JP5392743B2 - 水溶性近赤外蛍光材料およびマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料 - Google Patents
水溶性近赤外蛍光材料およびマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料 Download PDFInfo
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Description
1) W. B. Beng and Y. Zang, "Multifunctional quantum-dot-based magnetic chitosan particles", Adv. Materials, 17, 23756-2380(2005);
2) H. Gu et al., "Direct synthesis of a bimodal nanosponge based on FePt and ZnS", Small, 4, 402-406(2005);
3) S. Santra et al., "Synthesis of water-dispersible fluorescent, radio-opaque, and paramagnrtic CdS:Mn/ZnS quantum dots: a multifunctional probe for bioimaging", J. Am. Chem. Soc., 127, 1656-1657(2005);
4) W. J. M. Mulder et al., "Quantum dots with a paramagnetic coating as a bimodal molecular imaging probe", Nano Lett., 6, 1-6(2006);
5) H. Yang et al., "GdIII-functionalized fluorescent quantum dots as multimodal imaging probes", Adv. Materials, 18, 2890-2894(2006);
6) G. A. F. van Tilborg et al., "Annexin A5-conugated quantum dots with a paramagnetic lipidic coating for the multimodal detection of apoptic cells, Bioconjugate Chem., 17, 865-868(2006);
7) L. Prinzen et al., "Optical and magnetic resonance imaging of cell deth and plateket activation using annexin A5-functionalized quantum dots", Nano Lett, 7, 93-100(2007);
8) W. B. Tan and Y. Zhang, "Multi-functional chitosan nanoparticles encapsulating quantum dots and Gd-DTPA as imaging probes for bio-applications", J. Nanosci. Nonotechnol.7, 2389-2393(2007);
9) S. Wang et al., "Core/shell quantum dots with high relaxivity and photoluminescence for multimodality imaging, J. Am. Chem. Soc., 129, 3848-3856(2007);
しかしながら上記1)〜9)の文献に開示される量子ドットは、可視部領域で発光する量子ドットである。そしてこのような量子ドットは、生体内における光イメージング法に用いることは非常に困難である。上述の通り生体内には、可視光を吸収するヘモグロビンまたはフラビンなどの内在性色素が多量に存在するため、可視光(400〜650nm)はほとんど透過しないからである。そして上記1)〜9)の文献はまた、生体透過性が良好である近赤外発光の量子ドットを使ったマルチモーダル造影剤については開示していない。
10) M. A. Hines, G. D. Scholes, "Colloidal PbS Nanocrystals with size-tunable near-infrared emission: observation of post-synthesis self-narrowing of the particle size distribution", Adv. Materials, 21, 1844-1849(2003);
11) R. E. Bailey, S. Nie, " Alloyed semiconductor quantum dots: tuning the optical properties without changing the particle size", J. Am. Chem. Soc., 125 7100-7106(2003);
12) S. Kim et al., "Type II quantum dots: CdTe/CdSe(core/shell) and CdSe/ZnTe(core/shell) heterostructures", J. Am. Chem. Soc., 125 11466-11467(2003);
13) S. Kim et al., "Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping", Nat. Biotech., 22, 93-96(2004);
