CN115282295B - 一种多功能集成的磁共振造影剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型多功能集成的磁共振造影剂的制备方法及应用，涉及生物医学工程领域，磁共振造影剂内核为氟化碳纳米材料，氟化碳纳米材料表面有氨基醇和氮氧自由基。制备方法包括：S10、配制氟化碳纳米材料的乙醇分散液；S20、配制氮氧自由基的乙醇溶液和氨基醇的乙醇溶液；S30、在所述氟化碳纳米材料乙醇分散液中加入氮氧自由基的乙醇溶液；S40、加入所述氨基醇的乙醇溶液，S50、反应结束后离心洗涤，得到的沉淀物干燥，即得磁共振造影剂。氮氧自由基首选具有良好自由基稳定性和生物安全性的4‑氨基‑TEMPO；改善水分散性的氨基醇类化合物首选具有生物相容性和生物安全性的三羟甲基氨基甲烷。

Description

一种多功能集成的磁共振造影剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种新型多功能集成的磁共振造影剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着现代科技的发展，人们可以通过一些物理手段获取人体内部的图像，从而能够更为精确地诊断和监测病理发展进程，指导临床采取积极干预措施。比如常用的X光、CT、超声、磁共振等成像方法，不仅可以获得人体的内部构造图像，还可以获取生命活动过程的影像。但现有成像方法并非完美无缺，仍存在一些缺点。例如，光学成像的测试深度有限，而超声波和光声成像不能提供精确的组织解剖信息。放射成像则是涉及到使用放射性物质，并且分辨率较差。
磁共振成像通常需要注入外源性造影剂(CAs)增加图像的对比度以提高诊断的准确性。但大量研究表明，钆基造影剂具有潜在的肾脏等安全性风险，并且没有靶向选择性。
一系列特异性疾病标志物的发现为分子水平的成像技术的发展提供了可能，从而为疾病的快速诊断与实时干预提供了新的见解。分子成像技术可更深层次地揭示生理和病理过程的机制，并对疾病的诊断及其治疗进行实时动态、细致、无创、靶向性的探测和跟踪提供有效手段。其中活性氧自由基(ROS)是一类广泛存在于生物体内的单电子还原产物，由于病变细胞增殖而导致的代谢异常加速使得细胞呼吸过程负荷增加从而产生过量的ROS。但ROS的寿命短、反应活性高的特点使得原位评估ROS的含量及其分布较为困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种兼具优异水分散性、生物相容性、ROS响应和磁共振成像增强的非金属基造影剂。本发明的另一个目的，在于提供所述造影剂的制备方法及其应用，为实现ROS相关疾病的早期诊断和治疗提供了可能。
一种新型的多功能集成的磁共振造影剂，该造影剂以氟化碳纳米材料为载体，表面修饰一定比例的氮氧自由基和氨基醇。
磁共振造影剂内核为氟化碳纳米材料，所述氟化碳纳米材料表面有多元羟基和氮氧自由基。
优选的，所述氟化碳纳米材料表面的氨基醇和氮氧自由基比例为0-20％。
一种新型多功能集成的磁共振造影剂的制备方法包括：
S10、配制氟化碳纳米材料的乙醇分散液，得到氟化碳纳米材料乙醇分散液，反应体系温度为在-80至80℃；
S20、配制氮氧自由基的乙醇溶液和氨基醇的乙醇溶液；
S30、在所述氟化碳纳米材料乙醇分散液中滴加氮氧自由基的乙醇溶液，得到第一反应液；
S40、在所述第一反应液中滴加所述氨基醇的乙醇溶液，得到第二反应液；
S50、将所述第二反应液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥，既得磁共振造影剂。
优选的，所述氟化碳纳米材料选自氟化石墨烯、氟化氧化石墨烯、氟化石墨烯量子点、氟化富勒烯中的一种。
优选的，所述氮氧自由基选自4-氨基-TEMPO、4-乙酰氨基-TEMPO、6-氨基-1,1,3,3-四甲基-1H-苯并[de]异喹啉-2(3H)-氧基、3-氨基甲酰基-2,2,5,5-四甲基吡咯烷-1-氧基、3-氨基甲酰-2,2,5,5-四甲基吡咯啉-1-氧基中的一种。
