KR20170059491A - 진단 영상화용 나노입자 조영제 - Google Patents

진단 영상화용 나노입자 조영제 Download PDF

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KR20170059491A
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로버트 에드가 콜본
피터 존 보니타티버스 주니어
앤드류 솔리즈 토레스
마이클 어니스트 마리노
매튜 데이비드 버츠
아미트 쿨카니
브라이언 씨. 베일스
브루스 알란 해이
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

하나 이상의 쯔비터이온성 잔기로 관능화된 나노입자(10) 및 이 나노입자를 포함하는 조성물이 제공된다. 나노입자(10)는 다른 나노입자에 비하여 체내에 입자가 최소한으로 보유되는 특징을 갖는다. 나노입자(10)는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면(30)을 갖는 코어(20), 및 코어 표면(30)에 부착된 쉘(40)을 포함한다. 쉘(40)은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 또한, 상기 나노입자의 제조 방법 및 그를 진단제로서 사용하는 방법이 제공된다.

Description

진단 영상화용 나노입자 조영제{NANOPARTICLE CONTRAST AGENTS FOR DIAGNOSTIC IMAGING}
본 출원은 일반적으로 진단 영상화, 예컨대 X선/컴퓨터 단층촬영(CT) 또는 자기 공명 영상화(MRI)에 사용하기 위한 조영제에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 출원은 나노입자계 조영제, 및 상기 조영제의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
거의 모든 임상적으로 승인된 진단 조영제는 소분자계이다. 요오드화 방향족 화합물은 표준 X선 또는 CT 조영제의 역할을 하는 반면에, Gd-킬레이트는 자기 공명 영상화에 사용된다. 소분자 조영제는 일반적으로 진단 영상화에 사용되지만, 특정한 단점, 예컨대 혈관 벽으로부터의 누출로 인한 짧은 혈액순환 시간, 낮은 민감성, 높은 점도 및 높은 삼투압이 있을 수 있다. 이들 화합물은 일반적으로 일부 환자 집단에서 신장 합병증과 관련되어 있다. 이러한 부류의 소분자 작용제는 신체로부터 신속하게 제거되어, 혈관계를 효과적으로 영상화하는데 사용될 수 있는 시간을 제한하는 것은 물론, 다른 징후에 관해서는, 이들 작용제를 질환 부위로 표적화하기 어렵게 하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 신규한 부류의 조영제가 필요하다.
나노입자는 진단 및 치료의 의학 용도에서의 사용에 대하여 폭넓게 연구되고 있다. 소수의 나노입자계 작용제만이 자기 공명 영상화 용도 및 약물 전달 용도에 임상적으로 승인되었으나, 수백종의 나노입자계 작용제가 여전히 개발중이다. 나노입자는 현재 사용되는 소분자계 작용제에 비하여 진단 및 치료의 효능에 있어서 유리하다는 실질적인 증거가 있다. 그러나, 생체내 생체분포 및 나노입자 작용제의 제거에 대한 입자 크기, 구조 및 표면 특성의 효과는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 나노입자는, 그의 입도에 따라, 소분자에 비하여 체내에 더 장기간 머무르는 경향이 있다. 조영제의 경우에, 임의의 기관에 단기간 또는 장기간 독성을 일으키지 않고 신체로부터 이 작용제가 최대 신장 청소율로 제거되는 것이 바람직하다.
상기를 고려하여, 특히 신장 청소율 및 독성 효과에 관한 특성이 개선된 나노입자계 조영제 또는 영상화제가 필요하다.
본 발명은 X선, CT 및 MRI를 위한 신규한 부류의 나노입자계 조영제에 관한 것이다. 본 발명자들은 놀랍게도 쯔비터이온성 기로 관능화된 나노입자가 소분자 조영제에 비하여 개선된 영상화 특징을 가짐을 발견하였다. 본 발명의 나노입자는 다른 나노입자에 비하여 체내에 입자를 최소한으로 잔류시키는 특징을 갖는다. 이들 나노입자는 강력한 합성, 비용 절감, 영상 대비 강조, 혈중 반감기 증가 및 독성 감소 중 하나 이상에서 개선된 성능 및 이점을 제공할 수 있다.
본 발명은 나노입자 및 상기 나노입자를 포함하는 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 나노입자의 제조 방법 및 그의 사용 방법, 및 그의 용도에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 한 측면은 나노입자에 관한 것이다. 나노입자는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 코어, 및 코어 표면에 부착된 쉘을 포함한다. 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 한 실시양태에서, 코어는 전이 금속을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 코어는 산화물, 탄화물, 황화물, 질화물, 인화물, 붕소화물, 할로겐화물, 셀렌화물, 텔루르화물 또는 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된 전이 금속 화합물을 포함한다. 한 실시양태에서, 코어는 원자번호 34 이상의 금속을 포함한다.
일부 실시양태에서, 나노입자는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 산화탄탈 코어, 및 코어 표면에 부착된 쉘을 포함하며, 여기서 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 나노입자는 약 6 ㎚ 이하의 평균 입도를 갖는다.
일부 다른 실시양태에서, 나노입자는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 초상자성 산화철 코어, 및 코어 표면에 부착된 쉘을 포함하며, 여기서 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 나노입자는 약 50 ㎚ 이하의 평균 입도를 갖는다.
하나 이상의 실시양태에서, 본 발명은 진단제 조성물에 관한 것이다. 이 조성물은 다수의 나노입자를 포함하며, 여기서 다수 중 하나 이상의 나노입자는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 코어, 및 코어 표면에 부착된 쉘을 포함한다. 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 일부 실시양태에서, 이 조성물은 제약상 허용되는 담체 및 임의로는 1종 이상의 부형제를 추가로 포함한다.
본 발명의 한 측면은 나노입자의 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법은 (a) 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 코어를 제공하고, (b) 코어 표면에 부착된 쉘을 배치하는 것을 포함하며, 여기서 쉘은 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 대상체에게 진단제 조성물을 투여하고 대상체를 X선 장치로 영상화하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다. 진단제 조성물은 다수의 나노입자를 포함하며, 여기서 다수 중 하나 이상의 나노입자는 코어 및 쉘을 포함한다. 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 코어는 산화탄탈을 포함한다.
일부 실시양태에서, 본 방법은 대상체에게 진단제를 투여하고, 대상체를 진단 장치로 영상화함을 포함한다. 진단제 조성물은 다수의 나노입자를 포함한다. 다수 중 하나 이상의 나노입자는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 코어, 및 코어 표면에 부착된 쉘을 포함한다. 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 사용 방법은 대상체로의 진단제 조성물의 전달을 진단 장치에 의해 모니터링하고 대상체를 진단함을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 진단 장치는 자기 공명 영상화, 광학 영상화, 광간섭 단층촬영, X선, 컴퓨터 단층촬영, 양전자 방출 단층촬영, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 영상화 방법을 사용한다.
본 발명의 또 다른 측면은 진단제 조성물로서 사용하기 위한 조성물의 제조를 위한, 전술된 나노입자(10)의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 측면 및 이점은 하기 상세한 설명을 첨부되는 도면을 참고하여 읽으면 더 잘 이해될 것이고, 여기서 도면에서 동일한 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일부 실시양태에 따른, 코어 및 쉘을 포함하는 나노입자의 단면도를 도시한다.
도 2는 쯔비터이온성 관능기가 형성될 수 있는 유기 산과 유기 염기를 기술한다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 기술하는데, 이들은 코어와 반응하여 실란 관능성 쯔비터이온성 잔기를 포함하는 쉘을 생성할 수 있다.
하기 상세한 설명은 예시적인 것이며 본 발명의 응용 또는 사용을 제한하려는 것이 아니다. 또한, 본 발명의 상기 배경기술 또는 하기 상세한 설명에 제공된 임의의 이론에 의해 제한하려는 것이 아니다.