14) R. E. Baily et al., "A new class of far-red and near-infrared biological labels based on alloyed semiconductor quantum dots", J. Nanosci. Nanotech., 6, 569-574(2004);
15) S.-W. Kim, et al., "Engineering InAsxP1-x /InP/ZnS III-V alloyed core/shell quantum dots for the near-infrared", J. Am. Chem. Soc., 127 10526-10523(2005);
16) W. Jiang et al., "Optimizing the synthesis of red- to near-IR-emitting CdS-capped CdTexSe1-x alloyed quantum dots for biomedical imaging", Chem. Mater., 18, 4845-4854(2006);
17) B.-R. Hyu, et al.,"Near-infrared fluorescence imaging with water-soluble lead salt quantum dots", J. Phys. Chem. B, 111, 5726-5730(2007);
18) H. Qian et al., "High-quality and water-soluble near-infrared photoluminescence CdHgTe/CdS quantum dots prepared by adjusting size and composition", J. Phys. Chem. C, 111, 7918-7923(2007);
19) S. Hinds et al., "Nir-emitting colloidal quantum dots having 26% luminescence quantum yield in buffer solution", J. Am. Chem. Soc., 129, 7218-7219(2007);
近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、および
この半導体量子ドットの表面を被覆する被覆層、
を有する、水溶性近赤外蛍光材料であって、
この被覆層は、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよびこのアミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類から構成される層である、
水溶性近赤外蛍光材料、を提供するものであり、これにより上記目的が達成される。
表面が配位性有機化合物によって被覆された、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットと;システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよびこのアミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類と;を、溶媒中で混合する、ペプチド類被覆工程、
を包含する、水溶性近赤外蛍光材料の製造方法も提供する。
近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、
この半導体量子ドットの表面を被覆する、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよびこのアミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類から構成される層である、被覆層、
この被覆層に化学結合した、元素包接基、および
この元素包接基に包接された、Gd(III)、Mn(II)、Mn(III)、Fe(II)、Fe(III)、Cu(II)、Cr(III)、Co(II)、Ni(II)、Dy(III)、Tb(III)、Nd(III)、Fe3O4、64Cu、67Ga、68Ga、99mTc、90Y、153Sm、166Ho、186Re、188Re、165Dy、111In、201Tc、18F、77Br、123I、124I、125I、126I、131I、201Tlからなる群から選択される元素、
を有する、マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料、も提供する。
上記水溶性近赤外蛍光材料の製造方法により得られた水溶性近赤外蛍光材料の、被覆層中に存在する反応性官能基と、元素包接基含有化合物と、を化学結合させる、元素包接基導入工程、
導入された元素包接基に、Gd(III)、Mn(II)、Mn(III)、Fe(II)、Fe(III)、Cu(II)、Cr(III)、Co(II)、Ni(II)、Dy(III)、Tb(III)、Nd(III)、Fe3O4、64Cu、67Ga、68Ga、99mTc、90Y、153Sm、166Ho、186Re、188Re、165Dy、111In、201Tc、18F、77Br、123I、124I、125I、126I、131I、201Tlからなる群から選択される元素を導入する、元素導入工程、
を包含する、マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料の製造方法、も提供する。
本発明においてはさらに、この水溶性近赤外蛍光材料を用いてマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料を調製することができる。このマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、光イメージング、MRI、SPECTなどの同時測定を可能とするマルチモーダル造影剤である。本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、光、MRI、SPECTによるマルチモーダルメージングの実現を可能とするものであり、生体内イメージングの技術発展に大きく寄与するものである。
