一种用于肿瘤的线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂及其制备方法和应用

本发明属于纳米生物核医学诊疗一体化，涉及一种稀土纳米核诊疗一体化制剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、恶性肿瘤的高发病率和高死亡率给患者家庭及社会带来了沉重负担。早发现、早诊断、早治疗是提高恶性肿瘤患者预后的唯一有效途径。化学治疗是目前恶性肿瘤治疗的重要手段之一，然而大多数化疗药物存在肿瘤特异性差、毒副作用大、易多药耐药及疗效实时评估难等问题，极大地限制了其临床应用。因此，如何解决恶性肿瘤早期、准确的诊断，并进行及时、有效的治疗是亟待解决的关键问题。

2、放射性核素治疗(radionuclide therapy,rnt)作为肿瘤放射治疗一种重要形式为癌症诊断和治疗提供了新的契机。rnt是将具有细胞毒性水平的放射性核素选择性地输送到病变部位，利用放射性核素的衰变特征释放射线或粒子对病变细胞产生杀伤作用，从而达到治疗目的的一类药物。近年来，基于核素177lu的显像与治疗已经引起广泛关注，177lu拥有498kev的β-射线可用于肿瘤治疗，还可释放208kev的γ射线用于spect成像，便于放射性药物分布和剂量监控，受到越来越多的研究关注。然而，目前核素的常规标记方法是采用小分子与稀土阳离子螯合在一起，分子间作用力较小，载体稳定性不够，容易脱靶，而且肿瘤靶向性差，易对生物体正常组织造成伤害。

技术实现思路

1、为改善上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

2、一种稀土纳米核诊疗一体化制剂，其包括稀土无机纳米晶、稀土医疗核素和肿瘤线粒体靶向生物分子；所述肿瘤线粒体靶向生物分子负载在所述稀土无机纳米晶表面；所述稀土医疗核素至少分布在所述稀土无机纳米晶和/或偶联到所述肿瘤线粒体靶向生物分子上；

3、所述稀土无机纳米晶具有核-壳结构，所述稀土无机纳米晶包括稀土发光内核、稀土离子惰性保护层和稀土发光离子em；所述稀土发光内核和稀土离子惰性保护层相同或不同，彼此独立的选自blnf4；其中，

4、b为金属元素，选自li、na、k、rb、cs、mg、ca、sr或ba中的至少一种，例如为na；

5、ln为稳定稀土元素，选自la、ce、pr、nd、po、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、y和sc中的至少一种；优选为y、yb、er、tm、ho、ce和lu中的至少一种，例如为y。

6、根据本发明的实施方案，em选自pr、nd、sm、eu、tb、dy、ho、er、tm、yb中的至少一种或两种及两种以上，例如为yb和/或er。

7、根据本发明的实施方案，所述稀土发光离子em分布在所述稀土无机纳米晶中，例如分布在所述稀土离子发光内核和/或稀土离子惰性保护层中，优选分布在所述稀土离子发光内核中。

8、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂的结构通式为a-blnf4:em@blnf4@m或a-blnf4@blnf4:em@m，其中，a为稀土医疗核素；m为肿瘤线粒体靶向生物分子。

9、根据本发明的实施方案，所述稀土医疗核素选自镧系元素的同位素，例如选自177lu、169er、153sm、90y、86y、44sc、47sc中的一种或多种，优选为177lu和90y。

10、根据本发明的实施方案，当所述稀土医疗核素分布在所述稀土无机纳米晶上时，所述稀土医疗核素掺杂在所述稀土无机纳米晶中的稀土发光内核和/或稀土离子惰性保护层中。

11、根据本发明的实施方案，所述稀土医疗核素掺杂至所述稀土无机纳米晶的稀土发光内核和/或稀土离子惰性保护层中。

12、根据本发明的实施方案，所述稀土无机纳米晶的尺寸为1-100nm，例如为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm。

13、根据本发明的实施方案，在所述稀土纳米晶中，所述稀土发光离子em的掺杂量为0.01-20mol％，例如为0.05mol％、0.1mol％、0.5mol％、1mol％、5mol％、10mol％、15mol％。

