专利名称：超极化氦－3微泡气体的截留方法
技术领域：
本发明通常涉及超极化的氦-3(“3He”)，具体地，本发明特别适合在核磁共振成像(“MRI”)和核磁共振谱医疗诊断中的应用。
发明技术背景通常，人们一直采用MRI通过激发人体中氢分子(存在于水质子中)核产生图像。但是，最近人们发现，极化的惰性气体可以得到某些人体区域和部位的改进图像，而迄今为止以这一形式所得到的图像都不令人满意。人们发现，极化的3He和氙-129(“129Xe”)特别适合于这一目的。可惜，正如下面将要讨论的，气体的极化状态对处理条件和环境条件很敏感，并且令人不满意地，它们可能相当快地从极化状态衰变。
某些惰性气体核(如129Xe或3He)超过固有态或平衡态的“极化”或超极化，即玻耳兹曼(Boltzmann)极化，由于它增强和增加了MRI信号强度，允许物理学家们获得体内物质更好的图像，因此是合乎人们需要的。参见Albert等人的美国专利5,545,396，该专利的公开部分作为参考文献引入本文。
对于医疗应用来说，超极化气体产生之后，在其注入到病人体内之前，经过处理以形成无毒或消过毒的组合物。可惜，在超极化气体收集过程中及之后，它可能相当快地变质失效或衰变(失去其超极化状态)，因此必须小心地处理、收集、运输和储存。与超极化气体纵向驰豫时间相关联的衰变常数“T1”，通常用于描述在一定容器内气体样品去极化所花的时间长度。因为超极化状态对环境和操作因素很敏感，以及气体从其超极化状态到其计划的最终应用，即送达病人之前可能存在的不希望衰变，因此处理超极化气体是非常关键的。超极化气体的加工、运输和储存-以及气体送达病人或最终用户-都可能使超极化气体遇到各种驰豫机制，例如磁梯度、环境或接触的杂质等。
过去，为了把超极化气体输送给病人，人们提出了各种超极化传输方式，如注射和吸入方式。吸入超极化气体典型地对肺或呼吸型图像是优选的。为了达到其他部位，可以采用其他输送途径和技术。但是，因为氦在如脂类或血液之类的通常载体流体中比氙更不易溶解，所以几乎只使用3He进行肺部成像，而不是其他目标部位成像。
最近的进展提出了使用微泡悬浮液克服氦的低溶解度问题。参见Chawla等人所著“使用激光极化的3He微泡的活体内磁共振血管成像(In vivo magnetic resonance vascular imaging using laser-polarized3He microbubbles)”，95 Proc.Natl.Acad.Sci.美国，第10832-10835页(1998年9月)。Chawla等人建议，使用射线照相造影剂作为在可注射的制剂中输送超极化3He气体微泡的注射流体。然后，为了使病人的血管系统成像，将该制剂注入病人体内。
总地来说，目前用于承载或生产微泡混合物的一种方法是通过“非能动”渗透性。即基于泡本身的氦渗透性，超极化3He典型地进入微泡壁。因此，这种气体承载方法可能花费相当多的时间，这会使得超极化气体过度地衰变。此外，与流体，甚至与微泡接触都可能造成接触所诱导的去极化作用，它可能支配了超极化3He的驰豫机制，还引起超极化的气体寿命不合需要的减少。
同样地，依然需要改进微泡3He制剂和承载方法，以使极化气体衰变降至最小，于是提高了微泡制剂的T1。
此外，还需要增加溶解超极化气体氙的容易程度，而在以前这是一个难以解决的问题。
发明目的和简要说明因此，本发明的目的是提高可注射超极化3He微泡溶液的T1。
本发明的另一个目的是减少接触诱导的去极化影响，以增加可注射微泡产品的超极化寿命。
本发明的另一个目的是以一种方法生产一种可注射的微泡溶液，它可提高了可注射制剂中超极化3He在微泡里的浓度。
本发明的另一个目的是提供以一种方式向受治疗者提供极化微泡注射制剂的方法和设备，该方式能迅速混合并输送制剂，以便在衰变失效之前就能利用极化状态的气体。
本发明的另一个目的是在改进的容器和注射输送系统中加工和制成超极化3He气体混合物，这些容器和系统的结构能够抑制收集的极化气体的去极化作用。
本发明的另一目的是提供方法、表面材料和容器，它将使微泡溶液中3He气体的超极化态因顺磁性杂质、氧暴露、杂散磁场和表面接触驰豫等因素的一种或多种导致的去极化作用降至最低。
本发明的另一目的是提供一种把超极化129Xe由气态转换成液态的溶解辅助方法。
通过本发明能够满足这些以及其他一些目的，本发明涉及了与微泡相关的超极化气体可注射溶液(溶解的或液体)产品，以及有关的生产和输送方法、体系和装置。
本发明的第一个方面是涉及一种生产可注射超极化3He制剂的方法。该方法包括以下步骤向小室中加入许多微泡，然后把一些超极化3He加入有许多微泡的小室中。容器中的压力提高到高于一个大气压。然后在一定量的超极化气体和微泡进入小室之后，向小室中加入一些液体。有(充满)超极化3He的微泡接触该液体，由此得到可注射的超极化3He微泡制剂。
在优选的实施方案中，压力提高到2个大气压以上，并且优选地提高到约2-10大气压。在微泡加入小室之后而在液体加入小室之前实施提高压力步骤是优选的。
优选地，液体溶液如此选择，以致在气体与液体溶液接触时它可抑制气体的去极化作用。例如，在一个实施方案中，液体如此选择，3He在其液体中的溶解度值很低(优选地小于约0.01，更优选地小于约0.005-0.008)，或者3He在其液体中的扩散系数值很高。在操作中，在缺少注射液的情况下形成微泡表面或壁，以使超极化3He自由地穿过微泡的外笼式的壳，然后流体或液体围绕着笼式壳上的开口，在那里以这样一种方法俘获超极化气体，以抑制气体从微泡转移或浸出。此外，或者另外，流体本身的加入的量相对有限，这样可以降低微泡中3He与流体中3He之间的压力差，和/或一些3He可与液体溶液预混合。降低压力差(微泡外部液体中3He饱和或平衡)能够减少3He从那里迁移的量。
