CN113015482A - 用于治疗、成像和治疗诊断应用的较小高度均匀的纳米药物组合物 - Google Patents

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斯科特·D·斯旺森
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Abstract

一种能够同时用作光动力疗法的治疗平台以及不含重金属原子的MR分子成像剂的可靶向纳米构建体。包含8PEGA‑Ce6NC的F3‑cys靶向剂纳米构建体。一种无标记的8PEGA纳米构建体，其可以使用具有较大扩散磁场梯度的标准自旋回波成像序列通过MRI直接和选择性地成像，以抑制水信号。

Description

用于治疗、成像和治疗诊断应用的较小高度均匀的纳米药物 组合物
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(E)(1)要求于2018年9月13日提交的美国临时申请序列号62/730,882的申请日期的优先权和权益，所述美国临时申请的全部公开内容通过引用并入本文。
政府利益声明
本发明是在国立卫生研究院(National Institutes of Health)授予的CA186769下由政府支持进行的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及纳米构建体以及这些构建体在动态疗法、成像、诊断、治疗诊断和其它应用中的用途。
除非另有说明，否则术语“纳米颗粒”、“纳米材料”、“纳米颗粒”、“纳米产品”、“纳米平台”、“纳米构建体”、“纳米复合材料”、“纳米”和类似的此类术语将被赋予其尽可能广泛的含义，并且包含具有一定体积形状的颗粒、材料和组合物，所述体积形状的至少一个尺寸为约1纳米(nm)到约100nm。优选地，在实施例中，这些体积形状的最大横截面为约1nm到约100nm。
除非另有说明，否则术语“纳米构建体”、“纳米平台”、“纳米复合材料”和“纳米构建体”以及类似的此类术语将被赋予其尽可能广泛的含义，并且包含具有骨架材料(例如，支架、支撑物或基质材料)以及与骨架缔合的一种或多种添加剂(例如，药剂、部分、组合物、生物制剂和分子)的颗粒。通常，骨架材料可以是纳米颗粒。通常，添加剂是具有靶向、治疗、成像、诊断、治疗诊断或其它能力以及这些能力的组合和变化的活性材料。在实施例中，骨架材料可以是具有靶向、治疗、成像、诊断、治疗诊断或其它能力以及这些能力的组合和变化的活性材料。在实施例中，添加剂和骨架材料均为活性材料。设想了一种、两种、三种或更多种不同类型的骨架材料、添加剂以及这些的组合和变化。
除非另有说明，否则术语“治疗诊断”将被赋予其尽可能广泛的含义，并且包含具有多种能力和功能的颗粒、药剂、构建体或材料，所述多种能力和功能包含成像和治疗能力、诊断和治疗能力以及这些能力和功能以及其它特征(如靶向)的组合和变化。
除非另有说明，否则术语“成像”、“成像剂”、“成像设备”和类似的此类术语应被赋予其尽可能广泛的含义，并且将包含增强、提供或实现检测、分析和显现结构并且具体地动物、哺乳动物和人类中的结构的尺寸、形状、位置、组成和这些的组合和变化以及其它特征的能力的设备、药剂和材料。成像剂将包含造影剂、管芯和类似类型的材料。成像设备和方法的实例包含：X射线；磁共振；计算机轴向断层扫描(CAT扫描)；质子发射断层扫描(PET扫描)；超声；荧光；以及光声。
除非另有说明，否则术语“诊断”将被赋予其尽可能广泛的含义，并且将包含对病状、疾病和两者(包含动物、哺乳动物和人类的病状和疾病)进行鉴定、测定、定义以及这些的组合和变化。
除非另有说明，否则术语“治疗性”和“疗法”以及类似的此类术语将被赋予其尽可能广泛的含义，并且将包含对病状和疾病(包含动物、哺乳动物和人类的病状和疾病)进行解决、治疗、管理、缓解、治愈、预防以及这些的组合和变化。
除非另有明确说明，否则术语“光动力疗法”、“PDT”、“光敏剂”、“PS”和类似的此类术语将被赋予其尽可能广泛的含义，并且将包含用于通过利用光敏剂(PS)分子进行光氧化来消融(例如，杀死)生物组织的方法。当光敏剂暴露于特定波长的光时，其会产生杀死附近细胞的一种形式的氧，例如活性氧类(“ROS”)，所述氧包含对细胞具有细胞毒性的任何形式的氧。可以理解，虽然跨所有波长的光(例如，UV到可见光到IR)通常被用作PS的活化剂。
术语“活化动力疗法”、“动力疗法”、“动力治疗剂”和类似的此类术语应被赋予其尽可能广泛的含义，并且将包含PDT和PS以及触发产生活性氧类的药剂，如当暴露于光以外的其它能量时可以用作活化剂的活性氧类(ROS)或其它活性治疗材料。这些将包含通过如无线电波、其它电磁辐射、磁性和声波(例如，声动力疗法或SDT)等能量活化的材料或物质。
如本文所使用的，除非另有说明，否则室温为25℃。并且，标准环境温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有测试、测试结果、物理性质以及温度相关、压力相关或两者都相关的值均在标准环境温度和压力下提供，这将包含粘度。
通常，除非另有说明，否则本文所用的术语“约”和符号
Figure BDA0003061673880000021
意指涵盖±10％的方差或范围、与获得所述值相关的实验或仪器误差，以及优选地这些中较大者。
如本文所使用的，除非另有说明，否则本文中对值的范围的叙述仅旨在充当一种单独指代落入所述范围内的每个单独的值的简化方法。除非本文另外指明，否则将范围内的每个单独的值并入本说明书中，就如同其在本文中单独叙述一样。
此发明背景章节旨在介绍可能与本发明的实施例相关联的本领域的各个方面。因此，本节中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。
发明内容
对解决动物、哺乳动物和人类病状的新的和创新的药物、医疗产品和成像剂的需求长期未得到满足。具体地，这种长期且未满足的需求存在于癌症诊断和治疗、哺乳动物和人类的其它病状以及MRI成像剂中重金属的使用中。
本发明除了其它方面通过提供本文所教导、公开和要求保护的组合物、材料、制品、装置、方法和工艺解决了这些需求。
提供了一种具有治疗、成像、诊断或治疗诊断应用的组合物，所述组合物具有：多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括骨架材料；活性剂，所述活性剂附接到所述骨架；并且，其中，所述多个纳米颗粒具有由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义的预定粒度分布。
此外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中n是在约5nm到约25nm的范围内的数字；其中n是在7nm到22nm的范围内的数字；其中n是在约10nm到约20nm的范围内的数字；其中n是在约11nm到约15nm的范围内的数字；其中所述活性剂是光敏剂；其中所述活性剂是光声剂；其中所述活性剂是声敏剂；具有第二活性剂；具有第二活性剂，其中所述第二活性剂不同于所述活性剂；其中所述活性剂选自由以下组成的组：亚甲蓝、二氢卟吩e6(Ce6)、考马斯蓝和金；其中所述活性剂是四吡咯；其中所述活性剂选自由以下组成的组：卟啉、二氢卟吩、酞菁和菌绿素；其中所述活性剂选自由以下组成的组：HPPH、TOOKAD、LUZ 11和BC19卟啉；其中所述活性剂选自由以下组成的组：吩噻嗪盐、苯并吩噻嗪盐、卤代氧杂蒽、方酸；其中所述活性剂选自由以下组成的染料组：亚甲蓝、甲苯胺蓝O、PP9004、EtNBS、孟加拉玫瑰红、ASQI、锌(II)二甲基吡啶胺二碘-BODIPY和BIMPy-BODIPY；其中所述活性剂是过渡金属配位化合物；其中所述活性剂是过渡金属配位化合物，其具有选自由钌、铑、铂、金和铱、锌、铜和钯组成的组的金属；其中所述纳米颗粒是8PEGA；其中所述纳米颗粒是BiPEG；其中所述纳米颗粒包括靶向剂；其中所述纳米颗粒包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys；并且，其中所述纳米颗粒是8PEGA，其中所述活性剂是Ce6，并且其中所述纳米颗粒包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys。
进一步地，提供了一种具有治疗、成像、诊断和治疗诊断应用的组合物，所述组合物具有：多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括由PEG组成的骨架材料；活性剂，所述活性剂附接到所述骨架，由此定义多个纳米构建体；其中，所述多个纳米构建体具有由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义的较窄粒度分布；并且，其中所述多个纳米构建体能够执行治疗、成像、诊断和治疗诊断应用。
仍另外，提供了一种用于破坏肿瘤细胞的组合物，所述组合物具有：赋形剂，所述赋形剂具有多个纳米颗粒；光敏剂，所述光敏剂与所述赋形剂缔合；其中，所述赋形剂具有基本上由PEG组成的骨架；并且，其中所述赋形剂具有由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义的粒度分布。
此外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中，n是在约5nm到约25nm的范围内的数字，其中所述纳米颗粒是8PEGA，并且其中所述活性剂是Ce6；具有靶向剂；并且，其中所述靶向剂是F3-cys。
更进一步地，提供了一种获得用于指导治疗应用的数据的方法，所述方法具有以下步骤：向受试者施用具有多个纳米颗粒的成像剂；所述纳米颗粒不含重金属；以及，在施用所述成像剂后对所述受试者执行核磁共振扫描；其中所述纳米颗粒直接成像；由此提供所述纳米颗粒的MRI以及与所述纳米颗粒和所述受试者有关的数据。
进一步地，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述纳米颗粒包括PEG；其中所述纳米颗粒包括8PEGA；其中所述纳米颗粒定义治疗性纳米构建体；其中所述纳米颗粒定义PDT纳米构建体；其中所述数据鉴定肿瘤的形状和位置；至少部分地进一步使用所述数据来提供PDT；至少部分地进一步使用所述数据来提供PDT；以及在提供所述PDT之后获得所述纳米颗粒的MRI；将所述数据进一步提供到PDT系统；以及，将所述数据进一步提供到病历。
仍另外，提供了一种提供PDT的方法，所述方法具有：从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；并且，至少部分地使用所述数据来提供PDT；其中所述纳米颗粒基本上不含重金属。
另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的重金属；其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的重金属；其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的重金属；其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的重金属。
此外，提供了一种提供PDT的方法，所述方法具有：从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；并且，至少部分地使用所述数据来提供PDT；其中所述纳米颗粒基本上不含钆。
更进一步地，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的重金属；其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆；其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的钆；其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的钆；其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的钆。
此外，提供了一种获得用于指导治疗应用的数据的方法，所述方法具有：向受试者施用具有多个纳米颗粒的成像剂；所述纳米颗粒基本上不含钆；以及，在施用所述成像剂后对所述受试者执行核磁共振扫描；其中所述纳米颗粒直接成像；由此提供所述纳米颗粒的MRI以及与所述纳米颗粒和所述受试者有关的数据。
此外，提供了一种开发PDT的方法，所述方法具有：从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；并且，至少部分地使用所述数据来开发PDT；其中所述纳米颗粒基本上不含重金属。
仍另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中对所述PDT的开发具有对光敏剂的评估；其中对所述PDT的开发具有对靶向剂的评估；其中对所述PDT的开发具有对纳米构建体的评估；其中所述数据具有纳米颗粒的直接NMR图像；并且，其中所述受试者选自由动物、哺乳动物和人类组成的组。
此外，提供了一种开发疗法的方法，所述方法具有：从纳米颗粒的MRI获得数据；并且，至少部分地使用所述数据来开发疗法；其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
仍另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述疗法的开发具有选自由以下组成的组的评估：药物开发、癌症治疗进展、心脏病状发展、遗传物质分析、反应途径分析和药理学；其中所述纳米颗粒在体内成像；并且，其中所述纳米颗粒在体外成像。
