普魯士藍(lán)納米粒子作為光聲成像造影劑的新用途
【專利摘要】本發(fā)明公開普魯士藍(lán)納米粒子的一種新用途，將其用作光聲成像的造影劑。該類材料包括實(shí)心、介孔和中空結(jié)構(gòu)，在波長為500-1300nm的近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收，是一種高效的近紅外光熱劑。使用普魯士藍(lán)納米粒子作為光聲成像的造影劑，其能有效增加近紅外激光對組織的穿透深度，具有顯著的造影增強(qiáng)效果。此外，普魯士藍(lán)是一種臨床藥物，具有很好的體內(nèi)生物安全性，其制備方法簡單、綠色、成本低，將其用于光聲成像造影劑具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】普魯士藍(lán)納米粒子作為光聲成像造影劑的新用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，具體涉及普魯士藍(lán)納米粒子作為光聲成像造影劑 的新用途。 技術(shù)背景
[0002] 近年來，光聲成像作為一種新興的非侵入性成像技術(shù)已受到廣泛關(guān)注，其原理是 通過測量生物組織吸收脈沖激光后產(chǎn)生的超聲波來進(jìn)行重構(gòu)成像。由于綜合了脈沖激光的 可選擇性和超聲檢測的高分辨率，光聲成像可以精確進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)和功能的成像。相對于 其它的光學(xué)成像技術(shù)，如共聚焦顯微鏡和光學(xué)相干斷層成像等，光聲成像能夠?qū)Ω畹慕M 織進(jìn)行高分辨率的成像。然而，光在穿過組織過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的吸收和散射效應(yīng)，入射激 光的強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)性的衰減，導(dǎo)致光聲成像的信噪比也呈現(xiàn)指數(shù)型的衰減。由于生物組 織在近紅外光區(qū)域內(nèi)沒有明顯的吸收，其對組織的穿透更深，所以近紅外激光作為光聲成 像的激發(fā)光源已越來越多被應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對更深層的組織進(jìn)行成像。然而體內(nèi)的一些發(fā) 色團(tuán)如血紅蛋白，對近紅外光的吸收很弱，導(dǎo)致形成的光聲信號強(qiáng)度也較弱，因此需要引入 在近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收的光聲成像造影劑來提高光聲成像的信噪比。
[0003] 目前文獻(xiàn)報(bào)道的光聲成像造影劑包括各種金納米結(jié)構(gòu)的粒子（Nano Lett.， 2004,4,1689 ;0pt. Express.，2010,18,8867 ;J. Biomed. Opt.，2009,14.)，碳納米管（恥七 Nanotechnol.，2008, 3, 557 ; J. Biomed. Opt. 2009,14,034018)，硫化銅納米粒子（ACSNano， 2012,6,7489)，雖然前期的研究證實(shí)這些納米粒子具有明顯的光聲成像增強(qiáng)效果，但它們 的生物安全性仍然沒有得到證實(shí)，此外它們的制備方法相對復(fù)雜，成本相對較高。
[0004] 普魯士藍(lán)是一種古老的藍(lán)色染料，其制備過程非常簡單、綠色，且成本低、價(jià)格便 宜、可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。同時(shí)在醫(yī)學(xué)上普魯士藍(lán)是一種解毒劑，可以用于治療某些重金屬中 毒，如鉈和銫，因此體內(nèi)生物安全性高。最為重要的是普魯士藍(lán)還是一種新型的近紅外光熱 治療轉(zhuǎn)換劑，和傳統(tǒng)的光熱治療劑相比，普魯士藍(lán)具有光熱轉(zhuǎn)換效率高、成本低和制備簡單 的優(yōu)點(diǎn)（Chemical Communications，2012,94,11567)。
[0005] 綜上所述，開發(fā)新型的、高效安全的光聲成像造影劑具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?；?于以上考慮，我們將普魯士藍(lán)納米粒子應(yīng)用于光聲成像，開發(fā)了一種新型的近紅外光聲成 像造影劑，該造影劑具有很高的生物安全性和穩(wěn)定性，具備很好的近紅外光吸收能力和光 聲成像增強(qiáng)效果，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供普魯士藍(lán)納米粒子作為光聲成像造影劑的新用途。
