专利名称：用于炎症成像的混合配体核/壳氧化铁纳米颗粒的制作方法
用于炎症成像的混合配体核/壳氧化铁纳米颗粒背景信息在开发用于磁共振成像的基于纳米颗粒的成像剂中重新提起的挑战为控制磁共 振活性纳米颗粒的表面电荷，而不会显著影响整体纳米颗粒尺寸。纳米颗粒通常具有非常 高的表面能，因此非常容易形成聚集体。在不存在表面稳定配体下制备的纳米颗粒容易在 溶液中形成聚集体。通过使配体与纳米颗粒的表面结合可防止这种聚集。这些配体通过位 阻或静电排斥而防止聚集。通常纳米颗粒的表面电荷可通过使用与纳米颗粒的表面结合的不同的稳定配体 而改变。不同的带电荷的稳定配体的长度通常不同，因此，不同的配体影响纳米颗粒的整体 尺寸。已知的基于纳米颗粒的试剂包括通过生物相容的涂层(例如葡聚糖、淀粉或碳水 化合物)稳定的氧化铁核。通常，氧化铁核直径为约3至约lOnm，且核与涂层的总直径为约 10至约lOOnm。已知的纳米结构(例如i^eridex. RTM.和Resovist. RTM.)带负电荷，并且血 液停留时间短(人血液半衰期小于1小时)，阻止了这些结构进入吸收差的组织。因此，具 有短血液停留时间的试剂不适用于这些组织和内皮下空间(例如，血管内膜)的成像。现 有的超顺磁性颗粒造影剂还具有多种缺点，例如尺寸分布宽、附聚、不稳定和毒性。已评价了具有葡聚糖涂层且直径为15-30nm的Combidex. RTM.在多种动物疾病模 型以及人中的磁共振成像。由于其尺寸小，Combidex. RTM.的血液停留时间长(人血液半 衰期在M-36小时之间)。仍需要能通过炎症应答细胞有效内在化并运输至炎症部位以用于使发炎的组织 成像的具有适当溶解度、生物相容性、尺寸、和涂层特性的纳米结构。假定设计用于体内使 用的纳米颗粒的体内分解特性受到整体纳米颗粒尺寸和表面电荷的严重影响，期望能改 变纳米颗粒表面电荷而不改变纳米颗粒尺寸，这是由于具有不同表面电荷的相同尺寸纳米 颗粒使得表面电荷对纳米颗粒体内分解的影响减弱了尺寸的影响。发明概述在一些方面，本文公开的实施方案提供了一种纳米结构，所述纳米结构包括(1) 无机纳米颗粒核；( 与所述无机纳米颗粒核键合的具有第一链长的第一配体，所述第一 配体带有电荷；和C3)与所述无机纳米颗粒核键合的具有第二链长的第二配体，所述第二 配体为亲水性的。所述第二链长比所述第一链长长，使得改变第一配体的摩尔百分比量实 质上不改变所述纳米结构的流体动力学直径。在其他方面，本文公开的实施方案提供了一种制备这些纳米结构的方法。所述方 法包括(1)使无机纳米颗粒核与带有电荷的第一配体反应，所述第一配体通过选自羧酸 酯、磺酸酯、磷酸酯和三烷氧基硅烷的官能团与所述无机纳米颗粒核键合；和( 使所述无 机纳米颗粒核与亲水性的第二配体反应，所述第二配体通过选自羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯和 三烷氧基硅烷的官能团与所述无机纳米颗粒核键合。所述第一配体加上所述第二配体与所 述无机纳米颗粒核的摩尔比在约1 1至约20 1之间。再其他方面，本文公开的实施方案提供了一种使哺乳动物的炎性病症成像的方法。所述方法包括将上述纳米结构体内或先体外后体内引入哺乳动物的炎症细胞，让炎症 细胞迁移至发炎的组织，并且使用磁共振使所述发炎的组织成像。有利的是，本文公开的纳米结构可用作可用于炎性病症的造影术和处理的磁共振 成像剂。前面已相当宽泛地描述了本发明的特性，以便可以更好地理解随后的详细说明。 