此外，提供了一种开发材料的方法，所述方法包含：从纳米颗粒的MRI获得数据；以及，至少部分地使用所述数据来开发材料；其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
进一步地，提供了一种评估受试者的方法，所述方法包含：从纳米颗粒的MRI获得数据；以及，至少部分地使用所述数据来评估受试者；其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
仍另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述受试者选自由材料、药物、工艺、反应途径和制造方法组成的组。
进一步地，提供了一种核磁共振成像剂，所述成像剂具有：多个纳米颗粒，所述纳米颗粒基本上不含重金属；具有PEG的纳米颗粒；其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像。
此外，提供了一种核磁共振成像剂，所述成像剂具有：多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒具有PEG；其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的静态、梯度和射频(RF)磁场直接成像，并且由此产生所述纳米颗粒的图像；并且，并且，其中所述成像剂基本上不含重金属。
仍进一步地，提供了一种核磁共振成像剂，所述成像剂具有：多个纳米颗粒，所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆；具有PEG的纳米颗粒；其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像。
更进一步地，提供了一种核磁共振成像剂，所述成像剂具有：多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒具有PEG；其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像，并且由此产生所述纳米颗粒的图像；并且，其中所述成像剂具有小于1ppm的钆。
仍另外，提供了一种具有纳米颗粒的成像剂，所述纳米颗粒能够通过磁共振成像装置中的磁场直接成像，所述纳米颗粒具有：纳米构建体，所述纳米构建体具有骨架材料，其中所述骨架材料是非顺磁性的；并且，所述纳米构建体能够通过磁场直接成像。
仍另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述纳米构建体具有约3,600个质子；并且，其中所述纳米构建体小于25nm；其中所述纳米构建体具有光敏剂；其中所述纳米构建体具有靶向剂；其中所述纳米构建体具有靶向剂和成像剂；并且其中所述纳米构建体是亲肿瘤的。
更进一步地，提供了一种在MRI中执行疗法同时直接获得这些成像剂或这些纳米颗粒中的至少一个的图像的方法。
仍另外，提供了这些纳米构建体、纳米颗粒、药剂、组合物、方法和装置，其具有以下特征中的一个或多个：其中所述疗法包括手术；并且其中所述疗法包括PDT。
在实施例中，通过使用常规的MR脉冲序列来完成具有PEG的纳米颗粒的MRI成像，其中添加了成分以选择性地显现纳米颗粒MRI信号并抑制由水或脂肪引起的其它质子信号。这些序列包含但不限于自旋回波成像方法、梯度回波成像方法、受激回波成像方法、回波平面成像(EPI)方法、螺旋成像方法、反投影成像方法和化学位移成像(CSI)或基于体素的光谱方法。
在实施例中，对其它单项进行了滤出。为了将PEG纳米颗粒信号与其它质子信号隔离，某些滤波组件将被添加到所选的脉冲序列中。这些MRI信号滤波方法包含但不限于：磁场梯度b值大于1,000s/mm2以优先减少组织水MRI信号的脉冲序列、使用射频(RF)脂肪抑制或T1脂肪抑制的常规脂肪抑制方案、具有足够长的TE时间以利用PEG质子长T2时间并减少组织水和组织脂肪信号的脉冲序列、基于或使用PEG质子的特定化学位移的脉冲序列、如前所述利用脂肪抑制和水抑制并且然后使用Dixon型成像序列产生单独的水和PEG质子图像的脉冲序列、使用磁化转移(MT)进一步抑制组织中的水而不抑制PEG质子的脉冲序列、在水、脂肪和PEG质子的特定化学位移下产生低分辨率的1D、2D或3D质子图像的CSI脉冲序列、采用水和脂肪抑制方法产生体素核NMR谱的单体素或多体素局部光谱脉冲序列。
附图说明
图1是示出Ce6递送和ROS产生功效的实施例的结构表示的差异的图示(未按比例绘制)，其中左侧图示示出了Ce6如何单独产生ROS，而右侧图示示出了根据本发明的封装的Ce6的实施例与锚定到8PEGA的实施例。ROS移动方式的这种差异示出了功效明显增加。
图2是示出通过ADPA荧光猝灭跟踪的封装在PAAm NP中的Ce6的随时间变化的k值曲线的实施例的图示。在PBS中，660nm OD＝0.12；曲线的斜率是k值。
图3A是根据本发明的用F3-cys肽修饰8PEGA-Ce6的实施例的图示。
图3B是根据本发明的0.1mg/m下的PBS中的8PEGA-Ce6和F3-8PEGA-Ce6的UV/VIS光谱的实施例的图示。
图4是血细胞计数细胞群体结果的实施例的图。温育条件：200ug/mL F3-8PEGA-Ce6在接种了200,000个细胞的孔中放置24小时；对照组和测试组的N＝3x3(每组3个板，每个测试3次)。在相同条件下，细胞对照组不含F3-8PEGA-Ce6纳米构建体。结果示出了根据本发明的几乎相同的细胞群体。
图5A到5E是HeLa 229细胞的PDT测试图像的照片。图5A)PDT对照细胞的钙黄绿素AM荧光(无F3-8PEGA-Ce6)。图5B)照射后2小时PDT对照细胞的钙黄绿素AM荧光。图5C)PDT之前测试细胞(具有F3-8PEGA-Ce6)的钙黄绿素AM荧光。图5D)PDT后2小时测试细胞的钙黄绿素AM荧光。图5E)PDT后2小时的荧光。在PDT之前，将PDT测试板与200ug/mL F3-8PEGA-Ce6一起温育2小时，并使用692+/-20nm滤光片和弧光灯以50mW/cm2的总通量将所有细胞照射10分钟。根据本发明。
图6是以b＝108s/m2(A)和b＝1010s/m2(B)获得的8PEGA的实施例的扩散加权自旋回波MR图像的图像。如(A)所示，110M水质子信号在常规MR图像中占主导，但在b＝1010s/m2下成像时被抑制了10-10倍。8PEGA的扩散常数通过25℃下的受激回波脉冲场梯度NMR被测量为3.572 10-11m2/s，从而允许70％的初始磁化在b＝1010s/m2下得以保留。(B)中的色条示出了根据本发明的检测到的8PEGA的浓度。
图7是8PEGA的实施例的浓度相关的MRI信号的图。为5个小瓶中的每一个选择关注区域(ROI)，并计算信号的平均值(圆圈)和标准偏差(误差线)。根据本发明，用线性方程对5个测量的小瓶进行拟合，并且结果以虚线示出。
图8是展示根据本发明的纳米复合材料的实施例的粒度分布的图。
图9是展示根据本发明的PDT的实施例的示意图。
图10是展示根据本发明的8-臂-PEG-胺(8PEGA)的示例实施例的图。
图11-18是示出根据本发明的实施例的性能和性质的图。
图19是示出根据本发明的在等于8PEGA-Ce6实验中所使用的OD下的PAAm-Ce6 NP的K值曲线的实施例的图。
图20是根据本发明的8PEGA上的Ce6的实施例的光谱，展示了在有或没有靶向的情况下将Ce6添加到8PEGA不会引起聚集，荧光得以保持，并且其仍然会产生ROS。
图21是示出来自8PEGA的信号随着所应用的梯度(b值)而变化的图的实施例；根据本发明，斜率给出了扩散常数D。
图22是示出在肌细胞中选择性摄取CTP靶向的8PEGA-Ce6的图像。Ce6荧光仅存在于肌细胞中。
图23是根据本发明的8PEGA的实施例的TEM。8PEGA是一种水凝胶并且TEM使用真空进行测量，因此，格栅在仍然湿润的情况下被插入，其中某些8PEGA由于板上的表面张力可能会在水合确认中保留。平均范围为约10-12nm。
图24是示出根据本发明的具有靶向8PEGANP的PDT的实施例不会引起脉管系统损伤的图像。PI荧光仅来自肌细胞。
图25是示出根据本发明的具有Ce6的非靶向PDT的实施例的图像。PI荧光不再局限于肌细胞并且出现在冠状血管细胞中，这表明脉管系统受损。
图26是根据本发明的MRI和使用MRI的方法的实施例的透视示意图。
具体实施方式
通常，本发明涉及纳米构建体、制造这些纳米构建体的方法以及这些纳米构建体的治疗、成像、诊断、治疗诊断和其它应用。
通常，在实施例中，纳米构建体(NC)能够同时用作治疗平台以及成像剂。这些纳米构建体还可以具有提供其它能力的其它活性成分，例如用于选择特定细胞类型、特定结构的靶向剂，或者具有特定的膜相关性质，如细胞膜渗透性。
通常，优选实施例是具有许多期望的治疗、成像、诊断、治疗诊断性质以及这些性质的组合和变化的多功能、超小型纳米平台。与单独的光敏剂和其它PDT纳米构建体相比，此优选实施例具有优异的光动力功效。在使用中，此优选纳米构建体在将其应用于癌细胞时具有优异的光动力功效。除了其优异的功效外，此NC是无毒的，并且是MRI的分子成像剂。
8臂聚乙二醇胺(8PEGA)是一种能够进行多种修饰的生物相容性聚合物。通常，胺基可以用于在光动力疗法(PDT)中共价锚定一系列光敏剂(PS)。另外，在实施例中，然后可以将聚合物的其它臂转化为马来酰亚胺基团，从而允许各种以半胱氨酸为末端的肽的附接。例如，肽可以附接有额外的氨基酸(半胱氨酸)以获得游离硫醇，然后利用所述游离硫醇。在这样的实施例中，存在肽+1氨基酸，其中肽的功能得以保留。8PEGA作为NC的实施例可以灵活地定制，以在许多生物环境中靶向和应用PDT，所述生物环境如癌症、心律失常和脉络膜新生血管形成，举几个为例。8PEGA对于MRI也具有较长的T2寿命，并且例如通过高b值下的常规扩散加权成像(DWI)在体内用作成像剂，其中水信号可以通过多种方法的组合被充分抑制，以产生干净、直接的图像。
本发明的NC、系统和方法相对于先前的治疗、成像系统、先前的纳米颗粒(NP)和治疗提供了许多改进。这些改进包含例如：经优化的活性氧类(ROS)产生；允许穿透任何期望的生物区域的较小尺寸；实现各种生物系统靶向和NC积累的易修改性；由于8PEGA的小尺寸和可生物降解性而增加的生物消除率；以及与传统方法相比改进的DWI。
在用作NMR成像或造影剂的实施例中，在NC的实施例中，通常在DWI中使用108与109s/m2之间的b值，但是8PEGA的较长T2寿命和较高MW(40kDa)允许使用高达b＝1010s/m2，从而充分抑制水/脂肪信号，仅留下8PEGA。另外，对于MRI，将允许在DWI中使用8PEGA，而无需一直引起安全隐患的重金属原子。
可以将这些纳米构建体配制成药物递送系统，如用于：直接递送到血流中，例如，预包装的IV调配物或一次性预包装的注射器；摄入，如丸剂、片剂或液体；吸入，如通过定量吸入器或雾化器；局部使用，如用于经皮递送或在体内施用的软膏或液体，作为吹入气体的一部分。这些药物递送系统可以具有一个、两个、三个或更多个不同的纳米构建体，每种纳米构建体都是专门设计的或专用的。这些药物递送系统还可以含有其它添加剂和活性剂，所述其它添加剂和活性剂不是纳米构建体，并且充当例如另外的成像剂和治疗剂。
通常，添加剂可以通过以下方式与纳米构建体骨架(例如，纳米颗粒)缔合：化学键(例如，共价键、离子键、范德华键(Van der Waals))；空间或机械方式，如通过骨架内或骨架的空间阻碍或物理捕获；其可以是构成骨架材料的分子结构的一部分；以及这些的组合和变化。可以在纳米颗粒形成之前、纳米颗粒形成期间、纳米颗粒形成之后以及这些的组合和变化时添加添加剂。
许多成像染料或药剂以及其它诊断工具已经使用了可能被视为不理想的材料，尤其是用于人类的材料。这些染料和药剂可以是基于金属的，并且使用或含有金属、金属氧化物或金属化合物或复合物，如铁、铁-铂、镁和锰。MRI成像剂使用基于钆的材料。
不含重金属的本发明纳米构建体的实施例(例如，纳米构建体、用于纳米构建体的药物递送系统或两者)含有小于约10ppm的重金属、小于约1ppm的重金属和小于约0.1ppm的重金属以及零重金属。重金属将包含钛和所有较重金属。这些不含重金属的纳米构建体能够充当成像剂和诊断剂。这些成像纳米构建体的实施例提供了一种MRI成像剂，所述成像剂不含钆，例如，具有小于0.1ppm并且优选地具有零钆。不含重金属的NP、NC、药物递送系统以及这些的组合和变化能够通过MRI直接成像，并且因此充当直接MRI成像剂、诊断剂和两者。
可靶向NC的实施例能够同时用作光动力疗法(PDT)的治疗平台以及MR分子成像剂。在实施例中，此纳米构建体不含重金属原子，特别是钆。
在实施例中，当使用靶向肽对心肌细胞进行细胞特异性破坏时，具有附接的二氢卟吩e6(Ce6)PS和CTP-cys(心脏靶向肽)靶向部分的超小型8臂聚乙二醇胺(8PEGA)NC分别在体内和离体在活体大鼠和绵羊心脏上对心脏心律失常的PDT产生治疗结果。此NC是章鱼样的、超紧凑且具有高度生物相容性的聚合物8臂聚乙二醇胺(8PEGA)。以胺为末端的臂锚定了藻类衍生的PS、二氢卟吩e6(Ce6)和心肌细胞的靶向部分。此纳米构建体可以用作MRI成像剂，也可以用作心脏病状以及其它病状的MRI诊断治疗剂。
在实施例中，此纳米构建体可以被配置成使得其为癌症提供PDT。出于此目的，靶向肽可以是F3-cys。与传统的Ce6封装的聚丙烯酰胺(PAAm)NC相比，8PEGA-Ce6 NC具有优异的活性氧类(ROS)产量。当与PAAm NC相比时，除了其它方面并且在一些应用中，这为8PEGANC提供了PDT的优势。
通过8PEGA-Ce6 NC证明的优异的活性氧类是单线态氧，因为Ce6产生单线态氧。与ROS可能并不总是逃脱NC基质的NP封装相比，所述产生被定义为是优异的，使得通过在细胞中更广泛地使用，可以有效地将更多所生产的产品用于氧化应激。另外，像8PEGA或PAA的NC充当防止PS聚集的有效工具，游离PS可能会产生所述聚集，并且因此由于激发态的猝灭而降低了产量。在进行此比较时，优选在相同的光密度下比较Ce6-8PEGA和Ce6-PAA的k值。
