CN116099011A - 一种irmof-8或irmof-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IRMOF‑8或IRMOF‑10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用，通过调控有机骨架的结构得到一系列不同孔结构的金属有机骨架纳米粒子，以它们作为超级化氙‑129(129Xe)的载体，即可获得一系列化学位移可区分的超级化129Xe谱学和成像信号，为超灵敏磁共振成像提供了多种合成简单、性质优良的造影剂，有望应用于生物医药领域。

Description

一种IRMOF-8或IRMOF-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用
本发明是分案申请，原中国专利申请号：202010331381.7，申请日：2020年4月24日，申请时专利名称：一种金属有机骨架纳米粒子在超灵敏磁共振成像中的应用。
技术领域
本发明属于磁共振成像技术领域，具体涉及一种IRMOF-8或IRMOF-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用。
背景技术
核磁共振成像(MRI)是基于核磁共振现象的一种影像技术，它没有电离辐射、无侵入性、组织穿透性和空间分辨率高，已作为一种常规检测技术在临床上广泛应用。然而，传统基于1H核检测的MRI灵敏度较低，因为在室温热平衡状态下，只有十万分之一的信号原子能够被直接检测到。通常，被检测物浓度需达到毫摩尔(mM)级才能进行MRI，这极大限制了MRI在分子影像等新兴领域的发展。
超级化氙-129磁共振影像(129Xe MRI)为解决以上问题提供了一种全新的技术手段。超级化技术通过自旋交换光泵，将光子的角动量传递给129Xe原子，使129Xe原子的自旋处于同一方向。相较于热平衡态，超级化技术将磁共振的灵敏度提高了五万倍以上。也就是说，通过超级化技术，1/2的超级化129Xe原子能够被磁共振技术直接探测到。正是由于灵敏度有了极大的提升，弥补肺部空腔质子密度低不能成像的不足，超级化129Xe MRI点亮了传统磁共振盲区——肺部。129Xe具有良好的脂溶性和化学位移敏感性，可用于定量可视化评估肺部疾病患者的通气功能、微结构和气血交换功能的改变。然而，129Xe为化学惰性原子，很难与特定的小分子、蛋白质或RNA等结合。
为赋予129Xe靶向性，研究人员开发了一系列可以捕获129Xe的“笼子”，并通过笼子上连接的靶向性基团实现了129Xe MRI的选择性成像。129Xe进入“笼子”之后，由于化学环境的改变，会得到一个与血液和组织中的自由129Xe原子不同的磁共振信号。微乳、蛋白质、树状大分子等纳米结构的粒子中都有可以供129Xe栖身的空间，但所得到的129Xe磁共振信号宽，难以相互区分。穴番是一种内径约为
Figure BDA0003900739040000021
的超分子，它的内孔恰好可供一个Xe原子进入，能得到一个很强的磁共振信号。然而，穴番价格昂贵、合成困难，且不溶于水，生物兼容性差，很难应用于分子探针领域。迄今为止，仍未找到一种合适的“笼子”供129Xe栖身，也还没有任何关于129Xe分子探针在动物活体水平的报道。因此，只有开发合适的“笼子”，才能使129Xe磁共振这种无放射性、无侵入性、无深度限制的超灵敏成像新技术更好的为生物医学服务。
金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOF)是一种由无机金属中心与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料，已在气体分离、能量存储、药物递释和生物成像等领域中得到广泛的研究。与其他多孔材料相比，MOF的孔结构可通过设计起始金属中心和有机配体得到精确地控制。若能通过精确设计和控制得到与“穴番”类似的孔结构，则能解决Xe笼子信号差和获取难得问题。此外，129Xe原子对周围环境十分敏感：传统1H NMR的化学位移谱宽度约为20ppm，而129Xe的化学位移谱宽度则超过5000ppm。因此，若有多个129Xe磁共振信号，它们将会更加容易被区分，成像信噪比也会更好。
发明内容
