遠程檢測nmr活性顆粒的遙測術的制作方法

專利名稱：遠程檢測nmr活性顆粒的遙測術的制作方法
遠程檢測NMR活性顆粒的遙測術本申請案主張優先于在2008年1月10日申請的美國臨時專利申請案第 61/020, 248號，其是以引用方式并入本文中。政府資金本文所述工作屬于由國立衛生研究院(National Institutes of Health)授予的 第R01CA124427-02、U54CA119335、和5U54CA119349-03項美國政府資金和國家科學基金會 (National Science Foundation)授予的第DMR-0213805項美國政府資金支持的研究計劃 的一部分。美國政府對這些發明擁有一定的權利。
背景技術：
核磁共振(NMR)是與原子核的自旋角動量相關的物理現象，并且當前用于多種醫 療和科學診斷測量中。磁共振成像(MRI)是基于NMR的技術，其已成為觀察有機體和材料的 內部結構的有效非侵入性診斷技術。磁共振波譜是另一種基于NMR的技術，其可為地質學、 生物學、生物化學和有機化學領域提供關于地質樣品、細胞、蛋白質和復雜分子結構的結構 和/或組成的細節。基于NMR的各種類型的遠程檢測測量已應用于異質混合物的波譜和成像分析、化 學分析、地質勘測和磁共振波譜領域。然而，這些應用中所檢測的NMR信號通常品質較低并 且需要較長數據采集時間。此外，基于NMR測量的習用成像技術提供較低空間分辨率。例 如，獲取單次掃描值所需的時間通常為數十分鐘，并且磁共振圖像的體素大小一般大于10毫升。在某些方法中，超順磁性顆粒已與MRI協同用于在凝聚分析中實施體內遙測術， 其中源自水分子的質子信號的相干時間或自旋_自旋馳豫時間T2主要取決于超順磁性顆 粒的凝聚。水分子附近的超順磁性顆粒通過影響局部磁場來影響并改變其T2信號。對于 這些測量來說，將填充有水與超順磁性顆粒的混合物的半透性微隔室植入個體中。此需要 空間選擇性磁共振激發來測量受限體積中的T2馳豫率，其耗時并且難于實施。另外，需要 對磁場分布進行高水平控制。波譜和凝聚NMR技術中存在另一困難。由于兩種測量都能檢測到來自天然原子物 質的質子信號，因此其靈敏度都受到大量源自所檢查區域本身所具有的NMR背景信號的影 響。此背景信號使所記錄數據的品質降格。

發明內容
本文所揭示的本發明實施例包括用于核磁共振的遙測方法，其可用于遠程確定系 統是否表現特定特征。在各實施例中，將NMR活性顆粒引入進行NMR測量的系統中。對系 統實施NMR激發并且使用NMR裝置來檢測得自NMR活性顆粒的核磁共振信號并加以分析。 對所檢測信號的分析可確定系統是否表現特定特征。在各方面中，用于核磁共振的遙測方法包含提供NMR活性顆粒，所述顆粒在實質上不含任何源自進行NMR測量的系統的NMR信號的波譜區中具有NMR共振峰。NMR活性顆 粒的粒徑可較小(例如亞毫米級、亞微米級、納米級)，并且用作顯像劑。遙測方法可另外包 含將NMR活性顆粒引入系統中，并檢測NMR活性顆粒共振峰的位移。在某些實施例中，所述 方法另外包含通過動態核極化來增強源自NMR活性顆粒的核磁共振信號，其中動態核極化 是在原位或異位進行。在其它實施例中，遙測方法另外包含將濃度與所檢測共振峰的位移 相關聯。本發明實施例也包括用于核磁共振分析的遙測方法。所述方法可包含以下步驟 提供NMR活性顆粒，所述顆粒在實質上不含任何源自分析系統中其它組份的NMR信號的波 譜區中具有NMR共振峰；將NMR活性顆粒引入分析系統中；將分析物引入分析系統中；和檢 測NMR活性顆粒的共振峰的位移。分析用遙測方法可另外包含將分析物的濃度與所檢測共 振峰的位移相關聯。在某些實施例中，所述方法另外包含通過動態核極化增強源自NMR活 性顆粒的核磁共振信號，其中動態核極化是在原位或異位進行。在某些實施例中，用于核磁共振的遙測方法包含提供NMR活性顆粒，所述顆粒在 實質上不含任何源自系統內其它組份的NMR信號的波譜區中具有NMR共振峰；將NMR活性 顆粒引入系統中；和檢測或測量NMR活性顆粒所提供信號的一或多個特征或方面和/或其 變化。此遙測方法的一實施例可另外包含根據所檢測一或多個方面和/或其變化的數據來 形成圖像。此遙測方法的一實施例可另外包含通過所檢測一或多個不同方面和/或其變化 的數據來衡量所形成圖像或將所形成圖像與所述數據相關聯，例如通過代表NMR顆粒共振 頻率的頻率變化的數據來衡量根據信號強度形成的圖像。在某些實施例中，NMR活性顆粒經化學官能化。在某些實施例中，NMR活性顆粒已 進行同位素富集或同位素貧化。在各方面中，NMR活性顆粒的共振峰的信號強度是背景NMR 信號水平的約2倍，是背景NMR信號水平的約5倍，是背景NMR信號水平的約10倍，并且在 某些實施例中是背景NMR信號水平的約20倍。在某些實施例中，遙測方法是使用空間分辨測量技術來實施。例如，可使用磁場梯 度以使得可使用空間分辨測量技術來實施對共振峰的位移或共振峰強度變化的檢測。在各 方面中，空間分辨率介于約5毫升與約10毫升之間，介于約2. 5毫升與約5毫升之間，并且 在某些情形下介于約1毫升與約2. 5毫升之間。在某些實施例中，在實施遙測方法時不使 用空間分辨測量技術。在各實施例中，檢測共振峰的位移的NMR測量耗時介于約10分鐘與約20分鐘之 間，介于約5分鐘與約10分鐘之間，介于約2. 5分鐘與約5分鐘之間，并且在某些實施例中 介于約1分鐘與約2. 5分鐘之間。可結合附圖根據下述說明更全面地理解本教示內容的上述和其它方面、實施例和 特征。本申請案中引用的所有文獻和類似材料包括(但不限于)專利、專利申請案、文章、 書籍、論文、和網頁，不管所述文獻和類似材料是何種形式，其都是全文以引用方式明確并 入本文中。