[0007] 為了證實(shí)本發(fā)明所述的普魯士藍(lán)納米粒子用于光聲成像造影劑的新用途，包括以 下實(shí)驗(yàn)步驟：
[0008] 1)實(shí)驗(yàn)裝置的搭置：實(shí)驗(yàn)中利用Q轉(zhuǎn)換的Nd:YAG激光（LS-2137/2, L0TIS TII， Minsk，Belarus)及泵浦可調(diào)節(jié) Ti 藍(lán)寶石激光（LT-2211A，L0TIS TII，Minsk，Belarus)來 作為激發(fā)光源產(chǎn)生光聲信號，并且通過毛玻璃使激光均勻化地照射到測試樣品上。實(shí)驗(yàn)中 選用脈沖頻率為10Hz的近紅外脈沖激光，并且控制照射在測試樣品表面的入射光的強(qiáng)度 低于10mJ cnT2。實(shí)驗(yàn)中使用2. 25MHz的不聚焦超聲探頭來檢測測試樣品產(chǎn)生的超聲信號。 為了減少超聲信號的衰減，測試樣品和探頭均浸沒在水槽中，并且利用步進(jìn)式馬達(dá)使超聲 探頭以半徑為12cm的圓圍繞測試樣品水平地轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置見附圖1。
[0009] 2)配制不同濃度的普魯士藍(lán)納米粒子（80μ g/mL，60y g/mL，40y g/mL，20y g/ mL，10yg/mL，0yg/mL)在一定波長近紅外脈沖激光照射下，通過步驟1)所述的裝置檢測 樣品光聲信號的產(chǎn)生能力。以此證明普魯士藍(lán)納米粒子具備作為光聲成像造影劑的潛力。
[0010] 3)體外光聲信號增強(qiáng)效果評價(jià)：將不同濃度（20μ g/mL，40y g/mL，60y g/mL， 80 μ g/mL和100 μ g/mL)的普魯士藍(lán)納米粒子加入到由瓊脂凝膠制成的仿體中，然后將此 仿體置于不同厚度雞胸肉下獲得不同濃度普魯士藍(lán)納米粒子的光聲斷層圖像，以此探討普 魯士藍(lán)納米粒子作為光聲造影劑的可能性以及其在近紅外光波長處有效的成像深度。
[0011] 4)體內(nèi)光聲信號增強(qiáng)效果評價(jià)：首先利用脫毛膏去除小鼠頭部上的體毛，在其頭 部上涂上超聲耦合劑減弱超聲信號的衰減。小鼠麻醉后將其頭部從水槽底部的缺口中突 出，注射普魯士藍(lán)納米粒子前，先對小鼠大腦皮質(zhì)進(jìn)行光聲成像。然后分別經(jīng)尾靜脈注射一 定體積和一定濃度的普魯士藍(lán)納米粒子，在不同的時(shí)間點(diǎn)對小鼠大腦皮質(zhì)進(jìn)行光聲成像。 觀察其對小鼠大腦皮質(zhì)的光聲成像增強(qiáng)效果。
[0012] 5)將步驟4)所得的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。計(jì)算當(dāng)給小鼠注射一定體積和一定 濃度的普魯士藍(lán)納米粒子后，在不同時(shí)間點(diǎn)小鼠腦部血管的光聲信號的變化情況，并與注 射普魯士藍(lán)納米粒子溶液之前做比較。
[0013] 在步驟1)中，所述的近紅外脈沖激光的波長范圍在500-1300nm之間，優(yōu)選765nm ; 在步驟2)中，所述普魯士藍(lán)納米粒子包括實(shí)心、介孔和中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)充物質(zhì)選自各類生 物相容性好的氣體、液體和固體物質(zhì)，粒徑范圍在2-10000mm之間；在步驟4)和步驟5)中， 所述普魯士藍(lán)納米粒子的注射體積在50-400 μ L之間，濃度范圍為2-20mg/mL ;在步驟5) 中，所述的不同時(shí)間點(diǎn)范圍在5分鐘到一周之間。
[0014] 同現(xiàn)有光聲成像造影劑相比較，本發(fā)明所述的普魯士藍(lán)納米粒子開發(fā)為新型的光 聲成像造影劑，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)普魯士藍(lán)納米粒子的制備方法簡單、綠色、成本低，并且大小可控，適合于大批 量生產(chǎn)。
[0016] (2)普魯士藍(lán)納米材料已應(yīng)用于臨床，具有很好的體內(nèi)生物安全性。
