用于诊断成像的纳米微粒组合物.pdf

本发明提供具有结构I的三烷氧基硅烷，其中R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；且X–表示电荷平衡性反离子。三烷氧基硅烷可用于制备纳米微粒诊断成像剂组合物。

权利要求书
1.   一种具有结构I的三烷氧基硅烷

其中R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；且X–表示电荷平衡性反离子。

2.   权利要求1的三烷氧基硅烷，其中各R1和各R2为甲基，各R3为氢，且R4为叔丁基。

3.   权利要求1的三烷氧基硅烷，其中各R1为乙基，各R2为甲基，各R3为氢，且R4为叔丁基。

4.   权利要求1的三烷氧基硅烷，其中各R1和各R2为甲基，各R3为氢，且R4为2-甲基-2-丁基。

5.   权利要求1的三烷氧基硅烷，其中R4为苄基。

6.   权利要求1的三烷氧基硅烷，其中R4为4-甲氧基苄基。

7.   一种纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物包含具有理想化结构II的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和带正电荷的三氧基硅烷配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3脂族基团；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；X–表示电荷平衡性反离子；并且所述官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。

8.   权利要求7的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，且R4为叔丁基。

9.   权利要求7的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，且R4为2-甲基-2-丁基。

10.   权利要求7的纳米微粒组合物，其中X–表示溴离子。

11.   权利要求7的纳米微粒组合物，其中所述官能化纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成。

12.   权利要求7的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，R4为叔丁基，n为1，q为1；并且所述纳米微粒金属氧化物基本由纳米微粒氧化钽组成。

13.   一种纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物包含具有理想化结构III的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和三氧基硅烷甜菜碱配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；n为0、1、2或3；q为1、2或3；并且所述官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。

14.   权利要求13的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，且各R3为氢。

15.   权利要求13的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，且各R3为甲基。

16.   权利要求13的纳米微粒组合物，其中n为1，q为1；且所述官能化纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成。

17.   权利要求16的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，且各R3为氢。

18.   一种诊断成像剂组合物，所述诊断成像剂组合物包含具有理想化结构III的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和三氧基硅烷甜菜碱配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；n为0、1、2或3；q为1、2或3；并且所述官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。

19.   权利要求18的诊断成像剂组合物，所述诊断成像剂组合物进一步包含药学上可接受的载体或赋形剂。

20.   权利要求18的诊断成像剂组合物，其中所述纳米微粒具有最大10nm的中值粒径。

21.   权利要求18的诊断成像剂组合物，其中各R2为甲基，且各R3为氢。

22.   权利要求18的诊断成像剂组合物，其中各R2为甲基，且各R3为氢。

23.   权利要求22的诊断成像剂组合物，其中n为1，q为1；且所述官能化纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成。

24.   权利要求18的诊断成像剂组合物，其中所述官能化纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成。

说明书用于诊断成像的纳米微粒组合物
背景
本申请总体涉及纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物可用作诊断成像剂用于一种或多种X射线/计算机断层摄影(CT)和磁共振成像(MRI)。更具体地讲，本申请涉及可用作造影剂的纳米微粒组合物和制备和使用此类剂的方法。
几乎所有的临床批准诊断造影剂为包含小分子的组合物。相对较小的碘化芳族化合物已用作X射线和CT中的标准造影剂，而Gd-螯合物用于磁共振成像。已知的造影剂有一个或多个缺点，例如从身体过快清除、在体内过长保留、毒性、非特异性、不稳定性和高成本。这些限制使得降低依赖诊断成像的治疗程序的总体有效性。尽管至今在本领域取得了相当大的进步，但仍需要新种类造影剂，这些造影剂克服一个或多个这些缺点和/或具有使新诊断成像方式成为可能的特性。
纳米微粒组合物在诊断和治疗两种医疗应用中显示相当大前景。虽然在临床上仅批准几种包含纳米微粒组合物的药剂用于磁共振成像应用和药物递送应用，但数百种此类药剂仍在研发中。大量证据表明相对于目前使用小分子药剂，纳米微粒组合物具有在诊断和治疗功效方面的益处。然而，粒径、结构和表面性质对基于纳米微粒组合物的药剂的体内生物分布和清除率的影响未充分了解。根据其粒径，与小分子比较，纳米微粒倾向于较长时间停留在体内。在造影剂的情况下，优选造影剂具有自身体的最大肾清除率，并具有最低短期或长期毒性。
因此，需要用作具有改善性质的造影剂和/或成像剂的新纳米微粒组合物。具体地讲，具有涉及肾清除率和毒性改善性质的纳米微粒组合物尤其有利。另外，需要用以制备此类纳米微粒组合物的新合成中间体。
发明内容
在第一个方面，本发明提供具有结构I的三烷氧基硅烷