하기 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서, 다음의 뜻을 갖는 다수의 용어가 언급될 것이다. 단수 형태는 문맥상 달리 분명하게 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상을 포함한다. 명세서 및 청구의 범위에 걸쳐 본원에 사용된 근사 어법은 관련된 기본 기능의 변화를 일으키지 않고 허용가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적인 표현을 수식하는데 적용될 수 있다. 따라서, "약"과 같은 용어에 의해 수식되는 값은 명시된 자세한 값에 제한되는 것이 아니다. 일부 경우에서, 근사 어법은 값을 측정하는 기계의 정밀도에 상응할 수 있다. 유사하게, "~이 없는"이 용어와 함께 사용될 수 있고, 중요하지 않은 숫자 또는 미량을 포함할 수 있으나, 여전히 수식된 용어가 없는 것으로 간주된다. 예를 들어, "용매가 없는" 또는 "용매-비함유", 및 유사 용어 및 구절은 용매화된 물질로부터 용매의 상당량, 일부 또는 전부가 제거된 경우를 가리킬 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태는 도 1에 기술된 나노입자에 관한 것이다. 나노입자(10)는 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면(30)을 갖는 코어(20)를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 코어(20)는 전이 금속, 예를 들어 전이 금속 원소의 화합물을 함유한다. 나노입자(10)는 코어 표면(30)에 부착된, 코팅물로도 불리는 쉘(40)을 포함한다. 쉘(40)은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 코어 표면(30)은 본질적으로 실리카가 없기 때문에, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 실리카에 결합되는 것이 아니라 임의의 개재하는 실리카층 없이 코어 표면(30)에서 코어(20)에 부착된다. 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 실란 잔기 및 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 본원에 사용된, "쯔비터이온성 잔기"란 용어는 전기적으로 중성이지만 상이한 원자상에 공식적인 양전하 및 음전하를 갖는 잔기를 가리킨다. 쯔비터이온은 극성이며, 일반적으로 물에 높은 용해도를 나타내고 대부분의 유기 용매에는 불량한 용해도를 나타낸다. 일부 실시양태에서, "쯔비터이온성 잔기"란 쯔비터이온성 잔기의 전구체를 가리킨다. 이러한 실시양태에서, 전구체는 2차 또는 후속 화학 반응을 겪어 쯔비터이온성 잔기를 형성한다.
본원에 사용된 "나노입자"는 일반적으로 1 ㎛ 미만의 나노미터 규모의 입도를 갖는 입자를 가리킨다. 한 실시양태에서, 나노입자는 약 50 ㎚ 이하의 입도를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 나노입자는 약 10 ㎚ 이하의 입도를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 나노입자는 약 6 ㎚ 이하의 입도를 갖는다.
본 발명의 하나 이상의 실시양태는 다수의 나노입자를 포함하는 조성물에 관한 것이다. 다수의 나노입자는 중위수(median) 입도, 평균 직경 또는 입도, 입도 분포, 평균 입자 표면적, 입자 모양 또는 입자 단면 형태 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다. 또한, 다수의 나노입자는 수 평균 입도 및 중량 평균 입도를 둘다 특징으로 할 수 있는 입도 분포를 가질 수 있다. 수 평균 입도는 식
Figure pat00001
로 표현될 수 있고, 식 중 ni는 입도 si를 갖는 입자의 수이다. 중량 평균 입도는 식
Figure pat00002
로 표현될 수 있다. 모든 입자가 동일한 입도를 가질 때, SN과 SW는 같을 수 있다. 한 실시양태에서, 입도의 분포가 있을 수 있고, SN이 SW와 다를 수 있다. 중량 평균 대 수 평균의 비를 다분산 지수(SPDI)로서 정의할 수 있다. 한 실시양태에서, SPDI는 약 1일 수 있다. 다른 실시양태에서, 각각 SPDI는 약 1 내지 약 1.2, 약 1.2 내지 약 1.4, 약 1.4 내지 약 1.6, 약 1.6 내지 약 2.0의 범위일 수 있다. 한 실시양태에서, SPDI는 약 2.0보다 큰 범위일 수 있다.
한 실시양태에서, 다수의 나노입자는 정규 분포, 일봉(monomodal) 분포 및 이봉(bimodal) 분포로 이루어진 군에서 선택된 입도 분포를 가질 수 있다. 특정 입도 분포가 특정 이점을 제공하는데 유용할 수 있다. 일봉 분포는 하나의 모드 주위에 분포된 입도의 분포를 가리킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 뚜렷한 두 부분집단 크기 범위를 갖는(이봉 분포) 입자의 집단이 조성물에 포함될 수 있다.
나노입자는 입자를 생성하는데 사용된 방법에 부분적으로 좌우될 수 있는 다양한 모양 및 단면 형태를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 나노입자는 구, 막대, 관, 박편, 섬유, 판, 와이어, 입방체 또는 수염결정의 모양을 가질 수 있다. 나노입자는 전술된 모양 중 둘 이상을 갖는 입자를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 입자의 단면 형태는 원형, 타원형, 삼각형, 직사각형 또는 다각형 중 하나 이상일 수 있다. 한 실시양태에서, 나노입자는 본질적으로 비구형 입자로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 이러한 입자는 길이가 다른 3개의 주축을 모두 가질 수 있는 타원형의 형태를 가질 수 있거나, 편원형 또는 장구형의 회전 타원체일 수 있다. 또 다르게는, 비구형 나노입자는 적층 형태일 수 있는데, 여기서 적층이란 하나의 축에 따른 최대 치수가 다른 두 축 각각에 따른 최대 치수보다 실질적으로 작은 입자를 가리킨다. 비구형 나노입자는 또한 피라미드 또는 원뿔의 절두체 모양, 또는 가늘고 긴 막대의 모양을 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 나노입자는 모양이 불규칙적일 수 있다. 한 실시양태에서, 다수의 나노입자는 본질적으로 구형 나노입자로 이루어질 수 있다.
나노입자의 집단은 높은 표면 대 체적 비를 가질 수 있다. 나노입자는 결정질이거나 무정형일 수 있다. 한 실시양태에서, 단일 유형(크기, 모양 등)의 나노입자가 사용될 수 있거나, 또는 상이한 유형의 나노입자의 혼합물이 사용될 수 있다. 나노입자의 혼합물이 사용되는 경우, 이들은 조성물 내에 균질적으로 또는 불균질적으로 분포될 수 있다.
한 실시양태에서, 나노입자는 집합체 또는 응집체 형성에 대하여 안정할 수 있다. 집합체는 서로 물리적으로 접촉하는 나노입자를 1개보다 많이 포함할 수 있고, 응집체는 서로 물리적으로 접촉하는 집합체를 1개보다 많이 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노입자는 강하게 응집되고/응집되거나 집합되지 않을 수 있어서, 나노입자가 조성물 내에 비교적 쉽게 분산될 수 있다.
*한 실시양태에서, 코어는 전이 금속을 포함한다. 본원에 사용된 "전이 금속"이란 원소 주기율표 3 내지 12족의 원소를 가리킨다. 특정 실시양태에서, 코어는 상기 전이 금속 원소를 1종 이상 함유하는 1종 이상의 전이 금속 화합물, 예컨대 산화물, 탄화물, 황화물, 질화물, 인화물, 붕소화물, 할로겐화물, 셀렌화물 및 텔루르화물을 포함한다. 따라서, 본 명세서에서 "금속"이란 용어는 반드시 0가의 금속이 존재함을 나타내지는 않고; 대신에 이 용어의 사용은 구성 성분으로서 전이 금속 원소를 함유하는 금속 또는 비금속 물질의 존재를 의미한다.
일부 실시양태에서, 나노입자는 단일 코어를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시양태에서, 나노입자는 다수의 코어를 포함할 수 있다. 나노입자가 다수의 코어를 포함하는 실시양태에서, 코어는 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노입자 조성물은 둘 이상의 코어를 포함한다. 다른 실시양태에서, 각각의 나노입자 조성물은 오직 하나의 코어를 포함한다.
