一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂及其制备方法与流程

本发明涉及造影剂技术领域，具体而言，涉及一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂及其制备方法。

背景技术：

骨关节炎是常见的慢性关节退行性疾病，主要表现为软骨不可逆退变，严重影响患者生活质量和生存寿命。因此，如何有效延缓甚至阻滞软骨退变是当代医药、化学和医学领域迫切需要解决的重大议题。随着人们对骨关节炎软骨变化的认识逐渐深入，许多骨关节炎的治疗效果有了显著提高，但受限于关节滑膜等天然屏障组织的存在，导致软骨局部治疗效果不佳。同时，由于软骨本身为一充分钙化组织而无血管分布，因此全身系统给药较难达到局部软骨的高治疗浓度。目前临床常用的治疗手段采用局部关节腔注射，但长期反复的关节腔注射大大加大了局部关节感染以及关节纤维性黏连的概率。因此，如何简单有效进行软骨靶向以增加软骨长期治疗效果是亟待解决的临床问题。

磁共振成像(mri)是准确诊断关节软组织病变的重要手段，它对于软组织充血水肿、软骨破坏及关节韧带撕裂等创伤有着无可比拟的优势。多平面直接成像可直观的了解病变的范围和变化情况，对关节镜的定位、定性以及手术方案的制定和预后都有着重要的指导意义。因此，若能有效利用临床常用的成熟磁共振成像手段，建立可有效靶向局部关节病变软骨的给药体系，可极大程度促进骨关节炎的诊断和治疗。

目前，基于钆元素(gd³⁺)的磁共振成像造影对比增强剂已在临床上得到了非常广泛的应用。随着科技的发展，构建具有组织特异性靶向能力的新一代高效、低毒的钆基mri造影剂是医学材料学领域的研究热点。已经在临床得到商品化应用的钆基mri造影剂包括钆-二乙基三胺五乙酸(gd-gdpa)及其衍生物，钆-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-四乙酸(gd-dota)及钆-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7，10-三乙酸(gd-do3a)衍生物。但是，这些钆基mri造影剂在体内呈非特异性分布而无软骨特异性靶向作用，因此无法对骨关节炎软骨进行特异高效mri成像。同时，这些造影剂仅具有单一的成像功能而不具备治疗效果。且上述造影剂常为全身给药，一旦入血，迅速漏到血管外而被肝脏、肾脏所吞噬清除，从而造成了不必要的肝肾毒性。而有时为了更好的成像效果，影像科医生不得不加大注射剂量，从而增加了不良反应的风险。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂及其制备方法，以至少解决现有的钆基磁共振成像造影剂无法对骨关节炎软骨进行特异高效mri成像的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂，该造影剂包括gd2co3纳米颗粒，gd2co3纳米颗粒的表面包裹有多巴胺外壳，多巴胺外壳的表面通过端基修饰的聚乙二醇负载有软骨靶向多肽，该软骨靶向多肽的氨基酸序列为dwrviipprpsa。

进一步地，gd2co3纳米颗粒的粒径为40nm-50nm。

进一步地，多巴胺外壳的厚度为2nm-10nm。

进一步地，软骨靶向多肽的负载量为65％-70％。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将gd2co3纳米颗粒分散于tris-hcl缓冲液中，滴入多巴胺溶液，搅拌，然后离心，得到表面包裹有多巴胺外壳的gd2co3纳米颗粒，即gd2co3@pda纳米颗粒；

(2)将步骤(1)所得gd2co3@pda纳米颗粒分散于去离子水中，加入nh2-mpeg-sh，搅拌，然后离心，得到在多巴胺外壳表面修饰有聚乙二醇的gd2co3纳米颗粒，即gd2co3@pda-peg纳米颗粒；

(3)将氨基酸序列为dwrviipprpsa的软骨靶向多肽通过酰胺缩合反应连接到步骤(2)所得gd2co3@pda-peg纳米颗粒上，得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒，即为造影剂。

进一步地，gd2co3纳米颗粒通过如下方法制备得到：将gdcl3.6h2o和尿素溶于去离子水，加热搅拌反应，反应结束后在10000rpm-12000rpm转速下进行离心，即得gd2co3纳米颗粒。

进一步地，步骤(3)中，酰胺缩合反应所用的缩合剂为edcl和nhs。

进一步地，步骤(3)中，酰胺缩合反应的时间为4h-6h；酰胺缩合反应结束后，将反应体系在10000rpm-12000rpm转速下进行离心，得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒。