基于以上论述，本发明通过调节MOF的有机配体结构，设计和获得了一系列可用于129Xe MRI的MOF纳米粒子。它们不但能作为笼子捕获129Xe，从而得到与自由Xe信号完全分开的磁共振信号，而且每两种MOF纳米粒子的129Xe磁共振信号之间间隔都超过9ppm，129Xe在每种MOF纳米粒子中的信号也能完全分开。因此，本发明将提供多种不同的载体笼子，为129Xe MRI的进一步应用提供新工具。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种IRMOF-8或IRMOF-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用，其特征在于：以超极化129Xe作为磁共振成像的信号源，金属有机骨架纳米粒子为超极化129Xe的载体，所述金属有机骨架纳米粒子为IRMOF-8或IRMOF-10，将IRMOF-8或IRMOF-10分散到样品溶液当中，使129Xe气体流经极化装置后，直接通入所述样品溶液中，停止通气后待清除气泡，进行Hyper-CEST成像获得待测物体内所述的不同超极化129Xe的载体的磁共振成像信号，核磁共振谱仪温度控制在常温；
所述IRMOF-8、IRMOF-10分别由2,6-萘二羧酸、4,4’-联苯二甲酸，与Zn(NO3)2·6H2O和聚乙烯吡咯烷酮溶于DMF和乙醇的混合液中，超声分散，所得混合液于高压反应釜中150℃反应12小时，反应完后梯度降温至室温，然后将反应液离心，弃去上清液，用DMF和乙醇清洗离心所得白色固体制得。
进一步地，所述样品溶液同时含有IRMOF-8和IRMOF-10，
将IRMOF-8和IRMOF-10一起分散到一份样品溶液当中，使129Xe气体流经极化装置后，直接通入所述样品溶液中，停止通气后待清除气泡，进行Hyper-CEST谱学和成像测试，核磁共振谱仪温度控制在常温，在一个磁共振谱中可获得两种化学位移可区分的129Xe信号，并在两种化学位移下均能得到相应的磁共振成像信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1.对比传统MRI较低的灵敏度(毫摩尔级)，本技术中所使用的超灵敏129Xe MRI的灵敏度可达纳摩尔(nM)，比传统MRI低了6个数量级。超灵敏129Xe MRI更适于进行分子影像学研究。
2.其他已报道过的载Xe笼子，如穴蕃、CB6、微乳等，仅能得到一个信号，或相差很小且难以区分的两个信号。而可通过合理的分子设计，可得到化学结构相近但有些微别的MOF，129Xe在各种MOF中的信号相差可大于9ppm，信号易于区分。
3.对比传统的“穴番”笼子，MOF合成工艺简单、产率高、稳定性好，有大规模应用的潜力。
4.对比其他已报道的纳米级的笼子，如微乳、蛋白、树状大分子等，129Xe在MOF中的信号峰更窄且更加稳定。
5.目前研究最为广泛的载体“穴番”可提供疏水性内孔供129Xe交换，其内径为
Figure BDA0003900739040000041
通过调节芳香羧酸配体的结链长，可获得微孔内径为
Figure BDA0003900739040000042
的IRMOF纳米粒子，且其微孔也是疏水性的，因此IRMOF可提供类似于“穴番”的微孔结构供129Xe交换。此外，与其他介孔结构纳米材料相比，IRMOF的孔结构规则，可提供一种单一的微环境，因此得到的129Xe磁共振信号窄且强；
如IRMOF-8、IRMOF-10具有无机基团Zn4O(CO2)6和二羧酸配体：2,6-萘二羧酸、4,4’-联苯二甲酸，羧酸配体的结构链长相近，因此IRMOF-8、IRMOF-10的微孔内径相近。
而ZIF-8是一种沸石咪唑骨架材料，ZIF-s是有金属Zn离子与甲基咪唑酯中的N原子相连形成的ZnN4四面体结构单元，ZIF-8的有机框架为五元芳杂环的2-甲基咪唑，具有多级微孔，主要为0.4～0.7nm和0.75～1.0nm的2种微孔，得到的纳米材料微孔结构和化学环境较为单一，不能设计调整ZIF-s的孔结构、大小及化学环境。而IRMOF的有机骨架为对苯二甲酸及其延伸结构，如萘二甲酸、联苯二甲酸等，通过控制苯环结构的链长，可得到一系列孔结构、大小、化学环境相差较大的有机金属骨架纳米粒子，因此能得到多种化学位移值相差大、信号易区分的129Xe MRI造影剂。
附图说明
图1为对比例制得的金属有机骨架纳米粒子IRMOF-8的Hyper-CEST图谱；
图2为对比例制得的金属有机骨架纳米粒子IRMOF-10的Hyper-CEST图谱；
图3金属有机骨架纳米粒子IRMOF-1的Hyper-CEST图谱；