일부 실시양태에서, 코어는 단일 전이 금속 화합물을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 코어는 2종 이상의 전이 금속 화합물을 포함한다. 코어가 2종 이상의 전이 금속 화합물을 포함하는 실시양태에서, 전이 금속 원소 또는 전이 금속 양이온은 동일한 원소로 이루어지거나 또는 2종 이상의 상이한 원소로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 코어는 단일 금속 화합물, 예컨대 산화탄탈 또는 산화철을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 코어는 2종 이상의 상이한 금속 원소, 예를 들어 산화탄탈과 산화하프늄 또는 산화탄탈과 질화 하프늄, 또는 산화철과 산화망간을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 코어는 동일한 금속 원소의 2종 이상의 화합물, 예를 들어 산화탄탈과 황화탄탈을 포함할 수 있다.
한 실시양태에서, 코어는 X선 또는 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상화의 대비 강조를 생성한다. 종래의 CT 스캐너는 약 10 keV 내지 약 150 keV의 광범위한 X선 에너지를 사용한다. 당업자는, 단위 길이 당 특정 물질을 통과하는 X선 감쇠의 정도를 선형 감쇠 계수로서 표현함을 알 것이다. CT 영상화에서 전형적인 X선 에너지 스펙트럼에서, 물질의 감쇠는 광전 흡수 효과 및 콤프톤 산란(Compton Scattering) 효과에 의해 좌우된다. 또한, 선형 감쇠 계수는 입사 X선의 에너지, 물질의 밀도(몰 농도에 관한) 및 물질의 원자 번호(Z)의 함수인 것으로 잘 알려져 있다. 분자 화합물 및 상이한 원자의 혼합물에 있어서, "유효 원자 번호"(Zeff)는 구성 원소의 원자 번호의 함수로서 계산될 수 있다. 알고 있는 화학식의 화합물의 유효 원자 번호는 하기 수학식 1로부터 결정된다:
Figure pat00003
상기 식에서,
Z k 는 금속 원소의 원자 번호이고,
P는 금속 원자의 총량이고,
Figure pat00004
는 분자의 총 분자량(몰 농도에 관한)에 대한 금속 원소의 중량 분율이다.
CT 영상화를 위한 입사 X선 에너지의 최적의 선택은 영상화될 대상의 크기의 함수이고, 공칭값으로부터 많이 벗어나는 것으로 예상되지 않는다. 또한 조영제 물질의 선형 감쇠 계수는 물질의 밀도에 선형으로 의존하는 것으로 알려져 있으며, 즉 물질 밀도가 증가되거나 조영제 물질의 몰 농도가 증가되면 선형 감쇠 계수가 증가될 수 있다. 그러나, 환자에 대한 조영제 물질 주입의 실제적 측면, 및 관련된 독성 효과는 달성될 수 있는 몰 농도를 제한한다. 따라서, 이들의 유효 원자 번호에 따라 가능한 조영제 물질을 분리하는 것이 합리적이다. 몰 농도 약 50 mM의, 전형적인 CT 에너지 스펙트럼에 전형적인 물질의 CT 대비 강조의 모의 실험에 근거하여, 34 이상의 유효 원자 번호를 갖는 물질이 약 30 하운스필드 유닛((Hounsfield, HU)의 적당한 대비 강조 또는 물보다 3 % 높은 대비를 생기게 할 수 있는 것으로 판단된다. 따라서, 특정 실시양태에서 코어는 유효 원자 번호가 34 이상인 물질을 포함한다. 예를 들어 문헌[Chapter 1 in Handbook of Medical Imaging, Volume 1. Physics and Psychophysics, Eds. J. Beutel, H. L. Kundel, R. L. Van Metter, SPIE Press, 2000]을 참조한다.
전술한 바와 같이 비교적 높은 원자 번호의 전이 금속을 함유하는 코어는 특정한 바람직한 특징을 갖는 실시양태를 제공할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 코어는 실질적으로 방사선 불투과성인데, 이는 코어 물질이 살아있는 유기체에 전형적으로 존재하는 물질보다 X선 방사선을 상당히 덜 통과시켜서, 가능하게는 X선 영상화 용도, 예를 들어 컴퓨터 단층촬영(CT)에서의 조영제로서의 입자 유용성을 제공함을 뜻한다. 이러한 특성을 제공할 수 있는 전이 금속 원소의 예로는 텅스텐, 탄탈, 하프늄, 지르코늄, 몰리브덴, 은 및 아연이 있다. 산화탄탈은 X선 영상화 용도에 사용하기에 적합한 코어 조성물의 하나의 특정한 예이다. 하나 이상의 실시양태에서, 나노입자의 코어는 산화탄탈을 포함하고, 나노입자는 입도가 약 6 ㎚ 이하이다. 이 실시양태는, 예를 들어 탄탈-함유 코어의 고도의 방사선 불투과성 및 신속한 신장 청소를 돕는 작은 입도 때문에, X선을 적용하여 영상화 데이터를 생성하는 영상화 기술에의 적용에서 특히 매력적일 수 있다.
일부 실시양태에서, 나노입자의 코어는 전이 금속 물질 약 30 중량% 이상을 포함한다. 특정 실시양태에서, 코어는 전이 금속 물질 약 50 중량% 이상을 포함한다. 추가 실시양태에서, 코어는 전이 금속 물질 약 75 중량% 이상을 포함한다. 코어 내에 전이 금속 물질의 함량이 높으면, 단위 체적 당 더 고도의 방사선 불투명성을 나타내는 나노입자가 되며, 이로써 조영제로서 더 효율적인 성능을 제공한다.
또 다른 실시양태에서, 코어는, 예를 들어 초상자성 거동을 포함한 자성 거동을 나타내는 물질을 포함한다. 본원에 사용된 "초상자성 물질"이란 큐리(Curie) 또는 넬(Neel) 온도 미만의 온도일 때에도 상자성과 유사한 거동을 나타낼 수 있는 물질을 말한다. 가능한 자성 또는 초상자성 물질의 예로는 철, 망간, 구리, 코발트 또는 니켈 중 1종 이상을 포함하는 물질이 있다. 한 실시양태에서, 초상자성 물질은 초상자성 산화철을 포함한다. 일부 실시양태에서, 본 발명의 나노입자는 자기 공명(MR) 조영제로서 사용될 수 있다. 이러한 나노입자는 자기장에 노출되면 T2*, T2 또는 T1 자기 공명 신호를 생기게 할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 나노입자의 코어는 초상자성 산화철을 포함하고, 나노입자는 약 50 ㎚ 이하의 입도를 갖는다.
한 실시양태에서, 나노입자(10)는 코어(20)를 실질적으로 덮고 있는 쉘(40)을 포함한다. 이 쉘(40)은 코어(20)를 안정화하는 작용을 할 수 있으며, 즉 쉘(40)은 하나의 코어(20)가 인접한 코어(20)와 접촉하는 것을 막아, 다수의 이러한 나노입자(10)가 본원에 기술한 바와 같이 집합하거나 응집하지 않게 하거나, 또는 예를 들어 생체내 영상화 실험의 시간 기준에서 금속 또는 산화 금속의 누출을 막을 수 있다. 한 실시양태에서, 쉘(40)은 코어(20)를 안정화하고 상기 접촉을 막기에 충분한 두께일 수 있다. 한 실시양태에서, 쉘(40)은 약 50 ㎚ 이하의 평균 두께를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 쉘(40)은 약 3 ㎚ 이하의 평균 두께를 갖는다.
본원에 사용된 바와 같이, "실질적으로 덮고 있는"이란 용어는 나노입자의 표면 차폐율이 약 20 %보다 클 수 있다. 표면 차폐율이란, 쉘에 의해 덮여 있는 나노입자 표면적 대 쉘에 의해 덮여 있는 표면적의 비를 말한다. 일부 실시양태에서, 나노입자의 표면 차폐율은 약 40 %보다 클 수 있다.
