一种用于荧光‑磁共振双模态靶向生物成像的造影剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于荧光‑磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1：螯合剂和含Gd3+的化合物在水中反应得到Gd3+的螯合物溶液；步骤2：将柠檬酸和聚乙烯亚胺溶解在水中后，加入Gd3+的螯合物溶液，混合；步骤3：将步骤2中的混合物反复溶解和蒸干后，溶解蒸干后的产物，离心后取上清液在水中透析得到透析液，将透析液冻干后得到Gd掺杂碳点。同时，本发明还公开了一种用于荧光‑磁共振双模态靶向生物成像的造影剂，该造影剂绿色合成、钆含量低、易于表面官能化、有极高的纵向弛豫率和荧光量子产率、以及优良的生物相容性和血液相容性。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的技术领域，尤其涉及一种用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂及其制备方法。

背景技术

非侵入性分子成像技术能够在不损坏活体组织的前提下让细胞功能和分子反应过程可视化，使其在癌症的早期诊断和基础研究领域中得到广泛关注。目前，临床上存在多种非入侵分子成像方式，尽管每种成像方式都具备独立成像的能力，但各自都存在不足，这就使得仅依靠单一成像模式来进行准确迅速的数据采集变得困难。

同时中国专利申请CN201410012621.1公开了一种钆(Ш)-碳量子点和其制备方法以及其在磁共振-荧光双模态成像探针中的应用；具体为：1)将前驱体置于高温电阻炉中，以1～30℃/min的升温速率由室温升至200～450℃之间的某个温度，然后在该温度下保温0～5h，最后降至室温，得到热解产物；所述的前驱体为钆(Ш)螯合物或者为1份的氧化钆、氯化钆、硝酸钆或葡甲胺与1～5份钆(Ш)螯合物组成的混合物；2)将2份热解产物加入20～50份质量浓度为0.01～0.1mol/L的碱性溶液中，超声分散处理，得到悬浊液；3)将悬浊液经0.22～1μm的水性微孔滤膜抽滤，取滤液，得到含有钆(Ш)-碳量子点的滤液；4)将含有钆(Ш)-碳量子点的滤液透析，然后干燥至恒重，得到钆(Ш)-碳量子点。

该专利申请存在的问题在于：其采用的是高温煅烧的方法来制备掺杂Gd的碳点。高温煅烧的方法除了Gd的掺杂量特别高以外，还有以下缺陷：

Gd的掺杂量是不容易控制，而在本发明提出的液相均相反应体系中，可以容易的通过Gd螯合物使用量的调整以调整产物中Gd的掺杂量；

高温煅烧的方法获得的Gd掺杂碳点有更大的尺寸，表面是疏水的，因此在生理条件下，尤其是体内环境中非常容易聚集，而无法实现良好的成像效果

高温煅烧的方法获得的Gd掺杂碳点表面官能团不可控，使得进一步修饰靶向分子(例如叶酸)比较困难。

中国专利申请CN201410076719.3公开了一种碳包埋钆纳米磁共振成像造影剂的合成方法及应用，其具体为：1)将氯化钆与柠檬酸加入到水中，超声溶解10min，然后加入乙二胺并混合均匀，得到混合液；2)将上述混合液加入到聚四氟乙烯内胆中并套入反应釜内，放入烘箱中，在200℃下加热反应4小时，得到反应液；3)将上述反应液离心、透析并冷冻干燥，即可得到碳包埋钆纳米磁共振成像造影剂。

该专利存在的问题在于：虽然该专利申请是在液相体系中合成，但依然以下不足：

Gd的掺杂量高，而获得的纵向弛豫率低(纵向弛豫率是衡量一种MRI造影剂造影效果的最重要参数。虽然也优于现有的商业化产品，但远低于本发明所制备Gd掺杂碳点的纵向弛豫率)；

该方法获得产物的荧光量子产率远低于本发明所制备的Gd掺杂碳点(量子产率是衡量一种荧光物质的发光效率的最重要参数)；

综上所述，上述的技术存在的问题在于：如果要达到较好的造影效果，碳量子点中的钆含量较多，而钆毒性较大，因此本申请所要解决的技术问题是：如何在保持钆含量较低的情况下，提高MRI造影效果和保持优秀的荧光成像能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂及其制备方法，该造影剂绿色合成、易于表面官能化、优秀的光学性能和优良的生物相容性，同时钆含量低。