8PEGA-Ce6 NC也具有细胞相容性，并为附接多种靶向肽提供了化学灵活性。最后，此无标记的8PEGA NC可以使用具有较大扩散磁场梯度的标准自旋回波成像序列通过MRI直接且选择性地成像，以抑制水信号。值得注意的是，由于其超小尺寸，此NC已改善了体内渗透和生物清除作用。
通常，从理论上讲，任何肽都可以附接到PEG纳米颗粒，并且据信，以半胱氨酸为末端的所有肽都可以附接到8PEGA。F3-cys肽是特定的癌症靶向肽。在实施例中，其用于将8PEGA-Ce6应用于癌症。由于其强健的特性和已知的核仁蛋白(F3-cys肽的特异性靶)过表达，HeLa细胞被选为关注的模型系统。除了8PEGA的小尺寸、均匀性和生物相容性的优势外，本发明还开发了其它优势，这些优势包含：使用给定的PS优化ROS产生，并用作MRI的分子成像剂。从理论上讲，与将其封装在标准模型基质内(如聚丙烯酰胺水凝胶纳米颗粒中(PAAmNP))相比，由于例如PS Ce6与含氧环境直接接触，因此预期此NC的ROS产生达到最佳。通过这种方式，在实施例中，提供了比现有的NC具有增加的ROS产生功效、生物相容性和靶向灵活性的纳米构建体。
在本发明的实施例中，基于8PEGA的纳米颗粒和纳米构建体被用作MRI成像剂，用于成像应用、诊断应用、治疗诊断应用以及这些的组合和变化。这些8PEGA MRI成像剂可以与其它治疗剂、成像剂或造影剂和应用结合使用。从理论上讲，8PEGA基团的实施例的高分子量(例如，40kDa)、柔性链动力学和其特定结构部分地为本发明的高选择性分子成像MRI剂创造了有利条件。进一步地，8PEGA的缓慢扩散常数和横向自旋弛豫率组合，允许抑制周围水信号的扩散加权MRI序列，从而提供8PEGA的清晰图像。在本发明的8PEGA MRI成像剂和8PEGA MRI成像应用的实施例中，对8PEGA MR信号进行选择性检测并与其浓度成比例。8PEGAMRI成像剂和应用优于当前的MRI成像剂和应用，因为除了其它方面，与当前的重金属原子MRI成像剂相比，其具有优异的生物相容性。进一步地，8PEGA MRI成像剂还是治疗诊断剂或具有治疗诊断能力，与当前的MRI成像剂和应用相比具有额外的功能和优势。
图1呈现了两种竞争纳米构建体，比较了当Ce6附接到8PEGA时与封装在聚丙烯酰胺(PAAm)中时的ROS产生。图1示出了当Ce6 102暴露于波长为660nm的光时从分子氧(3O2)的三重基态101产生ROS 100激发单重态(1O2)100。将Ce6 102封装在PAAm NC(Ce6/PAAm NP)105内时ROS 100的产生以及ROS的路径与Ce6102是8PEGA NC(8PEGA-Ce6)106的一部分时的ROS 100的产生进行比较。
图2是PAAm封装的Ce6的相对ROS产生的“k值”曲线的实施例的图。k值是Ce6产生ROS的动力学速率的量度，如通过ADPA荧光的一阶衰减测量的。为了产生可比较的k值，通过UV/VIS将PAAm-Ce6 NP的光密度(OD)调整为660nm下的8PEGA-Ce6的OD(0.12)。表1示出了当对其文献OD进行归一化时两个NC的相对结果。
表1
Figure BDA0003061673880000121
表1：OD＝0.12时两个所讨论的NC的660nm的k值。
NC 8PEGA的直径也通过斯托克斯-爱因斯坦(Stokes-Einstein)近似和TEM进行计算，如图23所示。
图3A示出了作为靶向NC的F3-8PEGA-Ce6缀合物301和作为非靶向NC的8PEGA-Ce6缀合物302的吸收光谱。两个NC均保留了660nm处的特征峰。
图3B提供了示出用F3-cys对8PEGA-Ce6进行化学修饰的图示。因此，用BiPEG(例如，313)对具有8PEGA 311和Ce6 312的NC 310进行修饰以提供NC 310a，然后用F3-cys(例如，314)对其进行修饰以提供靶向NC 310b。
采用流式细胞术作为测试此F3-cys-8PEGA-Ce6 NC的生物相容性以测试暗毒性的方法。以200ug/mL F3-8PEGA-Ce6的浓度测试细胞；对照细胞表示未添加F3-8PEGA-Ce6 NC的数据组。从图4可以看出，未观察到显著毒性。
作为消除激发光引起简单细胞应激的可能性的对照测试，将不含F3-8PEGA-Ce6的HeLa细胞进行铺板，并以与用于NC处理细胞的PDT相同的时间长度和功率(50mW/cm2，10分钟)进行照射。照射后(如图5A、B所示)，细胞形态无显著变化，胞质染色钙黄绿素AM荧光计数无变化，并且没有质膜出泡迹象(细胞凋亡的标志)。
在用F3-8PEGA-Ce6对细胞进行光照射之后，在钙黄绿素AM荧光中观察到显著的差异(如图5C、D所示)。虽然在照射之前没有可观察到的碘化丙啶(PI)荧光(数据未示出)，但是在照射之后，可以看到细胞膜不可渗透的PI对细胞核进行染色(如图5E所示)。
在25℃和35℃下测量了8PEGA的平移扩散常数D和弛豫时间T1和T2(如表2、图21所示)。收集8PEGA(未经修饰的)溶液中的图像，以证明当水/脂肪被抑制时(如图6所示)清晰图像的产生和其浓度依赖性响应(如图7所示)。因此，图6的图像601示出了以b＝108s/m2获得的8PEGA，并且图像602示出了以b＝1010s/m2获得的8PEGA。如图像601所示，110M水质子信号在常规MR图像中占主导；但是通过在b＝1010s/m2下成像而被抑制了10-10倍。条603与图像602中检测到的8PEGA浓度相关。可以看出此响应与浓度呈线性关系(如图7所示)，与用水抑制技术收集的图像一致(如图6B所示)。在H2O中，被测浓度为0、2.38、4.77、9.54和19.08mg/mL8PEGA。另外，采用斯托克斯-爱因斯坦方程：
r＝kT/6πηDtrans
来计算8PEGA的尺寸以验证TEM结果；直径在35℃下计算为10.96nm，与在13个经测量的NC中发现的约10-12nm的范围一致(如图23所示)。
表2
Figure BDA0003061673880000131
表2.在16.4T下测量的8PEGA在25℃和35℃下的弛豫时间和平移扩散常数。样品是含5mg/ml L8PEGA的25/75(V/V)H2O/D2O。
与水凝胶NP相比，Ce6-8PEGA是更高效的ROS产生平台，除了其它方面之外，这基于在8PEGA中，Ce6基团与细胞的氧化环境直接接触。图1中展示了此构型。因此，氧不需要扩散到包封PS 102的PAAm NP基质105中，并且ROS 101不需要扩散出去，也不会由于与基质的反应而遭受损失。k值测试通过示出当调整到相同的OD时Ce6-8PEGA的k值比Ce6包封的PAAmNP的值大约50％来证实了这一特征(表1)。
由于8PEGA是星形聚合物，因此期望通过假设球形材料形状的斯托克斯-爱因斯坦方程来测量其尺寸。在测量平移扩散系数D(表21、表2)之后，发现在35℃下聚合物的大小为约11nm。作为次级分析方法，将8PEGA用乙酸铀酰染色并用TEM进行可视化(如图23所示)。发现圆2301(13.1nm)、2302(11.3nm)、2303(10.4nm)、2304(12.5nm)、2305(10.8nm)、2306(12.2nm)、2307(10.1nm)、2308(11.5nm)、2309(11.9nm)、2310(10.8nm)、2311(10.9nm)、2312(11.6nm)、2313(12.5nm)内的13个选定点的大小为大约10-12nm，与斯托克斯-爱因斯坦方程测量结果非常一致。
与PEG化纳米颗粒的表面不同，在本发明的实施例中，纳米颗粒骨架本身主要由PEG制成，例如至少约85％的PEG、至少90％的PEG、至少95％的PEG、至少99％的PEG、至少99.9％的PEG并且优选地100％的PEG。因此，靶向载体不仅有助于体内应用，甚至有助于加速体外细胞摄取。例如，对于癌症靶向，选择将核仁蛋白靶向肽F3-cys移植到8PEGA-Ce6上。值得注意的是，在F3-cys附接后，Ce6光谱特征在很大程度上不受影响，如图3B所示，这指示当切换肽时(从用于靶向心肌细胞的CTP到用于靶向癌细胞的F3)保留了光物理性质。与修饰前后相比，注意到Ce6吸收稍微降低了0.1mg/mL，但这是意料之中的，因为BiPEG和F3-cys将增加NC的MW。BiPEG是2臂双功能PEG(例如，2kDa)。BiPEG的实施例可以在一端具有NHS酯，而在另一端具有马来酰亚胺。在实施例中，这起到将胺转化为要附接的肽的马来酰亚胺的作用。
本发明NC的实施例的重要方面是其生物相容性。在实施例中，整体构建由PEG、Ce6和归巢肽F3-cys构成。PEG是具有高度生物相容性的物质，并且F3-cys是良好的靶向剂，其在体外或体内均无毒性作用。藻类衍生的Ce6是PDT药剂的实例。具有这三个部分的NC的实施例不存在明显的生物相容性问题，例如，NC是生物相容的。这通过如图4所示的血细胞计数结果在体外证实。
在用F3-8PEGA-Ce6开始PDT测试之前，测试了所选的激光条件(50mW/cm2持续10分钟)，以确保照射不是明显细胞应激的来源。照射之前(如图5A所示)和之后(如图5B所示)的钙黄绿素AM图像展现出形态变化很小并且没有凋亡迹象。因此，光照射源不会对细胞造成很大的应激。然后在浓度为200ug/mL的F3-8PEGA-Ce6存在下开始PDT(如图5C/D/E所示)。PDT后钙黄绿素AM荧光显著减少，这指示胞浆含量损失，这种情况仅在细胞膜破裂的情况下才会发生。通过用细胞不可渗透的染料PI对细胞核进行染色来示出膜的破裂(如图5E所示)。将PDT测试结果与图4中的细胞相容性相结合，显然细胞的死亡是PDT介导的。
除了更高效的PDT(k值大50％)之外，据信使用8PEGA NC、疗法和治疗诊断学还具有许多另外的优势，包含例如：(1)NC的较小尺寸提供了从体内快速清除肾脏的可能性，这是较大的NP无法提供的特征；以及(2)穿透尚未发生血管生成的肿瘤区域的能力，这与传统的较大的NP需要多孔/渗漏的脉管系统才能穿透肿瘤相反。
在本发明之前，据信PEG需要被13C标记，然后才能使用异核MR方法在体内选择性成像。本发明的PEG NP和NC的实施例表现出作为NMR、MRI、成像剂、造影剂以及这些的组合和变化的惊人能力。在PEG实施例中，除此以外，聚氧化乙烯链的固有灵活性和8PEGA的缓慢平移扩散为使用1HNMR对8PEGA质子进行选择性MR成像创造了一组可利用的物理和动态条件。具体地，相关时间大约为0.1纳秒的8PEGA的快速链运动提供了质子偶极-偶极相互作用的充分平均，以产生长的核自旋横向弛豫时间T2，在25℃和35℃下在此处分别测量为586和769毫秒。与快速的内部链动力学相反，分子的高分子量产生的平移扩散常数比水分子的平移扩散常数慢两个数量级。因此，可以通过较大扩散梯度有效地抑制水信号，使得仅环氧乙烷信号将由于其较长的T2时间和8PEGA的缓慢扩散而保留。值得注意的是，MR信号强度衰减为：
Figure BDA0003061673880000151
其中b值由磁场梯度幅值和持续时间决定，D是水或8PEGA的平移扩散常数，TE是回波时间，并且T2是横向自旋弛豫时间。另外，环氧乙烷单体的对称性引起所有四个质子的单一化学位移，并且每个40kDa聚合物分子携带大约3,600个质子，从而产生NMR或MRI信号的大摩尔放大。通过执行具有高b值和长TE时间的扩散加权自旋回波MR成像实验，有效抑制了由于快速扩散而引起的水信号和由于T2时间较短而引起的脂肪信号，并且选择性地对8PEGA信号进行了成像。在体内，由于水分子在细胞中的扩散受限，高b值下的一小部分水信号强度将保持不变，但由于传统的1HNMR中水与乙二醇质子之间存在约1ppm的差异，这些信号可以被去除或者与8PEGA信号区分开来。应当注意的是，取决于纳米颗粒，质子的数量可以大于或小于3,600、可以为约2,000到约30,000、大于约4,000、大于约5,000、约2,000到约10,000、约3,000到约7,000和这些范围内的所有值，以及更多或更少的量。
因此，例如在图6中看到的，当与上述抑制技术结合时，8PEGA作为MR成像剂非常好地发挥作用。这提供了显著的进步以及替换或消除其它MRI造影剂的能力，所述其它MRI造影剂具有不太有利的、有问题的或危险的材料，像钆盐或螯合物，其是健康问题、安全问题的主题，并且对于某些患者群体存在健康风险。没有应用抑制技术的图像601与应用抑制技术的图像602明显不同。8PEGA成像信号还与其浓度呈线性关系(如图7所示)。当应用成像剂和成像技术的上述实施例时，8PEGA恢复清晰且明确定义的图像，清楚地示出其作为体内成像剂的可行性。在适当的校准下，这提供了精确的成像和诊断，包含允许对生物组织(例如，肿瘤区域与过滤器官)中的8PEGA进行定量。
因此，8PEGA-Ce6 NC提供了具有一种或多种，优选所有以下特征的NC：优异的活性氧类、MRI成像能力、不含重金属并且能够具有癌症靶向剂。
具有既是成像剂又是PDT剂的靶向纳米构建体的能力在治疗迄今为止闻所未闻的病状方面产生了功效。此靶向治疗性纳米构建体使用靶向剂靶向特定的结构，例如，细胞类型、肿瘤等。通过这种方式，靶向治疗性纳米构建体将通过靶向剂的作用与靶向结构选择性地缔合。单独的靶向剂可以提供良好的特异性，其中约80％、约90％和约95％的纳米构建体与靶向结构缔合。然而，靶向剂不能提供对靶向结构的绝对特异性。因此，当递送活化能时，期望能够使靶结构成像并且由此优选地确定用于递送活化能(例如，光)的精确图案。
通过这种方式，在治疗诊断方法的实施例中，靶向的治疗诊断纳米构建体被递送到身体，并且由血液携带并与靶向结构(例如，肿瘤)缔合。对肿瘤进行了MRI图像，并且此图像由于纳米构建体的存在而得以增强。获得并存储体内的靶结构的位置和形状。可以使用后续图像技术(例如，光声成像)、建模技术(例如，初始MRI图像的计算机增强和渲染)和这两者为体内的靶结构提供非常精确的图像以及位置数据和信息。然后可以基于此图像和位置数据来发展照射图案。此照射图案可以是预定的、定制的并且特定于靶结构。
