。实际上，它们保持了金属固有性质并且现在另外可安全用于哺乳动物、特别是人类中。本发明还涉及制备所述纳米粒子的方法、包含其的组合物以及其用途。

Description

包含金属材料和氧化铪材料的纳米粒子、其制备和用途
技术领域
本发明涉及可有利地用于卫生领域中作为诊断剂和/或治疗剂的新颖纳米粒子。本发明的纳米粒子包含至少部分被氧化物材料、优选氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。当与现有产品进行比较时，这些纳米粒子提供显著的益处/风险比。具体地，这些纳米粒子增强已知的金属纳米粒子的效率。实际上，它们保持了金属固有性质并且现在另外可安全用于哺乳动物、特别是人类中。本发明还涉及制备所述纳米粒子的方法、包含其的组合物以及其用途。
背景技术
纳米技术为改善医疗保健提供了革命性策略。然而，正如对任何医疗保健产品一样，在纳米医学领域中，应该从可根据医药产品的化学和药理学性质所预计的毒性、以及在先前的观察结果或文献记录方面所知道的毒性两方面来考虑预期/非预期毒性的概念。
当设计纳米材料时，纳米粒子毒理学问题是最重要的。为诊断性或治疗性应用而开发的工程化纳米材料的潜在毒性应予以考虑并涵盖诸如有毒物质释放至生物介质中、氧化还原现象、电子转移和活性氧物质(ROS)产生的现象。此外，蛋白质吸附在纳米粒子表面上可能触发各种不良现象，例如蛋白质构象改变和后续的酶活性损失、原纤化、或暴露于新的抗原表位。药物动力学是功效和安全性预测的一个决定性参数。在被单核吞噬细胞捕捉后未降解或仅不良降解的纳米粒子可以截留在网状内皮系统(RES)中，所述纳米粒子在其中积聚并且可以诱导不希望的副作用。
纳米粒子表面涂层(功能化)被视为是通过发挥诸如防止纳米粒子生物反应性和纳米粒子溶解等不同作用来改善纳米粒子安全性的有吸引力的方法。实际上，具有保护壳的纳米粒子的涂层表现为降低其毒性的有效手段。合适的壳材料包括生物相容性有机或无机物质，例如聚乙二醇化合物(PEG化合物)、二氧化硅(SiO2)以及生物相容性聚合物。然而，这些涂层是环境上不稳定的或可降解的，并且最初的无毒材料在其涂层脱落后，当纳米粒子的核暴露于身体时，可能变得有害。
癌症是世界范围内一种主要的死亡原因，2008年有760万人死于癌症(所有死亡数的约13％)。死于癌症的人数预计将继续上升，在2030年估计将有1200万人死于癌症(WHO)。手术、放射疗法和药物作为抗癌治疗方式是至关重要的，根据被治疗的癌症类型而定，其各自可单独或组合使用。疗法的选择取决于肿瘤的位置和等级分类、疾病的阶段以及患者的健康状态。
靶向细胞周期和DNA的抗癌剂如细胞毒性剂或X射线在临床使用中最有效并且当单独使用或与具有不同作用机制的药物组合使用时已经使癌症患者的存活率产生显著提高。它们也非常有毒并显示出狭窄的治疗窗。
因此，在癌症领域调节治疗率仍使人相当激动，旨在功效和安全性改善。
纳米技术为向癌细胞直接和选择性地递送治疗提供了一种有利的解决方案。近年来，金属纳米粒子已显示为诊断和治疗带来了很大希望。在金属纳米粒子中，已特别提出了金纳米粒子，尤其是作为放射疗法情形下的放射增敏剂(WO2004/112590)、作为诊断情形下的造影剂(WO2003/075961)、作为高温疗法情形下的光热剂(WO2009/091597)，以及作为化学疗法情形下的药物载体(WO2002/087509)。
金长久以来且仍被认为具生物惰性(即缺乏生物化学反应性)，因此可体内用于哺乳动物中(WO2011/127061)。然而本发明人和其他人现在对这种观点存在疑问。
最近的论文已经质疑了金纳米粒子在生物介质中的惰性行为，这可减少其在医疗应用中的使用。
Cho WS.等[Acute toxicity and pharmacokinetics of13nm sized PEG-coatedgold nanopaprticles.Toxicology and Applied Pharmacology236(2009)16-24]已经进行了使用涂布有PEG的13nm尺寸金纳米粒子的体内毒性研究。经静脉内注射涂布有PEG-5000的金13nm纳米粒子(在BALB/C小鼠中每Kg体重0、0.17、0.85或4.26mg)。发现纳米粒子在肝脏和脾脏中积聚长达7天。此外，透射电子显微镜(TEM)影像显示肝脏Kupffer细胞和脾脏巨噬细胞的众多细胞质囊泡和溶酶体包含涂布有PEG的金纳米粒子。在治疗后第7天，对于被给与0.85mg/Kg和4.26mg/Kg金纳米粒子的小鼠，肝细胞的凋亡显著更高。第7天在高剂量组中凋亡的细胞为约10％。虽然对于涂布有PEG的13nm金纳米粒子的毒性来说短暂的炎性反应是可忽略的，但肝细胞的凋亡是由涂布有PEG的13nm金纳米粒子的治疗所引起的重要不良作用。