此外，即使3He离开泡，所选择流体低溶解度也会减少氦从泡迁移出的量，直到平衡/饱和，以延长其相关的极化，由此延长了可注射的微泡混合物的T1。事实上，在确定可注射制剂本身足够长的T1时，选择流体将是一个很重要的因素。另外或者额外地，对于将3He溶解在液体中的制剂，该液体具有很高的3He扩散系数是优选的(高扩散优选地是指约1.0×10-5厘米2/秒，更优选地是至少1.0×10-4厘米2/秒)。
本发明的另一个方面是涉及一种用于活体内注射的极化气态3He的混合与配制方法。该方法包括把一些微泡加入容器中，然后将容器抽真空等步骤。该方法还包括把第一个量的超极化3He加入有微泡的抽空容器中，该步骤之后把第二个量的流体加入容器中，以形成泡溶液。然后从容器中排走泡溶液，并注入被治疗者。
优选地，第二个量的流体含有基本除氧的流体，注射步骤包括往插入被治疗者血管的原地定位的导管中输送泡溶液。还优选的是，接近注射步骤时临时地进行本方法的混合步骤(优选地在注射前约30秒内进行)。
本发明的另一方面是涉及溶解气态超极化129Xe的方法。该方法包括以下步骤向小室中加入第一个量的泡，然后把第二个量的超极化129Xe加入小室中，以致至少部分129Xe接触微泡。该方法还包括溶解部分129Xe，然后在将129Xe溶解相输送给受治疗者之前，使所有的微泡与129Xe基本分离等步骤。微泡起作加速溶解气态129Xe的加速剂作用。
本发明还有另一个方面是可活体内注射的药用流体超极化产品。该产品包括第一个量由第一种材料生成的微泡，和第二个量的超极化3He。该产品还包括第三个量的液体载体溶液。第三个量小于或基本上等于第一个和第二个量的和。
优选地，微泡的直径小于约10微米，可注射产品的单个丸剂大小约50cc。
本发明包括增加每个微泡中3He密度(增加负载密度)的方法，和增加泡填充密度的方法，以把泡更密实地填充在溶液中。每种方法都能提供一个或多个更强的信号强度和更有效的T1。
此外，本发明可以允许减小的丸剂型号的3He量。例如，静脉超极化气体微泡注射量约5-50cc，更优选地约15-30cc，可为临床应用图像提供足够的信号。优选地，本发明的微泡制剂还可以这样形成，以致气体微泡直径小于约10微米，更优选地约8微米或更小，以便能够注射到循环系统的静脉侧，然后通过毛细作用到达循环系统的动脉侧。
有利地，一个或多次将气体载入泡、延迟其逸出、流体填充和流体相容性可能有利于以一种方式输送一定量的3He，这种方式能使气体以充足的量和强度注射到目标部位，以便提供临床应用信息。
认识到微泡制剂的非常有限的(T1)寿命，本发明还提供了迅速混合和输送的工具，该工具能临时地在接近注射(优选地通过导管进行注射)之前进行泡混合和制剂的制备。本发明还能使NMR线圈定位，和/或在操作上与微泡制剂相连接(在充气泡制剂支撑小室上，或相连的管、导管或支撑小室杆上)，以便使极化测量值随已计划的输送而获取，以更好地校准信号强度和/或减少去极化物质的输送。
图1A图示说明了本发明的微泡结构的另一实施方案。
图2图示说明了将液体加入微泡和超极化3He气体混合物中的装置。
图3图示说明了图2的液体形成外壁或关闭微泡壳中的一个或多个笼状开口，以便俘获在其中超极化气体。
图4图示说明了在准备将预定量微泡混合物注射到目标时，图2微泡混合物从混合容器中的抽出。
图5A是说明抽空输送和混合系统的前视图。
图5B是图5A的前视图，显示了注射器(为了容易表示，注射器和容器都放大显示)抽出和注射输入技术。
图6是可注射微泡产品配制方法框图。
发明的详细说明现在参考附图将更充分地描述本发明，其中展现了本发明优选实施方案。但是，可以多种不同方式实现本发明，并且不应该将本发明局限于这里所述的实施方案；更确切地说，提供这些实施方案为的是使公开得更彻底，更完整，并将本发明的保护范围全面提供给本技术领域的技术人员。在全篇中，相同的数字是指相同的部件。在图中，为了清楚起见放大了某些图，或为了说明的目的，画出某些图，同样地，这些图都未按比例画出。例如，典型的微泡大小是这样的，它(优选地大小为约10微米或更小)比5_3He原子大得多(例如大约2000倍)。另外，将要认识到，泡的分子组成(与一种或多种特定泡材料相对应)将提供一个或多个开口的特定构型和大小以及壳和壁的结构，这里这些图仅用于用图表示和讨论。背景-极化气体驰豫过程一旦超极化，极化气体驰豫时间(T1)有一个理论上限，这是基于采用基础物理学所说明的碰撞驰豫作用，即在没有其他去极化因素的条件下，一定样品由于超极化原子互相碰撞而导致的衰变或去极化所花费的时间。例如，3He原子通过3He-3He碰撞中的偶极-偶极相互作用而驰豫，同时129Xe原子在129Xe-129Xe碰撞中，通过N-I自旋旋转相互作用(其中N是分子角动量，I表示核自旋旋转)而驰豫。换句话说，由碰撞的原子的旋转角动量通过吸收保持与核自旋翻转相联系的角动量。无论如何，因为两个过程在惰性气体-惰性气体碰撞中都存在，得到的两个驰豫速率都与气体压力成正比(T1与压力成反比)。因此，在一个大气压时，3He的理论驰豫时间(T1)是约744-760小时，而对于129Xe来说，相应的驰豫时间是约56小时。参见Newbury等人所著“气体3He-3He磁偶极自旋驰豫(Gaseous3He-3He MagneticDipolar Spin Relaxation)”，48物理评论(Phys.Rev.)A，No.6，第4411页(1993)；Hunt等人所著“自然氙中129Xe核磁共振(NuclearMagnetic Resonance of129Xe in Natural Xenon)”，130物理评论，第2302页(1963年)。可惜，其他驰豫过程阻碍了达到这些理论驰豫时间。例如，气体129Xe和3He与容器壁的碰撞(“表面驰豫”)在历史上一直支配大多数驰豫过程。对于3He来说，在对氦低渗透性的特别玻璃容器中，已达到大多数已知的更长驰豫时间。过去，表面驰豫机制的基本理解是难以捉摸的，这使得相关T1可预见性很困难。