其中R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；且X–表示电荷平衡性反离子。
在第二个方面，本发明提供一种纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物包含具有理想化结构II的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和带正电荷的三氧基硅烷配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3脂族基团；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；X–表示电荷平衡性反离子；并且官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。
在第三个方面，本发明提供一种纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物包含具有理想化结构III的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和三氧基硅烷甜菜碱配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；n为0、1、2或3；q为1、2或3；并且官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。
在第四个方面，本发明提供诊断成像剂组合物，所述诊断成像剂组合物包含具有理想化结构III的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和三氧基硅烷甜菜碱配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；n为0、1、2或3；q为1、2或3；并且官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。
在以下说明书和权利要求书中引用了一些术语，这些术语应限定具有以下含义。
除非本文另外清楚地指明，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数对象。
“任选”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可发生或可不发生，并且此描述包括事件发生的情况和不发生的情况。
如在整个说明书和权利要求书中所用，可用近似语言修饰任何定量表述，这些表述可容许改变，而不引起所涉及的基本功能的改变。因此，由词语例如“约”和“基本”修饰的数值不限于所指定的精确值。在至少某些情况下，近似语言可相应于用于测定数值的仪器的精确度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限度可以组合和/或互换，这些范围经确定，并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指明。
本文所用术语“芳族基团”是指具有至少一价的包含至少一个芳基的原子排列。具有至少一价的包含至少一个芳基的原子排列可包含杂原子，例如氮、硫、硒、硅和氧，或者可只由碳和氢组成。本文所用术语“芳族基团”包括但不限于苯基、吡啶基、呋喃基、噻吩基、萘基、亚苯基和联苯基。如上提到，芳族基团包含至少一个芳基。芳基总是为具有4n+2个“离域”电子的环状结构，其中“n”为等于1或更大的整数，例如苯基(n=1)、噻吩基(n=1)、呋喃基(n=1)、萘基(n=2)、薁基(n=2)、蒽基(n=3)等。芳族基团也可包含非芳族组分。例如，苄基为包含苯基环(芳基)和亚甲基(非芳族组分)的芳族基团。类似地，四氢萘基为包含稠合到非芳族组分–(CH2)4-的芳基(C6H3)的芳族基团。为方便起见，本文限定的术语“芳族基团”包含宽范围官能团，如烷基、烯基、炔基、卤代烷基、卤代芳基、共轭二烯基、醇基、醚基、醛基、酮基、羧酸基、酰基(例如羧酸衍生物，如酯和酰胺)、胺基、硝基等。例如，4-甲基苯基为包含甲基的C7芳族基团，甲基为烷基官能团。类似地，2-硝基苯基为包含硝基的C6芳族基团，硝基为官能团。芳族基团包括卤代芳族基团，如4-三氟甲基苯基、六氟异亚丙基双(4-苯-1-基氧基)(即，–OPhC(CF3)2PhO-)、4-氯甲基苯-1-基、3-三氟乙烯基-2-噻吩基、3-三氯甲基苯-1-基(即，3-CCl3Ph-)、4-(3-溴丙-1-基)苯-1-基(即，4-BrCH2CH2CH2Ph-)等。芳族基团的另外实例包括4-烯丙基氧基苯-1-氧基、4-氨基苯-1-基(即，4-H2NPh-)、3-氨基羰基苯-1-基(即，NH2COPh-)、4-苯甲酰基苯-1-基、二氰基亚甲基双(4-苯-1-基氧基)(即，-OPhC(CN)2PhO-)、3-甲基苯-1-基、亚甲基双(4-苯-1-基氧基)(即，–OPhCH2PhO-)、2-乙基苯-1-基、苯基乙烯基、3-甲酰基-2-噻吩基、2-己基-5-呋喃基、六亚甲基-1,6-双(4-苯-1-基氧基)(即，–OPh(CH2)6PhO-)、4-羟基甲基苯-1-基(即，4-HOCH2Ph-)、4-巯基甲基苯-1-基(即，4-HSCH2Ph-)、4-甲基硫基苯-1-基(即，4-CH3SPh-)、3-甲氧基苯-1-基、2-甲氧基羰基苯-1-基氧基(例如，甲基水杨酸基)、2-硝基甲基苯-1-基(即，2-NO2CH2Ph)、3-三甲基甲硅烷基苯-1-基、4-叔丁基二甲基甲硅烷基苯-1-基、4-乙烯基苯-1-基、亚乙烯基双(苯基)等。术语“C3–C10芳族基团”包括含至少3个但不多于10个碳原子的芳族基团。芳族基团1-咪唑基(C3H2N2-)表示C3芳族基团。苄基(C7H7-)表示C7芳族基团。
本文所用术语“脂环族基团”是指具有至少一价并且包含环状但非芳族原子排列的基团。本文限定的“脂环族基团”不含有芳基。“脂环族基团”可包含一个或多个非环组分。例如，环己基甲基(C6H11CH2-)为脂环族基团，包含环己基环(环状但非芳族的原子排列)和亚甲基(非环组分)。脂环族基团可包含杂原子，例如氮、硫、硒、硅和氧，或者可只由碳和氢组成。为方便起见，本文所限定术语“脂环族基团”包含宽范围官能团，如烷基、烯基、炔基、卤代烷基、共轭二烯基、醇基、醚基、醛基、酮基、羧酸基、酰基(例如羧酸衍生物，如酯和酰胺)、胺基、硝基等。例如，4-甲基环戊-1-基为包含甲基的C6脂环族基团，甲基为烷基官能团。类似地，2-硝基环丁-1-基为包含硝基的C4脂环族基团，硝基为官能团。脂环族基团可包含一个或多个可相同或不同的卤素原子。卤素原子包括例如氟、氯、溴和碘。包含一个或多个卤素原子的脂环族基团包括2-三氟甲基环己-1-基、4-溴二氟甲基环辛-1-基、2-氯二氟甲基环己-1-基、六氟异亚丙基-2,2-双(环己-4-基)(即，–C6H10C(CF3)2 C6H10-)、2-氯甲基环己-1-基、3-二氟亚甲基环己-1-基、4-三氯甲基环己-1-基氧基、4-溴二氯甲基环己-1-基硫基、2-溴乙基环戊-1-基、2-溴丙基环己-1-基氧基(例如，CH3CHBrCH2C6H10O-)等。脂环族基团的另外实例包括4-烯丙基氧基环己-1-基、4-氨基环己-1-基(即，H2NC6H10-)、4-氨基羰基环戊-1-基(即，NH2COC5H8-)、4-乙酰基氧基环己-1-基、2,2-二氰基异亚丙基双(环己-4-基氧基)(即，-OC6H10C(CN)2C6H10O-)、3-甲基环己-1-基、亚甲基双(环己-4-基氧基)(即，–OC6H10CH2C6H10O-)、1-乙基环丁-1-基、环丙基乙烯基、3-甲酰基-2-四氢呋喃基、2-己基-5-四氢呋喃基、六亚甲基-1,6-双(环己-4-基氧基)(即，–O C6H10(CH2)6C6H10O-)、4-羟基甲基环己-1-基(即，4-HOCH2C6H10-)、4-巯基甲基环己-1-基(即，4-HSCH2C6H10-)、4-甲基硫基环己-1-基(即，4-CH3SC6H10-)、4-甲氧基环己-1-基、2-甲氧基羰基环己-1-基氧基(2-CH3OCOC6H10O-)、4-硝基甲基环己-1-基(即，NO2CH2C6H10-)、3-三甲基甲硅烷基环己-1-基、2-叔丁基二甲基甲硅烷基环戊-1-基、4-三甲氧基甲硅烷基乙基环己-1-基(例如，(CH3O)3SiCH2CH2C6H10-)、4-乙烯基环己烯-1-基、亚乙烯基双(环己基)等。术语“C3–C10脂环族基团”包括含至少3个但不多于10个碳原子的脂环族基团。脂环族基团2-四氢呋喃基(C4H7O-)表示C4脂环族基团。环己基甲基(C6H11CH2-)表示C7脂环族基团。
本文所用术语“脂族基团”是指具有至少一价的由直链或支链非环状原子排列组成的有机基团。脂族基团限定包含至少一个碳原子。包含脂族基团的原子排列可包含杂原子，例如氮、硫、硅、硒和氧，或者可只由碳和氢组成。为方便起见，本文所限定术语“脂族基团”包含宽范围官能团作为“直链或支链非环状原子排列”的部分，如烷基、烯基、炔基、卤代烷基、共轭二烯基、醇基、醚基、醛基、酮基、羧酸基、酰基(例如羧酸衍生物，如酯和酰胺)、胺基、硝基等。例如，4-甲基戊-1-基为包含甲基的C6脂族基团，甲基为烷基官能团。类似地，4-硝基丁-1-基为包含硝基的C4脂族基团，硝基为官能团。脂族基团可以为含一个或多个卤素原子的卤代烷基，卤素原子可相同或不同。卤素原子包括例如氟、氯、溴和碘。包含一个或多个卤素原子的脂族基团包括烷基卤化物三氟甲基、溴二氟甲基、氯二氟甲基、六氟异亚丙基、氯甲基、二氟亚乙烯基、三氯甲基、溴二氯甲基、溴乙基、2-溴三亚甲基(例如，-CH2CHBrCH2-)等。脂族基团的另外实例包括烯丙基、氨基羰基(即，–CONH2)、羰基、2,2-二氰基异亚丙基(即，-CH2C(CN)2CH2-)、甲基(即，-CH3)、亚甲基(即，–CH2-)、乙基、亚乙基、甲酰基(即，-CHO)、己基、六亚甲基、羟基甲基(即，-CH2OH)、巯基甲基(即，–CH2SH)、甲基硫基(即，–SCH3)、甲基硫基甲基(即，–CH2SCH3)、甲氧基、甲氧基羰基(即，CH3OCO-)、硝基甲基(即，-CH2NO2)、硫代羰基、三甲基甲硅烷基(即，(CH3)3Si-)、叔丁基二甲基甲硅烷基、3-三甲氧基甲硅烷基丙基(即，(CH3O)3SiCH2CH2CH2-)、乙烯基、亚乙烯基等。作为另一个实例，C1–C10脂族基团包含至少1个但不多于10个碳原子。甲基(即，CH3-)为C1脂族基团的实例。癸基(即，CH3(CH2)9-)为C10脂族基团的实例。
在一个实施方案中，本发明提供具有结构I的三烷氧基硅烷

