CN104258423B - 一种用于脑胶质瘤的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可用于磁共振成像及近红外成像的双模式探针，其中钆掺杂碳酸锰纳米粒为晶体内核，晶体内核的表面结合有硅烷化试剂、聚乙二醇、近红外染料和靶向脑胶质瘤的靶体。本发明还提供所述的钆掺杂碳酸锰磁共振成像对比剂的制备方法、荧光探针的修饰方法及其在靶向于脑胶质瘤成像中的应用。本发明所述的双模式探针在水中高度分散和稳定，可用于肿瘤的双模式成像，也可用于药物载体、细胞示踪和基因转染中。

Description

一种用于脑胶质瘤的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针

技术领域

本发明涉及一种可用于磁共振成像(MRI)及近红外成像的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，更具体地涉及一种用于脑胶质瘤的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针。

本发明还涉及制备上述用于脑胶质瘤的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的方法。

本发明还涉及上述钆掺杂碳酸锰双模式成像探针在近红外成像中作为荧光探针，磁共振成像中作为对比剂，以及在药物载体、细胞示踪药物和基因转染中的应用。

背景技术

磁共振成像(MRI)中对比剂的使用能增强病理组织与正常组织的对比度。1997年MnCl₂四水合物作为MRI对比剂，正式被美国食品药品管理局(FDA)批准应用于临床，但是由于Mn²⁺的毒性问题，现已被临床严格禁用。

锰的氧化物，如MnO，Mn₃O₄和MnO₂作为新型对比剂正在被广泛研究。最新的研究发现锰基纳米粒在正常生理条件下具有很低的T₁弛豫率，但是在肿瘤的酸性条件下就会释放出Mn²⁺，显著的提高弛豫率。这就意味着锰基纳米粒在肿瘤部位具有很强的MRI信号强度，但对正常组织的毒性却很小。

碳酸锰也属于锰基对比剂，却未见到其在脑部的磁共振成像研究报道。这是由于应用于脑内的粒子尺寸通常需要小于100纳米，而目前的碳酸锰大都为微米级，远不能满足脑内应用。

另一方面，碳酸锰在水中的溶解度很低且不稳定，难以生物应用。因此很有必要探索一种制备纳米尺寸，在水中高度分散且稳定的碳酸锰的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于磁共振成像及近红外成像的钆掺杂碳酸锰双模式探针。

本发明的又一目的在于提供制备上述钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的方法。

为实现上述目的，本发明提供的可用于磁共振成像及近红外成像的钆掺杂碳酸锰双模式探针，以钆掺杂碳酸锰纳米粒为晶体内核，晶体内核的表面结合有硅烷化试剂、聚乙二醇、近红外染料和靶向脑胶质瘤的靶体。

所述的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，其中，钆源为钆的无机金属盐；锰源为锰的无机金属盐；硅烷化试剂为具有-NH₂、-SH、-COOH或-PEG官能团的硅烷化试剂；聚乙二醇为具有-NH₂、-COOH、-CH₃或-SH官能团，分子量为2000、3500或5000的聚乙二醇；近红外染料为Cy5.5、Cy5、Cy7等荧光染料；靶向脑胶质瘤的靶体为FA(叶酸)、CTX(氯毒素)、ANG(Angiopep肽)、环状RGD五肽(环状-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-D-脯氨酸-赖氨酸)、TAT(细胞穿膜肽)等。

所述的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，其中，钆的无机金属盐为硝酸钆、氯化钆、硫酸钆或/和磷酸钆；锰的无机金属盐为硝酸锰、氯化锰、硫酸锰或/和磷酸锰；硅烷化试剂为羧酸硅烷、巯基硅烷、氨基硅烷或/和PEG硅烷。

所述的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，其中，晶体内核的直径为10纳米至100纳米。

所述的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，其中，晶体内核为规则或不规则的球形、菱形、六方体形、方形、哑铃型以及椭圆形的颗粒状。

本发明提供的制备上述钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的方法：

1)将钆盐与油酸钠在水-乙醇-正己烷混合体系中于50-80℃反应，得到油酸钆；

2)将锰盐与油酸钠在水-乙醇-正己烷混合体系中于50-80℃反应，得到油酸锰；

3)将油酸钆和油酸锰溶于1-十八烯，于280-310℃热分解反应后用乙醇沉淀洗涤，得到油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒；

4)将油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒溶于无水甲苯中，加入硅烷化试剂，在50-90℃反应，得到硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒，透析纯化后冷冻干燥。

5)将硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒、聚乙二醇、近红外染料、靶向脑胶质瘤的靶体溶于PBS中，pH 6-9，反应12-48小时，透析纯化后冷冻干燥。

所述方法中，透析用的透析袋分子量分别为3500Da和10000Da。

本发明提供的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，可以在近红外成像中作为荧光探针、磁共振成像中作为对比剂，以及应用在药物载体、细胞示踪药物和基因转染中。