Driehuys等人的美国专利5,612,103描述了使用涂层抑制超极化惰性气体，特别是的129Xe的表面-诱导核自旋驰豫。该专利公开内容作为参考文献引入，好像在这里阅读全文。Driehuys等人认识到，129Xe在聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)表面涂层上的核自旋驰豫，可通过将129Xe核自旋与聚合物基质中质子偶极耦合加以控制。因此，已证明顺磁杂质(如存在像氧之类的顺磁分子)在那个系统中不是占优势的驰豫机制，因为人们在调查研究中已发现核间偶极-偶极驰豫在系统中占优势。这是因为在调查研究中发现129Xe充分溶解在特别的聚合物基质(PDMS)中。参见Bastiann Driehuys等人“激光极化的129Xe的表面驰豫机制(Surface Relaxation Mechanisms of Laser-Po1arized129Xe)”，74物理通讯(Phys.Lett.)，No.24，第4943-4946页(1995年)。背景-材料驰豫度为了比较某些材料关于它们对超极化惰性气体的各自驰豫影响的特征信息，使用术语“驰豫度”。如这里所述，使用术语“驰豫度”(“γ”)描述与超极化气体样品的去极化速率(“1/T1”)相联系的材料性质。参见题为“用于超极化气体的容器及相关方法(Containers for Hyperpolarized Gases and AssociatedMethods)”的共同未决和共同转让的美国专利申请09/126,448，其公开内容作为参考文献引入本文。
通常来说，溶解在聚合物表面上的气体很快驰豫(低于一秒)，所以容器中的大部分超极化气体呈游离气体状态。因此，该气体的驰豫是通过游离气体与溶解在聚合物中的气体之间的连续交换发生。在材料参数中，该气体交换的速率可用“吸收参数”-溶解度(“S”)、扩散系数(“D”)和渗透性(“P”)描述。渗透性是原子或分子透过(聚合物)膜的传送。它取决于材料的化学和物理结构，以及渗透分子的结构和物理特征。渗透性可定义为溶解度与扩散系数的乘积(“P＝S×D”)。溶解度(“S”)是多少渗透可溶解于一定材料中的度量。扩散系数(“D”)是原子在聚合物中随机移动的度量。因此，可以使用聚合物吸收参数表征在渗透性表面存在下超极化气体的驰豫。
如在上述参考的专利申请中所讨论的，在聚合物术语中驰豫速率(“ΓP”)可改写成T1，ΓP＝1/T1p。驰豫时间T1的解是T1=aST1pDp------(1.00)]]>该分析可扩展到三维，得到T1=VcApST1pDp------(1.10)]]>式中，VC是小室的内容积，AP是聚合物暴露的表面面积，S是气体在聚合物中的溶解度。
T1和S之间反比关系是观察这一进展得到的关键结论。也存在与扩散系数DP的表观平方根反比的关系。但是，聚合物中驰豫时间1/Tp还取决于DP，抵销了对T1的总影响。这样只剩下溶解度成为确定T1时的决定性吸收特征。3He微泡驰豫需要考虑的问题在配制悬浮液混合物时，把超极化3He加入到至少三种不同的与接触有关的驰豫机理中与注射容器有关的参数如容器的大小、形状和材料(以及靠近密封和其他组分的材料)，与微泡相关的参数如大小、形状和材料，和注射流体材料。将在以后进一步讨论容器，但容器优选地由对极化有利的材料构成和形成。
通常来说，微泡起到装超极化3He的微小容器的作用。同样地，优选地以一种有效驰豫的方式将气体加入“泡”中。此外，微泡的结构优选地是使3He能在没有注射液的情况下，通过泡的外壁自由进入泡中。此外，泡优选地如此的装填，以致保持可增加3He量。为了最优化微泡可注射液的T1，本发明提供了几种可选择的适当材料结构，和当微泡构型与超级化3He有关时，与不同注射液及其优选的相关材料性质值相组合时多种微泡构型的装填方法。
此外，本技术领域的技术人员认识到，典型泡的壳或壁的厚度比临界长度范围LP(以后再定义和描述)薄得多。例如，对于硅氧烷来说，D＝4.1e-5厘米2/秒，TP＝4.5秒，而相关的长度范围是约100微米。相反地，典型泡的壁厚是要薄5-6个数量级(约100_)，因此在去极化分析中大大减少了泡壁的作用。因此，泡中3He的T1不比流体中3He的T1短，即它允许增加或改进获得图像的时间或离注射点更远端的目标成像区域。装填假设微泡呈球状，其半径为“R”，壳厚度是“Δx”的相关面积为“A”，进入微泡壳的气体的初始体积(Vg)由壳材料中的气体溶解度(S)、壳外的气体密度[G]0和壳容积(ΔxA)的乘积给出，那么Vg＝S[G]0ΔxA(2)这个气体体积渗透到内部所花的时间受到扩散的制约。在名义上，该时间由t＝(Δx2/D)给出。
因此，每单位时间渗透到壳内的气体体积表示为ddtVg=S[G]0DAΔx------(3)]]>更复杂的分析考虑到了气体在微泡内的积累，从而得到微分方程。由于泡内气体浓度增加，气体从外部的转移会减慢，会以充电电容器方式达到平衡。但是，不进行这一分析，就能很好地估计要花多少时间在泡内“装填”极化3He。这一装填时间描述为ddtVgtload=V------(4)]]>式中(V)是泡的内容积。因此，可以根据方程式(5)计算出超级化气体装入泡的时间tload=RΔx3S[G]0D------(5)]]>例如，假设R＝5微米＝5×10-4厘米，[G]0＝1amagat，氦的溶解度S≈0.01(对于大多数优选材料来说是有代表性的)，氦在LDPE中的扩散系数估计为D＝6.8×10-6平方厘米/秒，极薄壁Δx＝100_＝10-8厘米，扩散时间计算为合理的t≈2.5毫秒。