其中R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；且X–表示电荷平衡性反离子。如在本公开中表明的，落在一般结构I范围内的三烷氧基硅烷可用于制备在医学成像中用作造影剂的纳米微粒组合物。
可使三烷氧基硅烷I与纳米微粒金属氧化物通过三烷氧基甲硅烷基的媒介反应生成经涂覆纳米微粒金属氧化物，其中对应于结构I的配体通过一个或多个硅氧键结合到纳米微粒金属氧化物。
参考具有结构I的三烷氧基硅烷，R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基，例如甲基、乙基、异丙基或丙基。结构I中所示的氮结合到4个不同的碳原子，并且代表季铵盐的带正电荷组分。基团R3在每次出现时可独立为氢或C1-C3烷基。在一个或多个实施方案中，各R3为氢。基团R4为可在温和条件下去除的保护基，例如，在温和酸性条件下，或者，R4为可在温和氢解条件下去除的保护基。可在温和酸性条件下去除的酯保护基包括但不限于叔丁基、四氢吡喃基、甲基硫基亚甲基、1-甲基-1-环戊基和1-甲基-1-环己基。可在温和氢解条件下去除的酯保护基包括但不限于苄基、对甲氧基苄基和对烷基苄基。
具有结构I的三烷氧基硅烷化合物由以下表I中具体实例1a-1o说明。已阅读本公开的本领域普通技术人员应了解可如何制备此类化合物。例如，可使包含反应性离去基团的经保护酯化合物与包含叔胺基的三烷氧基硅烷反应。三烷氧基硅烷的叔胺基与包含反应性离去基团的经保护酯化合物反应，从而使叔胺氮转变季氮。化合物1a-1d、1i-1k和1m-1o例示本发明提供的三烷氧基硅烷，其中基团R4为酸敏感性保护基。化合物1e-1h和1l例示本发明提供的三烷氧基硅烷，其中基团R4为可在温和氢解条件下去除的保护基(苄基)，例如，在披钯碳存在下在环境压力和温度条件下暴露于氢气。应注意到，可在氢解条件下去除的其它保护基也适用，例如对甲基苄基、对溴苄基和对氟苄基。
在表1中，结构I的电荷平衡性反离子X–通过溴离子(Br-)、碘离子(I-)、甲苯磺酸根(TsO-)、甲磺酸根(MsO-)、乙酸根(AcO-)、碳酸氢根(HCO3-)和三氟甲磺酸根(Tf-)例示，尽管大量有机和无机阴离子也适用。
表I　　具有结构I的三烷氧基硅烷的实例