일부 실시양태에서, 쉘은 수용해도의 개선을 용이하게 하거나, 집합체 형성을 감소시키거나, 응집물 형성을 감소시키거나, 나노입자의 산화를 방지하거나, 코어-쉘 실재물의 일률성을 유지하거나, 또는 나노입자의 생체적합성을 제공할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 쉘을 포함하는 물질 또는 물질들은 특정 용도, 예컨대 진단 용도(이에 제한되지는 않음)에 맞춰진 다른 물질을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서 나노입자는 추가로 표적화 리간드로 관능화될 수 있다. 표적화 리간드는 나노입자를 원하는 기관, 조직 또는 세포로 표적화시키는 분자 또는 구조일 수 있다. 표적화 리간드로는, 비제한적으로, 단백질, 펩티드, 항체, 핵산, 당 유도체 또는 이들의 조합물이 있을 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노입자는 조영제로서 사용될 때 이들이 대상체 신체의 특정한 질환 구역으로 표적화될 수 있도록 표적화제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노입자는 혈액 조영제로서 사용될 수 있다.
코어는 하나 이상의 쉘로 덮여 있을 수 있다. 일부 실시양태에서, 다수의 코어는 동일한 쉘로 덮여 있을 수 있다. 한 실시양태에서, 하나의 쉘이 나노입자 조성물에 존재하는 모든 코어를 덮을 수 있다. 일부 실시양태에서, 개개의 코어는 하나 이상의 쉘로 덮여 있을 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 나노입자에 존재하는 모든 코어는 둘 이상의 쉘로 덮여 있을 수 있다. 개개의 쉘은 동일한 물질을 포함할 수 있거나, 2종 이상의 상이한 물질을 포함할 수 있다. 코어가 하나보다 많은 쉘로 덮여 있을 수 있는 실시양태에서, 그 쉘은 동일하거나 상이한 물질일 수 있다.
한 실시양태에서, 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함하며, 여기서 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 실란 잔기 및 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 일부 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 쉘의 실란 잔기는 코어에 직접 부착된다.
한 실시양태에서, 쉘은 다수의 실란 잔기를 포함하며, 여기서 다수의 실란 잔기 중 하나 이상은 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기로 관능화된다. 일부 실시양태에서, 쉘은 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기 및 실란-관능화된 비-쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 이러한 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기 대 실란-관능화된 비-쯔비터이온성 잔기의 비는 약 0.01 내지 약 100이다. 일부 다른 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기 대 실란-관능화된 비-쯔비터이온성 잔기의 비는 약 0.1 내지 약 20이다.
일부 실시양태에서, 쉘은 다수의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. "다수의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기"란 용어는 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기로 관능화된, 하나의 특정 실란 잔기의 다수의 경우를 말한다. 실란 잔기는 동일하거나 상이할 수 있다. 한 실시양태에서, 각각의 코어는 다수의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기로 둘러싸여 있고, 여기서 모든 실란 잔기는 동일한 유형의 것이다. 또 다른 실시양태에서, 각각의 코어는 다수의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기로 둘러싸여 있고, 여기서 실란 잔기는 상이한 유형의 것이다. 한 실시양태에서, 다수의 실란 잔기는 각각 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기로 관능화되어 있다. 한 실시양태에서, 다수의 실란 잔기 중 하나 이상은 쯔비터이온성 잔기로 관능화되어 있어서, 각각의 나노입자는 평균적으로 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 각각의 나노입자는 다수의 쯔비터이온성 잔기를 포함한다.
쉘이 다수의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함하는 실시양태에서, 실란 잔기 및 쯔비터이온성 잔기는 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 한 실시양태에서 모든 실란 잔기는 동일할 수 있으며, 모든 쯔비터이온성 잔기는 동일할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 실란 잔기는 동일하지만, 쯔비터이온성 잔기는 상이하다. 예를 들어, 쉘은 두 상이한 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함할 수 있다. 첫번째 것은 유형 1의 실란 잔기 및 유형 1의 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 두번째 것은 유형 1의 실란 잔기 및 유형 2의 쯔비터이온성 잔기, 또는 유형 2의 실란 잔기 및 유형 1의 쯔비터이온성 잔기, 또는 유형 2의 실란 잔기 및 유형 2의 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 하나 이상의 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 둘 이상의 쯔비터이온성 잔기를 포함할 수 있다. 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기가 둘 이상의 쯔비터이온성 잔기를 포함하는 실시양태에서, 쯔비터이온성 잔기는 동일하거나 상이할 수 있다.
일부 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 양으로 하전된 잔기, 음으로 하전된 잔기 및 양으로 하전된 잔기와 음으로 하전된 잔기 사이의 제1 스페이서 기를 포함한다. 양으로 하전된 잔기는 유기 염기로부터 기원할 수 있고, 음으로 하전된 잔기는 유기 산으로부터 기원할 수 있다. 도 2는 음으로 하전된 잔기 및 양으로 하전된 잔기가 기원할 수 있는 전형적인 유기 산 및 유기 염기의 목록을 제시한다.
일부 실시양태에서, 양으로 하전된 잔기는 양성자화된 1급 아민, 양성자화된 2급 아민, 양성자화된 3급 알킬 아민, 양성자화된 아미딘, 양성자화된 구아니딘, 양성자화된 피리딘, 양성자화된 피리미딘, 양성자화된 피라진, 양성자화된 퓨린, 양성자화된 이미다졸, 양성자화된 피롤, 4급 알킬 아민, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 음으로 하전된 잔기는 탈양성자화된 카르복실산, 탈양성자화된 술폰산, 탈양성자화된 술핀산, 탈양성자화된 포스폰산, 탈양성자화된 인산, 탈양성자화된 포스핀산, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 제1 스페이서 기는 알킬 기, 아릴 기, 치환된 알킬 및 아릴 기, 헤테로알킬 기, 헤테로아릴 기, 카르복시 기, 에테르, 아미드, 에스테르, 카르바메이트, 우레아, 탄소원자 수 1 내지 10의 길이의 직쇄 알킬 기, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기의 규소 원자는 제2 스페이서 기에 의해 양으로 하전된 또는 음으로 하전된 잔기에 연결된다. 일부 실시양태에서, 제2 스페이서 기는 알킬 기, 아릴 기, 치환된 알킬 및 아릴 기, 헤테로알킬 기, 헤테로아릴 기, 카르복시 기, 에테르, 아미드, 에스테르, 카르바메이트, 우레아, 탄소원자 수 1 내지 10의 길이의 직쇄 알킬 기, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
일부 실시양태에서, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기는 전구체 트리-알콕시 실란, 예컨대 도 3a 내지 도 3d에 예시된 것의 가수분해 생성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전구체 트리-알콕시 실란은 N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄, 3-(메틸(3-(트리메톡시실릴)프로필)아미노)프로판-1-술폰산, 3-(3-(트리메톡시실릴)프로필아미노)프로판-1-술폰산, 2-(2-(트리메틸실릴)에톡시(히드록시)포스포릴옥시)-N,N,N-트리메틸에탄아미늄, 2-(2-(트리메톡시실릴)에틸(히드록시)포스포릴옥시)-N,N,N-트리메틸에탄아미늄, N,N,N-트리메틸-3-(N-3-(트리메톡시실릴)프로피오닐술파모일)프로판-1-아미늄, N-((2H-테트라졸-5-일)메틸)-N,N-디메틸-3-(트리메톡시실릴)프로판-1-아미늄, N-(2-카르복시에틸)-N,N-디메틸-3-(트리메톡시실릴)프로판-1-아미늄, 3-(메틸(3-(트리메톡시실릴)프로필)아미노)프로판산, 3-(3-(트리메톡시실릴)프로필아미노)프로판산, N-(카르복시메틸)-N,N-디메틸-3-(트리메톡시실릴)프로판-1-아미늄, 2-(메틸(3-(트리메톡시실릴)프로필)아미노)아세트산, 2-(3-(트리메톡시실릴)프로필아미노)아세트산, 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세트산, 3-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)프로판산, 2-(메틸(2-(3-(트리메톡시실릴)프로필우레이도)에틸)아미노)아세트산, 2-(2-(3-(트리메톡시실릴)프로필우레이도)에틸)아미노아세트산, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
다수의 나노입자를 포함하는 조성물이 진단제 조성물로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 또 다른 측면은 진단제 조성물이다. 진단제 조성물은 다수의 전술된 나노입자(10)를 포함한다. 한 실시양태에서, 진단제 조성물은 제약상 허용되는 담체 및 임의로는 1종 이상의 부형제를 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 제약상 허용되는 담체는 실질적으로 물일 수 있다. 임의의 부형제는 염, 붕해제, 결착제, 충전제 또는 활택제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
작은 입도는, 예를 들어 신장 및 기타 기관으로부터의 청소를 용이하게 하는데 유리할 수 있다. 한 실시양태에서, 다수의 나노입자는 약 50 ㎚ 이하의 중위수 입도를 가질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 다수의 나노입자는 약 10 ㎚ 이하의 중위수 입도를 가질 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 다수의 나노입자는 약 6 ㎚ 이하의 중위수 입도를 가질 수 있다.