本発明の水溶性近赤外蛍光材料は、
近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、および
この半導体量子ドットの表面を被覆する被覆層、
を有する。以下、各構成について順次説明する。
本発明の水溶性蛍光材料に含まれる半導体量子ドットは、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットが用いられる。本発明における近赤外半導体量子ドットは、バンドギャップが近赤外領域にある金属化合物から構成される。半導体量子ドットでは、電子状態が価電子帯と伝導帯からなるバンド構造をなし、基底状態で電子は価電子帯を占有している。バンドギャップ(価電子帯と伝導帯のエネルギー差)より大きなエネルギーの光を吸収することにより、価電子帯にある電子は伝導帯に励起され、粒子内には電子と正孔の対(エキシトン)が形成される。この電子と正孔の対が再結合するとき光として放射されるのが半導体量子ドットにおける蛍光である。その蛍光波長は、半導体量子ドットのバンドギャップの大きさに依存する。近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットとして、半導体量子ドットコアと、そしてこの半導体量子ドットコアを被覆するシェル部とを有する、いわゆるコアシェル構造の半導体量子ドットが好ましく用いられる。
(1)原料水溶液を非極性有機溶媒中の逆ミセルとして存在させ、逆ミセル相中にて結晶成長させる方法(逆ミセル法)。例えばB.S.Zouら;Int.J.Quant.Chem.,72巻,439(1999)に記載されている、公知の方法である。比較的安価かつ化学的に安定な塩を原料とすることができ、しかも水の沸点を超えない比較的低温で行われるため、工業生産に適した方法である。但し、下記のホットソープ法の場合に比べて現状技術では発光特性に劣る場合がある。
(2)熱分解性原料を高温の液相有機媒体に注入して結晶成長させる方法(ホットソープ法)。例えば前記のJ.E.B.Katariら著の文献に記載される、公知の方法である。上記の逆ミセル法に比べて粒径分布と純度に優れた半導体結晶粒子が得られ、そして得られる生成物は発光特性に優れ有機溶媒に通常可溶であるという特徴がある。ホットソープ法における液相での結晶成長の過程の反応速度を望ましく制御する目的で、半導体構成元素に適切な配位力のある配位性有機化合物が、液相成分(溶媒と配位子を兼ねる)として選択される。このような配位性有機化合物の例としては、トリアルキルホスフィン類、トリアルキルホスフィンオキシド類、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン等のω−アミノアルカン類などが挙げられる。
(3)酸塩基反応を駆動力として半導体結晶やその前駆体を、水やエタノールなどのプロトン性溶媒中において100℃以下程度の比較的低い温度で生成させる工業生産に適した方法(ゾル−ゲル法)。
近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットは、上述したとおり、その表面にトリオクチルホスフィンオキシドまたは長鎖アルキルアミンなどの配位性有機化合物が結合しており、疎水性が高く水には不溶である。そのため、この半導体量子ドットを生体で使用するためには、半導体量子ドットに水溶化処理を行い水溶性とし、生体での分散安定性を向上させる必要がある。さらには、生体で用いる材料であるため、水溶化処理に用いる処理剤は毒性の低いものである必要がある。
γ−Glu−Cys−Gly(グルタチオン(還元型))、
γ−Glu−ベンジル−Cys−Val、
β−Asp−Cys−Gly、
Glu−Cys−Gly、
Asp−Cys−Gly、
γ−Glu−Gly−Cys−Gly、
β−Asp−Gly−Cys−Gly、
Glu−Gly−Cys−Gly、
Asp−Gly−Cys−Gly、
など。本発明においては、被覆ペプチド類として、システインまたはグルタチオン(還元型)を用いるのがさらに好ましい。システインは、必須アミノ酸の1種であり安全性が高く、また安価であるため、生体内光イメージングにおける使用に特に適しているからである。またグルタチオン(還元型)は、生体由来のペプチドであり安全性が高く、ペプチドの中では安価であり、さらにプロテアーゼ耐性を有するため、生体内光イメージングにおける使用に特に適しているからである。
本発明の近赤外蛍光材料は、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットの表面が被覆層によって被覆された構造を有する。この近赤外蛍光材料は、表面が配位性有機化合物によって被覆された、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットと、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよびアミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類とを、溶媒中で混合することによって調製することができる(ペプチド類被覆工程)。混合方法は特に限定されるものではなく、任意の混合方法を用いることができる。
1)ペプチド類で被覆された近赤外半導体量子ドットの合成が可能である。
2)輝度の高い水溶性近赤外半導体量子ドット(インドシアニングリーンの量子収率が1%程度であるのに対して、本発明の水溶性近赤外半導体量子ドットの量子収率は10%以上である)の合成が可能である。
3)反応時間および温度による半導体結晶のサイズ制御が容易であり、発光波長のピークを700〜850nmに有する近赤外半導体量子ドットの合成が可能である。
4)合成に用いる反応前駆体の調製が容易で、合成手順が簡便である。