Sadauskas E.等[Protracted elimination of gold nanoparticles frommouse liver,Nanomedicine5(2009)162-9]研究了40nm金纳米粒子在静脉内注射后的命运。将金纳米粒子经静脉内注射(0.5mL，每mL9.1010个粒子)至成年雌性C57BL小鼠中。在1天、1个月、3个月和6个月后将实验组处死。在1天后将对照组处死。关于金含量从第1天至第6个月下降9％的ICP-MS研究结果揭示，负载有金的Kupffer细胞的更新旷日持久。AutoMetalloGraphic(AMG)染色显示，在长期暴露期后含有金纳米粒子的Kupffer细胞的数目减少以及在1个月后AMG染色区域显著减少。作者认为，这反映了Kupffer细胞之间的自相残杀。他们观察到看起来不健康的大的含金溶酶体在动物中存活3至6个月，其可支持Kupffer细胞死亡和被周围的Kupffer细胞吞噬的观点。
Chen YS.等[Assessment of the in vivo toxicity of gold nanoparticles,Nanoscale Res.Lett.4(8)(2009)858-64]已经进行了使用3、5、12、17、37、50和100nm金纳米粒子的体内毒性研究。将金纳米粒子以每周8mg/Kg的剂量经腹膜内注射到BALB/C小鼠中。尺寸范围为8～37nm的金纳米粒子在小鼠中诱发严重的疾病(中值存活时间＝21天)。对于患病群体中小鼠的主要器官的病理学检查指示肝脏中Kupffer细胞增加(Kupffer细胞的活化表明金纳米粒子在这个区域中的潜在毒性)、肺部结构完整性损失(观察到与肺气肿类似的结构)以及白髓在脾脏中扩散。病理异常与金纳米粒子在患病部位的存在相关。
发明人惊奇地发现并且现在本文描述，氧化铪当与金属材料适当组合使用时能够使所述金属材料、特别是金无毒性，同时对金属的治疗和诊断性质无害，从而使得本发明的产品有利地可体内用于哺乳动物中。
发明人进一步认为，所要求保护的金属材料与氧化铪材料的组合可造成能量在肿瘤结构内有效沉积，与标准治疗相比，当通过辐射活化时，所述沉积造成体内肿瘤破坏急剧增强。
发明内容
本文中发明人提供了一种纳米粒子，其包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。在一个特定实施方式中，本发明的纳米粒子为核-壳型金属-氧化物纳米粒子，其包含完全被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。他们还提供了一种包含所述纳米粒子以及药学上可接受的载体的组合物。这种组合物可为诊断组合物或药物组合物。发明人进一步描述了他们的产品供用于哺乳动物中、优选是人类中，作为诊断剂和/或作为治疗剂，特别是在肿瘤学中，更特别是当纳米粒子暴露于辐射时。
附图说明
图1提供了本发明的纳米粒子结构的图解。
图1A提供了金属微晶或金属微晶聚集体的图解。
图1B提供了包含完全被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料的核-壳型金属-氧化物纳米粒子的图解。
图1C提供了包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料的纳米粒子的图解。
图2提供了特别是在肿瘤学中，更特别是当纳米粒子暴露于辐射时，本发明的纳米粒子结构与不含氧化铪材料的金属纳米粒子相比的益处/风险比的图解。
图3提供了来自实施例1的60nm尺寸的金纳米粒子的透射电子显微镜照片。
图4：通过电子衍射测定所制备的金纳米粒子(实施例1)的结晶结构。
图4A显示参比纳米粒子(使用具有立方面心结构的金纳米粒子作为参考物来确立透射电子显微镜的相机常数(Lλ))和来自实施例1的金纳米粒子(GNP)的电子衍射图。
图4B报道了金纳米粒子(来自实施例1)的指数化，电子衍射图显示金纳米粒子的立方面心(CFC)结构。
电子衍射图的指数化包括以下步骤：
1)由参考物的电子衍射图确立相机常数，
2)测量来自实施例1的金纳米粒子的电子衍射图的环直径(D1、D2、……、Dn)，
3)使用表达式dhkl＝L*λ/(Dn/2)来计算dhkl，
4)使用现有的结构数据库对各环进行指数化。
图5提供了来自实施例4的金纳米粒子和氧化铪材料的核@壳Au@HfO2型组合的电子衍射图照片。
图5A显示来自实施例4的金@-HfO2纳米粒子的电子衍射图。
图5B报道了金@HfO2纳米粒子(来自实施例4)的指数化。
电子衍射图的指数化包括以下步骤：
1)由参考物的电子衍射图确立相机常数(图4A)，
2)测量来自实施例4的Au@HfO2纳米粒子的电子衍射图的环直径(D1、D2、……、Dn)，
3)使用表达式dhkl＝L*λ/(Dn/2)来计算dhkl，
4)使用现有的结构数据库对各环进行指数化。
图6提供了来自实施例4的金纳米粒子与氧化铪材料的核@壳Au@HfO2型组合的透射电子显微镜照片。就此而言，可以观察到壳覆盖了金纳米粒子表面。如由电子衍射所示，这种壳包含氧化铪材料。
具体实施方式