[0017] (3)普魯士藍(lán)納米粒子具有高效穩(wěn)定的近紅外光熱效應(yīng)，能高效穩(wěn)定的吸收近紅 外光，其光聲成像效果顯著，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明進(jìn)行體外含普魯士藍(lán)納米粒子凝膠的光聲成像的實(shí)驗(yàn)裝置圖；圖2 是本發(fā)明所述普魯士藍(lán)納米的透射電鏡（a)和紫外可見近紅外吸收光譜圖（b);圖3是普 魯士藍(lán)納米粒子的光聲信號強(qiáng)度隨濃度增加的變化曲線圖；圖4是含不同濃度普魯士藍(lán)納 米粒子凝膠（a)在不同雞肉層數(shù)厚度下的光聲成像圖，其中濃度①100 μ g/mL，②80 μ g/ 1111^，@6〇4 8/1]11^，@4〇4 8/1]11^，?2〇4 8/1]11^，雞肉層數(shù)厚度〇3)?0，（(3)?1.2〇11，（(1)? 2. 2cm，（e)?3. 4cm，（f)?4. 3cm ;圖5是靜脈注射普魯士藍(lán)納米粒子水溶液后小鼠腦部 的光聲成像隨著時(shí)間的變化圖：(a)注射前，（b)注射5分鐘后，（c)注射30分鐘后，（d)實(shí) 驗(yàn)所用小鼠的頭部圖片，（e)圖片b扣除圖片a背景后的光聲成像圖，（f)圖片c扣除圖片 a背景后的光聲成像圖；圖6是靜脈注射普魯士藍(lán)納米粒子水溶液后小鼠腦部的光聲信號 強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 通過以下【具體實(shí)施方式】將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] 實(shí)驗(yàn)裝置的搭置：實(shí)驗(yàn)中利用Q轉(zhuǎn)換的Nd:YAG激光（LS-2137/2, LOTIS TII， Minsk，Belarus)及泵浦可調(diào)節(jié) Ti 藍(lán)寶石激光（LT-2211A，LOTIS TII，Minsk，Belarus)來 作為激發(fā)光源產(chǎn)生光聲信號，并且通過毛玻璃使激光均勻化地照射到測試樣品上。實(shí)驗(yàn)中 選用脈沖頻率為10Hz的765nm近紅外脈沖激光，并且控制照射在測試樣品表面的入射光的 強(qiáng)度低于10mJ cnT2。實(shí)驗(yàn)中使用2. 25MHz的不聚焦超聲探頭來檢測測試樣品產(chǎn)生的超聲 信號。為了減少超聲信號的衰減，測試樣品和探頭均浸沒在水槽中，并且利用步進(jìn)式馬達(dá)使 超聲探頭以半徑為12cm的圓圍繞測試樣品水平地轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置見附圖1。
[0022] 實(shí)施例2
[0023] 普魯士藍(lán)納米粒子的制備：在100毫升的圓底燒瓶中，依次加入20毫升濃度 為1. OmM的FeCl3水溶液和0. 5mmol的檸檬酸，加熱至60°C后，往其中加入20毫升含有 0. 5mmol的檸檬酸的濃度為1. OmM的K4 [Fe (CN) 6]水溶液，60°C下攪拌20分鐘后，冷卻至室 溫，繼續(xù)攪拌30分鐘，離心分離提純。所得納米粒子的透射電鏡見附圖2a，粒徑約為40nm， 其吸收光譜顯示普魯士藍(lán)納米粒子在650-900nm波長范圍內(nèi)具有較強(qiáng)吸收（附圖2b)。
[0024] 實(shí)施例3
[0025] 配制不同濃度的普魯士藍(lán)納米粒子（80μ g/mL，60y g/mL，40y g/mL，20y g/mL, 10 μ g/mL，0 μ g/mL)在765nm脈沖激光照射下，通過實(shí)施例1的裝置檢測樣品光聲信號的產(chǎn) 生能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示普魯士藍(lán)納米粒子對765nm脈沖激光具有極好的響應(yīng)能力，并且產(chǎn) 生的光聲信號強(qiáng)度隨著普魯士藍(lán)納米粒子濃度的增加而呈現(xiàn)出線性的增加（附圖3)，以此 證明普魯士藍(lán)納米粒子具備作為光聲成像造影劑的潛力。
[0026] 實(shí)施例4
[0027] 體外光聲信號增強(qiáng)效果評價(jià)：將不同濃度（20 μ g/mL，40 μ g/mL，60 μ g/mL， 80μ g/mL和100μ g/mL)的普魯士藍(lán)納米粒子加入到由瓊脂凝膠制成的仿體中，然后將此 仿體置于不同厚度雞胸肉下獲得不同濃度普魯士藍(lán)納米粒子的光聲斷層圖像，以此探討普 魯士藍(lán)納米粒子作為光聲造影劑的可能性以及其在765nm波長處有效的成像深度（裝置見 附圖1)，實(shí)驗(yàn)過程中，光聲圖像信號利用頻率為2. 25MHz的超聲探頭進(jìn)行采集，得到普魯士 藍(lán)納米粒子置于雞胸肉厚度分別為0cm，1. 2cm，3. 4cm和4. 3cm的光聲斷層圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如附圖4所示，盡管隨著雞胸肉厚度的增加，近紅外光的強(qiáng)度由于光的散射等效應(yīng)大大降 低，但仿體中的普魯士藍(lán)納米粒子仍然清晰可見。體外仿體的光聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了普魯士 藍(lán)納米粒子作為潛在的光聲成像造影劑能夠顯著的增強(qiáng)組織的光聲信號，在非侵入性的檢 測深部生物組織方面有很好的應(yīng)用前景。