对于更大厚度的壁来说，Δx＝1微米＝1.0×10-4厘米，装填时间增加到0.25秒，这个时间虽然还是慢，但已经相对好了。增加装填密度如图2所示，增加微泡混合物的T1的另一方法是增加装入微泡中的3He的密度或数量。能够通过增加制备容器的压力，从而强迫额外数量的3He进入微泡10而实现增加装填密度。极化3He在微泡10中密度增加能够延长溶液的有效T1。例如，逸出的3He能够起作平衡微泡周围溶液的作用，从而有助于使部分数量的保护/隔离的超极化3He留在泡内。增加装填密度的另一优点是增加微泡中3He的量能提供更大的信号强度。优选地，为了装填，微光球体定位在容器中，通过气密封将超极化气体引入容器内，容器30的压力增加到大于大气压力，优选地，约2-8个大气压，更优选地，超过8个大气压，更优选地超过约10个大气压，以产生更密的装填的泡。流体加入正如本技术领域的技术人员将认识到的那样，典型地，其结构(分子水平)允许分子3He进入的微泡通常也同样容易地允许它离开。因此，优选的是，一旦极化气体在泡内部，泡和/或液体混合物都能起到防止或抑制气体从泡内逸出的作用。在优选的实施方案中，溶液或混合物液体如此选择，以致如果超极化气体不从泡出来，它就接触对3He是低溶解度的液体，从而限制离开泡的3He总量。“低溶解度”包括3He溶解度(“S”)小于约0.01，优选地小于约0.008，更优选地小于约0.005的如此选择的溶液。
另外，对于以利于3He溶解在混合物中为目标的溶液来说，液体的选择使极化3He与其有高扩散系数。优选地，“高分散”表示扩散系数率高于1×10-6厘米2/秒，优选地高于约6×10-6厘米2/秒，更优选地至少约1.0×10-5厘米2/秒，特别优选地至少1.0×10-4平方厘米/秒。有利地，对于3He溶解于流体来说，通过选择对3He具有高扩散系数的流体，可以达到该溶液相对长的T1。
本发明认识到，通过优化微泡结构本身，以便提供在其中更快地运送3He，可以改进微泡注射制剂。优选地，使用选择具有3He低溶解度的表面接触材料配制主要量的泡，可提供改进的结构。在另一可选择的实施方案中，选择具有相对薄的壁和3He高扩散系数值的材料作为微泡材料，这使得3He更迅速地进入泡中。
优选地，这些泡的尺寸与结构为薄的泡壁厚度和小型化的微泡直径。正如这时所使用的，“薄”表示泡壁厚度小于约6微米，更优选地小于约1-2微米。“小型化的”包括微泡直径小于约10微米，优选地小于约8微米。小型化尺寸的泡对于灌注有关图像有利的，以使泡小于约8微米，以致它们能自由地进入和/或转接毛细作用。
参照图1，本发明的一个实施方案认识到，微泡10能够有利地由生理学上相容的材料构成，并且该材料具有笼状结构，其壁15能让超极化气体20更迅速地传送进微泡10。微泡壁15限定了开口15a，该开口的大小优选地稍大于3He。3He原子直径是约2-5_，因此微泡壁中的开口15a优选地大于2_。图1A图示说明了另一微泡实施方案，在该图中微泡10’具有笼状壁15’。
在操作中，如图2所示，3He 20和微泡10定位在有利极化的容器中，超极化3He 20自由地进入微泡中的一个或多个开口15a，直到达到基本平衡的状态。优选地，在增压(高于1个大气压)下单一剂量的输送时间(气体进入微泡所花的时间)低于1分钟。即，在优选的实施方案中，一些微泡加入合适制备的气密封容器中(第一)。然后容器中的压力升高到高于1个大气压，优选地到高于约2-8个大气压，更优选地高于8个大气压，更优选地高于约10个大气压。然后一些极化3He气体接着加入到容器中。压力有利于部分超极化3He进入泡结构。当然，也可在加入3He期间或其之后非常短的时间内(或者甚至在加入微泡之前增压，虽然这不是优选的)增加压力。优选地，当压力升高时，也向容器中注入液体。该液体升高的压力可以与微泡/超极化气体装填压力实际上相同，或较小。
同样如图2所示，在预定(相对短)输送时间(如上所述，典型地少于约1分钟，即至少一部分极化3He移动到泡结构所花的时间)之后，液体或流体40加入到容器30中。在一个优选的实施方案中，液体40优选地是流体对3He溶解度低(“S”小于约0.01，更优选地小于约0.008，特别优选地小于约0.005)。低溶解度有助于抑制极化衰变，优选地堵住微泡壁中的缝隙和开口，以抑制3He 20离开微泡。如图4所示，液体40围绕着微泡，因为3He基本上不溶于该流体，则3He 20因与液体40接触而被推开。此外，如图3所示，液体构成了微泡10的外壁41，从而有效地将3He 20“捕获”在微泡内。当然，如上所述，液体还可以选择成对3He具有高扩散系数的液体。无论如何，3He 20和微泡10连同溶液或流体混合物一起构成了可注射的制剂，该制剂优选地提供了可注射单一剂量的体积，该量是约5-50cc，优选地约15-30cc。
加入微泡/极化3He组合的液体的选择很重要。如上所述，由于气体可能从微泡出来，或者当它试图通过微泡壁扩散时接触流体，因此液体40要选择对超极化气体具有相对长的T1的液体。对于活体内应用来说，优选的是，注射液应选择无毒并且不对超极化气体进行去极化的液体。优选地，如上所述液体的选择使其具有低质子密度以及对3He的低溶解度。优选地，质子密度小于或等于约125摩尔/升，更优选地小于约120摩尔/升，特别优选地小于约115摩尔/升。更优选的是，对于具有相对高氧溶解度的液体来说，该液体要处理成与超极化气体更相容。例如，优选的是，在液体与超极化气体一起加入容器或输送容器之前，液体是至少部分地去氧和/或部分地去离子。更优选的是，液体应被消毒或基本上去氧和/或基本上去离子。也可对液体进行其他的改性或处理，使其更有利地极化。例如，可替代或氘化等液体的某些元素。
