CN105327365B - 一种磁光双模态成像纳米探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种磁光双模态成像纳米探针及其应用，所述纳米探针包括由量子点构成的内核、磁性材料、以及连接在所述内核和磁性材料之间的合成聚合物或生物大分子，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联反应与所述磁性材料连接，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联方法、疏水作用力或范德华力连接于所述内核表面。通过本发明的磁光双功能探针，可以实现肿瘤原位、实时、可视化诊断和荧光指导的手术切除。

Description

一种磁光双模态成像纳米探针及其应用

技术领域

本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种具有磁光双模态成像功能的纳米探针及其应用。

背景技术

癌症是威胁人类生命健康的主要疾病之一。由于受限于放射剂量及肿瘤的多药耐受性，放疗和化疗很难完全剔除体内的肿瘤细胞。对于绝大多数实体瘤而言，手术仍是首选的治疗方法。尽管如此，大量临床病理结果表明，早期肿瘤的发生比较隐蔽找不到明显的病灶区，并且肿瘤呈现侵袭浸润性生长，导致与正常组织的边界模糊, 而且肿瘤周边常常伴有重要的血管、神经等从而给手术中安全、彻底的切除病灶组织带来很大的困难。因此，对肿瘤术前精确定位、术中客观精准界定肿瘤的边界是手术成功的关键。传统的肿瘤活体检测定位的方法包括磁共振、CT、核医学成像（PET/SPECT）和超声等。这些方法各自的特点和局限性，包括成像对象、成像深度、空间分辨率及应用领域等，如MRI成像获取时间长、无法实现实时成像；CT成像原理基于X射线强度衰减，只适用于骨骼等硬组织成像；PET/SPECT成像的空间分辨率低，且受限于放射性示踪剂的半衰期；超声成像的成像深度和灵敏度都不高，并且无法实现特异性成像。并且这些成像方法只能提供术前的肿瘤检测，而不能提供术中实时的生物组织结构及功能信息，手术的成功与否很大程度上依赖于外科医生的主观判断，因此存在比较大的风险。

荧光指导的手术切除是近年来兴起的肿瘤治疗的新途径。基于荧光探针的术中导航，可以大大提高肿瘤及微小病灶的检出率。现有的一些小分子荧光染料如美兰（MB）、吲哚菁绿（ICG）已用于临床手术。尽管如此，现有的这些荧光探针其发射波长位于可见光（450-700 nm）和近红外一区（700-950 nm）。受限于生物组织对该波段光子较强的吸收和散射作用，其组织穿透深度<3 mm，空间分辨率为1-2 mm，并且存在较强的生物组织自发荧光干扰。近期研究表明，活体组织中的脂肪、血红蛋白及皮肤等对近红外二区荧光（1000-1350 nm）具有更低的吸收和散射，几乎没有生物组织自发荧光干扰，因此相比于传统的可见（450-700 nm）和近红外一区（700-950 nm）荧光活体成像，近红外二区荧光成像具有更好的组织穿透深度和更高的空间分辨率，被视为下一代最具发展前景的荧光成像技术。

基于上述研究现状分析，单一成像功能的造影剂在活体成像中存在诸多不足，如何将非组织穿透深度依赖的磁共振成像技术与高灵敏、高时刻分辨率的近红外二区荧光成像技术有机结合，以实现肿瘤术前的活体内肿瘤的精准定位和近红外成像指导的术中导航，仍是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有磁光双模态成像功能的纳米探针及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种磁光双模态成像纳米探针，所述纳米探针包括由量子点构成的内核、磁性材料、以及连接在所述内核和磁性材料之间的合成聚合物或生物大分子，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联反应与所述磁性材料连接，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联方法、疏水作用力或范德华力连接于所述内核表面。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述量子点为近红外量子点，选自Ag₂Se、Ag₂S、InAs、InAs_xP_1-x（0＜x＜1）、InSb、GaSb、FeS₂，以及它们的任意组合。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述磁性材料为Gd螯合物。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述Gd螯合物分子为Gd-DTPA、Gd-DOTA、Gd-DTTA、Gd-HOPO，或它们的任意组合。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述合成聚合物或生物大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、白蛋白，或它们的任意组合。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述量子点的波长为1000~1350nm。