所屬領域技術人員應理解，本文所示圖表僅用于說明目的。應理解，在某些情形下 本發明的各方面可以夸張或放大方式來顯示，以幫助理解本發明。在圖中，所有各圖中的相同參考字符一般是指相同的特征、功能上類似和/或結構上類似的元件。附圖不一定符合 比例，而重點在于闡釋本教示內容的原理。附圖并不意欲以任何方式限制本發明的范圍。圖1展示基本一致的核磁矩110的運動動力學和靜磁場去。磁矩旋進并執行回轉 運動，軌跡為路徑120。圖2A展示磁矩110隨機定向的原子或分子210的集合。圖2B展示已通過磁場極化的原子或分子的集合。一部分原子220的磁矩定向在 優選方向上。圖3是NMR活性顆粒和可引入所述顆粒的系統的NMR波譜的圖示。在某些實施例 中，系統波譜301在NMR活性顆粒的譜峰350附近實質上不表現共振峰或信號。圖4A繪示具有官能化表面的顆粒410和靶向成份450。顆粒表面上的靶向配體 420與定位于靶向成份上的受體460結合。圖4B展示已結合NMR活性顆粒/靶向成份對。圖4C-4D繪示包括囊封外殼480的官能化NMR活性顆粒。圖5A是NMR活性顆粒的譜峰的圖示。例如，共振峰510可對應于未結合顆粒410 的磁共振激發頻率ωρ附近的NMR信號強度，例如如圖4Α中所繪示。圖5Β是繪示圖5Α中NMR波譜特征可在顆粒與靶向成份結合時發生的變化的圖 示，例如如圖4Β中所繪示。圖6繪示結合兩種類型的顆粒的靶向成份650的凝聚。NMR活性顆粒410在激發 時提供NMR信號，并且順磁性或超順磁性顆粒610可緊密結合在NMR活性顆粒附近時改變 NMR信號。圖7Α-7Β繪示使用NMR活性顆粒的NMR遙測方法的實施例。圖8展示若干個標準化NMR信號振幅對具有不同平均粒徑的NMR活性顆粒的頻率 的曲線。數據已位移至零頻率。根據下文所述實施方式并結合附圖可更多地了解本發明的特征和優點。
具體實施例方式概括來說，本發明用于核磁共振的遙測方法采用可引入系統中的NMR活性顆粒。 顆粒內至少某些原子具有非零核自旋。可將這些NMR活性顆粒直接納入系統中以在通過外 加激發場探測時提供NMR信號。所得NMR信號可通過電子儀器來檢測并且可診斷系統的情 況、結構或組成。在某些實施例中，NMR活性顆粒經化學官能化。作為一實例，可使顆粒表面官能化 以在系統內誘導顆粒附接至靶向成份。本文所用術語“顆粒”涵蓋NMR活性材料的小顆粒。粒徑可為亞毫米級、亞微米級 和納米級。本文所用術語“系統”涵蓋生物或非生物性樣品、試樣或個體。本文所用術語 “靶向成份”包括(但不限于)化學元素、分子、蛋白質、分析物、礦物組成物、物質的某些組 成物、巖石或礦石的特定礦物組成物、DNA、細胞、抗原、病毒、和細菌。圖1繪示單原子核磁矩110在置于外加靜磁場應130中時的運動動力學100。一 般來說，在原子具有非零核自旋并置于磁場中時，原子的磁矩110圍繞與磁場基本對齊的軸以回轉運動方式旋進。如實例中所示，磁矩110繞Z軸移動，軌跡為箭頭125所指示方向 的路徑120。旋進頻率ωρ部分取決于局部磁場(即緊靠原子附近的磁場)的強度。在各 實施例中，局部磁場(即實質上緊靠原子附近的磁場)可因局部環境中存在的材料而不同 于外加磁場130。置于基本均勻的靜磁場中的如圖2Α中所繪示的原子或分子集合210(例如包含顆 粒的集合)傾向于使其磁矩沿外加磁場方向定向。此重定向稱作磁矩的極化。圖2Β展示 原子或分子的極化系綜，例如構成顆粒的原子或分子團。一部分原子220的磁矩110可在 優選方向上重定向，并且所述顆粒呈現凈磁矩。在移除外加磁場時，原子磁矩的定向會以稱 作“縱向”馳豫時間或“自旋晶格”馳豫時間T1的特征性速率隨機化。參見圖1，在隨機化期 間，原子磁矩110的方向會隨時間而偏移遠離路徑120，并且之后可能會落點在-Z方向上。 原子集合內所有磁矩都隨機化可使集合達成零凈磁矩，如圖2Α所繪示。在各實施例中，核 磁共振信號得自顆粒內特定種類的自旋晶格馳豫時間T1。當在基本穩定的磁場中極化并維持原子集合的核磁矩時，可通過施加經調諧以與 旋進頻率ωρ匹配的RF場來使其旋進運動基本同步。外加磁場傾向于迫使旋進磁矩110成 為同步運動。在移除外加RF場時，旋進磁矩開始彼此發生異相偏移。此旋進運動移相的速 率稱作“橫向”馳豫時間或“自旋_自旋”馳豫時間Τ2。仍然參見圖1，磁矩同步化的原子集 合會彼此同相表現旋進運動125，120。在各實施例中，NMR信號得自顆粒內特定種類的自旋-自旋馳豫特性Τ2。在所述技 術中，可將根據特定原子或分子種類的旋進頻率ωρ調諧的RF場序列施加至顆粒。在某些 實施例中，可施加較短持續時間的RF場以使磁矩旋進同步化。在短暫延遲后，可施加另一 較短持續時間的RF場以反轉核磁矩的自旋定向。在圖1中，此對應于將磁矩110的定向自 +Z方向變為-Z方向。自旋反轉導致先前移相的磁矩移回在再次同步化時可產生較大可檢 測磁脈沖或回聲的相位。此測量技術可以是橫向馳豫時間T2約二分之一的速率重復多次， 從而在收集NMR數據時提高信噪比。所得NMR信號的強度和其衰減率可取決于若干個因素，包括所探測原子或分子的 類型和其局部環境。局部材料密度和材料組成的差異可改變T1時間、T2時間和區域間旋進 頻率ωρ。可對這些差異進行記錄和標繪以圖示說明所檢查樣品的結構和/或組成特征。