当然，还可以使用多种液体作为流体组分，如液体混合物或掺合物，不论其是混溶的或不相混溶的。试验表明水是合适的液体(优选地经过去氧处理)，以及D2O。水与3He相容，基本上不会对3He去极化。已知其他液体载体，如Pines等人的PCT/US97/05166所述的液体载体。
以前，如发明名称为“超极化惰性气体的提取方法、掩蔽方法与相关的输送容器(Hyperpolarized Noble Gas Extraction Methods，Masking Methods，And Associated Transport Containers)”的共同未决和共同转让的美国专利申请09/163,721所述，向250毫升容器的小室加入约20立方厘米经部分脱气处理的水，将容器中气体的有关T1由约8小时改变成约5小时。因此该申请的内容作为参考文献引入本文。
对于含有去氧水作为填充壁41的微泡混合物来说，这样的微泡混合物中的3He的T1估计值可用方程式1.10描述。为了估计，流体中的氦溶解度和质子密度都要确定。如Weathersby等人在“惰性气体在生物流体和组织中的溶解度(Solubility of inert gases inbiological fluids and tissues”(Undersea Biomedical Research7(4)，277-296(1980))中所述，氦在水中的溶解度为0.0098。水的质子密度是111摩尔/升(与LDPE的131.4相比)。因此，水的驰豫度与LDPE的驰豫度的比是(0.0098/0.006)(111/131)1/2＝1.5。已知LDPE的驰豫度是约0.0012厘米/分钟，水的驰豫度是约0.0018厘米/分钟。因此，为了得到T1的估计值，泡的体积除以表面积。对于8微米的泡来说，V/A是约2.7×10-4厘米，T1是约0.15分钟(9秒)。把泡的直径加倍为16微米能够把时间增加到18秒。使用D2O作为液体可提供约36秒的T1。
图6是制备可注射3He微泡溶液的优选方法框图。向容器(或气体储存小室)中加入一些微泡(框100)。优选地这些微泡直径是约10微米或更小(框102)。接下来，向容器中加入一些超极化3He气体(框110)。容器中的压力增加到大气压力之上(框120)，优选地增加到2-10个大气压(框122)。当然，可在加入3He之前增加压力，或者更优选地，在向容器加入3He之后或同时增加压力。
然后向容器中加入液体(或液体溶液或混合物)(框130)，优选地在预定的“输送”时间之后。优选地，预先选择具有一个或多个对3He溶解度低和对3He有高扩散系数的液体，并需要时经过去氧和/或去离子处理(框132)。该液体可在数量上进行限制(框134)和/或与另一数量的超极化气体进行预先混合(框136)。然后液体，以及微泡/3He一起组合或存在以形成可注射的微泡制剂(框140)。优选地，可注射的制剂呈使用的丸药形式，其大小为小于或等于约50cc(框142)。泡填充优选的是，为了把3He填充在“已装料的”微泡内，加入进有微泡/3He混合物的小室的液体的量限定为约等于或小于3He和微泡合并体积的体积。当液体体积减少时，基于该液体体积的信号强度可能增加，周围的3He更少稀释使得溶解度显得更小。例如，液体与气体/微泡的比为2比1或1比1或其更小，即20cc微泡、40cc3He和60cc液体将提供1-1的比。
另外，或额外地，在开始可向液体(经预混合)加入增加量的极化3He，以便通过在液体本身内提供至少残留量的3He来抑制3He从泡迁移的趋势。这样能够增加在溶液中的量，减少从微泡的流失。在向容器中的微泡混合物加入液体之前或同时，可向液体加入额外或“过剩的”3He。例如，对于含有约20cc微泡、20cc气体和少于约40cc流体的混合物来说，可向液体加入20cc3He(液体进入容器之前加入)，以形成合并的预混合液体，该液体然后加入到有3He和微泡的小室中。
换句话说，本发明认识到溶液的T1对泡在液体中的稀释很敏感。将加入到混合物中的液体减到最少，能够使液体混合物中的平衡差减到最少，这反过来应该减少了由于流失作用产生的去极化量。同样地，泡中将保持更大部分的3He。饱和相应于溶解度，根据本发明，它是约0.01(体积/体积)。
另外，或额外地，随先前加入的氦气量加入液体(即预混合溶液)也能减少合并混合物中的分压差，这也便于在泡中保持更大部分的3He。
这些“泡填充”方法，特别是使用低溶解度液体时，能够产生有更高T1的制剂。此外，使用氘化水作溶剂或液体(或作为其组分)还能有助于增加T1。
由于可注射微泡3He制剂具有较短的有效寿命，优选的是，相对于起动成像顺序，临时地使用迅速混合与输送系统，将制剂提供给对象。也就是说，药用级的活体内微泡制剂在现场混合，临时地在靠近或接近注射点，优选地在离注射时间约30秒内混合，更优选地，迅速和有效地在离注射时间约10秒内混合。
无论如何，在操作中，优选地预先或在通过在注射容器或输送途径(导管、注射器等)上的NMR线圈31注射的同时进行测量，以确认/确定溶液的极化水平，以使信号强度与输送的超极化溶液的极化水平相关联。