在实施例中，此预定的照射图案可以是小直径激光点。以此图案递送的激光束能量足以使PS活化，从而引起ROS的产生。然而，由激光束递送的能量低于激光诱导组织发生光学击穿的阈值(LIOB)，并且优选低于加热组织的阈值。在实施例中，可以确定激光束的性质，例如，波长、焦距、扫描时间或持续时间、功率、脉冲、脉冲长度或连续以及光斑大小，使得在非常精确的位置(z、x和y坐标)使PS活化，直至细胞和亚细胞水平；并且与激光的直接相互作用对靶结构的组织几乎没有损伤。通过这种方式，可以以细胞精度使PS活化，并将ROS提供到靶结构提供而不会损伤所述结构的相邻细胞。(可以理解的是，ROS在产生后的持续时间非常有限，并且如果在细胞内或细胞附近产生，则可能不会迁移到或影响非相邻细胞。)
在纳米构建体的实施例中，通过采用具有靶向抗体或肽的纳米构建体(NC)来实现空间(激光聚焦)和生物学(细胞选择性)选择性，这也将PDT治疗扩展到了表层下的肿瘤。通常，使用NC可以保护PS免受生物环境的影响，反之亦然，从而绕过免疫系统。
相对较小尺寸(<20nm)的8PEGA衍生的NC穿透了靶组织，包含非常密集的组织(如肌肉)，选择性地聚集在特定的细胞类型(例如，肌细胞)中，并且因此使得其在温和的近红外照射下被光动力破坏。在癌症治疗中，这些NC的小尺寸将提供亲肿瘤的NC，其单独或与靶向部分结合将对肿瘤具有细胞选择性。
任何类型的主动动态疗法部分都可以与纳米颗粒一起使用，并且优选与靶向剂一起使用以形成纳米构建体；并且例如，治疗性纳米构建体。在实施例中，将任何目前已知或后来开发的动态治疗剂与至少部分地由PEG、基于PEG的材料以及这些的组合和变化形成的纳米颗粒组合。在实施例中，将任何目前已知或后来开发的动态治疗剂与横截面小于50nm的纳米颗粒以及小于40nm的实施例组合。在实施例中，将任何目前已知或后来开发的动态治疗剂与横截面为约5nm到约20nm、约5nm到约15nm、约10nm到约15nm以及约9nm到约12nm的纳米颗粒组合。在实施例中，将任何目前已知或后来开发的动态治疗剂与横截面小于50nm、小于40nm、小于30nm、小于20nm、小于15nm和小于10nm的纳米颗粒组合。在实施例中，将任何目前已知或后来开发的动态治疗剂与纳米颗粒8PEGA组合。纳米构建体的所有这些实施例还可以具有靶向剂，所述靶向剂具有靶向能力或特征(例如，肿瘤亲和力)以及这些的组合和变化。
纳米构建体上的上述实施例以及本说明书中教导的其它实施例的组合和变化被用作药物产品或者作为药物产品的一部分。在这些药物产品的实施例中，纳米构建体的大小均匀，并且大小高度均匀。因此，在实施例中，药物产品中的纳米构建体，特别是用于受试者或患者(动物、哺乳动物或人类)的药物产品剂量的颗粒的粒度差异不大于约1％、不大于约5％和不大于约10％。在实施例中，药物产品中的纳米构建体的粒度分布可以为：D10＝n-5，D50＝n，D90＝x+5(其中n＝5到25nm)；D10＝n-10，D50＝n，D90＝x+10(其中n＝5到25nm)；D50为约10、D50为约15nm、D50为约20nm、D50为约50nm、D50为约8nm到约15nm，以及更大和更小的值。(图8展示了D10、D50和D90值的计算和分布。D50是表示占药物产品中累积量的50％的纳米构建体大小的值。D-90表示占药物产品中累积量的90％的纳米构建体的大小。D-10是表示占药物产品中累积量的10％的纳米构建体大小的值。)在实施例中，药物产品具有粒度分布不大于约10nm、不大于约5nm和不大于约1nm的纳米构建体。
通常，对于PDT，光源的波长需要适合于激发光敏剂以产生活性氧类。通过PDT产生的这些活性氧类是自由基或被称为单线态氧的高反应态氧。通常，在实施例中，光敏剂可以产生适当能量的三重态(大约0.95eV)，这是将分子氧(3O2)的三重基态激发到其激发的单重态(1O2)所需的最小能量。可以产生的其它细胞毒性物质包含例如，其它ROS、1型ROS、羟基自由基、过氧化物和超氧阴离子。
通常，存在三种机制，其在实施例中可以是相互关联的，PDT通过所述机制介导靶向组织的破坏(例如，肿瘤破坏)：对肿瘤细胞的直接细胞毒性作用、对肿瘤脉管系统的破坏以及对导致全身免疫的发展的炎性免疫应答的诱导。
将光敏剂掺入较小的纳米构建体(例如，8PEGA)提供了具有较低能量态的光敏剂的能力。从理论上讲，除其它原因外，由于光敏剂在NC的表面处或附近，因此其具有可用于形成ROS的较多的组织氧，NC的较小尺寸为NC以及因此为光敏剂提供了能够在更接近受ROS影响的组织或结构的地方产生RO物质的能力。
在实施例中，如果单线态氧或其它活性氧类的量子产率足够高(>0.4)，则典型的光敏剂可以是例如高效的PDT剂。也就是说，至少40％的激发光敏剂分子将产生单线态氧或活性氧类，而不是通过荧光、磷光或其它方式来分配能量。另外，激发的光敏剂的三重态(>1毫秒)的寿命越长，与周围分子的相互作用就越好，从而导致产生更多的细胞毒性物质。利用较小尺寸的纳米构建体以及具有高度均匀的纳米构建体粒度分布的药物产品的本发明的实施例提供了使效力较低的光敏剂作为有效PDT的能力，并且大大提高了在PDT中使用的现有光敏剂的治疗功效。将光敏剂掺入较小的纳米构建体(例如，8PEGA)提供了具有较低能量态的光敏剂的能力。从理论上讲，除其它原因外，由于光敏剂在NC的表面或附近，因此其具有可用于形成ROS的较多的组织氧，NC的较小尺寸为NC并且因此为光敏剂提供了能够在更接近受ROS影响的组织或结构的地方产生ROS物质的能力。
值得注意的是，PDT的机制不同于其它基于光的疗法和激光疗法，如激光伤口愈合和再生或强脉冲光脱毛，其不需要光敏剂、荧光、磷光或产生例如在体内产生或需要产生活性部分的其它方式。
在实施例中，通常，PDT靶向的结构的实例可以是线粒体、溶酶体或内质网。对细胞的作用(例如cyttid效应)理论上是通过例如凋亡细胞死亡机制、坏死途径和两者而发生的。从理论上讲，细胞凋亡所需的酶被破坏，并且将有足够的细胞损伤导致坏死的结果(质膜受损)。肿瘤破坏的另一个主要原因理论上是通过血管关闭限制氧气和营养物质供应到肿瘤，从而导致组织缺氧和细胞死亡。另外的理论机制是PDT激活免疫应答，从而使免疫细胞(如淋巴细胞、白细胞和巨噬细胞)渗入到靶组织中。肿瘤破坏的另一个原因是通过血管关闭限制氧气和营养物质供应到肿瘤，从而导致组织缺氧和肿瘤细胞死亡。在肿瘤破坏中的8PEGA NC的实施例中，这是肿瘤细胞死亡的主要方式。
利用较小尺寸的纳米构建体、具有高度均匀的纳米构建体粒度分布的药物产品以及这些的组合的本发明的实施例提供了使用新光敏剂、较旧的不太受欢迎的光敏剂和以前在PDT中被忽略的光敏剂的能力。这些实施例可以使用这些目前理论上的肿瘤细胞死亡的机制，以及作为本发明的结果将发生的或以后可能发现的其它方法或途径，包含本发明的成像能力和治疗诊断。
本发明不限于特定的光敏剂。在一些实施例中，药剂是亚甲蓝(MB)、二氢卟吩e6(Ce6)、考马斯蓝(在实施例中充当PTT(光热疗法)剂)、金或其它合适的光敏剂。在一些实施例中，光敏剂也适合于成像(例如，MB)。
本发明的实施例不限于光动力疗法。可以在本发明的实施例中利用可以形成本发明的纳米构建体和纳米构建体药物产品的一部分的另外的治疗剂。实例包含但不限于：诱导细胞凋亡的药剂；声敏剂；多核苷酸(例如，反义、核酶、siRNA)；多肽(例如，酶和抗体)；与如Bax等Bcl-2家族蛋白结合(例如，寡聚或复合)的药剂；生物碱；烷化剂；抗生素；抗代谢物；激素；铂化合物；单克隆或多克隆抗体(例如，与抗癌药、毒素、防御素缀合的抗体)、毒素；放射性核素；生物反应调节剂(例如，干扰素(例如，IFN-α)和白细胞介素(例如，IL-2)；过继性免疫治疗剂；造血生长因子；诱导细胞分化的药剂(例如，全反式维甲酸)；基因治疗试剂(例如，反义治疗试剂和核苷酸)；血管生成抑制剂；蛋白体抑制剂：NF-KB调节剂；反CDK化合物；HDAC抑制剂；重金属(例如，钡、金或铂)；化疗剂(例如，阿霉素或顺铂)等。有毒化合物的许多其它实例是本领域技术人员已知的，并且可以通过较小尺寸的NC、药物产品中高度均匀的NC粒度分布以及这些的组合使用这些化合物。
在一些实施例中，毒性剂是声敏剂。声敏剂的实例包含但不限于：卟啉(例如，血卟啉、二乙酰血卟啉-丝裂霉素-C缀合物、光敏蛋白II、中卟啉、原卟啉IX、铜原卟啉、四苯基卟啉四磺酸盐、ATX-70、ATX-S10、脱镁叶绿酸-a、CIA1-酞菁四磺酸盐和氯PAD-S31)、替诺昔康(tenoxicam)、吡罗昔康(piroxicam)、孟加拉玫瑰红、赤藓红B、部花青素540、二甲基甲酰胺、阿糖胞苷、吡啶并咔唑、2,2'-偶氮双(2-氨基丙烷)、5,5'-二甲基-1-吡咯啉X-氧化物、e-吡啶基-1-氧化物-N-叔丁基硝酮和抗癌剂(例如，氮芥、环磷酰胺、博来霉素、阿霉素、FAD104、两性霉素B、丝裂霉素C、柔红霉素、顺铂、依托泊苷、地吖醌、二羟基(氧代-胍基氨基)硼和5-氟尿嘧啶)(参见例如Rosenthal等人,《超声波化学(UltrasonicsSonochemistry)》11(2004)349；通过引用整体并入本文)。
在一些实施例中，毒性剂包括诱导或刺激细胞凋亡的药剂。诱导细胞凋亡的因素包含但不限于辐射(例如，x射线、伽马射线、UV)；肿瘤衍生生长因子配体、受体和类似物；激酶抑制剂(例如，表皮生长因子受体(EGFR)激酶抑制剂、血管生长因子受体(VGFR)激酶抑制剂、成纤维细胞生长因子受体(FGFR)激酶抑制剂、血小板衍生生长因子受体(PDGFR)激酶抑制剂和Bcr-Abl激酶抑制剂(如GLEEVEC))；反义分子；抗体(例如，HERCEPTIN、RITUXAN、ZEVALIN、BEXXAR和AVASTIN)；抗雌激素(例如，雷洛昔芬(raloxifene)和他莫昔芬(tamoxifen))；抗雄激素(例如，氟他胺(flutamide)、比卡鲁胺(bicalutamide)、非那雄胺(finasteride)、氨鲁米特(aminoglutethamide)、酮康唑(ketoconazole)和皮质类固醇)；环氧合酶2(COX-2)抑制剂(例如，塞来昔布(celecoxib)、美洛昔康(meloxicam)、NS-398和非甾体抗炎药)；抗炎药物(例如，苯丁唑酮(butazolidin)、DECADRON、DELTASONE、地塞米松(dexamethasone)、地塞米松英坦叟(intensol)、DEXONE、HEXADROL、羟氯喹、METICORTEN、ORADEXON、ORASONE、羟基保泰松、PEDIAPRED、保泰松(phenylbutazone)、PLAQUENIL、泼尼松龙(prednisolone)、泼尼松(prednisone)、PRELONE和TANDEARIL)；以及癌症化疗药物(例如，伊立替康(CAMPTOSAR)、CPT-11、氟达拉滨(FLUDARA)、达卡巴嗪(dacarbazine)、地塞米松、米托蒽醌(mitoxantrone)、MYLOTARG、VP-16、顺铂、卡铂、奥沙利铂、5-FU、阿霉素、吉西他滨(gemcitabine)、硼替佐米(bortezomib)、吉非替尼(gefitinib)、贝伐单抗(bevacizumab)、TAXOTERE或TAXOL)；细胞信号分子；神经酰胺和细胞因子；星形孢菌素等。
适用于本发明的组合物和方法的烷化剂包含但不限于：1)氮芥类(例如，二氯甲基二乙胺、环磷酰胺、异环磷酰胺、美法仑(L-溶肉瘤素)；和苯丁酸氮芥)；2)乙撑亚胺和甲基密胺(例如，六甲密胺和噻替派)；3)烷基磺酸盐(例如，白消安)；4)亚硝基脲(例如，卡莫司汀(BCNU)；洛莫司汀(CCNU)；司莫司汀(甲基-CCNU)；和链脲霉素(链脲佐菌素))；5)三氮烯(例如，达卡巴嗪(二甲基三氮烯酰亚胺-唑甲酰胺)。
在一些实施例中，适用于本发明的组合物和方法的抗代谢物包含但不限于：1)叶酸类似物(例如，甲氨蝶呤(氨甲蝶呤))；2)嘧啶类似物(例如，氟尿嘧啶(5-氟尿嘧啶)、氟尿苷(氟脱氧尿苷)和阿糖胞苷(胞嘧啶阿糖胞苷))；3)嘌呤类似物(例如，巯基嘌呤(6-巯基嘌呤)，硫代鸟嘌呤(6-硫代鸟嘌呤)和喷司他丁(2'-脱氧柯福霉素)。
在仍另外的实施例中，适用于本发明的组合物和方法的化疗剂包含但不限于：1)长春花生物碱(例如，长春碱、长春新碱)；2)表鬼臼毒素(例如，依托泊苷和替尼泊苷)；3)抗生素(例如，更生霉素(放线菌素D)、道诺霉素(柔红霉素；红比霉素)、阿霉素、博来霉素、普卡霉素(光神霉素)和丝裂霉素(丝裂霉素C))；4)酶(例如，L-天冬酰胺酶)；5)生物反应调节剂(例如，干扰素-α)；6)铂配位复合物(例如，顺铂和卡铂)；7)蒽二酮(例如，米托蒽醌)；8)经取代的脲(例如，羟基脲)；9)甲基肼衍生物(例如，甲基苄肼(N-甲基肼))；10)肾上腺皮质抑制剂(例如，米托坦(o,p'-DDD)和氨鲁米特)；11)肾上腺皮质类固醇(例如，泼尼松)；12)孕酮(例如，己酸羟孕酮、乙酸甲羟孕酮和乙酸甲地孕酮)；13)雌激素(例如，己烯雌酚和炔雌醇)；14)抗雌激素(例如，他莫昔芬)；15)雄激素(例如，丙酸睾丸酮和氟甲睾酮)；16)抗雄激素(例如，氟他胺)：以及17)促性腺激素释放激素类似物(例如，亮丙瑞林)。
在一些替代实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者均包含用于成像目的的其它药剂。在一些实施例中，成像剂例如选自磁性材料(例如，用于MRI的铁)；催化发光反应的蛋白质(例如，荧光素，如用于生物发光成像的荧光素酶)；荧光染料(例如，用于荧光成像的若丹明或异硫氰酸荧光素)；荧光蛋白(例如，绿色荧光蛋白)；以及放射性元素(例如，用于放射自显影)。
在一些实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者均包括用作X射线/CT造影剂的纳米材料，或者MRI利用光敏性质、X射线的吸光度或T1磁共振成像的顺磁性质。示例性造影剂包含但不限于钆造影剂、荧光剂(例如，茜素红S)和美国专利第7,412,279号或第6,540,981号中所述的造影剂，所述美国专利中的每一个均通过引用整体并入本文。