本发明用在高温热分解油酸锰的过程中引入油酸钆的方法，制备出了纳米尺寸的油酸包覆的钆掺杂碳酸锰，用硅烷化试剂配体交换油酸，得到了高度水分散的钆掺杂碳酸锰纳米粒，解决了其水溶性的问题，并且纳米粒表面存在大量可供修饰基团，为广泛的生物应用提供了基础。

本发明在水分散的钆掺杂碳酸锰纳米粒表面进一步修饰近红外染料和靶向脑胶质瘤的靶体，使其成为靶向于脑胶质瘤，同时具有磁共振成像(MRI)及近红外成像功能的双模式探针。

附图说明

图1是本发明钆掺杂碳酸锰双模式成像探针GdMnCO₃的透射电子显微镜(TEM)图。

图2是本发明钆掺杂碳酸锰双模式成像探针GdMnCO₃的X射线衍射(XRD)图。

图3是本发明钆掺杂碳酸锰双模式成像探针GdMnCO₃的傅里叶转换红外(FTIR)图。

图4是本发明钆掺杂碳酸锰双模式成像探针GdMnCO₃的弛豫率值，其中的横坐标是Mn的浓度，纵坐标为纵向弛豫时间(T₁)的倒数，线性拟合后的斜率则为弛豫率(r₁)。

图5是裸鼠尾静脉注射前及注射双模式GdMnCO₃探针10分钟、20分钟、30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟及24小时后脑部的T₁加权成像扫描图。

图6是裸鼠尾静脉注射前及注射双模式GdMnCO₃探针24小时后，以及离体脑组织的近红外成像图。

图7是C6细胞和3T3细胞与双模式的GdMnCO₃探针共同孵育24小时后的毒性测试结果。

具体实施方式

本发明提供的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，由于在钆掺杂碳酸锰晶体内核外面修饰了官能化的硅烷试剂及聚乙二醇，因此在水溶液中具有良好的分散性、稳定性和生物相容性。由于其具有良好的弛豫性能，表面又结合有近红外分子，因此能够实现体内外组织或细胞的近红外标记和MRI。表面还可用于共价或物理结合药物、DNA等，因此可用作药物和基因载体。

本发明制备钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的方法中：

采用高温分解法制备油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒：将油酸锰和油酸钆溶于1-十八烯中，在280-310℃搅拌10-60分钟，经纯化制得油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒。

采用配体交换法制备的硅烷修饰的钆掺杂碳酸锰纳米粒：将油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒溶于无水甲苯中，加入醋酸，超声后加入硅烷试剂，在60-90℃下搅拌反应24-72小时，透析纯化后冷冻干燥，得到硅烷修饰的纳米粒。

将硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒、聚乙二醇、近红外染料和靶向脑胶质瘤的靶体溶于PBS中，pH 6-9，反应12-48小时，透析纯化后冷冻干燥。

本发明提供的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针，在水中高度分散且稳定，表面结合有近红外染料和靶向脑胶质瘤的靶体，通过尾静脉注射入裸鼠体内后，能明显增强肿瘤区域的MRI对比，清楚的显示肿瘤边缘，也能用于近红外成像，同样能够提供清晰的肿瘤边界。

以下举例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

MnCO₃-OA的制备：

1)油酸钆的制备：将20mmol GdCl₃，60mmol油酸钠，30mL蒸馏水，40mL乙醇，70mL正己烷同时加入到三口瓶中，其中GdCl₃与油酸钠的摩尔比为1:3，在70℃反应4小时。冷却至室温，静置分液，有机层用蒸馏水洗三次。干燥，得到油酸钆。

2)油酸锰的制备：将20mmol MnCl₂，40mmol油酸钠，30mL蒸馏水，40mL乙醇，70mL正己烷同时加入到三口瓶中，其中MnCl₂与油酸钠的摩尔比为1:2，在70℃反应4小时。冷却至室温，静置分液，有机相用蒸馏水洗三次，干燥，得到油酸锰。

3)油酸包裹的钆掺杂碳酸锰的制备：将2.4mmol油酸钆和9.6mmol油酸锰溶于150mL 1-十八烯中，在氮气氛围和机械搅拌下升温至100℃，抽真空15分钟，充氮气，继续升温至200℃，并维持20分钟，再升温至280℃，保持10分钟，升温至300-310℃回流反应10分钟。然后冷却至室温，加入40mL无水乙醇，离心，所得沉淀分别用无水乙醇和丙酮各洗三次，得到油酸(OA)包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒，分散在正己烷中保存备用。

本实施例的产品GdMnO₃-OA的透射电镜、X射线衍射见图1、2。

实施例2

硅烷羧酸修饰的钆掺杂碳酸锰的制备：

采用配体交换法制备水分散的钆掺杂碳酸锰纳米粒：将100mg油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒溶于60mL无水甲苯中，加入60μL醋酸，超声15分钟，加入0.6mL硅烷羧酸，70℃下反应48小时。所得硅烷羧酸修饰的钆掺杂碳酸锰纳米粒用甲苯和无水甲醇各洗3次，透析24小时，冷冻干燥。