如图4所示，注射混合物45从混合室/输送容器30出来进入注射器70(图5B)，该注射器安置于与容器底部的阀门50呈可操作相连的口或隔膜上，以使以液体限制的混合物能够很容易地排出(借助重力)。还采用阀门50和51来控制容器压力。典型的阀包括Luer LokTM阀，如可从Konte KimblesTM公司买到这类玻璃阀门，也可使用本技术领域的技术人员已知的聚合物材料阀门。当然，也可采用其他抽取方法和设备，例如在上述共同未决和共同转让的专利申请中所描述的那些方法和设备。优选地，注射器70和任何O形环和与其邻近的阀门可用下面将进一步描述的有利极化的材料构成或涂布这种材料(至少是气体接触表面)。此外，容器和注射器和其他气体接触装置优选地制备成以除去顺磁性和磁性杂质和氧等，这在以后也会进一步描述。此外，如共同未决和共同转让的美国专利申请09/334,400所述，可利用毛细管和其他分离或隔离工具，将可能的去极化阀门组件与极化气体隔离，该申请内容作为参考文献引入。基于真空的方法在另一个微泡生产方法中，采用真空微泡配制方法。参考图5A和5B，可在真空下向抽空的(已清洁/准备好的)容器30加入一些微泡壳10。可向容器中加入一些气体3He 20(真空迫使气体进入容器)。微泡的抽空状态导致3He气体迅速地进入和/或填充微泡壳。接下来，将预先装满液体载体溶液(如去氧的流体、液体或水)的附属容器70，如注射器，注射到容器30中。可再次使容器30换向，以使如注射器70之类的附属容器反充以(优选地饱和)泡/极化3He/流体溶液。如图5B所示，经反充的注射器然后被脱开并插入安在对象上的导管中。另外，操作LUER LOKTM阀门系统，引导溶液向下流入导管中，从而注射。在操作中，真空优选地是至少50微米(毫乇)，更优选地到至少10微米。因此，抽空方法还能用于较迅速或快的混合与输送系统。容器容器的优选材料包括如Pyrex_之类的硅铝酸盐或构成超极化气体接触表面的材料，其中包括非磁性高纯度金属膜、高纯度金属氧化物、高纯度绝缘体或半导体(如高纯度硅)和聚合物。正如这里使用的，“高纯度”包括含有1ppm以下亚铁的或顺磁性杂质的材料，更优选含有约1ppb以下亚铁的或顺磁性杂质。在所述容器中使用的优选聚合物包括对超极化气体具有低溶解度的材料。为了本发明的目的，术语“聚合物”是广义的，包括均聚物、共聚物、三聚物等，还应包括其掺和物和混合物。术语“其掺和物和混合物”包括混溶或不混溶的掺和物和混合物。合适的材料实例包括(但不局限于)聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯)、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯、聚二烯、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚腈、纤维素、纤维素衍生物及其掺和物和混合物。更优选的是容器的涂层或表面含有高密度聚乙烯、约50％结晶度的聚丙烯、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺或纤维素及其掺和物和混合物。同样参见共同未决和共同转让的美国专利申请09/334,400，该申请内容作为参考文献引入。
当然，聚合物可以改性。例如使用卤素作为取代基，或者使聚合物呈氘化(或部分氘化)状态(用氘核替代氢质子)都能减少驰豫速率。本技术领域已知氘化方法。例如，在美国专利3,657,363、3,966,781和4,914,160描述了烃聚合物的氘化方法，这些专利公开内容作为参考文献引入本文。典型地，这些方法使用氘核催化取代质子。优选的氘化烃聚合物和共聚物包括氘化的链烷烃、聚烯烃等。这些的聚合物和共聚物等还可以是根据已知方法交联的。
更优选的是，聚合物基本上不含顺磁污染物或杂质，例如发色中心、自由电子、着色剂、其他降解填料等。应该选择任何使用的增塑剂或填料，以便使接触的或与离超极化惰性气体距离近的磁性杂质最少。
另外，在另一实施方案中，接触表面可由高纯度金属构成。高纯度金属可有利地提供相对于超极化惰性气体的低驰豫度/耐去极化的表面。
如上所述，这些材料中的任何一种都可用作在底层基质上的表面涂层，或作为材料层形成，以确定有利的接触表面。如果用作涂层，可通过本技术领域的技术人员已知的任何一些技术进行涂布(例如采用溶液涂布、化学蒸汽沉积、熔焊、粉末烧结等)。烃润滑脂也可用作涂层。储存容器或容器可是刚性的或是有弹性的。刚性容器可以用PyrexTM玻璃、铝、塑料、PVC等制成。有弹性的容器优选地用形成如可折叠的袋，例如可折叠的聚合物或金属薄膜袋。能提高抗氧性以及低溶解度的材料例如包括(但不限于)PET(聚对苯二甲酸乙烯酯)、PVDC(聚偏二氯乙烯)、TedlarTM(聚氟乙烯)、玻璃纸和聚丙烯腈。
优选地，注意保证那些接触超极化气体或与其离得相对近的所有零件、密封件等，都由对有利极化或基本上不会使超极化气体的极化状态降低的材料制成。例如，如上所述，许多市售的密封件包括氟聚合物或填料等，由于这些材料与超极化气体溶解作用，所以它们不能特别好地用来保存3He超极化气体。
由于许多普通的垫圈材料是氟聚合物，或者含有不合需要的填料，所以它们可能对气体有相当大的去极化影响。这对3He是特别有害的。这可归因于氦在大多数氟聚合物中具有较高的溶解度，这是由于大的氟原子造成聚合物中存在更大的空穴。实际上，预备试验表明，普通O形材料(如VitonTM、Kel-FTM、乙烯-丙烯、Buna-NTM和硅氧烷)具有比由纯聚合物驰豫度所预料的差得多的驰豫性。大多数常规O形环有如此的去极化性，以致他们支配了整个超极化气体小室的驰豫。实际上，对于129Xe，市售乙烯丙烯O形环的驰豫时间是纯LDPE驰豫时间的1/3-1/2。较快的驰豫速度可解释是，通过着色剂或填充料等这些材料把磁性杂质引入到O形环中。因此，优选的是，本发明容器采用的密封件、O形环、垫圈等是使用基本纯的(基本上不含有磁性杂质)烃材料，如那些含有聚烯烃的材料制成。合适的聚烯烃实例包括聚乙烯、聚丙烯及其共聚物和掺和物，这些聚烯烃经改性使其中使用的磁性掺杂填料含量最少。另外的合适密封件包括由聚乙烯等制成的烃润滑脂和烃垫圈和O形环。因此，如果使用阀来包容小室30内的气体，优选的是，用低磁性杂质(至少在表面)的O形环和/或用烃润滑脂结构。当然，因为采用了填料和增塑剂，因此优选的是，它们要选择能使磁性杂质减到最少的材料，一种优选材料是基本纯的炭黑。
