多模态粒子、其方法和用图
【专利说明】多模态粒子、其方法和用途
[0001] 相关申请案的夺叉引用
[0002] 本申请案要求于2012年12月19日申请的美国临时专利申请案第61/739, 556号 的优先权和权益，所述申请案的全文通过引用并入本文中。
[0003] 政府I持
[0004] 本发明在政府支持下根据美国国立卫生研究院授予的NIH/NCIK08CA163961进 行。美国政府在本发明中享有某些权利。
【背景技术】
[0005] 可以并有掺杂剂实体的纳米粒子系统具有巨大的潜力并且适用于多种情形。持续 需要用于医学和/或非医学应用的改良的纳米粒子系统。开发这种系统的一个特定目标为 提供可以在手术中用于界定切除边界的成像纳米粒子。手术切除的完整性极大地影响着发 病率和死亡率。完整切除的挑战和重要性在去除肿瘤的手术中尤其急剧。外科医生在试图 实现更完全的肿瘤切除过程中遇到数种障碍，所述障碍包括肿瘤边缘不规律且模糊以及肿 瘤生长靠近或侵入关键生理结构。到目前为止已探索多种技术以致力于更好地观察肿瘤边 缘。然而，仍持续需要新型且更好的探测器和/或方法。具体来说，对用于精确检测残余肿 瘤的实时探测器/方法存在重要且未满足的需要。
【发明内容】
[0006] 本发明涵盖存在对多个成像模态的成像敏感的多模态粒子存在重要并且未满足 需要的认知。本发明另外涵盖现有成像技术的问题来源的认知：电流造影剂通常快速清除 使得每次新成像期间需要新注射。本发明认识到与这一现实有关的多种缺点，包括手术中 成像通常不实际，且有时不可能。本发明提供可使用多种模态中的任一者成像的技术。在 一些实施例中，本发明提供多种模态和/或多个时间（例如手术前、手术中和手术后阶段） 与传递事件（例如单次注射，例如静脉内注射）之间的对比强化。
[0007] 本发明提供与多层粒子相关的技术，包括用于制备粒子的技术和/或使用粒子的 技术，以及提供粒子本身的技术。一般来说，本文所述和/或利用的粒子含有衬底，和多个 层，其中至少一个层含有掺杂剂实体。在一些实施例中，至少两个层含有掺杂剂实体。在一 些此类实施例中，所提供的粒子含有至少两种不同掺杂剂实体，任选地定位于不同层中。在 一些实施例中，单个实体（例如具体掺杂实体、衬底或层材料）本身适用两种或两种以上模 态（例如诊断和/或治疗模态）。
[0008] 在一些实施例中，所提供的粒子对两种或两种以上检测模态的检测敏感。在一些 实施例中，衬底、层材料和/或掺杂剂实体中的一或多者可检测。在一些实施例中，可检测 实体用作造影剂。在一些实施例中，单个实体（例如具体掺杂实体、衬底或层材料）本身可 以通过两种或两种以上模态检测。
[0009] 在一些实施例中，所提供技术的一个显著特征在于其适用于多种衬底材料、衬底 配置、层材料和掺杂剂实体等并且对其有效。此外，本发明独有提供可以通过多种不同成像 模态成功成像的个别粒子的能力。在一些此类实施例中，成像模态各自具有其自身的强度。 这些实施例因用彼此互补的不同成像技术检测粒子的能力而具有独特优势，所述成像技术 允许在多种环境中的任一者中观测粒子，例如手术前（例如用于初始肿瘤检测、全身分期 和手术规划的无创全身3D成像）、手术中或内窥镜（例如通过向身体中插入细导管、光纤装 置、腹腔镜工具等成像）情况。
[0010] 本发明的一些实施例因此尤其提供使用多种成像模态和/或在多种背景中使相 同粒子成像的系统。或者或另外，本发明的一些实施例提供如下方法，其包括向个体单次投 予粒子，随后包括使所投予粒子成像的多个步骤，所述步骤可利用不同成像技术和/或在 不同时间和/或不同环境中进行。
