CN105792854B - 体内活性物质成像 - Google Patents

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Abstract

本发明的特征为以下方法，其包括：向受试者给予包含颗粒的组合物，其中所述颗粒的每一个的特征为具有至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团和至少一种与受试者中的活性氧簇发生化学反应的反应基团，且其中当反应发生时该颗粒发光；检测源自该颗粒的光发射；和显示该受试者的图像，其基于检测的光显示受试者中的至少一些活性氧簇的位置。

Description

体内活性物质成像
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年9月18日提交的美国专利申请14/030,428的优先权，其整个内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及活性氧簇的成像，包括在活体受试者中成像。
背景技术
活性氧簇(ROS)牵涉多种生物功能。例如，ROS的细胞内变化可通过靶蛋白中的巯基氧化影响细胞信号转导，导致影响蛋白质的结构-功能性质的变化。被ROS氧化也被归因于活化激酶和抑制磷酸酶，导致磷酸化级联的增强。由于ROS的氧化引起的构象变化也可导致蛋白质稳定性、蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA的相互作用、和亚细胞定位的变化。其中ROS起作用的氧化还原调节已被归因于多种信号转导途径且可影响细胞响应如转录调节、增殖、迁移、代谢、存活和炎症响应。
发明内容
细胞中的氧化还原信号转导取决于ROS的体内产生和过量ROS被细胞内抗氧化剂物质的清除之间的平衡。ROS来源包括NADPH氧化酶和线粒体(例如，线粒体电子传递链)。NADPH氧化酶产生超氧化物(O2 -)，其迅速被超氧化物歧化酶转化为过氧化氢(H2O2)。当受试者被某些病理生理条件如癌症和炎性疾病影响时，异常氧化还原信号转导常常伴随其它疾病症状。异常氧化还原信号转导又可能是ROS产生和ROS被抗氧化剂物质清除之间平衡的破坏。特别是，ROS在疾病组织中的产生的增加和/或抗氧化剂物质(如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧还蛋白、过氧化物氧化还原酶和/或谷胱甘肽家族)的产生的减少，可导致这些不平衡。因此，ROS的体内定位和定量对于鉴定多种癌症和炎症疾病可提供重要的诊断信息。
通常，在第一方面，本发明的特征为以下方法，其包括：向受试者给予包含颗粒的组合物，其中所述颗粒的每一个的特征为至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团和至少一种与受试者中的活性氧簇发生化学反应的反应基团，且其中当反应发生时该颗粒发光；检测源自颗粒的光发射；和显示该受试者的图像，其基于检测的光显示受试者中的至少一些活性氧簇的位置。
该方法的实施方案可包括以下特征的任何一个或多个。
给予该组合物可包括在受试者体内注射所述颗粒。该受试者可为活体人。该受试者可为活体哺乳动物(例如，小鼠、大鼠)。该受试者可为活体鸟、活体两栖动物或活体鱼。
该方法可包括在波长为500nm以上检测光发射(例如，600nm以上，700nm以上)。该方法可包括基于源自该受试者的未过滤的发射辐射显示该受试者的图像，其中未过滤的发射辐射包括光发射。
该至少一种靶向基团可包括至少一种抗体。该活性氧簇可包括单线态氧和/或羟基自由基(hydroxide radical)和/或次氯酸和/或超氧自由基和/或一氧化氮和/或过氧化氢。
所述颗粒的第一亚群的每一个可包括第一靶向基团和第一反应基团，且所述颗粒的第二亚群的每一个可包括第二靶向基团和第二反应基团，其中该第一靶向基团和第二靶向基团不同。该第一靶向基团和第二靶向基团可结合至受试者中的不同结构实体。该第一靶向基团和第二靶向基团可包括不同抗体。
所述颗粒的第一亚群的每一个可在第一中心波长发光，且所述颗粒的第二亚群的每一个可在不同于所述第一中心波长的第二中心波长发光。该第一和第二中心波长的每一个可大于500nm。
该第一反应基团和第二反应基团可相同。
该方法的实施方案也可按需要包括任意组合的本文公开的其他特征或步骤的任一个。
在另一方面，本发明的特征为组合物，其包含悬浮介质和多个颗粒，其中该多个颗粒的每一个的特征为:核，其包含至少一种与受试者中的活性氧簇发生化学反应的反应基团和至少一种发光剂，该发光剂响应于至少一种反应基团的反应而发光；第一包覆材料，其包裹该核；和第二包覆材料，其包裹该第一包覆材料且包含至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团。
该组合物的实施方案可包括以下特征的任何一个或多个。
所述核可包括胶乳和聚苯乙烯的至少一种。该第一包覆材料可包括氨基葡聚糖且该第二包覆材料可包括葡聚糖醛。
该至少一种靶向基团可包括至少一种抗体。该至少一种发光剂可包括至少一种镧系元素。该至少一种镧系元素可包括铕和铽的至少一种。该至少一种反应基团可包括氧硫杂环己烯(thioxene)或氧硫杂环己烯衍生物。