后文中将描述另外的特征和优点，这些形成本发明的权利要求的各个主题。发明详述在以下描述中，描述了具体的细节，例如具体的量、尺寸，等等，使得充分理解本发 明的实施方案。但是，对于本领域技术人员显而易见的是，不使用这些具体的细节可实践本 发明。在许多情况下，由于这些细节不是完全理解本发明所必要的并且在相关领域普通技 术人员的知识范围内，因此关于这些考虑等等的细节可省略。通常应理解的是，这些示例用于描述本发明的具体实施方案的目的，而不是要限 制本发明。在一些实施方案中，本发明公开涉及可用作成像剂的纳米结构化材料。具有硅 烷-连接的短的带电荷的配体Ll和长的亲水性配体L2的磁共振(MR)成像剂的通用结构如 下所述。用于该目的的纳米结构包括无机纳米颗粒核。所述无机纳米颗粒核通常为可用作 磁共振(MR)活性实体(即，MR的信号源)且可用作化学改性的平台以影响纳米结构的整体 电荷/尺寸/极性的任何材料。纳米结构的电荷和尺寸通常受与无机纳米颗粒核键合的配 体的影响。这些配体最低限度包括第一配体和第二配体。第一配体具有第一链长且可与无 机纳米颗粒核共价键合。第一配体可带正电荷或带负电荷。第二配体具有第二链长且可与 无机纳米颗粒核共价键合。第二配体可为亲水性的，且第二链长比第一链长长，使得改变第 一配体的摩尔百分数实质上不改变纳米结构的流体动力学直径(Dh)。因此，通过结合至少 两种配体，其中一种配体与另一种配体相比具有足够不同的长度，人们可改变带电荷的配 体的量而实质上不改变流体动力学直径。虽然第一配体和第二配体通过硅烷部分连接，但 是与无机纳米颗粒核连接的硅烷键只是一个示例性实施方案，这点下文中将进一步详述。虽然本文使用的大多数术语为本领域技术人员认可的，但是陈述以下定义以帮助 理解本发明公开。但是，应理解的是，当未明确定义时，各术语应理解为采用本领域技术人 员目前可接受的含义。本文定义的“纳米级”通常是指低于Iym的尺寸。本文定义的“纳米结构”通常是指在至少一维上为纳米级的结构。具体地讲，本文 公开的纳米结构可用于磁共振成像。本文使用的术语“ ζ电位”、“表面电位”和“表面电荷”及缩写“ ζ ”是指在接近颗 粒表面的静电电位的度量。由于ζ电位受溶剂和溶剂的离子强度的影响，除非另外说明， 否则本文报道的所有ζ电位值使用IOmM NaCl水溶液作为溶剂进行测定。因此，本发明的 阳离子纳米结构显示ζ电位大致为约0至约+60mV之间。本文使用的“链长”是指与无机纳米颗粒核键合的配体的各原子的最长链。本文使用的术语“流体动力学直径”、“流体动力学尺寸”及缩写“DH”是指通过动 态光散射(DLQ测得的扩散系数与所述纳米颗粒的扩散系数相等的球形颗粒的直径。Dh值 可根据分散待测定试剂的介质而改变。因此，除非另外说明，否则本文所述的Dh值使用DLS
5测定，其中将试剂分散在150mM NaCl水溶液中无机纳米颗粒核可为提供磁共振信号且能化学改性以改变纳米结构的尺寸和电 荷的任何材料。这种结构可包括顺磁性材料、超顺磁性材料，等等。超顺磁性无机纳米颗粒 核可包括(1)氧化铁(例如赤铁矿、铁素体和磁铁矿)；(2)具有通式MFe2O4的混合尖晶石 铁素体，其中M为金属，包括但不限于锰、钴、铜、镍和镁；C3)及其组合。在一些实施方案中， 所述无机纳米颗粒核包含超顺磁性氧化铁(SPIO)试剂。纳米结构可包括具有通式[Fe2+03] x[Fe2+03(M2+O)Lx的超顺磁性氧化铁晶体结构，其中1彡χ彡0。M2+可为二价金属离子，例 如铁、锰、镍、钴、镁、铜或其组合。