본 발명의 한 측면은 나노입자를 제조하는 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 하나의 방법은 (a) 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면을 갖는 코어를 제공하고, (b) 코어 표면에 부착된 쉘을 배치하는 것을 포함하며, 여기서 쉘은 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다.
하나 이상의 실시양태에서, 코어를 제공하는 단계는 제1 전구체 물질을 제공하는 것을 포함하며, 여기서 제1 전구체 물질은 1종 이상의 전이 금속을 포함한다. 한 실시양태에서, 제1 전구체 물질이 반응하여 1종 이상의 전이 금속을 포함하는 코어를 생성한다. 한 실시양태에서, 제1 전구체 물질이 분해되어 코어를 생성한다. 또 다른 실시양태에서, 제1 전구체 무질이 가수분해되어 코어를 생성한다. 또 다른 실시양태에서, 제1 전구체 물질이 반응하여 코어를 형성한다. 나노입자 합성 방법은 당업계에 잘 알려져 있으며, 적당한 물질의 나노입자 코어를 제조하기에 적합한 임의의 방법이 본 방법에 사용하기에 적합할 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 쉘을 배치하는 단계는 제2 전구체 물질, 예컨대 실란 잔기 또는 실란 잔기의 전구체를 포함하는 물질을 제공함을 포함한다. 실란 잔기는 코어와 반응하여 실란 잔기를 포함하는 쉘을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전구체는 코어와 반응하기 전에 가수분해 반응을 겪을 수 있다. 일부 실시양태에서, 실란 잔기는 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기 또는 쯔비터이온성 잔기의 하나 이상의 전구체로 관능화될 수 있다. 실란 잔기가 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기로 관능화되는 실시양태에서, 이렇게 형성된 쉘은 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 실란 잔기가 쯔비터이온성 잔기의 전구체로 관능화되는 실시양태에서, 이렇게 생성된 쉘은 사실상 쯔비터이온성이 아닐 수 있으나, 그 후 적당한 시약과 반응하여 전구체를 쯔비터이온성 잔기로 변환시킬 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 제2 전구체 물질은 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기 또는 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기의 전구체, 예컨대 전술한 하나 이상의 전구체 트리-알콕시 실란을 포함한다.
상기 단계의 순서 및/또는 조합은 변할 수 있음을 알 것이다. 따라서, 일부 실시양태에 따라, 단계 (a) 및 (b)는 순차적인 단계로서 존재하여, 코어 및 제2 전구체 물질로부터 나노입자를 형성한다. 비제한적인 예로서, 일부 실시양태에서, 제1 전구체 물질은 1종 이상의 전이 금속을 포함하며; 여기서 코어는 1종 이상의 전이 금속의 산화물을 포함하고; 단계 (a)는 제1 선구체 물질의 가수분해물을 추가로 포함한다. 일부 실시양태에 따라, 제1 전구체 물질은 전이 금속의 알콕시화물 또는 할로겐화물이고, 가수분해 과정은 제1 선구체 물질을 알콜 용매 중에서 산 및 물과 합함을 포함한다. 일부 실시양태에서, 실란은 중합성 기를 포함할 수 있다. 중합은 산 촉매에 의한 축합 중합에 의해 진행될 수 있다. 일부 다른 실시양태에서, 실란 잔기는 코어에 물리적으로 흡착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 실란 잔기는 다른 중합체로 추가로 관능화될 수 있다. 중합체는 수용성 및 생체적합성일 수 있다. 한 실시양태에서, 중합체로는 비제한적으로 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리에틸렌 이민(PEI), 폴리메타크릴레이트, 폴리비닐술페이트, 폴리비닐피롤리디논, 또는 이들의 조합물이 있다.
일부 실시양태에서, 코어는 산화 금속을 포함한다. 한 실시양태에서, 산화 금속 코어는 유기 산의 존재하에 알콕시화 금속의 가수분해시 합성될 수 있다. 일부 실시양태에서, 알콕시화 금속은 알콕시화탄탈, 예컨대 에톡시화탄탈일 수 있고, 유기 산은 카르복실산, 예컨대 이소부티르산, 프로피온산 또는 아세트산일 수 있고, 가수분해 반응은 알콜 용매, 예컨대 1-프로판올 또는 메탄올의 존재하에 수행될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 코어 및 제2 전구체 물질을 서로 접촉시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 제2 전구체 물질은 규소 함유 종, 예컨대 유기관능성 트리-알콕시실란 또는 유기관능성 트리-알콕시실란의 혼합물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 유기관능성 트리-알콕시 실란은 하나 이상의 쯔비터이온성 기 또는 쯔비터이온성 기의 전구체를 함유하여, 각각의 나노입자는 평균적으로 하나 이상의 쯔비터이온성 기 또는 쯔비터이온성 기의 전구체를 함유할 수 있다. 한 실시양태에서, 각각의 나노입자는 평균적으로 다수의 쯔비터이온성 잔기 또는 쯔비터이온성 잔기의 전구체를 함유할 수 있다. 다른 실시양태에서, 코어는 둘 이상의 실란 잔기를 함유하는 혼합물로 처리될 수 있다. 한 실시양태에서, 하나의 실란 잔기는 쯔비터이온성 잔기 또는 쯔비터이온성 잔기의 전구체로 관능화되고, 제2 실란 잔기는 임의의 쯔비터이온성 잔기로 관능화되지 않을 수 있다. 하전된 실란 잔기는 동시에 또는 순차적으로 부가될 수 있다. 일부 실시양태에서, 쯔비터이온성 잔기, 또는 쯔비터이온성 잔기의 전구체로 관능화된 하나 이상의 실란 잔기가 비-쯔비터이온성 실란 잔기로 관능화된 코어에 동시에 또는 순차적으로 부가될 수 있다.
한 실시양태에서, 산화탄탈 코어를 4급 질소 및 술포네이트 기 또는 카르복시 기를 둘다 함유하는 알콕시 실란, 예를 들어 술포베타인 기 또는 베타인 기와 반응시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 산화탄탈 코어는 (RO)3Si(CH2)xNR'2(CH2)ySO3과 반응시킬 수 있고, 식 중 R은 알킬 또는 아릴 기이고, x는 1 내지 10이고, y는 1 내지 10이고, R'은 H, 알킬 기 또는 아릴 기이다. 한 실시양태에서, R은 알킬 기, 예컨대 메틸 또는 에틸이고, x는 3이고, y는 2 내지 5이고, R'은 H 또는 알킬 기, 예컨대 메틸이다.