TEMPO为2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。
优选的，所述氨基醇选自三羟甲基氨基甲烷、乙醇胺、2-氨基-1,3-丙二醇、3-氨基-1,2-丙二醇、2-氨基-1,3-丁二醇中的一种。
优选的，所述氟化碳纳米材料的乙醇分散液的质量浓度为0.5-5mg/mL。
优选的，所述的氟化碳纳米材料中氟、碳两种元素的组成比例x，所述x0<x<1。
优选的，所述氟化碳纳米材料与氮氧自由基、氨基醇的质量比为0.5-10：0-5：1-3。
上述新型多功能集成的磁共振造影剂可以用于磁共振成像及诊断治疗ROS相关疾病的应用。
该磁共振造影剂具有(1)捕获和清除ROS能力的氮氧自由基；(2)磁共振增强成像的碳氟键；(3)改善水分散性的氨基醇。
一种新型多功能集成的磁共振造影剂的应用，所述磁共振造影剂用于磁共振成像，实现对ROS相关疾病的早期诊断和治疗的效果，避免了重金属(如钆等)基造影剂引起的安全性问题，具有潜在的应用前景。
有益效果
与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明氟化碳纳米材料首选含氧基团较多的材料；氮氧自由基及其衍生物具有良好自由基稳定性和生物安全性；改善水分散性的氨基醇，所述结合方式为化学结合。
2、本发明造影剂不含有钆等重金属，分散稳定性良好，合成工艺简单，同时具有捕获和清除ROS的效果，在氧化应激相关疾病的早期诊断和治疗方面具有潜在的应用前景。
3、本发明提供一种兼具优异水分散性、生物相容性、ROS响应和磁共振成像增强的非金属基造影剂。
附图说明
图1为所述磁共振造影剂的制备流程图。
图2为所述磁共振造影剂多功能集成的示意图。
图3A为实施例1、2和3制备所得造影剂在不同浓度下的磁共振造影成像图。
图3B为实施例1、2和3制备所得造影剂的弛豫速率与溶液中氟元素浓度的关系曲线图。
图4为实施例1制备所得磁共振造影剂(RCMN-1)静脉注入患ROS相关疾病的小鼠体内后在不同时间点的心脏磁共振T2黑血图像(4A)和定量分析图(4B)。
图5为连续打药(PBS或RCMN-1)三周后，注射造影剂0和30分钟时的磁共振T2黑血图像图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
4-氨基-TEMPO,乙醇胺和三羟甲基氨基甲烷购自Adamas；无水乙醇购自科隆化学品有限公司；氧化石墨烯购自苏州碳丰公司。本发明的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试剂，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1：RCMN-1
通过直接气相氟化的方式将原始碳纳米材料氟化制得氟碳比为0.13的氟化碳纳米材料(FCN-1)，配置1mg/mL的氟化碳纳米材料的乙醇溶液，超声后，开启搅拌混合均匀，并使体系温度维持在-45℃。分别将4-氨基-TEMPO(AT)、三羟甲基氨基甲烷(THAM)，氟化碳纳米材料按照质量比5:3:10配置对应的AT/THAM的乙醇溶液，待用。首先将AT的乙醇溶液加入到反应体系中，维持-45℃反应1h；再加入配制的THAM的乙醇溶液，继续维持-45℃，反应1h,反应结束后，用无水乙醇多次离心洗涤，将分离得到的沉淀物室温真空干燥，即制得目标的磁共振造影剂(RCMN-1)。氮氧自由基、氨基醇的比例约为3％。
图1展示了本实施例对应的反应流程。由图可以看出，制备目标造影剂首先需制得符合要求的氟化碳纳米材料，然后再通过化学作用，将氮氧自由基(此处为AT)和氨基醇(此处为THAM)修饰到氟化碳纳米材料的表面。
图2展示了实施例中不同组分的功能。
图3展示出实施例1所得目标造影剂RCMN-1呈现出明显的磁共振成像效果。
