JP2021098684A - pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤及びその調製方法 - Google Patents

pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤及びその調製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤及びその調製方法の提供。【解決手段】造影剤は、19F信号及びCESTデュアル信号を有するデュアルモーダルナノ粒子造影剤(19F−CEST)であり、pH・酸素の二重感度のCEST造影剤である。調製方法は、複数種のリン脂質系界面活性剤とコレステロールを均一に混合し、リン脂質系界面活性剤のブレンドを得て、クロロホルム又はクロロホルムとメタノールの混合溶媒で溶解し、ローダミンを加えた後、ロータリーエバポレーターによって乾固するまで蒸発し、40℃の真空オーブンで一晩乾燥させ、最後に機械分散又は超音波振盪の方式でグリセリンを加えた水に分散させ、脂質修飾体を得るステップと、パーフルオロカーボン、該脂質修飾体、グリセリン、水を混合して、プローブを用いて超音波で均一に混合し、押出機で押し出す、パーフルオロカーボンナノエマルションを調製するステップを含む。【選択図】図1

Description

本発明は、磁気共鳴イメージングの技術分野に属し、特にpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法、及びそれにより得られた二重感度造影剤に関する。
病理組織(例えば、炎症、感染、腫瘍組織)は、pH、温度、周囲の環境などが、正常組織とは大きく異なっている。
CEST化学交換飽和移動(Chemical Exchange Saturation Transfer、CEST)イメージングの基本原理は、交換可能なプロトンプールにプレ飽和パルス(Radio Frequency、RF)を印加して、交換可能なプール内の水素プロトンを飽和させ、次に、飽和水素プロトンを、周囲のフリープール内の水素プロトンと化学交換することにより、水の信号を低減させることである。したがって、水分子信号の変化を検出することで、生体高分子の濃度や代謝などの情報を間接的に反映することができる。生体内の高分子溶質又は代謝産物の濃度は一般に低い(マイクロモル又はミリモル)ため、一般的なMR画像で信号を観察することは困難である。しかし、化学交換飽和移動は実際に信号増幅の役割を果たし、低濃度の溶質又は代謝産物に関する情報を検出可能にする。
一般に、CESTイメージングは、生体組織の関心領域のpH値、特に腫瘍細胞外のpH値を非侵襲的に検出することができる。
タンパク質、グルコース、イノシトール、グルタミン酸などの多くの生体内因性高分子は、活性水素プロトンを含み、CEST造影剤の基本特性を満たしているため、内因性CEST造影剤として使用できる。(Chemical Exchange Saturation Transfer(CEST)Imaging:Description of Technique and Potential Clinical Application,Curr Radiol Rep.2013 June 1;1(2):102−114)
パーフルオロカーボン(PFC)は、高い酸素溶解性及び疎水性を有し、その安全性及び生体適合性が十分に確認されている。ただし、現在臨床的に使用される1H−MRI磁場強度は3.0T以下であり、19F−MRIは、それ自体の比較的低い感度を補うために、より高い磁場強度(4.7〜14.0T)を必要とし、それに加えて、循環血液による希釈作用によりパーフルオロカーボン(PFC)のターゲットプローブ関連の研究には、特定の障害をもたらす。(Perfluorooctylbromide Nanoparticles for Ultrasound Imaging and Drug Delivery,Int J Nanomedicine.2018V13N:3053−3067;Eight−Coordinate,Stable Fe(II) Complex as a Dual 19F and CEST Contrast Agent for Ratiometric pH Imaging,Inorg Chem.2017 Oct 16;56(20):12206−12213)
腫瘍細胞外pH値(pHe)は、通常、腫瘍細胞内pH値(pHi)よりも低く、それは、正常組織と反対である。ただし、腫瘍細胞外のこの酸性環境は、腫瘍細胞の増殖を促進し、アポトーシス、代謝適応、移動及び浸潤を回避することにより癌の進行を促進する。したがって、腫瘍細胞外pH値の測定は、悪性度の分析にとって非常に重要である。ただし、体内の組成は複雑であり、直接水飽和効果(direct water saturation、DS)や半固体プールの従来のMTコントラスト(conventional MT contrast、MTC)、NOE(Nuclear Overhauser Effect、NOE)など、磁場に対する多くの干渉要因があり、また、内因性CEST造影剤の感度は低く、混合効果による影響を受けやすく、生体内での標的化合物の正確な測定が困難である。(Potentiometric and Relaxometric Properties of a Gadolinium−Based MRI Contrast Agent for Sensing Tissue pH,Inorg Chem. 2007,46,5260−5270;A General MRI−CEST Ratiometric Approach for pH Imaging:Demonstration of in Vivo pH Mapping with Iobitridol,J Am Chem Soc.2014V136N41:14333−6)