实施例3

钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的制备：

1、将100mg硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒、3.206mg EDC、4.808mgNHS溶于PBS中，pH 6活化半小时，然后加入20mg H₂N-PEG₂₂₄₀-FA、5.055mg H₂N-PEG₂₀₀₀-Cy5.5，pH 8，反应24小时，透析纯化后冷冻干燥，得到特异性叶酸靶体连接的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针。

2、将100mg硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒、3.206mg EDC、4.808mgNHS溶于PBS中，pH 6活化半小时，然后加入17.86mgH₂N-PEG₂₀₀₀-COOH、5.055mg H₂N-PEG₂₀₀₀-Cy5.5，pH 8，反应24小时，透析纯化后冷冻干燥，得到非特异性的钆掺杂碳酸锰双模式成像探针。

本实施例的产品Cy5.5-GdMnO₃-FA、Cy5.5-GdMnO₃-PEG的傅里叶红外的表征见图3。

实施例4

Cy5.5-GdMnO₃-FA和Cy5.5-GdMnO₃-PEG的弛豫率的测定：

称取一定量Cy5.5-GdMnO₃-FA和Cy5.5-GdMnO₃-PEG分散于1％的琼脂糖凝胶，分别配制成浓度为0.5、0.25、0.125、0.0625、0.03125毫摩尔(Mn)/升的溶液。使用7T核磁共振仪，选定RARE-T₁+T₂-map序列，各项参数设置如下：TR/TE＝3000/45ms(T₂)，TR/TE＝300/9ms(T₁)，FOV＝4.0×4.0cm²及slice thickness＝1mm，对所配溶液进行T₁加权成像扫描，将所得纵向弛豫时间(T₁)的倒数与浓度进行线性拟合，所得斜率即为弛豫率。其拟合曲线见图4。

实施例5

1)MRI实验：选取脑胶质瘤模型BALB/C裸鼠，以6％水合氯醛0.1ml/20g,腹腔注射麻醉。使用7T核磁共振仪，各项参数设置如下：TR/TE＝300/8ms，matrix size＝256×256，field of view＝2.5×2.5cm²，slice thickness＝0.8mm对小鼠脑部进行T₁加权成像扫描。将Cy5.5-GdMnO₃-FA或Cy5.5-GdMnO₃-PEG分别通过尾静脉以10mg/kg的剂量注入小鼠体内，分别在注射前、注射10分钟、20分钟、30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟及24小时后，以同样序列对小鼠进行MRI扫描。所得T₁加权图像见图5。

从图5中可以看出，双模式的GdMnCO₃探针对脑胶质瘤具有明显的MRI对比增强效果，连接靶向脑胶质瘤的靶体的探针MRI对比增强效果优于未接靶向脑胶质瘤的靶体的探针。

2)NIR实验：选取脑胶质瘤模型BALB/C裸鼠，以6％水合氯醛0.1ml/20g，腹腔注射麻醉。使用小动物荧光成像仪，对小鼠进行荧光成像扫描。将Cy5.5-GdMnO₃-FA或Cy5.5-GdMnO₃-PEG分别通过尾静脉以10mg/kg的剂量注入小鼠体内，分别在注射前、注射24小时以及对离体脑组织进行荧光成像，所得图像见图6。

从图6中可以看出，双模式的GdMnCO₃探针具有近红外成像的功能，连接靶向脑胶质瘤的靶体的纳米粒的近红外成像效果更强，在肿瘤组织中更为集中，优于未接靶向脑胶质瘤的靶体的纳米粒。

实施例6

钆掺杂碳酸锰双模式成像探针的细胞毒性实验：

将C6细胞和3T3细胞分别种在96孔板中，每孔1×10⁴个细胞，于孵箱中37℃培养24小时。弃掉培养液，加入不同浓度的Cy5.5-GdMnO₃-FA或Cy5.5-GdMnO₃-PEG，继续共同孵育24小时。弃掉培养液，加入新鲜制备的MTT试剂(0.5mg mL^-1，100μL)继续培养4小时。然后每孔加入150μL DMSO，溶解紫色结晶，避光摇匀。用酶标仪检测570nm波长时的OD值，计算细胞生存率，所得结果见图7。

从图7中可以看出，两种细胞与双模式的GdMnCO₃探针共同孵育24小时后，生存率均大于90％，说明双模式的GdMnCO₃探针不具有明显的细胞毒性，表明其生物相容性良好。

Claims (2)

1.一种制备钆掺杂碳酸锰纳米粒的方法：

1)将钆盐与油酸钠在水-乙醇-正己烷混合体系中于50-80℃反应，得到油酸钆；

2)将锰盐与油酸钠在水-乙醇-正己烷混合体系中于50-80℃反应，得到油酸锰；

3)将油酸钆和油酸锰溶于1-十八烯，于280-300℃热分解反应后用乙醇沉淀洗涤，得到油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒；

4)将油酸包裹的钆掺杂碳酸锰纳米粒溶于无水甲苯中，加入硅烷化试剂，在50-90℃反应，得到硅烷化的钆掺杂碳酸锰纳米粒。

2.根据权利要求1所述的制备钆掺杂碳酸锰纳米粒的方法制备得到的钆掺杂碳酸锰纳米粒。