在許多應用中，NMR信號得自主體材料自身。例如，在馳豫時間的醫學成像中，測 量氫核(H+)的1\或1~2。在某些應用中，NMR信號得自主體材料內存在的天然原子、元素、分 子或化合物。盡管在所述實例中可容易地進行測量，但在某些情形下所得信號可能不能提 供期望信息。例如，在本發明實施例中，NMR基本上仍然不能以可有效且特異性地幫助早期 診斷和疾病管控的適宜方式鑒別可預示惡性癌腫塊或轉移的化學生物標記。另外，得自具 有主體系統自身原子的材料或物質的NMR信號一般會受主體系統內相同物質產生的背景 或噪聲NMR信號水平影響。在本發明方法的各實施例中，將NMR活性顆粒提供至或引入欲進行NMR測量的系 統中。由于所述顆粒提供的核磁共振信號可能會受系統某些方面的影響，因此所述顆粒應 使得可對系統進行診斷性遙測術。在某些實施例中，NMR活性顆粒所提供的NMR信號定位 于實質上不含任何源自主體系統的NMR信號的波譜區，并且可自所述顆粒檢測實質上不含 背景信號的NMR信號。NMR信號可得自NMR活性顆粒自身，例如定位于一或多個核磁共振峰的NMR信號強度和/或頻率。所述信號可用于系統的NMR波譜分析和/或成像分析。在某 些實施例中，使用所述信號來檢測系統內成份的存在或濃度。在某些NMR測量中，檢測共振 峰位置的位移。在某些實施例中，NMR活性顆粒所提供NMR信號的品質優于得自主體系統 自身材料的NMR信號，并且所耗費的NMR測量時間可短于習用NMR測量技術。NMR活性顆粒可自多種材料來形成。例如，顆粒可主要包含一或多種以下材料 硅、二氧化硅或碳。顆粒可含有在用外加RF激發場探測時可表現NMR信號的任何元素、分 子或化合物。在某些實施例中，顆粒可含有存于分子中的期望元素，例如呈CaF2形式的氟， 其中期望元素可提供NMR信號。在某些實施例中，顆粒可含有作為缺陷存在的期望元素，例 如在金剛石中作為制造缺陷的氮，其中期望元素可提供NMR信號。在某些實施例中，NMR活 性顆粒可包含氧化硅，其可經金或其它金屬包被或部分包被，其中硅可提供NMR信號。引入系統中的顆粒尺寸可分布在多個數值的范圍內或圍繞平均值分布。在某些 實施例中，引入系統中的顆粒尺寸的數值范圍介于約50nm與約IOOnm之間、介于約IOOnm 與250nm之間、介于約250nm與約500nm之間、介于約500nm與約1微米之間、介于約1微 米與約5微米之間、介于約5微米與約20微米之間、并且在某些實施例中介于約20微米與 約100微米之間。在某些實施例中，引入系統中的NMR活性顆粒集合的平均粒徑是介于約 Inm與約200nm之間、介于約200nm與約1微米之間、和介于約1微米與約200微米之間的 任一值。在某些實施例中，粒徑分布為數十納米，或在某些實施例中為數百納米。在某些實 施例中，NMR活性顆粒的平均粒徑Clira為約50nm、約lOOnm、約150nm等，并且粒徑分布d分布 可表示為平均粒徑的百分比，例如約士5%、約士 10%、約士 15%、約士20%、約士25%、約 士30%、約士40%、約士50%、約士60%和約士70%。作為一實例，引入系統中的NMR活性 顆粒的平均粒徑可為約120nm，并且粒徑分布為約士40%。對于此一顆粒集合，大部分顆粒 的粒徑介于約70nm與約170Nm之間。此外，NMR活性顆粒可具有長自旋晶格馳豫時間1\。在各實施例中，在將顆粒遞送 或引入系統中后很久顆粒仍能提供NMR信號。在此上下文中，與T1馳豫時間相關的長階段 或長T1時間在某些實施例中是指長于約5分鐘的階段。在各實施例中，T1時間長于約15 分鐘、長于約30分鐘、長于約1小時、長于約2小時、并且在某些實施例中長于約3小時。業內有若干種可用于改善NMR顆粒所提供NMR信號的品質的技術。例如，顆粒的 核磁矩可通過原位或異位動態核極化來極化。在各實施例中，動態核極化使大部分顆粒原 子的核磁矩在優選方向上對齊。此可增加得自顆粒的NMR信號的量值。動態核極化可包括 采用以下極化機制中任一種的技術歐沃豪斯效應(Overhauser effect)、固體效應、交叉 效應和熱混合。在某些實施例中，通過顆粒內元素的同位素富集或貧化來增強NMR活性顆粒所提 供的信號。例如，顆粒可主要包括硅，其正常同位素組成為28SU零核自旋，約92. 2%豐度)、 29Si (自旋=1/2，約4.7%豐度)和3°Si(零自旋，約3.1%豐度)。在某些實施例中可使 29Si的相對豐度提高至5%以上、10%以上、和20%以上。在某些實施例中，29Si可表現長 達數小時的長T1馳豫時間。因此，一旦顆粒發生極化，增強的信號強度可持續較長時間段。 此在將顆粒注入、攝入、植入、吸入或以其它方式遞送至活系統中的實施例中是有益的，并 且顆粒到達既定目的地需要大量時間。制備適合于本文所述NMR遙測術的NMR活性顆粒的方法揭示于2008年10月9日申請的美國專利申請案第12/248，672號中，所述申請案是全文以引用方式并入本文中。如上所述，所選顆粒應可在實質上不含任何源自系統自身材料的NMR信號的波譜 區中提供NMR信號。此可獲得高信噪比，并且在某些實施例中可消除對樣品空間選擇性探 測的需要。圖3是繪示一實施例中NMR波譜的圖示，其中得自NMR活性顆粒302的(實線曲 線)NMR波譜具有位于實質上不含源自系統自身材料的NMR信號的波譜區中的峰信號350。 自身NMR波譜301 (虛線曲線)可表現位于遙遠區域中的峰310、311、和312，并且在所選NMR 活性顆粒的譜峰350附近基本上無信號。