一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的应用
阅读说明：本技术 一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的应用 (Application of perfluoropentane-based laser response type molecular probe ) 是由 陈世桢 丘茂松 王瑞芳 孙献平 周欣 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的应用,该分子探针同时用于～(19)F和～(129)Xe双核MRI探测,利用实体瘤的高通透性和滞留效应,分子探针能够被动靶向肿瘤区域,用于肺癌的探测,而且在激光照射下,全氟戊烷发生相变,最终导致～(19)F和～(129)Xe MRI信号消失,从而实现激光响应的～(19)F和～(129)Xe MRI信号从“打开”转变为“关闭”状态,能够确证磁共振信号来源于分子探针,避免出现假阳性信号的出现,提高诊断的精确度。(The invention discloses an application of a perfluoropentane-based laser response type molecular probe, and the molecular probe is simultaneously used for 19 F and 129 xe dual-core MRI detection, utilizes the high permeability and retention effect of solid tumors, molecular probes can passively target tumor regions for lung cancer detection, and perfluoropentane undergoes phase change under laser irradiationUltimately lead to 19 F and 129 the Xe MRI signal disappears, and laser response is achieved 19 F and 129 the Xe MRI signal is converted from an 'on' state to an 'off' state, so that the magnetic resonance signal can be confirmed to be originated from the molecular probe, the occurrence of false positive signals is avoided, and the diagnosis accuracy is improved.)
技术领域
本发明属于核磁共振成像技术领域，具体涉及一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的应用。
背景技术
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)在肿瘤的诊断中占据重要地位，其具有高空间分辨率，无电离辐射的特点，软组织成像对比度良好。目前临床上常用的磁共振成像是基于水质子的成像，一方面受到正常组织背景信号的干扰，另一方面受到质子灵敏度较低的问题。此外，质子的造影剂分为T1和T2造影剂。T2造影剂一般为铁基的纳米材料，为负性造影，容易被体内内源性的铁或者血块之类的干扰物导致误判。T1造影剂主流是钆基造影剂，美国FDA已经发出警告，钆基造影剂容易引发肾源性系统纤维化，肝肾功能不全患者更加严重。基于此，开发无生物背景信号、且具有高灵敏度的分子探针对于肿瘤的诊断意义深远。
19F的核自旋为1/2，天然丰度为100％，在19F MRI过程中无需对19F同位素进行富集。19F最大的优点是无背景信号干扰，因人体或其他动物体内仅在牙齿和骨骼中存在微量的19F(低于10-6M)，固体的存在形式导致19F的横向弛豫时间很短，在磁共振信号检测过程中信号衰减过快，传统的核磁共振检测方法难以检测得到。129Xe是一种无毒无害的惰性气体，天然丰度为26.44％，自旋量子数I＝1/2，相比可用于NMR研究的同位素核131Xe具有更高的磁旋比，灵敏度更高，弛豫时间更长，更适合用于磁共振造影剂的研究，且经过激光超极化后的129Xe展现出超高的灵敏度。此外，结合化学交换饱和转移(Chemical ExchangeSaturation Transfer，CEST)技术能够进一步提高129Xe磁共振的灵敏度4～5个量级。
目前少有文献报道19F/129Xe双核MRI探针(ACS Appl.Bio Mater,2019,2,27-32)，整合19F和129Xe两者的优点，再结合CEST技术，发展智能响应型的19F/129Xe双核MRI探针，一方面能够获得肿瘤部位更丰富的信息，从更多的层面确证肿瘤的存在，另一方面能够进一步确定探针分子靶向肿瘤区域，提高诊断的精确度，对于肿瘤的早期、精确诊断具有重要意义。
发明内容