14、根据本发明的实施方案，所述稀土发光内核与稀土离子惰性保护层的质量比为1:(0.1～5)，例如为0.5:1、1:1、1:2、1:3、1:4。

15、根据本发明的实施方案，所述线粒体靶向生物分子用于增强稀土纳米核诊疗一体化制剂的生物相容性以及线粒体靶向性，可选用本领域已知的材料。示例性地，所述线粒体靶向生物分子选自水溶性生物分子和/或靶向性生物分子，例如选自有机小分子、过渡金属配合物、线粒体靶向肽、细胞穿膜肽中的至少一种。

16、根据本发明的实施方案，所述水溶性生物分子选自不具有肿瘤靶向能力的水溶性生物分子。优选地，所述水溶性生物分子可以选自甲氧基聚乙二醇阿伦磷酸(mpeg-ale)、聚丙烯酸(paa)、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(dspe-peg)及其衍生物、二棕榈酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(dppe-peg)及其衍生物、二油酰磷脂酰乙醇胺聚乙二醇(dope-peg)及其衍生物中的至少一种。

17、根据本发明的实施方案，所述靶向性生物分子选自具有线粒体靶向能力的生物分子。优选地，所述靶向性生物分子可以选自有机小分子、过渡金属配合物、线粒体靶向肽、细胞穿膜肽中的至少一种。示例性地，所述有机小分子例如为三苯基膦(tpp)、罗丹明、山萘酚、黄连素、甘草酸、花菁染料、去喹啉(dqa)、吡啶盐、胍盐。示例性地，所述过渡金属配合物例如为铱配合物、钌配合物。示例性地，所述线粒体靶向肽例如为线粒体靶向抗氧化剂肽(ss-31)、线粒体穿透肽(mpp)。示例性地，所述细胞穿膜肽例如为靶向穿膜肽(irgd)、靶向穿膜肽(tat)、ph响应性穿膜肽(th)、angiopep-2多肽中的至少一种。

18、根据本发明的优选方案，所述线粒体靶向生物分子选自所述水溶性生物分子和靶向性生物分子，其质量比为(1～10):(0.1～2)，例如为9:1。

19、根据本发明的优选方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂的结构通式为a-blnf4:em@blnf4@m；其中，稀土无机纳米晶包括稀土发光内核blnf4:em和稀土离子惰性保护层blnf4；所述稀土医疗核素a掺杂在所述稀土无机纳米晶中的稀土发光内核；线粒体靶向生物分子为m。

20、根据本发明示例性的方案，所述稀土无机纳米晶的稀土发光内核为blnf4:em/a，稀土离子惰性保护层为blnf4；其中，em为yb和er；a优选为77lu、169er、153sm、90y、86y、44sc、47sc中的至少一种。

21、根据本发明的实施方案，所述稀土医疗核素与总稳定稀土元素的放射性活度摩尔比为(0.01～100)mci:(0.01～1)mmol；例如2mci:0.1mmol。本发明中，总稳定稀土元素是指所述稀土无机纳米晶中稀土发光内核和稀土离子惰性保护层中的ln之和。

22、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂在980nm激发光激发下产生的稀土离子可见光区上转换发光(400-700nm)。

23、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米晶在980nm激发光激发下产生的稀土离子近红外发光(700-1700nm)。

24、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂在980nm激发光激发下可以同时产生高效的稀土离子可见光区上转换发光(400-700nm)和稀土离子近红外发光(700-1700nm)。

25、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂能够辐射出β-、β+、γ射线，在体外细胞水平、体内动物水平能够发挥高效低毒的rnt抗肿瘤作用和稀土纳米荧光-核医学多模态医学显像。