한 실시양태에서, 술포베타인-관능화된 실란은 알킬 술톤 또는 알킬 술톤의 혼합물과 아민 치환된 실란의 개환 반응시 합성될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 알킬 술톤 대신에 알킬 락톤 또는 알킬 락톤의 혼합물이 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 쉘은 술포베타인과 베타인 관능성 실란의 혼합물을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 산화 금속 코어는 술포베타인 또는 베타인 관능성 실란 잔기와 반응할 수 있고, 여기서 술포네이트 또는 카르복시 기는 화학적으로 보호될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 산화탄탈 코어를 아민-함유 실란, 예컨대 아미노-관능성 트리알콕시실란과 반응시켜, 아민-함유 실란으로 관능화된 산화탄탈 코어를 형성할 수 있다. 제2 단계에서, 실란으로 관능화된 코어가 단리될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 실란으로 관능화된 코어는 인-시투(in-situ)로 사용될 수 있다. 실란으로 관능화된 코어를 알킬 술톤, 알킬 락톤, 할로알킬카르복실산 또는 에스테르, 알킬 술톤의 혼합물, 알킬 락톤의 혼합물, 할로알킬카르복실산 또는 에스테르의 혼합물, 또는 알킬 술톤 및 알킬 락톤의 둘다의 혼합물과 반응시켜 쯔비터이온성 잔기를 형성할 수 있다. 술톤, 락톤 또는 술톤 및/또는 락톤의 혼합물의 양은, 평균적으로 나노입자 당 하나 이상의 쯔비터이온성 잔기를 제공하기에 충분할 수 있다. 알킬 술톤의 비제한적인 예로는 프로판 술톤 및 부틸 술톤이 있다. 락톤의 비제한적인 예로는 프로판 락톤 및 부틸 락톤이 있다.
한 실시양태에서, 본 방법은 다수의 나노입자의 분별화를 추가로 포함한다. 분별화 단계는 나노입자를 여과함을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 본 방법은 다수의 나노입자를 정제함을 추가로 포함할 수 있다. 정제 단계는 투석, 접선류 여과, 투석여과, 또는 이들의 조합의 사용을 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 본 방법은 정제된 나노입자의 단리를 추가로 포함한다.
임의의 전술한 실시양태와의 조합에서, 일부 실시양태는 X선/컴퓨터 단층촬영 또는 MRI용 진단제 조성물의 제조 방법에 관한 것이다. 진단제 조성물은 다수의 나노입자를 포함한다. 일부 실시양태에서, 다수의 나노입자의 중위수 입도는 약 10 ㎚ 이하, 예를 들어 약 7 ㎚ 이하일 수 있고, 특정 실시양태에서는 약 6 ㎚ 이하일 수 있다. 일부 실시양태에 따라, 다수의 나노입자의 입도는 나노입자를 포유동물의 신장, 예컨대 인간의 신장에 의해 미립자 형태로 실질적으로 청소가능하게 되도록 선택될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 발명은 본원에 기술된 다수의 나노입자를 포함하는 진단제 조성물의 사용 방법에 관한 것이다. 일부 실시양태에서, 본 방법은 일부 경우에 살아있는 대상체일 수 있는 대상체, 예컨대 포유동물에게 진단제 조성물의 생체내 또는 시험관내 투여를 행한 다음, 대상체를 X선/CT 장치로 영상 생성함을 포함한다. 상기 나노입자는 전술된 바와 같이 코어 및 쉘을 포함하며, 여기서 쉘은 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함한다. 한 실시양태에서, 코어는 산화탄탈을 포함한다. 나노입자는 다양한 공지의 방법에 의해 대상체에 도입될 수 있다. 대상체에 나노입자를 도입하는 것의 비제한적인 예로는 정맥내, 동맥내 또는 경구 투여, 피부 적용, 또는 근육, 피부, 복막강 또는 기타 조직이나 신체 구획으로의 직접 주사가 있다.
또 다른 실시양태에서, 본 방법은 대상체에게 진단제 조성물을 투여하고, 대상체를 진단 장치로 영상화함을 포함한다. 진단 장치는 영상화 방법을 사용하는데, 그의 비제한적인 예로는 MRI, 광학 영상화, 광간섭 단층촬영, X선, 컴퓨터 단층촬영, 양전자 방출 단층촬영, 또는 이들의 조합이 있다. 사용 방법에서, 신체에 또한 진단제 조성물을 미리 투여할 수 있다. 진단제 조성물은 전술한 바와 같이 다수의 나노입자(10)를 포함한다.
한 실시양태에서, 진단용 조영제의 사용에 대하여 전술한 방법은 진단 장치에 의해 대상체로의 진단제 조성물의 전달을 모니터링하고, 대상체를 진단함을 추가로 포함하며, 이 방법에서 일반적으로 의료용 진단 영상화 설비를 일반적으로 작동시키면서 데이터를 모으고 분석할 수 있다. 진단제 조성물은 X선 또는 CT 조영제, 예를 들어 산화탄탈 코어를 포함하는 조성물일 수 있다. 진단제 조성물은 약 100 하운스필드 내지 약 5000 하운스필드 유닛 범위의 CT 신호를 제공할 수 있다. 또 다른 예에서, 진단제 조성물은 MRI 조영제, 예컨대 초상자성 산화철 코어를 포함하는 조영제일 수 있다.
본 발명의 한 실시양태는 본원에 기술된 나노입자(10), 예컨대 산화탄탈 또는 산화철 코어를 갖는 나노입자를 대상체 내에 분포시키는 정도를 결정하는 방법을 제공한다. 대상체는 포유동물 또는 조직 샘플이나 세포를 포함하는 생물학적 물질일 수 있다. 본 방법은 생체내 또는 시험관내 방법일 수 있다. 나노입자는 다양한 공지의 방법에 의해 대상체에 도입될 수 있다. 대상체에 나노입자를 도입하는 비제한적인 예로는 전술한 임의의 공지의 방법이 있다. 한 실시양태에서, 본 방법은 (a) 대상체에 나노입자를 도입하고, (b) 대상체 내의 나노입자의 분포를 결정함을 포함한다. 대상체 내에서의 분포는 진단 영상화 기법, 예컨대 전술한 기법을 사용하여 결정될 수 있다. 또 다르게는, 생물학적 물질 내의 나노입자의 분포는 원소 분석에 의해 결정될 수 있다. 한 실시양태에서, 생물학적 물질 내의 나노입자의 농도를 결정하기 위하여 유도 결합 플라즈마 질량 분광법(Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, ICP-MS)을 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 진단제 조성물로서 사용하기 위한 조성물의 제조를 위한, 전술한 나노입자(10)의 용도에 관한 것이다.
하기 실시예는 본 발명의 특정 실시양태를 설명하기 위해 포함되었다. 당업자는 실시예에 개시된 방법이 단지 본 발명의 전형적인 실시양태를 나타내는 것임을 알아야 한다. 그러나, 당업자는 본 발명의 개시내용에 비추어 기술된 특정 실시양태를 다양하게 변화시킬 수 있고, 본 발명의 요지 및 범주를 벗어남이 없이 여전히 비슷하거나 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알아야 한다.
실시예
본 발명의 실시는 하기의 실시예로부터 훨씬 더 그리고 충분히 이해될 것이며, 이들 실시예는 예시의 목적으로만 제시된 것이지, 본 발명을 어떤 식으로든 제한하는 것으로 생각되어서는 안된다.
실시예 부분에 사용되는 약어는 다음과 같이 부연된다: "㎎": 밀리그램; "㎖": 밀리리터; "㎎/㎖": 밀리리터 당 밀리그램; "m㏖": 밀리몰; "㎕": 마이크로리터; "LC": 액체 크로마토그래피; "DLS": 동적 광산란; "DI": 탈이온수, "ICP": 유도 결합 플라즈마.
달리 나타내지 않는 한, 모든 시약급 약품은 수령된 대로 사용하였고, 모든 수용액의 제조시 밀리포어(Milipore) 수를 사용하였다.
