CN104096243A - 聚吡咯纳米粒子作为光声成像造影剂的新用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开聚吡咯纳米粒子的一种新用途，将其用作光声成像的造影剂。该类材料包括实心、介孔和中空结构，在波长为500-1300nm的近红外区域具有强吸收，是一种高效的近红外光热剂。使用聚吡咯纳米粒子作为光声成像的造影剂，其能有效增加近红外激光对组织的穿透深度，具有显著的造影增强效果。此外，聚吡咯纳米材料具有高的导电性、出色的稳定性和优良的生物相容性，其制备方法简单、绿色、成本低，将其用于光声成像造影剂具有广阔的应用前景。

Description

聚吡咯纳米粒子作为光声成像造影剂的新用途

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及聚吡咯纳米粒子作为光声成像造影剂的新用途。

技术背景

光声成像是近年来新兴的一种非侵入性成像技术，它主要是通过测量生物组织吸收脉冲激光后产生的超声波来进行重构成像。由于脉冲激光的可选择性和超声检测的高分辨率，光声成像可以用来精确的对组织的结构和功能进行成像，如脑结构和功能成像，乳腺癌成像，肿瘤血管生成的监测等。相对于其它的光学成像技术，如共聚焦显微镜和光学相干断层成像等，光声成像能够对更深的组织进行高分辨率的成像。然而，由于光在组织中的严重的散射效应，入射激光的强度会在生物组织中呈现指数性的衰减，从而导致了光声成像的信噪比也呈现指数型的衰减。由于生物组织在近红外光区域内没有明显的吸收，导致近红外光能够穿透更深的组织，所以越来越多的研究将近红外激光作为光声成像的激发光源来对更深的组织进行成像。然而体内的一些发色团(如血红蛋白)，在近红外区域的吸收很弱，导致形成的光声信号强度也相应的较弱。所以引入一些在近红外区域具有强吸收的光声成像造影剂就可以大大提高光声成像的信噪比。

目前已见文献报道的光声成像造影剂包括各种结构的金纳米粒子(NanoLett.，2004，4，1689；Opt.Express.，2010，18，8867；J.Biomed.Opt.，2009，14.)，碳纳米管(Nat.Nanotechnol.，2008，3，557；J.Biomed.Opt.2009，14，034018)，硫化铜纳米粒子(ACS Nano，2012，6，7489)，虽然前期的研究证实这些纳米粒子具有明显的光声成像增强效果，但它们的生物安全性仍然没有得到证实，这些无机材料在体内是不可降解的，容易在体内存留较长的时间，引发了研究人员对它们长期潜在毒性的担忧。与无机材料相比，生物相容性优良的有机化合物，通常为高分子材料，被广泛地应用于药物或者基因的运输。在这些有机材料中，无毒的吲哚菁绿(Indocyanine Green，ICG)近来被广泛地用于光热治疗的研究(Journal of the American Chemical Society，2010，132，1929)。但是由于其严重的光漂白性质及非常短的血液循环时间，限制其在光热治疗领域的进一步应用。近年来，还有报道将卟啉脂质体纳米粒子用于肿瘤的成像和光热治疗(Nature Materials，2011，10，324)。这些有机化合物在应用过程中还存在许多障碍，比如较低的光热转换效率或者复杂的合成过程以达到好的生物相容性和稳定性，从而限制了它们的进一步应用。

聚吡咯纳米粒子(PPy NPs)由于其具有高的导电性、出色的稳定性和优良的生物相容性，被人们广泛研究用于生物电子学和生物医学领域。通过严格控制实验条件，能够得到粒径可控的单分散性聚吡咯纳米粒子。同时，体内实验研究表明，低浓度的聚吡咯纳米粒子(浓度＜200μg/mL)具有很低的长期毒性(The Journal ofpharmacy andpharmacology，2007，59，311)。由于PPy NPs具有很强的近红外吸收性能，近来被作为光学相干断层成像(OCT)造影剂用于肿瘤的成像(Advanced materials，2011，23，5792-5795)。