进一步地，步骤(1)和步骤(2)中，离心的转速均为10000rpm-12000rpm。

本发明的技术方案，通过在gd2co3纳米颗粒的表面包裹多巴胺外壳，在多巴胺外壳表面通过聚乙二醇负载氨基酸序列为dwrviipprpsa的软骨靶向多肽，得到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒。该造影剂采用多巴胺外壳对gd2co3纳米颗粒进行包覆，多巴胺外壳一方面可以提高纳米颗粒的生物相容性，另一方面方便将软骨靶向多肽负载在gd2co3纳米颗粒上，还可以将药物负载在多巴胺外壳上，从而使造影剂具有治疗效果；端基修饰的聚乙二醇一方面起到多巴胺外壳与软骨靶向多肽之间的连接作用，另一方面可以避免纳米颗粒被巨噬细胞吞噬，增加纳米颗粒在体内的滞留时间，从而提高诊疗效果。通过试验验证，该钆基磁共振成像造影剂表现出良好的t1-mri成像能力、良好的体外软骨细胞靶向能力以及在小鼠体内的有效软骨靶向能力，实现了骨关节炎软骨特异性靶向及mri成像，并且该造影剂可以局部给药，可避免全身给药可能引起的全身毒副作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所得gd2co3纳米颗粒的透射电镜图。

图2为本发明实施例1所得gd2co3@pda纳米颗粒的透射电镜图。

图3为本发明实施例1所得gd2co3@pda纳米颗粒的edx元素分析图。

图4为本发明实施例1所得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa的dls分析图。

图5为从gd2(co3)3到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa的zeta电位变化图。

图6为本发明实施例1所得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa纳米颗粒的t1-mri成像图片。

图7为本发明实施例1所得gdpdw纳米颗粒的t1弛豫时间图。

图8为本发明实施例1所得gdpdw纳米颗粒在体外的软骨细胞结合共聚焦显微镜图片。

图9为小鼠关节腔注射实施例1所得gdpdw纳米颗粒12小时后，行mri-t1成像观察的图像。

图10为小鼠关节腔注射实施例1所得gdpdw纳米颗粒12小时后，行小动物活体成像观察的图像。

图11为分别注射gdp和gdpdw后，取出小鼠股骨、胫骨、肺脏、肝脏、心脏、脾脏和肾脏观察的图像。

图12为关节腔注射实施例1所得gdpdw纳米颗粒12小时后，小鼠体内钆元素分布图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明中，gd2co3@pda纳米颗粒也简称为gdp；gd2co3@pda-peg也简称gdp-peg；gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa纳米颗粒也简称为gdpdw。

如本发明背景技术记载，现有的钆基mri造影剂在体内呈非特异性分布而无软骨特异性靶向作用，因此无法对骨关节炎软骨进行特异高效mri成像。为了解决上述问题，本发明提供了一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂及其制备方法。

在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂，该造影剂包括gd2co3纳米颗粒，在gd2co3纳米颗粒的表面包裹有多巴胺外壳，在多巴胺外壳的表面通过端基修饰的聚乙二醇负载有软骨靶向多肽，且该软骨靶向多肽的氨基酸序列为dwrviipprpsa。

本发明通过在gd2co3纳米颗粒的表面包裹多巴胺外壳，并在多巴胺外壳表面通过聚乙二醇负载氨基酸序列为dwrviipprpsa的软骨靶向多肽，得到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒。该造影剂采用多巴胺外壳对gd2co3纳米颗粒进行包覆，多巴胺外壳一方面可以提高纳米颗粒的生物相容性，另一方面方便将软骨靶向多肽负载在gd2co3纳米颗粒上，还可以将药物负载在多巴胺外壳上，从而使造影剂具有治疗效果；端基修饰的聚乙二醇一方面起到多巴胺外壳与软骨靶向多肽之间的连接作用，另一方面可以避免纳米颗粒被巨噬细胞吞噬，增加纳米颗粒在体内的滞留时间，从而提高诊疗效果。通过试验验证，该钆基磁共振成像造影剂表现出良好的t1-mri成像能力、良好的体外软骨细胞靶向能力以及在小鼠体内的有效软骨靶向能力，实现了骨关节炎软骨特异性靶向及mri成像，并且该造影剂可以局部给药，可避免全身给药可能引起的全身毒副作用。

作为优选，上述的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂中，gd2co3纳米颗粒的粒径为40nm-50nm，多巴胺外壳的厚度为2nm-10nm，gd2co3纳米颗粒和gd2co3@pda的粒径较小，容易通过血液循环系统，从而提高gd在靶向部位的聚集。

