用于超声显像/治疗的可降解二氧化硅纳米壳的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C. § 119(e)要求2012年9月28日提交的美国临时申请系列 号61/707, 794以及2013年7月12日提交的美国临时申请系列号No. 61/845,727的优先 权，通过引用将其全部内容合并入本文中。
技术领域
[0003] 本申请涉及纳米结构及其制备和使用方法。更具体地，本申请提供用于药物传递、 显像、基因转移、癌症治疗和传感的中空纳米壳。
【背景技术】
[0004]目前用于筛查的标准超声波技术可根据肿瘤可靠地检测大小为5-10mm的肿瘤。 肿瘤的早期检测将允许外科医生切除更小的体积的组织，使患者更免于复发。为防止疾病 的复发、恶化以及最终的扩散，手术切除仍是用于绝大多数实体器官癌症如乳腺癌的最有 效治疗；因此，对小肿瘤的精确鉴定和定位的需求不断增加。
[0005] 对于乳腺癌，在一些大的随机前瞻性研宄中已经表明乳房X线筛查乳腺癌降低了 15-25%的死亡率。该数据表明进一步提高筛查精度可提高存活率。由于射线照相上的致 密乳腺组织中的非钙化肿块，削弱了乳房X线的敏感性。在北美，乳房超声波检测是最常见 的靶向性检查，受限于基于触诊或乳腺放射涉及的领域。磁共振显像（MRI)非常有利于筛 查高危女性，评估硅酮植入物，以及合适地监测对新辅助化疗的响应。手术前开始进行使用 MRI，以决定病人的保乳治疗（BCT)的适合性。遗憾地，用于改善保乳结果的术前MRI没有 一个被证实了的优点。此外，手术前MRI是昂贵的疗程，具有相对较高的假阳性率，导致更 多的活检和提高了乳房切除率。目前，全乳腺超声筛查可以可靠地检测到~10毫米直径的 肿瘤。对于乳房X线和标准声像图的（超声（US))评价后仍然模棱两可的病灶，已推测超 声造影（CEUS)可以是解决问题的方法。
[0006] 高强度聚焦超声（HIFU)用于通过局部升温局部地加热并烧蚀肿瘤。HIFU是一种 微创治疗，与大部分放射技术相比，HIFU将肿瘤外部的损伤降到最低，并且成本也极低。在 HIFU过程中，频繁地应用MRI引导并监控肿瘤的温度。HIFU还可用于超声辅助局部药物传 递；例如HIFU可用于破坏肿瘤附近的载脂质体的药物。目前，在美国，HIFU被批准用于治 疗子宫肌瘤，然而；国际上它还被用来治疗多种类型的癌症。HIFU治疗优于其它类型的放 射疗法，因为超声能量对于肿瘤和换能器之间的组织没有累积效应，从而允许对相同癌症 多种治疗。这对于控制具有转移性和持久性的疑难癌症如前列腺癌是特别有价值的。超声 造影（CEUS)与HIFU结合，用于降低HIFU过程中的功率（机械指数）。因为超声造影剂在 肿瘤中保留得不好，并且HIFU治疗是时间密集的，所以传统的HIFU-CEUS需要持续施用超 声造影剂（CEUS)(传统微泡）。
【发明内容】