基于上述现有技术，本发明提供了一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探的应用，该分子探针同时用于19F和129Xe双核MRI探测，利用实体瘤的高通透性和滞留效应，分子探针能够被动靶向肿瘤区域，用于肺癌的探测，而且在激光照射下，全氟戊烷发生相变，最终导致19F和129Xe MRI信号消失，从而实现激光响应的19F和129Xe MRI信号从“打开”转变为“关闭”状态，能够确证磁共振信号来源于分子探针，避免出现假阳性信号的出现，提高诊断的精确度。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在制备磁共振成像剂中的应用。
进一步，所述的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针作为129Xe/19F双核MRI造影剂。
进一步，所述的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针为核壳壳结构，全氟戊烷为内核，聚吡咯为内壳层，牛血清白蛋白为外壳层。
与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：
1、该分子探针的制备方法相对简单，操作便捷，耗时相对较短，制备成本相对较低，进一步扩大了其在磁共振成型方面的应用前景。
2、该分子探针以全氟戊烷为内核，在全氟戊烷外依次包裹上聚吡咯和牛血清白蛋白，能够稳固地将全氟戊烷包裹在内部，确保了19F/129Xe MRI的测试。
3、在该分子探针中，全氟戊烷为低沸点氟化物，常温常压下沸点为29℃，本身能够用于19F MRI，且129Xe气体在全氟戊烷中溶解度较高，能够用于129Xe MRI，聚吡咯具有良好的光热转换性能，牛血清白蛋白用于改善分子探针的生物相容性。在激光照射前，该分子探针能够同时探测到19F和129Xe双核MRI信号，处于“打开”状态，在激光照射之后，聚吡咯的光热转换性能使得分子探针体系的温度上升，超过全氟戊烷的沸点29℃时，全氟戊烷发生相变，溶解在全氟戊烷中的129Xe也随着一起挥发，此时的19F和129Xe双核MRI信号均检测不到，处于“关闭”状态。
4、该分子探针通过乳化的方法将全氟戊烷超声成纳米乳，之后再进行包裹聚吡咯和牛血清白蛋白，能够保证足量的全氟戊烷包裹在探针内部，产生的19F MRI测试效果良好。
5、该分子探针的129Xe CEST效果良好，测得的129Xe交换速率较缓慢，很适合用于129Xe CEST探测。
6、该分子探针生物相容性好，水分散性好，适合用于活体MRI，在肿瘤的早期诊断方面具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的结构示意图。图2为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的TEM图。
图3为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的光热图谱。
图4为实施例制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针和牛血清白蛋白的SDS-PAGE凝胶电泳图。
图5为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的19F NMR图谱。
图6为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在不同浓度下的19FMRI图像。
图7为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在不同浓度的129XeCEST图谱。
图8为实施例1制备的空心介孔有机硅球装载全氟戊烷纳米材料的129Xe CEST图谱。
图9为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在不同饱和脉冲功率的129Xe CEST图谱。
图10为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的激光响应19F MRI信号变化图谱。
图11为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的激光响应129Xe MRI信号变化图谱。
图12为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在激光照射下的光热曲线及其对应的光热成像图。
图13为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在激光照射下的活体肺癌的1H MRI和19F MRI图像。
图14为实施例1制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在激光照射下的活体肺癌的光热曲线和对应的光热图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
取5mL质量分数为5％的聚乙烯醇水溶液，加入200μL全氟戊烷(PFP)，在冰浴下超声30min，得到混合液，将混合液缓慢滴入14mL的冰水中，滴加完成后加入1mL 0.8M的FeCl3溶液，搅拌30min后，加入28μL吡咯单体，在4℃条件下继续搅拌24h，使吡咯单体聚合成聚吡咯，之后加入200mg牛血清白蛋白(BSA)继续搅拌12h，反应完毕之后，将所得的混合产物用超纯水洗涤，再在转速2000rpm下离心10min，重复洗涤和离心三次，得到所述的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针，标记为[email protected]@BSA，将所得的[email protected]@BSA分散在无菌PBS中备用，记为[email protected]@BSA母液。