本发明的纳米粒子包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。
在用于使电子装置的晶体管微型化的金属-氧化物半导体(MOS)开发的情形下，Sargentis Ch.等[Simple method for the fabrication of a high dielectricconstant metal-oxide-semiconductor capacitor embedded with Pt nanoparticles,Appl.Phys.Lett.88(073106)(2006)1-3]开发了一种简单的电子蒸发法来制造在其SiO2/HfO2界面上包埋有Pt纳米粒子的MOS装置。所制造的Pt纳米粒子具有4.9nm的平均直径并且片材密度为3.2×1012个纳米粒子/cm2。预期用于开发电子装置的这种物体由部分包埋于氧化铪层中的金属纳米粒子构成。与本发明的物体相反，这种物体为片材而非纳米粒子。
在一个特定实施方式中，本发明的纳米粒子为包含完全被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料的核-壳型金属-氧化物纳米粒子。
在本发明的精神中，如下文进一步解释，术语“纳米粒子”是指尺寸在纳米范围内、典型地介于1nm与500nm之间的产品、特别是合成产品。
金属材料典型地为金属微晶或金属微晶聚集体。
本发明的纳米粒子有利地包含一个或几个金属微晶。
在一个优选的实施方式中，本发明的纳米粒子包含几个氧化铪微晶和/或几个氧化铪微晶聚集体。
在一个特定实施方式中，各个金属材料和各个氧化铪材料存在于微晶或微晶聚集体中。
在另一个特定实施方式中，本发明的纳米粒子为核-壳型金属-氧化物纳米粒子，其包含完全被氧化铪材料覆盖的典型地为金属微晶或金属微晶聚集体的金属材料。
本文的术语“微晶”是指结晶产物。可根据X射线衍射图来分析微晶的尺寸以及其结构和组成。
术语“微晶聚集体”是指彼此强烈地、通常是共价地结合的微晶集合体。
金属材料可以有利地选自金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、锡(Sn)、钽(Ta)、镱(Yb)、锆(Zr)、铪(Hf)、铽(Tb)、铥(Tm)、铈(Ce)、镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钬(Ho)、铁(Fe)、镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、镥(Lu)和它们的混合物。金属优选选自金、银、钽、铂、钯、锡、锆、铪、镥和铁，甚至更优选选自锆、铪、钽和金。金属材料最优选为金或钽，甚至更优选为金。
在一个特定实施方式中，氧化铪材料可保护至少80％、例如85％、86％、87％、88％或89％的金属材料免于与生物材料发生任何相互作用。更优选地，氧化铪材料可保护至少90％、典型地介于90％与98％之间、例如95％的金属材料免于与生物材料发生任何相互作用。
在另一个特定实施方式中，本发明的纳米粒子为核-壳型金属-氧化物纳米粒子，也鉴定为核@壳型金属@氧化物纳米粒子，其包含完全被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料。
根据预期用途，本发明的纳米粒子包含至少部分被氧化铪材料覆盖或完全被氧化铪材料覆盖的金属材料。
例如，当本发明的纳米粒子在诊断情形下用作造影剂或在治疗情形下用作放射增敏剂时，金属材料有利地完全被氧化铪材料覆盖(核@壳型金属@氧化物纳米粒子)，但是当本发明的纳米粒子在高温疗法情形下用作光热剂或在化学疗法情形下用作药物载体时，金属材料优选至少部分被氧化铪材料覆盖。
在一个特定实施方式中，为了保持金属材料的固有性质，可能希望覆盖或包埋金属材料的氧化铪材料允许小分子的扩散。特别地，重要的是覆盖或包埋金属材料的氧化铪材料允许水或药物的通过，但保护金属材料免于与生物材料发生任何相互作用。
在诊断或放射疗法情形下，金属组成的完全覆盖是值得重视的。在诊断情形下，甚至优选这种完全覆盖来优化产品的安全使用。
可调节氧化铪材料对金属材料的适当覆盖率以使得通过BET(Brunauer、Emmett和Teller)表面积分析测定的纳米粒子的表面积等于或优于通过CTAB表面积分析典型地测定的纳米粒子的表面积。
BET表面积分析是基于气体(通常是氮气)在纳米粒子(所述纳米粒子呈粉末形式)表面上的吸收。BET表面积提供包括孔隙在内的纳米粒子的“总”表面。
CTAB表面积分析是基于十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分子于纳米粒子(所述纳米粒子处于溶液中)表面上的吸收。CTAB分子相对较大以使得其不被吸附于微孔中。因此，CTAB表面积仅反映可用于与大分子相互作用、例如与生物材料相互作用的纳米粒子的表面。在本发明情形下可另外使用其他分子(例如蛋白质)来估算这种纳米粒子表面积。