实施例2：RCMN-2
通过直接气相氟化的方式将原始碳纳米材料氟化制得氟碳比为0.15的氟化碳纳米材料(FCN-2)，配置1mg/mL的氟化碳纳米材料的乙醇溶液，超声后，开启搅拌混合均匀，并使体系温度维持在-45℃。分别将4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(AT)、三羟甲基氨基甲烷(THAM)，氟化碳纳米材料按照质量比5:4:10配置对应的AT/THAM的乙醇溶液，待用。首先将AT的乙醇溶液加入到反应体系中，反应1h；再加入配制的THAM的乙醇溶液，反应1h,反应全程维持在-45℃，结束后，用无水乙醇多次离心洗涤，将分离得到的沉淀物室温真空干燥，即制得目标的磁共振造影剂(RCMN-2)。氮氧自由基、氨基醇的比例约为3％。
图3展示出实施例2所得目标造影剂RCMN-2也呈现出明显的磁共振成像效果。
实施例3：RCMN-3
通过直接气相氟化的方式将原始碳纳米材料氟化制得氟碳比为0.22的氟化碳纳米材料(FCN-3)，配置1mg/mL的氟化碳纳米材料的乙醇溶液，超声后，开启搅拌混合均匀，并使体系温度维持在-45℃。分别将4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(AT)、三羟甲基氨基甲烷(THAM)，氟化碳纳米材料按照质量比5:4:10配置对应的AT/THAM的乙醇溶液，待用。首先将AT的乙醇溶液加入到反应体系中，反应1h；再加入配制的THAM的乙醇溶液，反应1h,反应全程维持在-45℃，结束后，用无水乙醇多次离心洗涤，将分离得到的沉淀物室温真空干燥，即制得目标的磁共振造影剂(RCMN-3)。氮氧自由基、氨基醇的比例约为4％。
图3展示出实施例3所得目标造影剂RCMN-3类似呈现出明显的磁共振成像效果，但效果较差。
图3A为实施例1、2和3制备所得造影剂在不同浓度下的磁共振造影成像图(其中浓度由高到低依次为2mg/mL、1.5mg/mL、1mg/mL、0.75mg/mL、0.5mg/mL,0.25mg/mL和0mg/mL)。
图3B为实施例1、2和3制备所得造影剂的弛豫速率与溶液中氟元素浓度的关系曲线，较好地满足了线性关系。
实施例4：
通过直接气相氟化的方式将原始碳纳米材料氟化制得氟碳比为0.95的氟化碳纳米材料，配置2mg/mL的氟化碳纳米材料的乙醇溶液，超声后，开启搅拌混合均匀，并使体系温度维持在-78℃。分别将4-氨基-TEMPO(AT)、三羟甲基氨基甲烷(THAM)，氟化碳纳米材料按照质量比1:1:1配置对应的AT/THAM的乙醇溶液，待用。首先将AT的乙醇溶液加入到反应体系中，反应0.5h；再加入配制的THAM的乙醇溶液，反应1h,反应全程维持在-78℃，结束后，用无水乙醇多次离心洗涤，将分离得到的沉淀物室温真空干燥，即制得目标的磁共振造影剂。氮氧自由基、氨基醇的比例约为2％。
实施例5：
通过直接气相氟化的方式将原始碳纳米材料氟化制得氟碳比为0.5的氟化碳纳米材料，配置0.5mg/mL的氟化碳纳米材料的乙醇溶液，超声后，开启搅拌混合均匀，并使体系温度维持在80℃。分别将4-氨基-TEMPO(AT)、乙醇胺，氟化碳纳米材料按照质量比1:1:5配置对应的AT/乙醇胺的乙醇溶液，待用。首先将AT的乙醇溶液加入到反应体系中，反应0.5h；再加入配制的乙醇胺的乙醇溶液，反应1h,反应全程维持在80℃，结束后，用无水乙醇多次离心洗涤，将分离得到的沉淀物室温真空干燥，即制得目标的磁共振造影剂。氮氧自由基、氨基醇的比例约为7％。
效果实施例
以下通过实验数据进一步证明本发明的有益效果。
效果实施例1：RCMN-1的显影诊断作用