综上所述，开发新型的、高效安全的光声成像造影剂具有重要的实际应用价值。基于以上考虑，我们将聚吡咯纳米粒子应用于光声成像，开发了一种新型的近红外光声成像造影剂，该造影剂具有很高的生物安全性和稳定性，具备很好的近红外光吸收能力和光声成像增强效果，因此具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供聚吡咯纳米粒子作为光声成像造影剂的新用途。

为了证实本发明所述的聚吡咯纳米粒子用于光声成像造影剂的新用途，包括以下实验步骤：

1)实验装置的搭置：实验中利用Q转换的Nd：YAG激光(LS-2137/2，LOTIS TII，Minsk，Belarus)及泵浦可调节Ti蓝宝石激光(LT-2211A，LOTISTII，Minsk，Belarus)来作为激发光源产生光声信号，并且通过毛玻璃使激光均匀化地照射到测试样品上。实验中选用脉冲频率为10Hz的近红外脉冲激光，并且控制照射在测试样品表面的入射光的强度低于10mJ cm-2。实验中使用2.25MHz的不聚焦超声探头来检测测试样品产生的超声信号。为了减少超声信号的衰减，测试样品和探头均浸没在水槽中，并且利用步进式马达使超声探头以半径为12cm的圆围绕测试样品水平地转动。实验装置见附图1。

2)配制不同浓度的聚吡咯纳米粒子(120μg/mL，100μg/mL，80μg/mL，60μg/mL，50μg/mL，40μg/mL，30μg/mL，20μg/mL，10μg/mL)在一定波长近红外脉冲激光照射下，通过步骤1)所述的装置检测样品光声信号的产生能力。以此证明聚吡咯纳米粒子具备作为光声成像造影剂的潜力。

3)体外光声信号增强效果评价：将不同浓度(10μg/mL，20μg/mL，50μg/mL，100μg/mL和200μg/mL)的聚吡咯纳米粒子加入到由琼脂凝胶制成的仿体中，然后将此仿体置于不同厚度鸡胸肉下获得不同浓度聚吡咯纳米粒子的光声断层图像，以此探讨聚吡咯纳米粒子作为光声造影剂的可能性以及其在近红外光波长处有效的成像深度。

4)体内光声信号增强效果评价：首先利用脱毛膏去除小鼠脑袋上的体毛，在其脑袋上涂上超声耦合剂减弱超声信号的衰减。小鼠麻醉后将其脑袋从水槽底部的缺口中突出，注射聚吡咯纳米粒子前，先对小鼠大脑皮质进行光声成像。然后分别经尾静脉注射一定体积和一定浓度的聚吡咯纳米粒子，在不同的时间点对小鼠大脑皮质进行光声成像。观察其对小鼠大脑皮质的光声成像增强效果。

5)将步骤4)所得的结果进行数据处理分析。计算当给小鼠注射一定体积和一定浓度的聚吡咯纳米粒子后，在不同时间点小鼠脑部血管的光声信号的变化情况，并与注射聚吡咯纳米粒子溶液之前做比较。

在步骤1)中，所述的近红外脉冲激光的波长范围在500-1300nn之间，优选808nm；在步骤2)中，所述聚吡咯纳米粒子包括实心、介孔和中空结构，其内充物质选自各类生物相容性好的气体、液体和固体物质，粒径范围在2-10000nm之间；在步骤4)和步骤5)中，所述聚吡咯纳米粒子的注射体积在50-400μL之间，浓度范围为2-20mg/mL；在步骤5)中，所述的不同时间点范围在5分钟到一周之间。