当纳米粒子包含完全被氧化铪材料覆盖的金属材料时，BET表面积与考虑到纳米粒子的形状而计算的表面以及构成纳米粒子的金属和氧化铪材料的相对比例相关，两者都是典型地通过使用感应耦合等离子体质谱(ICP MS)分析对金属和铪元素进行定量来测定。
纳米粒子的形状可以例如为圆形、扁平形、细长形、多边形、球形、卵圆形或椭圆形等。形状可以由制造方法确定或控制并且由本领域技术人员调适。
因为粒子的形状可以影响其“生物相容性”，所以优选具有相当均匀的形状的粒子。出于药物动力学原因，因此优选形状基本上为球形、圆形或卵圆形的纳米粒子。这种形状也有利于纳米粒子与细胞的相互作用或细胞对纳米粒子的摄取。特别优选球形或圆形。
本文术语“纳米粒子的尺寸”和“纳米粒子的最大尺寸”是指“纳米粒子的最大尺度”。可以使用透射电子显微镜(TEM)来测量纳米粒子的尺寸。也可以使用动态光散射(DLS)来测量溶液中纳米粒子的流体动力学直径。这两种方法可进一步彼此前后使用以比较尺寸度量并证实所述尺寸。
典型地，最大尺度为圆形或球形纳米粒子的直径，或卵圆形或椭圆形纳米粒子的最长长度。
如本文所定义的纳米粒子的最大尺度典型地介于约10nm与约250nm之间，优选介于约20nm与约100nm或约200nm之间，甚至更优选介于约50nm与约150nm之间。
金属微晶尺寸(金属微晶的最大尺度)典型地介于约2nm与约100nm之间，例如介于约2nm与60nm之间或介于约10nm与约50nm之间。金属微晶尺寸的典型实例为5、10、15、30和50nm。
金属微晶聚集体尺寸(金属微晶聚集体的最大尺度)典型地介于约20nm与约100nm之间，例如介于20nm与50nm之间。
氧化铪微晶尺寸(氧化铪微晶的最大尺度)典型地介于约5nm与约50nm之间，优选介于约2nm与约50nm之间，例如介于5nm与30nm之间。氧化铪微晶尺寸的典型实例为2、5、10、15、20和25nm。
氧化铪微晶聚集体尺寸(氧化铪微晶聚集体的最大尺度)典型地介于约20nm与约100nm之间，例如介于30nm与70nm之间。
在核@壳型金属@氧化物纳米粒子的情形下，氧化铪微晶尺寸或氧化铪微晶聚集体尺寸对应于氧化铪壳的厚度。
在本发明的纳米粒子中，可有利地用有利于金属与氧化铪材料之间的粘着的、在本文中定义为“连接剂”的试剂来涂布金属材料。本发明情形下的粘着意指在连接剂与金属之间以及在连接剂与氧化铪材料之间建立起弱的(氢键或静电)或强的(共价)相互作用。优选为强相互作用。连接剂为能够典型地通过共价结合或静电结合与金属材料表面以及与氧化铪材料相互作用的化合物。
连接化合物可包含两个端基，R1和R2。R1的作用在于与金属材料相互作用，而R2的作用在于与氧化铪材料相互作用。
R1可选自例如羧酸根(R2-X-COO-)、膦酸(R2-X-PO(OH)2)、磷酸(R2-X-O-PO(OH)2)、磷酸根(R2-X-PO4 3-)和硫醇(R2-X-SH)基团。
R2可选自例如羧酸根(R1-X-COO-)、硅烷(R1-X-Si(OR)3)或(Si(OR)4)、膦酸(R1-X-PO(OH)2)、磷酸(R1-X-O-PO(OH)2)、磷酸根(R1-X-PO4 3-)和硫醇(R1-X-SH)基团。
“X”为可为含有至少一个原子的线性或环状链的链。“X”链可选自例如含有碳原子的链(例如烷烃链)、含有碳和氧原子的链(例如聚环氧乙烷链或碳水化合物链)、含有硅原子的链(例如硅酮链)以及含有磷原子的链(例如聚磷酸酯链)。
在一个优选实施方式中，所要求保护的纳米粒子的金属材料和/或氧化铪材料结合于药物分子。
药物分子可经由例如氢键相互作用、静电相互作用或共价键合与金属材料和/或氧化铪材料相互作用。药物分子可进一步包含当纳米粒子暴露于特定刺激时允许药物分子释放的可裂解连接。
所述可裂解连接可选自例如二硫键连接或对pH敏感的连接如腙键连接。
能够使连接裂解的特定刺激可为环境刺激或物理刺激，典型地为外部物理刺激。能够使连接裂解的环境刺激可为例如能够使对pH敏感的连接裂解的pH，或能够使二硫键连接还原的还原环境。能够使连接裂解的物理刺激可为例如辐射，特别是电离辐射。
本发明情形中的药物分子包括任何具有治疗性或预防性作用的化合物。其可为影响或参与例如组织生长、细胞生长或细胞分化的化合物。其还可以是能够诱导生物作用例如免疫反应的化合物。
实例的非限制性列表包括抗微生物剂(包括抗细菌剂，特别是抗生素、抗病毒剂和抗真菌剂)；抗肿瘤剂，特别是抗癌化学治疗剂如细胞生长抑制剂、细胞毒性剂，和预期用于治疗癌症的任何其他生物或无机产品如治疗性核酸、特别是微RNA(miRNA)、短发夹RNA(shRNA)和/或小干扰RNA(siRNA)。在本发明情形下药物还可以是前药。可进一步使用所感兴趣的药物分子的任何组合。
在另一个实施方式中，本文描述了其中用选自展现隐身性质的试剂、允许与生物靶标相互作用的试剂和其组合的生物相容性材料涂布氧化铪材料的纳米粒子。