本发明的技术方案为：一种用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：螯合剂和含Gd³⁺的化合物在水中反应得到Gd³⁺的螯合物溶液；

步骤2：将柠檬酸和聚乙烯亚胺溶解在水中后，加入Gd³⁺的螯合物溶液，混合；

步骤3：将步骤2中的混合物反复溶解和蒸干后，溶解蒸干后的产物，离心后取上清液在水中透析得到透析液，将透析液冻干后得到Gd掺杂碳点。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，步骤3之后还包括：

步骤4：制备活化叶酸；

步骤5：将活化叶酸和Gd掺杂碳点在pH为10的水溶液体系中反应一段时间；

步骤6：将步骤5得到的溶液先在pH9.0～11.0，优选为pH＝10的溶液中透析，然后在纯水中透析，得到的透析液冻干后得到叶酸修饰Gd掺杂碳点。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的步骤1中，螯合剂为二乙基三胺五乙酸，含Gd³⁺的化合物为GdCl₃，GdCl₃和二乙基三胺五乙酸的质量比为1:1.3～2.6，优选为1:1.5，步骤1中的水的体积为10ml。

目前对Gd³⁺的螯合剂的研究仍然是MRI造影剂领域的研究热点，经常有各种不同性能的螯合剂的报导，但都依赖于各个实验室自行合成，不易获得。

目前能比较容易购买到的螯合剂主要是3种：DTPA(二乙基三胺五乙酸)、DOTA

(1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四乙酸)和D03A(1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7-三乙酸)。

含Gd³⁺的化合物主要可以有GdCl₃和Gd(NO₃)₃。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的步骤2中，柠檬酸、聚乙烯亚胺、Gd³⁺的螯合物溶液的比例为：1g：0.5g：5ml。如果各组分均折合成为重量比，柠檬酸与聚乙烯亚胺的比例为：10：4～8，优选为10:5；柠檬酸与Gd³⁺的螯合物的比例为：10：2～5，优选为10:3。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的聚乙烯亚胺的分子量为1800。

在本发明中，聚乙烯亚胺的分子量为1800仅为优选的方案，在实际应用中，聚乙烯亚胺的分子量根据重复单元个数的不同而不同，对应的，当聚乙烯亚胺的分子量变化时，对于一定的摩尔量的聚乙烯亚胺的重量也会发生相应的变化，因此对于聚乙烯亚胺的分子量的变化导致的柠檬酸与聚乙烯亚胺的比例的变化对于本领域技术人员来说是可以预期的。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的步骤3具体为：将步骤2中的混合物180℃条件下蒸干，然后加入1ml纯水溶解加热蒸干，重复溶解蒸干10次后将蒸干后的产物加入10ml纯水中冷却至室温，取上层液体离心后取上清液加入到透析袋中，置于纯水中透析5～10天，优选为7天，将透析后得到的透析液冻干得到Gd掺杂碳点。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的活化叶酸的制备方法为：

分别称取0.02g叶酸、0.02g二氯乙烷、0.02gN-羟基琥珀酰亚胺和100μL三乙胺用4mLDMSO二甲基亚砜溶解，在室温下搅拌15h，获得活化叶酸。

需要说明的是：活化叶酸中各参数进行适当的调整同样可以制备出活化叶酸，其在本领域中为常用的，对此不做过多限制。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的步骤5中，Gd掺杂碳点和活化叶酸的比例为0.1g：4ml，步骤5中的纯水的体积为19ml。

在上述的用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂的制备方法中，所述的步骤6具体为：将步骤5得到的溶液加进透析袋，先置于pH为10的NaOH水溶液中透析3天，再于纯水中透析3天，透析后获得的溶液冻干，获得叶酸修饰Gd掺杂碳点，固体粉末保存于干燥器中待用。