该多个颗粒可包括:颗粒的第一亚群，其特征为第一靶向基团、第一发光剂和第一反应基团；和颗粒的第二亚群，其特征为第二靶向基团、第二发光剂和第二反应基团，其中该第一靶向基团和第二靶向基团不同。该第一靶向基团和第二靶向基团可包括不同抗体。
该第一发光剂和第二发光剂可不同。该第一发光剂和第二发光剂可包括不同镧系元素。
本文公开的任意一种或多种组合物可被包含在试剂盒中以用于成像活体受试者中的活性氧簇。该活性氧簇可包括至少一种选自以下的成分：单线态氧、羟基自由基、次氯酸、超氧自由基、一氧化氮和过氧化氢。
该组合物的实施方案也可按需要包括任意组合的本文公开的任一其它特征的任一个。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员公知的含义。尽管类似或等同于本文所述那些的方法和材料可在本文主题的实践或测试中使用，但合适的方法和材料在以下描述。本文所述的所有出版物、专利申请、专利和其它文献以其整体引入作为参考。若有矛盾，本说明书(包括定义)将占主导。此外，这些材料、方法和实例仅为解释性的，而非用来限制。
一个或多个实施方案的详情在附图和以下描述中阐述。其它特征和优点根据说明书、附图和权利要求将是显而易见的。
附图说明
图1为用于体内检测活性物质的颗粒的示意图。
图2为试剂盒的示意图，其包含用于体内检测活性物质的颗粒。
图3为显示通过多个颗粒在体外检测到的活性氧簇的发光信号的图。
图4为一系列图像，其显示在两组鼠类受试者中测量的对应于活性氧簇的发光信号。
图5A为一系列图像，其显示从与图4相同的鼠类受试者测量的发光信号，经1小时的时间获得。
图5B为显示与图4相同的鼠类受试者从肺组织测量的发光信号的图。
图5C为显示与图4相同的鼠类受试者从肝组织测量的发光信号的图。
图6A为一系列图像，其显示在两组鼠类受试者中测量的来自抗体-缀合的颗粒的发光信号。
图6B显示与图6A相同的鼠类受试者在两个不同时间测量的发光信号。
图7A为一系列图像，其显示在两组鼠类受试者中测量的来自抗体-缀合的颗粒的发光信号。
图7B为显示与图7A相同的鼠类受试者从肺和肝组织测量的发光信号的图。
图8A为一系列图像，其显示在禁食和非禁食鼠类受试者中测量的来自抗体-缀合的颗粒的发光信号。
图8B为显示与图8A相同的鼠类受试者从肺和肝组织测量的发光信号的图。
图9A为一组图像，其显示在一组鼠类受试者中来自具有铽或铕发光剂的颗粒的发光信号。
图9B和9C显示与图9A相同的鼠类受试者分别从左和右大腿测量的发光信号。
图10为C-28氧硫杂环己烯染料的化学结构的示意图。
图11为螯合的镧系元素(如铕或铽)的化学结构的示意图。
图12为可用于螯合镧系元素的二酮(di-ketonate)配体的实例的化学结构示意图。
图13为可用于螯合镧系元素的菲咯啉配体的实例的化学结构示意图。
各附图中类似参考符号指示类似的成分。
发明详述
活性氧簇(ROS)已使用不同类型的颗粒组合检测。特别是，供体和受体珠子的组合已被用作体外ROS传感器。通常，通过分析物使供体和受体珠子接近成为夹心，其中在致敏物的波长使供体颗粒发光产生了单线态氧或其它ROS。由此产生的ROS与受体珠子中的富电子烯烃或活性氧传感器化学反应，该受体珠子在反应后发光。从该受体珠子发射的光可以FRET方式转移至合适的受体，其可在面板读出器中成像或读数。
通常，该受体珠子仅能在有限距离感应ROS，因为ROS在其约2微秒的寿命内迅速衰变。例如，单线态氧在其衰变之前通常仅穿过约200nm的距离。因此，受体珠子被供体珠子的有效激发通常在当受体和供体珠子靠得较近时(例如，几百纳米之内)发生。而且，使用供体和受体珠子可在组织中产生自发荧光。自发荧光通常观察为较宽的可见波长带范围内的光发射。自发荧光作为背景信号，针对其区分了指示ROS存在的来自受体珠子的荧光发射信号。
本发明的特征为不包含供体和受体珠子的颗粒组合物，其用于体内检测和成像ROS。相反，本文公开组合物中的颗粒的特征为结合至受试者体内的结构实体的靶向基团，与ROS反应以产生辐射的反应基团，和吸收该产生的辐射且发光的发光剂。该发光可被检测(例如，成像)以显示受试者体内ROS的空间定位和定量。
出于本发明的目的，活性氧簇(ROS)包括单线态氧、羟基自由基、次氯酸、超氧自由基、一氧化氮、过氧化氢和其它通过氧化酶(如髓过氧化物酶和辣根过氧化物酶)介导的产物。
图1为颗粒100的示意图，其包含核102、第一包覆材料104和第二包覆材料106。颗粒100在受试者体内与ROS反应且发光。核102通常对应于由一种或多种生物相容的材料形成的珠。在一些实施方案中，例如，核102可由胶乳、聚苯乙烯、丙烯酸、酰胺和其它携带可聚合(例如在乳化条件下)的不饱和基团(如烯属和/或炔属基团)的材料。
第一包覆材料104和第二包覆材料106通常各自包括一种或多种多糖。通常，多种不同的多糖可单独或组合使用以形成包覆材料104和106。出于本发明的目的，可用于形成包覆材料104和106的合适的多糖包括，包含三个或更多个未修饰或修饰的单糖单元的碳水化合物，例如，葡聚糖、淀粉、糖原、菊粉、果聚糖、甘露聚糖、琼脂糖、半乳聚糖、羧基葡聚糖和/或氨基葡聚糖。多糖的实例包括，但不限于，葡聚糖、淀粉、糖原、聚核糖及其功能化衍生物。