本发明的实施例提供了一种活化剂，其使毒性剂活化，从而以细胞特异性方式导致靶细胞中的局部细胞和组织损伤。本发明不限于特定的活化剂。任何使毒性剂活化的活化剂均可用于本发明的实施例中。通常，活化剂提供能量来源，所述能量来源导致毒性剂释放能量(例如，以自由基的形式)，从而导致细胞死亡或破坏。示例性活化剂包含但不限于光、热、辐射、声音等。
在一些实施例中，使用光动力疗法来说明本发明。然而，本发明不限于使用光动力疗法。多种毒性剂和活化系统可用于在本发明的实施例中。
转到图9，光动力疗法(PDT)的实施例通常包括使用化学反应，由此光敏剂被光能活化并释放活性氧类。PDT包含两个阶段。首先，通过被动或主动靶向来施用光敏剂并将其累积在组织上或组织中。然后，将光敏化组织暴露于波长与光敏剂的吸收光谱一致的光，所述光敏剂在照射后被活化。在光动力学高效的光敏剂的情况下，导致能量转移到分子氧(可在细胞中获得)并产生活性氧类(ROS)，主要是单线态氧(O2)。细胞的脂质、氨基酸和蛋白质的随后氧化诱导细胞损伤，如组织的坏死和/或凋亡。由于ROS的寿命和扩散长度极其有限而具有很强的局部毒性，因此其释放会导致不可逆但严格限制的细胞损伤和组织坏死。因此，PDT诱导的损伤仅限于已被光敏化的细胞，而相邻的未被光敏化的细胞则不受影响。
本发明纳米平台的实施例是共轭光敏剂以及具有水凝胶的靶向部分，通过这种方式，靶向的细胞特异性PDT可用于各种应用，大大提高了功效和可控性。例如，细胞特异性和空间特异性细胞死亡方法涵盖协同实施两种药剂，这两种药剂均与可生物降解的纳米颗粒缀合：靶向肌细胞的肽(例如，CTP)和由此启用光敏剂的光动力疗法(例如，二氢卟吩e6))。
在一些实施例中，活化剂是声音(例如，声动力疗法)。声动力疗法是某些化合物(声敏剂)细胞毒性活性的超声依赖性增强。超声波是一种机械波，其粒子以等于或大于20kHz的频率在连续的弹性介质中周期性振动。在液体中，其约1000-1600m/s的速度转换为微米到厘米的波长范围。因此，声场不能直接与分子的能级偶联，包含分子级的生物环境。因此，这种辐射不仅被认为是安全的，而且具有非常好的组织穿透能力，而不会显著降低其能量。在一些实施例中，声音在体外产生，并通过组织靶向期望的治疗区域。
声动力疗法基于超声波与被称为“声敏剂”的化合物的协同作用。可以通过将超声聚焦在限定的区域(例如，靶组织区域)上来定位效果。在一些实施例中，超声波经皮递送到靶组织的特定区域。
在一些实施例中，活化剂是活化治疗剂(例如，化疗剂)的药剂。例如，在一些实施例中，使用维拉帕米(verapamil)来活化或改善化疗剂(例如，阿霉素)的功效。
本发明的实施例提供了包括本文所述的纳米构建体和纳米构建体药物产品的组合物、试剂盒和系统。在一些实施例中，系统包括纳米颗粒、纳米构建体和两者，以及用于递送活化剂的仪器或设备(例如，激光、超声设备、辐射递送设备等)。在一些实施例中，系统进一步包括用于在靶向组织和计算机系统中对纳米颗粒、纳米构建体以及两者进行成像以控制活化剂递送、成像、数据分析和数据显示的仪器。
然后，在局部递送活化剂(例如，激光或声音)后(例如，通过嵌入或在纳米颗粒表面上的毒性剂)诱导细胞特异性死亡，随后局部释放ROS。在实施例中，仅在活化剂被递送的区域中杀死特异性靶向的细胞类型，而在活化剂递送后未靶向细胞的数量保持恒定。
本发明不限于特定的活化剂递送方法。在一些实施例中，活化剂通过手术(例如，内窥镜或开放手术)直接递送到需要治疗的靶组织区域。在一些实施例中，使用自动化系统(例如，计算机控制)靶向和控制活化剂。
在一些实施例中，使用导管或其它静脉内或动脉内递送或经皮(例如，通过超声波)将活化剂局部递送到需要治疗的靶向区域。此类方法避免了对开放手术的需要。
在一些实施例中，疗法是声动力疗法。声动力疗法具有经皮递送的优点，因此允许整个程序无需侵入性手段即可进行。递送(例如，静脉内)毒性剂(例如，声敏剂)，并且然后用超声波处理组织的靶向区域。
在一些实施例中，疗法是光动力疗法。光动力疗法具有带来空间特异性的能力，因为只有被照射的区域接受治疗，而其它地区则未得到治疗。
在一些实施例中，治疗靶向并消融或杀死肌细胞。但是，本发明不限于靶向肌细胞。实施治疗性纳米平台的优点是这些载体与多种可选的靶向剂缀合的多功能性，以用于不同的靶组织。实际上，任何其它靶向部分(例如，抗体、肽等)、功能性染料或生物活性剂均可以通过这些纳米平台轻松实施。
在一些实施例中，本文所述的治疗用途与现有疗法结合使用或替代现有疗法。在一些实施例中，基于纳米颗粒的疗法被用作失败或不完全疗法(例如，非纳米颗粒疗法)的后续疗法。
在一些实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者均用于成像(例如，体内成像)应用。在一些实施例中，利用了也是荧光的或可成像的光敏剂(例如，二氢卟吩e6)或颗粒。如本文所描述的，本发明的重要实施例是纳米颗粒、纳米构建体和两者，其本身添加其它药剂或材料充当MRI成像剂。在其它实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者进一步包括单独的成像剂。例如，如本文所描述的，在一些实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者包括用于成像的造影剂(例如，X射线、计算机断层摄影(CT)成像、PET成像、超声波、光声成像或MRI成像)。例如，在一些实施例中，157Gd、金、碘、氧化铁或用于成像涂层纳米颗粒、纳米构建体和两者的其它合适的药剂。
在一些实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者用于通过生物发光成像在体内或体外检测生物靶。在一些实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者包括催化生物发光反应的酶。催化生物发光反应的酶包含但不限于以下荧光素酶：细菌荧光素酶(美国专利第4,548,994号)、萤火虫萤光素酶(美国专利第5,670,356号和第5,674,713号)、海肾肾形萤光素酶、叩头虫萤光素酶、源氏萤(Luciola cruciata)荧光素酶(Masuda等人,《基因(Gene)》77:265-70[1989])、平家萤(Luciola lateralis)荧光素酶(Tatsumi等人,《生物化学与生物物理学报(Biochim.Biophys Acta)》1131:161-65[1992])，以及帽贝(Latia neritoides)荧光素酶。前述出版物和专利通过引用明确地并入本文。
在一些实施例中，在原位进行成像。含有生物发光酶的纳米颗粒、纳米构建体和两者通过静脉内提供给动物，并留出时间使分子识别元件与其生物靶结合。在一些实施例中，然后将生物发光酶的底物(例如，细菌或昆虫荧光素)提供给动物(例如，通过静脉内、腹膜内、膀胱内或脑内血管递送)。在一些实施例中，然后通过生物发光检测系统检测通过酶在底物上的作用产生的生物发光。在一些实施例中，生物发光检测系统包括滨松增强型CCD(ICCD，型号C2400-32)。在其它实施例中，生物发光检测系统进一步包括用于增强微弱信号的其它装置(例如，微通道板增强器和用于检测器和/或增强器的珀尔帖(Peltier)或液氮冷却的装置)。在一些实施例中，通过打开放置动物的暗室门来获得动物的灰度图像。然后关上门，并且将增强器上的增益调整到最大以检测生物发光信号。然后，信号被伪彩色的灰度图像覆盖。
在其它实施例中，纳米颗粒、纳米构建体和两者用于通过磁共振成像(MRI)检测生物靶。在一些实施例中，成像的生物靶在原位。包括磁性材料的纳米颗粒、纳米构建体和两者(例如，通过静脉内)被提供给动物，并留出时间使分子识别元件与其生物靶结合。在一些实施例中，然后用磁共振系统(例如，7-Tesla磁共振系统)使生物靶成像。在一些实施例中，获得T1加权或T2加权图像。
在一些实施例中，诊断和成像应用与治疗应用结合执行。例如，在一些实施例中，在光动力疗法之前和之后利用成像剂来显现靶组织以监测细胞死亡。例如，在一些实施例中，成像使临床医生能够看到纳米颗粒、纳米构建体和两者结合的位置(例如，在活化之前、期间或之后)。在一些实施例中，在治疗后利用成像来显现靶组织以确定细胞杀伤的程度或定位。因此，成像允许对动态治疗的进展进行实时监测。
在一些实施例中，利用成像方法来确定活化治疗过程。例如，在一些实施例中，在处理后使用成像来确定是否需要例如以相同或不同区域中的另外的活化剂的形式或另外的纳米颗粒、纳米构建体和两者的递送的形式进行另外的处理。
在一些实施例中，在手术或药物筛选应用期间，纳米颗粒、纳米构建体和两者均用于研究中(例如，动物模型中的成像、结构研究、DNA-蛋白质结合相互作用、蛋白质捕获等)。
可以使用各种记录和监测技术和设备来评估当前的NC、制造这些NC的方法和使用这些NC的方法。例如，可以使用Shimadzu UV-1601UV/可见分光光度计来记录和调整NP的光密度(OD)。可以使用Fluoromax-3来获得荧光光谱。
用于制造本发明NC的起始材料、试剂和组分可以来自可用的商业来源，并且优选FDA批准的用于医疗产品的材料。例如，以下是可以用于实例中的实施例的材料来源。二氢卟吩e6(Ce6)和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)源自Frontier科技公司。8PEGA(40kDa)和Bi-PEG(马来酰亚胺-PEG-琥珀酰亚胺酯，2kDA)源自Creative PEG Works公司。F3-Cys肽(KDEPQRRSARLSAKPAPPKPEPKPKKAPAKKC)源自SynBioSci公司。190标准酒精度的天然乙醇来自Decon Labs公司。用于Amicon细胞的10kDa和300kDa过滤器以及10kDa离心过滤器源自Amicon公司。DMEM[(+)谷氨酰胺、糖、丙酮酸钠、青霉素链霉素和胎牛血清源自生命技术公司(Life Technologies)。所有其它化学品源自西格玛奥德里奇公司(SigmaAldrich)。丙烯酰胺、3-(丙烯酰氧基)-2-羟丙基甲基丙烯酸酯(AHM)、氨丙基甲基丙烯酰胺氯化氢盐(APMA)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)、Brij L4、磺基琥珀酸钠二辛酯(AOT)、二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、过硫酸铵(APS)、四甲基乙二胺(TEMED)、磷酸盐缓冲盐水(0.01M，PBS)、己烷、半胱氨酸、蒽二丙酸(ADPA)、钙黄绿素AM、碘化丙啶(PI)。
在实施例中，操作和分析NMR提供足够的水和脂肪抑制以提供清晰的PEG图像。例如，可以采用消除了95％的组织水的基于扩散的方法。残留的水可以通过本领域技术人员已知的其它水抑制方法去除。例如，为了具有另外的水抑制作用，可以使用光谱成像，其中每个体素由具有水、PEG和脂肪的NMR光谱组成。这种抑制方法也适用于组织分布研究。
在实施例中，8PEGA的MRI直接拾取乙氧基质子的信号并对其进行测量。这与如钆等金属不同，所述金属会改变与其相互作用的水质子的弛豫时间，由此在扫描期间产生可见的对比度。因此，本发明的实施例提供了基于直接测量NP中质子的图像，并且不依赖于也不使用水质子弛豫时间的变化。
NC的实施例，特别是基于PEG的NC，可以具有各种不同尺寸和重量，并且可以包含例如单体(例如，并非由多个PEG构成的单个大分子)、多臂PEG(例如，2个、4个、6个、8个、10个或更多个臂)，以及这些的组合和变化。NC的总MW可以为<1MDa、约10kDA到约1,000kDa、约20kDa到约500kDa、约30kDa到约200kDa、约40kDa到约750kDa、约35kDa到约75kDa、约50kDa到约800kDa和这些范围内的所有值，以及更多或更少的量。
转到图10，提供了展示8-臂-PEG-胺(8PEGA)1010的实施例的图表，所述实施例是用于治疗诊断的普遍适用的超小纳米平台：例如，光动力疗法(PDT，“thera”)并作为分子MR剂(“nostic”)。图像1011的左侧展示了可以通过不同的官能团与光敏剂(PS)附接的灵活性，然后是通过与双功能PEG的简单“点击”化学反应(如马来酰亚胺-硫醇反应，用于细胞特异性靶向方法)附接的靶向剂(例如，肽)。右侧示出了8PEGA 1010如何含有MRI成像理想的各种物理性质。这些性质包含由于其40kDa的较高MW而导致的较长T2寿命和较慢扩散常数，这是扩散加权MRI的理想性质。
转到图11，示出了组装8PEGA与Ce6(PS)和CTP(TA)的一般流程图。这通常可以应用于使用任何合适的TA和PS。顶部图表1101是PDT如何发挥作用的一般路线描述：纳米平台接收其吸收的光，并转移到局部氧气中以产生ROS。然后ROS会损伤细胞。底部图表1102是用于制造靶向NC的示意性反应路径。
转到图12，示出了CTP-8PEGA-Ce6 NP在大鼠和人细胞培养物上的体外性能的载玻片；培养物包含成纤维细胞和心肌细胞。可以看出，在大鼠的情况下，即使与成纤维细胞直接接触，也只有肌细胞被杀死。死亡细胞的钙黄绿素AM荧光会减少，并且碘化丙啶会增加。人体细胞测试示出，无需改变平台即可在人体中实现相同的选择性(进行了靶向和非靶向测试，示出了靶向既是优选的也是有效的)。
转到图13，显示了NP注射后(注射后1小时)从大鼠心脏分离的组织。DAPI对所有细胞的细胞核进行染色。可以看出，Ce6的荧光以极端的选择性定位到肌细胞，指示体外选择性结果直接转化为体内选择性结果。
转到图14，示出了外科手术设定受试者1401、心脏1402以及来自PDT的最终电描记图(靶向、非靶向或假手术)的图示。电描记图幅值的减小指示信号受阻；剩余信号归因于远场活动。靶向和非靶向都有效果，而单独的激光则没有效果。这指示PDT通常可以引起变化。