同时，本发明还公开了一种用于荧光-磁共振双模态靶向生物成像的造影剂，按照上述的方法制备得到。

本发明的有益效果如下：

本发明通过改进以降低钆在碳量子点中的总含量，同时增加材料表面的钆更有利于生物成像的实际应用。

具体来说，Gd先与DTPA螯合作用是提前将Gd通过配位键固定在DTPA中，避免在制备过程中Gd³⁺的损失；同时由于游离Gd³⁺具有极强的生物毒性，因此有效的螯合可以降低Gd³⁺的毒性。

聚乙烯亚胺具有丰富的氨基，在反应过程中作为表面钝化剂，其作用为：1、表面钝化可提高碳量子点的荧光量子产率，2、表面聚乙烯亚胺中氨基的存在有助于提高碳量子点的水溶性，3、表面氨基的存在也为后续的表面功能修饰提供所需的化学位点。

随着聚乙烯亚胺的加入，在加热反应过程中Gd-DTPA的羧基会与聚乙烯亚胺的氨基发生脱水缩合反应，因而被修饰在聚乙烯亚胺上；又由于聚乙烯亚胺具有较高水溶性，且本反应体系为水相，因此反应结束后修饰了Gd-DTPA的聚乙烯亚胺会保留在碳量子点表面，从而增加了材料表面的Gd含量。

反复蒸发溶解本质上是反复碳化的过程，通过这种方法可以在相对较低的温度(180℃)与较短的时间(30min)内将小分子碳化以制备成碳量子点。

本发明的活化叶酸的加入使本发明的Gd掺杂碳点具有靶向功能，具体来说，部分癌细胞的细胞膜上具有叶酸受体，叶酸可以与细胞表面的受体相结合而起到靶向试剂的作用，因此在碳量子点表面接枝活化叶酸可以赋予碳量子点靶向功能。

本发明通过上述的改进，提高了碳量子点表面的Gd，降低了碳量子点中间的Gd，由于磁共振纵向(T1)造影的增强来自于Gd与外环境中水质子的相互作用，从而提高水质子的纵向弛豫率(r1)，因此碳量子点外表面的Gd才真正起到提高T1造影效果的作用。于此同时，Gd并非人体所需元素且游离Gd³⁺具有极强的生物毒性。综上所述，降低碳量子点中间钆的总含量，尽可能让Gd固定在碳量子点外表面，可有效增加其MRI造影效率并降低其生物毒性。

另外，从工艺上来说，本发明的方法更为简单，相比于背景技术中的对比文件，本发明不涉及反应釜的使用，在开放式的反应条件下即可制备，反应条件较为宽松，仅仅需要加热板和烧杯即可完成合成，易于实现放大生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的不同造影剂的信号强度图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

Gd掺杂碳点(GCD)的制备：

A.DTPA-Gd的制备：分别称取0.45gDTPA(二乙基三胺五乙酸，螯合剂)和0.3gGdCl₃溶解于10mL纯水中，在40℃下搅拌反应3h，反应完成后回收待用；

B.在100mL烧杯中分别称取1.0g一水合柠檬酸(CA)和0.5g聚乙烯亚胺(PEI，分子量为1800)，加入5mL纯水溶解，再加入上述DTPA-Gd溶液5mL搅拌均匀；

C.将装有上述混合溶液的烧杯放置于加热板上，180℃加热至溶液临近蒸干，往烧杯中加入1mL纯水，继续加热至溶剂临近蒸干，重复加1mL纯水与蒸发至近干的操作步骤10次，得到棕黄色胶状物质；

D.将所得的棕黄色物质溶于10mL纯水中，冷却至室温，取上层液体于6000rpm离心20min，取上清液，加进透析袋(分子截流量为3500)，于纯水中透析7天，透析后获得的溶液冻干，得到产物GCD，保存于干燥器中。

在加热反应过程中Gd-DTPA的羧基会与聚乙烯亚胺的氨基发生脱水缩合反应，因而被修饰在聚乙烯亚胺上；又由于聚乙烯亚胺具有较高水溶性，且本反应体系为水相，因此反应结束后修饰了Gd-DTPA的聚乙烯亚胺会保留在碳量子点表面，从而增加了材料表面的Gd含量，同时也降低了Gd在碳量子点中间的含量。又由于磁共振纵向(T1)造影的增强来自于Gd与外环境中水质子的相互作用，从而提高水质子的纵向弛豫率(r1)，因此碳量子点外表面的Gd才真正起到提高T1造影效果的作用。