核102也包含与一个或多个ROS反应的至少一种反应基团以产生辐射。通常，多种不同材料可被用作核102中的反应基团。合适的反应基团的实例包括氧硫杂环己烯衍生物，二氧杂环丁烷、二烯和芳族化合物中的富电子烯烃，它们作为分离的物质或与受体染料部分(moiety)缀合。反应基团进一步公开于以下美国专利，其整个内容在此引入作为参考:6,406,913；6,692,975；6,916,667；和6,406,667。
核102也包含至少一种发光剂。该至少一种发光剂吸收反应基团发射的辐射，且发光。通常，该发射的光的中心波长大于吸收的辐射的中心波长，其中中心波长是指吸收或发射的辐射分布的半高宽的中心。例如，在一些实施方案中，发射的光的中心波长为500nm以上(例如，550nm以上，600nm以上，650nm以上，700nm以上，750nm以上，800nm以上，850nm以上)。
多种不同发光剂可用于核102。在一些实施方案中，例如，该发光剂可包括一种或多种镧系元素(例如，镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的一种或多种)。在这些元素中，铕和铽特别有利于用作发光剂。
第二包覆材料106包含至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团。受试者中的结构实体通常包括蛋白质、抗体、核酸、适体、抗体的截短形式(如Fabs、cysbodies和双抗体(diabodies))，以及其它感兴趣的化学结构部分。被至少一种靶向基团靶向的结构实体包括，但不限于，聚(氨基酸)(即，多肽和蛋白质)、多糖、核酸及其组合。这些组合包括细胞组分，如染色体、基因、线粒体、细胞核和细胞膜。通常，该聚(氨基酸)的分子量为5,000至5,000,000道尔顿。结构实体也可包括寡核苷酸和多核苷酸，如m-RNA、r-RNA、t-RNA、DNA(双链("ds")或单链("ss"))、RNA(ds或ss)、DNA-RNA二倍体等。“寡核苷酸”为包括合成多核苷酸的单链多核苷酸。寡核苷酸通常包括10至100个核苷酸的序列。“多核苷酸”为化合物或组合物，其为在自然状态具有约50至500,000或更多核苷酸的聚合核苷酸。多核苷酸包括任何来源的核酸，如DNA(dsDNA和ssDNA)和RNA(dsRNA和ssRNA)、t-RNA、m-RNA、r-RNA、线粒体DNA和RNA、叶绿体DNA和RNA、DNA-RNA杂交体和/或其混合物、生物材料的基因、染色体、质粒和基因组。
结合至结构实体的靶向基团包括含结构特征或区域的基团，该结构特征或区域特异性结合至受试者中的一种或多种结构实体，且因此与其互补。多种不同靶向基团可存在于第二包覆材料106，包括一种或多种天然存在的和/或合成的分子，例如，甲状腺素结合球蛋白、类固醇-结合蛋白质、抗体、抗体的Fab片段或其它抗原-结合片段、酶、凝集素、核酸、抑制子、寡核苷酸、蛋白质A、蛋白质G、抗生物素蛋白、抗生蛋白链菌素、生物素、补体成分C1q、DNA结合蛋白、和RNA结合蛋白。该靶向基团可为免疫性对(immunological pair)的成员(联合受试者中的结构实体)，所述免疫性对如抗原-抗体或半抗原抗体、操纵子-抑制子、核酸酶-核苷酸、生物素-抗生物素蛋白、凝集素-多糖、类固醇-类固醇结合蛋白、药物-药物受体、激素-激素受体、酶-底物、IgG-蛋白质A和/或寡-或多核苷酸-互补的寡-或多核苷酸。
通常，第一包覆材料104和第二包覆材料106之一包括胺官能团，且另一包覆材料包括胺-反应性官能团。例如，第一包覆材料104的多糖可通过核的胺-反应性官能团(即羧基)和多糖的胺基团之间的反应而共价偶联至核102。第二包覆材料106的多糖可通过第一包覆材料104的多糖的胺官能团和第二包覆材料106的多糖的胺-反应性官能团之间的反应共价偶联至第一包覆材料104的多糖。相反，在一些实施方案中，核102具有与第一包覆材料104的多糖的胺-反应性官能团反应的胺官能团。第二包覆材料106的多糖也包括胺-反应性官能团。
图1中的颗粒100包括两种包覆材料104和106。然而，通常，可使用多于两种包覆材料。在一些实施方案中，例如，一种或多种另外的包覆材料可被施加于颗粒100。该另外的包覆材料通常可包括本文公开的与包覆材料104和106相关的任何材料。例如，该另外的包覆材料可各自包括一种或多种多糖。
另外的包覆材料也可包括本文公开的另外的组分的一种或多种。例如，在一些实施方案中，另外的包覆材料可包括一种或多种结合至受试者中具体结构实体的另外的靶向基团。该靶向基团可包括以上公开的靶向基团的任一种。在第二包覆材料106或在另外的包覆材料中提供另外的靶向基团，可允许颗粒100结合至多种结构实体。
作为一个实例，以下描述了多个颗粒100的制备方法，所述颗粒包含特征为氨基葡聚糖(AmDex)的第一包覆材料104和特征为葡聚糖醛(DexAl)的第二包覆材料，且具有特定的反应性基团和发光剂。然而，应理解该方法仅为解释某些实施方案，且可容易被改变以包括本文公开的第一和第二包覆材料、反应性基团、发光剂和靶向基团的任一种。
羧化胶乳或聚苯乙烯颗粒可以它们的天然的未涂覆状态获得。为引入反应基团和发光剂，将颗粒加热至稍低于其玻璃转化温度，使它们呈多孔性。将一些作为反应基团的氧硫杂环己烯染料(C-28氧硫杂环己烯，示于图10)，添加至珠子。而且，将螯合的铕和/或铽添加至珠子(结构示于图11，其中La＝Eu，Tb)。该颗粒的直径为190nm至210nm，且表面羧基浓度为每颗粒约60,000个。