[0011] 在一些实施例中，所提供的粒子在第一和第二层中分别包含第一和第二掺杂剂实 体。在某些实施例中，第一掺杂剂实体为或包含SE(R)RS活性剂且第二掺杂剂实体为或 包含选自由以下组成的群组的另一可检测实体：SE(R)RS活性剂、荧光染料、MRI试剂、光 声活性染料、上转换材料、正电子发射断层摄影术（PET)示踪剂、单光子发射断层摄影术 (SPECT)示踪剂、计算机断层扫描（CT)试剂、X射线试剂、超声波（US)试剂以及其组合。在 一些实施例中，此类粒子尤其适用于体内成像应用。
[0012] 在一些实施例中，所提供的粒子通过选自由以下组成的群组的成像模态成像（或 对成像敏感）：MRI、PET、SPECT、CT、X射线、超声波、光声检测、荧光和/或拉曼光谱法以及 其组合。
[0013] 在一些实施例中，所提供的粒子包含一或多个载体层或缓冲层。不希望受任何具 体理论约束，一些实施例中所描述的粒子提供分离掺杂剂实体的显著优势。此类分离可使 不同成像信号的干扰或污染降到最低或避免不同成像信号的干扰或污染。
[0014] 本发明的一些方面涉及一种包含至少一种粒子的组合物，所述粒子包含衬底；至 少一第一层，其包含至少一种第一掺杂剂实体；以及至少一第二层，其包含第二掺杂剂实 体。
[0015] 本发明的一些方面涉及一种包含至少一种粒子的组合物，所述粒子包含衬底；至 少一第一层，其可为压缩层和/或封装层，其包含至少一第一掺杂剂实体；以及至少一第二 层，其包含第二掺杂剂实体。
[0016] 在一些实施例中，一些或全部层的厚度在约0. 5nm到约5ym的范围内。在一些 实施例中，惨杂剂实体位于衬底表面内5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、 50nm或100nm或5ym。在一些实施例中，压缩层或封装层为或包含选自由以下组成的群组 的材料：金属、半金属、非金属、所述金属、半金属或非金属的氧化物、硼化物、碳化物、硫化 物和氮化物，以及其组合。在一些实施例中，金属、半金属或非金属为或包含二氧化硅、二氧 化钛、氧化锆、氧化锗、氧化铝、五氧化二钽或其组合。在一些实施例中，压缩层或封装层包 含多肽、寡聚物或聚合物，所述多肽、寡聚物或聚合物包埋于、配位于或共价结合到来自以 下群组的造影剂】1?1、？￡1\3?￡(：1\(：1'3射线、超声波、光声检测、荧光和/或拉曼光谱法以 及其组合。
[0017] 在一些实施例中，第二层为第二压缩层或第二封装层。在一些实施例中，一些或全 部层包含相同材料。在一些实施例中，一些或全部层为二氧化硅层。在一些实施例中，第一 和第二层至少分别包含第一和第二掺杂剂实体。在一些实施例中，第一和第二掺杂剂实体 相同。在一些实施例中，第一和第二掺杂剂实体不同。在一些实施例中，第一和第二掺杂剂 实体中的至少一者为或包含可检测实体。在一些实施例中，可检测实体选自由以下组成的 群组：SE(R)RS活性剂、荧光染料、MRI试剂、光声活性染料、上转换材料、正电子发射断层摄 影术（PET)示踪剂、单光子发射断层摄影术（SPECT)示踪剂、计算机断层扫描（CT)试剂、X 射线试剂、超声波（US)试剂以及其组合。在一些实施例中，第一和第二掺杂剂实体中的至 少一者为或包含SE(R)RS活性剂。在一些实施例中，第一掺杂剂实体为或包含SE(R)RS活 性剂且第二掺杂剂实体为或包含第二可检测实体。在一些实施例中，第二可检测实体为NIR 荧光剂。
