一种多模态成像纳米探针及其制备方法与应用

本发明属于生物材料领域，涉及一种多模态成像纳米探针及其制备方法与应用，具体涉及一种多模态磁共振/核医学血管造影纳米探针及其制备方法与作为泛血管化疾病诊断中的造影剂的应用。

背景技术：

1、泛血管化疾病是以血管病变为病理特征，如动脉粥样硬化，危害心、脑、肾等重要器官的系统性疾病，不仅包括脑卒中、冠心病等心脑血管疾病，亦包括肿瘤、糖尿病、免疫系统疾病等重大疾病。医学影像对于心脑血管疾病、恶性肿瘤等重大疾病的诊断至关重要。目前临床医学影像诊断技术，如核磁共振成像技术(magnetic resonance imaging，mri)、x-射线计算机断层成像技术(x-ray computed tomography，x-ct)、核医学成像技术(pet/spect)及超声(ultrasound)成像技术等，检测模式单一，通常只能提供某一方面的诊断信息，因而易造成误诊、漏诊等。多模态影像技术有助于从不同成像模式中获得互补信息，结合多种医学影像技术的优势，降低信息的不确定性，提高临床诊断和分割的准确性。磁共振-核医学(mri-pet)血管造影技术是一种结合核磁共振成像(mri)技术与正电子发射断层成像(pet)技术的高效多模态成像技术，可以将核磁共振成像的超高空间分辨能力与正电子发射断层成像的高特异性与灵敏性优势相结合，在肿瘤、神经系统以及心血管等疾病的早期诊断中具有极高的应用潜力。

2、随着分子影像技术的不断进步，造影剂的设计与研究推动了mri技术的发展。目前临床上使用的血池造影剂主要是小分子造影剂，例如马根维显(gd-dtpa)，其能够快速地实现t1效果的三维血管成像。然而由于小分子造影剂较小的流体动力学尺寸，它们会很快地透过血管壁，导致图像采集的时间窗口大大缩短。所以利用小分子造影剂实现血管造影的分辨率不佳，特别是针对微小血管结构的成像。而且小分子造影剂由于缩短t2效应有限，因此t2对比增强效果差，很难作为t1/t2双模态增强造影剂应用于多模态mri影像诊断。

3、随着纳米科学与技术的快速发展，纳米颗粒的研究为构建高灵敏多模态分子探针提供了可能。基于钆离子具有7个不成对电子，具有优异的顺磁性，表现出强烈的t1和dce效应，钆基纳米颗粒被广泛的开发和应用。由于合适的流体动力学直径，纳米颗粒可以被有效限制在血管内，因此极大地提高了造影剂的血液半衰期，增加了图像采集的时间窗口。而且，纳米颗粒可以有效降低旋转相关时间(τr)，极大的提高了纵向弛豫率，因此可以获得高分辨率、高血管信号的血管造影图像，弛豫效果远大于临床小分子造影剂。而且，由于钆基纳米颗粒的本征磁性和磁各向异性，钆基纳米颗粒能够增强钆离子的磁化率，这种特性破坏了局部磁场的均匀性，导致相邻质子间失去相位相干性，表现出磁敏感加权成像(swi)潜力，可以作为swi造影剂。因此，利用钆基纳米颗粒可以通过结合不同成像序列的优点获取互补的血管信息，有效发展t1/t2双模态mri成像，通过增强的t1加权图像及dce三维动态对比增强血管造影可以更好地了解血管和组织之间的相关性；通过增强的swi图像可以描绘出表现负信号的精细微血管。通过核素标记方法，钆基纳米颗粒也可以同时被应用到pet成像。结合于t1/t2双模态mri及核医学成像，该血管造影多模态mri-pet纳米探针可以较好地应用到泛血管化疾病诊断。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中小分子造影剂的缺点与不足，本发明提供如下技术方案：

2、一种纳米探针，其包括nagdf4、配体和放射性核素离子(n)；所述配体呈结合态修饰于所述nagdf4表面。

3、根据本发明的实施方案，所述放射性核素离子通过配体锚定基团连接到nagdf4上。

4、根据本发明的实施方案，所述纳米探针中，每个nagdf4表面至少连接500个配体。

5、根据本发明的实施方案，每个配体能够与至少1个放射性核素离子进行螯合。

6、根据本发明的实施方案，所述纳米探针中，放射性核素离子(n)与nagdf4的放射计量比可以为(40-60)mbq：1μmol，示例性为40mbq：1μmol、42mbq：1μmol、47mbq：1μmol、50mbq：1μmol、60mbq：1μmol。

7、根据本发明的实施方案，所述配体锚定基团可以选自多齿膦酸(mul-p)、羟肟(hx)和邻多酚(cc)等基团中的一种。例如，所述配体选自甲氧基聚乙二醇双磷酸(dp-mpeg)(为一种多齿磷酸)，例如其具有如下结构：