为引入C-28氧硫杂环己烯和螯合的Eu或Tb，将浓度为100mg/mL的5mL Seradyn羧化聚苯乙烯颗粒(直径～200nm)添加至50mL烧瓶，并添加75μL 1M的NaOH、7.0mL 2-乙氧基乙醇和20.5mL水。使用油浴将颗粒悬浮液加热至80℃并持续搅拌。向玻璃瓶添加100mg C-28氧硫杂环己烯、135mg螯合的Eu或Tb(例如，Tb(XTA)3·Phen)和11mL 2-乙氧基乙醇。在80℃将该溶液添加至搅拌的颗粒悬浮液。加热和搅拌再持续25分钟。然后将混合物冷却至室温并持续搅拌。
将悬浮液过滤，且在pH>10将200mL 10％EtOH添加至滤液并混合。使用Eppendorf5417C离心机以15,000rcf将合并的悬浮液离心20分钟。离心分离后，将液体轻轻倒出且将颗粒再悬浮于pH>10的10％EtOH，并简单超声处理。
以一步合成制备螯合的Eu和/或Tb。以下步骤公开了螯合的Tb的制备，但也可用于具有少量修饰的螯合的Eu。将30mL水中的3.72克(10mmol)TbCl3·6H2O添加至250mLErlenmeyer烧瓶。将90mL无水EtOH添加至溶液且混合以实现均匀分布。然后，将6.48g(30mmol)1-苯甲酰基-3,3,3-三氟丙酮酸盐(1-benzoyl-3,3,3-trifluoroacetonate,BTA)添加至溶液且搅拌1小时以完成溶解。然后，缓慢添加6.6mL 5M NaOH(33mmol)，保持pH在6至7。将溶液加热至50°至60℃保持1小时同时搅拌。
同时，将1.80g(10mmol)1,10-菲咯啉溶于30mL无水EtOH，且在加热后添加至仍然温热的溶液。将合并的溶液搅拌1小时而不用进一步加热，形成沉淀物。将混合物在搅拌过程中冷却。以高速持续搅拌以防止产物凝聚。将150mL水添加至该混合物，然后将其再彻底混合1小时。然后将浆液在冰箱中在约4℃冷却1小时。使用布氏漏斗将固体从混合物过滤，且用50mL水洗涤3次。将固体螯合的Tb产物转移至陪替氏培养皿且使之在室温风干几天，或在真空吸湿器中干燥过夜。
通常，多种不同的二酮可用于上述步骤(例如，图11中具有对应于芳环R的不同取代基)。合适的二酮的实例示于图12。而且，多种不同菲咯啉可被用于上述步骤(例如，具有对应于基团R’的不同取代基)。合适的菲咯啉的实例示于图13。
合适的氧硫杂环己烯染料和螯合的镧系元素(包括螯合的铕和铽)的制备，也描述于例如以下美国专利，其内容在此引入作为参考:5,340,716；6,251,581；6,406,913；6,692,975；6,916,667；和7,179,660。
随后，该颗粒(即，添加反应基团和发光剂的核102)使用碳化二亚胺(EDAC)缀合化学被涂覆AmDex分子(每个AmDex分子具有多个氨基)。在颗粒表面(-COO-)和AmDex上(-N+H3)存在相反的电荷彼此吸引，且即使在EDAC不存在的情况下，在较大过量的AmDex的存在下，颗粒表面也迅速且有效地被AmDex分子覆盖。以这种方式，多糖自发与颗粒结合，导致颗粒表面附近的氨基浓度增加，这又改善EDAC缀合方法的效率。此时添加EDAC活化了颗粒上的–COOH基团，其随后与AmDex上的-NH2基团反应，导致形成化学稳定的酰胺键。仅有一部分源自AmDex分子的氨基参与形成共价酰胺键，剩余氨基可以与多种其它基团(例如，醛基或羧基)反应。涂覆的颗粒具有的直径为240nm至270nm，每12个糖有1个氨基。
为涂覆该颗粒，将悬浮液中的300mg颗粒旋转沉降且去除液体。将颗粒在pH 6.0再悬浮于100mM 2-(N-吗啉代)乙烷磺酸(MES)中至浓度为20mg/L，总体积为15mL。向该悬浮液添加15mL氨基-葡聚糖(浓度为在水中8mg/mL)、5mL EDAC(浓度为在水中80mg/mL)。混合后，将混合物在室温在搅拌下培养2小时。然后将颗粒用100mM MES在pH 6.0洗涤两次，然后以15,000rcf离心20分钟。颗粒用0.1N HCl洗涤一次且最后收集于12.5mL pH 6.0的100mMMES中并超声处理。
该颗粒随后用第二多糖层涂覆，其通过将颗粒与较多过量的葡聚糖醛(DexAl)反应，该葡聚糖醛每DexAl分子具有多个醛基。该自发反应为多糖层自发结合的一种形式。DexAl分子上的一部分醛基与AmDex层上的氨基反应形成席夫碱，然后其可用弱还原剂如氰基硼氢化物(NaBH3CN)还原以形成化学稳定的碳-氮键。因为游离醛基被NaBH3CN的还原是可忽略的，所得涂覆的颗粒在表面具有反应性醛基且可与包含氨基的分子(如抗体或其它蛋白质或其它AmDex分子)反应。该涂覆的颗粒的直径为260nm至310nm，每16个糖具有1个醛基(每颗粒约30,000至50,000个)。
为施加第二多糖层，将5mL颗粒悬浮液(浓度20mg/mL)添加至玻璃瓶，并添加0.8mL葡聚糖醛溶液(浓度50mg/mL)、4.2mL pH 6.0的0.1M MES、和0.5mL浓度为80mg/mL的NaBH3CN水溶液(新鲜制备)。混合后，将瓶子用螺帽封闭且在37℃培养过夜。平衡至室温后，将颗粒用pH 6.0的0.1M MES洗涤两次，在15,000rcf离心20分钟。然后将颗粒超声处理且收集于约4mL的pH 6.0的0.1M MES中。