26、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂具有良好的水溶性、生物相容性、线粒体靶向能力。

27、本发明还提供上述稀土纳米核诊疗一体化制剂的制备方法，所述制备方法包括：

28、s1、制备得到稀土离子内核；

29、s2、采用外延生长法在步骤s1的稀土离子内核的表面生长稀土离子惰性保护层；

30、s3、将稀土医疗核素标记到稀土离子内核和稀土离子惰性保护层中的至少一部分上；再在所述稀土离子惰性保护层表面负载线粒体靶向生物分子；或者，

31、在所述稀土离子惰性保护层表面负载线粒体靶向生物分子，再将稀土医疗核素a标记到线粒体靶向生物分子上，从而得到所述稀土纳米核诊疗一体化制剂；

32、在步骤s1和/或步骤s2中，还加入所述稀土发光离子，所述稀土发光离子具有如上文所述的含义；

33、在步骤s1和/或步骤s2中，还加入所述稀土医疗核素，所述稀土医疗核素具有如上文所述的含义。

34、根据本发明的实施方案，所述步骤s1和步骤s2中，所述稀土离子内核或稀土离子惰性保护层的制备方法彼此独立的选自高温共沉淀法、高温热分解法、水热法或溶胶-凝胶法中的至少一种，优选为高温热分解法。

35、根据本发明的优选方案，所述稀土离子发光内核通过高温共沉淀法制备得到，所述稀土离子惰性保护层通过高温热分解法在所述稀土离子发光内核的表面生长得到。

36、根据本发明的实施方案，步骤s1和s2中，所述稀土离子内核和稀土离子保护层在惰性气氛下制备得到，所述惰性气氛可选用本领域已知的惰性气体，例如氮气和/或氩气。

37、根据本发明的优选方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂的制备方法包括以下步骤：

38、(1)制备稀土纳米晶内核：将稳定稀土源、碱金属源、长烷链有机酸和长烷链烯烃混合至溶解，反应，制备得到稀土纳米晶内核；

39、(2)制备核-壳结构纳米晶：将步骤(1)的稀土离子内核、稳定稀土源、碱金属源、长烷链有机酸和长烷链烯烃混合至溶解，反应，得到所述稀土无机纳米晶；此时纳米颗粒表面包覆了一层油酸配体，有利于增强其稳定性；

40、(3)将线粒体靶向生物分子修饰在步骤(2)的稀土无机纳米晶上，制备得到所述稀土纳米核诊疗一体化制剂；

41、在步骤(1)和/或步骤(2)中，还加入所述稀土发光离子，优选在步骤(1)中加入稀土发光离子em；所述稀土发光离子具有如上文所述的含义；

42、在步骤(1)-步骤(3)中的至少一个步骤中，加入所述稀土医疗核素，所述稀土医疗核素具有如上文所述的含义。

43、根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述稀土无机纳米晶具有如上文所述的含义。

44、根据本发明的实施方案，所述步骤(1)和步骤(2)中，反应的具体条件包括：升温至280～340℃(例如为300℃)，反应0.5～2小时(例如为0.5小时、1小时)。优选地，升温的速率为1～20℃/min，例如为10℃/min。

45、根据本发明的实施方案，所述步骤(1)和步骤(2)中，反应结束后，还可以进行冷却，可选用本领域已知的方法进行冷却，例如自然冷却到室温。

46、根据本发明的实施方案，所述稳定稀土源选自稀土离子稳定同位素ln的醋酸盐、三氟乙酸盐、氯化盐和硝酸盐中的一种或多种；优选为三氟乙酸盐和稀土氯化盐。

47、根据本发明的实施方案，所述稳定稀土源选自稳定稀土元素的的三氟乙酸盐和/或稳定稀土元素的氯化盐，示例为三氟乙酸盐镱、三氟乙酸钇、三氟乙酸铒。

48、根据本发明的实施方案，所述碱金属源为所述稀土无机纳米晶提供金属元素b。

49、根据本发明的实施方案，所述碱金属源选自含有金属元素b的盐类、氢氧化物、氟氢化物中的一种或多种；进一步地，金属元素b具有如上文所述的含义，例如选自li、na、k、rb、cs、mg、ca、sr和ba中的一种或多种。

50、优选地，所述碱金属源为含有金属元素b的油酸盐、含有金属元素b的醋酸盐、含有金属元素b的氟化盐，例如，三氟乙酸盐，示例为三氟乙酸钠或氟氢化钠。

51、根据本发明的实施方案，所述长烷链有机酸选自辛酸、十二酸和油酸中的一种或多种，示例性为油酸。

52、根据本发明的实施方案，所述长烷链烯烃选自下述物质中的一种或多种：1-癸烯、1-十二烯和1-十八烯，示例选自1-十八烯。

53、根据本发明的实施方案，所述稀土发光离子的加入量为所述稀土纳米晶的摩尔量的0.01-20mol％，例如为0.05mol％、0.1mol％、0.5mol％、1mol％、5mol％、10mol％、15mol％。