利用异氟醚麻醉患有ROS相关疾病(此处为糖尿病心肌病)的小鼠，7.0T磁共振成像仪设备(NOVA 7T.Time Medical Systems，Ltd.)用于收集麻醉和固定后的心脏部位的MRI成像信息。定位小鼠心脏后，收集给药前的T2黑血和T2 mapping序列作为基本信息，然后通过小鼠尾静脉以5μL/g(RCMN-1/体重)的剂量给药，给药后1个半小时内连续收集T2和T2 mapping图像用于分析(FOV:40×40，层厚为1.0毫米,层间距为0.2毫米，偏转角度为30°，平均激励次数为3，数据矩阵为192×192)。
图4展示了将RCMN-1注射到患病小鼠体内后在不同时间点扫描的心脏磁共振T2黑血图像(4A)和定量分析(4B)。容易看出，T2黑血的信号值在30分钟时达到最小值，降低了约50％，即实现了磁共振探针在心脏部位的临时性富集；随着血液循环和新陈代谢，T2黑血值随后逐渐恢复到正常状态。
效果实施例2：RCMN-1的治疗效果
以10μL/g(PBS或RCMN-1/体重)的剂量给药,通过小鼠尾静脉每天两次注入到患病(此处为糖尿病心肌病)小鼠体内，连续给药3周。利用异氟醚麻醉患病的小鼠，7.0T磁共振成像仪设备(NOVA 7T.Time Medical Systems，Ltd.)用于收集麻醉和固定后的心脏部位的MRI成像信息。定位小鼠心脏后，收集给药前的T2黑血序列作为基本信息，然后通过小鼠尾静脉以5μL/g(RCMN-1/体重)的剂量给药，收集给药后半小时的T2黑血序列图像用于分析(FOV:40×40，层厚为1.0毫米,层间距为0.2毫米，偏转角度为30°，平均激励次数为3，数据矩阵为192×192)。
图5展示了连续打药三周后的小鼠MRI图像。可以看出，打药RCMN-1三周后的小鼠在注射造影剂30分钟时的图像明显浅于对照组(PBS)，即连续打药RCMN-1后一定程度上缓解了小鼠的氧化应激，使得更少的造影剂滞留在心脏部位。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种多功能集成的磁共振造影剂，其特征在于，所述磁共振造影剂内核为氟化碳纳米材料，所述氟化碳纳米材料表面有氨基醇和氮氧自由基；
所述氟化碳纳米材料选自氟化石墨烯、氟化氧化石墨烯、氟化石墨烯量子点、氟化富勒烯中的一种；
所述氮氧自由基选自4-氨基-TEMPO、4-乙酰氨基-TEMPO、6-氨基-1,1,3,3-四甲基-1H-苯并[de]异喹啉-2(3H)-氧基、3-氨基甲酰基-2,2,5,5-四甲基吡咯烷-1-氧基、3-氨基甲酰-2,2,5,5-四甲基吡咯啉-1-氧基中的一种；
所述氨基醇选自三羟甲基氨基甲烷、乙醇胺、2-氨基-1,3-丙二醇、3-氨基-1,2-丙二醇、2-氨基-1,3-丁二醇中的一种。
2.如权利要求1所述的一种多功能集成的磁共振造影剂，其特征在于，所述氟化碳纳米材料表面的氨基醇和氮氧自由基比例为0-20％。
3.如权利要求1所述的一种多功能集成的磁共振造影剂的制备方法，其特征在于，包括：
S10、配制氟化碳纳米材料的乙醇分散液，得到氟化碳纳米材料乙醇分散液，反应体系温度为在-80至80℃；
S20、配制氮氧自由基的乙醇溶液和氨基醇的乙醇溶液；
S30、在所述氟化碳纳米材料乙醇分散液中滴加氮氧自由基的乙醇溶液，得到第一反应液；
S40、在所述第一反应液中滴加所述氨基醇的乙醇溶液，得到第二反应液；
S50、将所述第二反应液离心洗涤，将得到的沉淀物干燥，即得磁共振造影剂。
4.如权利要求3所述的一种多功能集成的磁共振造影剂的制备方法，其特征在于，所述氟化碳纳米材料的乙醇分散液的质量浓度为0.5-5mg/mL。
5.如权利要求3所述的一种多功能集成的磁共振造影剂的制备方法，其特征在于，所述的氟化碳纳米材料中氟、碳两种元素的组成比例为x，0<x<1。
6.如权利要求3所述的一种多功能集成的磁共振造影剂的制备方法，其特征在于，所述氟化碳纳米材料与氮氧自由基、氨基醇的质量比为0.5-10：0-5：1-3。
7.如权利要求1-2所述任一一种多功能集成的磁共振造影剂在制备磁共振成像及诊断治疗ROS相关疾病的药物中的应用。
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