腫瘍組織の代謝、血中酸素飽和度、及び組織酸素含有量も正常組織とは異なる。そのため、BOLD−MRIによる腫瘍血管及び血中酸素飽和状況の評価、ヘモグロビン酸素飽和レベルの変化に基づくイメージングは注目を集めてきた。(Imaging tumour hypoxia with oxygen−enhanced MRI and BOLD MRI,Br J Radiol.2019V92N1095:20180642)
本発明は、pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤及びその調製方法並びに用途を提供しており、19F信号及びCESTデュアル信号を有するデュアルモーダルナノ粒子造影剤(19F−CEST)であり、pH・酸素の二重感度のCEST造影剤であり、CESTイメージングで含有量が非常に少ない物質の特性を検出して19F信号の感度が低いという問題を補うことができる。
本発明は、pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法を提供しており、前記方法は、
複数種のリン脂質系界面活性剤とコレステロールを均一に混合し、ホスファチジルコリンリポソーム、ホスファチジルグリセロールリポソーム及びコレステロールからなるリン脂質系界面活性剤のブレンドを得て、クロロホルム又はクロロホルムとメタノールの混合溶媒で溶解し、ローダミンを加えた後、ロータリーエバポレーターを用いて乾固するまで蒸発し、40℃の真空オーブンで一晩ベークし、最後に、機械的分散又は超音波振盪の方式でグリセリンを加えた水に分散させ、脂質修飾体を得る、脂質修飾体を調製するステップ(1)と、
パーフルオロカーボン、ステップ(1)で得られた脂質修飾体、グリセリン、水を混合して、プローブを用いて超音波で均一に混合し、押出機で押し出し、パーフルオロカーボンナノエマルションを得る、パーフルオロカーボンナノエマルションを調製するステップ(2)と、を含む。
pH・酸素の二重感度のCEST造影剤を調製するために、更に、ステップ(1)で得られた脂質修飾体では、リン脂質系界面活性剤のブレンド、クロロホルムとメタノールの混合溶媒、ローダミンの質量比は、(80−95):(35−45):(0.5−2)である。
ステップ(1)では、前記ホスファチジルコリンリポソームは、ジミリスチルホスファチジルコリン(DMPC)、ジラウロイルホスファチジルコリン(DLPC)、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)、ジオレオイルホスファチジルコリン(DOPC)、ジステアロイルホスファチジルコリン(DSPC)、1,2−ジステアロイル−sn−グリセロ−3−ホスホコリン(DAPC)及びパルミトイルオレオイルホスファチジルコリン(POPC)を含み、
前記ホスファチジルグリセロールリポソームは、ジパルミトイルホスファチジルグリセロール(DPPG)を含む。
更に、リン脂質系界面活性剤のブレンドは、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)、ジパルミトイルホスファチジルグリセロール(DPPG)及びコレステロールからなる。
更に、ホスファチジルコリンリポソーム、ホスファチジルグリセロールリポソーム及びコレステロールのモル比は、(60−80):(10−15):(10−25)である。
更に、ステップ(2)で得られたパーフルオロカーボンナノエマルションでは、パーフルオロカーボン、グリセリンが、総質量の10−40%を占め、水が、全質量の55−85%を占め、リン脂質系界面活性剤が、全質量の1−5%を占める。
更に、ステップ(2)で得られたパーフルオロカーボンナノエマルションでは、パーフルオロカーボンとグリセリンの質量比は、10−20:1である。
更に、パーフルオロカーボン(PFC)は、パーフルオロオクタンブロミド、パーフルオロ−15−クラウン−5−エーテル、FC−3280((C18))及びFC−77((C16O))から選択される1種又は複数種である。
更に、ステップ(1)における超音波振盪の超音波パワーは、ステップ(2)における超音波処理の超音波パワーより小さい。
ステップ(1)では、超音波振盪は、時間が5秒−10秒、パワーがPが400W>P>300Wであり、ステップ(2)では、超音波処理は、時間が60秒−70秒、パワーPがP>P且つ450W>P≧400Wである。
本発明は、上記のいずれか1項に記載の方法により調製されるpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤をさらに提供する。ステップ(2)で得られたエマルションから、透析の方式によって効果的にコーティングされていない成分を除去すれば、CEST造影剤プローブを得ることができる。