對于所述實施例，在獲知自身NMR波譜后，可選擇 NMR活性顆粒用于遙測術，所述顆粒在自身波譜中實質上不含信號的區域內表現譜峰。對于 具有圖3中所繪示特征的實施例，在共振峰的NMR測量中獲得的信噪比可大于約2、大于約 5、大于約10、大于約100并且在某些實施例中大于約1000。在某些實施例中，與NMR活性 顆粒相關的共振峰的信號強度是共振峰附近波譜中的背景NMR信號水平的約2倍。背景信 號水平可基本均勻或可在NMR活性顆粒的共振峰附近表現峰，并且背景信號實質上源自所 研究系統的自身材料。在某些實施例中，NMR活性顆粒的信號強度是背景NMR信號水平的 約5倍，是背景NMR信號水平的約10倍，并且是背景NMR信號水平的約20倍。所測量隨頻率而變化的信號強度的實例展示于圖8中。所繪制數據代表所記錄具 有不同平均粒徑的NMR活性顆粒集合的平均NMR波譜。圖中報告各集合的平均粒徑。數據 已經位移以使共振峰的中心位于零頻率值附近。所記錄各波譜是在4. 7特斯拉的磁場強度 下極化31\時間后取自一系列合成自由感應衰減跡線。相應共振頻率為約39. 7MHz。使用 布魯克(Bruker) DMX-200NMR控制臺來測量。數據表明，信號品質可隨NMR活性顆粒的粒徑 而提高。在各實施例中，可通過選擇本文所述任一本發明方法的平均粒徑來選擇NMR信號 的信噪比。選擇在實質上不含自身NMR信號的波譜區中具有NMR信號的顆粒可提供便捷方法 來測試系統內靶向成份的存在而不需要實施空間分辨性NMR測量。作為一實例，可使可能 含有靶向成份(例如癌細胞)的系統暴露于具有靶向配體的官能化NMR活性顆粒中，所述 配體可結合癌細胞或與癌細胞結合的受體。若存在靶向成份或受體結合成份，則官能化顆 粒可與系統內的靶向成份或受體結合成份結合。在某些實施例中，在引入官能化NMR活性 顆粒后，可對系統實施清潔步驟，其中自系統移除未結合的NMR活性顆粒。隨后在涵蓋顆粒 NMR峰350附近波譜區的狹窄頻率范圍內對整個系統實施NMR激發，此刻確定顆粒的存在， 并由此確定靶向成份的存在。對于所述實施例，不需要實施空間分辨測量(例如磁共振成 像)來確定靶向成份的存在。在各實施例中，NMR活性顆粒的表面經化學改變以向顆粒提供靶向功能。所述化學 官能化NMR活性顆粒可用于多種應用中，包括(但不限于)磁共振成像(MRI)、磁共振波譜、 和基于NMR的凝聚分析。在某些實施例中，官能化的靶向性NMR活性顆粒可在生物學應用中 結合細胞表面受體，或可在地質學應用中結合具有特定礦物組成的巖石或礦石。在某些實 施例中，在與系統內的靶向成份結合后，可使用空間選擇性MRI激發來檢測官能化顆粒，并 且可根據所得NMR信號來確定靶向成份在系統(例如分析物、細胞、各種類型的礦物等)內 的空間分布。作為一實例，結合系統內局部化靶向成份的官能化顆粒可在MRI圖像上提供 “亮”點，從而說明靶向成份的存在和空間范圍。在某些實施例中，在與系統內靶向成份結合 后，可使用非空間選擇性NMR激發來檢測官能化顆粒，從而確定靶向成份在系統內的存在。
舉例來說，圖4A-4B繪示可用于NMR遙測術的化學官能化NMR活性顆粒410的實 施例。在各實施例中，NMR活性顆粒410的表面可經靶向配體420化學官能化，如圖4A所 繪示。例如，靶向配體可包含以下分子中的任一種碘化物、溴化物、硫化物、硫氰酸鹽、氯化 物、硝酸鹽、疊氮化物、氟化物、氫氧化物、草酸鹽、水、異硫氰酸鹽、乙腈、吡啶、氨、乙二胺、 2，2’ -聯吡啶、1，10-菲咯啉、亞硝酸鹽、三苯膦、氰化物、一氧化碳、乙酰丙酮、各種烯烴、 苯、1，2_雙(二苯基膦)乙烷、各種可咯((^! ! 016)、各種冠醚、2，2，2-穴醚、各種穴醚、環戊 二烯基、二乙烯三胺、丁二酮肟鹽、乙二胺四乙酸鹽、乙二胺三乙酸鹽、甘氨酸鹽、各種血紅 素、亞硝酰基、蝎合配體、亞硫酸鹽、2，2’，5’，2-三聯吡啶、硫氰酸鹽、三氮雜環壬烷、三環己 基膦、三乙烯四胺、三(鄰甲苯基)膦、三(2-氨基乙基)胺、三(2-二苯基膦乙基)胺、三 聯吡啶、聚乙二醇、葡聚糖、氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、各種胺、和各種硅烷。靶向配體 可為可結合蛋白質分子的多種配體中的任一種。在某些方面中，靶向配體可包含內源或外 源抗原或抗體。在某些實施例中，靶向配體可包含核糖核酸(RNA)。在某些實施例中，將靶 向配體直接布置于顆粒表面上。在某些實施例中，靶向配體可通過一或多種插入分子或材 料層附接至顆粒表面上。在各實施例中，所選靶向配體可優先結合靶向成份，例如所研究系統內的可疑分 析物、分子、蛋白質、生物標記、物質或內源化學結構。在某些實施例中，靶向配體在生物學 應用中結合細胞表面受體，或在地質學應用中結合具有特定物質組成的巖石或礦石。在各 實施例中，將官能化顆粒引入系統中并使用空間選擇性磁共振成像(MRI)激發直接檢測。 空間選擇性MRI激發可包括空間變化靜磁場，例如沿至少一個空間維度具有強度梯度的磁 場，其可為磁共振成像領域技術人員已知。可根據用所記錄得自官能化NMR活性顆粒的NMR 信號構建的圖像來確定靶向成份的空間分布。作為一實例，官能化顆粒在系統內特定位置 的積累可代表靶向成份與官能化顆粒之間發生多個結合事件，并且此積累可表現為NMR信 號強度的局部增強，例如MRI圖像上的亮點。在某些實施例中，顆粒可包含包圍或囊封于聚合物外殼中的NMR活性核心。聚合 物外殼可具有生物可吸收性或生物可降解性。