在另一个实施方案中，如对容器表面所讨论的那样，O形环密封件呈以高纯度金属涂敷的暴露表面结构，同样地，O形环或密封件可涂敷或形成有厚度至少为“Lp”的聚合物外露层。例如，纯的聚乙烯层可定位在市售的O形环上。如上所述，一种优选的市售的用于129Xe的O形环材料是涂布TeflonTM的O形环或低驰豫度的聚合物。TeflonTM(尽管它是氟聚合物)中的空穴并不会像它们对3He的影响那样影响129Xe，因为129Xe比氟大得多，而氟比3He大得多。如前所述，氟聚合物可用作129Xe的密封件，但该密封件可能会接触超极化3He时，对于这种配置使用则不是优选的。
为了确定厚度“Lp”，其中层厚度(“Lth”) 至少与极化衰变长度范围(“Lp”)厚度相同，可根据下述方程式计算或测定特定材料品种的厚度Lp=TpDp------(6)]]>其中Tp是惰性气体在聚合物中的核自旋驰豫时间，Dp是惰性气体在聚合物中的扩散系数。例如，基本上纯的聚乙烯层可安置在市售的O形环上。另外，O形环或密封件可涂有如LDPE或氘化HDPE或其他低驰豫性材料的表面材料。对3He优选低于约0.0012厘米/分钟的驰豫度“γ”也是优选的。
当具有长的表面驰豫时间的袋用作容器时，其他驰豫机制可能变得重要了。一个最重要的附加驰豫机制是由于惰性气体与顺磁氧碰撞。因为氧具有磁矩，因此它能以与质子相同的方法使超极化气体松驰。考虑到这个问题，应该注意通过仔细预处理容器，如通过反复抽空和纯气体清洗程序，以减少储存容器中氧的含量。优选地，容器经过处理，以致氧浓度造成约T1为1000小时或以上。更优选地，容器经过处理，以获得氧浓度约6.3×10-6大气压或更少，或约10-7大气压或更少，甚至更优选地小于约1×10-10大气压。此外，抽空/清洗程序能包括加热容器或其他抽空或抽吸方法，以便另外便于除去任何残留的(单层)残量湿气或水。
优选地，混合容器/界面、注射器和导管在使用前预先制作，以便在使用时在气体注射地需要的准备减到最少。因此，如清洁、抽空、清洗组件之类的除去氧和顺磁性杂质的优选预处理或设备制作方法优选地在场外进行。制作/处理之后，预处理过的注射器可储存在医院，在惰性气体压力下或良性液体条件下待用。这种预先填充气体或流体的储存方法能使容器、注射器或组件脱气(来自材料基质的气体如氧能够迁移到接触表面上的小室中)的可能性减少到最小，并且也能使空气泄漏进容器减到最小。另外，或者除了预处理，加压的导管和输送容器(和/或注射器)可用止回阀或其他带阀门的口密封。在另一个方法中，真空封闭阀门能使导管和容器在真空下而不是在正压力下储存待用。
在存在磁场的情况下收集(以及储存、运输和优选地输送)超极化气体。对于3He来说，磁场优选地是至少5-30高斯，尽管更高的(均匀的)磁场也能使用。可由电磁或永久磁铁提供磁场。在实施方案中，由以约一个磁轭定位的多个永久磁铁提供磁场，它定位于收集到的超极化气体附近。优选地，磁场均匀保持在超极化气体周围，以使磁场导致的降解减到最小。
在操作中，本发明注射的超极化3He，甚至采用以已知的NMR光谱和成像方法探测的相对少量时也能提供信号强度。在优选的实施方案中，第二个量的3He通过吸入输送，这既允许灌注(基于注射)、也允许通气(基于吸入)MR图像或“VQ扫描”。因为激发/采集数据都使用3He，对于血管系统成像来说，通常使用单个NMR激发线圈(胸部线圈)就能得到两种信号。溶解氙此外，微泡可用作溶解机制，以有助于将氙溶解在液体中，而氙通常极难溶解进载体液体中。作为实例，提供了装有多个微泡的小瓶。接下来，将极化的129Xe加到瓶中。加入溶剂或液体混合物(优选地生理上相容，无毒和消过毒)，以提供最佳泡填充部分(即如上所讨论的有限量的液体)。另外，可增加液体的量，以提供稀释的液体混合物，从而使氙逸出泡以达到平衡。无论如何，氙迅速从微泡渗入液体中。优选地，在注射前，滤去或过滤掉泡，留下带有溶解氙的液体。有利地，微泡能起到有助于氙溶解于液体中的加速剂的作用，这在过去这是耗费时间并且是成问题的。
当然，因为优选地从溶解的氙中过滤出微泡，微泡的大小不受将其注射到活体内系统的限制。示范性的相容流体在Pines等人的PCT/US97/05166中描述过。药物评价尽管优选的是，可注射微泡制剂是药用级的活体内制剂(如无毒和已消毒的溶液)，它根据FDA标准(对于碱金属自旋交换超极化气体)以碱金属与超极化气体分离，本发明并不局限于此。实际上，采用新药物和药物治疗能够治疗许多疾病和针对许多疾病获得了快速进展。基于超极化气体的NMR光谱可以用于观察所用药物对机体生物化学所产生的影响，或者药物服用后药物所发生的变化。对于评价在体内有关所要求靶组织或器官疾病状态下的治疗或甚至化学过程，本发明可用于改进敏感度和有更高的分辨率信息。例如，可注射微泡溶液输送到动物或活体内目标，可以评价在肺部血管系统、心脏、大脑或其他组织、器官或系统中对功能或状态的进展或恢复/改善方面的治疗效果。
上文是对本发明的说明，但并不用来限制它。尽管描述了本发明的几个示范性实施方案，本技术领域的技术人员将很快理解，这些示范性实施方案实际上没有超出本发明新的内容和优点。因此，所有这样的修改都试图包括在如权利要求书所限定的本发明范围内。在权利要求书中，方法-加-功能条款在执行陈述功能时，试图覆盖这里所述的结构，并且不仅覆盖结构等效物，而且还覆盖等效结构。因此，应该理解，上文用于说明本发明，但不是对具体公开实施方案的限制，对公开的实施方案所作的修改以及其他实施方案，都应包括在内。
权利要求