图4金属有机骨架纳米粒子IRMOF-8的Hyper-CEST图谱；
图5金属有机骨架纳米粒子IRMOF-10的Hyper-CEST图谱；
图6控制金属有机骨架纳米粒子骨架结构，获得不同超灵敏磁共振的Hyper-CEST成像信号。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
以下实施例中所采用的主要试剂、仪器、物理量如下：
金属有机骨架纳米粒子的制备方法参照文献(Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,429–433)合成。
核磁共振仪(400MHz Bruker AV400 wide bore spectrometer)。
ppm指化学位移单位，现采用相对数值表示法，即选用一个标准物质，以该标准物的共振吸收峰所处位置为零点，其它吸收峰的化学位移值根据这些吸收峰的位置与零点的距离来确定。
化学位移值普遍采用无量纲的δ值表示，其定义为：
Figure BDA0003900739040000061
极化度定义为自旋取向相反的两个能级布局之差，即P＝(N1–N2)/(N1+N2)其中，N1和N2分别为两个自旋能级M1＝-1/2，M2＝1/2的布局数。
对比例1
IRMOF-8的制备：
准确量的2,6-萘二甲酸(2,6H2NDC)(0.012g，0.055mmol)和硝酸锌四水合物Zn(NO3)2.4H2O(0.110g，0.42mmol)溶解在10ml DEF中并在加热到95℃20小时，然后以1℃/min的速率冷却至室温。过滤所得的样品(83％)，并用DEF(3×5mL)洗涤，得到IRMOF-8。
IRMOF-10的制备：
准确量的4,4'联苯二甲酸(4,4'-BPDCH2)(0.005g，0.02mmol)和硝酸锌四水合物Zn(NO3)2.4H2O(0.031g，0.12mmol)将其溶于16ml DEF中，并置于衬有Parr Teflon的不锈钢容器(23mL)中。将容器密封并以恒定速率(2℃/min)加热至85℃20h，然后以1℃/min的速率冷却至室温。过滤所得的样品(52％)，并用DEF(3×5mL)洗涤，得到IRMOF-10。
将所得到的IRMOF-8、IRMOF-10纳米粒子分别加入于2mL乙醇中，在室温(25℃)下超声20min，使IRMOF-8、IRMOF-10纳米粒子充分分散，然后将混匀后的两份样品分别转移至两个10mm核磁样品管，将两份核磁样品管置于磁共振谱仪中进行测试实验。
Xe气经CN102364333B记载的永磁极化器进行超极化，获得极化度为10％的超极化129Xe气体。测试时，体积百分比为10％ N2，88％ He，2％ Xe(天然丰度)的混合气成分在流经永磁极化器之后，通入置于核磁共振谱仪中分别装有IRMOF-8、IRMOF-10分散溶液的两个核磁样品管，设置流速为100mL/min，持续通气20s，通气结束后，等待3s时间清除气泡。接着使用强度为6.0μT、持续时间为5s的连续波脉冲选择性饱和IRMOF-1纳米粒子内Xe的信号，然后开始采谱。测试温度利用核磁共振仪自带温度控制单元控制温度在298K，试验所选择谱宽为80pm，饱和照射范围为-20ppm-60ppm，饱和照射脉冲强度为6.5μT，每隔1ppm取一个点，各点分别饱和照射10s。
每个Xe谱由单次采样获得，并使用6Hz的LB窗函数进行处理。Xe谱中将溶解态129Xe信号定标为0ppm。对溶解态129Xe信号进行积分，记录其积分值为Mz，关闭饱和照射脉冲后采集129Xe谱，对溶解态129Xe信号进行积分，记录其积分值M0，然后以Mz/M0为纵坐标，以饱和照射位点为横坐标进行作图，即可得到Hyper-CEST谱图。
实验结果：分别如图1和图2所示，IRMOF-8和IRMOF-10纳米粒子均未观察到Hyper-CEST效果。与0ppm处的溶解态自由129Xe相比，IRMOF-8和IRMOF-10纳米粒子中129Xe无Hyper-CEST信号。
吸附在对比例制备的IRMOF-8和IRMOF-10骨架中的129Xe没有观察到Hyper-CEST信号的原因是：对比例中制备IRMOF-8和IRMOF-10的溶剂为DEF，并非模板剂，而在MOFs材料得到介孔或大孔结构的同时满足MOFs的结构稳定，孔径越大，材料本身的框架就越容易坍塌。IRMOF-8\10立方结构由两种不同苯环取向的笼状物组成,其中一个保持架的苯环面朝向立方空腔的中心，a-保持架；另一个保持架的苯环边缘指向中心，b型保持架；a型笼的角落为Xe吸附提供了理想的位置，对比例1制备的IRMOF-8和IRMOF-10的A形笼可能坍塌导致IRMOF-8和IRMOF-10在常温下不能吸附129Xe。