54、根据本发明的实施方案，所述稀土发光离子由含稀土发光离子的盐提供。

55、根据本发明的实施方案，所述含稀土发光离子的盐选自稀土发光离子的醋酸盐、三氟乙酸盐或氯化物的至少一种，例如为醋酸铒和醋酸镱。

56、根据本发明的实施方案，所述稀土发光离子优选在步骤(1)中加入。

57、根据本发明的实施方案，所述稀土医疗核素具有如上文所述的含义，所述医疗核素由含稀土放射性医疗核素的盐提供。

58、根据本发明的实施方案，所述含稀土放射性医疗核素的盐选自含a的氯化盐和/或含a的草酸盐，例如为177lucl3。

59、根据本发明的实施方案，所述稀土放射性医疗核素优选在步骤(1)或步骤(2)中加入。

60、根据本发明的实施方案，步骤(1)或步骤(2)中，所述稳定稀土元素、长烷链有机酸和长烷链烯烃的摩尔体积比为(0.01～0.4)mmol:(1～20)ml:(1～20)ml；优选为(0.01～0.2)mmol:(2～10)ml:(2～10)ml。

61、根据本发明的实施方案，所述稀土医疗核素与稀土无机纳米晶中总稳定稀土元素的放射性活度摩尔比为(0.01～100)mci:(0.01～0.4)mmol；优选为(1～50)mci:(0.01～0.1)mmol。

62、根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述修饰的步骤包括：将所述稀土纳米晶分散于有机溶剂中，加入线粒体靶向生物分子搅拌使得所述稀土纳米晶由油溶性转变成水溶性，得到所述稀土纳米核诊疗一体化制剂。

63、示例性地，所述步骤(3)中修饰线粒体靶向生物分子的步骤具体包括：将所述稀土无机纳米晶分散于有机溶剂中，加入线粒体靶向生物分子搅拌使得所述纳米晶由油溶性转变成水溶性，待有机溶剂自然挥发干净，得到所述稀土纳米核诊疗一体化制剂。

64、根据本发明的实施方案，所述有机溶剂为环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃和n,n-二甲基甲酰胺中的至少一种。

65、根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述稀土无机纳米晶和线粒体靶向生物分子的摩尔比为(0～0.2):(0.2～1)。

66、根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述线粒体靶向生物分子具有如上文所述的含义。优选地，所述线粒体靶向生物分子包括水溶性生物分子和靶向性生物分子，其摩尔比为(0.2～0.8):(0～0.2)，优选为(0.2～0.8):(0.01～0.2)。

67、示例性地，步骤(3)中，所述线粒体靶向生物分子包括二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇(dspe-peg)、细胞穿膜肽(irgd)和线粒体靶向肽(mpp)，其摩尔比为(0.2～0.8):(0～0.1):(0～0.1)，例如为(0.2～0.8):(0.01～0.1):(0.01～0.1)。

68、根据本发明的实施方案，步骤(3)中，所述修饰后还包括沉淀和/或洗涤。优选地，所述沉淀通过高速离心进行。

69、在本发明的一个实施方式中，所述步骤(3)还包括：制备得到所述稀土纳米核诊疗一体化制剂后，洗涤和/或重新分散的步骤，例如分散于生理盐水中。优选地，还包括将分散后的溶液进行无菌过滤的步骤。

70、本发明还提供上述稀土纳米核诊疗一体化制剂作为荧光医学显像剂的应用，优选作为实体肿瘤病灶或小微转移肿瘤病灶的荧光医学显像剂。优选地，所述小微转移肿瘤病灶是指尺寸小于1mm的转移肿瘤病灶。

71、本发明还提供上述稀土纳米核诊疗一体化制剂用于稀土纳米荧光-核医学多模态医学影像联合指导下的肿瘤一体化诊断治疗的应用。

72、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂可用于对肿瘤细胞实施可视化激光光聚焦细胞成像，实现肿瘤细胞和正常细胞的实时动态分选。