5)水溶性近赤外半導体量子ドットの大量合成が容易である。
本明細書におけるマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料とは、光(蛍光)イメージング、MRI、SPECTといった複数(2またはそれ以上)のイメージング技術によるマルチモーダルイメージングに用いることができる水溶性近赤外蛍光材料を意味する。そして本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、
近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、
この半導体量子ドットの表面を被覆する、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよびアミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類から構成される層である、被覆層、
この被覆層に化学結合した、元素包接基、および
元素包接基に包接された元素、
を有する。つまり、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットが被覆層によって被覆された上記の水溶性近赤外蛍光材料に、さらに、元素包接基が導入されており、そしてこの元素包接基に元素が包接された構造を有する。そしてこのマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、下記工程:
水溶性近赤外蛍光材料の、被覆層中に存在する反応性官能基と、元素包接基含有化合物と、を化学結合させる、元素包接基導入工程、
導入された元素包接基に、元素を導入する、元素導入工程、
によって調製することができる。
例えばSPECTにおいて造影剤として用いることができる元素として、64Cu、67Ga、68Ga、99mTc、90Y、153Sm、166Ho、186Re、188Re、165Dy、111In、201Tc、18F、77Br、123I、124I、125I、126I、131I、201Tlなどの放射性同位元素が挙げられる。
これらの造影剤としての元素の導入は、元素包接基が導入された水溶性近赤外蛍光材料を水中に分散させた溶液へ、上記元素塩の水溶液を添加するなどといった方法によって、簡便に導入することができる。
システイン被覆水溶性近赤外半導体量子ドット(水溶性近赤外蛍光材料)の調製
疎水性近赤外半導体量子ドットCdSe0.75Te0.25/CdS(コア/シェル構造)を、R. E. Bailey, J. B. Strausburg, S. Nie, J. Nanosci. Nanotech. 4 569(2004)の方法を改良し、1段階で合成した。
酸化カドミウム(CdO)20mgとステアリン酸250mgを25ml三口フラスコに入れアルゴン雰囲気下で300℃に熱し、酸化カドミウムを溶解した。一旦温度を150℃に下げ、トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)2gとヘキサデシルアミン(HAD)2gを加えた。再び混合物を300℃に熱し5分間放置した。次に、溶液を撹拌しながら0.5mlのSe/Te前駆体(Se 25mgとTe 13mgを溶解したテトラブチルホスフィン溶液)を注射器で素早く加えた。直ちに溶液の温度を250℃に下げ、結晶成長の進行具合を蛍光スペクトルよりモニターした。約5分後、波長770−790nm付近にピークを有する半導体結晶が生成した。蛍光スペクトルにより半導体結晶の生成を確認後、反応を停止させるため温度を200℃に下げた。
次にCdSシェル部の形成反応を行った。溶液を撹拌しながら200℃において、0.25mlのCd/S前駆体(CdO 150mgおよび硫黄 40mgを溶解したトリオクチルホスフィン溶液 10ml)をゆっくりと滴下した。滴下終了後、溶液の温度を100℃に下げて1時間撹拌した。その後、温度を60℃に下げクロロホルム20mlを加えた。さらにメタノール20mlを加えCdSe0.75Te0.25/CdS半導体結晶を析出させた。得られた半導体結晶は疎水性が高く、水には溶解しない。結晶は遠心器により分離し、室温で乾燥させた。
得られた、CdSe0.75Te0.25/CdS結晶 5mgを、テトラヒドロフラン2mlに溶解し、室温でこれにシステイン水溶液(20mg/ml)1mlを滴下した。滴下終了後、溶液の温度を60℃にして約5分間放置した。生じた沈殿を遠心器により分離し、上澄み溶液を除いた。生じた沈殿物に、カリウムt−ブトキシド10mgおよび水2mlを加え、30秒間超音波処理し溶解させた。溶液は、黒褐色の水溶液になった。この溶液をホウ酸緩衝液(pH8.2)で透析し、過剰のカリウムt−ブトキシドを除いた。透析した溶液を0.2ミクロンのフィルターで濾過することにより、単分散のシステイン被覆近赤外半導体量子ドット(CdSe0.75Te0.25/CdS)である水溶性近赤外蛍光材料の水溶液を得た。
トリオクチルホスフィンオキシド(TOPO)などの配位性有機化合物で被覆された疎水性量子ドットを配位子交換により水溶化する場合、問題となるのが著しい輝度の低下である。たとえば、CdSe/ZnS量子ドットをチオール系化合物であるメルカプトプロピオン酸などで被覆する場合には、蛍光輝度が約1/10から1/20までに減少することが報告されている(Chem. Commun., 2829-2931(2005))。本発明における被覆法の有効性を確認するため、システイン被覆した場合の近赤外半導体量子ドット(CdSe0.75Te0.25/CdS)の蛍光スペクトル変化を日本分光FP-6200により測定した(図8)。その結果、被覆後の蛍光輝度は被覆前に比べ約65%という高い割合で保持されることが明らかとなった。また、蛍光ピークは3nm短波長にシフトしたのみでスペクトル幅はほとんど変化しなかった。このことは、システイン被覆による水溶化に際して、被覆前の近赤外半導体量子ドットの蛍光スペクトル特性が保持されたことを示している。