然后将一个或多个靶向基团缀合至该第二多糖层。该缀合通过还原胺化方法进行，其中天然形式的纯化的抗体(未修饰)在NaBH3CN的存在下用颗粒培养一段时间，优选在室温或37℃。将剩余游离醛基封端(多种分子可用于该目的，例如羧基甲基肟或羧基甲氧基胺，等)
通常当抗体浓度为至少1mg/mL(用于1-2mg颗粒的缀合)或0.53mg/mL(用于2.5mg以上颗粒的缀合)时缀合进行得最好。抗体溶液可使用例如iCON浓缩器(获自ThermoFisherScientific，Waltham，MA)浓缩。通常，该抗体不是在基于胺的缓冲液(例如，Tris、甘氨酸、N-二(羟乙基)甘氨酸、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸)中。如果进行缓冲液交换，该缓冲溶液通常被中性或稍碱性的缓冲液如pH为约8.0的PBS或碳酸盐缓冲液代替。此外，用于缀合的抗体溶液通常不包含基于蛋白质或肽的稳定剂(例如，BSA、明胶)或甘油。蛋白质稳定剂可使用PhyTip亲和柱(获自PhyNexus，San Jose，CA)或液体处理***如JANUS自动化工作站(获自PerkinElmer，Waltham，MA)去除。透析可用于去除甘油。
当将颗粒缀合时，抗体与颗粒质量的比例是一个重要参数。典型的偶联比例(例如，颗粒质量与抗体质量)为10:1(对于1-2mg颗粒)或50:1(对于2.5mg颗粒以上)。例如，对于5mg颗粒，通常使用0.1mg抗体。
以下步骤用于缀合5mg颗粒，使用与抗体50:1的偶联比例。使用的抗体溶液通常具有0.53mg/mL以上的浓度。首先将颗粒在1.5mL埃彭道夫管中在250μL水中清洗，然后添加250μL PBS。将悬浮液在16,000g(或最大速度)离心15分钟且将上清液液体使用移液管尖端丢弃。
通过添加25mg NaBH3CN粉末至1mL水中制备浓度为400mM的NaBH3CN(以粉末形式获自Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)的新鲜加工水溶液。向含经洗涤的颗粒的埃彭道夫管添加0.1mg抗体、一定体积的100mM Hepes pH 7.4以实现最终反应体积为200μL、1.25μL的10％Tween-20(获自Thermo-Fisher Scientific)和10μL NaBH3CN水溶液。该悬浮液使用旋转振荡器以6-10RPM在37℃培养18-24小时。
然后，制备在800mM NaOH中的新鲜的65mg/mL的羧基甲氧基胺(CMO)(获自SIGMA-Aldrich)溶液，且将10μL CMO溶液添加至悬浮液，其在37℃使用旋转振荡器以6-10RPM再培养1小时。该CMO溶液阻断颗粒上未反应的位点。
然后洗涤该缀合的颗粒。首先，将颗粒在16,000g(或最大速度)在4℃离心15分钟。使用微量吸液管去除上清液且将脱水的颗粒团重新悬浮于1mL 100mM Tris-HCl pH 8.0(每mg颗粒使用约200μL)。将颗粒悬浮液简单超声处理(使用探针超声发生器的1秒10次的短脉冲)以保证颗粒在超声发生器功率为约20％或最大功率时不聚集。然后将悬浮液在16,000g或最大速度在4℃离心15分钟，且去除上清液。
然后重复上述清洗步骤。最后一次离心分离后，将颗粒以5mg/mL浓度重新悬浮于储存缓冲液(1mL PBS和0.05％作为防腐剂的Proclin-300)。将悬浮液涡旋，简单旋转沉降，且使用最大超声处理功率的约20％使用1秒10次的短脉冲超声处理。
将缀合的颗粒在4℃温度储存在不透明的瓶子中。使用前，将悬浮液再次涡旋以抵消储存中的沉降。
为缀合大量大于5mg的颗粒，改变上述步骤以使用50mL 3118 Oak Ridge离心机(获自Thermo Fisher Scientific)，其中每管的最大体积少于约30mL以允许适当的离心。离心步骤在Sorvall RC-5B离心机(Thermo Fisher Scientific)中在4℃以16,000g进行40分钟。
通常，本文公开的颗粒偶联步骤可通过减少反应体积进行优化(例如，增加每个颗粒结合的抗体数量)，因为偶联效率通常随颗粒浓度而增加。增加的颗粒浓度(高达100mg/mL)，可通过向颗粒添加少量体积的更浓的缓冲溶液至颗粒而制备。
该步骤也可通过增加抗体与颗粒的比例而优化，因为偶联效率通常随抗体浓度而增加。通常，该抗体储液应足够浓以使得仅添加较小额外体积的抗体溶液以增加抗体浓度，而不显著稀释颗粒浓度。例如，当以颗粒浓度为25mg/mL实施时，颗粒:抗体为10:1的比例可改善缀合效率。增加颗粒浓度至75mg/mL同时保持50:1的比例将通常涉及1.7mg/mL的抗体浓度。增加抗体的相对比例至25:1的比例将涉及3.4mg/mL的抗体浓度，其接近实际上限。其它缓冲液也可用于优化上述步骤(例如，100mM pH 8.0的磷酸钠)。
其它制备方法和材料公开于，例如，以下专利和专利公开，其整个内容在此引入作为参考：美国专利5,340,716；6,251,581；6,406,913；6,692,975；6,916,667；7,179,660；和PCT专利公开No.WO 2001/067105。