在通过静脉内途径(一种可能的施用途径)注射后的给定时间之后，已知增强的渗透和滞留(“EPR”)作用造成纳米粒子被动积聚在肿瘤块中。实际上已经观察到肿瘤血管明显不同于正常毛细血管并且其血管“泄漏”促进纳米粒子选择性外渗，这在正常组织中是不常见的。有效的肿瘤淋巴引流的缺乏阻止了渗透性纳米粒子的清除并促进了其积聚。因此本发明的纳米粒子在静脉内施用后能够成功地靶向原发性以及转移性肿瘤。
在一个优选的实施方式中，所要求保护的纳米粒子的氧化铪材料可以用选自展现隐身性质的试剂的生物相容性材料涂布。实际上，当经由静脉内(IV)途径向受试者施用本发明的纳米粒子时，具有选自展现隐身性质的试剂的材料的生物相容性涂层特别有利于优化纳米粒子的生物分布。所述涂层造成纳米粒子的所谓的“隐身性质”。
展现隐身性质的试剂可为显示出空间基团(steric group)的试剂。所述基团可选自例如聚乙二醇(PEG)；聚环氧乙烷；聚乙烯醇；聚丙烯酸酯；聚丙烯酰胺(聚(N-异丙基丙烯酰胺))；聚脲；生物聚合物；多糖如葡聚糖、木聚糖和纤维素；胶原蛋白；两性离子化合物如聚磺基甜菜碱；等。
在另一个优选实施方式中，所要求保护的纳米粒子的氧化铪材料可以用选自允许与生物靶标相互作用的试剂的生物相容性材料涂布。所述试剂可以典型地在纳米粒子表面上带来正电荷或负电荷。可以通过典型地在浓度在0.2g/L与10g/L之间变化的纳米粒子悬浮液上进行ζ电位测量来测定所述电荷，其中所述纳米粒子悬浮在pH介于6与8之间的水性介质中。
在纳米粒子表面上形成正电荷的试剂可以是例如氨基丙基三乙氧基硅烷或聚赖氨酸。在纳米粒子表面上形成负电荷的试剂可以是例如磷酸盐(酯)(例如聚磷酸盐(酯)、偏磷酸盐(酯)、焦磷酸盐(酯)等)、羧酸盐(酯)(例如柠檬酸盐(酯)或二羧酸，特别是琥珀酸)或硫酸盐(酯)。
纳米粒子或聚集体的生物相容性完全涂层可为有利的，特别是在静脉内(IV)情形下，以避免粒子表面与任何识别元件(巨噬细胞、调理素等)的相互作用。“完全涂层”意味着非常高密度的生物相容性分子的存在，能够在粒子表面上至少产生一个完整的单层。
生物相容性涂层特别提供纳米粒子在流体中的稳定性，例如生理流体(血液、血浆、血清等)、任何等渗介质或生理介质，例如包含葡萄糖(5％)和/或NaCl(0.9％)的介质，这是药物施用所需的。
可通过典型地在0.22或0.45μm过滤器上过滤之前和之后对纳米粒子悬浮液进行测量的干提取物定量来证实稳定性。
有利的是，所述涂层保留粒子在体内的完整性，确保或改善其生物相容性，并促进其可选的功能化(例如利用间隔分子、生物相容性聚合物、靶向剂、蛋白质等)。
根据本发明的特定纳米粒子可以进一步包含靶向剂，使得其与靶细胞上存在的识别元件相互作用。一旦纳米粒子积聚在靶标位点上，这种靶向剂就典型地起作用。所述靶向剂可以是任何对人类或动物体内存在的分子显示亲和性的生物或化学结构。例如，它可以是一种肽、寡肽或多肽、蛋白质、核酸(DNA、RNA、SiRNA、tRNA、miRNA等)、激素、维生素、酶、由病理性细胞表达的分子的配体、特别是肿瘤抗原的配体、激素受体、细胞因子受体或生长因子受体。所述靶向剂可以在例如由LHRH、EGF、叶酸盐、抗B-FN抗体、E-选择素/P-选择素、抗IL-2R抗体、GHRH等组成的群组中选择。
本发明的纳米粒子可以通过不同途径施用，例如局部(特别是肿瘤内(IT))、皮下、静脉内(IV)、皮内、动脉内、气管(吸入)、腹膜内、肌肉内和口服途径(经口)。纳米粒子可以在诸如肿瘤切除后的肿瘤床的虚拟腔等腔内进一步施用。
适当时，可以进行纳米粒子的重复注射或施用。
本发明的另一个特定目的涉及一种药物组合物，其包含如上文所定义的纳米粒子，优选以及药学上可接受的载体或媒介物。
本发明的另一个特定目的涉及一种诊断或成像组合物，其包含如上文所定义的纳米粒子，优选以及生理学上可接受的载体或媒介物。
组合物可以呈固体、液体(于悬浮液中的粒子)、气溶胶、凝胶、糊状物等形式。优选的组合物呈液体或凝胶形式。特别优选的组合物呈液体形式。
所使用的载体可以是用于这种应用的任何经典支持物，例如含盐的、等渗的、无菌的、缓冲的溶液等。它们还可以包含稳定剂、甜味剂、表面活性剂、聚合物等。它们可以通过使用已知的药物配制技术而配制成例如安瓿、气溶胶、瓶、片剂、胶囊。
在本文所述的组合物中，纳米粒子的适当或所需浓度包含在约10-3毫克纳米粒子/克肿瘤与约100毫克纳米粒子/克肿瘤之间，特别是约5毫克与约50毫克纳米粒子/克肿瘤之间。无论什么施用途径，这些浓度都适用。
在本文所述的组合物中，纳米粒子的适当或所需浓度包含在约10-3毫克纳米粒子/毫升的肿瘤切除术后留下的虚拟腔体积与约100毫克纳米粒子/毫升的肿瘤切除术后留下的虚拟腔体积之间，特别是约5毫克至约50毫克的纳米粒子/毫升的肿瘤切除术后留下的虚拟腔体积。无论什么施用途径，这些浓度都适用。