在一个或多个实施方案中，本发明提供落在一般结构I范围内的三烷氧基硅烷，其中各R1和各R2为甲基，各R3为氢，且R4为叔丁基，例如表I的化合物1n。
在一个或多个供选实施方案中，本发明提供落在一般结构I范围内的三烷氧基硅烷，其中各R1为乙基，各R2为甲基，各R3为甲基，且R4为叔丁基，例如表I的化合物1m。
在一个或多个另外的实施方案中，本发明提供落在一般结构I范围内的三烷氧基硅烷，其中各R1和各R2为甲基，各R3为氢，且R4为2-甲基-2-丁基，例如表I的化合物1o。
在一个实施方案中，本发明提供落在一般结构I内的三烷氧基硅烷，其中R4为苄基，例如表I的化合物1e-1h和1l。在一个供选的实施方案中，R4为对甲氧基苄基。
如上提到，三烷氧基硅烷I可用于制备自身在医学诊断成像中用作造影剂的纳米微粒。可使三烷氧基硅烷I中存在的三烷氧基硅烷部分(R1O)3Si与纳米微粒金属氧化物(例如，纳米微粒氧化钽)的反应性含氧基团缩合，从而涂覆纳米微粒金属氧化物的表面，以提供包含官能化纳米微粒金属氧化物和带正电荷的三氧基硅烷配体的纳米微粒组合物。此类官能化纳米微粒金属氧化物的结构可以为络合物，并且包含结合到纳米微粒金属氧化物微粒的多个三氧基硅烷配体。在本发明背景下使用时，术语“官能化”可认为指“经涂覆”或“部分涂覆”，并且其中“涂覆”纳米微粒金属氧化物的至少部分三氧基硅烷配体通过一个或多个氧-硅键实际化学结合到纳米微粒金属氧化物。
在某些情况下，由本发明提供的包含对应于三烷氧基硅烷I的三氧基硅烷配体的纳米微粒可另外包含对应于三烷氧基硅烷Ia的三氧基硅烷配体