当金属离子(M2+)为亚铁离子(Fe2+)且χ = 0时，所述纳 米结构为磁铁矿(Fe53O4)，而当χ = 1时，所述纳米结构为磁赤铁矿(F^O3，γ-Fe2O3)。总的来说，当未成对的自旋体的含晶体的区域足够大使得可看做在热动力学上 独立时，发生超顺磁性，单个畴颗粒称为磁畴。这些磁畴显示比单个未成对电子的总和大的 净磁偶极子。在不存在施加的磁场时，所有的磁畴无规取向，没有净磁化。施加外部磁场引 起所有磁畴的偶极矩再取向，产生净磁矩。在一些实施方案中，纳米结构显示尖晶石晶体结 构，这点通过电子透射显微镜(TEM)分析显示。所述无机纳米颗粒核可大致为球形，在一个实施方案中，直径为约Inm至约 lOOnm，在另一实施方案中，直径为约Inm至约lOnm。本领域技术人员认识到，无机纳米颗粒 核通常为偏离理想球形几何形状的不规则形状。根据各种实施方案，与无机纳米颗粒核键合的配体至少包括带有电荷的第一配体 和不带电荷但通常为亲水性的第二配体。在一些实施方案中，这种亲水性配体应赋予整体 结构生物相容性。可赋予生物相容性的化学结构的实例包括但不限于PEG衍生物、聚乙烯 吡咯烷酮、聚L-赖氨酸，等等。生物相容性包括溶解度(通常是在水中的溶解度)以及无毒性。亲水性第二配体应具有比带电荷的第一配体长的链长，使得改变带电荷的配体的 量实质上不改变纳米结构的整体尺寸，本文中用流体动力学直径表示。期望能改变整体纳 米结构的电荷而不会明显改变其尺寸，以便有效研究这些成像剂的体内分解。第一配体可通过多种官能团与所述无机纳米颗粒核键合，所述官能团包括例如羧 酸酯、磺酸酯、磷酸酯和硅烷。与无机纳米颗粒核连接的硅烷键只是一个示例性实施方案。 本领域普通技术人员将容易地认识到接合给定无机纳米颗粒核的官能团的其它共价键合 主题。例如，当无机纳米颗粒核上含有侧基OH基时，亚磺酸酯、亚硫酸酯、次膦酸酯、亚膦酸 酯、膦酸酯、硫代硫酸酯、甚至醚键都是可能的。与无机纳米颗粒核和配体的官能端连接的 官能团，即，带电荷的基团或亲水性基团可通过连接两部分的中间(interceding)基团来 连接。该中间基团的结构可显著变化，虽然本领域技术人员将理解这种连接基的最小尺寸 的益处，使得不会不利地影响纳米结构的整体特性。根据一些实施方案，所述第一配体可带负电荷。例如，衍生自式I化合物的第一配
体可用于产生具有带负电荷的配体的示例性纳米结构。
权利要求
1.一种纳米结构，所述纳米结构包括 无机纳米颗粒核；与所述无机纳米颗粒核键合的具有第一链长的第一配体， 其中所述第一配体带有电荷；和 与所述无机纳米颗粒核键合的具有第二链长的第二配体， 其中所述第二配体为亲水性的；并且其中所述第二链长比所述第一链长长，使得改变第一配体的摩尔百分比量实质上不改 变所述纳米结构的流体动力学直径。
2.权利要求1的纳米结构，其中所述无机纳米颗粒核包含超顺磁性氧化铁。
3.权利要求1的纳米结构，其中所述无机纳米颗粒核的直径为约Inm至约lOOnm。
4.权利要求1的纳米结构，其中所述无机纳米颗粒核的直径为约Inm至约lOnm。
5.权利要求1的纳米结构，所述纳米结构的流体动力学直径为约Inm至约500nm。
6.权利要求1的纳米结构，所述纳米结构的流体动力学直径为约Inm至约lOOnm。
7.权利要求1的纳米结构，所述纳米结构的流体动力学直径为约2nm至约30nm。
8.权利要求1的纳米结构，其中所述第一配体和第二配体通过选自羧酸酯、磺酸酯、磷 酸酯和硅烷及其混合物的官能团与所述无机纳米颗粒核键合。
9.权利要求1的纳米结构，其中所述第一配体带负电荷。