一般来说，呈液体或凝胶形式的组合物包含介于0.05g/L与400g/L之间、介于0.05g/L与150g/L之间、优选至少10g/L、20g/L、40g/L、45g/L、50g/L、55g/L、60g/L、80g/L、100g/L、150g/L、200g/L、250g/L、300g/L或350g/L的纳米粒子。
在包含纳米粒子的悬浮液的干燥步骤之后理想地测量干提取物。
本发明的组合物、粒子和聚集体可以用于许多领域中，尤其是人类或兽医学中。
如本文所述的根据本发明的纳米粒子和组合物优选用于哺乳动物中，甚至更优选用于人类中，典型地当纳米粒子暴露于辐射时作为诊断剂，和/或特别是在肿瘤学中，优选当纳米粒子暴露于辐射、特别是电离辐射时作为治疗剂。
术语“辐射”是指电离和非电离辐射。非电离辐射包括无线电波、微波、红外线和可见光。电离辐射典型地包括紫外光、X射线和γ射线。
术语“治疗”和“疗法”是指为纠正异常功能、为预防疾病、为改善病理体征而进行的任何行为，例如特别是异常组织特别是肿瘤的尺寸或生长的缩减、所述尺寸或生长的控制、异常细胞或组织的抑制或破坏、疾病进展的减缓、癌症进展延迟的疾病稳定化、癌转移形成的减少、疾病的消退或完全缓解(例如在癌症的情形下)等。
尽管不希望受任何特定理论约束，但发明人认为，当通过辐射活化纳米粒子时，在治疗情形下，所要求保护的金属材料与氧化铪材料的组合可造成能量有效沉积在肿瘤结构内。
典型地，在静脉内注射后，增强的渗透和滞留(“EPR”)作用将造成纳米粒子被动积聚在肿瘤部位。在通过辐射活化纳米粒子时，能量沉积将增强肿瘤灌注并因此进一步有利于纳米粒子肿瘤内渗透。增强的纳米粒子肿瘤内渗透(纳米粒子肿瘤内生物利用度)将增强本发明纳米粒子的治疗活性(图2)。
因此本发明的特定目的是基于本发明的纳米粒子在制备药物组合物中的用途，以及相应的方法，所述药物组合物旨在当靶细胞暴露于辐射、特别是电离辐射时，改变、破坏或消除动物中的所述细胞。
靶细胞可以是任何病理细胞，也就是说，病理机制中所涉及的细胞，例如增殖性细胞如肿瘤细胞、狭窄性细胞(成纤维细胞/平滑肌细胞)，或免疫系统细胞(病理细胞克隆)。一种优选的应用是基于恶性细胞或组织的治疗(例如破坏或功能改变)。
本发明的另一个特定实施方式涉及当纳米粒子暴露于辐射、特别是电离辐射时，如上文所定义的组合物或纳米粒子用于制造供治疗癌症的药物组合物的用途。
本公开进一步涵盖当细胞暴露于辐射、特别是电离辐射时，本发明的纳米粒子和/或组合物用于在动物中预防或治疗癌症或减轻癌症症状的用途。
经典的癌症管理系统性暗示多模态治疗的同时存在(例如放射疗法与化学疗法的组合)。
本文所述的纳米粒子经受辐射，特别是在放射疗法情形下，可以与不同的癌症治疗方案联合使用。所述方案可以选自：手术，放射手术，化学疗法，包含施用以下物质的治疗：细胞生长抑制剂、细胞毒性剂、靶向疗法、疫苗、放射性核素、特别是免疫放射性核素以及欲用于治疗癌症的任何其他生物或无机产品。
本发明可以用于治疗任何类型的恶性肿瘤如血液肿瘤或恶性肿瘤，以及实体瘤，特别是上皮、神经外胚层或间充质源实体瘤。此外，纳米粒子可以用于治疗传统上使用和/或指示需要放射疗法的癌前病变或特定良性疾病。
在治疗情形下，本发明可应用于原发性肿瘤或继发性侵袭、局部区域性或远距离转移，以及在预防情形下避免继发性恶性中枢神经系统损害，例如避免观察到的从黑色素瘤、肺癌、肾癌、乳腺癌等的侵袭(转移)。
纳米粒子可以在整个抗癌治疗期内的任何时间使用。它们可以例如以新佐剂(在用于癌症切除的手术干预之前)或以佐剂(在手术之后)形式施用。
所述纳米粒子还可以用于不能通过手术除去的晚期肿瘤。
本文所述的纳米粒子特定欲用于治疗癌症，其中放射疗法是一种经典的治疗方法。所述癌症可特别选自由以下组成的群组：皮肤癌，包括与AIDS相关的恶性瘤、黑色素瘤；中枢神经系统肿瘤，包括大脑、脑干、小脑、垂体、椎管、眼球和眼眶；头颈部肿瘤；肺癌；乳腺癌；胃肠道肿瘤，例如肝癌和肝胆道癌、结肠癌、直肠癌和肛门癌、胃癌、胰腺癌、食道癌；男性泌尿生殖系肿瘤，例如前列腺癌、睾丸癌、阴茎癌和尿道癌；妇科肿瘤，例如子宫颈癌、子宫内膜癌、卵巢癌、输卵管癌、阴道癌和外阴癌；肾上腺和腹膜后肿瘤；与定位无关的骨骼和软组织肉瘤；淋巴瘤；骨髓瘤；白血病；以及儿科肿瘤，例如肾母细胞瘤(Wilm's tumor)、神经母细胞瘤、中枢神经系统肿瘤、尤因肉瘤(Ewing's sarcoma)等。
本文所述的纳米粒子现在可进一步用于放射疗法情形中，其中它们的使用允许在保持其破坏肿瘤细胞的效率的同时降低放射疗法的剂量。
在电离辐射、特别是X射线、γ射线、放射性同位素和/或电子束的作用下，纳米粒子受激发并产生电子和/或高能光子。在电离后发射的那些电子和/或高能光子将经由自由基产生而造成直接和/或间接的细胞损伤，并最终造成细胞破坏，对患者产生更好的结果。
根据电离辐射的能量，纳米粒子因此可以实现组织的破坏和/或简单地用于成像和/或诊断目的的可视化。
粒子可以在大范围的总辐射剂量下受到激发。