叶酸修饰Gd掺杂碳点(GCD-FA)具体步骤：

A.活化叶酸(FA)：分别称取0.02g叶酸、0.02gEDC(二氯乙烷)、0.02gNHS(N-羟基琥珀酰亚胺)和100μL三乙胺用4mLDMSO(二甲基亚砜)溶解，在室温下搅拌15h，获得活化叶酸；

B.称取0.1gGCD溶解于19mL纯水中，加入上述活化叶酸溶液4mL，用NaOH(2mM)调节混合溶液pH值为10，室温下搅拌反应24h；

C.将反应后的溶液加进透析袋(分子截流量为3500)，先置于pH≈10的NaOH水溶液中透析3天，再于纯水中透析3天，透析后获得的溶液冻干，获得GCD-FA，固体粉末保存于干燥器中待用。

实施例2

Gd掺杂碳点(GCD)的制备：

A.DTPA-Gd的制备：分别称取0.26gDTPA(二乙基三胺五乙酸，螯合剂)和0.2gGdCl₃溶解于10mL纯水中，在40℃下搅拌反应3h，反应完成后回收待用；

B.在100mL烧杯中分别称取1.0g一水合柠檬酸(CA)和0.4g聚乙烯亚胺(PEI，分子量为1800)，加入5mL纯水溶解，再加入上述DTPA-Gd溶液5mL搅拌均匀；

C.将装有上述混合溶液的烧杯放置于加热板上，180℃加热至溶液临近蒸干，往烧杯中加入1mL纯水，继续加热至溶剂临近蒸干，重复加1mL纯水与蒸发至近干的操作步骤10次，得到棕黄色胶状物质；

D.将所得的棕黄色物质溶于10mL纯水中，冷却至室温，取上层液体于6000rpm离心20min，取上清液，加进透析袋(分子截流量为3500)，于纯水中透析5天，透析后获得的溶液冻干，得到产物GCD，保存于干燥器中。

在加热反应过程中Gd-DTPA的羧基会与聚乙烯亚胺的氨基发生脱水缩合反应，因而被修饰在聚乙烯亚胺上；又由于聚乙烯亚胺具有较高水溶性，且本反应体系为水相，因此反应结束后修饰了Gd-DTPA的聚乙烯亚胺会保留在碳量子点表面，从而增加了材料表面的Gd含量，同时也降低了Gd在碳量子点中间的含量。又由于磁共振纵向(T1)造影的增强来自于Gd与外环境中水质子的相互作用，从而提高水质子的纵向弛豫率(r1)，因此碳量子点外表面的Gd才真正起到提高T1造影效果的作用。

叶酸修饰Gd掺杂碳点(GCD-FA)具体步骤：

A.活化叶酸(FA)：分别称取0.02g叶酸、0.02gEDC(二氯乙烷)、0.02gNHS(N-羟基琥珀酰亚胺)和100μL三乙胺用4mLDMSO(二甲基亚砜)溶解，在室温下搅拌15h，获得活化叶酸；

B.称取0.1gGCD溶解于19mL纯水中，加入上述活化叶酸溶液4mL，用NaOH(2mM)调节混合溶液pH值为9.0，室温下搅拌反应24h；

C.将反应后的溶液加进透析袋(分子截流量为3500)，先置于pH9.0的NaOH水溶液中透析3天，再于纯水中透析3天，透析后获得的溶液冻干，获得GCD-FA，固体粉末保存于干燥器中待用。

实施例3

Gd掺杂碳点(GCD)的制备：

A.DTPA-Gd的制备：分别称取1.3gDTPA(二乙基三胺五乙酸，螯合剂)和0.5gGdCl₃溶解于10mL纯水中，在40℃下搅拌反应3h，反应完成后回收待用；

B.在100mL烧杯中分别称取1.0g一水合柠檬酸(CA)和0.8g聚乙烯亚胺(PEI，分子量为1800)，加入5mL纯水溶解，再加入上述DTPA-Gd溶液5mL搅拌均匀；