转到图15，示出了PI(死亡细胞的核染剂)仅存在于肌细胞(3个不同的放大区域)中。D和E通过示出PI荧光随着检查区域从治疗区域移开而降低，示出PDT仅发生在照射区域。
转到图16，示出了与图15类似的组织采样测试，但是使用了非靶向PDT。在条形图中可以看出(并在图中定量)，与仅杀死肌细胞的靶相比，未靶向的Ce6 PDT杀死一切。
转到图17，示出了仅接受靶向PDT或激光的小鼠的心电图。只有靶向PDT才能使心跳的差异恢复正常。
转到图18，示出了PDT穿透组织的深度(由PI荧光穿过组织追踪)。还示出了单独的激光没有效果。
在实施例中，提供了一种能够同时用作光动力疗法(PDT)的治疗平台以及不含重金属原子的MR分子成像剂的新的可靶向纳米构建体(NC)。在实施例中，提供了用于癌症的基于NC的PDT。在实施例中，提供了F3-cys靶向剂NC。在实施例中，与传统的Ce6封装的聚丙烯酰胺(PAAm)NC相比，8PEGA-Ce6 NC具有优异的活性氧类(ROS)产量。NC的此实施例也是细胞相容的，并为所选靶向肽的附接提供化学灵活性。还提供了一种无标记的8PEGA NC，其可以使用具有较大扩散磁场梯度的标准自旋回波成像序列通过MRI直接和选择性地成像，以抑制水信号。值得注意的是，由于其超小尺寸，此NC可能已改善了体内渗透和生物清除作用。
转到图26，示出了MRI系统2501的实施例的示意图。系统2501具有磁体2502、梯度线圈2503、射频线圈2504、孔2505和工作台2506。应当理解此图是可以采用其它组件以及其它配置和类型的MRI系统的示意性表示。在实施例中，系统2501被配置成产生三个磁场。第一场是强静态磁场，其在具有自旋角动量的细胞核中产生能级差异，并引起整体核磁化。第二场是射频场并且用于使所产生的核磁化倾斜，使得其可以被RF线圈2504检测到。第三场是一组磁场梯度，用于对信号进行空间编码以创建核磁化图。因此，在实施例中，磁场被配置成产生非水质子的图像，所述非水质子存在于放置在要成像的受试者中的添加剂中；其中可以以特定方式脉冲磁场梯度，以使所述细胞核对由于流动或扩散而引起的运动敏感。
在实施例中，向患者施用由本发明纳米构建体(例如，基于PEG的纳米颗粒)构成的成像剂。然后将具有所施用的成像剂的患者放置在工作台2506上，将工作台移动到孔2505，并且系统2501执行扫描，以获得例如在本说明书中公开的类型的MR图像。将纳米颗粒直接成像，以提供关于其在患者体内位置的详细图像和数据。据此信息可以设计、完善和实施一种疗法。例如，如果纳米构建体是靶向PDT纳米构建体，则可以开发外科手术、外科手术PDT或单独的PDT疗法并进行实施以去除靶向组织。
MRI系统2501具有控制系统2507，所述控制系统包含操作员输入和其它控制特征，以及操作指令，如计算机代码。控制系统2597与装置2510处于控制通信中，如虚线2508所示。控制通信是指在控制系统2507与装置2510之间传送数据、信息和控制命令以及其它指令。控制系统2507可以与装置2510分离，或者可以是装置2510的一部分，例如在装置2510的结构内。在实施例中，将用于操作MRI以提供用于使基于PEG的纳米颗粒成像的操作参数的指令提供给系统2501。例如，这可以是软件升级的方式。通过这种方式，可以容易地升级现有的MRI系统以充分利用本发明的基于PEG的纳米颗粒成像剂的益处。
实例
提供以下实例以说明本发明的系统、疗法、方法、组合物、应用和材料的各种实施例。这些实例用于说明目的，其可以是预言性的，并且不应被视为或不会在其它方面限制本发明的范围。除非另有明确规定，否则在实例中使用的百分比是例如调配物、组合物、混合物、产品或结构的总量的重量百分比，除非另有明确说明。
实例1
与封装的PAAm-Ce6 NP相比，Ce6-8PEGA NC的实施例是超小型的且具有优异的ROS产量。靶向肽从CTP到F3-cys的成功交换证明了此NC在改变靶方面的化学灵活性。F3-8PEGA-Ce6 NC具有良好的体内外生物相容性。
实例2
8PEGANP和NC的实施例是MRI中的分子成像剂。这些成像剂可以进一步与抑制水和脂肪信号的技术联合使用，从而提供更加增强的成像能力。
实例3
F3-8PEGA-Ce6为从心律失常到癌症以及可能的其它病理的治疗诊断(成像和PDT)提供了一种有吸引力的通用NC。益处除此以外包含早期肿瘤(甚至在血管生成之前)的积累的快速肾脏清除以及MRI结果。
实例4
8PEGA-Ce6缀合物：Ce6在DMF中通过DCC/NHS偶联与8PEGA缀合。简单地说，用154.8uL DCC和172.8uL NHS将448uL的Ce6溶液(20mg/mL，DMF)搅拌(20mg/mL，DMF)活化30分钟。使用超声处理将500mg 8PEGA以50mg/mL的浓度溶于DMF中。溶化后，将Ce6溶液添加到8PEGA溶液中，并搅拌过夜。第二天，在使用10kDa膜的Amicon细胞过滤系统中，使用50％乙醇/PBS混合物去除未缀合的Ce6。纯化后，将溶剂与密里博(Millipore)超纯水交换，使用0.45um针筒式过滤器过滤材料，并冷冻干燥以供储存。
实例5
F3-8PEGA-Ce6缀合物：用F3通过多年以来我们实验室报告的相同方法修饰了8PEGA-Ce6。用F3-cys修饰后，然后采用UV/VIS以确保Ce6在此过程中没有聚集。简单地说，将20mg的Bi-PEG添加到1mL的8PEGA-Ce6(20mg/mL，PBS)中并搅拌30分钟。然后使用10kDa离心过滤器在PBS中将溶液洗涤4x15分钟。将所得溶液浓缩到20mg/mL(以原始质量计)，添加22mg的F3-cys(220uL，11mg/110uL DMSO)，并搅拌过夜。第二天，添加过量的半胱氨酸并搅拌2小时以封盖任何未反应的马来酰亚胺基团。然后使用10kDa离心过滤器和密里博超纯水再次过滤溶液，并冷冻干燥以供储存。
实例6
Ce6封装的聚丙烯酰胺纳米颗粒(PAAm NP)：通过稍作修改的先前报道的方法将Ce6封装在PAA NP中。简单地说，将5mg的Ce6添加到具有28mg APMA、19mg NHS和16mg EDC的930uL的PBS和100uL DMSO中。将溶液在37℃下搅拌下2小时。然后将丙烯酰胺和AHM添加到溶液中(分别为368mg和52.6uL)并进行超声处理以产生均匀的溶液。将此溶液在搅拌下添加到含有31mL己烷、2.2mL Brij L4和1.07g AOT的100mL圆底烧瓶中。将搅拌调整到所产生的涡流刚好接触搅拌棒的程度(约500RPM)。然后用氮气将烧瓶的内容物吹扫15分钟。将氮气流从与烧瓶内容物的接触中去除，并保持在烧瓶内。在100uL水中逐滴添加15mg的APS以引发聚合反应，并逐滴添加100uL的TEMED以催化这一过程。使聚合进行2小时。然后通过旋转蒸发去除己烷。将所得内容物重新分散在乙醇中，并在Amicon细胞中使用300kDa过滤器使用10x150 mL乙醇和5x150 mL密理博超纯水清洗。使用0.45um过滤器将纯化的材料进行注射器过滤，并冷冻干燥以供储存。
实例7
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度约10nm-15nm，并且是均匀的，具有小于约5％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例8
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的粒度分布为D10＝10nm、D50＝12nm、D90＝15nm。
实例9
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约10nm-15nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例9A
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约8nm-18nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例9B
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约8nm-10nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例9C
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约10nm-12nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例9D
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约11nm-14nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例9E
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的平均粒度范围为约15nm-18nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例10
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的粒度分布为D10＝约8nm、D50＝约10nm、D90＝约12nm。
实例11
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的粒度分布为D10＝约5到12nm、D50＝约8到15nm、D90＝约12到22nm。
实例11A
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的粒度分布为D10＝约6到10nm、D50＝约8到15nm、D90＝约12到20nm。
实例11B
药物产品含有F3-8PEGA-Ce6 NC。NC的粒度分布为D10＝约10到12nm、D50＝约11到13nm、D90＝约10到15nm。
实例12
实例7到12的药物产品用作NMR或MRI的成像剂、造影剂或两者。
实例13
实例7到12的药物产品中包含其它NC、成像剂或治疗剂。
实例14
实例7到12的药物产品可以与其它药物产品一起使用，如其它NC、成像剂或治疗剂。
实例15
药物产品含有TA(靶向剂)-8PEGA-AA(活性剂)NC。NC的平均粒度为约10nm，并且是均匀的，具有小于约5％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例16
药物产品含有TA-8PEGA-AA NC。NC的粒度分布为D10＝10nm、D50＝12nm、D90＝15nm。
实例17
药物产品含有TA-8PEGA-AA NC。NC的平均粒度范围为约10nm-15nm，并且是均匀的，具有小于约10％的平均距离的非常窄的粒度分布。
实例18
药物产品含有TA-8PEGA-AA NC。NC的粒度分布为D10＝约8nm、D50＝约10nm、D90＝约12nm。
实例19
药物产品含有TA-8PEGA-AA NC。NC的粒度分布为D10＝约6到10nm、D50＝约8到15nm、D90＝约12到20nm。
实例20
实例15到19的药物产品用作NMR或MRI的成像剂、造影剂或两者。
实例21
实例15到19的药物产品中包含其它NC、成像剂或治疗剂。
实例22
实例15到19的药物产品可以与其它药物产品一起使用，如其它NC、成像剂或治疗剂。
实例23
实例15到22的药物产品，其中TA为以下中的一种或多种，例如：以半胱氨酸为末端且不含任何另外的游离硫醇基团的任何肽都可以与8PEG附接并使用，例如，RGD、cRGD、iRGD、F3和CTP。可公开获得的噬菌体文库中含有另外的实例。通常，有小分子或肽选择性积累在其中的任何细胞都可以附接到NC或是NC的一部分，并且因此充当TA，包含作为8PEGA的TA。
实例24
实例15到22的药物产品，其中AA是以下中的一种或多种：光敏剂、声敏剂，光声剂和本说明书中公开的、本领域技术人员已知的或后来开发的其它产品。
实例25
一种粒度为约8-15nm并具有来自实例24的组的AA的NC。
实例26
一种粒度为约8-15nm并具有来自实例23的组的TA的NC。
实例27
一种粒度为约10-20nm并具有来自实例24的组的AA的NC。
实例28
一种粒度为约10-20nm并具有来自实例23的组的TA的NC。
实例29
一种具有来自实例25、26、27和28的NC的药物产品，其粒度分布的D10值和D90值在D50值的5nm内。
实例30
一种具有来自实例25、26、27和28的NC的药物产品，其粒度分布的D10值和D90值在D50值的10nm内。
实例31
一种具有来自实例25、26、27和28的NC的药物产品，其粒度分布的D10值和D90值在D50值的2nm内。
实例32
用于增强本发明成像剂的实施例的定量成像的MRI校准。通过选择性8PEGA NMR成像以及光谱序列和方案产生的图像和光谱将具有与PEG纳米构建体的局部浓度成比例的信号强度。如果期望以mg/ml或摩尔浓度对PEG纳米构建体的绝对浓度进行定量测量，则可以通过在具有已知PEG浓度的模型的特定MRI扫描仪中执行选择性PEG脉冲序列或通过同时对患者和已知PEG浓度的模型进行成像来校准MRI系统。此外，浓度校准曲线可以如图6和7所示构建，所示图6和7示出了通过PEG选择性MRI产生的信号强度与8PEGA的浓度成比例。
实例32A
MRI被配置成使基于PEG的成像剂中的质子成像。MRI是一种成像工具，其通常用于向医生提供诊断医学信息，以有助于患者护理管理。MRI使用三个磁场。首先，强静态磁场在具有自旋角动量的细胞核中产生能级差异，并引起整体核磁化。其次，使用射频(RF)场使所产生的核磁化倾斜，使得其可以被RF线圈检测到。最后，使用一组磁场梯度对信号进行空间编码以创建核磁化图。另外，可以以特定方式脉冲磁场梯度，以使细胞核对由于流动或扩散而引起的运动敏感。MRI脉冲序列由一系列RF和梯度脉冲组成，以产生对T1、T2、扩散和其它参数敏感的MR图像。