實例性生物可降解性材料包括以下聚合物中 的任一種任一比率(例如85 15,40 60,30 70,25 75、或20 80)的丙交酯-乙 交酯共聚物、聚酯、聚碳酸鹽、聚酰胺、聚乙二醇、和聚己酸內酯。對于如圖4C所繪示的實施 例，倘若生物可降解性聚合物外殼480囊封NMR活性核心410，則可將靶向配體420布置于 外殼外表面上或活性核心表面上，如圖4D中所繪示。對應于圖4D的實施例可提供時間延 遲的NMR活性顆粒靶向遞送。在某些實施例中，可將治療性藥物納入外殼480中。在如圖 4C所繪示的實施例中，其中將治療性藥物布置在外殼480內，從而可在系統內追蹤藥物至 靶向受體(例如優先結合靶向配體420的受體460)的遞送。仍然參照圖4A，在某些實施例中，可將化學官能化NMR活性顆粒410引入據信存 在或懷疑存在靶向配體結合位點的系統中。結合位點或受體460可布置在系統內的靶向成 份(例如復雜分子、細胞或結構)450表面上，可含于靶向成份內，或可不附接并在系統內自 由移動。作為一實例，受體460可為布置在紅血細胞表面上的人類抗原，并且NMR活性顆 粒上的靶向配體可為靶向所述抗原的人類抗體。作為另一實例，結合位點可為通常不存于 系統中的特定化學元素、分子、或蛋白質，并且靶向配體可與所述特定元素、分子或蛋白質 結合。作為其它實例，靶向成份可為胰腺內胰島細胞上的受體，或任何生物器官(例如任何人類器官，例如前列腺、腎臟、肝臟、肺等，或任何動物器官)內的癌細胞或惡性腫瘤上的受 體。在各實施例中，化學官能化NMR活性顆粒可通過靶向配體420結合靶向受體460，如圖 4B所繪示。當顆粒410在其表面上具有不止一個靶向配體時，可發生額外結合并形成顆粒 與受體或結合受體的靶向成份的凝聚物。在某些實施例中，NMR活性顆粒的共振峰可在將顆粒引入系統中之后發生位移。可 通過在涵蓋共振峰和其附近區域的波譜區中對系統實施NMR測量來檢測共振峰的位移。在 某些實施例中，檢測共振峰的位移或變化的NMR測量耗時短暫，例如介于約10分鐘與約20 分鐘之間，介于約5分鐘與約10分鐘之間，介于約2. 5分鐘與約5分鐘之間，介于約1分鐘 與約2. 5分鐘之間。在某些實施例中，NMR測量的數據采集時間介于約10秒與約1分鐘之 間。在某些實施例中，共振峰的位移代表靶向成份在系統內的濃度。舉例來說，在官能化NMR活性顆粒與諸如受體或受體結合顆粒等靶向成份結合 時，可導致NMR活性顆粒的波譜特征發生變化。此一變化繪示于圖5A-5B中。例如，如圖4A 所繪示的未結合NMR活性顆粒410可表現如圖5A所繪示的NMR波譜501。NMR波譜可通過 掃描外加RF激發場的頻率并記錄所得NMR信號強度來獲得。NMR波譜可在頻率ωρ處表現 主共振峰510，其對應于存于顆粒410中的核磁活性物質。在使400與靶向成份結合后，NMR波譜可發生改變，如圖5Β所示實例中所繪示。經 結合波譜502可在頻率ω ’ ρ處表現新衛星峰520和減小的主峰530，如實線曲線所示。衛 星峰可得自系統中的經結合顆粒400，其中經結合靶向成份影響顆粒的局部磁場并由此改 變其磁共振頻率。其余未結合顆粒410仍產生主峰530。在某些實施例中，經結合顆粒的 頻率的位移可能過小而不能被儀器分辨為獨立譜峰，并且可獲得加寬的經位移峰540，如圖 5Β中的虛線曲線所繪示。應了解，圖5Β中所示的波譜僅為如何可改變NMR波譜的一實例。在某些實施例中， 例如若實質上所有NMR活性顆粒都進行結合或若自系統清除了未結合顆粒，則所得波譜可 能僅表現衛星峰520。在某些實施例中，所得波譜可表現加寬的主峰，或雙峰共振結構。在某些實施例中，譜峰520、530或540的強度、形狀和/或位置可提供關于顆粒與 靶向成份結合程度和/或濃度的量化信息。例如，在某些系統中，官能化顆粒與靶向成份的 廣泛和集中結合所產生的NMR共振頻率位移可大于中度結合，或可使信號強度(例如強度 或峰值)產生可測量的提高。在某些實施例中，磁共振峰的位移或變化可經預先校準，并且 在特征性位移處的峰信號強度可提供關于靶向成份的量化信息，例如所述成份存于系統內 的濃度。可實施預校準試驗來測量顆粒共振峰隨靶向成份已知濃度而變的位移或變化。在某些實施例中，官能化NMR活性顆粒與靶向成份的結合可影響顆粒的T1和/或 T2時間。這些變化可通過確定靶向成份的存在的NMR測量來檢測。在某些磁共振成像實施 例中，檢測或測量NMR活性顆粒所提供信號的復數個方面或特征以提供其它信息。例如，可 在NMR成像測量中檢測以下方面和/或其變化中的任一組合或全部信號強度、信號頻率、 共振峰的波譜特征、T1時間和T2時間。可通過所測量一或多個方面和/或其變化中的任一 者衡量所得圖像或將其相關聯。作為一實例，基于信號強度的圖像可伴隨有基于T2時間變 化的圖像。作為另一實例，通過共振頻率數據衡量的空間成像可提供系統的空間波譜圖像。應了解，在實質上不含背景或噪聲信號的頻帶中提供信號的NMR活性顆粒可在任 一上述NMR測量中獲得高信噪比。在各實施例中，用本發明NMR活性顆粒實施的任一類型的NMR測量的數據采集時間可短于習用NMR測量技術所需數據采集時間。在各實施例中， 檢測NMR信號中任一上述方面和/或其變化的測量的所需時間可介于約10分鐘與約20分 鐘之間，介于約5分鐘與約10分鐘之間，介于約2. 5分鐘與約5分鐘之間，介于約1分鐘與 約2. 5分鐘之間。在某些實施例中，NMR測量的數據采集時間介于約10秒與約1分鐘之間。