上述的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂中，软骨靶向多肽的负载量为65％-70％，进一步优选为67.86％。理论上来说，纳米颗粒上软骨靶向多肽的负载量相对大一些，其靶向效果也会相应好一些，但是，在多巴胺外壳上负载的软骨靶向多肽的量增大，其合成难度也会显著增大，综合考虑，优选将软骨靶向多肽的负载量控制在65％-70％，进一步通过验证，当软骨靶向多肽的负载量为67.86％时，可以达到良好的靶向效果。

在本发明的另一种典型的实施方式中，提供了一种上述的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)将gd2co3纳米颗粒分散于tris-hcl缓冲液中，滴入多巴胺溶液，搅拌，然后离心，得到表面包裹有多巴胺外壳的gd2co3纳米颗粒，即gd2co3@pda纳米颗粒；

(2)将步骤(1)所得gd2co3@pda纳米颗粒分散于去离子水中，加入nh2-mpeg-sh，搅拌，然后离心，得到在多巴胺外壳表面修饰有聚乙二醇的gd2co3纳米颗粒，即gd2co3@pda-peg纳米颗粒；

(3)将氨基酸序列为dwrviipprpsa的软骨靶向多肽通过酰胺缩合反应连接到步骤(2)所得gd2co3@pda-peg纳米颗粒上，得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒，即为本发明的造影剂。

上述的制备方法，工艺简单、绿色环保，可以得到具有良好骨关节炎软骨靶向作用的钆基磁共振成像造影剂。

进一步地，步骤(1)中所使用的gd2co3纳米颗粒通过如下方法制备得到：将gdcl3.6h2o和尿素溶于去离子水，加热搅拌反应，反应结束后在10000rpm-12000rpm转速下进行离心，即得gd2co3纳米颗粒。通过该方法制备gd2co3纳米颗粒不仅可以得到所需粒径的颗粒，而且制备方法更加绿色环保简洁。

作为优选，步骤(3)中，酰胺缩合反应所用的缩合剂为edcl和nhs。通过试验验证，采用edcl和nhs作为酰胺缩合反应缩合剂，反应条件温和，产率高，后处理简单方便。

具体来说，步骤(3)中，酰胺缩合反应的时间为4h-6h；酰胺缩合反应结束后，将反应体系在10000rpm-12000rpm转速下进行离心，得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒。步骤(1)和步骤(2)中，离心的转速均为10000rpm-12000rpm。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种本发明实施例的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成gd2co3纳米颗粒

将0.5mmgdcl3.6h2o和2.7g尿素溶于35ml去离子水，80℃下搅拌反应；反应过程中，体系颜色由无色转变为牛奶样颜色；反应1小时后，将牛奶样纳米颗粒通过高速离心(10000rpm)10分钟，分离得到gd2co3纳米颗粒；

(2)合成gd2co3@pda纳米颗粒

将上述步骤(1)合成得到的2mg/mlgd2co3纳米颗粒分散于30ml的10mmtris-hcl(ph＝8.5)中，顺时针滴入5ml多巴胺溶液(2mg/ml)，体系搅拌过夜，得到黑色溶液；通过高速离心(10000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda纳米颗粒；

(3)合成gd2co3@pda-peg纳米颗粒

将上述步骤(2)合成得到的2mg/mlgd2co3@pda纳米颗粒分散于30ml去离子水中，加入1mlnh2-mpeg-sh(2k)，顺时针搅拌过夜，随后通过高速离心(10000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda-peg纳米颗粒；

(4)合成gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒

将2mg软骨靶向多肽(氨基酸序列为dwrviipprpsa)，1mgedcl，0.7mgnhs加入30ml2mg/ml步骤(3)得到纳米体系中，剧烈搅拌4小时；随后，通过高速离心(10000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒，即为骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂；将所得造影剂保存在10mlph值为7.3的去离子水中备用。

结构表征与性能测试：

图1为本实施例步骤(1)所得gd2co3纳米颗粒的透射电镜图，由图1可见，本实施例所得gd2co3纳米颗粒大小均匀，其直径约为50nm。

图2为本实施例步骤(2)所得gd2co3@pda纳米颗粒的透射电镜图，由图2可见，本实施例所得gd2co3@pda纳米颗粒大小均匀，其直径也约为50nm，多巴胺外壳的厚度很薄。