8、

9、其中，n为聚合度，例如40-110。

10、根据本发明的实施方案，所述nagdf4为nagdf4纳米颗粒，优选为亲水性nagdf4纳米颗粒。优选地，所述亲水性nagdf4纳米颗粒的水合粒径为5.0nm～15.0nm，示例性为5.0nm、8.0nm、10.0nm、13.0nm、15.0nm。

11、根据本发明的实施方案，所述纳米探针由包括亲水性nagdf4纳米颗粒与含有放射性核素离子(n)的盐进行反应制备得到。

12、根据本发明的实施方案，所述亲水性nagdf4纳米颗粒是先通过高温热分解法制备得到疏水性的nagdf4纳米颗粒，再通过配体交换法制备得到。

13、根据本发明示例性的实施方案，所述疏水性的nagdf4纳米颗粒由包括将稀土盐与油相配体加入高温溶剂中，然后加入碱金属氟化物溶液、碱性溶液进行反应，得到所述疏水性的nagdf4纳米颗粒。

14、根据本发明的实施方案，所述纳米探针为mri-pet血管造影纳米探针，可以通过核素标记方法制备得到。

15、根据本发明的实施方案，所述放射性核素离子(n)可以为68ga3+、99mtc3+、64cu2+、86y3+、89zr4+、153sm3+和177lu3+等中的至少一种。

16、在本发明的一个示例性的实施方案中，所述纳米探针为一种多模态纳米探针，具体的，通过包括以下步骤的方法制备得到：使用油酸作为油相配体溶剂，1-十八烯作为高温热分解法的高温溶剂，使用dp-mpeg作为配体制备亲水性的nagdf4纳米颗粒，锚定放射性核素68ga3+，制备得到多模态纳米探针(nagdf4-dp-mpeg-68ga3+)。

17、根据本发明的实施方案，所述疏水性nagdf4纳米颗粒的粒径为2nm～4.0nm，示例性为2nm、3nm、4nm。

18、根据本发明的实施方案，所述配体交换后的nagdf4纳米颗粒的水合粒径为5.0nm～15.0nm，示例性为5.0nm、8.0nm、10.0nm、13.0nm、15.0nm。

19、根据本发明的实施方案，所述纳米探针为多模态磁共振/核医学血管造影纳米探针。

20、本发明还提供上述纳米探针的制备方法，所述方法包括将亲水性nagdf4纳米颗粒与含有放射性核素离子(n)的盐进行反应，制备得到所述纳米探针。

21、根据本发明的实施方案，所述亲水性nagdf4纳米颗粒是先通过高温热分解法制备得到疏水性的nagdf4纳米颗粒，再通过配体交换法制备得到。

22、通过配体交换方法，可以将疏水性nagdf4纳米颗粒转为亲水性的nagdf4纳米颗粒，纳米颗粒能够稳定存在生理盐水和水中，可以实现活体动物多模态mri。

23、根据本发明示例性的实施方案，所述疏水性的nagdf4纳米颗粒由包括将稀土盐与油相配体加入高温溶剂中，然后加入碱金属氟化物溶液、碱性溶液进行反应制备得到。

24、根据使用的油相配体和高温溶剂的不同，纳米颗粒晶体生长温度略有不同，形貌和粒径也会有所变化。

25、在本发明的一个实施方案中，所述油相配体可以选自油酸和/或油胺等。

26、在本发明的一个实施方案中，所述高温溶剂选自1-十六烯(274℃)、辛基醚(287℃)，1-十八烯(317℃)、1-二十碳烯(330℃)和三辛胺(365℃)等中的至少一种。

27、优选地，所述碱金属氟化物指碱金属离子或者与碱金属离子性质相似的阳离子和f离子形成的化合物。例如，所述碱金属离子为na+、k+，所述与碱金属离子性质相似的阳离子为nh4+。

28、优选地，所述碱金属氟化物溶液为nh4f、naf和kf的溶液中的一种，优选为nh4f的溶液。

29、优选地，所述稀土盐中的稀土离子和碱金属氟化物的摩尔比为1:(2-5)，示例性为1:4。

30、优选地，所述稀土盐为gdcl3·6h2o。

31、优选地，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。

32、优选地，所述碱金属氟化物溶液、碱性溶液中所采用的溶剂为甲醇。

33、优选地，所述油相配体与高温溶剂的体积比为1:(2～5)，示例性为1:2、1:3.75、1:5。

34、优选地，还包括对加入稀土盐后的油相配体与高温溶剂的混合溶液进行加热。例如，所述加热的温度为120～180℃，示例性为120℃、150℃、180℃。例如，所述加热的时间为20～40min，示例性为20min、30min、40min。进一步地，所述加热在真空条件下进行。