本文公开的颗粒可使用多种方法引入活体受试者，包括注射，例如，皮下注射、静脉内、气管内、鼻内。通常，在受试者中感兴趣的部位附近引入该颗粒，例如，接近疑似肿瘤或组织炎症的位点。选择靶向基团以使颗粒选择性结合至某些结构实体，例如，存在于感兴趣区域中的实体。在受试者中靶向具体结构实体允许颗粒作为对活性物质(例如，受试者体内的活性氧簇)敏感的诊断报告物。
该颗粒可用于检测和成像多种不同受试者中的活性物质如ROS。通常，该颗粒可用于人、哺乳动物(包括，但不限于，小鼠、大鼠、狗和猫，以及更通常地任何实验室哺乳动物受试者)、鸟、爬行动物、两栖动物和鱼的体内检测和成像。该颗粒也可用于从任何上述受试者提取的组织样品和/或生物液体的体外检测和成像。
在将颗粒引入受试者体内后，使用检测器(例如，基于CCD的检测器或基于CMOS的检测器)将颗粒发射的光成像。与从受试者表面反射的光相结合，发射的光显示活性物质(如活性氧簇)在受试者体内的位置。在一些实施方案中，检测到的光可直接呈现于显示器而不用过滤该光。在某些实施方案中，检测到的光可覆盖在受试者身体的图像之上。这些显示形式都可产生定位ROS相对于受试者身体的其它特征的位置的图像。
检测到的光的强度和分布也可提供关于受试者体内ROS的定量信息。例如，通过空间积分受试者多部分的光图像并将具有校准数据(涉及光强度)的积分强度与ROS浓度相关联，可估算在受试者身体积分区域的ROS的浓度。定量估算ROS浓度可提供另外的信息以用于诊断受试者疾病的目的。
在一些实施方案中，可将多于一种类型的颗粒给予受试者。例如，给予的多个颗粒可包括具有一种类型靶向基团的颗粒的第一亚群和具有第二类型靶向基团的颗粒的第二亚群。通过向颗粒提供不同靶向基团，该颗粒可结合至受试者中不同结构实体，从而提供关于受试者身体多个部位的ROS诊断信息。
此外，或作为替代，颗粒的第一亚群可包括第一发光剂且该颗粒的第二亚群可包括第二发光剂。不同发光剂通常在不同中心波长发光。因此，具有不同发光剂的颗粒亚群可用于提供关于受试者身体不同部位的信息。
例如，在一些实施方案中，颗粒的第一亚群可包含靶向基团和发光剂两者，它们不同于颗粒的第二亚群的靶向基团和发光剂。对颗粒亚群提供这些特征在靶向受试者身体中具体结构或部位时产生双倍选择性。首先，颗粒的两个亚群根据其不同靶向基团结合至受试者中的不同结构实体，从而提供区分不同实体的第一机制。其次，从颗粒不同亚群发的光在不同中心波长发生。因此，通过过滤和/或在某些波长选择性检测发光，不同结构实体中的ROS可分别被鉴定和定量。
本文公开的颗粒可提供在诊断试剂盒中以用于临床用途。图2为试剂盒200的示意图，其包含壳体(例如，包装)202。封装在壳体中的为容器204，其包含多个颗粒100。任选地，试剂盒200可包含第二容器206，该第二容器206包含例如一种或多种缓冲溶液以将颗粒引入受试者体内(例如，通过注射)。在一些实施方案中，颗粒100以未悬浮(例如，无水)形式在容器204中提供。在给予颗粒之前，将该颗粒悬浮在第二容器206中提供的溶液中。在某些实施方案中，在容器204中提供已悬浮于生理相容的溶液中的颗粒100。该颗粒可直接给予受试者，或在将它们给予受试者之前稀释至所需浓度(例如，在缓冲液或其它溶液中)。
本文公开的颗粒提供了多个重要优点。例如，该颗粒发光，其被检测且用于定位和定量受试者中的ROS。不同于荧光，该发光通常在可见光谱区域的红边和近红外区域发生。因此，发光的颗粒更适合作为在较深组织应用中的ROS的报告物(例如，其中ROS位于皮肤表面之下超过约2mm的组织中)，因为辐射的组织依赖性散射不像较长波长那样强。因此，相对于基于荧光的颗粒和报告物，本文公开的颗粒对位于较深组织中的ROS提供显著改善的诊断敏感性。
此外，基于荧光的报告物通常伴随受试者组织中的自发荧光，其作为背景信号，针对其区分了检测ROS的荧光发射。相反，本文公开的基于发光的颗粒通常不激发受试者组织中显著的自发荧光，且通常不伴随受试者组织中显著的自发荧光。因此，该光发射通常相对基本上“黑的”背景发生；通常不需要去除自发荧光的影响(例如，通过复杂分析算法)。在一些实施方案中，例如，该检测的发光可用于显现和定量受试者体内的ROS而不用过滤检测器测量的任何信号。
而且，该公开的颗粒在单个颗粒中将选择性结合、与ROS的反应和ROS的发光报告组合起来。常规检测ROS的双颗粒方法(其涉及供体和受体颗粒两者)仅当供体和受体颗粒彼此足够接近时提供可接受的信号。相反，本文公开的颗粒不依赖颗粒之间的距离来检测ROS。相反，各颗粒包含与ROS反应的反应基团和响应于从反应基团的能量转移而发光的发光剂。因为发光剂和反应基团位于相同颗粒上，该能量转移是有效的。
尽管以上公开的方法和组合物涉及体内检测活性氧簇的颗粒，更通常地是该方法和组合物也可适用于体内检测其它反应性物质。例如，该方法和组合物可适用于体内检测活性氮物质(例如，NO，NO自由基和过氧亚硝基阴离子ONOO-)。为检测活性氮物质，颗粒100可包含一个或多个与活性氮物质反应的反应基团，其发射被一种或多种发光剂吸收的辐射以引起光发射。合适的反应基团包括，例如DAF-FM(获自Thermo Fisher Scientific)，其为用于检测和定量低浓度一氧化氮(NO)的试剂。DAF-FM基本上为非荧光的，除非其与NO反应形成荧光苯并***。可使用多种不同技术和设备检测DAF-FM荧光，包括流式细胞分析仪、显微镜、荧光微板读出器和荧光计，以及成像***如IVIS和FMT***，其可获自Perkin Elmer。