CESTイメージングは、生体組織の関心領域のpH値、特に腫瘍細胞外のpH値を非侵襲的に検出することができる。ただし、体内の組成は複雑であり、例えば、DS効果及びMTC効果、NOE効果など、磁場に対する多くの干渉要因があり、また、内因性CEST造影剤の感度は低く、混合効果による影響を受けやすく、イメージングするとき、標的化合物の正確な測定が困難である。腫瘍組織の代謝、血中酸素飽和度、及び組織酸素含有量も正常組織とは異なる。そのため、BOLD−MRIによる腫瘍血管及び血中酸素飽和状況の評価、ヘモグロビン酸素飽和レベルの変化に基づくイメージングは注目を集めてきた。
本発明の発明者らは、パーフルオロカーボン(PFC)ナノエマルションの信号に対する酸素の影響と規則性を最初に発見しており、このイメージング信号の規則性により、生物学的パーフルオロカーボン(PFC)ナノエマルションの酸素運搬と放出レベルに関する研究のための基礎を築くことができる。パーフルオロカーボン(PFC)の酸素運搬特性を発見して研究し、CEST信号に対する酸素含有量の影響を研究することによって、パーフルオロカーボン(PFC)ナノ粒子を用いてCESTイメージングを行って、組織又は腫瘍部位のプローブの経時的な酸素運搬量の分析を可能にし、これに基づいてpH・酸素の二重感度のCEST造影剤を調製する。
pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子を検出する水和粒径の図である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子を検出するZETA電位の図である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のH磁気共鳴スペクトルである。 図3−1に示すAの拡大図である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のH−MR CESTイメージングのZ−スペクトルである。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の透過型電子顕微鏡(TEM)の図である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のT1重み付け(6−1)及び19F信号画像(6−2)である。pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の体積希釈比は、それぞれ、1:5、1:10、1:20、1:100である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のCEST信号ST%mapカラーマップである。図(7−1)のプレ飽和パルスパワーは1.2μT、飽和時間は3sであり、図(7−2)のプレ飽和パルスパワーは2.4μT、飽和時間は3sである。pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の体積希釈比は、それぞれ1、1:5、1:10、1:20、1:100である。 異なる希釈比のpH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の、異なるプレ飽和パルスと異なる飽和時間とのヒストグラムである。図(8−1)のプレ飽和パルスパワーは1.2μT、図(8−2)のプレ飽和パルスパワーは2.4μTである。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のpH感度標準曲線である。 pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のO感度曲線である。
以下、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明瞭かつ完全に説明する。言うまでもなく、説明される実施例は、本発明の一部の実施例にすぎず、全部の実施例ではない。本発明における実施例に基づいて、当業者が創造性のある労働を必要とせずに得られる他の実施例は、すべて本発明の特許請求の範囲に属する。
本発明の1つの実施例は、pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法を提供し、前記方法は以下のステップを含む。
(1)複数種のリン脂質系界面活性剤とコレステロールを均一に混合し、リン脂質系界面活性剤のブレンドを得て、クロロホルムとメタノールの混合溶媒で溶解し、ローダミンを加えた後、ロータリーエバポレーターを用いて乾固するまで蒸発し、40℃の真空オーブンで一晩ベークし、最後に、超音波振盪の方式でグリセリンを加えた水に分散させ、脂質修飾体を得る、脂質修飾体を調製するステップ(1)。
リン脂質系界面活性剤のブレンドは、ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)、ジパルミトイルホスファチジルグリセロール(DPPG)及びコレステロールからなり、それらの間のモル比はDPPC:DPPG:コレステロール=75:15:20である。