10.权利要求9的纳米结构，其中所述第一配体衍生自式I的结构
11.权利要求1的纳米结构，其中所述第一配体带正电荷。
12.权利要求11的纳米结构，其中所述第一配体衍生自式II的结构
13.权利要求1的纳米结构，其中所述第二配体包含PEG聚合物。
14.权利要求13的纳米结构，其中所述PEG聚合物的分子量在约500-5000道尔顿之间。
15.权利要求1的纳米结构，所述纳米结构具有约_50mV至约+50mV之间的非零ζ电位。
16.权利要求15的纳米结构，所述纳米结构具有约-25mV至约+25mV之间的非零ζ电位。
17.权利要求16的纳米结构，所述纳米结构具有约_5mV至约-15mV之间的ζ电位。
18.权利要求16的纳米结构，所述纳米结构具有约+5mV至约+15mV之间的ζ电位。
19.一种制备权利要求1的纳米结构的方法，所述方法包括 使无机纳米颗粒核与带有电荷的第一配体反应；其中所述第一配体通过选自羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯和三烷氧基硅烷的官能团与所述 纳米颗粒核键合；和使所述纳米颗粒核与亲水性的第二配体反应；其中所述第二配体通过选自羧酸酯、磺酸酯、磷酸酯和三烷氧基硅烷的官能团与所述 纳米颗粒核键合；其中所述第一配体加上所述第二配体与所述无机纳米颗粒核的摩尔比在约1 1至约 20 1之间。
20.权利要求19的方法，其中所述无机纳米颗粒核为超顺磁性氧化铁。
21.权利要求19的方法，其中所述第一配体衍生自式I的结构
22.权利要求19的方法，其中所述第一配体衍生自式II的结构
23.权利要求19的方法，其中所述第二配体衍生自式III的结构
24.一种使哺乳动物的炎性病症成像的方法，所述方法包括向哺乳动物引入权利要求 1的纳米结构；让权利要求1的纳米结构迁移至发炎的组织；并且 使用磁共振使所述发炎的组织成像。
25.权利要求对的方法，所述方法进一步包括处理所述炎性病症。
26.权利要求M的方法，其中所述哺乳动物为人。
27.权利要求M的方法，所述方法进一步包括在使所述炎性病症成像之前、之后、或之 前和之后，治疗所述哺乳动物以降低炎症，并使用所述结果来处理所述炎性病症。
28.权利要求M的方法，其中所述引入步骤包括局部、血管内、肌内或经间质给予所述 试齐LU
29.权利要求沈的方法，其中将约0.Img Fe/kg至约50mg Fe/kg的纳米结构给予人。
30.权利要求沈的方法，其中将约0.Img Fe/kg至约2. 5mg Fe/kg的纳米结构给予人。
31.权利要求对的方法，其中所述炎性病症与巨噬细胞累积有关。
32.权利要求对的方法，其中所述炎性病症为选自自身免疫病症、血管病症、神经学病 症及其组合的病症。
全文摘要
一种纳米结构，所述纳米结构包括(1)无机纳米颗粒核；(2)与所述无机纳米颗粒核键合的具有第一链长的第一配体，所述第一配体带有电荷；和(3)与所述无机纳米颗粒核键合的具有第二链长的第二配体，所述第二配体为亲水性的。所述第二链长比所述第一链长长，使得改变第一配体的摩尔百分比量实质上不改变所述纳米结构的流体动力学直径。提供了制备这些纳米结构的方法及其在磁共振成像和处理炎性病症中的用途。
文档编号A61K49/18GK102083471SQ200980108361
公开日2011年6月1日 申请日期2009年3月4日 优先权日2008年3月5日
发明者B·C·巴尔斯, B·格里蒙德, T·恰基 申请人:通用电气公司