量和时间表(以单一剂量形式或在分割或超分割治疗方案情形下的，对照射的计划和递送等)是针对任何疾病/解剖部位/疾病阶段患者设置/患者年龄(儿童、成人、老年患者)进行限定，并构成任何具体情形的护理标准。
在一种或多种场合下，通过使用任何目前可用的放射疗法或造影系统，在施用纳米粒子后可以在任何时间应用照射。
如先前所示，适当的辐射或激发源优选为电离辐射并且可以有利地选自由X射线、γ射线、电子束、离子束和放射性同位素或放射性同位素发射组成的群组。X射线是特别优选的激发源。
电离辐射典型地为约2KeV至约25000KeV，特别是约2KeV至约6000KeV(LINAC源)，或约2KeV至约1500KeV(例如钴60源)。
一般来说并且以非限制性方式，下列X射线可以在不同情况下应用以激发粒子：
-2至50keV的浅层X射线：激发接近表面的纳米粒子(几毫米的穿透)；
-50至150keV的X射线：用于诊断但也用于治疗；
-200至500keV的X射线(常电压)，其可穿透6cm的组织厚度；
-1000keV至25,000keV的X射线(兆电压)。例如，可以经由五个能量为15,000keV的聚焦X射线来进行用于前列腺癌治疗的纳米粒子激发。
放射性同位素可以可选地用作电离辐射源(称为镭疗法或近距离放射疗法)。特别地，可以有利地使用碘I125(t1/2＝60.1天)、钯Pd103(t1/2＝17天)、铯Cs137和铱Ir192。
带电粒子如质子束、离子束如碳、特别是高能离子束也可以用作电离辐射源和/或中子束。
电子束也可用作具有介于4MeV与25MeV之间的能量的电离辐射源。
特定的单色照射源可用于以接近于或对应于构成金属材料的原子或铪元素的所需X射线吸收限的能量选择性产生X射线辐射。
电离辐射源优先可选自线性加速器(LINAC)、钴60和近距离放射疗法源。
在诊断领域中，本发明的纳米粒子可以用作造影剂，用于检测和/或可视化任何类型的组织。因此，本发明的一个目的涉及如上文所定义的纳米粒子用于检测和/或可视化细胞、组织或器官的用途，所述纳米粒子当暴露于特别是通过造影装置所产生的辐射时同样呈生物惰性并且可活化(即可用作诊断剂)。
本公开进一步提供包含本文所述的纳米粒子或组合物以及其组合中的任一种的试剂盒。典型地，所述试剂盒至少包含根据本发明的纳米粒子、典型地为其悬浮液。一般来说，所述试剂盒进一步包含一个或多个填充有一种或多种本发明组合物的本文所述成分的容器。可以结合所述容器提供标签通知，其提供关于使用产品的说明以用于根据本发明方法使用纳米粒子或组合物。
在以下实施例中，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，所述实施例是出于说明目的而非作为限制而给出。
实施例
实施例1：金微晶的合成
通过在水溶液中用柠檬酸钠还原金氯化物(HAuCl4)而获得金微晶。方案改编自G.Frens Nature Physical Science241(1973)21。
在一个典型的实验中，将HAuCl4溶液加热至沸腾。随后，添加柠檬酸钠溶液。所得溶液在沸腾下再维持5分钟的时期。
可通过小心地调节柠檬酸盐/金前体比率来调节微晶尺寸(参见表1)。
然后用水洗涤所制备的金微晶悬浮液并使用具有30kDa纤维素膜的超滤装置(Amicon搅拌单元，8400型，来自Millipore)来浓缩，至少浓缩至金浓度等于或大于1g/L。通过ICP-MS测定金含量。
最终在层流罩下通过0.22μm截止膜过滤器(PES膜，来自Millipore)过滤所得悬浮液并储存在4℃下。
使用透射电子显微镜(TEM)通过计入200个以上粒子来测定金微晶尺寸。建立直方图并报道平均值和标准偏差。
表1：用柠檬酸钠还原金氯化物而获得的典型的金微晶。可通过调节柠檬酸盐/金前体比率来调节尺寸。
实施例2：包含至少部分被氧化铪材料覆盖的金材料的纳米粒子悬浮液
将四甲基氢氧化铵(TMAOH)溶液添加至氯化铪(HfCl4)溶液中。进行TMAOH溶液的添加直至最终悬浮液的pH达到介于7与13之间的pH。获得白色沉淀物。
在强烈混合下将来自实施例1的金微晶悬浮液缓慢添加至白色沉淀物中。
将所得沉淀物进一步转移在高压釜中并且在介于100℃与300℃之间的温度下加热。冷却后，用水洗涤悬浮液。
进行胶溶步骤以得到包含至少部分包埋于氧化铪材料中的金材料的纳米粒子的稳定悬浮液。
然后将六偏磷酸钠悬浮液添加至胶溶过的溶液中并且将悬浮液的pH调节至介于6与8之间的pH。
实施例3：用有利于金属与氧化铪材料之间的粘着的“连接剂”涂布的金纳米粒子
将浓度[Au]＝0.1g/L的具有60nm平均直径的金纳米粒子的10mL悬浮液与巯基丙基三乙氧基硅烷(MPTS)于乙醇(EtOH)中的溶液混合。用碱性溶液将所获得的悬浮液的pH调节至8≤pH≤10。然后在电炉中在T≥90℃的温度下加热混合物。
实施例4：包含用至少部分被氧化铪材料覆盖或完全包埋于氧化铪材料中的“连接剂”涂布的金的纳米粒子：核@壳型Au@HfO2型组合