산화탄탈계 나노입자의 합성
단계-1: N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄의 합성
교반 막대가 들어 있는 500 ㎖의 둥근 바닥 플라스크에 톨루엔(무수, 250 ㎖), N,N-디메틸아미노트리메톡시실란(25 g, 121 m㏖) 및 1,3-프로판 술톤(13.4 g, 110 m㏖)을 첨가하였다. 이 혼합물을 실온에서 4일 동안 교반하였다. 그 다음, 혼합물을 여과하여 침전된 생성물을 단리하고, 이를 새로운 무수 톨루엔(2×60 ㎖)으로 세척하였다. 진공 하에 건조시킨 후 백색 분말의 수득량은 23.6 g이었다.
단계 2: N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄과 산화탄탈계 코어의 반응
방법-1: 용매로서 1-프로판올
교반 막대가 들어 있는 250 ㎖의 3구 둥근 바닥 플라스크에 1-프로판올(73 ㎖)을 투입한 후, 이소부티르산(1.16㎖, 12.51 m㏖, Ta에 대하여 1.27 당량) 및 DI수(1.08 ㎖, 59.95 m㏖, Ta에 대하여 6.09 당량)를 첨가하여 반응 혼합물을 형성하였다. 이 반응 혼합물에 20분 동안 질소를 버블링시킨 후, 15분에 걸쳐 교반하면서 실온에서 반응 혼합물에 에톡시화탄탈(Ta(OEt)5)(2.55 ㎖, 4 g, 9.84 m㏖)을 첨가하였다. Ta(OEt)5를 첨가하는 동안, 반응 혼합물에 질소를 계속 버블링시켰다. Ta(OEt)5 첨가가 끝난 후, 전술된 반응 혼합물을 실온에서 질소 하에 16시간 동안 교반시켰다.
반응 혼합물을 실온에서 16시간 동안 교반한 다음, 반응 혼합물로부터 분취량(1.5 ㎖)을 취하여, 20 ㎚의 여과 막을 통해 여과시키고, 여과 단계 직후에 DLS에 의해 물에서 입도를 측정하였다(수력학적 반경으로서). 평균 입도는 약 3.6 ㎚인 것으로 측정되었다. DI수 50 ㎖에 N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄(4.03 g, 12.23 m㏖, Ta에 대하여 1.24 당량)을 용해시켰다. 이 용액을 상기 언급된 반응 혼합물에 수분에 걸쳐 적가하였다. 무색의 균질한 반응 혼합물이 바로 흐린 백색 용액으로 변하였고, 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기의 첨가가 끝나면 마지막으로 유백색의 용액이 되었다. 첨가가 끝난 후 플라스크에 응축기를 부착시키고, 반응 혼합물을 질소 블랭킷(blanket) 하에 유지시켰다. 플라스크를 75 ℃로 예열시킨 오일욕에 넣고 반응 혼합물을 6시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물은 더 깨끗해졌다. 6시간 후, 반응 혼합물을 공기의 블랭킷 하에 실온으로 냉각시켰다. 불균질한 반응 혼합물을 1(M) NH4OH를 사용하여 pH 6 내지 7로 중화하였다. 이 반응 혼합물을 공기의 블랭킷 하에 제2의 둥근 바닥 플라스크로 옮겼다. 반응 혼합물을 제2 플라스크로 옮기는 동안, 상당량의 백색 물질이 플라스크에 남아 있었고, 제2 플라스크로 옮겨지지 않았다(조생성물 A). 이 조생성물 A를 질소의 흐름 하에 밤새 건조시켰다. 한편, 회전식 증발기를 사용하여 제2 플라스크의 용액을 50 ℃에서 증발시켰다. 용액을 증발시킨 후 얻어진 무수 백색 잔류물(조생성물 B)을 질소 흐름 하에 밤새 정치시켰다.
조생성물 A를 밤새 건조시켰다. 이 고체를 DI수에 완전히 용해시켰다. 조생성물 B도 또한 DI수에 완전히 용해시키고, 두 용액(조생성물 A 및 조생성물 B)을 합하였다(총 체적은 60 ㎖였음). 이 수용액을 450 ㎚, 200 ㎚ 및 100 ㎚의 여과 막을 통해 순서대로 여과시키고, 마지막으로 20 ㎚의 여과 막을 통과시켰다. 그 다음, 용액을 먼저 인산 나트륨 완충제(10K 분획 분자량의 스네이크스킨(snakeskin) 재생 셀룰로스 배관)를 사용하여 pH 7.0에서 투석시킨 다음, DI수로 3회 투석시켰다.
마지막으로, 동결건조에 의해 나노입자를 단리하였다. 백색 분말의 수득량: 1.748 g(Ta를 기준으로 38 %의 수율). 제타 전위: (-)8.18 ㎷. 원소 분석: Ta 38.3±0.3 %, Si 4.8±0.1 %. 평균 입도는 DLS에 의해 8.9 ㎚인 것으로 측정되었다. 나노입자의 순도는 액체 크로마토그래피(LC)/유도 결합 플라즈마(ICP)에 의해 측정되었다.
방법-2: 용매로서 트리플루오로에탄올
교반 막대가 들어 있는 100 ㎖의 3구 둥근 바닥 플라스크에 트리플루오로에탄올(42 ㎖)을 투입하였다. 이 용매를 질소로 스파징(sparging)하고, 주사기를 사용하여 이소부티르산(0.53 ㎖, 5.7 m㏖)에 이어 물(0.13 ㎖, 7.4 m㏖)을 첨가하였다. 이 용액에 질소를 계속 버블링시키면서 추가의 15분 동안 교반시켰다. 주사기를 사용하여 에톡시화탄탈(Ta(OEt)5)(2 g, 4.9 m㏖)을 적가하였다. 약간 흐린 용액을 실온에서 질소 하에 17시간 동안 교반하였다. N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄(실시예 1, 3.2 g, 9.8 m㏖)을 물(15 ㎖)에 용해시켰다. 이 균질한 무색 용액을 탄탈을 함유하는 반응 혼합물에 대기 중에서 교반하면서 재빨리 적가하였다. 플라스크에 응축기를 장착한 다음, 78 ℃로 예열시킨 오일욕에 놓았다. 이 온도에서 6시간 동안 교반한 후, 무색의 균질한 반응 혼합물을 실온으로 냉각시켰다. 물(20 ㎖)을 첨가한 후 회전식 증발기에서 트리플루오로에탄올을 거의 제거하였다. 이 수용액을 진한 수산화 암모늄을 사용하여 중화한 다음, 200 ㎚, 100 ㎚, 및 20 ㎚ 필터를 통해 계속 여과하였다. 그 다음, 용액을 3500 분획 분자량의 재생 셀룰로스 스네이크스킨 투석 배관을 사용하여 4회 투석시켰다. 제1 투석을 50:50의 DI수:pH 7.0의 인산염 완충제 중에서 수행하였다. 후속 투석을 DI수 중에서 수행하였다. 정제된 나노입자 생성물은 물로부터 단리되지 않았다. 분취량의 고형분 백분율 시험을 사용하여 코팅된 나노입자의 수득량이 1.55 g임을 결정하였다. 평균 입도는 동적 광산란에 의해 1.6 ㎚인 것으로 결정되었다.
산화탄탈계 나노입자의 합성
단계-1: 에틸 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세테이트의 합성
염화 메틸렌(20 ㎖) 중 에틸아세톡시피페라진(3.789 g)의 용액에 (3-이소시아네이토프로필)트리메톡시실란(4.106 g)을 첨가하였다. 이 용액을 16시간 동안 교반한 다음, 감압 하에 용매를 제거하여, 추가의 정제 없이 사용되는 물질 8.37 g을 수득하였다.