グルタチオン被覆水溶性近赤外半導体量子ドット(水溶性近赤外蛍光材料)の調製
実施例1と同様に調製した、CdSe0.75Te0.25/CdS結晶 5mgを、テトラヒドロフラン2mlに溶解し、室温でこれに還元型グルタチオン水溶液(20mg/ml)1mlを滴下した。滴下終了後、溶液の温度を60℃にして約5分間放置した。生じた沈殿を遠心器により分離し、上澄み溶液を除いた。生じた沈殿物に、カリウムt−ブトキシド10mgおよび水2mlを加え、30秒間超音波処理し溶解させた。溶液は、黒褐色の水溶液になった。この溶液をホウ酸緩衝液(pH8.2)で透析し、過剰のカリウムt−ブトキシドを除いた。透析した溶液を0.2ミクロンのフィルターで濾過することにより、単分散のグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドット(CdSe0.75Te0.25/CdS)である水溶性近赤外蛍光材料の水溶液を得た。
グルタチオン被覆した場合の近赤外半導体量子ドット(CdSe0.75Te0.25/CdS)の蛍光スペクトル変化を日本分光FP-6200により測定した(図9)。この場合も、システインで被覆したときと場合と同様、蛍光輝度は約65%という高い割合で保持されたことが確認された。またグルタチオン被覆後、蛍光波長のピークは5nm長波長にシフトするがスペクトル幅はほとんど変化しない。この事から、グルタチオン被覆の場合もシステイン被覆の場合と同様に、水溶化に際し被覆前の近赤外半導体量子ドットの蛍光スペクトル特性は保持されると結論できる。
グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットのサイズおよび分散性は、動的光散乱装置(Malvern, Nano-ZS)および蛍光相関分光装置(浜松ホトニクス、C9413−01MOD)を用いて評価した。633nmのHe−Neレーザーを用いた動的光散乱法によって、水中におけるグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの流体力学的粒径を測定した。その結果、粒径は、約10nmであった(図1)。また、水中における分散性の評価は蛍光相関分光法装置により評価した。グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの水中における蛍光相関曲線はほぼ単一成分の並進拡散に基づく相関関数で近似でき、拡散時間は0.4msであった(図2)。この値から見積もられる、グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの流体力学的粒径は、動的光散乱法により得られる結果とほぼ一致し、単分散粒子として存在していると結論できる。
グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットへの牛血清アルブミンの修飾
実施例2のグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットのリン酸緩衝液(1μM,pH=7.4)4mlに、クロスカップリング試薬であるEDC(1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)−カルボジイミド塩酸塩)50μl(10mM)を加えた。10分後、牛血清アルブミン(10mg/ml)1mlを加え、30分間インキュベーションした。その後、透析膜(分子量10万)を用いて、過剰のEDCおよび牛血清アルブミンを除き、牛血清アルブミンを表面修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットを得た。
グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットへの抗体の修飾
実施例2のグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットのリン酸緩衝液(0.1μM,pH=7.4)20μlに、クロスカップリング試薬であるEDC(1−エチル−3−(3−ジメチルアミノプロピル)−カルボジイミド塩酸塩)2.5μl(0.1mM)を加えた。10分後、Anti−UCAM−1抗体(70μg/ml)20μlを加え、30分間インキュベーションした。その後、透析膜(分子量20万)を用いて、過剰のEDCおよび抗体を除き、抗体を表面修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットを得た。
グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットへのGd−DOTA錯体の修飾によるデュアルモーダル(光/MRI)造影剤(マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料)の合成
実施例2のグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットCdSe0.75Te0.25/CdSの1μM溶液 5ml(25mM ホウ酸緩衝液、pH=8.2)に、DOTA−NHS−エステル(1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン−1,4,7,10−テトラ酢酸モノ−N−ヒドロキシスクシンイミドエステル;米国、macrocyclics社)水溶液(20mg/ml) 1mlを室温で加え、撹拌しながら30分反応させた。その後、溶液を25mM ホウ酸緩衝液(pH=8.2)で透析し、未反応のDOTA−NHS−エステルを除いた。この溶液に0.1mMのGdCl2水溶液 1mLを滴下しながら加えた。過剰のGd2+イオンを除くため、25mM ホウ酸緩衝液(pH=8.2)で再び透析した。中性付近でGd−DOTA錯体修飾グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットを安定化させるため、1%の牛血清アルブミンを含むリン酸緩衝液で透析し溶液交換をした。上記手順により、Gd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドット(マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料)を調製した。