73、根据本发明的实施方案，所述诊断制剂在980-nm激发光激发下产生的稀土离子近红外发光(700-1700nm)，可以对生物活体在体实体肿瘤病灶或小微转移肿瘤病灶(<137μm)进行高分辨稀土纳米荧光医学成像以及肿瘤切除手术导航。

74、本发明还提供上述稀土纳米核诊疗一体化制剂作为核医学spect肿瘤医学显像剂的应用，例如用于用于肿瘤早期检查、生物指标示踪。

75、本发明还提供上述稀土纳米核诊疗一体化制剂作为肿瘤高效放射性治疗剂(放疗剂)的应用。

76、根据本发明的实施方案，所述稀土纳米核诊疗一体化制剂能够作为rnt药物将具有细胞毒性水平的放射性核素靶向性输送到肿瘤病灶，利用放射性核素的衰变特征释放射线或粒子对病变细胞产生杀伤作用，从而达到治疗肿瘤目的，为肿瘤精准诊断和治疗提供了新契机。

77、根据本发明的实施方案，本发明的肿瘤选自卵巢癌、宫颈癌、子宫内膜癌、黑色素瘤、前列腺癌、胰腺癌、肺癌、肝癌、胃癌、淋巴瘤、头颈癌、乳腺癌、结直肠癌等在内的多种肿瘤中的至少一种，例如为人源卵巢癌、宫颈癌和子宫内膜癌。

78、本发明的有益效果

79、本发明利用改良的高温热分解法将具有放射性的稀土放射性医疗核素掺入其晶格中，再进行功能性修饰，制备出了一种用于肿瘤的线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂。本发明的稀土纳米核诊疗一体化制剂，既能实现对放射性医疗同位素的稳定、高效负载，又能实现肿瘤病灶高分辨的稀土纳米荧光-核医学多模态成像和高效安全的放射性核素治疗，在稀土纳米核诊疗应用中将具有重要实际的意义和临床价值。本发明的稀土纳米核诊疗一体化制剂具有以下优点：

80、(1)镧系稀土基纳米荧光材料具有易掺杂稀土医疗同位素的特点，例如，177lu是176yb经反应堆辐照再通过β-衰变所制备的放射性同位素，二者的离子半径、电荷状态等物理性质相似，有利于医疗同位素通过晶格掺杂，稳定负载于稀土无机晶体材料中，具有更好稳定性和不易脱靶等优势。

81、(2)该稀土纳米核诊疗一体化制剂的表面易于功能化修饰，可以根据临床不同医学场景需求选择性修饰各种肿瘤细胞线粒体靶向生物分子，使得线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂具有精准靶向肿瘤细胞线粒体的功能，提高了医学应用时的生物安全性。

82、(3)所述线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂在980-nm激发光激发下可以产生高效的稀土离子可见光区上转换发光(400-700nm)，可用于对肿瘤细胞实施可视化激光光聚焦细胞成像，实现肿瘤细胞和正常细胞的实时动态分选；同时，可以产生高效的稀土离子近红外发光(700-1700nm)，可以对生物活体在体实体肿瘤病灶或小微转移肿瘤病灶(<137μm)进行高分辨稀土纳米荧光医学成像以及肿瘤切除手术导航。

83、(4)所述线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂能辐射出β-、β+、γ射线用于肿瘤rnt治疗和核医学显像，而且展现出优异的放射化学稳定性和良好的生物安全性，在肿瘤亚细胞水平靶向、多模态成像诊断、精准手术导航、rnt等领域具有广阔的应用前景和临床转化价值。

84、(5)本发明的线粒体靶向的稀土纳米核诊疗一体化制剂能够高效、快速靶向到肿瘤细胞线粒体，借助于核素rnt治疗可发挥高效的抗肿瘤效果，同时稀土离子发光内核产生的上转换或近红外发光还同步为小微转移瘤的手术实施高分辨的稀土荧光导航，为“看得见”、“看得清”、“看得早”的肿瘤早期诊断和同步rnt治疗提供了可能。