35、优选地，还包括对加入碱金属氟化物溶液、碱性溶液后的混合溶液进行搅拌反应。例如，所述搅拌反应采用二级加热方式。

36、优选地，所述二级加热方式包括：

37、第一级加热的温度为40～60℃，示例性为40℃、50℃、60℃；第一级加热的时间为12～24h，示例性为12h、18h、24h；

38、第二级加热的温度为250～300℃，示例性为250℃、270℃、300℃；第二级加热的时间为10～60min，示例性为10min、30min、40min、60min。

39、优选地，在第二级加热前还可以包括在真空下除去甲醇，升温至100℃除去多余气体。

40、优选地，所述制备方法还包括对制得的纳米颗粒混合液进行固液分离得到反应产物的过程。例如，所述固液分离的方法为向纳米颗粒混合液中加入沉淀剂进行沉淀，并离心得到固体产物。又如，所述沉淀剂可以为乙醇。例如，所述离心的转速为6000-10000rpm，例如7000-9000rpm，示例性为6000rpm、7000rpm、8000rpm、9000rpm、10000rpm。进一步地，所述离心的时间为3-10min，例如5-8min，示例性为3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min。

41、优选地，所述制备方法还包括对固液分离得到的反应产物进行洗涤。例如，洗涤的溶剂可以为环己烷。

42、根据本发明的实施方案，所述配体交换法在溶剂存在下进行。例如，先分别将疏水性的nagdf4纳米颗粒、配体溶解于溶剂中，再将两种溶液混合进行反应。例如，所述溶剂为四氢呋喃(thf)。

43、优选地，所述疏水性的nagdf4纳米颗粒与配体的反应质量比为1:(5-20)，示例性为1:5、1:10、1:20。

44、例如，还包括对混合溶液进行加热搅拌。例如，所述加热搅拌的温度为30～50℃，示例性为30℃、40℃、50℃。又如，所述加热搅拌的时间为12～24h，示例性为12h、18h、24h。

45、优选地，所述制备方法还包括对制得的亲水性nagdf4纳米颗粒混合液进行固液分离得到反应产物的过程。例如，所述固液分离的方法为向纳米颗粒混合液中加入沉淀剂进行沉淀，并离心得到固体产物。又如，所述沉淀剂可以为环己烷。

46、优选地，所述制备方法还包括对固液分离得到的反应产物进行洗涤。例如，洗涤的溶剂可以为四氢呋喃(thf)。

47、优选地，所述制备方法还包括对洗涤后得到的反应产物进行纯化。例如，所述纯化的方式可以为超滤。

48、根据本发明的实施方案，所述含有放射性核素离子(n)的盐标记到亲水性nagdf4纳米颗粒的放射计量比可以为(40-60)mbq：1μmol，示例性为40mbq：1μmol、42mbq：1μmol、47mbq：1μmol、50mbq：1μmol、60mbq：1μmol。

49、根据本发明的实施方案，所述含有放射性核素离子(n)的盐可以为68gacl3、na99mtco4、64cucl2、89zrcl4和177lucl3等中的至少一种。

50、根据本发明的实施方案，所述制备方法还包括对得到的反应产物进行纯化，得到所述纳米探针。例如，所述纯化的方式可以为超滤。

51、本发明还提供上述纳米探针用作造影剂。例如应用于磁共振成像、核医学成像技术(pet/spect)等。

52、本发明还提供一种造影剂，其含有上述纳米探针。

53、本发明还提供一种成像方法，将上述纳米探针作为泛血管化疾病诊断中的造影剂。

54、本发明的有益效果:

55、本发明提供了一种纳米探针，其是基于顺磁性超小钆基纳米颗粒(nagdf4)的新型多模态纳米探针，可以作为造影剂，发展了mri-pet血管造影纳米探针，可同时实现t1、dce、swi多模态核磁共振造影模式，并且实现核医学成像。

56、本发明还提供了所述纳米探针的制备方法，其将亲水性nagdf4纳米颗粒与含有放射性核素离子(n)的盐进行反应。所述亲水性nagdf4纳米颗粒的制备中，先通过高温热分解法制备小尺寸油相nagdf4纳米颗粒，再通过配体交换，其中的油酸配体由与gd3+亲和力更高的锚定基团取代，由此获得生物相容性良好的稳定水相nagdf4纳米颗粒。所述方法制备的纳米探针可以作为一种多模态mri-pet高分辨三维血管造影剂。

57、本发明的磁共振血管造影剂，是基于nagdf4纳米颗粒的mri-pet血管造影纳米探针。经静脉注射后，nagdf4纳米颗粒既不会渗漏出血管壁弥散在组织细胞间隙，又可以避免被免疫细胞所捕获，因而具有极长的血液循环时间，适合长窗口的血管造影，有效克服了临床小分子钆基造影剂(gd-dtpa)的缺点，在心血管疾病的早期、准确诊断方面具有广阔的应用前景。