[0007] 报道的金属丝定位的乳腺癌切除的切缘阳性率大约为20-50%，因此需要二次手 术（再次切除）；然而，通过CT引导下的手术前向肿瘤注入放射性粒子，外科医生可以不断 地调整切除体以将粒源放在该试样的中心，使再切除率减半。遗憾地，放射性粒子定位具 有一些安全挑战，仅可以定位单病灶，并且切口需植入粒子，所以很少运用它。作为安全的 替代，本申请提供充气的空心铁掺杂的二氧化硅微粒，其可以用于超声引导下手术，甚至可 用于多病灶。铁掺杂的功能是使二氧化硅壳可生物降解。通过在聚苯乙烯模板上进行溶 胶-凝胶法，并随后煅烧打造中空、刚性微/纳米壳来合成颗粒。铁掺杂的二氧化硅壳源自 硅酸四甲酯（TMOS)和乙氧基铁（III)，其通过煅烧形成刚性、多孔的壳。微/纳米壳充满着 全氟正戊烷（PFP)蒸气或液体。由于氟相极低的水溶性，因此多孔的球壳内含有氟相。在 各种包括超声导电膏、鸡胸肉和离体人乳房组织的模体中进行颗粒功能性、信号持续和声 学性质的大量测试。体外研宄表明：连续的颗粒显像时间最多可达约45分钟，并且将持续 五天以上。此外，在小鼠肿瘤模型中已经进行了体内颗粒注射寿命的研宄，小鼠肿瘤模型与 表明甚至在注射10天后信号仍然存在的体外数据相一致。这些二氧化硅球也可在高强度 聚焦超声（HIFU)中用作敏化剂。传统超声显像剂基于软壳（如白蛋白）包裹的气泡，并且 在连续灌注时形成一些潜在的缺点，如差的体内持久性（分钟）和高风险（心脏并发症）。 在琼脂组织模体的HIFU切除的初步体外结果表明，为形成对HIFU的增敏作用，需要极少量 的颗粒（根据颗粒大小，大约1-10 U g/ml粒子/琼脂）。本申请还提供用全氟化碳液体填 充颗粒的技术，与气体填充的颗粒相比，所述全氟化碳液体一旦暴露到HIFU就蒸发，从而 进一步提高了灵敏度。
[0008] 本申请提供了使用的方法和组合物，包括（1)纯硅和可生物降解的铁掺杂二氧化 硅纳米壳可用于通过静脉注射发现肿瘤。二氧化硅壳往往在晚期肿瘤中积聚，以致单次快 速静脉注射可用于检测肿瘤。现有的技术依赖于超声造影中软颗粒的注射，使血流的动力 学用于肿瘤呈像。相反，二氧化硅壳仅被肿瘤保留，因此，少量的存在就可用于表现肿瘤的 存在。（2)在美国，纳米壳增强的超声消融治疗1-高强度聚焦超声（HIFU)目前用于治疗 子宫肌瘤（所有绝经后女性中的30%有子宫肌瘤）。在加拿大和英国，也用来治疗前列腺 癌、肝癌和一些其它实体肿瘤。为了更快的治疗并且避免非预期或脱靶的热伤害，通常使用 常规超声造影剂以允许更低的功率。无造影剂的HIFU通过将肿瘤中的温度提高到50-90°C 运行。使用造影剂，产生至少两个附加效果以改善HIFU的治疗。首先，造影剂消弱超声以 增加存储于造影剂区域的的局部热度。其次，由于空泡造影剂机械地损伤包括脉管系统的 组织，所以HIFU还攻击肿瘤。HIFU的常规造影剂需要连续输注由于他们不被组织所保留并 且循环时间短，二氧化硅纳米壳保持循环几个小时，并有选择性地被晚期肿瘤所保留。这缩 短了治疗时间，且注射一次，具有更低的风险。（3)纳米壳增强的超声消融2-实验表明用全 氟化碳液体可以充满500nm纳米壳。这种液体充填有一个新的用途，其中高功率超声通过 聚结将纳米壳转变成1_的气泡。这使得颗粒可用于咬合肿瘤的维管联结。已获得的数据 显示，使用高功率超声，填充液体的500nm纳米壳可以转变为许多1mm的气泡。（4)显像模 型-本申请表明当用彩色多普勒超声显像时，所述颗粒对甚至50微升的注射具有高差异。
[0009] 在另一个实施方案中，本申请的组合物和方法包括将纳米壳增强的超声消融 (HIFU)与施用病毒治疗/脂质体或聚合物制剂/化学治疗剂相结合。在该实施方案中，施 用可以是（a)局部地：将治疗剂在超声互作空化与破裂前，传递到通过本申请的纳米壳组 合物的空化诱导的机械消融液化的组织空腔内；或者（b)系统地：消融治疗前的炎症反应 可提高溶瘤病毒、抗体疗法或化学治疗剂传递以及在消融术位点的特别地保留。