其包含叔胺部分，并且其中R1和R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；n为0、1、2或3。
在纳米微粒中存在对应于叔胺Ia的此类三氧基硅烷配体可影响作为诊断成像剂的此类纳米微粒的性能特征，也可影响此类纳米微粒的毒性特征。在某些实施方案中，由本发明提供的纳米微粒包含对应于三烷氧基硅烷I的三氧基硅烷配体和对应于三烷氧基硅烷Ia的三氧基硅烷配体二者。在一个实施方案中，由本发明提供的纳米微粒中存在的小于50%三氧基硅烷配体对应于三烷氧基硅烷Ia。在另一个实施方案中，由本发明提供的纳米微粒中存在的小于20%三氧基硅烷配体对应于三烷氧基硅烷Ia。在另一个实施方案中，由本发明提供的纳米微粒中存在的小于5%三氧基硅烷配体对应于三烷氧基硅烷Ia。在一个供选实施方案中，由本发明提供的纳米微粒基本不含对应于三烷氧基硅烷Ia的三氧基硅烷配体。
为了方便，官能化纳米微粒组合物经常显示为球形体，表示结合到近似相同大小的单个三氧基硅烷配体的纳米微粒金属氧化物。实际上，纳米微粒金属氧化物微粒显著大于组合物中结合到各纳米微粒金属氧化物微粒的相关多个三氧基硅烷配体。另外，在三烷氧基硅烷I与纳米微粒金属氧化物的反应性含氧基团缩合时，多个缩合途径都是可能的。尽管这在纳米微粒组合物的化学表现中相当理想化，但本领域普通技术人员应了解由本发明提供的纳米微粒组合物的性质和化学结构及这些结构与已知的纳米微粒组合物如何不同。当在一个或多个方面已简化纳米微粒组合物的化学结构时，在本文中有时称为具有理想化结构。
在一个实施方案中，本发明提供一种纳米微粒组合物，所述纳米微粒组合物包含具有理想化结构II的纳米微粒，所述纳米微粒包含官能化纳米微粒金属氧化物和带正电荷的三氧基硅烷配体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；R4为C1-C5脂族基团、C7-C12芳族基团或C5-C10脂环族基团；n为0、1、2或3；q为1、2或3；且X–表示电荷平衡性反离子；并且官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。
由本发明提供的各纳米微粒组合物包括包含氧化钽(Ta2O5)的纳米微粒金属氧化物。在一个或多个实施方案中，除了Ta2O5外，包含氧化钽(Ta2O5)的纳米微粒金属氧化物还包含其它金属氧化物，例如氧化铁和氧化钛。然而，这些另外的金属氧化物的量一般相对于纳米微粒金属氧化物中存在的氧化钽的量较小。在一个实施方案中，根据本发明的一个或多个方面使用的纳米微粒金属氧化物为约90%重量氧化钽。在另一个实施方案中，根据本发明的一个或多个方面使用的纳米微粒金属氧化物为约95%重量氧化钽。在一个实施方案中，认为纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成，并且包含小于1%重量其它金属氧化物种类。
包含具有理想化结构II的纳米微粒的纳米微粒组合物说明于表II中，并且对应于包含氧化钽的纳米微粒金属氧化物与具有结构I的三烷氧基硅烷化合物的缩合产物。为了说明目的，表I中所列各三烷氧基硅烷化合物显示转变成表II中结合到官能化纳米微粒金属氧化物的相应三氧基硅烷配体。因此，表I的结构1a对应于表II的结构2a，表I的结构1b对应于表II的结构2b等等。为方便起见，表II中所给的各结构已理想化。已阅读本公开的本领域普通技术人员应了解，所给组合物中电荷平衡性反离子的身份可取决于制备包含纳米微粒II的纳米微粒组合物中所用的反应方案。
表II　　具有理想化结构II的纳米微粒的实例


在一个或多个实施方案中，本发明提供包含落在一般结构II范围内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，且R4为叔丁基，例如表II的化合物2a和2n。
在一个或多个供选实施方案中，本发明提供包含落在一般结构II范围内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，且R4为2-甲基-2-丁基，例如表II的纳米微粒2o。
在一个实施方案中，本发明提供包含落在一般结构II内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中R4为苄基，例如表II的化合物2e-2h和2l。在一个供选的实施方案中，R4为对甲氧基苄基。
在一个实施方案中，本发明提供包含落在一般结构II内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，R4为叔丁基，n为1，q为1；并且纳米微粒金属氧化物基本由纳米微粒氧化钽组成。例如，参见具有理想化结构2a的纳米微粒。
在一个方面，包含落在一般结构II内的纳米微粒的纳米微粒组合物主要可用作如理想化结构III所示包含三氧基硅烷甜菜碱配体的纳米微粒组合物的前体