リン脂質系界面活性剤のブレンド、クロロホルムとメタノールの混合溶媒、ローダミンの質量比は、85:35:0.7である。
超音波振盪は、処理時間が5秒、パワーが360Wである。
パーフルオロカーボン、ステップ(1)で得られた脂質修飾体、グリセリン、水を混合して、プローブを用いて超音波で均一に混合し、押出機(アヴァンティミニ押出機(Avanti))で押し出し、パーフルオロカーボンナノエマルションを得る、パーフルオロカーボンナノエマルションを調製するステップ(2)。
パーフルオロカーボンは、全質量の31.25%を占め、グリセリンは、全質量の2%を占め、水は、全質量の64.75%を占め、リン脂質系界面活性剤は、全質量の2%を占める。
パーフルオロカーボン(PFC)は、パーフルオロ−15−クラウン−5−エーテルから選択される。
超音波は、処理時間が65秒、パワーが400Wである。
ステップ(2)で得られたエマルションから、透析の方式によって効果的にコーティングされていない成分が除去され、CEST造影剤プローブが得られる。
以下、本発明の実施例におけるCEST造影剤プローブに対して、特性評価及び効果検証実験をさらに行う。
(1)pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のMR CESTイメージング
合成したpH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノエマルションは、原液であり、それぞれ体積比で希釈され、体積はそれぞれ(1、1/5、1/10、1/20、1/100)であり、0.25ml EPチューブに入れ、40ml遠心チューブに蒸留水を加えて固定し、19FMR、T1RARE、T1mapping、T2mapping、CEST EPIシーケンススキャンを行い、MATLAB(登録商標)、Graphpad Prism7によるデータ処理を行い、プローブのCEST信号効率を分析して計算する。スキャンパラメータは、Repetition Time:10000ms,Echo Time:20ms,Slice thickness:2mm,FOV:35*35mmBandwidth:300000,Averages:1,Repetetions:95,Segments:1,Number Offset Experiment:95,Min CEST Offset:4000,Max CEST Offset:−4000,RF AmplitudeμT:3,Length:5000ms,Duration time:3s,5s,8s,Saturation power:0.2,0.5,0.8,1.0,1.2,2.4,3.5,4.7μTである。
(2)pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の特性評価
pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のナノスケール粒子の特性評価には、透過型電子顕微鏡(TEM)を使用してナノ粒子のサイズ、形態及び構造特性を観察し、ナノ粒子粒度電位分析計を使用して室温でpH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の水和粒径、Zeta電位、多分散指数を測定した結果、ナノスケール粒径の要件を満たし、溶液の安定性は良好である。
19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子は、動的光散乱(DLS)で123.4nmの水和粒径を有し、腫瘍領域のEPRを効果的に向上させるために、強力な保証を提供する(図1)。
溶質中の19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の細胞モデルを修飾するホスファチジルコリン様リポソームの含有量は非常に少なく、1H磁気共鳴スペクトルでプロトンピークを検出することは困難である(図3)。図3−1に示すように、pH・酸素の二重感度19F−MRI/CESTイメージングナノ粒子のプロトンスペクトルピークはほとんど検出されず、図3−1に示すAを3−6ppmで拡大すると(図3−2)、非常に小さなプロトンスペクトルピークを検出できる。しかし、CESTイメージング技術では、ホスファチジルコリン様リポソームに由来する−OH基のCEST信号ピークを簡単に見つけることができる(図4)。
19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子の19F及びCESTデュアル信号ソースは、空間的位置決めの品質を効果的に向上させることができる(希釈比が1:5の場合、19F信号は19F−MRIで大幅に弱められるが、H−MR CESTイメージングでは、プレ飽和パルスのパワーは2.4μTであり、飽和時間が3sである場合、63%と高いCEST信号が検出でき、19F−MRIは、希釈比が1:100の場合は、19F信号をほぼ検出できないが、CESTイメージングでは、36%と高い信号を検出できるため、19F信号の位置特定に「ビーコン」のような作用を提供できる。図(6−2)、図(7−2))。