本实施例制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的结构示意图如图1所示，由图1可知，所制得的[email protected]@BSA的内核为全氟戊烷，内壳层为聚吡咯，外壳层为牛血清白蛋白。
将本实施例制备的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针用透射电子显微镜进行扫描，所得的TEM图如图2所示，由图2可知，所制得的[email protected]@BSA形态良好，为核-壳-壳结构，说明在全氟戊烷外成功包上了聚吡咯和牛血清白蛋白。为了进一步证明全氟戊烷表面包上的是聚吡咯和牛血清白蛋白，首先利用聚吡咯良好的光热转换性能，测试其光热效果，结果如图3所示，在功率密度为1W/cm2的808nm激光照射下，连续照射3min，不同质量浓度的分子探针溶液的最终温度随着分子探针[email protected]@BSA质量浓度的增大而增大，充分证实了聚吡咯良好的光热转换性能，说明包上了聚吡咯。其次，为了验证分子探针是否存在牛血清白蛋白，将分子探针[email protected]@BSA和牛血清白蛋白样品分别进行聚丙烯酰胺凝胶电泳实验，结果如图4所示，[email protected]@BSA与纯的牛血清白蛋白具有相似的电泳条带，两者电泳条带位置相同，因牛血清白蛋白浓度比较大，条带颜色显得更深，该实验证实了牛血清白蛋白成功包覆在了纳米材料[email protected]表面。
将本实施例制备的[email protected]@BSA进行19F NMR测试，对全氟戊烷进行定性分析，并加入三氟乙醇作为内标物进行定量分析，所得的19F NMR图谱如图5所示，由图5可知，所制得的[email protected]@BSA的19F NMR出现了与全氟戊烷相同的19F NMR信号峰，证实了本实施例制备的分子探针的内核为全氟戊烷(PFP)，同时根据内标物的浓度以及内标物与[email protected]@BSA在(-76.7ppm)特征峰的面积比，计算得到[email protected]@BSA母液中全氟戊烷的浓度为18mM。
将本实施例制备的[email protected]@BSA在不同浓度下进行19F MRI测试，所得的19F MRI图像如图6所示，由图6可知，随着分子探针[email protected]@BSA溶液中全氟戊烷浓度的增大，19F MRI信号强度逐渐增强。
将本实施例制备的[email protected]@BSA在不同浓度下进行129Xe CEST测试，所得的129XeCEST图谱如图7所示，由图7可知，随着分子探针[email protected]@BSA溶液中全氟戊烷浓度的增大，129Xe CEST信号强度逐渐增强。同时将空心介孔有机硅球装载全氟戊烷的纳米材料(博士论文：基于介孔有机氧化硅的肿瘤多模式成像及其引导下的增效治疗，作者：卢楠)进行129Xe CEST测试作为对照，结果如图8所示，空心介孔有机硅球装载全氟戊烷的纳米材料在70、80、100、120ppm处都可以测得129Xe CEST信号，其129Xe CEST信号非常不稳定，这主要是因为129Xe电子云对环境非常敏感，129Xe化学位移容易随周围环境的改变而发生改变，尤其对于低沸点全氟戊烷，分子运动比较剧烈，溶解在全氟戊烷中的129Xe CEST不易稳定，以此说明本专利得到稳定的129Xe CEST信号具有较大难度。将本实施例制备的[email protected]@BSA([email protected]@BSA母液)在不同饱和脉冲功率下进行129Xe CEST测试，所得的129Xe CEST图谱如图9所示，由图9可知，随着饱和脉冲功率的增强，129Xe CEST信号强度逐渐增强，经matlab软件计算，分子探针[email protected]@BSA的129Xe交换速率为365s-1，非常适合用于129Xe CEST探测。
试验一、本发明的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的激光响应19F和129Xe双核磁共振信号转变试验
一、激光响应的19F磁共振信号转变试验
试验方法：
1、将实施例1制备的[email protected]@BSA母液([email protected]@BSA母液中全氟戊烷的浓度为18mM)进行稀释，配制成全氟戊烷浓度为7mM的测试样品溶液；
2、将测试样品溶液在9.4T磁共振微成像系统进行19F MRI测试，将测试样品溶液加入核磁样品管中，连接好核磁样品管，放入核磁谱仪中，之后用近红外激光连续照射10min，再次对其进行19F MRI，观察激光照射之后19F MRI信号能否从“打开”转变为“关闭”状态，19FMRI测试选用RARE成像序列，TR为3000ms，TE为3ms，FOV大小为4.0×4.0cm，层厚选择40mm，矩阵大小设置为32×32，加速因子设为4，采样64次；
试验结果：