实例32B
在图6和7中看到用于产生8PEGA特异性图像的MRI脉冲序列的一个实施例。在这种特定情况下，使用扩散加权自旋回波成像序列，其具有重复时间TR＝500毫秒、回波时间TE＝200毫秒、幅值Gdiff＝126mT/m的一对扩散编码梯度、持续时间δ＝7.1毫秒并且间隔Δ＝180毫秒，以产生1010s/m2的扩散b值。磁场梯度使MR信号强度减弱S(b)＝exp(-bD)，其中
Figure BDA0003061673880000321
水在25℃下的扩散常数D为2.2 10-9m2s-1，并且8PEGA为3.5 10-11m2s-1，比水慢两个数量级。在这些特定参数的情况下，纯水信号将减少exp(-bD)＝2.7 10-10，从而有效地将水信号置于本底噪声。相反，PEG8A信号的60％保持在b＝1010s/m2下。用相同参数获得了PEG8A和水两者的背景图像，除了梯度强度降低到12.5mT/m，产生108s/m2的b值。在这些参数的情况下，水衰减到其初始值的80％，并且PEG8A衰减到99％，但是水质子浓度显著更高，并且在MRI信号中占主导。
在体内，水分子扩散受到细胞壁的限制，并且估计大约5％的水信号将保持在b＝1010s/m2下。水质子T2时间通常<80毫秒，而8PEGA T2时间>500毫秒。因此，一次可以通过长TE时间成像实现另外的水抑制。信号衰减将按照S(b,TE)＝exp(-TE/T2)exp(-bD)进行，因此可以通过长TE时间成像来实现另外的水衰减。另外，基于化学位移或水质子弛豫时间的常规水抑制方法可以与梯度抑制方法同时使用，并提供甚至更多的水信号衰减。
在临床MRI系统中，磁场梯度的幅值被限制为大约40mT/m的值。为了产生1010s/m2的b值，将需要调整δ和Δ的值。例如，在梯度幅值为40mT/m的情况下，δ＝60毫秒，并且Δ＝200毫秒导致b值为7×1010s/m2，这足以对8PEGA进行选择性成像。
通常，任何提供高b值和TE时间>100毫秒的MRI脉冲序列都将提供水和脂肪信号的充分衰减。
实例33
光声成像——光声成像(PAI)提供了比其它光学成像系统更大的深度限制，同时还提高了分辨率。PAI使用响应于脉冲激光的吸收而产生的声波，并在若干厘米的深度处以例如约100μm并且可能更大的分辨率提供所吸收的光能密度的非侵入性图像。
8PEGA光声成像NC(PAI-NC)具有活性剂。PAI-NC的粒度为约10nm到20nm。PAI-NC还可以具有靶向剂，包含来自实例23的靶向剂之一。
用于PAI-NC的活性剂(例如，成像剂、造影剂)可以是例如小分子染料、金、碳、脂质体包封物、七甲川花菁染料(例如，靛氰绿)、偶氮染料(例如，亚甲蓝)和萘酞菁染料。
通常，在选择活性剂时，如果化合物结构上存在亲水性R基团，则应该可以标记到PEG(最常见的基团是磺酸和羧酸盐)。菁染料通常含有磺酸基团(SO3-)，所述磺酸基团可以衍生为将对PEG上的胺具有高度反应性的氯化中间体。ICG(靛氰绿，以商品名CARDIOGREEN获得)是FDA批准的用于8PEGA PAI-NC的光谱吸收(780nm)药剂的实例。可以在PAI-NC中使用的其它物质包含例如考马斯亮蓝(绝对最大值＝595-610nm)、alexa fluor 750、IR780和IRDye 800、Ce6、亚甲蓝和SiNc。
实例34
一种用于高分辨率和精确诊断的系统和方法。所述系统使用具有靶向8PEGA Nc的药物产品来获得定位于靶组织(例如，肿瘤)中的NC的MRI，并通过这种方式获得靶向组织的图像以及靶向组织中NC的位置、浓度、含量以及这些的组合和变化。图像提供了关于靶组织和NC的形状、定位和位置以及这些的组合和变化的数据和信息以及其它信息。然后存储图像并转移到MRI的分辨率增强的光声成像装置。至少部分地基于或使用NC和靶向组织的增强的PAI图像，开发了用于递送能量以使NC上的活性剂活化的定制激光递送图案。然后将定制激光递送图案递送到靶向组织。通过这种方式，可以对病状执行非常精确的处理。经增强的成像、靶向NC和预定激光递送图案的组合提供了非常精确地去除组织(包含细胞水平)的能力。此系统和方法本质上提供了细胞手术刀。
此系统可以在集成单元中。其可以在若干个不同的单元中，其中每个单元中的数据被传递到其它单元。通过这种方式，可以在网络中配置这些单元。
另外，系统可以监测激光递送图案的效果，并且基于历史数据，针对特定状况、条件或组织类型，完善和增强预定的激光递送图案。
另外，系统提供了在不同时间进行各种操作的能力。8PEG NC可以保留在靶向组织中，并且作为治疗诊断材料保持活性或活力持续约12小时到约1周、约1天到约4天、约12小时到约3天和这些范围内的所有值，以及更长或更短的时间。
实例35
一种具有动态治疗剂(例如，活性剂)的8PEGA治疗NC，其在暴露于声能后活化。
实例35A
一种具有声动力治疗剂(例如，活性剂)的8PEGA治疗NC，其在暴露于声能后活化。
实例36
一种具有动态治疗剂的8PEGA治疗诊断性NC，其在暴露于能源后活化。可以选择被声能、光能或任何电磁能源活化的药剂。
实例37
实例32、32A、32B、33和34的系统和方法可以进一步使用模型和算法来进一步增强图像的分辨率、靶向组织和NC的定位、形状和位置以及激光递送图案。
实例38
实例32、32A、32B、33和34的系统用于提供图像增加的分层和数据建模。这些分层和建模的图像对于诊断、治疗和治疗诊断目的具有价值。此数据、分层图像和两者可以进一步与机器学习一起使用，以提供这些实例的增强的系统。
实例39
实例32、32A、32B、33和34的系统提供了对生物组织(例如肿瘤区域与过滤器官)中8PEGA NC的定量。
实例40
应用的8PEGA的实施例将需要进行以下各项：在DMF中通过DCC/NHS偶联反应添加PS，每8PEGA产生约1.5PS；使用NHS-PEG-MAL(2kDa)将胺臂转化为马来酰亚胺；通过已知的硫醇-马来酰亚胺反应添加以半胱氨酸为末端的肽以锚定到8PEGA；以及无需使用8PEGA对DWI进行进一步修改。
标题和实施例
应当理解，本说明书中标题的使用是出于清楚的目的，而不以任何方式进行限制。因此，标题下描述的过程和公开内容应该结合整个说明书(包含各种实例)的上下文进行阅读。本说明书中标题的使用不应限制本发明提供的保护范围。
本说明书中阐述的系统、疗法、工艺、组合物、应用和材料的各种实施例可以用于各种其它领域以及各种其它活动、用途和实施例。另外，例如，这些实施例可以与以下各项一起使用：现有系统、疗法、工艺、组合物、应用和材料；可以与未来可能开发的系统、疗法、工艺、组合物、应用和材料一起使用；以及可以部分地基于本说明书的教导进行修改的系统、疗法、工艺、组合物、应用和材料。进一步地，在本说明书中阐述的各种实施例和实例可以全部或部分地以及以不同和各种组合互相使用。因此，例如，在各个实施例和本说明书的实例中提供的配置可以互相使用。例如，根据本说明书的教导，具有A、A'和B的实施例的组件以及具有A”、C和D的实施例的组件可以以各种组合(例如，A、C、D和A、A”、C和D等)互相使用。因此，本发明提供的保护范围不应限于在特定实施例、实例或特定附图中的实施例中阐述的特定实施例、实例、配置或布置。
在不脱离本发明的精神或必要特性的情况下，本发明可以以不同于本文具体公开的形式的其它形式来体现。所描述的实施例在所有方面均被认为仅仅是说明性的而非限制性的。

Claims (109)

1.一种具有治疗、成像、诊断或治疗诊断应用的组合物，所述组合物包括：
多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括骨架材料；
活性剂，所述活性剂附接到所述骨架；并且
其中所述多个纳米颗粒的预定粒度分布由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中n是在约5nm到约25nm的范围内的数字。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中n是在7nm到22nm的范围内的数字。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中n是在约10nm到约20nm的范围内的数字。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中n是在约11nm到约15nm的范围内的数字。
6.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是光敏剂。
7.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是光声剂。
8.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是声敏剂。
9.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其包括第二活性剂。
10.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其包括第二活性剂，其中所述第二活性剂不同于所述活性剂。
11.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：亚甲蓝、二氢卟吩e6(Ce6)、考马斯蓝和金。
12.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是四吡咯。
13.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：卟啉、二氢卟吩、酞菁和菌绿素。
14.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：HPPH、TOOKAD、LUZ 11和BC19卟啉。
15.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：吩噻嗪盐(phenothiazinium salt)、苯并吩噻嗪盐、卤代氧杂蒽(halogenated xanthene)、方酸。
16.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的染料组：亚甲蓝、甲苯胺蓝O、PP9004、EtNBS、孟加拉玫瑰红(Rose Bengal)、ASQI、锌(II)二甲基吡啶胺二碘-BODIPY和BIMPy-BODIPY。
17.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是过渡金属配位化合物。
18.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述活性剂是过渡金属配位化合物，所述过渡金属配位化合物包括选自由以下组成的组的金属：钌、铑、铂、金和铱。
19.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述纳米颗粒是8PEGA。
20.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述纳米颗粒是BiPEG。
21.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述纳米颗粒包括靶向剂。
22.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述纳米颗粒包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys。
23.根据权利要求1、2和4所述的组合物，其中所述纳米颗粒是8PEGA，其中所述活性剂是Ce6，并且其中所述纳米颗粒包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys。
24.一种具有治疗、成像、诊断和治疗诊断应用的组合物，所述组合物包括：
多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括由PEG组成的骨架材料；
活性剂，所述活性剂附接到所述骨架，由此定义多个纳米构建体；
其中所述多个纳米构建体的窄粒度分布由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义；并且
其中所述多个纳米构建体能够执行治疗、成像、诊断和治疗诊断应用。
25.根据权利要求24所述的组合物，其中n是在约5nm到约25nm的范围内的数字。
26.根据权利要求24所述的组合物，其中n是在约10nm到约20nm的范围内的数字。
27.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂包括光敏剂。
28.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂包括光声剂。
29.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂包括声敏剂。
30.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其包括第二活性剂，其中所述第二活性剂不同于所述活性剂。
31.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其包括第二活性剂，其中所述第二活性剂不同于所述活性剂，并且其中所述第二活性剂附接到所述纳米颗粒。
32.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述纳米构建体包括第二活性剂，其中所述第二活性剂不同于所述活性剂。