[0010] 在另一个实施方案中，通过局部的本申请的全氟化碳液体或填充的纳米壳的注 射进行纳米壳以及HIFU "组织钻"，其中HIFU的使用导致液化在注射部位的组织的纳米壳 的机械空化。可通过真空去除液化的组织从而造成空腔，该空腔可被其它纳米壳重复充填， 所述其它纳米壳用于进一步的HIFU施用以扩大或加深空腔以便快速切除大组织体。
[0011] 再在另一实施方案中，提供了长期显像标记，其包括氟碳（PFC)液体填充的纳米 壳，氟化的三烷氧基硅烷功能化用于长期体内超声显像。所述氟化的三烷氧基硅烷使颗粒 〃不润湿〃。这将阻止PFC逃逸颗粒以及颗粒降解。
[0012] 本申请的组合物和方法可用于治疗良性前列腺增生，肝癌的组合治疗，子宫肌瘤 的液化，乳腺纤维腺瘤的液化，前列腺癌的治疗，乳腺癌的非手术治疗，头部和颈部癌症的 组合治疗，乳腺/前列腺癌的长期标记以及其它使用组织消融的疾病和方法。
[0013] 本申请提供一种生产全氟化碳液体填充的纳米壳的方法。在一个实施方案中，所 述全氟化碳液体填充的纳米壳被各种烷氧基硅烷功能化，以改善超声响应。
[0014] 本申请还提供一种显像癌症的方法，包括将本申请的纳米壳施用于患者，并显影 患者以确定纳米壳的位置。
[0015] 本申请提供一种治疗增生的方法，包括向增生组织施用本申请的纳米壳，用足够 的能量接触纳米壳导致破裂和中空，以及充分液化纳米壳附近的增生组织。
[0016] 本申请提供一种治疗实体肿瘤和各种癌症（如肝癌）的方法，包括向癌组织施用 本申请的纳米壳，向纳米壳施用充足能量的HIFU造成破裂和中空，并且充分液化纳米壳附 近的癌组织壳，可选去除液化的组织并向液化组织部位传送治疗剂。
[0017] 本申请还提供了一种治疗子宫肌瘤的方法，向子宫肌瘤组织施用本申请的纳米 壳，用足够的能量接触纳米壳导致破裂和中空，以及充分液化纳米壳附近的子宫肌瘤组织。
[0018] 本申请提供一种治疗乳腺癌或者乳腺纤维瘤的方法，包括向乳腺组织施用本申请 的纳米壳，向纳米壳施用充足能量的HIFU造成破裂和中空，并且充分液化纳米壳附近的癌 组织或纤维腺瘤组织。
[0019] 本申请还提供一种治疗前列腺癌的方法，包括对乳腺组织施用本申请的纳米壳， 向纳米壳施用充足能量的HIFU造成破裂和中空，并且充分液化纳米壳附近的癌组织。
[0020] 本申请还提供一种治疗头部和颈部癌症的方法，包括向癌组织施用本申请的纳米 壳，向纳米壳施用充足能量的HIFU造成破裂和中空，并且充分液化纳米壳附近的癌组织。
[0021] 本申请还提供一种治疗肾细胞癌的方法，包括向癌组织施用本申请的纳米壳，向 纳米壳施用充足能量的HIFU造成破裂和中空，并且充分液化纳米壳附近的癌组织。
[0022] 在任何上述的实施方案中，可以去除液化的组织。在进一步的实施方案中，液化的 组织所在的空腔可以用治疗剂进行注射。在进一步的另一实施方案中，所述治疗剂包括化 学治疗剂、脂质体制剂、溶瘤病毒、抗体、蛋白质、多肽、小分子药物或其任意组合。
[0023] 本申请提供一种包括可降解的纳米模板的纳米结构，所述可降解的纳米模板包括 多胺或聚羧酸功能化的表层；和含有式I结构的化合物层：
[0024]
【主权项】
1. 一种纳米结构，该纳米结构包括： 可降解的纳米模板，所述可降解的纳米模