实施例1制备的[email protected]@BSA的激光响应19F MRI信号变化图谱如图10所示，从图10可以看出，激光照射前，分子探针[email protected]@BSA的19F MRI信号很亮，激光照射10min之后，19FMRI信号完全变暗，说明本发明的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在溶液层面实现了激光刺激响应的19F MRI信号从“打开”到“关闭”转变。
二、激光响应的129Xe磁共振信号转变试验
试验方法：
1、将实施例1制备的[email protected]@BSA母液([email protected]@BSA母液中全氟戊烷的浓度为18mM)进行稀释，配制成全氟戊烷浓度为7mM的测试样品溶液；
2、将测试样品溶液在9.4T磁共振微成像谱仪上进行129Xe CEST测试，将测试样品溶液加入核磁样品管中，打开129Xe超极化装置，加热30min至160℃，打开激光器，连接好核磁样品管，放入核磁谱仪中，将样品温度控制在25℃，调谐，匀场，通入超极化129Xe气体，进行信号采集，饱和照射功率6.5μT，照射时间5s，核磁样品管中的样品采完一次129Xe CEST谱数据之后，用808nm激光(功率密度为400mW/cm2)照射10min之后再次采集129Xe CEST谱数据，129Xe CEST谱的采集化学位移范围为60-220ppm，60-80ppm范围内每隔2ppm采集一个点，80-190ppm范围内每隔5ppm采集一个点，190-200ppm范围内每隔2ppm采集一个点，200-220ppm范围内每隔5ppm采集一个点。
试验结果：
实施例1制备的[email protected]@BSA的激光响应129Xe CEST信号变化图谱如图11所示，从图11可以看出，激光照射前，分子探针[email protected]@BSA的129Xe CEST信号非常强，CEST效果为62％，激光照射10min之后，对应72ppm位点处的129Xe CEST信号完全消失，说明本发明的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针在溶液层面也可实现激光刺激响应的129Xe CEST信号从“打开”到“关闭”转变。
实施例1制备的[email protected]@BSA在激光照射下的光热曲线和对应的光热成像图如图12所示，从图12中可以看出，经过激光照射10min之后，温度达到44.8℃，超过了全氟戊烷的沸点29℃，因而导致全氟戊烷发生相变，最终实现19F/129Xe双核磁共振信号从“打开”转变为“关闭”状态。
试验二、本发明的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针的活体肺癌19F MRI测试试验
试验方法：
1、将实施例1合成的[email protected]@BSA(根据实施例1制备的[email protected]@BSA母液的浓度进行配置)配制成全氟戊烷浓度为36mM的分子探针溶液；
2、培养肺癌A549细胞，培养液为MEM培养液(含体积分数10％小牛胚胎血清、体积分数1％盘尼西林-链霉素)，在37℃下培养，待细胞生长至培养皿约90％时，将肺癌A549细胞用胰酶消化，采用皮下注射的方式将消化下来的A549细胞注入blab/c裸鼠右后腿，生长20天左右获得肺癌的blab/c裸鼠模型；
3、将200μl分子探针溶液采用尾静脉注射的方式注射入肺癌模型裸鼠体内，于静脉注射24h之后进行MRI测试：1、进行1H MRI：选用RARE成像序列，TR为2500ms，TE为33ms，FOV大小为3.5×3.5cm，加速因子设为8；2、进行19F MRI：测试完第一次19F MRI之后，对肺癌区域施加808nm激光照射15min，激光功率密度为400mW/cm2，照射完毕之后再次进行19F MRI，观察肺癌区域的19F MRI信号是否会从“打开”转变到“关闭”的状态，活体19F MRI实验选用RARE成像序列，TR为4000ms，TE为3ms，FOV大小为4.32×4.32cm，加速因子设为4，采样128次；
测试结果：
肺癌肿瘤裸鼠尾静脉注射分子探针[email protected]@BSA 24h之后进行1H MRI和19F MRI，从图13可以看出，1H MRI能够明显观察到肿瘤的区域，对应的肿瘤区域，19F MRI展现出良好的成像效果，在对肿瘤区域施加808nm的激光照射15min之后，再次进行1H MRI和19F MRI，结果发现，肿瘤区域的19F MRI信号几乎完全消失，由此说明，本发明的基于全氟戊烷的激光响应型分子探针能够实现活体层面激光刺激响应的19F MRI信号由“打开”状态转变为“关闭”状态。
对激光照射的肿瘤区域进行热成像，结果如图14所示，激光照射15min之后，肿瘤区域的温度达到46.5℃，文献报道PFP在体内相对高压条件下的沸点在40-50℃范围内，而肿瘤区域激光照射后的温度也在此范围，能够实现PFP相变的活体肺癌19F MRI信号从“打开”转变为“关闭”状态。
上述结果表明，本发明的分子探针[email protected]@BSA能够用于活体肺癌的无背景19FMRI探测，同时能够在近红外激光的照射下实现19F MRI信号的转换，进一步确证19F MRI信号源自分子探针[email protected]@BSA，能够避免假阳性信号的出现，提高肿瘤诊断的精确度。