[0018] 在一些实施例中，组合物另外包括第三可检测实体。在一些实施例中，第一和第二 掺杂剂实体中的至少一者为除可检测实体外的试剂，使得包含所述试剂的层为载体层。在 一些实施例中，所述组合物另外包括不具有掺杂剂实体的缓冲层。在一些实施例中，缓冲层 位于第一和第二层之间。
[0019] 在一些实施例中，掺杂剂实体在层内直接结合。在一些实施例中，掺杂剂实体在层 内经连接剂或螯合剂间接结合。
[0020] 在一些实施例中，衬底为球形的。在一些实施例中，衬底为非球形的。在一些实 施例中，衬底为或包含选自由以下组成的群组的材料：金属、金属氧化物、脂质体、上转换材 料、半导体以及其组合。在一些实施例中，所述金属选自由以下组成的群组：金、银、铜或能 够维持局部表面等离子共振的任何其它材料，以及其组合。在一些实施例中，衬底为表面底 涂剂结合。
[0021] 在一些实施例中，衬底与封端剂实体结合。在一些实施例中，粒子实质上不含表面 底涂剂。在一些实施例中，组合物的直径在约5nm到约lOOOnm或约5nm到约200nm范围内。
[0022] 本发明的一个方面涉及一种制备粒子的方法。所述方法包括提供层（例如其可为 压缩层和/或封装层）于水和醇中的第一前驱体溶液，其中第一前驱体溶液具有预定含水 量；使第一前驱体溶液与衬底在向衬底上施加第一层的条件下和向衬底上施加第一层所必 需和足够的时间下组合，所述第一层具有预定厚度，产生粒子。
[0023] 在一些实施例中，衬底另外包括至少一个层。在一些实施例中，提供和组合步骤同 时进行，使得第一前驱体溶液和衬底同时彼此混合。
[0024] 在一些实施例中，所述方法另外包括组合第一掺杂剂实体与第一前驱体溶液。在 一些实施例中，所述方法另外包括提供第二层（例如其可为压缩层和/或封装层）于水和 醇中的第二前驱体溶液。在一些实施例中，所述方法另外包括使第二前驱体溶液与粒子在 向粒子上施加第二层的条件下和向粒子上施加第二层所必需和足够的时间下组合，所述第 二层具有第二预定厚度。在一些实施例中，所述方法另外包括组合第二掺杂剂实体与第二 前驱体溶液。
[0025] 本发明的一个方面涉及一种包括向所关注部位提供粒子集合的步骤的方法，所述 粒子各自包含衬底；至少一第一层，其可为压缩层和/或包封层，包含至少一种第一掺杂剂 实体；以及至少一第二层，其包含第二掺杂剂实体。
[0026] 在一些实施例中，所关注部位为或包含实体肿瘤。在一些实施例中，所述实体肿 瘤选自由以下组成的群组：脑肿瘤、肺肿瘤、乳房肿瘤、卵巢肿瘤、胃肿瘤、胰脏肿瘤、喉部肿 瘤、食道肿瘤、睾丸肿瘤、肝脏肿瘤、腮腺肿瘤、胆道肿瘤、结肠肿瘤、直肠肿瘤、子宫颈肿瘤、 子宫肿瘤、子宫内膜肿瘤、肾脏肿瘤、膀胱肿瘤、前列腺肿瘤、甲状腺肿瘤、头部和颈部肿瘤、 黑色素瘤、神经胶质瘤、神经母细胞瘤以及神经内分泌肿瘤。在一些实施例中，提供步骤包 括以使来自集合的粒子定位到所述实体肿瘤上照顾位置和量来投予粒子集合。
[0027]在一些实施例中，粒子另外包含靶向实体。在一些实施例中，衬底为金。在一些实 施例中，第一掺杂剂实体为SE(R)RS活性剂或光声染料。在一些实施例中，第二掺杂剂实体 为NIR荧光剂。
[0028]在一些实施例中，粒子另外包含MRI试剂、光声活性染料、上转换材料、正电子发 射断层摄影术（PET)示踪剂、单光子发射断层摄影术（SPECT)示踪剂、计算机断层扫描（CT) 试剂、X射线试剂、超声波（US)试剂以及其组合。在一些实施例中，第一和第二掺杂剂实体 各自包括选自由以下组成的群组的实体：放射性核素、荧光染料以及其组合。