实施例1
金属有机骨架纳米粒子IRMOF-1的Hyper-CEST谱学测试。
实验方法：
具体的实验步骤如下：
1.1称取5mg对苯二甲酸,24mg Zn(NO3)2·6H2O and 312mg聚乙烯吡咯烷酮溶于13.5mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇的混合液中，超声10分钟。所得混合液于25mL高压反应釜中150℃反应12小时。反应完后梯度降温至室温，然后将反应液以10000rmp离心15分钟，弃去上清液，用DMF和乙醇清洗离心所得白色固体各3次。所得到的纳米粒子被命名为IRMOF-1。
1.2将1.1中所得到的IRMOF-1纳米粒子加入于2mL乙醇中，在室温(25℃)下超声20min，使IRMOF-1纳米粒子充分分散，然后将混匀后的样品转移至10mm核磁样品管，将核磁样品管置于磁共振谱仪中进行测试实验。
1.3Xe气经CN102364333B记载的永磁极化器进行超极化，获得极化度为10％的超极化129Xe气体。测试时，体积百分比为10％ N2，88％ He，2％Xe(天然丰度)的混合气成分在流经永磁极化器之后，通入置于核磁共振谱仪中装有IRMOF-1分散溶液的核磁样品管，设置流速为100mL/min，持续通气20s，通气结束后，等待3s时间清除气泡。接着使用强度为6.0μT、持续时间为5s的连续波脉冲选择性饱和IRMOF-1纳米粒子内Xe的信号，然后开始采谱。测试温度利用核磁共振仪自带温度控制单元控制温度在298K，试验所选择谱宽为80pm，饱和照射范围为-20ppm-60ppm，饱和照射脉冲强度为6.5μT，每隔1ppm或者2ppm取一个点，各点分别饱和照射10s。
每个Xe谱由单次采样获得，并使用6Hz的LB窗函数进行处理。Xe谱中将溶解态129Xe信号定标为0ppm。对溶解态129Xe信号进行积分，记录其积分值为Mz，关闭饱和照射脉冲后采集129Xe谱，对溶解态129Xe信号进行积分，记录其积分值M0，然后以Mz/M0为纵坐标，以饱和照射位点为横坐标进行作图，即可得到Hyper-CEST谱图。
实验结果：如图3所示，IRMOF-1纳米粒子具有较好的Hyper-CEST效果。与0ppm处的溶解态自由129Xe相比，IRMOF-1纳米粒子中129Xe的Hyper-CEST信号位于48ppm处。
实施例2
调控金属有机骨架纳米粒子骨架结构获得多种超灵敏磁共振谱学信号
实验方法：
具体的实验步骤如下：
2.1称取6.5mg 2,6-萘二羧酸,24mg Zn(NO3)2·6H2O and 312mg聚乙烯吡咯烷酮溶于13.3mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇的混合液中，超声10分钟。所得混合液于25mL高压反应釜中150℃反应12小时。反应完后梯度降温至室温，然后将反应液以10000rmp离心15分钟，弃去上清液，用DMF和乙醇清洗离心所得白色固体各3次。所得到的纳米粒子被命名为IRMOF-8。
2.2称取7.3mg 4,4’-联苯二甲酸,24mg Zn(NO3)2·6H2O and 312mg聚乙烯吡咯烷酮溶于13.3mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇的混合液中，超声10分钟。所得混合液于25mL高压反应釜中150℃反应12小时。反应完后梯度降温至室温，然后将反应液以10000rmp离心15分钟，弃去上清液，用DMF和乙醇清洗离心所得白色固体各3次。所得到的纳米粒子被命名为IRMOF-10。
2.3将2.1和2.2中所得到的IRMOF-8和IRMOF-10纳米粒子分别加入于2mL乙醇中，在室温(25℃)下分别超声20min，使IRMOF-8和IRMOF-10纳米粒子分别充分分散，然后将混匀后的样品转移至10mm核磁样品管，将核磁样品管置于磁共振谱仪中进行测试实验；
2.4根据实施例1中步骤1.3中描述，分别进行IRMOF-8和IRMOF-10的超级化129XeHyper-CEST谱学测试。