1.一种生产活体内可注射超极化3He制剂的方法，它包括以下步骤(a)向小室中加入多个微泡；(b)将一些超极化3He导入有多个微泡的小室中；(c)在一定量超极化气体和微泡装入小室后，向小室导入一些液体；(d)使容器中的压力增加到一个大气压以上，和(e)让微泡和超极化3He与液体接触，由此生产出可注射的超极化3He微泡制剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述增压步骤包括把压力增加到2个大气压以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述增压步骤是在所述加入步骤之后进行的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述增压步骤包括把压力增加到至少约5-10个大气压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中液体的量基本上等于或小于微泡和超极化3He的合并体积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中小室中超极化3He的量大于液体的量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中小室中超极化3He的量是液体量的至少约两倍以上。
8.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括额外量的超极化3He与液体在所述加入步骤前预混合步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中微泡直径小于约10微米。
10.根据权利要求1所述的方法，其中液体含有氘化的液体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中液体含有基本去氧的水。
12.根据权利要求1所述的方法，其中液体是基本去离子的。
13.根据权利要求1所述的方法，其中液体含有D2O。
14.根据权利要求13所述的方法，其中液体含有低质子密度。
15.根据权利要求1所述的方法，其中液体对3He有低的溶解度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中液体对3He有高的扩散系数。
17.根据权利要求1所述的方法，其中在接近注射点临时进行所述步骤(b)到(e)。
18.根据权利要求1所述的方法，其中可注射制剂的大小小于约50cc。
19.根据权利要求18所述的方法，其中可注射制剂的大小是约15-30cc。
20.根据权利要求18所述的方法，其中可注射制剂的大小是约5-15cc。
21.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括在制剂后和接近输送处测量极化的步骤以确定极化水平。
22.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括基于检测通过可注射微泡超极化制剂活体内输送的超极化气体来获得NMR数据的步骤。
23.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括基于检测通过可注射微泡超极化制剂在活体内输送的超极化气体来获得NMR图像的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括通过吸入第二个量的超极化3He气体的输送步骤，其中MR图像包括与注射的和吸入的超极化3He气体相关的数据。
25.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括基于所述NMR探测步骤以分析对目标条件的药物治疗效力的步骤。
26.一种制备并接着在活体内注射极化气体3He的方法，该方法包括以下步骤(a)向容器中加入一些微泡；(b)将容器抽真空；(c)第一个量的超极化3He导入有微泡的抽空容器中；(d)第二个量的流体导入容器中，形成泡溶液；和(e)向被试者注射泡溶液。
27.根据权利要求26所述的方法，其中第二个量的流体含有基本去氧的流体。
28.根据权利要求26所述的方法，其中注射步骤包括把泡溶液输送到插入被试者血管中的导管中。
29.根据权利要求26所述的方法，其中在接近步骤(e)时临时进行步骤(b)到(d)。
30.根据权利要求26所述的方法，其中步骤(b)到(e)在小于约30秒以内进行。
31.根据权利要求26所述的方法，该方法还包括基于检测通过泡溶液输送给目标的超极化气体来获得NMR信号数据的步骤。
32.一种溶解气态超极化129Xe的方法，它包括以下步骤向小室中加入第一个量的泡；将第二个量的超极化129Xe导入小室中，以致至少部分129Xe接触微泡；溶解部分129Xe；和在输送给被试者之前，所有的微泡与129Xe基本分离。
33.一种在活体内可注射的药用流体超极化产品，它包括由第一种材料构成的第一个量的微泡；第二个量的超极化3He；和第三个量的液体载体溶液，其中第三个量小于或基本上等于第一和第二个量的和。
34.根据权利要求33所述的可注射药用产品，其中微泡直径小于约10微米。
35.根据权利要求33所述的可注射药用产品，其中所述第一、第二和第三个量的总和约为55cc。
36.根据权利要求35所述的可注射药用产品，其中所述流体载体溶液具有对3He有低溶解度和对3He有高扩散系数中的至少之一。
37.根据权利要求36所述的药用产品，与带有气体储存小室的容器相组合，其中所述小室由对3He有低溶解度的材料构成的壁界定。
38.根据权利要求37所述的药用产品，其中所述容器的结构能承受比一个大气压高一个或多个大气压的压力和低于一个大气压的压力。
39.根据权利要求38所述的药用产品，其中所述容器包括在操作上联用的NMR线圈。
全文摘要
增加可注射超极化
文档编号A61B5/055GK1337885SQ99815356
公开日2002年2月27日 申请日期1999年10月29日 优先权日1998年11月3日
发明者B·德里胡伊斯 申请人:医疗物理有限公司