C.将装有上述混合溶液的烧杯放置于加热板上，180℃加热至溶液临近蒸干，往烧杯中加入1mL纯水，继续加热至溶剂临近蒸干，重复加1mL纯水与蒸发至近干的操作步骤10次，得到棕黄色胶状物质；

D.将所得的棕黄色物质溶于10mL纯水中，冷却至室温，取上层液体于6000rpm离心20min，取上清液，加进透析袋(分子截流量为3500)，于纯水中透析10天，透析后获得的溶液冻干，得到产物GCD，保存于干燥器中。

在加热反应过程中Gd-DTPA的羧基会与聚乙烯亚胺的氨基发生脱水缩合反应，因而被修饰在聚乙烯亚胺上；又由于聚乙烯亚胺具有较高水溶性，且本反应体系为水相，因此反应结束后修饰了Gd-DTPA的聚乙烯亚胺会保留在碳量子点表面，从而增加了材料表面的Gd含量，同时也降低了Gd在碳量子点中间的含量。又由于磁共振纵向(T1)造影的增强来自于Gd与外环境中水质子的相互作用，从而提高水质子的纵向弛豫率(r1)，因此碳量子点外表面的Gd才真正起到提高T1造影效果的作用。

叶酸修饰Gd掺杂碳点(GCD-FA)具体步骤：

A.活化叶酸(FA)：分别称取0.02g叶酸、0.02gEDC(二氯乙烷)、0.02gNHS(N-羟基琥珀酰亚胺)和100μL三乙胺用4mLDMSO(二甲基亚砜)溶解，在室温下搅拌15h，获得活化叶酸；

B.称取0.1gGCD溶解于19mL纯水中，加入上述活化叶酸溶液4mL，用NaOH(2mM)调节混合溶液pH值为11.0，室温下搅拌反应24h；

C.将反应后的溶液加进透析袋(分子截流量为3500)，先置于pH11.0的NaOH水溶液中透析3天，再于纯水中透析3天，透析后获得的溶液冻干，获得GCD-FA，固体粉末保存于干燥器中待用。

本发明所制备的GCD具有较好的水溶性、较强荧光和较高的磁共振弛豫率，并且生物毒性较低。在体外弛豫率表征和细胞成像实验中可以展示出其荧光成像的高灵敏度和MRI的高空间分辨率，为其在生物和临床领域的实际应用创造了机会。

浓度梯度相同四种对比剂弛豫率结果

浓度梯度相同T1图显示梯度浓度下四种对比剂信号强度随浓度升高而增强；相同浓度下基于碳量子点(GCD)对比剂信号强于其它三种商品化对比剂(图1)。浓度梯度相同T1-map和T1-map伪彩图显示相同浓度下基于碳量子点(GCD)对比剂信号有别于其它三种商品化对比剂，而三种商品化对比剂信号区别不大。三种商品化对比剂由上而下分别为康臣、加乐显、北陆，本发明的造影剂GCD(实施例1)为最后一行。

下表1列出了浓度梯度相同四种对比剂的弛豫率斜率

表1浓度梯度相同四种对比剂的弛豫率斜率(单位：mM^-1s^-1)

采用磁共振T1-map序列对该新型对比剂和三种商品化对比剂进行扫描，比较它们在弛豫率方面的不同。结果显示这种新型基于碳量子点的含钆对比剂弛豫率是三种商品化对比剂弛豫率的10倍，可以推断在达到相同造影信号的条件下该新型对比剂用量会降低至十分之一，对比剂用量减少可以降低对比剂肾病的发生率，因此此新型对比剂研制具有实际应用价值。

在小鼠体内评价基于碳量子点含钆对比剂和商品化含钆对比剂增强效果，常规T1扫描还是灌注扫描均显示基于碳量子点含钆对比剂(GCD)增强效果优于商品化含钆对比剂(Gd-DTPA)。

且实施例1所制备的GCD的绝对荧光量子产率达到40％，远高于现有技术所制备的荧光-磁共振双模态生物成像造影剂的量子产率(通常为8％-20％)，使本发明同时具有应用于临床上荧光定位病灶部位引导手术和免疫荧光病理的潜力和前景。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。