[0029]在一些实施例中，所述方法另外包括使所投予的粒子成像的步骤。在一些实施例 中，所述方法另外包括使所投予的粒子成像的多个步骤。在一些实施例中，不同成像步骤中 利用不同成像模态。在一些实施例中，利用不同成像模态的不同成像步骤实质上同时进行。
[0030]在一些实施例中，利用不同成像模态的不同成像步骤在不同时间或不同环境中进 行。在一些实施例中，其中多个成像步骤的成像步骤各自包含利用选自由以下组成的群组 的成像模态：MRI、PET、SPECT、CT、X射线、超声波、光声检测、荧光/拉曼光谱法以及其组合。
[0031]在一些实施例中，所述方法另外包括使所投予的粒子成像的第一步骤，其中所述 放射性核素产生契伦科夫信号（Cerenkovsignal)。在一些实施例中，所述方法另外包括使 所投予的粒子成像的第二步骤，其中所述放射性核素引起二次契伦科夫诱发的荧光。
[0032] 定义
[0033] 为了使本发明更容易理解，在下文对某些术语进行定义。说明书全文可给出以下 术语和其它术语的额外定义或阐述。
[0034]在本申请案中，除非另外说明，否则使用"或"意味着"和/或"。如本申请案中所使 用，术语"包含（comprise)"和所述术语的变化形式（例如"包含（comprising)"和"包含 (comprises) "）用于包括所列项目、元件或步骤并且也可以包括其它项目、元件或步骤的情 况中。如本申请案中所使用，术语"约（about)"和"大约（approximately)"作为等效物使 用。如相关技术的普通技术人员所了解，除非另外指示，否则本申请案中所用的任何数字不 管前面是否冠有"约"或"大约"都意味着涵盖任何正常波动（例如标准误差或偏差）。在某 些实施例中，除非另外说明或另外从上下文显而易知，否则术语"大约"或"约"是指落入所 述参考值的任一方向（大于或小于）25 %、20 %、19%、18%、17%、16%、15%、14%、13%、 12%、11%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%或1%以下之内的一系列值（所 述数字将超过可能值的100%的情况除外）。
[0035] "投予":术语"投予"是指将物质引入个体中。一般来说，可以利用的任何投予途 径包括例如吸入（例如鼻）、引入到脑脊髓液中或引入到体腔、代谢区或组织中。在一些实 施例中，投予为肠胃外（例如动脉内、静脉内、腹膜、皮下）、经口、局部、直肠、经阴道等。在 一些实施例中，投予为经口投予。另外或或者，在一些实施例中，投予为肠胃外投予。在一 些实施例中，投予为静脉内投予。在一些实施例中，投予为全身投予；在一些实施例中，投予 为局部投予。在一些实施例中，投予为例如在手术期间投予到体腔、代谢区或组织中。
[0036] "结合":如本文所使用，术语"结合"通常指物理上直接或间接（例如经一或多个用 作连接剂的额外实体）彼此邻近的两个或两个以上实体，从而形成足够稳定以使得实体在 相关条件（例如生理条件）下保持物理上邻近的结构。在一些实施例中，结合部分彼此共价 连接。在一些实施例中，结合实体非共价连接。在一些实施例中，结合实体通过特定非共价 相互作用彼此连接（即通过交互作用配位体之间的相互作用，其辨别它们的相互作用搭配 物和使用情形中所存在的其它实体，例如抗生蛋白链菌素/抗生物素蛋白相互作用、抗体/ 抗原相互作用等）。或者或另外，足够数目的较弱非共价相互作用可以为部分提供足够的稳 定性以保持结合。示例性非共价相互作用包括（但不限于）亲和力相互作用、金属配位、物