其中R2在每次出现时独立为C1-C3烷基；R3在每次出现时独立为氢或C1-C3烷基；n为0、1、2或3；q为1、2或3；并且官能化纳米微粒金属氧化物包括纳米微粒氧化钽。此类纳米微粒组合物在医学诊断成像中作为造影剂显示出前景。
已阅读本公开的本领域普通技术人员应了解，包含保护基R4的酯部分断裂提供羧酸根部分，羧酸根部分可作为带正电荷季氮的电荷平衡性反离子。在有机化学中，将此电荷分离但电荷平衡的种类称为甜菜碱。
表III提供包含纳米微粒的纳米微粒组合物的实例，所述纳米微粒落在一般结构III内，并且包含官能化纳米微粒金属氧化物和三氧基硅烷甜菜碱配体。
表III　具有理想化结构III的纳米微粒的实例


在一个或多个实施方案中，本发明提供包含落在一般结构III内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为氢，例如由表III中结构3a、3g、3h、3i和3l表示的纳米微粒。
在一个或多个供选实施方案中，本发明提供包含落在一般结构III内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中各R2为甲基，各R3为甲基，例如由表III中结构3k和3m表示的纳米微粒。
在一个或多个供选实施方案中，本发明提供包含落在一般结构III内的纳米微粒的纳米微粒组合物，其中n为1，q为1；并且官能化纳米微粒金属氧化物基本由氧化钽组成，例如由表III中结构3a-3f和3k表示的纳米微粒。
在另一个方面，本发明提供一种诊断成像剂组合物，所述诊断成像剂组合物包含具有理想化结构III的纳米微粒。在一个或多个实施方案中，诊断成像剂组合物可包含药学上可接受的载体和/或赋形剂。适合的药学上可接受的载体包括但不限于水和含水乙醇。适合的药学上可接受的赋形剂包括但不限于盐、崩解剂、粘合剂、填料、润滑剂及两种或更多种前述的组合。
成为本发明提供的诊断成像剂组合物应用基础的重要特征是由于纳米微粒自身的纳米微粒性质。在一个或多个实施方案中，构成诊断成像剂组合物的纳米微粒具有最大10nm的中值粒径。在另一个实施方案中，构成诊断成像剂组合物的纳米微粒具有最大6nm的中值粒径。
试验部分
实施例1合成三烷氧基硅烷3

将无水异丙醇(90mL，Aldrich)和二甲基氨基丙基三甲氧基硅烷1(预先蒸馏，26.9mL，123.1mmol，Gelest)加入到装配有搅拌棒的250mL圆底烧瓶。通过注射器滴加溴代乙酸叔丁酯(化合物2，19.1mL，129.2mmol，Aldrich)。将所得无色溶液在室温搅拌22小时，以提供三烷氧基硅烷3的异丙醇溶液。
方法1  制备纳米微粒氧化钽(Ta2O5)
用氮气清洗装配有搅拌棒、氮气接头(adapter)和加料漏斗的2L三颈圆底烧瓶，并填充无水异丙醇(456mL)、异丁酸(7.25mL，78.2mmol，Aldrich)和净化水(6.8mL，374.9mmol)。在通过针喷射溶液15分钟后，通过注射器滴加乙醇钽(25g，61.5mmol)。将无色均匀溶液在室温搅拌21小时，以提供纳米微粒Ta2O5的溶液。
实施例2：涂覆反应，合成纳米微粒4

将实施例1中制备的包含三烷氧基硅烷3的异丙醇溶液经40分钟滴加到在方法1中制备的纳米微粒Ta2O5的溶液。用冷凝器装配反应容器，并在75℃油浴中加热2小时。通过注射器滴加净化水(12.4mL，对于加入到反应混合物的每烷氧基为1完全当量水)，并将混合物搅拌另外3小时。然后使温度降低到50℃。在50℃ 17小时后，在50℃经数分钟过程加入NH4OH(4摩尔，75mL)水溶液。在添加含水NH4OH后约7.5小时开始和之后约3小时结束的时间段期间，用氮吹扫反应容器，在此期间，从反应容器夹带约100mL异丙醇。在添加NH4OH后24小时，使反应混合物冷却到室温，以提供包含具有理想化结构4的纳米微粒的溶液。
实施例3合成纳米微粒5

向在实施例2中制备的包含纳米微粒4的溶液加入含水HCl (2摩尔，250mL)。然后将混合物加热到50℃，并搅拌47小时，在此期间，反应混合物变得不均匀。然后加入净化水(100mL)，反应混合物立即变得均匀。然后在75℃加热48小时。移出等分试样，1H-NMR光谱分析显示叔丁酯水解完全。使包含具有理想化结构5的纳米微粒的产物溶液冷却到室温，并用含水NH4OH (120mL，4.93M)中和。具有理想化结构5的纳米微粒在本文中有时简称为“CZ2”。
实施例4纯化纳米微粒5
使在实施例3中制备的包含纳米微粒5的溶液在旋转式蒸发器上浓缩到300mL，并依次过滤通过450nm、100nm和20nm膜。将经过滤溶液进一步浓缩到129g，并用3.5kDa MWCO蛇皮再生纤维素透析管经总共6个循环相对于2L净化水透析，以提供包含纳米微粒5的纯化产物纳米微粒组合物的溶液。使等分试样自由干燥，并进行光谱分析。产物产率为58.3%，这是基于纯化产物溶液中存在的钽的量。通过元素分析测定，发现Si:Ta摩尔比为1.49，产物中的%Ta为33.5%重量。平均粒径(Z有效)实测为3.1nm。微粒涂层结构测定与光谱数据一致。
方法2  供选制备纳米微粒氧化钽(Ta2O5)
在充氮手套箱中，在搅拌下在室温向364mL无水甲醇加入5.36mL异丁酸和1.495mL氧化氘。将此混合物搅拌30min，随后经约8min以逐滴方式添加乙醇钽(20g)。将反应混合物搅拌5小时，在此时间后，从手套箱移出包含产物纳米微粒Ta2O5的烧瓶，并使用Schlenck-/真空线歧管置于惰性气氛下。
实施例5合成纳米微粒7