实验结果：如图4和图5所示，IRMOF-8和IRMOF-10纳米粒子都具有较好的Hyper-CEST效果。与0ppm处的溶解态自由129Xe相比，IRMOF-8纳米粒子中129Xe的Hyper-CEST信号位于17ppm处，IRMOF-10纳米粒子中129Xe的Hyper-CEST信号位于26ppm处。IRMOF-1(图1)纳米粒子中129Xe的信号位于48ppm处，已经得到了三组不同的129Xe在金属有机骨架纳米粒子中的超级化129Xe Hyper-CEST。因此，以金属有机骨架纳米粒子为载体，不但能获得区别于溶解态129Xe的新Hyper-CEST信号，通过设计和控制骨架结构其，还能获得多种差值大、易于区分的Hyper-CEST信号。
实施例3
调控金属有机骨架纳米粒子骨架结构获得多种超灵敏磁共振成像信号
实验方法：
具体的实验步骤如下：
3.1将实施例1的步骤1.1、实施例2的步骤2.1和步骤2.2中所得到的IRMOF-1、IRMOF-8和IRMOF-10分别分散于2mL乙醇，超声20分钟后，转移至10mm核磁样品管。
3.2在成像谱仪中进行调谐，匀场，采集定位像，选择合适的层和层厚。
3.3如实施例1的步骤1.1中所描述，129Xe气体流经极化装置后，直接通入装有IRMOF-1、IRMOF-8、IRMOF-10的分散溶液的核磁样品管，流速为100mL/min，持续通气20s。通气结束后，等待3s时间清除气泡。129Xe MRI使用RARE序列进行采样，重复采样4次，层厚30mm，采样矩阵30×32，FOV为20×20mm2，回波时间4.6ms，重复时间28ms，加速因子8，K空间采用中心编码方式编码；采样时，先使用6.5μT的饱和脉冲饱和照射笼内129Xe信号5s，获得饱和图像；之后再利用相同的脉冲饱和照射笼内129Xe信号对称位置(以溶解态129Xe为对称中心)获得未饱和图像。
3.4数据处理时32×32的采样矩阵插值为64×64，平均CEST效果使用公式(Soff-Son)/Soff计算得出，其中Soff表示off-resonance图像平均信号强度，Son表示on-resonance图像平均信号强度。使用Matlab程序进行数据处理和图像重建，以未饱和图像与饱和图像的差值除以未饱和图像，重建即得Hyper-CEST图像。CEST效果图之后使用3*3中值滤波，并使用阈值进行分割。
实验结果：如图6所示，对IRMOF-1、IRMOF-8和IRMOF-10溶液分别在48ppm,26ppm,17ppm处进行饱和照射：IRMOF-1只在其特征值48ppm处有明显的信号，在26ppm信号十分微弱，而在与其特征值相差较远的17ppm处则完全没有信号；IRMOF-8只在其特征值17ppm处有明显的信号，在26ppm信号十分微弱，而在与其特征值相差较远的48ppm处则完全没有信号；IRMOF-10只在其特征值26ppm处有明显的信号，在17ppm和48ppm的信号都十分微弱。
实施例2～实施例3制得的IRMOF—8和IRMOF—10中的129Xe磁共振信号之间间隔可以超过9ppm，129Xe在这两种MOF纳米粒子中的信号可以完全分开。且298K属于常温环境，更有利于IRMOF-8、IRMOF-10应用于磁共振成像的推广和应用。

Claims (2)

1.一种IRMOF-8或IRMOF-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用，其特征在于：以超极化129Xe作为磁共振成像的信号源，金属有机骨架纳米粒子为超极化129Xe的载体，所述金属有机骨架纳米粒子为IRMOF-8或IRMOF-10，将IRMOF-8或IRMOF-10分散到样品溶液当中，使129Xe气体流经极化装置后，直接通入所述样品溶液中，停止通气后待清除气泡，进行Hyper-CEST成像获得待测物体内所述的不同超极化129Xe的载体的磁共振成像信号，核磁共振谱仪温度控制在常温；
所述IRMOF-8、IRMOF-10分别由2,6-萘二羧酸、4,4’-联苯二甲酸，与Zn(NO3)2·6H2O和聚乙烯吡咯烷酮溶于DMF和乙醇的混合液中，超声分散，所得混合液于高压反应釜中150℃反应12小时，反应完后梯度降温至室温，然后将反应液离心，弃去上清液，用DMF和乙醇清洗离心所得白色固体制得。
2.根据权利要求1所述的IRMOF-8或IRMOF-10在常温条件下在超灵敏磁共振成像中的应用，其特征在于：所述样品溶液同时含有IRMOF-8和IRMOF-10。
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