优选的，在上述的磁光双模态成像纳米探针中，所述内核的粒径为1~20nm。

相应地，本申请实施例还公开了一种利用上述磁光双模态成像纳米探针在活体肿瘤成像中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的磁光双模态纳米探针，针对肿瘤血管的异质性和高通透、长滞留效益（EPR效益），普遍适于各类肿瘤组织；

（2）本发明集术前非组织穿透深度依赖的高灵敏磁共振成像和术中高时空分辨率的近红外荧光成像实时指导的优势于一体，弥补单一检测方式的不足，显示出良好的临床转化前景；

（3）本发明与小分子荧光探针相比，所采用的纳米尺度颗粒易于表面功能化修饰，使其具有较好的体内血液循环时间和肿瘤内长时间驻留；

（4）利用本发明的磁光双模态纳米探针，能够实现诊断、手术治疗于一体，为肿瘤的“可视化”诊疗提供重要的理论和技术基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例1中具有磁光双功能成像功能的纳米探针透射电镜照片；

图2所示为本发明具体实施例1中未连接(1)及连接Gd螯合物分子(2)的纳米探针的琼脂糖凝胶电泳照片，其中，a为白光；b为近红外荧光；

图3 所示为本发明具体实施例2中磁光双功能纳米探针的发射光谱；

图4 所示为本发明具体实施例2中磁光双功能纳米探针的在水溶液中的T1-加权磁共振成像图；

图5为小鼠脑部原位接种U87MG神经胶质瘤细胞三周后，按实施例1制备的磁光双功能纳米探针的脑肿瘤磁共振成像图；

图6为小鼠脑部原位接种U87MG神经胶质瘤细胞三周后，按实施例1制备的磁光双功能纳米探针的脑肿瘤近红外荧光成像图。

具体实施方式

本发明利用合成聚合物分子或生物大分子连接近红外量子点和Gd螯合物分子，通过化学交联或疏水作用力共同组装成一个具有磁光双模态成像功能的纳米探针。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：

近红外Ag₂S量子点：表面配体为硫辛酸，平均约5.4 nm。制备方法如下：0.1 mmol的二乙基二硫代氨基甲酸银、10 g十二硫醇混合置于烧瓶中，在N₂气氛中升温至200 ℃保持1 h，最后待溶液自然冷却至室温后，加入50 mL无水乙醇，经离心、洗涤，分散在环己烷中，再加入同等体积的无水乙醇，在超声清洗器中超声4 h, 然后离心，用去离子水洗涤，得到粒径在5nm左右的水溶性Ag₂S量子点。

一磁光双模态纳米探针的制备：由近红外Ag₂S量子点、Gd-DOTA，通过氨基官能化的PEG分子组装而成。其中，Gd-DOTA购自Sigma，氨基官能化修饰的PEG购自Sunbio。其制备方法如下：

（1）化学交联近红外量子点与改性PEG分子：将100 mg表面配体为硫辛酸的近红外Ag₂S量子点和30 mg的氨基官能化修饰的PEG置于圆底烧瓶中，加入10 mL含有75 mM的EDC（1-乙基-3-（3-二甲氨丙基）碳二酰亚胺，购自Sigma）和15mM的NHS（N-羟基琥珀酰亚胺，购自Sigma）混合液，室温搅拌8小时；

将形成的QD-PEG中间体置于分子量为300000超滤管中，以3000-10000转/分钟超滤20分钟，再分散在10 mL生理盐水中。

（2）化学交联组装Gd螯合物分子：将50 mg Gd-DOTA与上步反应的QD-PEG中间体产物置于圆底烧瓶中，加入10 mL含有75 mM的EDC（1-乙基-3-（3-二甲氨丙基）碳二酰亚胺，购自Sigma）和15 mM的NHS（N-羟基琥珀酰亚胺，购自Sigma）混合液，室温搅拌14小时；

将形成的Gd-DOTA-Ag₂S量子点置于分子量为300000超滤管中，以5000-10000转/分钟超滤25分钟，再分散在10 mL 生理盐水中，得到本发明的磁光双功能纳米探针。