在另一實例中，化學官能化NMR活性顆粒可與官能化順磁性或超順磁性顆粒(例 如氧化鐵顆粒、釓顆粒或具有類似特性的顆粒)組合用于適合NMR遙測術的多顆粒凝聚分 析中。在某些實施例中，在凝聚分析中采用本發明方法，其中所述分析含有可經化學官能化 的NMR活性顆粒和超順磁性或順磁性顆粒。在某些實施例中，順磁性或超順磁性顆粒是氧 化鐵或釓，并且其表面也進行官能化。可將NMR活性顆粒引入含有超順磁性或順磁性顆粒 的分析系統中。在各實施例中，另外添加分析物可引發NMR活性顆粒、分析物與超順磁性或 順磁性顆粒的凝聚。凝聚可使NMR活性顆粒的核磁共振峰發生凈位移。例如，超順磁性或 順磁性顆粒在NMR活性顆粒附近因凝聚而集中可改變NMR活性顆粒的局部磁場并影響顆粒 中以下方面或特征中的任一者或全部共振頻率、T1時間、T2時間。在某些實施例中，可檢 測共振頻率的位移并提供關于分析物濃度的量化信息。在另一實例中，采用包括順磁性或超順磁性顆粒和NMR活性顆粒在內的多顆粒凝 聚的分析的實施例繪示于圖6中。在所示實施例中，靶向成份650具有兩個功能不同的受體 630和660。可將靶向配體420布置在NMR活性顆粒410的表面上，并且配體420可優先結 合受體660。可將第二靶向配體620布置在順磁性顆粒610的表面上，并且其靶向配體620 可優先結合受體630。順磁性或超順磁性顆粒的粒徑可小于約50納米(nm)，在某些實施例 中介于約50nm與約IOOnm之間，介于約IOOnm與250nm之間，介于約250nm與約500nm之 間，并且在某些實施例中介于約500nm與1微米之間。隨著凝聚物600的形成，順磁性顆粒 610可緊靠NMR活性顆粒410結合在基質中，并在局部改變任何外加磁場。凝聚可引發NMR 共振峰的與NMR活性顆粒410相關的位移。在某些實施例中，位移量、形狀變化、和/或NMR 信號的強度可提供關于分析中所存在靶向成份(例如分析物)的數量和/或濃度的量化信 肩、ο在某些實施例中，將官能化NMR活性顆粒和順磁性或超順磁性顆粒二者引入系統 中，例如引入人類或動物個體或生物樣品中。NMR活性顆粒和磁性顆粒可以類似方式官能化 以靶向系統內的特定成份，例如癌腫塊。NMR活性顆粒和磁性顆粒在局部化位點處的積累可 使NMR活性顆粒的共振峰產生位移并表明系統內存在癌腫塊。在某些實施例中，NMR活性顆粒在系統內的積累可使用空間分辨測量技術來檢測， 例如磁共振成像(MRI)。在此上下文中，成像應理解為NMR檢測，其中可將得自顆粒的信號 的波譜強度繪制在系統內的空間位置處以形成至少一部分系統的MRI圖像。在某些實施例 中，可將NMR活性顆粒共振峰的位移繪制在空間位置處以形成MRI圖像。成像技術可包括 使用一或多種磁場梯度。圖像不同區域中的強度提供關于顆粒或靶向成份在系統某些區域 內的相對濃度的信息，并且在某些實施例中甚至可用于量化顆粒或成份在所述區域內的絕 對濃度。可通過比較所測量結果與得自預校準試驗的結果來達成濃度的量化。在各實施例中，通過本發明NMR遙測方法可獲得超過習用MRI技術所獲得空間分 辨率的分辨率值。在某些實施例中，所獲得成像空間分辨率介于約5毫升與約10毫升之間， 介于約2. 5毫升與約5毫升之間，并且在某些實施例中介于約1毫升與約1. 5毫升之間。用得自NMR活性顆粒的信號構建的圖像可為引入NMR活性顆粒的系統的至少一部分的二維或
三維圖示。在某些實施例中，在MRI應用中得自官能化顆粒的圖像強度可提供可用于系統分 析、診斷和/或治療的信息。舉例來說，顆粒在體內、在體外或在原位的動力學可受某些參 數影響，例如顆粒的比重、粒徑和表面組成。在通過(例如)使用具有選定一致粒徑和比重 的顆粒來使上述參數中的兩者維持恒定時，動力學(例如生理分布、分解速率等)的變化可 提供關于系統內第三參數(在此實例中為表面化學組成)的相關特征性交互作用的信息。 許多生物過程是通過細胞外生物分子與細胞表面受體之間的接觸交互作用來介導的，并且 這些交互作用可引發多種在廣義上稱作“細胞功能”的過程。細胞功能包括(例如，但不限 于)基因表達的變化、細胞生命周期的變化、和對細胞外刺激的適應性反應。在不同情形 下，存在于細胞表面上的表面受體的類型可為一類細胞(例如產生胰島素的胰島細胞、惡 性癌細胞、或免疫系統細胞)的特征，并且可指示對細胞外刺激的適應性反應。在各實施例 中，官能化顆粒在系統不同區域中或包括脈管在內的較大生理學結構中的積累指示存在靶 向受體并且可提供關于細胞類型和細胞功能的有用信息，其中所述積累是由那些區域中顆 粒動力學特性的改變引發的，所述特性的改變是因靶向配體與所述靶向受體的交互作用所 致。官能化顆粒的積累可表現為在磁共振成像(MRI)期間NMR信號強度的提高。在某些實 施例中，所檢測官能化顆粒的積累可向醫師提供(例如)關于不同組織中存在的細胞類型 的信息、或在化療情況下關于所投與藥物是否沉積在其靶向組織中的信息。使用NMR活性顆粒的NMR遙測方法的各實施例繪示于圖7A-7B的流程圖中。這些 方法可包括使用化學官能化NMR活性顆粒和化學官能化順磁性或超順磁性顆粒。所述方法 可包括使用具有長T1馳豫時間的NMR活性顆粒。在各實施例中，選擇、獲取或提供NMR活性顆粒(710)。在某些實施例中，所選NMR 活性顆粒已經化學官能化。在某些實施例中，NMR活性顆粒在實質上不含源自將引入所述 顆粒的系統的NMR信號的波譜區中具有NMR共振峰。提供NMR活性顆粒的步驟可包括極化 顆粒核磁矩的至少一部分。