図3は、実施例5により得られたGd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットおよびインドシアニングリーン(ICG)の吸収スペクトルおよび蛍光スペクトルを測定した結果である。グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの吸収スペクトルは、近赤外から可視部領域にわたり連続的な吸収を示すため、この領域すべての波長での励起が可能である。一方、インドシアニングリーンでは780nmにピークをもつ吸収体を示し、励起波長もまた780nmの領域に限られる。
例えば745nmで励起した場合、グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの発光の量子効率はインドシアニングリーンに比べ約10倍高い。インドシアニングリーンの量子収率(Photochem. Photobio. 72, 392-398(2000))が1%程度であるのに対して、グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットの量子収率は約12%と見積もられる。また、光退色性に関しては、図4に示すように、グルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットにおいては、時間により退色していくインドシアニングリーン(ICG)と比較して、785nmの半導体レーザーによる励起光照射によってもほとんど退色しないという、優れた蛍光特性を有している。
本発明によるGd−DOTA錯体修飾近赤外半導体量子ドットの光造影効果を確認するため、マウスでの蛍光イメージングを行った。蛍光イメージングには島津製作所製Clavivo OPT特型を使用した。励起光源として758nmの半導体レーザーを受光には845nmの干渉フィルターを使用し10秒間露光した。図5は、実施例4により得られたGd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットを、10μMの濃度で用いた場合における、マウスリンパ節と大腿動静脈血管を蛍光イメージングした結果を示すものである。図5から、本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料のマウスにおける光造影剤としての有効性が確認できる。
本発明によるGd−DOTA錯体修飾近赤外半導体量子ドットのMRI造影効果を確認するため、T1強調画像を取得した。撮像装置は、Bruker社製AVANCE 500WB (11.7T) であり、グラジエントエコー法により撮像した。図6には、従来法により報告されているマンガンドープ型の量子ドットおよびハロトランスフェリン(鉄イオン含有)修飾量子ドットと、実施例4により得られたGd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットのT1強調画像を示した。測定条件は、測定領域を2.0cm、平面内分割数を256×256、スライス厚を0.5mm、繰り返し時間を47ms、エコー時間を5.3ms、積算回数を32回で、所要時間は、6分である。図6から明らかなように、本発明におけるGd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットは、従来技術により作製した量子ドットに比べて極めて高いMRI造影効果が認められた。
本発明によるGd−DOTA錯体修飾近赤外半導体量子ドットのデュアルモーダル(光/MRI)造影機能を確認するため、これを含むファントムをマウス腹腔に埋め込み、近赤外光およびMRIによるデュアルモーダルイメージングを行った。得られた結果を図7に示す。図7から明らかなように、実施例4により得られたGd−DOTA錯体を修飾したグルタチオン被覆近赤外半導体量子ドットを用いることにより、近赤外光およびMRIいずれのイメージング法においても明瞭にマウス腹腔内のファントムの存在が確認できた。近赤外光イメージングにおいては、生体内での光散乱が伴うために3次元的な正確な位置情報は得られない。しかし、MRIでイメージングすることによりマウス腹腔内のファントムの位置が正確に求められる。これらの結果は、本発明によるマルチモーダル近赤外半導体量子ドットを利用することによって、生体のデュアルモーダル造影が可能であることを示している。
また、本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、上記した水溶性近赤外蛍光材料の利点(近赤外領域に発光帯を有し、発光性能が高く、高輝度であり、耐退色性に優れ、生体親和性および生体安全性が高い)を備えつつ、さらに、光(蛍光)イメージング法と、MRI(核磁気共鳴画像法)、X線CTまたはSPECT(単一光子放射断層撮影)などとを組み合わせたマルチモーダルイメージングの造影剤として用いることができるという、優れた利点を有している。本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料を、マルチモーダルイメージングにおいて造影剤として用いることによって、生体内における3次元での正確な位置情報が得られることとなり、癌組織などの標的対象をより正確に検出することができるという利点がある。本発明のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料は、光(蛍光)イメージング法と、MRI、X線CTまたはSPECTなどとを組み合わせたマルチモーダルイメージングを可能とするものであり、生体内イメージングの技術発展に大きく寄与するものである。