另外的反应基团和其底物公开于例如，Xiaoqiang Chen等人，“Fluorescent andluminescent probes for detection of reactive oxygen and nitrogen species,”Chem.Soc.Rev.40:4783-4804(2011)，其整个内容在此引入作为参考。
实施例
本文公开的主题进一步描述于以下实施例，其不旨在用来限制权利要求的范围。
为评估使用本文公开的颗粒检测多种ROS的效率，在体外制备大量HOCl、羟基自由基、超氧化物、一氧化氮和过氧化氢。将这些体外物质的每一种用颗粒100处理，该颗粒100如上制备且包含胶乳核、氨基葡聚糖的第一涂层和葡聚糖醛的第二涂层。在涂覆之前将氧硫杂环己烯染料和螯合的铕引入胶乳核。
图3为显示检测的各种不同ROS的发光信号/背景的比较图。各物质均被可靠地检测，其中羟基自由基和超氧化物具有超过背景的最高信号。
为评估鼠类体内检测ROS的效率，将BALB/cJ小鼠受试者样品分为两组。第一组通过以1mg/kg的浓度鼻腔给药气管内递送50μL 1mg/kg脂多糖(LPS)来激发，以诱导炎症响应。第二组中作为对照，用磷酸盐缓冲盐水(PBS)激发。在用LPS激发3小时后通过皮下注射将10μg量的颗粒(如上制备，具有氨基葡聚糖和葡聚糖醛涂层，氧硫杂环己烯染料和螯合的铕被引入胶乳核)引入肺和肝位点。注射该颗粒后将从注射的颗粒发射的光作为时间的函数成像。图4显示紧接在注射后和经5小时后的对照(左侧)和LPS-激发的(右侧)受试者的图像。
图5A显示在注射颗粒后第一小时内以5分钟增量的对照(左侧)和LPS-激发的(右侧)受试者的图像。图5B和5C显示作为时间的函数的测量的肺和肝组织的发光通量(任意单位)，其从图5A测定。从肺组织测量的发光证实相比对应于对照的背景信号，ROS被有效检测。从肝组织的发光信号显示发光的高背景水平，这是由于肝中存在细胞色素P450氧化还原酶，其产生ROS。
为改善颗粒的肺组织选择性靶向，如上制备颗粒(例如，具有氨基葡聚糖和葡聚糖醛涂层，氧硫杂环己烯染料和螯合的铕被引入胶乳核)且将其缀合至Ly6G抗体，该Ly6G抗体结合至肺组织。一组BALB/cJ小鼠受试者用LPS激发，其鼻内施用5次25μL剂量的0.25mg/mLLPS，然后施用25μL PBS。对照组小鼠鼻内用5次25μL剂量的PBS激发。使两组小鼠在给药之间警醒。初始激发5小时后，将小鼠注射Ly6G-缀合的颗粒，且将颗粒发射的光成像。
图6A显示在紧接注射颗粒之后以及5小时后对照组(左)和LPS-激发组(右)的图像。图6B为显示在t＝0和t＝5小时两组测量的相对发光通量的图。在t＝5小时测量的通量显示肺组织中ROS的检测容易通过颗粒实现。
为比较源自肺和肝组织的发光信号，形成Ly6G-缀合的颗粒，BALB/cJ小鼠受试者分为两组。一组用LPS激发(4次25μL 0.25mg/mL的剂量，然后是25μL PBS，气管内递送)，另一(对照)组用PBS激发(5次25μL剂量，气管内递送)。激发5小时后，将小鼠用Ly6G1A8-缀合的颗粒(如上制备)静脉内注射，且对源自颗粒的光发射成像。
图7A显示在颗粒注射后在t＝0和t＝5小时对照组和LPS-激发组的图像。图7B显示对于源自肺组织、肝组织的测量的信号和全部测量的信号，对照组(左图)和LPS-激发组(右图)对测量的发光信号的相对贡献。对于对照组，肺部信号占测量的光的28％，而肝信号占剩余的72％。然而，对于LPS-激发组，肺部信号占测量的光的55％，而肝信号占剩余的45％。两组都具有类似的全部测量发光通量。这些结果显示通过使用抗体-缀合的颗粒，具体组织中源自ROS的发光信号可被选择性研究。
为研究进一步减少肝组织引起的发光信号的方法，建立了两组BALB/cJ鼠类受试者。第一组允许正常进食，而第二组禁食约23小时。然后构造对照组和LPS-激发组，其中在对照组和LPS-激发组的每一个中具有一只禁食小鼠和一只正常饮食小鼠。LPS激发使用4份鼻内递送的25μL 0.25mg/mL剂量的LPS、然后是25μL PBS来进行。对照组的小鼠用PBS激发(5份25μL剂量，鼻内递送)。激发5小时后，将小鼠用Ly6G1A8-缀合的颗粒(如上制备)静脉内注射，且将源自颗粒的光发射成像。
图8A显示注射颗粒后在对照和LPS-激发组中的正常饮食和禁食小鼠中作为时间的函数的图像。图8B为显示在每个对照组中对从每只不同类型的小鼠测量的发光信号(肺信号、肝信号和总信号)的贡献的图。在图8B的每一组的条中，从左至右的贡献对应于正常饮食对照组小鼠、禁食对照组小鼠、正常饮食的LPS-激发小鼠和禁食的PS-激发小鼠。在小鼠正常饮食的对照组中，87％的测量的发光信号由肝组织贡献，而13％由肺组织贡献。然而，当小鼠禁食时，54％的测量信号由肝组织贡献，而46％由肺组织贡献。因此，在对照组中，禁食显著减少肝组织的发光贡献，且为改善受试者体内除了肝组织以外的组织的发光信号的选择性分析的可行方法。
对于LPS-激发组，禁食对于肝和肺组织衍生的测量的发光信号的相对贡献具有很少的影响。然而，对于LPS-激发的小鼠，相对于肝组织，缀合的颗粒再次选择性靶向肺组织。