用于核磁共振的遙測方法可另外包括將NMR活性顆粒引入系統中(720)。引入步 驟可包括將顆粒或含有顆粒的溶液引入系統中。系統可含有已知或懷疑存于系統內的成 份。在某些實施例中，系統是凝聚分析。可以溶液、粉劑、可溶性錠劑、或囊封組合物形式 將顆粒引入系統中。可通過輸注、注射、攝取、吸入、靜脈內遞送、經口、經肛門、經皮遞送等 或植入來引入呈各種形式的顆粒。在某些實施例中，在將NMR活性顆粒引入系統后容許等 待選定時間長度。所選時間長度可使NMR活性顆粒分散于整個系統中。在某些實施例中， 采用混合技術來加速NMR活性顆粒在整個系統中的分散。在某些實施例中，所選階段為顆 粒到達靶向目的地提供時間。顆粒的混合或分散可通過多種方式來完成，包括對顆粒以及 (在某些情形下)靶向成份進行機械攪拌、振蕩、翻轉、超聲攪拌、或自然擴散和分散。在各 實施例中，經預選時間長度實施混合，持續時間介于約30秒與1分鐘之間，介于約1分鐘與 約10分鐘之間，介于約10分鐘與約30分鐘之間，和介于約30分鐘與約1小時之間。引入 步驟720可另外包含使用動態核極化技術增強顆粒提供的NMR信號，所述技術可在原位或 異位實施。動態核極化用于極化顆粒內原子的核磁矩。用于核磁共振的遙測方法可另外包括對系統執行NMR測量(730)。所述測量可在某些實施例中具有空間分辨性，并且在其它實施例中具有非空間分辨性。在某些實施例中， NMR測量檢測NMR活性顆粒的共振峰的位移。在某些實施例中，NMR測量檢測NMR活性顆粒 的共振峰的強度值。在某些實施例中，NMR測量檢測共振峰的強度值和位移二者。如上所 述，成像測量中可獲得的空間分辨率可超過習用磁共振成像技術所獲得的分辨率值。在某 些實施例中，執行NMR測量(730)所需時間(例如采集代表得自NMR活性顆粒的共振信號 的數據所需時間)可短于習用NMR測量技術所需時間。在某些實施例中，NMR測量所需時 間介于約10分鐘與約20分鐘之間，介于約5分鐘與約10分鐘之間，介于約2. 5分鐘與約 5分鐘之間，并且在某些實踐中介于約1分鐘與約2. 5分鐘之間。圖7B繪示用于核磁共振的遙測方法的實施例，其另外包含將分析物引入系統中 (725)和將濃度與NMR測量的結果(例如共振峰的位移)相關聯(740)的額外步驟。圖7B 中所繪示方法可用于NMR凝聚分析中。在某些實施例中，省略引入NMR活性顆粒的步驟。 例如，可在凝聚分析系統(例如試管、小瓶、小碟或孔、微量滴定板、多孔分析板等)中提供 NMR活性顆粒。關聯步驟740是可選的并且可采用多種形式。例如，在某些實施例中，關聯 步驟740可包含確定引入系統中的分析物濃度的大致數值。所述濃度確定可根據先前在預 校準試驗期間獲得的數據來實施。在某些實施例中，關聯步驟740可包含閾值確定程序。例 如，所檢測超過閾值的共振峰位移或強度變化水平為存在靶向成份提供陽性或(在某些實 施例中)陰性指示。本申請案中引用的所有文獻和類似材料包括(但不限于)專利、專利申請案、文 章、書籍、論文、和網頁，不管所述文獻和類似材料是何種形式，其都是全文以引用方式明確 并入本文中。如果所引用文獻和類似材料中的一或多者在以下方面與本申請案不同或相矛 盾包括(但不限于)所定義術語、術語的使用、所述技術、或諸如此類，則以本申請案為準。本文所用各部分的標題僅出于組織性目的而不能理解為以任何方式限制所述標 題物。盡管已結合各實施例和實例闡述了本教示內容，但本教示內容不欲受限于所述實 施例或實例。相反，所屬領域技術人員應了解，本教示內容涵蓋各種改變、修改和等效內容。除非明確說明，否則權利要求書不應理解為受限于所述順序或要素。應理解，所屬 領域技術人員可對形式和細節做出各種改變而不背離隨附權利要求書的精神和范疇。本發 明主張涵蓋于以下權利要求書的精神和范疇內的所有實施例和其等效形式。
權利要求
一種通過核磁共振遠程確定系統是否表現某種特征的方法，其包含提供具有NMR共振峰的NMR活性顆粒；將所述NMR活性顆粒引入系統中；用NMR裝置檢測所述NMR活性顆粒的共振峰；確定所述NMR活性顆粒的共振峰是否因引入所述系統中而發生位移；和根據是否發生位移來確定所述系統是否表現某種特征。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒的NMR共振峰位于實質上不含任 何源自所述系統的NMR信號的波譜區中。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒的共振峰因引入所述系統中而分 裂為兩個或更多個共振峰。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒的共振峰因引入所述系統中而加寬。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒結合所述系統內的特征性分析物 并且所述NMR活性顆粒的NMR共振峰在其與所述分析物結合時發生位移。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述系統是有機體并且所述分析物是特征性細胞類型。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述分析物是特征性癌細胞類型。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒經化學官能化。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述NMR活性顆粒已進行同位素富集或同位素貧化。