将二甲基氨基丙基三甲氧基硅烷1(11.23g)作为团流(bolus)加到在以上方法2中制备的纳米微粒Ta2O5，使所得混合物在氮下回流过夜。使反应混合物冷却至室温，以提供包含纳米微粒6的溶液。然后加入β-丙内酯(7.95g)，并将反应混合物在室温搅拌过夜。然后缓慢加入净化水(5.35mL)，并在室温搅拌反应物过夜。然后用1.73M氢氧化钠水溶液(约20-50mL)使反应混合物达到pH 10，并加热到50℃经历8小时。在此时，使反应混合物冷却至室温，并搅拌过夜。用1.2M HCl水溶液中和反应混合物，直至达到pH 3，在此时后，将反应混合物在室温搅拌另外7小时。然后用4M氢氧化钠水溶液使pH升高到8，以提供包含具有理想化结构7的纳米微粒(在本文中有时称为“CZ1”)的产物溶液。
实施例5纯化纳米微粒7(CZ1)
用3.5kDa MWCO管完全透析去除小分子量杂质。透析浴具有约3L体积，并且包含4至5个管，各容纳50mL体积产物溶液。在总共21次浴交换后，从管移出经纯化产物溶液，并进一步通过30kDa再生纤维素膜(4K rpm，15min)离心过滤纯化。基于钽摩尔数，纯化后的反应产率为58.3%。通过元素分析测定，Si:Ta摩尔比为1.05。平均粒径(Z有效)实测为4.8nm。微粒涂层结构测定与光谱数据一致。
体内研究
配制用于注射的氧化钽纳米微粒组合物，并用市售试剂盒(Endosafe, Charles River Labs)检验内毒素污染。用于体内试验的所有试剂不含可测量的内毒素。试验的各纳米微粒组合物具有基本相同的纳米微粒粒径分布。
根据GE全球研发机构动物护理和使用委员会(Institutional Animal Care and Use Committee of GE Global Research)准许的规程进行动物研究。在清醒时，以400和1500毫克Ta/千克体重剂量给大鼠(每种药剂和每剂量n=4)经尾静脉注射。将注射的大鼠送回到笼子，并在注射后多个时间点取血样用于血液学分析(全血细胞计数和临床化学)。在注射后7天，用CO2使大鼠安乐死，并获得器官用于元素分析。通过ICP AES测定注射大鼠每器官和全尸中的保留Ta钽量。
收集重约500mg的代表性组织切片，用于微波消化和随后ICP-OES分析。将样品从VWR?无金属、无菌聚丙烯50mL离心管定量移入预清洁100mL CEM Corp XP-1500 Plus? TFM?含氟聚合物微波衬套容器(vessel liners)。通过依次加入溶剂、涡旋搅拌和转移2mL 18MΩ去离子水(DIW; Millipore, Bedford, MA, USA)、500μL HF(46.0-51.0%)+1mL HNO3(70%) Ultrex? II超纯试剂级及2mL H2O2(30-32%) ‘Baker Analyzed’? A.C.S.试剂级(J.T. Baker, Phillipsburg, NJ, USA)将管中的残余样品有效冲洗。使样品在环境温度预消化30分钟，随后密封微波容器装置，在MARSXpress (CEM Corp, Matthews, NC, USA)单元中处理，所述单元在15分钟内匀变至180℃，并保持30分钟。使容器冷却至室温，随后减压，并转移到包含2mL在1% HF中的100ppm Nb作为内标的预称重50mL离心管。用18MΩ DIW使样品达到20mL总体积，清洗微波容器最少3次并称重。
在表1中所概述的仪器条件下进行分析，作为3个重复样收集，利用3个点/峰光谱条件，使用2点背景校正，30秒源平衡延迟。用来自2%HF(Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA)储液中Specpure? 10,000μg/mL TaCl5的0.2至100ppm的5% HNO3 + 0.5% HF中的基质匹配标准品校准，而来自储液10mg/L (Metuchen, NJ, USA)的1ppm SPEX CertiPrep? Multi-element Solution 4用于质量控制。在各分析之间，以2.0 mLmin-1流速经45秒泵抽5% HNO3 + 0.5% HF的ICP-OES清洗溶液。
表1　具有径向视图构型的PerkinElmer Inc. Optima 5300? DV ICP-OES中使用的操作参数*