33.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：亚甲蓝、二氢卟吩e6(Ce6)、考马斯蓝和金。
34.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂是四吡咯。
35.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：卟啉、二氢卟吩、酞菁和菌绿素。
36.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述活性剂选自由以下组成的组：HPPH、TOOKAD、LUZ 11和BC19卟啉。
37.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述纳米颗粒是8PEGA。
38.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述纳米构建体包括靶向剂。
39.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述构建体包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys。
40.根据权利要求24、25和26所述的组合物，其中所述纳米颗粒是8PEGA，其中所述活性剂是Ce6，并且其中所述纳米构建体包括靶向剂，其中所述靶向剂是F3-cys。
41.一种用于破坏肿瘤细胞的组合物，所述组合物包括：
赋形剂，所述赋形剂包括多个纳米颗粒；
光敏剂，所述光敏剂与所述赋形剂缔合；
其中所述赋形剂包括基本上由PEG组成的骨架；并且
其中所述赋形剂的粒度分布由D10＝n-5、D50＝n、D90＝x+5定义。
42.根据权利要求41所述的组合物，其中，n是在约5nm到约25nm的范围内的数字，其中所述纳米颗粒是8PEGA，并且其中所述活性剂是Ce6。
43.根据权利要求42所述的组合物，其包括靶向剂。
44.根据权利要求43所述的组合物，其中所述靶向剂是F3-cys。
45.一种获得用于指导治疗应用的数据的方法，所述方法包括：
向受试者施用包括多个纳米颗粒的成像剂；
所述纳米颗粒不含重金属；以及
在施用所述成像剂之后对所述受试者执行核磁共振扫描；
其中所述纳米颗粒直接成像；由此提供所述纳米颗粒的MRI以及与所述纳米颗粒和所述受试者有关的数据。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述纳米材料包括PEG。
47.根据权利要求45所述的方法，其中所述纳米颗粒包括8PEGA。
48.根据权利要求45所述的方法，其中所述纳米颗粒定义治疗诊断纳米构建体。
49.根据权利要求45所述的方法，其中所述纳米颗粒定义PDT纳米构建体。
50.根据权利要求45、46、47、48和49所述的方法，其中所述数据鉴定肿瘤的形状和位置。
51.根据权利要求45、46、47、48和49所述的方法，其进一步包括至少部分地使用所述数据来提供PDT。
52.根据权利要求45、46、47、48和49所述的方法，其进一步包括至少部分地使用所述数据来提供PDT；以及在提供所述PDT之后获得所述纳米颗粒的MRI。
53.根据权利要求45、46、47、48和49所述的方法，其进一步包括将所述数据提供到PDT系统。
54.根据权利要求45、46、47、48和49所述的方法，其进一步包括将所述数据提供到病历。
55.一种提供PDT的方法，所述方法包括：
从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来提供PDT；
其中所述纳米颗粒基本上不含重金属。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的重金属。
57.根据权利要求55所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的重金属。
58.根据权利要求55所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的重金属。
59.根据权利要求55所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的重金属。
60.一种提供PDT的方法，所述方法包括：
从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来提供PDT；
其中所述纳米颗粒基本上不含钆。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
62.根据权利要求60所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的钆。
63.根据权利要求60所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的钆。
64.根据权利要求60所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的钆。
65.一种获得用于指导治疗应用的数据的方法，所述方法包括：
向受试者施用包括多个纳米颗粒的成像剂；
所述纳米颗粒基本上不含钆；以及
在施用所述成像剂之后对所述受试者执行核磁共振扫描；
其中所述纳米颗粒直接成像；由此提供所述纳米颗粒的MRI以及与所述纳米颗粒和所述受试者有关的数据。
66.根据权利要求66所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
67.根据权利要求66所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的钆。
68.根据权利要求66所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的钆。
69.根据权利要求66所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的钆。
70.一种开发PDT的方法，所述方法包括：
从受试者中的纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来开发PDT；
其中所述纳米颗粒基本上不含重金属。
71.根据权利要求70所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的重金属。
72.根据权利要求70所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.1ppm的重金属。
73.根据权利要求70所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.01ppm的重金属。
74.根据权利要求70所述的方法，其中所述纳米颗粒具有小于0.001ppm的重金属。
75.根据权利要求71、72、73和74所述的方法，其中对所述PDT的开发包括对光敏剂进行评估。
76.根据权利要求71、72、73和74所述的方法，其中对所述PDT的开发包括对靶向剂进行评估。
77.根据权利要求71、72、73和74所述的方法，其中对所述PDT的开发包括对纳米构建体进行评估。
78.根据权利要求71、72、73和74所述的方法，其中所述数据包括所述纳米颗粒的直接NMR图像。
79.根据权利要求71、72、73和74所述的方法，其中所述受试者选自由动物、哺乳动物和人类组成的组。
80.一种开发疗法的方法，所述方法包括：
从纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来开发疗法；
其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
81.根据权利要求80所述的方法，其中所述疗法的开发包括选自由以下组成的组的评估：药物开发、癌症治疗开发、心脏病状发展、遗传物质分析、反应途径分析和药理学。
82.根据权利要求80和81所述的方法，其中所述纳米颗粒在体内成像。
83.根据权利要求80和81所述的方法，其中所述纳米颗粒在体外成像。
84.一种开发材料的方法，所述方法包括：
从纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来开发材料；
其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
85.一种评估受试者的方法，所述方法包括：
从纳米颗粒的MRI获得数据；以及
至少部分地使用所述数据来评估受试者；
其中所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆。
86.根据权利要求88所述的方法，其中所述受试者选自由以下组成的组：材料、药物、工艺、反应途径和制造方法。
87.一种核磁共振成像剂，所述成像剂包括：
多个纳米颗粒，所述纳米颗粒基本上不含重金属；
包括PEG的纳米颗粒；
其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像。
88.一种核磁共振成像剂，所述成像剂包括：
多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括PEG；
其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像，并且由此产生所述纳米颗粒的图像；并且
其中所述成像剂基本上不含重金属。
89.一种核磁共振成像剂，所述成像剂包括：
多个纳米颗粒，所述纳米颗粒具有小于1ppm的钆；
包括PEG的纳米颗粒；
其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像。
90.一种核磁共振成像剂，所述成像剂包括：
多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒包括PEG；
其中所述纳米颗粒能够通过由磁共振成像系统产生的磁场直接成像，并且由此产生所述纳米颗粒的图像；并且
其中所述成像剂具有小于1ppm的钆。
91.一种成像剂，其包括纳米颗粒，所述纳米颗粒能够通过磁共振成像装置中的磁场直接成像，所述纳米颗粒包括：
纳米构建体，所述纳米构建体包括骨架材料，其中所述骨架材料是非顺磁性的；并且
所述纳米构建体能够通过磁场直接成像。
92.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括约2,000到约5,000个质子；并且其中所述纳米构建体小于25nm。
93.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括约3,600个质子；并且其中所述纳米构建体小于25nm。
94.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括约3,000到约5,000个质子；并且其中所述纳米构建体小于20nm。
95.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括约5,000到约15,000个质子；并且其中所述纳米构建体小于50nm。
96.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括光敏剂。
97.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括靶向剂。
98.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体包括靶向剂和成像剂。
99.根据权利要求91所述的成像剂，其中所述纳米构建体是亲肿瘤的。
100.一种在MRI中执行疗法同时直接获得根据权利要求87到99所述的成像剂或纳米颗粒中的至少一种的图像的方法。
101.根据权利要求100所述的方法，其中所述疗法包括外科手术。
102.根据权利要求100所述的方法，其中所述疗法包括PDT。
103.一种MRI系统，所述系统被配置成产生三个磁场；第一强静态磁场用于在具有自旋角动量的细胞核中产生能级差异并引起体核磁化；第二射频场用于使所产生的核磁化倾斜，使得其能够被RF线圈检测到；第三组磁场梯度用于对信号进行空间编码，以创建核磁化图；所述磁场被配置成产生非水质子的图像，所述非水质子存在于放置在要成像的受试者中的添加剂中；其中可以以特定方式对所述磁场梯度施加脉冲，以使所述细胞核对由于流动或扩散而引起的运动敏感。
104.一种使8PEGA成像剂成像的方法，所述方法包括：提供扩散加权自旋回波成像序列，所述扩散加权自旋回波成像序列具有重复时间TR＝500毫秒、回波时间TE＝200毫秒、幅度Gdiff＝126mT/m的一对扩散编码梯度、持续时间δ＝7.1毫秒并且间隔Δ＝180毫秒，以产生1010s/m2的扩散b值。
105.根据权利要求104所述的方法，其中所述磁场梯度使MR信号强度减弱S(b)＝exp(-bD)，其中
Figure FDA0003061673870000081
106.一种MRI系统，其被配置成使受试者中的基于PEG的成像剂中的质子成像。
107.一种升级MRI的方法，所述方法包括将操作指令添加到所述MRI中的控制系统，其中所添加的操作指令提供用于所述MRI的操作参数以使基于PEG的成像剂中的质子成像。
108.一种获得受试者的MRI图像的方法，所述方法包括：向受试者施用成像剂；以及获得所述受试者的MRI图像；其中所述MRI图像包括所述成像剂中含有的非水基质子的直接图像。
109.根据权利要求108所述的方法，其中所述成像剂是基于PEG的成像剂。
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