图3为本实施例步骤(2)所得gd2co3@pda纳米颗粒的edx元素分析图，由图3可见，gd2co3@pda纳米颗粒中gd、o元素均匀分布。

图4为本实施例所得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa的dls分析图，由图4可见，本实施例制备的gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa纳米颗粒可在去离子水、pbs缓冲液和细胞培养基中稳定存在，其粒径大小约110nm。

图5为从gd2(co3)3到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa(gdpdw)的zeta电位变化图，从图5中可以看出，zeta电位可从gd2co35mv，变为gd2co3@pda-9mv，变为gd2co3@pda-peg11mv，再变为gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa5mv，说明了软骨靶向钆基造影剂的成功制备。

图6为本实施例所得gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa(gdpdw)纳米颗粒的t1-mri成像图片，图7为gdpdw纳米颗粒的t1弛豫时间图(所用仪器为3.0t临床核磁成像扫描仪(gesigma3.0t))。由图6和图7可见，gdpdw纳米颗粒的t1-mri成像强度随剂量增加而增强；其t1弛豫时间为8.29mm^-1s^-1，表现出良好的t1-mri成像能力。

图8为本实施例所得gdpdw纳米颗粒在体外的软骨细胞结合共聚焦显微镜图片。图8中dapi提示软骨细胞核染色，phalloidin提示软骨细胞骨架。共聚焦结果提示，gdpdw纳米颗粒可与软骨细胞紧密特异性结合，聚集在软骨细胞表面，表现出良好的体外软骨细胞靶向能力。

建立膝关节前交叉韧带切除骨关节炎小鼠动物模型，关节腔注射本实施例制备的gdpdw纳米颗粒。利用核磁成像、活体小动物成像系统观察，可见gdpdw纳米颗粒在体内软骨的有效靶向荧光成像。

图9为关节腔注射本实施例所得gdpdw纳米颗粒12小时后，行mri-t1成像观察的图像，从图9中可以看出，gdpdw注射组膝关节软骨mri-t1高信号，而无软骨靶向gdp(gd2co3@pda纳米颗粒)注射组膝关节软骨无mri-t1高信号。

图10为关节腔注射本实施例所得gdpdw纳米颗粒12小时后，行小动物活体成像观察的图像，从图10中可以看出，gdpdw注射组膝关节软骨高荧光信号，而无软骨靶向gdp注射组膝关节软骨无荧光信号。

图11为分别注射gdp和gdpdw后，取出小鼠股骨、胫骨、肺脏、肝脏、心脏、脾脏和肾脏观察的图像，从图11中可以发现，gdpdw注射后小鼠的股骨下端和胫骨上端出现纳米颗粒的聚集。

图12为关节腔注射本实施例所得gdpdw纳米颗粒12小时后，小鼠体内钆元素分布图。由图12可以看出，钆元素在软骨内的聚集明显高于其他小鼠组织器官。

实施例2

一种本发明实施例的骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)合成gd2co3纳米颗粒

将0.5mmgdcl3.6h2o和2.7g尿素溶于35ml去离子水，80℃下搅拌反应；反应过程中，体系颜色由无色转变为牛奶样颜色；反应2小时后，将牛奶样纳米颗粒通过高速离心(12000rpm)10分钟，分离得到gd2co3纳米颗粒；

(2)合成gd2co3@pda纳米颗粒

将上述步骤(1)合成得到的2mg/mlgd2co3纳米颗粒分散于30ml的10mmtris-hcl(ph＝8.5)中，顺时针滴入5ml多巴胺溶液(2mg/ml)，体系搅拌过夜，得到黑色溶液；通过高速离心(12000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda纳米颗粒；

(3)合成gd2co3@pda-peg纳米颗粒

将上述步骤(2)合成得到的2mg/mlgd2co3@pda纳米颗粒分散于30ml去离子水中，加入1mlnh2-mpeg-sh(2k)，顺时针搅拌过夜，随后通过高速离心(12000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda-peg纳米颗粒；

(4)合成gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒

将2mg软骨靶向多肽(氨基酸序列为dwrviipprpsa)，1mgedcl，0.7mgnhs加入30ml2mg/ml步骤(3)得到纳米体系中，剧烈搅拌6小时；随后，通过高速离心(12000rpm)10分钟，分离得到gd2co3@pda-peg-dwrviipprpsa软骨靶向纳米颗粒，即为骨关节炎软骨靶向钆基磁共振成像造影剂；将所得造影剂保存在10mlph值为7.3的去离子水中备用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。