为研究基于铕和铽的发光颗粒的检测敏感性，将一组Swiss Webster小鼠用LPS激发(通过右大腿皮下递送1mg/kg)。基于铕的颗粒如上制备。基于铽的颗粒以类似方式通过将螯合的铕用螯合的铽代替而制备。
ROS活性的诱导在激发后5小时监测，其中在左大腿皮下注射75μg铽颗粒且在右大腿皮下注射75μg铕颗粒。光发射不使用滤光器成像，使用620nm发射光滤光器(铕发光的中心波长在614nm)，且使用540nm发射光滤光器(铽发射的中心波长在540nm)。
图9A显示在三种不同滤光设置下颗粒注射前和颗粒注射后鼠类受试者的一系列图像。图9B和9C分别为显示从左和右大腿的Tb和Eu发光信号的定量的图。在540nm的波长，Tb信号水平仅为总Tb发光信号的6％(例如，没有滤光器)，而在620nm的波长，Eu信号水平为总Eu发光信号的65％(例如，没有滤光器)。
其它实施方案
已描述了多个实施方案。然而，应理解可进行多种修饰而不偏离本发明的范围。因此，其它实施方案在以下权利要求的范围内。

Claims (31)

1.组合物在制备用于显示受试者的图像的药物中的用途，所述图像显示受试者中的活性氧簇的位置，所述组合物包含颗粒，其中所述颗粒的每一个包含：
核，其包含至少一种反应基团和至少一种发光基团，该反应基团与受试者中的活性氧簇发生化学反应且发射第一波长的辐射，该发光基团包含至少一种镧系元素，其吸收部分第一波长的辐射并发射具有不同于第一波长的第二波长的光；
第一包覆材料，其由围绕该核的第一多糖材料形成；和
第二包覆材料，其由围绕该第一包覆材料的第二多糖材料形成且包含至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团。
2.权利要求1所述的用途，其中所述受试者为活体人。
3.权利要求1所述的用途，其中所述受试者为活体哺乳动物。
4.权利要求1所述的用途，其中所述第二波长在500nm以上。
5.权利要求1所述的用途，其中所述第二波长在600nm以上。
6.权利要求1所述的用途，其中所述至少一种靶向基团包括至少一种抗体。
7.权利要求1所述的用途，其中所述活性氧簇包括单线态氧。
8.权利要求1所述的用途，其中所述活性氧簇包括羟基自由基。
9.权利要求1所述的用途，其中所述活性氧簇包括次氯酸。
10.权利要求1所述的用途，其中所述活性氧簇包括至少一种选自以下的成分：超氧自由基、一氧化氮和过氧化氢。
11.权利要求1所述的用途，其中所述颗粒包含颗粒的第一亚群和颗粒的第二亚群，其中所述颗粒的第一亚群的每一个包含第一靶向基团和第一反应基团，且所述颗粒的第二亚群的每一个包含第二靶向基团和第二反应基团，其中该第一靶向基团和第二靶向基团不同。
12.权利要求11所述的用途，其中该第一靶向基团和第二靶向基团结合至受试者中的不同结构实体。
13.权利要求11所述的用途，其中该第一靶向基团和第二靶向基团包含不同抗体。
14.权利要求11所述的用途，其中所述颗粒的第一亚群的每一个在第一中心波长发光，且所述颗粒的第二亚群的每一个在不同于所述第一中心波长的第二中心波长发光。
15.权利要求14所述的用途，其中该第一和第二中心波长的每一个大于500nm。
16.权利要求11所述的用途，其中该第一反应基团和第二反应基团相同。
17.权利要求3所述的用途，其中所述哺乳动物为小鼠。
18.权利要求3所述的用途，其中所述哺乳动物为大鼠。
19.权利要求1所述的用途，其中所述受试者选自活体鸟、活体两栖动物和活体鱼。
20.一种组合物，包含:
悬浮介质；和
多个颗粒，其中该多个颗粒的每一个包含:
核，其包含至少一种反应基团和至少一种发光基团，该反应基团与受试者中的活性氧簇发生化学反应且发射第一波长的辐射，该发光基团包含至少一种镧系元素，其吸收部分第一波长的辐射并发射具有不同于第一波长的第二波长的光；
第一包覆材料，其由围绕该核的第一多糖材料形成；和
第二包覆材料，其由围绕该第一包覆材料的第二多糖材料形成且包含至少一种结合至受试者中的结构实体的靶向基团。
21.权利要求20的组合物，其中所述核包括胶乳和聚苯乙烯中的至少一种。
22.权利要求20的组合物，其中所述至少一种靶向基团包括至少一种抗体。
23.权利要求20的组合物，其中该至少一种镧系元素包括铕和铽的至少一种。
24.权利要求20的组合物，其中该至少一种反应基团包括氧硫杂环己烯。
25.权利要求20的组合物，其中该多个颗粒包含:
颗粒的第一亚群，其包含第一靶向基团、第一发光基团和第一反应基团；和
颗粒的第二亚群，其包含第二靶向基团、第二发光基团和第二反应基团,其中该第一靶向基团和第二靶向基团不同。
26.权利要求25的组合物，其中该第一靶向基团和第二靶向基团包含不同抗体。
27.权利要求25的组合物，其中该第一发光基团和第二发光基团不同。
28.权利要求27的组合物，其中该第一发光基团和第二发光基团包含不同镧系元素。
29.一种试剂盒，其用于成像活体受试者中的活性氧簇，该试剂盒包含权利要求20的组合物。
30.一种试剂盒，其用于成像活体受试者中的活性氧簇，该试剂盒包含权利要求25的组合物。
31.权利要求29的试剂盒，其中所述活性氧簇包括至少一种选自以下的成分：单线态氧、羟基自由基、次氯酸、超氧自由基、一氧化氮和过氧化氢。
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