CEST造影剤は、遊離水の酸解離定数の影響を受けるため、プレ飽和パルスが0.8μT及び3μTの場合、レシオメーター法により、19F−MRI/CESTマルチモーダルイメージングナノ粒子のpH感度標準曲線を得て、標準曲線に従って関心領域の酸性度をさらに検出できる。
パーフルオロカーボン(PFC)ナノエマルションが酸素運搬特性を有するため、パーフルオロカーボン(PFC)ナノエマルションの信号に対する酸素の影響とパターンを最初に発見しており、このイメージング信号法則により、生物学的パーフルオロカーボン(PFC)ナノエマルションの酸素運搬と放出度に関する研究のための基礎を築くことができる。
以上、本発明の実施例を示して説明したが、上記実施例は、例示的なものであることを理解でき、本発明を限定するものとして理解してはいけない。当業者であれば、本発明の原理及び趣旨から逸脱することなく、本発明の範囲内で上記実施例に対して変更、修正、置換や変形を行うことができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物により限定されることを理解できる。
以上は、本発明の具体的な実施形態に過ぎず、本発明の特許請求の範囲はこれに限られず、当業者であれば、本発明に開示される技術範囲内で、容易に想到できる変更や置換は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれる。従って、本発明の保護範囲は、前記特許請求の範囲の保護範囲を基準とする。

Claims (8)

  1. pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法であって、
    複数種のリン脂質系界面活性剤とコレステロールを均一に混合し、ホスファチジルコリンリポソーム、ホスファチジルグリセロールリポソーム及びコレステロールからなるリン脂質系界面活性剤のブレンドを得て、クロロホルム又はクロロホルムとメタノールの混合溶媒で溶解し、ローダミンを加えた後、ロータリーエバポレーターを用いて乾固するまで蒸発し、40℃の真空オーブンで一晩ベークし、最後に、機械的分散又は超音波振盪の方式でグリセリンを加えた水に分散させ、脂質修飾体を得る、脂質修飾体を調製するステップ(1)と、
    パーフルオロカーボン、ステップ(1)で得られた脂質修飾体、グリセリン、水を混合して、プローブを用いて超音波で均一に混合し、押出機で押し出し、パーフルオロカーボンナノエマルションを得る、パーフルオロカーボンナノエマルションを調製するステップ(2)と、を含む、ことを特徴とするpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  2. ステップ(2)で得られたパーフルオロカーボンナノエマルションででは、パーフルオロカーボン、グリセリンが、総質量の10−40%を占め、水が、全質量の55−85%を占め、リン脂質系界面活性剤が、全質量の1−5%を占める、ことを特徴とする請求項1に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  3. ステップ(2)で得られたパーフルオロカーボンナノエマルションでは、パーフルオロカーボンとグリセリンの質量比は、10−20:1である、ことを特徴とする請求項2に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  4. パーフルオロカーボンは、パーフルオロオクタンブロミド、パーフルオロ−15−クラウン−5−エーテル、FC−3280及びFC−77から選択される1種又は複数種である、ことを特徴とする請求項1に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  5. ステップ(1)で得られた脂質修飾体では、リン脂質系界面活性剤のブレンド、クロロホルムとメタノールの混合溶媒、ローダミンの質量比は、(80−95):(35−45):(0.5−2)である、ことを特徴とする請求項1に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  6. ステップ(1)では、超音波振盪は、時間が5秒−10秒、パワーがPが400W>P>300Wであり、ステップ(2)では、超音波処理は、時間が60秒−70秒、パワーPがP>P且つ450W>P≧400Wである、ことを特徴とする請求項1に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  7. ホスファチジルコリンリポソーム、ホスファチジルグリセロールリポソーム及びコレステロールのモル比は、(60−80):(10−15):(10−25)である、ことを特徴とする請求項1に記載のpH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤の調製方法。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法により調製される、pH・酸素の二重感度磁気共鳴イメージング造影剤。
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