단계-2: 에틸 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세테이트와 산화탄탈계 코어의 반응
500 ㎖의 둥근 바닥 플라스크에 n-프로판올(99 ㎖), 이소부티르산(1.4 ㎖) 및 물(1.2 ㎖)을 투입하였다. 이 용액을 5분 동안 교반한 다음, Ta(OEt)5(5.37 g)을 용액에 적가하였다. 용액을 실온에서 질소 하에 18시간 동안 교반하였다. 그 다음, 총 60 ㎖의 상기 용액을 에틸 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세테이트(6.37 g)에 첨가하고, 용액을 질소 하에 100 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 그 다음, 이 혼합물을 실온으로 냉각하고, 물(20 ㎖)을 첨가하고, 이 혼합물을 실온에서 18시간 동안 교반하였다. 그 다음, 총 75 ㎖의 0.33 N 수성 염산을 첨가하고, 이 용액을 60 ℃에서 6시간 동안 가열하였다. 그 다음, 이 혼합물을 실온으로 냉각하고, 28 % 수성 암모니아 250 ㎖를 첨가하고, 이 혼합물을 5일 동안 교반하였다. 감압 하에 암모니아 및 프로판올을 제거한 다음, 이 물질을 3,000 분획 분자량의 재생 셀룰로스 투석 배관에 주입하고, 증류수에 대하여 48시간 동안 투석하고, 투석 완충제를 12시간 마다 교환하였다. 그 다음, 용액을 30,000 분획 분자량의 원심분리 여과기를 통해 여과하여, DLS에 의해 측정된 평균 입도가 4.5 ㎚인 입자를 수득하였다.
산화철계 나노입자의 합성
초상자성 산화철 나노입자의 합성
100 ㎖의 3구 둥근 바닥 플라스크에 Fe(acac)3 706 ㎎ 및 무수 벤질 알콜 20 ㎖를 투입하였다. 이 용액에 질소를 스파징한 다음, 질소 분위기 하에 2시간 동안 165 ℃로 가열하였다. 그 다음, 이 용액을 실온으로 냉각하고 보관하였다.
에틸 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세테이트와 초상자성 산화철의 반응
벤질 알콜 중 초상자성 산화철 나노입자(Fe 5.58 ㎎/㎖)의 10 ㎖의 분취량을 테트라히드루푸란 50 ㎖로 희석하였다. 에틸 2-(4-(3-(트리메톡시실릴)프로필카르바모일)피페라진-1-일)아세테이트 2.00 g을 첨가하고, 이 혼합물을 2시간 동안 교반하면서 60 ℃로 가열한 후, 실온으로 냉각하였다. 1.0 M 수성 탄산 칼륨 50 ㎖를 첨가한 후, 플라스크를 밀폐하고 18시간 교반하면서 60 ℃로 가열하였다. 그 다음, 이 혼합물을 냉각하고 원심분리하고, 수성 층을 10,000 분획 분자량의 재생 셀룰로스 투석 배관에 주입하고 10 mM 시트르산 나트륨 4 ℓ에 대하여 48시간 동안 투석시키고, 투석 완충제를 12시간 마다 교환하였다. 최종 체적은 94 ㎖이었고, 용액 1 ㎖ 당 철은 총 0.416 ㎎이었다. 이 물질은 150 mM 수성 염화나트륨 중에서 동적 광산란에 의해 측정된 평균 입도가 8.4 ㎚였다.
N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄과 초상자성 산화철의 반응
벤질 알콜 중 초상자성 산화철 나노입자(Fe 5.58 ㎎/㎖)의 16.75 ㎖의 분취량을 테트라히드루푸란에 첨가하여 총 체적이 94.5 ㎖가 되었다. 그 다음, 이 용액을 N,N-디메틸-3-술포-N-(3-(트리메톡시실릴)프로필)프로판-1-아미늄 3.1 g과 함께 가압 플라스크에 첨가하고, 이 혼합물을 2시간 동안 교반하면서 50 ℃로 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 총 31 ㎖의 이소프로판올 및 진한 수성 수산화 암모늄(물 중 NH3 28 %) 76 ㎖를 첨가한 다음; 플라스크를 밀폐하고 18시간 동안 교반하면서 50 ℃로 가열하였다. 이 혼합물을 냉각하고 헥산으로 세척하였다(100 ㎖×3). 수성 층을 10,000의 분획 분자량의 재생 셀룰로스 투석 배관에 주입하고, 10 mM 시트르산 나트륨 4 ℓ에 대하여 18시간 동안 투석하였다. 최종의 용액은 용액 1 ㎖ 당 총 0.67 ㎎의 철을 가졌다. 이 물질의 입도는 9.2 ㎚였다.
물 중 나노입자의 입도 및 안정성의 결정
방법 1에서 얻은 나노입자(36.2 ㎎)를 DI수 2 ㎖에 용해시켰다. 이 용액을 20 ㎚의 여과 막을 통해 여과하였다. 평균 입도는, 여과 단계 직후에, 동적 광산란(DLS)에 의해 수력학적 반경으로서 측정되었다. 샘플을 37 ℃에서 15일 동안 보관하고, DLS에 의해 주기적으로 모니터링하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00005
나노입자 체내분포 실험
생체내 연구는 체중 150 내지 500 g 크기의 수컷 루이스(Lewis) 래트를 가지고 수행하였다. 래트를 표준의 우리에 가두고 무제한의 음식과 물 및 12시간의 주,야간 광 주기를 제공하였다. 체내분포에 사용되는 모든 동물은 달리 처리되지 않은 정상의 대상체였다.
나노입자는 물 또는 염수 중 여과기-살균된 용액으로서 투여되었다. 투여는 꼬리 측정맥에 삽입된 26 G 카테터에 의해 이소플루란 마취(4 % 유도, 2 % 유지) 하에 수행하였다. 주사 용량은 주사물 중 나노입자의 농도 및 래트의 크기를 기준으로 결정되지만, 일반적으로 래트 혈액 체적의 10 % 미만이었다. 표적 투여량은 체중 ㎏ 당 코어 금속(예를 들어, 탄탈) 100 ㎎이었다. 일단 주사하고 나면, 동물을 마취에서 풀려나게 하고, 부작용을 관찰하는 시간이 지난 후, 정상 우리로 돌려 보냈다. 짧게는 수분에서 길게는 6개월의 후기에서, 래트를 안락사시키고, 중요한 기관을 수획하고, 칭량하고, ICP 분석에 의해 이들의 총 금속(예를 들어, 탄탈) 함량에 대하여 분석하였다. 기관과 함께, 주사된 물질의 샘플을 제출하여 주사물의 정확한 농도를 결정하였다. 이들 데이터를 합하여 중요한 조직에 남아 있는 주사된 용량의 비율("% ID")을 결정하였다. 이들 데이터를 % ID/기관, 또는 % ID/g 조직으로서 보고하였다. 실험은 일반적으로 각각의 시간대에서 4마리의 중복 래트를 가지고 수행하여 실험 오차(±표준 편차)를 결정하였다.
Figure pat00006
표 2는 IV 주사한 지 1주 후, 주요 청소 기관 내에서의 비-쯔비터이온(PHS) 코팅물 및 쯔비터이온성 코팅물(SZWIS 및 CZWIS)을 갖는 분별화된 나노입자의 체내분포를 기술한다. "ND"는 "검출되지 않음"을 나타낸다.
기관 당 보유된 탄탈의 양을 주사된 용량의 분율로서 표 2에 나타내었다. 동등한 크기의 비-쯔비터이온 코팅된 나노입자는 시험된 쯔비터이온 코팅물들보다 훨씬 높은 수준으로(거의 한자리 수) 보유되었다.
본 발명의 특정한 특징만을 설명하고 기술하였지만, 당업자에게는 많은 변형 및 변화가 떠오를 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 참 범주에 속하는 상기 모든 변형 및 변화를 포함할 것으로 생각된다.

Claims (1)

  1. (a) 본질적으로 실리카가 없는 코어 표면(30)을 갖는 코어(20), 및
    (b) 코어 표면(30)에 부착된 쉘(40)
    을 포함하고, 여기서 쉘(40)이 하나 이상의 실란-관능화된 쯔비터이온성 잔기를 포함하는 것인 나노입자(10).
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