10.如權利要求1所述的方法，其另外包含通過動態核極化來增強源自所述NMR活性顆 粒的核磁共振信號，所述動態核極化是在原位或異位實施。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是背景NMR信號水平的約2倍。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平的 約5倍。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平的 約10倍。
14.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平的 約20倍。
15.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰位移的檢測是使用空間分辨測量技術 來實施。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述空間分辨率介于約5毫升與約10毫升之間。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述空間分辨率介于約2.5毫升與約5毫升之間。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述空間分辨率介于約1毫升與約2.5毫升之間。
19.如權利要求1所述的方法，其中所述共振峰位移的檢測不是使用空間分辨測量技 術實施。
20.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約10分 鐘與約20分鐘之間。
21.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約5分鐘與約10分鐘之間。
22.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約2.5分 鐘與約5分鐘之間。
23.如權利要求1所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約1分鐘 與約2. 5分鐘之間。
24.如權利要求1所述的方法，其另外包含將濃度與所述檢測到的共振峰位移相關聯。
25.一種用于核磁共振分析的遙測方法，其包含提供NMR活性顆粒，所述顆粒在實質上不含任何源自分析系統中其它組份的NMR信號 的波譜區中具有NMR共振峰；將所述NMR活性顆粒引入所述分析系統中；將分析物引入所述分析系統中；和檢測所述NMR活性顆粒的共振峰的位移。
26.如權利要求25所述的方法，其另外包含將所述分析物的濃度與所述檢測到的共振 峰位移相關聯。
27.如權利要求25所述的方法，其中所述NMR活性顆粒進行化學官能化。
28.如權利要求25所述的方法，其中所述NMR活性顆粒已進行同位素富集或同位素貧化。
29.如權利要求25所述的方法，其另外包含通過動態核極化來增強源自所述NMR活性 顆粒的核磁共振信號，所述動態核極化是在原位或異位實施。
30.如權利要求25所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是背景NMR信號水平的約 2倍。
31.如權利要求25所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平 的約5倍。
32.如權利要求25所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平 的約10倍。
33.如權利要求25所述的方法，其中所述共振峰的信號強度是所述背景NMR信號水平 的約20倍。
34.如權利要求25所述的方法，其中所述共振峰位移的檢測不是使用空間分辨測量技 術實施。
35.如權利要求25所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約10分 鐘與約20分鐘之間。
36.如權利要求25所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約5分 鐘與約10分鐘之間。
37.如權利要求25所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約2.5 分鐘與約5分鐘之間。
38.如權利要求25所述的方法，其中檢測所述共振峰位移的測量所需時間介于約1分 鐘與約2. 5分鐘之間。
全文摘要
本文闡述用于核磁共振應用的各種遙測方法。將NMR活性顆粒引入進行NMR測量的系統中。在各實施例中，NMR活性顆粒在實質上不含任何源自系統自身材料的NMR信號的波譜區中具有共振峰。在某些實施例中，NMR活性顆粒經化學官能化以靶向系統內的成份。在某些應用中，可使用所檢測共振峰的變化來量化系統的某些特征，例如分析物的濃度、系統內是否存在靶向成份。
文檔編號A61K49/06GK101909656SQ200980101717
公開日2010年12月8日 申請日期2009年1月9日 優先權日2008年1月10日
發明者喬納森·馬默里克, 杰弗里·馮馬爾燦, 查爾斯·M·馬庫斯, 雅各布·W·阿普捷卡里 申請人:哈佛大學校長及研究員協會;麻省理工學院