同现有光声成像造影剂相比较，本发明所述的聚吡咯纳米粒子开发为新型的光声成像造影剂，具有以下突出优点：

(1)聚吡咯纳米粒子的制备方法简单、绿色、成本低，并且大小可控，适合于大批量生产。

(2)聚吡咯纳米粒子属于有机高分子材料，具有很好的体内生物安全性，并且可生物降解，可避免体内蓄积所引发的潜在长期毒性。

(3)聚吡咯纳米粒子具有高效稳定的近红外光热效应，能高效稳定的吸收近红外光，其光声成像效果显著。具有广阔的实际应用前景。

附图说明

图1是本发明进行体外含聚吡咯纳米粒子凝胶的光声成像的实验装置图；图2是本发明所述聚吡咯纳米粒子的紫外可见近红外吸收光谱图(a)和透射电镜(b)；图3是聚吡咯纳米粒子的光声信号强度随浓度增加的变化关系图；图4是含不同浓度聚吡咯纳米粒子凝胶(a)在不同鸡肉层数厚度下的光声成像图，其中浓度①200μg/mL，②100μg/mL，③50μg/mL，④20μg/mL，⑤10μg/mL，鸡肉层数厚度(b)～0，(c)～1.2cm，(d)～3.4cm，(e)～4.3cm；图5是静脉注射聚吡咯纳米粒子水溶液前后小鼠脑部的光声成像随着时间的变化图：(a)注射前，(b)注射5分钟后，(c)注射60分钟后，(d)实验所用小鼠的头部图片，(e)图片b扣除图片a背景后的光声成像图，(f)图片c扣除图片a背景后的光声成像图；图6是静脉注射聚吡咯纳米粒子水溶液后小鼠脑部的光声信号强度随着时间的变化图。

具体实施方式

通过以下具体实施方式将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例1

实验装置的搭置：实验中利用Q转换的Nd:YAG激光(LS-2137/2，LOTISTII，Minsk，Belarus)及泵浦可调节Ti蓝宝石激光(LT-2211A，LOTIS TII，Minsk，Belarus)来作为激发光源产生光声信号，并且通过毛玻璃使激光均匀化地照射到测试样品上。实验中选用脉冲频率为10Hz的808nm近红外脉冲激光，并且控制照射在测试样品表面的入射光的强度低于10mJ cm^-2。实验中使用2.25MHz的不聚焦超声探头来检测测试样品产生的超声信号。为了减少超声信号的衰减，测试样品和探头均浸没在水槽中，并且利用步进式马达使超声探头以半径为12cm的圆围绕测试样品水平地转动。实验装置见附图1。

实施例2

聚吡咯纳米粒子(PPy NPs)的制备：称取1.5g PVA加入到20mL去离子水中，加热至60℃，待其充分溶解后，恢复至室温搅拌。称取1.24338gFeCl3·6H2O加入到上述体系中搅拌1h后置于冰水浴中搅拌，加入140μL吡咯单体，反应4h。反应结束后，离心分离得到稳定分散的PPy NPs。所得纳米粒子的吸收光谱见附图2a，显示聚吡咯纳米粒子在650-900nm波长范围内具有较强吸收，透射电镜显示其粒径约为46nm(附图2b)。

实施例3

配制不同浓度的聚吡咯纳米粒子(120μg/mL，100μg/mL，80μg/mL，60μg/mL，50μg/mL，40μg/mL，30μg/mL，20μg/mL，10μg/mL)在808nm脉冲激光照射下，通过实施例1的装置检测样品光声信号的产生能力。实验结果显示聚吡咯纳米粒子对808nm脉冲激光具有极好的响应能力，并且产生的光声信号强度随着聚吡咯纳米粒子浓度的增加而呈现出线性的增加(附图3)，以此证明聚吡咯纳米粒子具备作为光声成像造影剂的潜力。