使用来自实施例3的用作为“连接剂”的MPTS涂布的金纳米粒子的悬浮液。典型地，将500μL的20g/L氯化铪(HfCl4)溶液缓慢添加至5mL的用作为连接剂的MPTS涂布的金纳米粒子的悬浮液。pH快速降至pH<2。然后用碱性溶液调节至2≤pH≤4，4<pH<8或8≤pH≤10。酸性、中性或碱性pH使得可调节氧化铪微晶的结晶度。然后将所获得的溶液在高压釜中在电炉中温育，首先在温度50℃≤T≤100℃下，然后在T≥100℃下。如TEM所示，获得核@壳型Au@HfO2纳米粒子结构(图6)。
实施例5：包含至少部分被氧化铪材料覆盖或完全包埋于氧化铪材料中的金的纳米粒子的电子衍射图(Au@HfO2)
为了测定所制备的纳米粒子的结晶结构，对以下两种样品进行电子衍射：来自实施例1的金纳米粒子(图4)和来自实施例4的金纳米粒子与氧化铪材料的Au@HfO2型组合(图5)。
对于来自实施例1的金纳米粒子，发现结晶结构与具有晶格参数的CFC结构相匹配(图4)。
对于来自实施例4的金纳米粒子与氧化铪材料的核@壳型Au@HfO2型组合(图5)，电子衍射图显示对应于金CFC结晶结构的网间距离的点：d111、d200、d220和d311。观察到另一种衍射图。指数化显示三个主要的网状间(interreticular)距离：和其可以归因于具有和β＝98°的HfO2单斜结晶结构的衍射平面(参考物：HfO200-006-0318)，并且其分别对应于d111、d-311和d-223。

Claims (12)

1.纳米粒子在制备用于在哺乳动物中当所述纳米粒子暴露于辐射时用于治疗癌症的治疗剂中的用途，所述纳米粒子包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料，其中所述金属材料为金属微晶或金属微晶聚集体并选自金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、锡(Sn)、钽(Ta)、镱(Yb)、锆(Zr)、铪(Hf)、铽(Tb)、铥(Tm)、铈(Ce)、镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钬(Ho)、铁(Fe)、镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、镥(Lu)和它们的混合物，所述纳米粒子包含几个氧化铪微晶或氧化铪微晶聚集体，金属微晶的最大尺度介于2nm与100nm之间并且氧化铪微晶的最大尺度介于5nm与50nm之间。
2.根据权利要求1所述的用途，其中所述哺乳动物是人。
3.根据权利要求1或2所述的用途，其中至少80％的所述金属材料被所述氧化铪材料保护免于与生物材料发生任何相互作用。
4.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述纳米粒子包含一个或几个金属微晶。
5.根据权利要求1或2所述的用途，其中纳米粒子的最大尺度介于10nm与250nm之间。
6.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述金属材料用有利于所述金属与所述氧化铪材料之间的粘着的试剂涂布。
7.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述金属材料和/或所述氧化铪材料与药物分子键合。
8.根据权利要求1或2所述的用途，其中每个药物分子包含可裂解部分，使得当所述纳米粒子暴露于特定刺激时释放出所述药物分子。
9.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述氧化铪材料被选自展现隐身性质的试剂、允许与生物靶标相互作用的试剂和其组合的生物相容性材料涂布。
10.根据权利要求1或2所述的用途，其中所述治疗剂为包含药学上可接受的载体的组合物。
11.纳米粒子在制备用于在哺乳动物中当所述纳米粒子暴露于辐射时的诊断剂中的用途，所述纳米粒子包含至少部分被氧化铪材料覆盖或包埋于其中的金属材料，其中所述金属材料为金属微晶或金属微晶聚集体并选自金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、锡(Sn)、钽(Ta)、镱(Yb)、锆(Zr)、铪(Hf)、铽(Tb)、铥(Tm)、铈(Ce)、镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钬(Ho)、铁(Fe)、镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、镥(Lu)和它们的混合物，所述纳米粒子包含几个氧化铪微晶或氧化铪微晶聚集体，金属微晶的最大尺度介于2nm与100nm之间并且氧化铪微晶的最大尺度介于5nm与50nm之间。
12.根据权利要求11所述的用途，其中所述哺乳动物是人。
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