[0028] 實(shí)施例5
[0029] 體內(nèi)光聲信號增強(qiáng)效果評價(jià)：首先利用脫毛膏去除小鼠頭部上的體毛，在其頭部 涂上超聲耦合劑，以減弱成像過程中超聲信號的衰減。小鼠麻醉后將其頭部從水槽底部的 缺口中突出，注射普魯士藍(lán)納米粒子前，先對小鼠大腦皮質(zhì)進(jìn)行光聲成像。然后分別經(jīng)尾靜 脈注射200 μ L濃度為2mg/mL的普魯士藍(lán)納米粒子，在不同的時(shí)間點(diǎn)對小鼠大腦皮質(zhì)進(jìn)行 光聲成像。觀察其對小鼠大腦皮質(zhì)的光聲成像增強(qiáng)效果。由于血液中血紅蛋白在765nm處 的吸收較低，在注射普魯士藍(lán)納米粒子之前，小鼠大腦皮質(zhì)處血管的光聲信號比較弱（見 附圖5a)。如附圖5b所示，在注射普魯士藍(lán)納米粒子5min后，小鼠的腦部血管的光聲信號 得到了明顯的增強(qiáng)，表明在小鼠血管內(nèi)循環(huán)的普魯士藍(lán)納米粒子增強(qiáng)了小鼠腦部血管和腦 實(shí)質(zhì)的造影。實(shí)驗(yàn)中將注射粒子前后的光聲圖像進(jìn)行逐個(gè)像素的減法，獲得完全是由于普 魯士藍(lán)納米粒子對光聲信號的增強(qiáng)而形成的光聲圖像，更好的證明了普魯士藍(lán)納米粒子體 內(nèi)作為光聲成像造影劑的潛力（附圖5e)。而在注射普魯士藍(lán)納米粒子30min后，光聲信號 與注射前相比依然有顯著的增強(qiáng)（附圖5c，f)，結(jié)果表明普魯士藍(lán)納米粒子不僅具有優(yōu)異 的光聲成像性能，還具有較長的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，這就為普魯士藍(lán)納米粒子通過被動(dòng)靶向到 腫瘤部位提供了可能。
[0030] 實(shí)施例6
[0031] 將實(shí)施例5所得的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，結(jié)果如附圖6a所示。當(dāng)給小鼠注射普 魯士藍(lán)納米粒子（200μ L，2mg/mL)45min后，小鼠腦部血管的光聲信號達(dá)到最強(qiáng)，是注射粒 子前信號強(qiáng)度的3倍。即使注射完普魯士藍(lán)納米粒子60min后，光聲信號的衰減仍然比較 少。這與上述結(jié)果中表述的普魯士藍(lán)納米粒子增強(qiáng)大腦皮質(zhì)血管造影相符合。如附圖6b 所示，在血液中注射普魯士藍(lán)納米粒子后，光聲成像的對比噪聲比有了明顯的增加，大大提 高了光聲成像的分辨率。因此，普魯士藍(lán)納米粒子能夠作為一種優(yōu)良的光聲造影劑。
【權(quán)利要求】
1. 普魯士藍(lán)納米粒子的新用途，其特征在于：所述的普魯士藍(lán)納米粒子用于作為光聲 成像的造影劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的普魯士藍(lán)納米粒子的新用途，其特征在于：所述的普魯士藍(lán) 納米粒子在波長為500-1300nm的近紅外區(qū)域具有強(qiáng)吸收。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的普魯士藍(lán)納米粒子，其特征在于：所述的普魯士藍(lán)納米 粒子包括實(shí)心、介孔和中空普魯士藍(lán)納米粒子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的介孔或中空普魯士藍(lán)納米粒子，其特征在于：其內(nèi)部孔隙的 填充物質(zhì)包括各種具有良好生物相容性的氣體、液體和固體物質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1，2和3所述的普魯士藍(lán)納米粒子，其特征在于：所述的普魯士藍(lán)納 米粒子的粒徑范圍在2-10000nm之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的普魯士藍(lán)納米粒子用于光聲成像的新用途，其特征在于：成 像過程中所用激光的波長范圍在500-1300nm之間。
【文檔編號】A61K9/14GK104096242SQ201310119420
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】戴志飛, 梁曉龍, 李長輝, 鄧梓健, 井立佳, 黃毛毛, 李小達(dá) 申請人:北京大學(xué)