Claims (13)
- 近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、および
該半導体量子ドットの表面を被覆する被覆層、
を有する、水溶性近赤外蛍光材料であって、
該被覆層は、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよび該アミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類から構成される層である、
水溶性近赤外蛍光材料。 - 前記半導体量子ドットが、CdSe1−xTexコア/CdSシェル(式中x=0.2〜1である)からなる、コアシェル構造の半導体量子ドットである、請求項1記載の水溶性近赤外蛍光材料。
- 前記被覆ペプチド類が、システイン、グルタチオン、γ−Glu−ベンジル−Cys−Val、β−Asp−Cys−Gly、Glu−Cys−Gly、Asp−Cys−Gly、γ−Glu−Gly−Cys−Gly、β−Asp−Gly−Cys−Gly、Glu−Gly−Cys−Gly、Asp−Gly−Cys−Glyからなる群から選択されるペプチド類である、請求項1または2記載の水溶性近赤外蛍光材料。
- 平均粒径が2〜50nmであり、かつ単分散であることを特徴とする、請求項1〜3何れかに記載の水溶性近赤外蛍光材料。
- 表面が配位性有機化合物によって被覆された、近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドットと;システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよび該アミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類と;を、溶媒中で混合する、ペプチド類被覆工程、
を包含する、水溶性近赤外蛍光材料の製造方法。 - 前記半導体量子ドットが、CdSe1−xTexコア/CdSシェル(式中x=0.2〜1である)からなる、コアシェル構造の半導体量子ドットである、請求項5記載の水溶性近赤外蛍光材料の製造方法。
- 前記被覆ペプチド類が、システイン、グルタチオン、γ−Glu−ベンジル−Cys−Val、β−Asp−Cys−Gly、Glu−Cys−Gly、Asp−Cys−Gly、γ−Glu−Gly−Cys−Gly、β−Asp−Gly−Cys−Gly、Glu−Gly−Cys−Gly、Asp−Gly−Cys−Glyからなる群から選択されるペプチド類である、請求項5または6記載の水溶性近赤外蛍光材料の製造方法。
- 請求項5〜7いずれかに記載の水溶性近赤外蛍光材料の製造方法によって製造される、水溶性近赤外蛍光材料。
- 近赤外領域に発光帯を有する半導体量子ドット、
該半導体量子ドットの表面を被覆する、システイン、および2〜8のアミノ酸残基から構成されおよび該アミノ酸残基中に1またはそれ以上のシステイン残基が含まれるペプチドからなる群から選択される被覆ペプチド類から構成される層である、被覆層、
該被覆層に化学結合した、元素包接基、および
該元素包接基に包接された、Gd(III)、Mn(II)、Mn(III)、Fe(II)、Fe(III)、Cu(II)、Cr(III)、Co(II)、Ni(II)、Dy(III)、Tb(III)、Nd(III)、Fe3O4、64Cu、67Ga、68Ga、99mTc、90Y、153Sm、166Ho、186Re、188Re、165Dy、111In、201Tc、18F、77Br、123I、124I、125I、126I、131I、201Tlからなる群から選択される元素、
を有する、マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料。 - 前記半導体量子ドットが、CdSe1−xTexコア/CdSシェル(式中x=0.2〜1である)からなる、コアシェル構造の半導体量子ドットである、請求項9記載のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料。
- 前記被覆ペプチド類が、システイン、グルタチオン、γ−Glu−ベンジル−Cys−Val、β−Asp−Cys−Gly、Glu−Cys−Gly、Asp−Cys−Gly、γ−Glu−Gly−Cys−Gly、β−Asp−Gly−Cys−Gly、Glu−Gly−Cys−Gly、Asp−Gly−Cys−Glyからなる群から選択されるペプチド類である、請求項9または10記載のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料。
- 請求項5〜7いずれかに記載の方法により得られた水溶性近赤外蛍光材料の、被覆層中に存在する反応性官能基と、元素包接基含有化合物と、を化学結合させる、元素包接基導入工程、
導入された元素包接基に、Gd(III)、Mn(II)、Mn(III)、Fe(II)、Fe(III)、Cu(II)、Cr(III)、Co(II)、Ni(II)、Dy(III)、Tb(III)、Nd(III)、Fe3O4、64Cu、67Ga、68Ga、99mTc、90Y、153Sm、166Ho、186Re、188Re、165Dy、111In、201Tc、18F、77Br、123I、124I、125I、126I、131I、201Tlからなる群から選択される元素を導入する、元素導入工程、
を包含する、マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料の製造方法。 - 請求項12記載のマルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料の製造方法によって製造される、マルチモーダル水溶性近赤外蛍光材料。
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