*仪器装配有PerkinElmer AS 93自动进样器，2.0mm i.d.氧化铝注射器，Ryton Scott Spray Chamber喷雾室和Gem Tip交叉流喷雾器样品引入系统
四种不同钽纳米微粒组合物的器官保留数据收集于以下表2-4中。表2(PHS-Ta2O5，结构8)和表3(ZMS-Ta2O5，结构9)中引用的纳米微粒组合物为了比较目的提供，并说明由本发明提供的造影剂的改善性能，其说明性数据在表4中提供。
PHS-Ta2O5，也称为2-二乙基磷酰乙基硅烷-TaO，为包含具有理想化结构8的纳米微粒的纳米微粒组合物，如学术文章Investigative Radiology Vol. 47, No. 10, pp 1-10, 2012中所述制备，该文章全文通过引用结合到本文中。

ZMS-Ta2O5，也描述为两性离子甲氧基硅烷TaO，为包含具有理想化结构9的纳米微粒的纳米微粒组合物，如标题为Preclinical Assessment of a Zwitterionic Tantalum Oxide Nanoparticle X-ray Contrast Agent(两性离子氧化钽纳米微粒X-射线造影剂的临床前评价)的学术文章(ACS Nano publishd online July 25, 2012  (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22768795 ))中所述制备，该文章全文通过引用结合到本文中。

表2 器官中的保留Ta. 注射后7天的PHS-Ta2O5
组织 %注射剂量(400mg Ta/kg剂量)+/- SD %注射剂量(1500mg Ta/kg剂量)+/- SD 肝 2.49 (+/- 0.200) 1.29 (+/- 0.090) 肾 2.91 (+/- 0.39) 1.06 (+/- 0.10) 脾 0.23 (+/- 0.020) 0.14 (+/- 0.040)
表3 器官中的保留Ta. 注射后7天的ZMS-Ta2O5
组织 %注射剂量(400mg Ta/kg剂量)+/- SD %注射剂量(1500mg Ta/kg剂量)+/- SD 肝 0.640 (+/- 0.001) 0.30 (+/- 0.010) 肾 0.300 (+/- 0.009) 0.216 (+/- 0.009) 脾 0.070 (+/- 0.0001) 0.04/- 0.0001)
表4 器官中的保留Ta. 注射后7天的CZ2
组织 %注射剂量(400mg Ta/kg剂量)+/- SD %注射剂量(1500mg Ta/kg剂量)+/- SD 肝 0.081 (+/- 0.008) 0.364 (+/- 0.219) 肾 0.225 (+/- 0.016) 0.247 (+/- 0.046) 脾 0.005 (+/- 0.0001) 0.05/- 0.001)
表5 器官中的保留Ta. 注射后7天的CZ1
组织 %注射剂量(400mg Ta/kg剂量)+/- SD %注射剂量(1500mg Ta/kg剂量)+/- SD 肝 2.53 (+/- 0.34) 未测定 肾 0.43 (+/- 0.021) 未测定 脾 0.26 (+/- 0.066) 未测定
表2-5中所示的数据表明CZ2纳米微粒组合物的改善性能(表4，理想化结构5)。尽管粒径相同，但不同纳米微粒组合物仍显示非常不同的器官保留分布。CZ2纳米微粒组合物显示相对于对照纳米微粒组合物PHS-Ta2O5和ZMS-Ta2O5高得多的器官清除速率，相对于纳米微粒组合物CZ1优良的性能，这对于基本不含或包含相对较低量的对应于三烷氧基硅烷Ia的含叔胺三氧基硅烷配体的本发明实施方案，是潜在提高临床安全性和应用性的有前景迹象。包含显著百分数(即，50%)对应于三烷氧基硅烷1的三氧基硅烷配体的纳米微粒组合物CZ1(理想化结构7)有足够毒性，以致于器官保留研究在1500mg/kg量不能成功地进行。
前述实施例仅为说明性，只用于举例说明本发明的一些特征。所附权利要求书旨在要求保护与其所提出的同样宽泛的本发明，本文呈现的实施例例示了从各种所有可能实施方案选择的实施方案。因此，申请人的意图是所附权利要求不受限于用于说明本发明特征的实施例的选择。如权利要求书中所用，词语“包括”及其语法变体在逻辑上也对向并且包括变化和不同范围的短语，例如但不限于“基本由…组成”和“由…组成”。在必要时已提供范围，这些范围包括其间的所有子范围。预期本领域普通技术人员能想到这些范围中的变化，并且在未向公众提供时，这些变化应尽可能解释为由所附权利要求书涵盖。还应预料，科学技术的进步会使现在由于语言不精确未想到的等价物和替代成为可能，这些变化也应尽可能解释为由所附权利要求书涵盖。