结果：具体可参见图1，2，从透射电镜图中可以看出该接有Gd-DOTA分子的近红外量子点尺寸均一，具有好的分散性，琼脂糖凝胶电泳显示连接Gd-DOTA分子后，粒子向负极移动的速度变慢。

磁光双功能纳米探针的活体荧光成像

（1）将人神经胶质瘤细胞（购自中科院上海细胞库），在含10%胎牛血清的1640培养液中，37℃，5% CO₂, 饱和湿度条件下培养。每2-3天传代一次。

（2）将1×10⁶细胞通过脑立体定位于接种于小鼠脑部，待肿瘤长至第21天，通过尾静脉注射实施例1制备的磁光双功能纳米探针（1 mg/mL 200 μL）。

（3）将小鼠分别至于磁共振成像仪及近红外活体成像系统进行观察。

结果：具体可参见图5，6，可以看出脑肿瘤磁共振对比增强成像和近红外活体荧光成像下的小鼠脑部清晰的血管脉络。

实施例2：

近红外Ag₂Se量子点：表面配体为C18-PMH-PEG，平均尺寸3.5 nm。制备方法如下：将0.04 mmol Ag-Oleylamine、7 mL 甲苯、3 mL十二硫醇、7 mL 0.01 mmol/L的 NaHSe 溶液加到50 mL的反应釜中搅拌5 min，然后置于180℃反应1 h。然后用60 mL无水乙醇，经离心、洗涤，分散在氯仿中，然后加入50 mg DSPE-PEG-NH₂ (购自Nanocs)搅拌12 h，最后离心洗涤，分散于水中。

磁光双模态纳米探针的制备：由近红外Ag₂Se量子点、Gd-DTAP通过氨基官能化的PEG分子组装。其中，Gd-DTPA购自Sigma，氨基官能化修饰的PEG购自Sunbio。

其制备方法如下。

（1）化学交联Gd螯合物分子与改性PEG分子：将50 mg Gd-DTAP、100 mg DSPE-PEG-NH₂，加入10 mL含有75 mM的EDC（1-乙基-3-（3-二甲氨丙基）碳二酰亚胺，购自Sigma）和15mM的NHS（N-羟基琥珀酰亚胺，购自Sigma）混合液，室温搅拌8小时；

将形成的Gd-DTAP-PEG中间体置于分子量为300000超滤管中，以5000转/分钟超滤20分钟，再分散在10mL生理盐水中。

（2）通过疏水-疏水作用力组装Gd螯合物分子：在上步反应的Gd-DTAP-PEG中间体产物中加入20 mg近红外Ag₂Se量子点，室温搅拌24小时。将形成的产物置于分子量为300000超滤管中，以8000转/分钟超滤30分钟，再分散在10mL生理盐水中，得到本发明的磁光双功能纳米探针。

结果：具体可参见图3，4，从荧光发射光谱可以看出该接有Gd-DTPA分子的近红外量子点其荧光发射光谱位置为1300 nm，稀释纳米探针的T1-加权磁共振成像显示其较好的弛豫率（r= 4.9 mM^-1s^-1）。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (5)

1.一种磁光双模态成像纳米探针，其特征在于：所述纳米探针包括由量子点构成的内核、磁性材料、以及连接在所述内核和磁性材料之间的合成聚合物或生物大分子，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联反应与所述磁性材料连接，所述合成聚合物或生物大分子通过化学交联方法、疏水作用力或范德华力连接于所述内核表面，其中，所述量子点为近红外量子点，选自Ag₂Se、Ag₂S，以及它们的任意组合，所述量子点的波长为1000～1350nm。

2.根据权利要求1所述的磁光双模态成像纳米探针，其特征在于：所述磁性材料为Gd螯合物分子。

3.根据权利要求2所述的磁光双模态成像纳米探针，其特征在于：所述Gd螯合物分子为Gd-DTPA、Gd-DOTA、Gd-DTTA、Gd-HOPO，或它们的任意组合。

4.根据权利要求1所述的磁光双模态成像纳米探针，其特征在于：所述合成聚合物或生物大分子为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、白蛋白，或它们的任意组合。

5.根据权利要求1所述的磁光双模态成像纳米探针，其特征在于：所述内核的粒径为1～20nm。