实施例4

体外光声信号增强效果评价：将不同浓度(10μg/mL，20μg/mL，50μg/mL，100μg/mL和200μg/mL)的聚吡咯纳米粒子加入到由琼脂凝胶制成的仿体中，然后将此仿体置于不同厚度鸡胸肉下获得不同浓度聚吡咯纳米粒子的光声断层图像，以此探讨聚吡咯纳米粒子作为光声造影剂的可能性以及其在808nm波长处有效的成像深度(装置见附图1)，实验过程中，光声图像信号利用频率为2.25MHz的超声探头进行采集，得到聚吡咯纳米粒子置于鸡胸肉厚度分别为0cm，1.2cm和4.3cm的光声断层图像。实验结果如附图4所示，尽管随着鸡胸肉厚度的增加，近红外光的强度由于光的散射等效应大大降低，但仿体中的聚吡咯纳米粒子仍然清晰可见。体外仿体的光声实验结果证明了聚吡咯纳米粒子作为潜在的光声成像造影剂能够显著的增强组织的光声信号，在非侵入性的检测深部生物组织方面有很好的应用前景。

实施例5

体内光声信号增强效果评价：首先利用脱毛膏去除小鼠脑袋上的体毛，在其脑袋上涂上超声耦合剂减弱超声信号的衰减。小鼠麻醉后将其脑袋从水槽底部的缺口中突出，注射聚吡咯纳米粒子溶液前，先对小鼠大脑皮质进行光声成像。然后分别经尾静脉注射100μL浓度为2mg/mL的聚吡咯纳米粒子，在不同的时间点对小鼠大脑皮质进行光声成像。观察其对小鼠大脑皮质的光声成像增强效果。由于血液中血红蛋白在808nm处的吸收较低，在注射聚吡咯纳米粒子之前，小鼠大脑皮质处血管的光声信号比较弱(见附图5a)。如附图5b所示，在注射聚吡咯纳米粒子5min后，小鼠的脑部血管的光声信号得到了明显的增强，表明在小鼠血管内循环的聚吡咯纳米粒子增强了小鼠脑部血管和脑实质的造影。实验中将注射粒子前后的光声图像进行逐个像素的减法，获得完全是由于聚吡咯纳米粒子对光声信号的增强而形成的光声图像，更好的证明了聚吡咯纳米粒子体内作为光声成像造影剂的潜力(附图5e)。而在注射聚吡咯纳米粒子60min后，光声信号与注射前相比依然有显著的增强(附图5c，f)，结果表明聚吡咯纳米粒子不仅具有优异的光声成像性能，还具有较长的体内循环时间，这就为聚吡咯纳米粒子通过被动靶向到肿瘤部位提供了可能。

实施例6

将实施例5所得的结果进行数据处理分析，结果如附图6a所示。当给小鼠注射聚吡咯纳米粒子溶液(100μL，2mg/mL)30min后，小鼠脑部血管的光声信号达到最强，与注射粒子前相比有了20％的增强。即使注射完聚吡咯纳米粒子60min后，光声信号依然有17％的增强。这与上述结果中表述的聚吡咯纳米粒子增强大脑皮质血管造影相符合。如附图6b所示，在血液中注射聚吡咯纳米粒子后，光声成像的对比噪声比有了明显的增加，大大提高了光声成像的分辨率。因此，聚吡咯纳米粒子能够作为一种优良的光声造影剂。

Claims (6)

1.聚吡咯纳米粒子的新用途，其特征在于：所述的聚吡咯纳米粒子用于作为光声成像的造影剂。

2.根据权利要求1所述的聚吡咯纳米粒子的新用途，其特征在于：所述的聚吡咯纳米粒子在波长为500-1300nm的近红外区域具有强吸收。

3.根据权利要求1和2所述的聚吡咯纳米粒子，其特征在于：所述的聚吡咯纳米粒子包括实心、介孔和中空聚吡咯纳米粒子。

4.根据权利要求3所述的介孔或中空聚吡咯纳米粒子，其特征在于：其内部孔隙的填充物质包括各种具有良好生物相容性气体、液体和固体物质。

5.根据权利要求1，2和3所述的聚吡咯纳米粒子，其特征在于：所述的聚吡咯纳米粒子的粒径范围在2-10000nm之间。

6.根据权利要求1所述的聚吡咯纳米粒子用于光声成像的新用途，其特征在于：成像过程中所用激光的波长范围在500-1300nm之间。